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2004. 11

복합화 응용 신 기능수지고성능 나노 복합체

머 리 말

2 1세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식기

반 산업사회로 나아가고 있으며, 최고가 아니면 살아남을 수 없는

무한 경쟁시대가 되어가고 있습니다. 우리나라가 이러한 변화 속

에서 생존하기 위해서는 국가경쟁력 강화가 필수 불가결한 것으

로 인식되고 있으며, 이를 위해서는 선진국형 고부가가치 산업의

육성이 절실히 요구되고 있습니다.

이러한 시대적 요구 속에서 한국과학기술정보연구원에서는 우

리나라가 지식기반 산업사회를 선도해 나갈 수 있도록, 차세대 동

력 산업에 대한 심층분석정보를 제공하고 있습니다. 이를 통해,

국가 과학기술 확산은 물론 국제경쟁력을 극대화시키기 위해 노

력하고 있습니다.

본 보고서는 산업자원부 선정 주력기간산업인 석유 화학 산업

의 차세대 성장동력 핵심 전략 품목 중의 하나로서 주목받고 있

는 복합화 응용 신 기능수지에 관한 것입니다. 특히 고성능 나노

복합체의 경우 여러 관련 산업들에 파급효과가 매우 커서, 국가

산업 측면에서 중요성이 부각되고 있으므로, 본 보고서의 주된 분

석 대상이 되었습니다.

본 보고서에서는 고성능 나노 복합체에 대한 기술·시장의 분

석, 이슈분석을 통해 체계적이고 심도 있는 분석정보를 제공하고

자 하였습니다. 본 연구의 결과가 관련 과학기술정보를 국내에 확

산시키고, 이와 아울러, 관련 산업의 국제경쟁력 증대에 작으나마

도움이 되었으면 합니다.

끝으로 본 보고서를 집필해 주신 한국과학기술정보연구원의 서

민호 선임연구원, 이준우 선임연구원, 유재영 책임연구원의 노고

에 감사드리며, 수록된 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의

견이 아님을 밝혀두고자 합니다.

2 0 0 4년 1 1월

한국과학기술정보연구원

원 장

제1장개 요 …………………………………………………………………1

1. 연구의 목적과 필요성………………………………………………………1

2. 연구 방법 ……………………………………………………………………2

제2장 기술동향분석 ………………………………………………………5

1. 고성능 나노 복합체의 개념 ………………………………………………5

2. 고성능 나노 복합체의 상업화 현황 및 연구 방향 ……………………8

제3장 시장동향분석 ………………………………………………………11

1. 시장 동향……………………………………………………………………1 1

2. 시장 예측……………………………………………………………………1 2

가. 나노 복합체의 세계시장 …………………………………………………………………1 2

나. 응용분야별 국내시장 예측 ………………………………………………………………1 3

다. 시장 확대 ……………………………………………………………………………………1 4

라. 기존 시장에 대한 영향 ……………………………………………………………………1 5

마. 제품화의 조건 ………………………………………………………………………………1 6

바. 용도 개발 ……………………………………………………………………………………1 8

i

목 차

제4장 이슈 분석……………………………………………………………2 1

1. 특성 및 응용 분야…………………………………………………………2 1

가. 기계적 물성：구조용 재료로의 응용 ……………………………………………………2 2

나. 이온 전도성：전기화학용 재료로의 응용 ………………………………………………2 3

다. 광학적 투명성：강하면서도 투명한 소재로서의 응용 ………………………………2 4

라. 생분해성：향상된 생분해성 고분자로의 응용 …………………………………………2 5

마. 기타：긁힘, 전기유변학적인 민감도, 전기-광학 특성 ………………………………2 7

2. 향후 전망……………………………………………………………………2 8

참고문헌………………………………………………………………………3 1

i i

표 목차

<표 2-1> 나노 복합체에서 분산상 입자 크기별 물성에의 영향 ………………………7

<표 2-2> 고분자 나노 복합체의 상업화 현황 ……………………………………………9

<표 3-1> 나노 복합체 시장의 예측 ………………………………………………………1 2

<표 3-2> 하이브리드 나노 복합체의 응용분야별 시장…………………………………1 3

<표 4-1> 보강제에 따른 나일론 수지의 특성 변화 ……………………………………2 2

그림목차

<그림 2-1> 중합법의 제조 원리 ……………………………………………………………7

<그림 2-2> 용융법의 제조 원리 ……………………………………………………………8

<그림 4-1> PVA와 PVA/MMT 나노 복합체의 자외선/가시광선 투시

스펙트럼…………………………………………………………………………2 4

<그림 4-2> PLA와 P L A C N 4의 생분해성 비교…………………………………………2 6

i i i

1

1. 연구의목적과필요성

○ 수십년동안 석유화학, 화학공장과 같은 거대한 장치산업으

로 인식되어 왔던 화학공학, 고분자 분야에서도 근래에 들

어서는 나노 기술이 활발하게 연구되어 고분자 촉매, 생체

물질, 그리고 분리 및 분석용 장치에 이르기까지 다양한 관

련분야에 적용되고 있음.

