나노클레이
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복합소재 실용화 양산체제 구축 시급 나노기술(Nano Technology)은 경량화, 소형화, 대용량화에 필수적인 기반 기술로 분자 단계의 조작으로 새로운 기능성 물질을 제조하는데 관심이 집중되고 있다.나노기술은 소재산업의 혁신을 가져옴으로써 IT·BT 등 첨단분야의 기초소재 제공은 물론 석유화학, 자동차, 에너지, 의료, 환경, 기계, 섬유 등의 기초 소재를 대체할 미래 핵심 산업기술로 주목받고 있다. 다양한 나노소재에 대한 요구도 높아지면서 2000년대 이후 복합소재(Composite)를 중심으로 물성이 향상된 소재 개발이 급속도로 진행되며 산업적 응용사례가 속속 나타나고 있다. 복합소재는 2가지 이상의 전혀 다른 물질을 혼합해 각각의 장점을 살리고 물성을 향상시킨 소재를 말한다. Toyota 연구소에서 처음으로 개발된 나노클레이(Nano Clay)는 100nm 이하의 알갱이나 클러스터 형태를 지닌 세라믹 분말로 일반적인 점토질(Clay)에 비해 강성, 연성을 비롯한 물성이 뛰어나 복합소재로 널리 이용되고 있다. 층상 구조의 점토 사이에 고분자 물질을 주입하는 방식으로 제조되는 나노클레이 복합소재는 세라믹과 고분자 물질의 장점을 모두 지니고 있어 고강성, 경량화 소재로 주목받고 있다. 특히, 고분자의 우수한 성형성과 경량 특성, 세라믹의 우수한 기계적 강도가 결합돼 자동차부품의 소재, 반도체 소재, 연료전지 및 2차전지 소재, 화장품 소재, 촉매 등 다양한 분야에 적용이 예상되고 있다. 최초로 상용화에 성공한 Toyota는 Ube와 공동으로 자동차용 나일론(Nylon) 클레이 복합소재 개발에 나섰으며, 이후 Dow Chemical, Bayer, Honeywell 등 다국적 화학기업들도 앞 다투어 개발에 뛰어들어 수지, 필름으로 가공해 출시하고 있다. 국내에서는 호남석유화학, 삼성토탈 등이 시험개발에 성공해 자동차 및 전자용 시제품을 출시했다. 클레이 입자 분산시켜 물성 향상 나노클레이의 가장 중요한 특성 중 하나는 입자의 크기가 8-20nm으로 비표면적이 매우 크다는 것으로, 나노클레이의 원재료로는 산화알루미늄을 비롯해 지르코늄, 니켈, 코발트 등 금속산화물이나 실리카 계열의 나노 입자가 주로 이용되고 있다. 독특한 기계적, 전기적, 광학적 특성을 가지고 있어 나노 사이즈로 가공하면 유연성, 연성, 강도, 경도가 강하기 때문으로 알려졌다. 연구 관계자는 “입자의 크기에 따라 실험적 물성이 다른 이유는 비표면적이 크기 때문”이라며 “기존 재료보다 가공성이 높아 다양한 산업적 응용이 가능하고 가혹한 환경에서 견딜 수 있는 물성을 확보함으로써 특수용도로 사용될 것”이라고 설명했다. 산화알루미늄(Al2O3)은 입자 크기가 8nm이면 비표면적이 g당 118m2로 고강성을 얻을 수 있고, 기존 재료와 다른 전기적 거동을 보여 반도체 소자나 전자재료로 활용이 가능해진다. 국내에서는 내구성이 요구되는 자동차 부품용 연구가 활발히 진행되고 있으며, 절삭공구 등 고강성 제품, 넓은 비표면적이 요구되는 세라믹 필터, 연성과 유연성이 강조되는 구부러지는 초전도체선, 광학적 특성이 요구되는 광학 커넥션 부품 등에서 응용사례가 나타나고 있다. 나일론 6 클레이 복합소재는 5%의 클레이를 첨가했을 때 기존 재료에 비해 인장강도가 40%, 굴곡탄성률은 126%, 열변형온도는 87℃ 향상되는 것으로 나타났다. 하지만, 우수한 물성에도 불구하고 아직까지 코스트, 공정 등의 문제로 양산화가 지연되는 가운데 시제품 개발에 나노클레이를 적용하는 사례가 꾸준히 늘고 있다. 표, 그래프 | 나노기술의 기술경쟁력 비교 | 미국의 첨단 세라믹분말 시장 변화 | <화학저널 2010/9/13> |
