이 글의 목적은 그래핀 나노플레이트(Graphene Nanoplatelet, GNP)를 수지·고무·잉크·코팅·접착제 등에 배합할 때 반복적으로 발생하는 난점을 원인-대책 형태로 정리하여, 현장에서 재현성 있게 분산 품질과 물성을 확보하도록 돕는 것이다.
1. 그래핀 나노플레이트 배합에서 “난점”이 반복되는 이유
그래핀 나노플레이트는 얇은 판상 구조와 큰 비표면적 특성 때문에 서로 강하게 뭉치려는 경향이 크다고 알려져 있다.
이 특성은 전기전도·열전도·기계적 보강에서 장점이 되기도 하지만, 배합 공정에서는 점도 급상승, 젖음 불량, 분산 불균일, 필터 막힘, 도막 결함으로 나타나기 쉽다고 정리할 수 있다.
또한 동일한 배합비를 사용해도 원료 배치, 수분, 혼합 순서, 전단 이력, 용제 조성에 따라 결과가 달라지기 때문에 “레시피는 같은데 품질이 흔들리는” 현상이 자주 발생하다.
주의 : 그래핀 나노플레이트 분말은 취급 중 비산될 수 있으므로 흡입 노출을 최소화하는 작업 방법과 집진·국소배기·보호구 착용이 필수이다.
2. 배합 난점 Top 7과 현장 증상 정리
| 난점 | 현장 증상 | 대표 원인 | 우선 대책 |
|---|---|---|---|
| 젖음 불량 | 분말이 액상에 뜨거나 덩어리로 남다 | 표면에너지 불일치, 투입 속도 과다, 초기 점도 과다 | 저점도 프리믹스, 분할 투입, 습윤제 적용 |
| 응집·재응집 | 초기 분산은 되나 시간 경과 후 다시 뭉치다 | 분산제 부족, 용제 조성 변화, 전단 이력 부족 | 분산제 최적화, 고형분·점도 창 설정, 밀링 조건 고정 |
| 점도 급상승 | 펌핑 불가, 롤밀 과부하, 코팅 레벨링 저하 | 판상 네트워크 형성, 고형분 과다, 분산 미완료 | 마스터배치 전략, 고형분 단계 상승, 전단 설계 |
| 전도성 편차 | 저항값이 로트마다 크게 흔들리다 | 분산 균일도 부족, 네트워크 단절, 두께 편차 | 혼합 순서 표준화, 분산도 QC, 도막 두께 관리 |
| 여과·필터 막힘 | 카트리지 수명 급감, 노즐 막힘 | 큰 응집체 잔존, 재응집, 혼입 이물 | 분산 단계 강화, 스크리닝 체계, 공정 청정도 |
| 도막 결함 | 핀홀, 크레이터, 줄무늬, 광택 불균일 | 응집체, 기포, 젖음 불량, 용제 증발 불균일 | 탈포-점도-레벨링 동시 최적화, 공정 조건 고정 |
| 침강·분리 | 보관 중 바닥 침전, 상분리, 재분산 어려움 | 입자-매트릭스 상용성 부족, 밀도 차, 점도 부족 | 레올로지 설계, 분산제/증점 조합, 보관 조건 관리 |
3. 젖음 단계가 배합 성패를 좌우하는 이유
3.1 “투입 초반” 점도 창을 먼저 만들다
그래핀 나노플레이트는 투입 초반에 덩어리가 형성되면 이후 고전단을 줘도 내부까지 충분히 풀리기 어렵다고 보는 것이 실무적으로 유리하다.
따라서 초기에는 저점도 상태에서 분말을 천천히 분할 투입하여 젖음과 침투가 진행되도록 설계하는 것이 일반적으로 안정적이다.
3.2 프리믹스 전략을 표준으로 두다
프리믹스는 “분말-습윤-1차 분산”만을 목표로 하고, 최종 고형분과 기능성 첨가제는 후단에서 맞추는 방식이 재현성이 좋다.