○ 나노 복합체 분야는 1 9 8 0년대 중반 최초로 제안된 이래 선

진 각국에서 관련 기술 선점을 위하여 국가 및 민간 양부문

의 과감한 연구개발 투자를 통하여 경쟁이 날로 치열해지고

있는 분야임.

○ 석유 화학 산업은 범용 고분자 수지 같은 경우 성숙 단계에

이르러 성장이 둔화하고 있을 뿐 아니라, 중국 등 후발개도

국의 추격이 치열하여 시장잠식이 심한 실정이므로, 제품

특화를 통한 경쟁력 강화 및 수익성 강화가 필요한 시점임.

제1장

개 요

○ 또한, 국가 산업경쟁력 강화의 전략으로‘선택과 집중’을 해

야하는 상황에서, 향후 고성능 구조재 뿐 아니라 분자소자

및 각종 첨단 전자제품에 소요되는 기능재로의 응용이 예상

되는 나노 복합 소재에 대한 관심과 개발이 시급한 시점임.

○ 석유 화학 산업의 차세대 성장동력 중에서 핵심 전략 품목

으로 정밀구조제어 복합소재가 선정되어 추진되고 있으며,

이는 최근의 나노 기술 등을 활용한 기존 복합 소재의 업그

레이드 및 고부가가치화가 향후 국가 경쟁력의 핵심임을 의

미함(주력기간산업의 차세대성장동력 발전전략, 산자부,

2 0 0 3 ) .

○ 본 연구는 국가 석유 화학 산업의 경쟁력확보, 더 나아가

전체산업의 경쟁력 확보를 위해 고성능 나노 복합체의 기

술·시장 분석 및 최근 이슈 분석을 통하여 현재의 고성능

나노 복합 소재 기술 발전 현황을 점검하고, 미래의 R & D

관련 의사 결정을 지원할 수 있는 분석 정보를 제공하는 데

에 목적을 두었음.

2. 연구방법

○ 본 연구에서는 석유화학산업 차세대 성장동력 핵심 전략 품

목 중의 하나인 고성능 나노 복합체에 대하여 분석하였음.

○ 기술 동향에서는 국내외에서 출간된 관련 자료를 중심으로

2 복합화 응용 신 기능수지

제1장 개 요 3

고성능 나노 복합체의 정의와 분류 및 현재의 상업화 현황

을 통해서 예측한 향후 R&D 방향성을 제시하였음.

○ 시장 동향에서는 미국 및 일본의 최근 분석보고서, 국내 조

사전문기관의 발표자료를 통해 나노 복합체 전반의 시장동

향과 규모를 예측하고, 향후 시장 상황을 전망하였음.

○ 이슈 분석에서는 제일 먼저 개발되었으며, 상업화 및 양산

화 전망이 유망한‘고분자/층상 실리케이트’나노 복합체의

특성 및 그에 따른 응용분야를 분석해 보고, 향후 동향을

전망함으로서, 고분자 나노 복합체를 활용한 산업 기회 분

석을 지원하는 정보를 제공하고자 하였음.

1. 고성능나노복합체의개념

○ 나노 복합체는 그 용도별로 구조용, 전기전자용, 광학용, 코

팅용, 의료용 등으로 분류가 가능하며, 분산상의 크기에 따

라서는 나노 복합체, 하이브리드 나노 복합체, 복합 나노 입

자 등으로 분류가 가능함.

- 나노 복합체(nano composite)는 단일 소재나 이종 소재를

단순 조합한 재료가 갖는 물성상의 한계를 극복하고 다기

능, 고성능의 시너지 효과를 도출하기 위하여, 서로 다른

이종 소재를 물리적 또는 화학적 방법으로 나노 수준에서

합체화, 혼성화한 소재이며, 그 분산상의 크기는 1 ~

100nm 사이임.

- 하이브리드 나노 복합체는 기존의 단순 복합체나 f i l l e r의

개념을 뛰어넘어 매우 정교한 cluster 단위의 무기물 또는

금속상을 유기물상에 3차원적으로 분산하여, 유기물과 무

기물/금속 화합물 사이에 물리적, 화학적 결합을 형성시

5

제2장

기술동향 분석

킬 수가 있기 때문에 분자 차원의 복합화라고 할 수 있으

며, 물성 향상 효과가 rule of mixture를 상회하는 상승효

과를 나타내는 기능성 신물질이고, 그 분산상의 크기는

0 . 1 n m ~수 n m임.

- 나노 입자는 직경이 수 n m에서 수백 n m에 이르는 미립

자를 총칭하는 말로서, 최근 입자설계 기술이 정착되어

감에 따라 원자나 분자 수준에서의 자유로운 조작을 통

해 희망하는 기능성 재료로서의 입자를 설계할 수 있게

되었으며, 특히 신약, 약물 전달 체계 등에 응용이 되고

있음.

○ 고분자 나노 복합체는 열가소성 수지, 열경화성 수지,

Elastomer 등의 고분자재료에 무기/금속입자를 Nano Scale

로 박리, 분산시킴으로써, 5가지 대표 물성의 개선 즉, 내충

격성, 인성 및 투명성의 손상을 최소화하면서도 (1) 강도와

강성도, (2) gas와 liquid 투과억제능, (3) 난연/방염성, (4)

내마모성, (5) 고온안정성이 대폭 향상된 신개념의 차세대

복합소재임.

