▲ 전북대 연구진이 초전도 복합체 신규 메커니즘을 규명한 연구로 세계적 저널에 논문을 게재하는 성과를 올렸다.(사진=전북대)  © 특허뉴스

탄소나노튜브와 그래핀 등의 나노탄소는 차세대 전도성 복합체의 충진재로 주목을 받고 있다. 두 가지 이상의 물질을 균일하게 분산시켜 제작한 복합체는 물질의 특성에 따라 다양한 특성을 구현할 수 있다. 그 중에서도 전기전도성 충진재를 기반으로 한 복합체는 센서나 전자파 차폐 물질로의 응용과 관련된 연구가 활발히 진행 중이다.

전기전도성 복합체 기능은 주로 ‘퍼콜레이션 이론’으로 설명되고 있다. 퍼콜레이션 이론은 전기전도의 주체가 되는 전자가 나노미터(nm) 사이즈의 공간이나 벽이 있는 경우 에너지 손실이 나더라도 이를 통과해서 지나간다는 ‘전자 터널링 효과’가 기반이 된다.

하지만 최근 충진재 간 공간이나 벽을 최소화시킨 연속화된 충진재(Filler Network)를 적용하여 전도성 복합체의 전기전도도가 퍼콜레이션 이론의 예측치를 뛰어넘고 있는 연구가 많이 보고되고 있음에도 이에 대한 메커니즘이 명확하게 규명되지 않고 있다.

전북대학교(총장 양오봉) 공과대학 유기소재섬유공학 김성륜 교수팀은 흔히 가정에서 사용하는 에어프라이어를 이용한 반응 중합법을 개발했다. 이 방법으로 충진재의 고함량화를 통한 연속화를 이루어 초전도 복합체의 전도 특성이 발현되는 메커니즘을 규명했고, 기존 퍼콜레이션 이론을 발전시킨 단계적 여과(Stepwise percolation) 이론도 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료물리학 분야의 세계적인 국제학술지인 ‘Materials Today Physics’ (IF:11.5) 최신호에 게재되었다. 제1저자는 한양대학교 장지운 박사, 전북대학교 소순오 석사과정이고, 교신저자는 경희대학교 이정태 교수, 전북대학교 김성륜 교수이다. 

연구팀은 기존 전도성 복합체에서 발생하는 전자의 터널링 저항 효과가 충진재의 연속화로 인한 직접적인 물리적 접촉에 의해 감소함에 따라 전자의 이동속도가 향상되어 우수한 전도 특성이 나타남을 실험으로 확인했고, 새롭게 제안한 단계적 여과 이론에 기초하여 이러한 특성을 예측할 수 있음을 규명했다.

제조된 초전도복합체는 기존 퍼콜레이션 이론의 예측치 대비 각각 3828%, 236%, 55% 향상된 최대 4086 S/m, 50 dB 및 82%의 전기전도도, 전자파차폐 성능 및 습도 감지 특성을 나타냈다.

제1저자로 연구에 참여한 전북대 탄소융복합재료공학과 소순오 석사과정생은 “학부연구생부터 시작했던 연구가 각고의 노력 끝에 좋은 결실을 맺어서 기쁘다”며 “같이 연구에 힘써주신 지도교수님, 경희대 이정태 교수님과 장지운 연구원님께 감사하고, 믿고 응원해준 연구실 선후배님들과 부모님께도 감사드린다”고 밝혔다.

교신저자인 김성륜 교수는 “오랜 기간 묵묵히 참고 견디며 연구를 완성한 소순오 학생의 노력에 박수를 보내고 싶다”면서 “이 연구는 한국산업기술진흥원 탄소복합재인력양성사업의 소순오 학생에 대한 체계적인 지원과 한국연구재단의 기초학술연구 지원이 있었기에 진행할 수 있었고 이에 대해 진심으로 감사드린다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업(2021R1A2C11093839), 기초연구사업(2016R1A6A1A03013422) 및 2021년도 정부(산업통상자원부)의 재원과 한국산업기술진흥원의 지원 (P0017002, 2021년 산업혁신인재성장지원사업)으로 수행됐다.

논문명은 Stepwise percolation behavior induced by nano-interconnection in electrical conductivity of polymer composites 이다.(논문 DOI): https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101213