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 상전이 : 액체에서 점탄성을 가지는 고체 형태로 변형되는 반응

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 친수성(親水性)으로 구조를 변화시켰고, 이후 친수성 고분자인 아가로즈 고분자와의 복합체를 졸-겔 상전이를 이용해 제조하여 중성자 차폐재로의 실제적인 응용성을 대폭 확대했다.

※비공유 기능화: 계면활성제나 양친성고분자와 같이 친수성기와 소수성기가 같이 존재하는 양친성분자와의 소수성 상호작용을 통해 나노입자의 표면을 기능화하는 방법

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 소각산란 : 높은 휘도의 엑스선을 이용하여 0.1~10도의 회절 각 범위 안에 나타나는 산란

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, IF: 10.8)』 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.