○ 분산상의 나노 크기 입자가 나노 복합체의 물성에 미치는

영향은 <표 2 - 1 >과 같이 정리될 수 있음.

○ 나노 복합체의 대표적인 제조 방법에는 크게 다음의 세 가

지가 있음.

(1) 중합법：이 방법은 나일론계의 제조가 대표적이며, 유기


제2장 기술동향 분석 7

화된 층상 실리케이트와 고분자의 원료인 단량체를 혼

합하여 단량체를 층간 삽입시키므로 비교적 쉽게 박리

가 일어나 나노 스케일로 층상 실리케이트의 분산이 가

능한 장점이 있는 반면, 사용 가능한 단량체가 한정되

어 있고 제조공정이 다소 복잡한 단점이 있음.

(2) 용액법：고분자를 용제에 녹여 용액을 만들고 이를 유

기화 층상 물질과 혼합하는 것으로 고분자량의 고분

자를 층 사이로 삽입시키기가 어렵고 최종 제품을 얻

기 위해서는 고형분을 용제와 분리시켜야 하는 단점

이 있음.

입자 크기 ( n m ) 영 향

5 - 1 0 고온 강도

8 - 5 0 인장 강도

5 0 - 1 0 0 광학 특성 및 자성

1 0 0 - 1 , 0 0 0 유전 특성

<표 2-1> 나노 복합체에서 분산상 입자 크기별 물성에의 영향

<그림 2-1> 중합법의 제조 원리


(3) 용융법：컴파운딩법이라고도 하며, 유기화 층상 물질을

직접 고분자 수지와 용융 상태에서 혼합하는 것으로 기

존의 고분자 컴파운드 제조법과 동일하게 압출기, 롤밀,

반자리 믹서 등의 가공 설비를 이용하여 제조가 가능하

므로 상업적인 면에서 가장 바람직하다고 볼 수 있으

나, 고분자 물질을 고점도의 용융체 상태로 층간 삽입

시키기가 매우 어려운 단점이 있음.

2. 고성능나노복합체의상업화현황및 연구방향

○ 나노 복합 소재 연구의 핵심은 고분자 소재의 친무기화 및

무기 충전제의 친유기화에 의한 친화력의 향상이며, 블록

배열과 안정화 연구, 기능발현을 위해 추가되는 전도체, 광

기능체 등 소재의 나노 배열, 분산, 복합체로의 응용임.

<그림 2-2> 용융법의 제조 원리

제2장 기술동향 분석 9

○ 고분자 나노 복합체의 상업화 현황은 <표 2 - 2 >와 같음.

<표 2-2> 고분자 나노 복합체의 상업화 현황

회사(상품명) 구 조 제조방법상업화

년도용도전개

Eastman Chemicals

(Emperem), USPA MXD 6/clay Melt blending 2 0 0 0

N a n o c o r와 공동 개

발, PET병

Arakawa Chemical

(Compoceran), US

Epoxy, PU 등

/silica hybrids졸-겔 2 0 0 0

Adhesive, painting,

전자재료 등

Mitsubishi Chemical

(Hypersite W1000), JPP C / C N T 직접분산법 2 0 0 0 정전기 방지용

Hyperion Catalysis

Inter., USE n P l a / C N T 직접분산법 2 0 0 0 정전기 방지용

Nippon Paint, JPNano paste

(Au, Ag, Pt)직접분산법 2 0 0 0 -

Foster Corp (SEP), US P A 1 2 / c l a y Melt blending 2 0 0 1 사출, 압출, 필름

Honeywell Inter., US P A 6 / c l a y 중합법 2 0 0 1 -

General Motors, US T P O / c l a y Melt blending 2 0 0 1 자동차 외장부품

Hybrid Plastics, USCage 형태의 S i l i c a

나노

Trichlorosilane

수소화2 0 0 1 -

Hanse Chemie, Ger E p o x y / s i l i c a 졸-겔 2 0 0 1 -

Seico Instrument,Kitagawa Ind., ShowaDenco, Shinshu Univ.

P A / c a r b o n

n a n o f i b e r직접분산법 2 0 0 2 사출 미세 기어

GSI Creos, JP 고분자/ C N T 다양한 방법 2 0 0 2 다양한 성형

Bayer, Ger PC/ABS alloy 다양한 방법 2 0 0 2N o n - H a l o g e n

난연재

Sekisui Chemical, JPPolyvinyl butyral/

Indium oxide직접분산법 2 0 0 2

내열용 유리

내부 필름

Nano materials Tech.,

S i n g a p o r ePVC/CaCO3 나노 - 2 0 0 2

PVC 파이프의 내

충격용으로 판매

자료：윤필중, “산자부 산업기술로드맵 작성 엔지니어링 플라스틱 분과 연구내용 발표

자료”, 2003. 9.

1 0 복합화 응용 신 기능수지

○ Clay 분산 유/무기 나노 복합체 제조 기술은 열가소성 플라

스틱, 엘라스토머, 복합체와 코팅 분야에 중요한 상업적 응

용이 기대되는 기술로서, 특히 내충격성, 인성 및 투명성의

손상 없이 강도와 강성도, 기체와 액체 투과 억제능, 방염성,

내마모성, 고온 안정성을 높일 수 있음.

