소재 시장의 판도를 바꿀 섭씨 1000도 화염 화재 견디는 탄소튜브 플라스틱 복합재

2026년 1월 한국재료연구원이 섭씨 1천도 화염에 견디는 플라스틱 복합재를 개발했다고 발표했다. 고분자 사슬을 나노 감옥에 가두는 방식인 이 기술은 우주산업, 항공엔진, 가스터빈, 차세대 자동차 등 고온 구조 소재 시장의 판도를 바꿀 잠재력이 있다. 

 

섭씨 1천도 화염 화재 견디는 탄소튜브 플라스틱 복합재

고온 구조 소재 시장의 판도를 바꿀 신기술이 한국에서 나왔다. 한국재료연구원의 오영석 박사 연구팀이 섭씨 1천도 화재 화염과 항공엔진급 고온에서도 구조가 안정적인 3차원 탄소튜브 플라스틱 복합재를 개발했다.

 

 탄소튜브는 1991년 일본의 전자기업 NEC 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 최초로 발견했다. 탄소튜브는 탄소 원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결된 고분자 탄소 동소체다. 강도가 철의 100배 이상이며 기술이 발전함에 따라 더 강해질 수 있고 활용은 무궁무진하다.  

 

탄소튜브. 동아사이언스

 

 오영석 박사는 폴리아미드(플라스틱) 등 고내열 수지와 복합화해 유리전이온도를 섭씨 500도 수준까지 높여 공정 안정성을 검증할 예정이며 대형 부품 제조를 위한 공정 확장성과 경제성 확보를 통해 실용화 단계를 밟겠다고 밝혔다. 

 

 연구팀은 3차원 탄소나노튜브(CNT) 기반의 나노케이지 구조(Nano cage)를 설계 제작했다. 이를 통해 고분자 사슬(플라스틱)의 열 운동을 물리적으로 제어함으로써 플라스틱 고분자 복합재의 내열 한계를 획기적으로 향상하는 데 성공했다.

 

 플라스틱 고분자 복합재는 가볍고 가공성이 뛰어나 차세대 구조 소재로 주목받아 왔다. 그러나 유리전이온도(Tg) 이상에서 분자 운동성이 급격히 증가해 구조적 안정성을 유지하기 어려워 고온 재료 영역에서는 여전히 비싸고 무거운 티타늄 합금 등 금속 소재가 주로 사용된다.

 

 이를 극복하려 화학 구조 변화나 나노필러 도입 등 다양한 연구가 진행됐으나 유리전이온도를 일정 수준 이상 높이거나 고온에서 사슬 움직임을 근본적으로 억제하기에는 충분하지 않았다. 

 

 특히 기존방식은 필러의 불균일한 분산 등으로 인해 나노 구속 효과를 효과적으로 구현하기 어려웠다. 연구팀은 문제의 원인이 유리전이온도 이상에서 발생하는 사슬의 자유로운 운동성에 있음을 주목하고 이를 화학적 결합이 아닌 물리적 구속 구조 설계를 통해 해결했다. 

 

고온 소재 시장 판도 바꿀 3차원 탄소나노튜브 나노케이지와 고분자 사슬

연구팀은 3차원 탄소나노튜브를 그물망 형태로 얽은 나노케이지 구조 내부에 고분자 사슬을 침투시킨 결과, 나노게이지 기공이 사슬의 협동 재배열 영역보다 작을 경우 열 운동이 극도로 억제됨을 실험으로 규명했다. 

 

https://www.dongascience.com/news/76218

 

 이를 통해 유리전이온도를 기존 대비 약 119% 향상된 섭씨 350도 고분자 자체의 열분해 온도까지 끌어올렸으며, 고온 탄성률 유지, 크리프 저항성, 우수한 내화와 난연 성능을 동시에 확보했다. 

 

 이번 연구는 고분자 복합재의 사용 온도를 획기적으로 확장해 차세대 항공엔진 및 가스터빈용 부품으로 활용할 수 있는 기술적 기반을 마련했다. 특히 나노케이지 기반 복합재는 금속 대비 현저히 가벼워 엔진 경량화를 통한 연료 효율 및 성능 개선이 기대된다. 

 

 수백도 이상의 고온과 열충격에 노출되는 우주선과 초음속 비행체 구조물은 물론 전기차 배터리팩 등 미래 모빌리티 분야에서 화재 확산을 지연시키는 안전 소재로도 활용 가능성이 높다. 

 

 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구 성과는 온라인 국제 재료공학 학술지(Advanced Composites and Hybrid Materials) 2026년 1월 10일에 게재됐다. 

 

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맺음말

2026년 1월 한국재료연구원이 섭씨 1천도 화염에 견디는 플라스틱 복합재를 개발했다고 발표했다. 고분자 사슬을 나노 감옥에 가두는 방식인 이 기술은 우주산업, 항공엔진, 가스터빈, 차세대 자동차 등 고온 구조 소재 시장의 판도를 바꿀 잠재력이 있다.