화염 견디는 투명 플라스틱… 난연성과 기계 강도 동시에 잡았다

전기전자, 항공우주, 소방장비 등 고온·고위험 환경에서 요구되는 안전성과 경량성을 동시에 충족할 수 있는 고성능 난연 플라스틱 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 특히 기존 난연 첨가제를 사용하지 않고도 투명성과 기계적 성능, 난연성을 동시에 확보한 점에서 산업적 파급 효과가 주목된다.

한국연구재단은 박제영 서강대학교 교수, 오동엽 인하대학교 교수, 전현열·박슬아 한국화학연구원 연구원이 참여한 공동연구팀이 고투명 열가소성 플라스틱인 폴리설폰(PSU)에 아라미드 나노섬유(ANF)를 초소량 첨가해 고난연성·고강도 투명 나노복합소재를 개발했다고 밝혔다.

폴리설폰은 고내열성과 투명성이 뛰어나 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 분류되지만, 충격 저항성과 난연성이 부족해 전자기기나 소방장비, 항공 구조물 등 화염 노출 환경에서는 사용에 제약이 있었다. 기존에는 난연 첨가제를 도입하는 방식이 사용됐지만, 이로 인해 플라스틱이 불투명해지거나 유독가스가 발생하고 기계적 성능이 저하되는 문제가 발생했다.

연구팀은 PSU의 중합 용매와 ANF의 분산 용매가 동일하다는 점에 착안해 두 소재를 하나의 공정에서 통합하는 접근을 시도했다. 고농도의 나노섬유를 PSU와 함께 중합한 마스터배치를 제조한 뒤 이를 상업용 PSU에 희석하는 방식으로 복합소재를 생산했으며, 기존 압출기와 사출기 공정을 그대로 활용할 수 있어 산업화에도 적합하다.

개발된 복합소재는 단 0.04중량퍼센트(wt%)의 ANF만을 포함하고 있음에도 불구하고, 인장 인성(tensile toughness)이 기존 PSU 대비 2.4배, 충격 강도는 1.3배 향상됐다. 투명성 유지율도 87% 이상을 기록해 기계적 성능과 광학 특성을 동시에 확보한 것으로 나타났다.

또한 산소지수(LOI)는 31.5로 측정됐고, 미국 UL 규격 난연성 테스트에서 최고 등급인 UL94 V-0을 획득했다. 1천300도 화염에 직접 노출한 실험에서도 불꽃 제거 후 3초 이내에 자가 소화되는 결과를 보였다.

연구에서 핵심 역할을 한 아라미드 나노섬유는 고강도 케블라 섬유를 수십 나노미터 크기로 화학적으로 박리해 제조한 고분자 필러다. 기존에는 주로 DMSO(디메틸설폭사이드) 유기용매에 분산되어야 했기 때문에 플라스틱 복합소재화에 어려움이 있었으나, 연구팀은 이를 공정적으로 통합할 수 있는 방식을 고안해 이러한 한계를 극복했다.

박제영 교수는 “초소량의 나노섬유만으로도 기계적 성능과 난연성을 동시에 확보할 수 있었던 점이 핵심”이라며 “기존 난연제를 사용하지 않고도 친환경적 복합소재 개발 가능성을 제시했다”고 말했다. 이어 “다른 열가소성 플라스틱에도 아라미드 나노섬유 적용 범위를 확대해나가겠다”고 덧붙였다.

해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진한 개인연구지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials' 8월호에 게재됐다.

개발된 나노복합소재는 전기전자 부품, 항공우주 부품, 소방장비, 의료용 투명재 등 고온·고위험 산업 전반에서 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.