○ 주요 상업적 응용 분야 기술을 지원하기 위해서는 기초 연

구로서 (1) 분자 모델링 기법을 이용한 c l a y /양이온/고분자

의 상호작용에 관한 연구, (2) clay층 사이로의 고분자의

삽입과정 및 c l a y층의 박리 현상에 관한 연구, (3) clay 나노

입자의 분산 상태에 따른 유변학적 해석, (4) clay 분산 나

노 복합재료의 기계적 물성 연구 등이 선행되어야 할 것이

고, 이는 clay 분산 유/무기 나노 복합체 제조 기술의 핵심

기술이기도 함.

1. 시장동향

○ 2 0 0 2년 기준으로 나노 복합체 세계시장은 약 1 , 3 6 0톤( 3 0 0만

lb) 정도이며 이 중 약 9 0 7톤( 2 0 0만l b )이 일본의 U n i t i k a와

U b e에 의해 각각 자동차 및 포장용으로 생산되는 N a n o c l a y

Reinforced Nylon임.

○ 나머지 4 5 3톤( 1 0 0만l b )은 북미에서 생산되는 자동차 몸체용

의 Carbon Nanotube-Filled PPO/Nylon Alloy이며, 이 시장은

매우 초기단계이고 기술적으로나 경제적으로 아직 불확실한

환경에 놓여있음.

○ 그러나 많은 업체들이 제품개발 현황과 상품화 그리고 시장

확보를 위해서 연구개발에 노력을 기울이고 있으며, 현재

개발되고 있는 각각의 기술들은 향후 1 0년간 괄목할 만한

성장을 할 것으로 예상됨.

○ 나노 복합체의 시장 잠재성은 매우 크며, 1999년 기준으로

1 1

제3장

시장동향 분석


나노 복합체가 대체할 수 있는 유사한 합성 고분자 시장의

규모는 연간 약 1 , 2 7 0만톤( 2 8 0억l b )이며, 이중 1 0년내에 약

4 5 4만톤( 1 0 0억lb) 정도, 즉 시장의 2/3 정도 범위내에서 기

술 경쟁력을 갖춘 제품이 개발될 것으로 예상됨.

○ 향후 5년 이내에 응용기술이 가속화될 것이며, 동시에 시장

확보의 토대를 만들어 갈 것으로 기대됨.

2. 시장예측

가. 나노복합체의세계시장

○ 나노 복합체의 세계수요는 2 0 0 4 ~ 2 0 0 9년까지 연평균 수요가

연간 35% 이상 증가할 것으로 기대되고, 45만톤( 1 0억l b )의

시장이 형성될 것으로 예측됨.

○ <표 3 - 1 >은 미국 Principia Partner사의 Karl Kamena가 예측

구 분 1 9 9 9년 2 0 0 4년 2 0 0 9년 CAGR (2004~2009)

북 미 5 0 0 5 9 , 0 0 0 2 6 2 , 0 0 0 3 5 %

유 럽 - 4 3 , 9 0 0 1 8 5 , 5 0 0 3 3 %

일 본 6 8 0 2 2 , 6 0 0 9 8 , 5 0 0 3 4 %

합 계 1 , 1 8 0 1 2 5 , 5 0 0 5 4 6 , 0 0 0 3 4 %

<표 3-1> 나노 복합체 시장의 예측

(단위：톤)

자료：이준우 외, “핵심정보분석을 통한 국가전략산업 고도화 지원체제 구축사업; 기술

명: 나일론계 나노콤포지트," KISTI, 2002.

제3장 시장동향 분석 1 3

하는 상업화 시장규모로서, 세계의 주요 권역별로 2 0 0 4 ~

2 0 0 9년에 수요가 상당히 증가할 것을 보이고 있으며, 2009년

에 약 5 5만톤 정도( 1 2억l b )에 달할 것이며 이중 4 6만톤( 1 0억

l b )은 Nanoclay Reinforced Compound이며, 7만톤( 1 . 6억l b )은

Carbon Nanotube Filler Product로 구성될 것으로 예상함.

나. 응용분야별국내시장예측

○ 하이브리드형 소재는 아직까지 연구개발 착수단계이기 때문

에 현시점에서의 국내 시장규모는 극히 미미하나 기존재료

<표 3-2> 하이브리드 나노 복합체의 응용분야별 시장

(단위：억원)

분 야 용 도1 9 9 9년

세계시장1 9 9 9년

한국시장2 0 0 9년

세계시장2 0 0 9년

한국시장

자동차

타이어용 실리카하이브리드 고무소재

( 7 , 5 0 0 ) - 6 , 0 0 0 8 0

S O P승용차의 범퍼재료 ( 1 0 , 0 0 0 ) ( 3 0 0 )( 2 5 , 0 0 0 )

3 , 8 0 0( 4 0 0 )2 5 0

엔진탱크 - - 3 0 , 0 0 0 5 0

항공기 엔진 및 내부재료 ( 2 8 , 0 0 0 ) ( 1 , 4 0 0 ) 4 , 0 0 0 1 0 0

전 기,전 자

E M C ( 8 , 0 0 0 ) ( 1 , 3 0 0 ) ( 1 2 , 0 0 ) 2 5 0

디스플레이 - - 2 8 0 5 0

코 팅하드코팅 1 , 2 0 0 3 0 5 , 0 0 0 1 0 0

도전성코팅 응용제품 ( 1 0 , 0 0 0 ) ( 2 0 0 ) 3 , 0 0 0 6 0

기 타전자기차폐용코팅, 수술용 접착제, 방음·내충격소재, 인조피혁,증점제, 스페이서, 잉크바인더 등

( 1 2 0 , 0 0 0 ) ( 5 , 6 0 0 ) 1 2 0 0 6 0 0

자료：이준우 외, “핵심정보분석을 통한 국가전략산업 고도화 지원체제 구축사업; 기술

명: 나일론계 나노콤포지트," KISTI, 2002.

