Thermally reduced graphene (TRG) was coated on flexible polyurethane (FPU) foam using poly(vinyl chloride) (PVC) as a binder, and its electrical properties and flame retardancy were investigated. As the amount of coated TRG increased, the surface resistivity decreased. When TRG/PVC ratio was fixed at 75/25, surface resistivity reached a constant value of 10⁴ Ω square-1 when 2 parts of TRG (2 phr) was coated on 100 parts of FPU foam. The electromagnetic shielding efficiency (EMI SE) also enhanced with the amount of coated TRG, and when the amount of coated TRG was in the vicinity of 15 to 20 phr, it exhibited a specific EMI SE around 167 dB cm² g^-1. The coated TRG reduced the flammability of FPU foam. Self-extinguishing was observed when the amount of coated TRG reached 10 phr, and the TRG amount needed for self-extinguishing was reduced when the amount of PVC, used as a binder, increased.

연질 폴리우레탄(flexible polyurethane, FPU) 폼에 열환원법으로 제조한 그래핀(thermally reduced graphene, TRG)을 poly(vinyl chloride)를 고착제로 사용하여 코팅하고, 전기적 성질, 그리고 난연성의 변화를 조사하였다. 코팅된 TRG의 양이 증가함에 따라 표면 저항이 감소하여, FPU 폼 100부 대비 2부(2 phr)의 TRG가 코팅된 경우 10⁴Ω square-1에 이르러 일정한 값을 유지하였다. 전자파 차폐 효율(EMI SE) 역시 코팅된 TRG의 양에 따라 향상되어, 코팅된 TRG 양이 15~20 phr 부근인 경우, 167 dB cm² g^-1 근처의 specific EMI SE 값이 발현하였다. 그리고 코팅된 TRG 양이 10 phr 이상인 경우 자소성이 관찰되었다.

Keywords: polyurethane foam, coating, graphene, electrical properties, flammability

고분자 물질은 용도에 필요한 물성을 적절하게 발현하며, 효율적 공정에서 경제적으로 제조 가공할 수 있으므로, 우리 생활의 여러 가지 용도에서 필수적으로 사용되고 있다. 하지만, 대부분의 고분자 물질은 표면저항이 10⁸~10¹² Ω square^-1 범위로 전기 전도성이 없어 정전기가 발생하는 문제, 그리고 전자파를 차폐할 수 없는 문제가 있다. 또 쉽게 불이 붙으므로 화재 위험성이 있다.¹ 이러한 문제점들은 전도성 물질, 난연제 등을 고분자와 혼합하여 개선할 수 있으나, 다량의 첨가제가 투입되는 경우 고분자 재료 고유한 물성이 저하되는 문제가 발생한다. 하지만, 표면적이 큰 나노물질은 소량혼합하여도 전기전도성, 난연성, 차단성 등을 효과적으로 향상시킬 수 있어, 나노복합재료의 설계 및 성능 향상에 관한 심도있는 연구 결과들이 보고되고 있다.^2-7
또한 기존의 난연제에는 할로젠, 인 등 환경 규제 물질들이 포함되어 있으므로, 이들의 사용을 최소화하면서 고분자 재료에 난연성을 부여할 필요가 있으며, 이에 대한 해결책으로 그래핀을 바탕으로 한 나노 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.^8-10
고분자의 개질에 다량으로 사용하는 그래핀은 흑연을 원료로 하여 제조하는 것이 경제적이다. 흑연은 그래핀이 3.35 Å의 일정한 층간 간격으로 쌓여 있는 물질이므로, 각 층을 기계적 방법으로 분리하면 그래핀을 얻을 수 있다. 그러나 이 방법은 생산성이 좋지 못해 대량의 그래핀 제조에 적용하기에는 경제성이 부족하다.
대량의 분말 상 그래핀을 제조하는 경제적인 방법은, 흑연을 산화하여 그래핀옥사이드(GO)를 제조하고 이를 열환원시키는 방법이다.^11,12 GO에 부착된 산소를 포함하는 관능기들은 비산화성 분위기의 높은 온도에서 열분해되어 CO₂로 탈리되고, 발생된 CO₂에 의한 층간 압력에 의해 열환원된 GO, 즉 그래핀의 각 층이 박리된다. 그러므로 GO를 비산화성의 높은 온도 분위기에 투입하면 열환원이 일어나면서 각 층이 박리되어 그래핀이 얻어진다. 이 방법은 GO 분산을 위한 용매를 사용하지 않으므로 경제적, 그리고 친환경적이다. 또 분산매질이 없으므로 생성된 그래핀의 재결합도 최소화된다. 이러한 열환원법으로 제조한 그래핀(thermally reduced graphene, TRG)은 보통 수 개의 그래핀 층이 겹쳐 있는 few-layer 그래핀으로, 표면적이 300~1500m² g^-1 수준이다. 또 열환원법으로 제조한 그래핀에는 에폭시기, 히드록실기 등 산소를 포함하는 극성기들이 일부 잔존하므로, 극성이 있는 고분자, 용매 등에 별도의 개질없이 골고루 분산시킬 수 있는 장점이 있다.^13,14
최근에는 그래핀을 고분자와 혼합하는 대신 고분자 재료 표면에 코팅하여, 고분자 고유의 물성과 형상을 손상하지 않는 비파괴적인 방법으로 고분자 재료에 새로운 기능을 부여하는 방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 그래핀은 두께가 얇고 판상이므로 이러한 용도에 응용하기에 적합하다.^15,16
열린 셀 구조의 발포 폼들은 내부까지 용이하게 코팅할 수 있으므로, 넓은 면적을 효율적으로 코팅하여 개질할 수 있는 장점이 있다. 따라서 발포 폼, 특히 폴리우레탄 발포 폼에 그래핀을 코팅하여 전도성, 난연성 등 기능을 부가하는 연구는 최근 몇몇 연구자들에 의해 선도적으로 연구되어 보고된 바있다. H. Pan 등은 GO와 고착제(binder)를 여러 층으로 순차적으로 폴리우레탄 폼에 코팅한 후에 코팅된 GO를 그래핀으로 환원한 후 난연 효과를 평가하였다.¹⁷ 또 H. Wei 등은 GO를 화학적 방법으로 환원하여 제조한 그래핀을 ionic liquid에 분산하여 폴리우레탄 폼에 코팅한 후, ionic liquid를 고분자로 중합한 후 난연 효과를 평가하였다.¹⁸ 그리고 B. Shen등은 별도의 고착제 없이 GO를 폴리우레탄 폼에 코팅한 후 화학적 방법으로 환원하고, 전자파 차폐 효과를 평가하였다.¹⁹
본 연구에서는 중합되어 있는 고분자 물질을 고착제로 활용하여, 공업적 다량 제조가 가능한 열환원 방법으로 제조한 그래핀을 폴리우레탄 폼에 코팅하였다. 즉, 난연성이 있는 폴리염화비닐(PVC)을 고착제로 하여 그래핀을 폴리우레탄 폼에 물리적으로 코팅하고, 난연성, 표면저항, 그리고 전자파 차폐 효과 등을 평가하였다. 이러한 방법은 코팅 후 추가의 별도 공정들, 즉 GO를 사용하는 경우와 같은 환원 공정, 단량체를 사용하는 경우의 중합공정 등이 필요하지 않다는 장점이 있다.