질화붕소나노튜브 실제적 활용 첫 사례…나노레터스 부 표지 게재
전북대학교 김태환 교수(공대 양자시스템공학과)와 김성곤 교수(공대 화학공학부) 공동 연구팀이 방사선 보호를 위한 중성자 차폐체를 다양한 형태와 모양으로 구현할 수 있는 복합체 제조 방법을 개발했다.
연구팀은 섭씨 100도 정도의 고온에서 상온으로 냉각될 때 졸-겔 상전이(sol-gel phase transition)를 보이는 친수성 아가로즈 고분자와 차세대 나노소재인 질화붕소나노튜브를 활용하여 성형이 자유롭고 유연하며, 중성자 차폐체로도 활용이 가능한 ‘질화붕소나노튜브-고분자 복합체’를 제조하는 방법을 고안하고, 이를 활용해 다양한 형태와 모양을 갖는 중성자 차폐체를 구현하는데 성공했다고 밝혔다.
졸-겔 상전이는 액체에서 점탄성을 가지는 고체 형태로 변형되는 반응을 말한다.
질화붕소나노튜브는 우수한 기계적, 열적, 전기적 특성과 열중성자 차폐 특성을 보유하고 있어 우주환경이나 원자로와 같은 혹독한 환경에서 사용 가능한 차세대 나노소재다.
그러나 질화붕소나노튜브는 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 성질을 띠는 ‘소수성 표면’ 및 중성인 두 개의 분자 사이에 작용하는 힘인 ‘반데르발스 상호작용’에 의해 번들로 응집되어 있어 실질적인 응용에 어려움이 있어 왔다.
이에 연구팀은 비공유 기능화를 통해 질화붕소나노튜브의 표면을 친수성으로 구조를 변화시켰고, 이후 친수성 고분자인 아가로즈 고분자와의 복합체를 졸-겔 상전이를 이용해 제조하여 중성자 차폐재로의 실제적인 응용성을 대폭 확대했다.
비공유 기능화는 계면활성제나 양친성고분자와 같이 친수성기와 소수성기가 같이 존재하는 양친성분자와의 소수성 상호작용을 통해 나노입자의 표면을 기능화하는 방법이다.
연구팀은 이렇게 제조된 복합체를 엑스선 소각산란 및 인장강도 실험 등을 통해 내부 구조 및 물리적 특성을 확인했고, 대전 한국원자력연구원에 위치한 HANARO 연구용 원자로에서 중성자 투과 실험을 통해 복합체의 중성자 차폐 특성도 확인했다.
엑스선 소각산란은 높은 휘도의 엑스선을 이용하여 0.1~10도의 회절 각 범위 안에 나타나는 산란이다.
이번 연구는 전상우 연구원(박사과정, 공대 플라즈마 및 양자빔 응용공학과)과 김지원 연구원 (석사, 공대 화학공학부)의 주도로 진행됐으며, 나노기술 분야 세계 최고 수준의 국제학술지인 미국화학회(American Chemical Society)의 '나노레터스(Nano Letters)' 최신호에 논문이 게재됐다. 또한 질화붕소나노튜브의 실제적인 첫 활용 사례인 점을 인정받아 부표지논문(Supplementary Cover)으로도 선정됐다.
연구팀은 “이번 연구를 통해 성형 및 가공이 편리하고 기계적인 특성이 우수한 중성자 차폐체를 제조하는 간편한 방법을 개발했다”라며 “이를 통해 다양한 분야에서 개선된 기계적, 전기적, 열적 특성을 갖춘 복합물질의 추가적인 개발에 도움이 될 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이 연구는 한국연구재단의 원자력기초연구지원사업, 핵심연구지원센터 조성 지원사업, 학연협력 플랫폼 구축 시범사업, 중견연구자지원사업 및 RIS 에너지신산업의 지원을 통해 수행했다.