로는 한계성이 있기 때문에, Hybrid형 소재가 개발되면 2 0 1 0

년도의 국내시장 규모는 1 , 0 0 0억원 이상(자동차 및 항공기

분야는 약 5 0 0억원)에 달할 것으로 전망됨. (<표 3 - 2 >에서

( )안의 수치는 현재의 복합체 및 소재 시장을 의미함)

다. 시장확대

○ 나노 복합체에 대한 높은 관심이 고분자와 그 배합물 공급

자, clay 생산자 및 학계 그리고 연구 프로그램으로 점차 확

대되고 있으며, 나일론에 적용되었던 기본개념이 다른 고분

자 시스템에도 다양하게 적용될 수 있음.

○ 따라서 고무에서 플라스틱, 유연성에서 견고성, 범용에서 특

수 용도에 걸치는 거의 모든 분야의 고분자 업계에서 나노

복합체 기술의 활용에 관한 연구가 진행중임.

○ 고분자 시장확대, 고분자 생산업체와 배합업체들의 품질 및

가격경쟁력 향상 노력으로 나노 복합체 기술의 고분자 물성

개량 효과에 대한 관심이 고조되고 있음.

○ 기술력을 갖춘 몇몇 배합 업체들은 나노 복합체 기술을 다

른 배합 업체들이 나눠 가질 수 없는 별도의 분화된 기술로

설정하고 시장선점을 추진하고 있으며, 나노 clay 생산자들

은 고분자 업체들이 나노 복합체 기술을 수용함에 따라 나

노 충전제의 제품화 노력을 증대하고 있음.


○ 학계와 연구 프로그램들은 나노 c l a y의 기술적 측면 외에

도 과학적인 측면에 대해서도 큰 관심을 가지고 있고, 많

은 연구자들이 지난 1 0년 동안 나노 복합체를 연구해 왔으

며, 미국의 경우에는 코넬대와 캘리포니아대 등에서 대학

주도 연구 프로그램을 통해 이 분야의 첨단 기술을 개발하

고 있음.

○ 나노 복합체 시장의 성장을 위해서는 획기적인 응용분야의

개발이 필요하며 P E T병, 자동차용 PP, PVC 판재 등의 용도

가 개발되면 시장이 급격히 확대될 수 있을 것으로 기대됨.

라. 기존시장에대한영향

○ 나노 복합체 개발의 현주소는 주로 고분자의 특성을 개량하

거나 향상시키는 것이며, 시장개발 초기 단계의 나노 복합

체는 당분간 전혀 다른 종류의 제품보다는 기존의 유사 고

분자 제품과 경쟁하게 될 것으로 예상됨.

○ 나노 복합체가 다른 고분자를 완전히 대체할 것 같지는 않

기 때문에 제품간의 경쟁도 크지 않을 것으로 보이며, 고분

자 연구에 있어서는 대부분 기존 고분자의 특성과 제조공정

개선을 목표로 하고 있음.

○ 그러나 P C에 사용하는 아크릴 나노 복합체와 같이 예외적

으로 경쟁관계에 있는 경우도 있으며, 장기적으로는 높은

기능성과 저렴한 가격의 나노 복합체가 기존에 사용되고 있


는 고분자를 대체하게 될 것으로 예상됨.

○ 한편, 나노 복합체가 광물 충전제 시장에는 큰 위협이 되지

않을 것으로 보임.

○ 나노 c l a y를 이용한 복합체는 유리섬유 강화플라스틱보다는

광물 충전 플라스틱과 유사한 성질을 가지며, 나노 c l a y를

적당한 양만 첨가하여도 전통적인 광물 충전제인 활석, 탄

산칼슘, 고령토, 규회석을 사용하였을 때와 유사한 정도의

경도와 충격강도를 가지나, 가격이 너무 비싸다는 단점으로

인하여 좋은 특성에도 불구하고 이 분야의 주목을 받지 못

하고 있는 실정임.

마. 제품화의조건

○ 고분자 제조사들이 나노 복합체의 특성 규명과 정련 및 제

품화에 경쟁적으로 나서는 이유는 관련 시장을 선점하기 위

함임.

○ 제품화에 처음 성공한 회사는 독점적인 생산기술과 원재료

의 확보, 정부개발 보조금의 수혜, 축적된 경험을 통하여 시

장 점유율과 가격경쟁력면에서 후발회사가 따를 수 없는 강

점을 갖게 됨.

