나노기술 및 정책 정보

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금속 소재의 부식 문제는 산업, 농업 생산 및 일상생활 속에서 폭넓게 존재하고 있음. 관련 통계에 따르면 전 세계에서 부식으로 인해 폐기되는 금속은 연 간 약 1억 톤 규모로 연 간 금속 생산량의 20%~40%를 차지하는 것으로 나타남. 산업 환경이 점점 더 열악해져서 강한 부식성을 가지고 있기 때문에 금속 소재는 장기간 사용되는 과정에서 심각한 부식 문제에 직면하여 있음. 이런 상황은 금속 소재 사용 과정에서의 안전성과 서비스 수명을 감소시키고 전체 사회 발전에서 극히 부정적인 효과를 나타내며 심지어 거대한 경제적 손실, 인명피해, 환경오염, 자원낭비를 초래하게 됨.

중국 장시(江西, 강서) 이공(理工) 대학교 예위워이(葉育偉, 엽육위) 박사 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 그래핀의 침투 저항성과 하중지지 능력을 결합하여 능동 및 수동적인 방지와 보호를 모두 갖춘 지능형 부식 방지 코팅을 설계하여 개발하였음. 이 코팅 층은 부식 환경에서의 적응 능력과 서비스 수명이 대폭 향상되었음..

현재 그래핀의 물리적 차단 성능을 이용하여 코팅 층의 수동적 부식 방지 능력을 향상시키는 연구는 이미 초기 진전을 이루었으나 서비스 과정에서 코팅층의 파손이나 내부 결함이 생겨 부식성 매개체 침투를 초래하고 코팅층의 사용 수명을 심각하게 단축시킴.

때문에 코팅층 파손에 대한 자체 복구 동작 및 메커니즘 관련 연구는 핫이슈임. 그래핀에 특정 기능 그룹을 부착하여 코팅층의 자체 복구 기능을 실현할 수 있는데 주로 코팅층 결함에서 노출되는 금속 표면에 치밀한 패시베이션 필름이나 흡착 필름을 형성하여 결함 위치에서의 금속 부식을 방지하고 보호하는 역할을 함.

연구팀은 8 아미노기-POSS, 폴리 포름알데히드와 산화 그래핀(GO) 간의 가교 반응을 통해 다공성 프레임워크 구조를 가진 그래핀 베이스 나노 용기(container)를 합성한 후, 벤조트리아졸(BTA)의 부식 방지제(Corrosion inhibitor)를 다공성 구조 속에 로드한 후 에폭시 코팅층 속에 분산시켜 지능형 방지 및 보호 코팅층을 형성시켰음.

질소 흡착-탈흡착 곡선 및 시차 스캐닝 열량 측정법(differential scanning calorimetry, DSC) 분석을 통해 그래핀 베이스 나노 용기의 구경은 약 10~80nm에 달하고, BTA의 로드 량은 약 18.6%에 달하였음. 국지적인 산성(酸性)이나 알칼리성 환경의 자극에서 그래핀 베이스 나노 용기가 함유한 BTA 부식 방지제(Corrosion inhibitor)는 방출되고 금속 표면에 흡착층을 형성하여 부식 매개체의 침투를 억제하였음.

그 외, 국지적인 전기화학적 임피던스 기술 분석을 통해 코팅층의 마이크로 구역 결함 위치에서의 자체 복구 거동을 분석한 결과, 침지 시간이 길어짐에 따라 지능화된 부식방지 보호 코팅층의 마이크로 구역 결함 위치에서의 부식 구역이 점차 축소되어 우수한 자체 복구 특성을 입증하였음.

연구팀은 그래핀의 우수한 침투 저항성에 기반하여 다공성 프레임워크 구조를 디자인 하고 그래핀 베이스 나노 용기를 개발하였으며, 나노 용기의 다공성 프레임워크 구조를 이용하여 부식 방지제(Corrosion inhibitor) BTA를 기공 속에 로드한 동시에 에폭시 코팅 층에 분산시켜 부식에 대한 능동적이고 수동적인 방지 및 보호를 실현함으로써 후속적인 지능화된 부식방지와 보호 코팅층 연구 및 개발을 위해 중요한 참조를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Corrosion Science’ ("Corrosion protective mechanism of smart graphene-based self-healing coating on carbon steel") 지에 게재됨.