전자파 99.9999999% 차단…머리카락보다 얇고 가벼운 ‘고강도 필름’

재료연, 탄소나노튜브 섬유와 맥신 등 나노소재 장점 결합 전자파 차폐·적외선 스텔스 기능·고강도까지 동시에 구현 전투기와 무인기, 드론 등 무기체계 및 우주장비 보호소재 활용 전자파 차폐 소재로 쓰이는 ‘탄소나노튜브 섬유’와 차세대 2차원 나노소재인 ‘맥신’의 장점을 결합한 고강도 복합소재 필름 기술이 개발됐다. 머리카락 굵기 5분의 1 두께로 전자파를 99.9999999% 이상 차단할 수 있어 방산과 항공우주, 차세대 통신기기 등에 유용할 전망이다. 한국재료연구원은 김태훈 박사 연구팀이 김선준·김재우 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀과 공동으로 탄소나노튜브(CNT) 섬유와 맥신(MXene)을 활용해 전자파 차폐와 적외선 스텔스 기능을 동시에 구현한 ‘고강도 초박막 복합소재 필름’을 개발했다고 19일 밝혔다. CNT 섬유는 나노미터 크기의 탄소나노튜브가 다수 모여 실 형태를 이룬 소재로, 가볍고 강하며 전기전도성이 높아 전자자 차폐 성능이 우수하다. 하지만 실 형태여서 넓은 면적의 필름으로 만들기 어렵고 적외선 방출이 많다. 반면 적외선 방출이 적은 스텔스 소재로 활용할 수 있는 맥신은 기계적 강도와 장기 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 이 때문에 전자파 차폐와 적외선 스텔스 기능, 우수한 기계적 특성을 동시에 갖춘 소재 개발이 요구돼 왔다. 연구팀은 CNT 섬유와 맥신 두 소재의 장점을 효과적으로 결합하기 위해 건축물의 벽돌과 시멘트 구조에 착안했다. CNT 섬유를 ‘벽돌’로, 섬유 사이를 채운 맥신을 전기가 통하는 ‘시멘트’ 역할을 하는 하이브리드 구조로 구현했다. 이 구조는 CNT 섬유 사이의 미끄러짐을 억제해 필름 강도를 높이는 동시에 필름 전체에 끊김없이 전기가 흐를 수 있는 통로를 형성해 전자파 차폐 성능을 높인다. 또 필름 표면을 덮은 맥신이 적외선 방출을 줄여 열화상카메라와 같은 적외선 탐지 장비에 쉽게 포착되지 않도록 한다. 개발된 필름 두께는 17.5마이크로미터로 머리카락 굵기 약 5분의 1 수준에 불과하지만, 99.9999999% 이상의 전자파를 차단하는 성능을 갖췄다고 연구팀은 설명했다. 기계적 강도도 우수해 1.02기가파스칼 인장강도를 지녀 고강도 강철과 맞먹고, 연속 공정을 기반으로 필름을 제조할 수 있어 대면적 생산도 가능하다. 연구팀은 향후 필름 대면적화와 실제 부품 적용을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 김태훈 재료연 박사는 “서로 다른 특성의 나노소재를 벽돌과 시멘트처럼 결합해 각 소재의 장점은 살리고 단점은 보완한 것”이라며 “앞으로 미래 무기체계와 항공우주 분야, 차세대 통신기기, 웨어러블 전자기기 등의 전자파 문제를 해결하는 소재로 활용될 것”이라고 말했다. 연구결과는 복합재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 컴포짓 앤 하이브리드 머터리얼즈’ 지난달 5일 온라인에 실렸다.