○ 제품의 노하우가 나노 복합체 성공의 가장 중요한 요소이

며, 이는 특허 출원 또는 기밀로 유지하여 독점하며, 고분자


제조업체와 배합업체들은 자체 연구개발과 나노 충전제 공

급업체들의 경험적 지식을 이용하여 먼저 제품화함으로써

선점자로서의 지위를 확보하려고 함.

○ 나노 복합체 기술을 최초로 제품화한 업체들은 우선 공급업

체와 긴밀히 협력하여 가장 적합한 원료를 미리 확보함으로

써 핵심원료의 독점과 안정적 공급을 보장받을 수 있고, 또

한 나노 복합체의 상업화를 장려하려는 정부 자금지원도 받

을 수 있음.

○ 미국의 경우에는, 자동차용 범퍼와 내화성 고분자 나노 복

합체의 개발에 NIST(National Institute of Science and

T e c h n o l o g y )가 자금을 지원하고 있음.

○ 나노 복합체의 생산단가는 생산경험의 축적과 함께 낮아진

는데, 생산비 절감은 현장 기술자의 경험적 지식, 새로운 장

비와 공정개발 등으로 이루어지며 나노 복합체의 성공적인

제품화를 위해서는 원료배합 및 제조기술의 확보, 시장개발

및 용도확대라는 과제를 풀어야 함.

○ 그리고, 나노 복합체의 원료배합법과 공정기술의 확보는 사

업의 성공을 위해 매우 중요하며 나노 충전제와 고분자의 친

화도에 관한 기술은 매우 핵심적이고 중요한 성공 포인트임.

○ 개별 원료광물의 특성을 분석하고, Clay와 고분자간의 친화

도에 대한 노하우를 갖고 균일한 나노 복합체를 계속해서

생산할 수 있는 기업만이 성공할 수 있을 것으로 전망됨.


○ 나노 복합체는 기존의 고분자 중합 및 생산설비를 이용하여

생산이 가능하기 때문에 설비투자가 적어, 공정상 문제를

조속히 해결하여 대량생산을 가능케 한다면, 시장 진입과

대규모의 시장 형성은 수년내에 이루어질 것으로 판단됨.

○ B a y e r의 나일론 6나 D o w의 폴리프로필렌과 같이 몇몇 업체

들의 제조 기술력이 크게 향상되고 있으며, 최근 배합기술

이 크게 개선되어 나노 판상 입자들을 좀더 균일하게 분산

시킬 수 있게 됨으로써 내충격성이 크게 개선되고 있음.

바. 용도개발

○ 나노 복합체의 미래는 그 용도의 개발에 달려 있다고 보여

지며, 외향, 형상 안전성, 내충격성, 견고성, 내열성, 전기적

특성, 내식성, 내연성 등의 핵심적인 물성 향상이 중요하고

가격도 매우 중요한 요소임.

○ 제품화의 선결조건으로는 나노 c l a y의 특성에 대한 정확한

파악이 중요하며, 이러한 측면에서의 나노 clay 연구는 이제

막 시작단계라고 볼 수 있음.

○ Clay 공급자들은 고분자 생산 업체와 긴밀히 협력하여 양자

가 갖고 있는 화학 및 기술지식을 교류할 필요가 있음.

○ 예로, clay 입자를 좀더 얇은 판으로 분리하면 배합과정에서

분산도가 높은 나노 복합체를 만들 수 있는데, 이를 위해서



는 원료공급사와의 협력이외에도 제조공정 개선의 노력이

필요함.

○ 나노 복합체를 만들 수는 있지만 이 재료를 원하는 형태로

성형하는 기술은 아직 개발 초기단계이며, 몇몇 나노 복합

체의 생산 업체들이 제품을 출시하였으나, 관련 시장에서

지배적 위치를 확보한 회사는 아직 없음.

○ 본 장에서는 제일 먼저 개발되었으며, 상업화 및 응용이 가

장 빨리 정착될 것으로 예상되는‘고분자/층상 실리케이트’

나노 복합체의 특성 및 응용분야를 살펴보고, 향후 응용과

연구 방향을 조망해 보았음.

1. 특성및 응용분야

○ 고분자/층상 실리케이트 나노 복합체의 향상 가능한 물성에

는 강도 및 열저항, 감소된 기체 투과율 및 가연성, 그리고

생분해성 등이 있음.

○ 나노 복합체가 향상된 물성을 보일 수 있는 주된 원인은,

일반적인 충전-강화 시스템과 비교해 볼 때, 고분자 매트릭

스와 층상 실리케이트간의 강한 계면 상호 작용 때문임.

2 1

제4장

이슈 분석


가. 기계적물성: 구조용재료로의응용

○ 고분자 나노 복합체에서 얻을 수 있는 장점은 강도 향상 등

의 보강 효과외에 열변형 온도, 난연성, 가스 차단성, 내마모

성, 저수축화 등이 있음.

○ <표 4 - 1 >에는 나일론 수지에 5 %의 층상 실리케이트인 c l a y

를 포함한 나노 복합체와 3 0 %의 무기물 또는 유리섬유를

포함한 복합 나일론의 특성을 비교한 것으로, 5%의 나노

첨가제를 사용할 경우 기본 나일론에 비하여 인장 강도는

1 . 5배, 굴곡강도는 4배 이상 증가하고 있으며 열변형 온도도

크게 증가하고 있음을 알 수 있음.

