한국전기연구원(KERI) 절연재료연구센터 유승건 박사팀이 단순한 기계적 충돌만으로 무기 나노입자를 고분자 마이크로입자 표면에 부착시킬 수 있는 획기적인 ‘복합입자 합성 기술’을 개발했다.

고분자 마이크로입자에 기능성 무기 나노입자를 결합하는 ‘복합입자 합성 기술’은 배터리 전극 소재, 촉매 시스템, 제약·바이오, 반도체 패키징, 전력기기용 절연소재 등 다양한 산업 분야에 걸쳐 폭넓게 활용되고 있다. 이 과정에서 소재들의 결합은 주로 습식 화학공정을 통해 이루어졌는데, ▲복잡한 다단계 공정 및 비용 추가 ▲용매 사용에 따른 환경 문제 발생 ▲이종 소재 간 화학적 결합 유도를 위한 표면 기능화 기술 한계 등 많은 문제를 가지고 있었다.

이에 유승건 박사는 소행성의 충돌로 인해 형성되는 달의 크레이터(구덩이)에서 영감을 받아 입자들을 물리적·기계적으로 충돌시키는 방식을 도입했다. 즉, 고분자의 마이크로입자 표면을 중심으로(코어, core), 무기 나노입자를 하나하나씩 부착해 껍데기(shell)처럼 감싸는 구조로 결합시켰다.

이는 단순한 원리처럼 보이지만, 실제 구현은 매우 어려웠다. 나노입자가 고분자 마이크로입자 표면에 안정적으로 부착되기 위해서는 입자 간 크기 비율, 충돌 속도와 회전 에너지, 표면 에너지 및 거칠기 등 다양한 요소를 복합적으로 고려해야 한다. 이러한 조건들을 정밀하게 제어한 KERI는 수십 종의 무기 나노입자와 크기·물성이 서로 다른 마이크로입자들을 다양하게 조합하여 최적의 합성 조건을 확립했고, 물리적 부착 메커니즘을 세계최초로 규명하는 데 성공했다.

뿐만 아니라 연구팀은 나노입자의 부착 정도, 표면 커버리지, 계면의 결합 안정성 등을 정량적으로 분석하고, 열적·기계적·화학적 내구성까지 평가하는 기술도 확보했다. 이를 통해 여러 환경에서 잘 견디고, 자성/광촉매/흡착 특성을 동시에 지니는 다기능 고신뢰성 복합입자 결과물을 얻을 수 있었다.

해당 연구결과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계 최고 수준의 저널인 '어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials)'의 ‘인사이드 프론트 커버(Inside Front Cover)’로 선정됐다. 논문의 수준을 평가하는 ‘Impact Factor’는 27.4로, 상위 1.9%에 속한다.

유승건 박사는 “용매를 전혀 사용하지 않는 친환경 건식공정에서 우리가 필요로 하는 소재들을 장난감 블록처럼 쉽게 결합할 수 있어 양산화·상용화 측면에서 유리하다”라고 밝히며 “부착 가능한 소재군의 범위가 매우 넓고, 쉬운 공정에 재현성도 높기 때문에 산업계로의 진입 장벽이 매우 낮다”라고 전했다.

KERI는 꾸준한 연구를 통해 소재 합성 공정의 최적화를 더욱 추진한다는 목표다. 또한, 기술에 관심 있는 수요 기업체를 발굴하여 기술이전을 통해 사업화에 나선다는 계획이다.

한편 KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 이번 연구는 KERI 기본사업을 통해 수행됐고, UNIST 이동욱 교수팀, KIST 전승렬 박사팀, 펜실베이니아대학교 Shu Yang 교수팀이 함께했다.