국내연구진이 인조 치아, 인공뼈와 우주항공용 고온 소재로 활용할 수 있는 소재 개발에 성공했다. 대량제조한 BNNP에 세라믹을 분산시킨 것으로 세라믹의 기존 장점은 그대로 가져가면서 약한 내충격성 보완에 성공했다.

KAIST(총장 강성모)는 지난4일 홍순형 신소재공학과 교수와 류호진 원자력및양자공학과 교수 공동 연구팀이 고온용 2차원 나노소재인 질화붕소 나노플레이트렛(BNNP)을 세라믹 재료의 강화재로 응용하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

세라믹은 다른 소재들에 비해 내충격성이 약해 쉽게 깨지는 단점이 있어 나노물질 강화재를 첨가해 내충격성을 향상시킬 수 있는 복합소재를 개발하는 것이 중요하다.

신소재로 각광받는 그래핀은 전기전도도가 높아 절연 특성을 요하는 기판용 세라믹 재료에 적합하지 않다. 또한 섭씨 350℃에서 산화, 검은 색깔 등의 특성을 갖기 때문에 심미성이나 실용성의 문제로 우주항공용 소재나 인공치아 등에 활용이 어렵다.

반면 BNNP는 섭씨 1,000℃에서도 안정적이고 투명하며 생체적합성이 뛰어나 고온용 소재나 생체용 세라믹 재료의 강화재로 응용할 수 있다면 물성을 크게 향상시킬 수 있다.

이번 연구에서 제조된 BNNP는 질소와 붕소 원자가 육각형의 벌집모양 형태로 화학결합을 한 두께 10나노미터 이하의 2차원 나노소재이다.

연구팀은 BNNP를 제조하기 위해 ‘고에너지 볼밀링’ 공정을 이용했다. 볼밀링 공정은 용기 내에 볼과 대상 물질을 넣고 회전시켜 에너지를 가하는 방식이다.

대상 물질인 질화붕소와 철로 만들어진 볼을 넣고 회전을 가하는 간단한 방법으로 질화붕소 각각의 층을 박리하는 데 성공했다. 그리고 이를 통해 정밀한 BNNP를 대량으로 제조하는 데 성공했다.

또한 계면활성제를 통해 BNNP를 세라믹 재료 내에 균일하게 분산시키는 데 성공했다. 대표적 세라믹 소재인 질화규소에 첨가했을 때 2%의 첨가만으로 강도 10%, 파괴인성 20%, 내마모 특성을 30% 향상시켰다.

홍 교수는 “질화붕소 나노플레이트렛의 우수한 기계적 물성, 열전도율, 고온 안정성 등을 세라믹 소재에 접목해 우주항공용 고온 소재, 인공치아용 소재, 전자기기 기판 소재 등에 응용이 가능하다”고 말했다.

류 교수는 “세라믹 소재의 특성을 획기적으로 향상시키고 응용 분야를 넓혀 신산업을 창출할 수 있을 것이다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업, 소프트 광소자용 2D 및 차원융합 하이브리드 소재 개발 기술 과제의 지원을 받아 수행됐으며, KAIST 신소재공학과 이빈 박사과정 학생이 제 1저자로 참여했다. 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8일자 온라인 판에 게재됐다.

▲ 본 연구를 통해 제조된 BNNP 강화 질화규소 나노복합분말 및 나노복합소재.