○ 또한, 눈에 띄는 점은 비중과 충격 강도에 있어서는 기본

수지의 경우와 비교할 때 큰 차이가 없다는 점으로서, 나일

론 수지를 나노 복합체화 하면 3 0 %의 보강제를 사용한 경

우와 비슷한 강도나 열변형 온도를 가지면서도 경량화가 가

능함을 알 수 있음.

<표 4-1> 보강제에 따른 나일론 수지의 특성 변화

U n f i l l e d 5% Nanoclay 30% Mineral 30% Glass

Tensile Strength, psi 7 , 2 5 0 1 1 , 8 0 0 8 , 0 0 0 2 3 , 0 0 0

Flexural Modulus, psi 1 2 0 , 0 0 0 5 0 0 , 0 0 0 6 5 0 , 0 0 0 1 , 1 0 0 , 0 0 0

Notched Izod, ft-lb/in 1 . 2 1 . 2 1 . 6 1 . 8

HDT@264psi, F 1 5 0 2 3 0 2 4 8 3 8 0

Specific Gravity 1 . 1 3 1 . 1 4 1 . 3 6 1 . 3 5

○ 우수한 기계적 물성을 활용한 나노 복합체의 응용은 기존의

강화 플라스틱이 사용될 수 없었던 고강도의 재료를 요구하

는 분야 및 엔지니어링 플라스틱 분야이며, 그 밖의 기체

투과성, 난연성 등 성능 향상 및 기술 발전에 따라 무궁무

진하게 확대될 것으로 기대됨.

나. 이온전도성: 전기화학용재료로의응용

○ 용매 종류에 구애받지 않는 전해질 재료는 전기화학적인 장

치들에 있어서 전하-이동 메커니즘과 그 응용성 때문에 많

은 관심을 받고 있음.

○ P E O ( P o l y e t h y l e n e o x i d e )의 이온 전도성 정밀 튜닝을 위하여

P E O /층상 실리케이트 나노 복합체를 제조하기 위한 연구

가 진행되었음(Vaia et al., 1995).

○ 위의 연구에서는, 일반적인 PEO/LiBF4 혼합물과 비교해 볼

때, Li+-MMT(montmorillonite)(60 wt%)에 용융 유기화된

PEO(40 wt%)로 제조된, 유기화 나노 복합체가 보다 낮은

온도에서도 안정된 이온 전도성을 가짐을 보였음.

○ 전도성 향상은 P E O가 유기화 될 때, 결정화될 수 없었고, 비

전도성 결정들은 제거했기 때문이라는 이유로 설명이 가능함.

○ 상온에서의 높은 전도성은 P E O /층상 실리케이트 나노 복

합체의 새로운 전해질 소재로서의 가능성을 나타내고 있으

제4장 이슈 분석 2 3


며, 이와 유사한 현상에 대한 연구가 p o l y [ b i s ( m e t h o x y -

ethoxy) ethoxy phosphazene/Na+- MMT 나노 복합체에 대

해서도 보고 되었음(Hutchison et al., 1996).

다. 광학적투명성: 강하면서도투명한소재로서의응용

○ 층상 실리케이트는 가로 길이 방향으로 수 m i c r o n에 달하지

만 두께는 1 nm 밖에 안 될 정도로 종횡비가 매우 큰 구조

를 가지고 있으며, 하나의 층이 고분자 매트릭스로 분산될

때, 결과적으로 형성되는 나노 복합체는 가시광선에서 광학

적으로 투명하게 됨.

○ <그림 4 - 1 >은 순수한 PVA(polyvinyl acetate)와 M M T를 각

각 4 wt%, 10 wt%를 사용한 P V A / N a+-MMT 나노 복합체

들의 자외선/가시광선 전달 스펙트럼을 나타내고 있음.

<그림 4-1> PVA와 PVA/MMT 나노 복합체의 자외선/가시광선 투시 스펙트럼

자료：Strawhecker and Manias, 2000

2 0 0

P V A

4 wt%

10 wt% ( a )

1

1 0- 1

1 0- 2

1 0- 3

4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

wavelength λ〔n m〕

○ 가시광선 영역이 층상 존재에 영향을 받지 않고, 나노 복합

체가 된 이후에도 P V A의 높은 투명성을 유지시킨다는 것

을 알 수 있음.

○ 이러한 광학적 투명성은 M M T의 가로 방향 크기가 보통

50~1,000nm 정도이기 때문에 나타나는 현상으로서 이해될

수 있으며, PVA 나노 복합체와 유사하게 다른 여러 가지

나노 복합체에서도 이러한 광학적 특성이 나타나고 있음.

○ 보통의 복합체가 물성이 향상됨에 따라 투명성이 감소되는

측면이 있지만, 나노 복합체는 분산상이 되는 입자의 크기

및 구조로 인하여 광학적 투명성을 유지할 수 있으며, 이를

통한 응용 가능 분야의 확대가 기대됨.

라. 생분해성: 향상된생분해성고분자로의응용

○ 나노 복합체 기술에서 관심 있게 주목받고 있는 또 하나의

특성은 OMLS(Organically Modified Layered Silicate)를 분산

시킨 나노 복합체가 매우 향상된 생분해성을 보인다는 점임.

