공동 연구팀은, 이번 연구에서 표면 처리된 할로이사이트 나노튜브(Halloysite Nanotube, 이하 HNT)를 에폭시 접착제에 도입하되, 특히 이미다졸로 기능화(Imidazole-functionalized)된 IM-HNT를 사용하여 열적·기계적 성능을 크게 향상시키는 방안을 제안했다.
연구팀은 “이미다졸 표면 처리를 통해 HNT가 경화 반응을 촉진하는 효과가 있음을 확인했고, 키싱거 수식(Kissinger’s Equation)과 유전율(permittivity) 측정을 통해 반응 활성화 에너지가 50% 감소하고 경화 시간이 90% 단축되는 성과를 거뒀다.”라고 밝혔다.
이러한 촉매 작용 덕분에 에폭시 내 열팽창 거동이 개선돼 접합부의 열적 안정성이 높아졌으며, 인장 강도가 15%, 파괴 인성(fracture toughness)이 50% 향상되는 등 기계적 특성 역시 크게 개선됐다.
스테인리스(Stainless Steel)와 탄소섬유강화복합소재(CFRP)를 활용한 하이브리드 접합부를 대상으로 실시한 단일 랩 전단시험(single lap shear test)에서는 전단 강도가 약 25% 증가하여 하이브리드 구조 소재의 안정성이 눈에 띄게 높아졌고, 열충격(thermal shock)을 주기적으로 반복 부여하는 가혹 조건에서도 접착 내구성이 최대 30% 향상되는 결과를 보였다.
또한 유한요소해석(FEA)을 통한 잔류응력 분석으로, IM-HNT가 접합 경계면에서 발생하는 열응력을 효과적으로 완화한다는 사실이 확인되어 고내구성·고신뢰성 접합기술로의 발전 가능성이 입증됐다.
연구팀은 “이번 연구에서 제시한 이미다졸 기반 표면 처리 기법은 항공, 자동차, 건축 등 다양한 산업에서 요구되는 하이브리드 접합부의 내구성과 열충격 저항성을 동시에 만족할 수 있는 획기적 해법이다.”라며 “접착제의 물성 개선과 함께 제조 공정 효율을 높여 차세대 복합·하이브리드 소재 시장을 선도할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이 연구결과는 우수한 성과를 인정받아 복합재료 분야의 최고 저명 저널인 《어드밴스드 컴퍼지트 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)》(IF: 23.2, JCR 상위 1%) 최신호에 ‘이미다졸 처리된 할로이사이트 나노튜브를 이용한 금속/탄소섬유강화복합소재 접착 접합부용 에폭시 접착제의 접착 내구성 향상(Improvement adhesion durability of epoxy adhesive for steel/carbon fiber-reinforced polymer adhesive joint using imidazole-treated halloysite nanotube)’라는 제목으로 게재됐다.
김종현 연구교수는 “경상국립대학교 그린에너지융합연구원과 한국화학연구원의 협업을 통해 각 연구팀의 우수한 기술을 융합하고, 새로운 성과를 창출할 기회를 마련해주신 남상용 교수(그린에너지융합연구원 원장)님께 깊이 감사드린다.”라고 소감을 밝혔다.
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