(사진=KAIST 제공)
KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 홍순형 교수와 원자력및양자공학과 류호진 교수 공동 연구팀은 고온용 2차원 나노소재인 BNNP(질화붕소 나노플레이트렛)를 세라믹 재료의 강화재로 응용하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
이번 연구는 BNNP를 통해 내충격성이 약한 세라믹의 성능을 높일 수 있음을 규명했다는 의미를 갖는다. 이를 통해 향후 인공치아, 인공뼈 및 우주항공용 고온 소재 등에 사용 가능할 것으로 기대된다.
세라믹은 내충격성이 약해 쉽게 깨지는 단점이 있어 그래핀 등 강화재를 첨가하는 연구가 진행되고 있다.
하지만 그래핀도 전기전도도가 높아 절연성이 요구되는 세라믹 기판에 적합하지 않은데다, 섭씨 350도 이상에서 산화되고 검은 색깔 등의 특성을 갖고 있어서 우주항공용 소재나 인공치아에 활용하기 어렵다는 문제가 있다.
반면 BNNP는 섭씨 1000도에서도 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 10㎚(나노미터) 이하의 2차원 나노소재이다.
그동안 제조공정이 어렵다는 단점 때문에 연구가 활발하지 않아 그래핀에 비해 널리 활용되지 못했다.
연구진은 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 박리했으며, 이를 통해 정밀한 BNNP를 대량으로 제조하는 데 성공했다.
또 계면활성제를 활용해 BNNP를 세라믹 재료 내에 균일하게 분산시켰다.
대표적 세라믹 소재인 질화규소에 첨가했을 때 2%의 첨가만으로 강도 10%, 파괴인성 20%, 내마모 특성을 30% 향상시킨 것으로 나타났다.
KAIST 신소재공학과 이빈 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports) 온라인 판에 실렸다.