○ Tetto et al. (1999)는 처음으로 PCL(poly ε- c a p r o l a c t o n e )계

나노 복합체의 생분해성을 보고 하였음.

○ PCL/OMLS 나노 복합체가 순수한 P C L에 비하여 향상된

생분해성을 나타내는 것은, OMLS가 생분해 메커니즘에 있

어서 촉매적인 역할을 하기 때문이라는 예상을 하였으나 명



확하지는 않았음.

○ 최근 Sinha et al. (2003)은 퇴비 환경( 5 8±2℃)에서 P L A

(polylactide) 매트릭스의 생분해를 연구한 결과, <그림 4 - 2 >

와 같이 순수한 PLA 보다는 PLACN4((N(coco alkyl) N,N-

<그림 4-2> PLA와 P L A C N 4의 생분해성 비교

(a) 생분해성; (b) 분자량의 시간에 따른 변화

자료：Sinha et al. (2003)

1 0 0

2 0 0

1 5 0

1 0 0

5 0

00 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4

Neat PLA

P L A C N 4

Neat PLA

P L A C N 4

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

( a )

( b )

Time / Days

Time / Days

8 0

6 0

4 0

2 0

0

[bis(2-hydroxyethyl)]-N-methylammonium modified

synthetic mica) 나노 복합체가 상당히 향상된 생분해성을

보이고 있음.

○ 위의 연구에서는 c l a y의 존재가 h y d r o x y기의 존재로 인하여

P L A에 보다 효과적인 공격을 가한다는 것으로 그 메커니

즘을 설명하고 있음.

마. 기타: 긁힘저항, 전기유변학적인민감도, 전기-광학특성

○ 층상 실리케이트를 활용함으로써 긁힘 저항이 크게 향상될

수 있으며(Nam et al., 2001), 이는 내마찰, 내마모성의 향상

으로 발현되어 표면재로의 응용이 가능함.

○ P A N I ( p o l y a n i l i n e )계 나노 복합체를 전기유변학적인 민감도

센싱 용액으로 사용할 수 있다는 잠재성이 보고된 바 있음

(kim et al., 1999).

○ 액정 매체에 있어서 분산된 층상 실리케이트를 조합하여 활

용하는 응용도 있으며, 이는 투명과 불투명 상태 모두 안정

적이며, 가역적 전기-광학 효과를 보일 수 있는 안정적인

전기-광학 장치에의 응용 가능성을 제시하고 있음(Vaia et

al., 1999).


2. 향후전망

○ 고분자/층상 실리케이트 나노 복합체의 기계적 물성, 열적

안정성, 난연성, 기체 투과성, 생분해성에 있어서의 향상된

물성들은 일반적으로 낮은 실리케이트 함유량(5 wt% 이하)

에서 얻어질 수 있음.

○ 이러한 이유로 고분자/층상 실리케이트 나노 복합체는 일반

적인 복합 재료에 비하여 훨씬 경량이면서도 우수한 물성을

나타내고, 여러 특수한 응용에 있어서 강점을 보이고 있으

며, 주된 물성들의 독특한 조합과 낮은 제조 비용이 넓은

범위의 응용 가능성을 보여주고 있음.

○ 최근에는 몇몇 고분자/층상 실리케이트 나노 복합체가 상

용화 되어 자동차, 식품 포장 산업 등에 적용되고 있으며,

생분해성 고분자계 나노 복합체가 고성능 생분해성 재료

의 넓은 응용 분야에 있어서 밝은 미래를 보여줄 것으로

기대됨.

○ 연구 측면에서 볼 때, 여러 가지 나노 복합체의 복잡한 구

조 - 물성 관계를 이해하는 것이 여전히 도전할 만한 연구

영역으로 남아 있으며, 공정 조건에 관한 지식을 얻기 위

하여 용융 상태에서의 유변학적 분석이 필요할 것으로 예

상됨.

○ 고분자/층상 실리케이트 나노 복합체는 용융 유기화, 용융



압출, 사출 등의 단순한 제조 공정으로 생산이 가능하다는

점에서 플라스틱과 복합재료 산업에 있어서 새로운 장을 열

것으로 전망됨.

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참고문헌 3 3

복합화 응용 신 기능수지2 0 0 4년 1 1월 2 5일 인쇄

2 0 0 4년 1 1월 3 0일 발행

발 행 처

서울특별시 동대문구청량리동 2 0 6 - 9

◯우 1 3 0 - 7 4 2

전화 : 3299-6114

등록 : 1991년 2월 1 2일 제5 - 2 5 8호

발 행 인

조 영 화

인 쇄 처

이룸출판사

BA297 서민호·이준우·유재영

저자소개

서 민 호

•공학박사•전, LG CNS Entrue Consulting Partners, 선임컨설턴트•현, 한국과학기술정보연구원 선임연구원

이 준 우

•공학박사•현, 한국과학기술정보연구원 선임연구원

유 재 영

•공학박사•산업기술정보원 컨텐츠개발실 부연구위원•현, 한국과학기술정보연구원 책임연구원•부품소재정보분석실 실장

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