프리믹스에서 가장 중요한 관리 변수는 투입 속도, 교반 형상, 액상 온도, 초기 점도이다.
주의 : 프리믹스에서 점도를 올리는 첨가제를 먼저 넣으면 분말이 젖기 전에 덩어리가 고정될 수 있으므로 투입 순서를 사전에 고정해야 한다.
4. 분산 장비 선택과 “전단의 질” 관리
4.1 고속 디스퍼서만으로 한계를 느끼는 구간이 존재하다
고속 디스퍼서는 탱크 내 순환과 표면 젖음에는 유리하지만, 강한 응집체를 미세화하는 데는 한계가 나타날 수 있다.
응집체가 남으면 전도성·도막 결함·필터 막힘으로 이어지므로, 목표 입도/분산도 기준에 따라 추가 공정이 필요하다.
4.2 3롤밀·비드밀·초음파의 역할을 구분하다
3롤밀은 고점도 페이스트에서 판상 충전재를 강하게 전단해 응집체를 줄이는 데 유리하다고 평가되다.
비드밀은 액상 점도 범위가 확보될 때 연속 공정으로 분산 균일도를 만들기 유리하다고 활용되다.
초음파는 특정 용제계에서 단기간 분산에 도움을 줄 수 있지만, 과도한 에너지 입력이 분해·열화를 유발할 수 있으므로 공정 안전과 품질 기준을 함께 설정해야 하다.
| 장비 | 강점 | 취약점 | 권장 적용 구간 |
|---|---|---|---|
| 고속 디스퍼서 | 젖음·순환·초기 분산 | 강응집 미세화 한계 | 프리믹스, 분할 투입 |
| 3롤밀 | 고점도에서 강전단 | 처리량 제한, 발열 관리 필요 | 마스터배치, 페이스트 |
| 비드밀 | 연속 분산, 균일도 향상 | 비드 마모, 여과 설계 필요 | 잉크·코팅의 최종 분산 |
| 행성믹서 | 고점도 탈포·혼련 | 미세화 능력은 조합 필요 | 탈포 포함 혼련 공정 |
5. 점도 급상승을 다루는 방법
5.1 네트워크 형성 구간을 “공정 창”으로 정의하다
그래핀 나노플레이트는 판상 입자 간 접촉이 늘어나면 점도가 급증하는 구간이 나타날 수 있다.
이 구간을 피하려고 무작정 용제를 늘리면 최종 성능이 무너질 수 있으므로, 공정 중간의 점도 창과 최종 점도 목표를 분리해 관리하는 것이 유리하다.
5.2 마스터배치가 재현성을 올리다
고농도 마스터배치를 안정적으로 만든 뒤 희석·다운블렌딩하는 방식은 분말 직접 투입을 줄여 품질 편차를 낮추는 데 도움이 되다.
다만 마스터배치가 지나치게 고점도가 되면 장비 부하가 커지므로, 장비 한계와 열관리 조건을 함께 설정해야 하다.
주의 : 점도만 낮추기 위해 분산제를 과다 투입하면 전기전도 네트워크가 약해지거나 도막 내 이동성이 증가해 침강이 심해질 수 있으므로, 전도성·침강·점도 목표를 동시에 평가해야 한다.
6. 상용성·표면처리·분산제의 실무적 접근
6.1 “잘 풀리는 그래핀”은 시스템 적합성이 좌우하다
동일한 그래핀 나노플레이트라도 매트릭스 수지의 극성, 용제, 경화 시스템에 따라 분산 난이도가 달라지다.
따라서 특정 제품명이 아니라 “현재 조성에서 젖음과 안정화가 가능한가”를 기준으로 접근하는 것이 재현성이 높다.
6.2 분산제 선택은 1차 목표를 먼저 정하다
분산제의 1차 목표는 젖음 향상과 재응집 억제이다.
2차 목표는 점도 제어와 전도성 유지의 균형이다.
이 균형은 조성에 따라 상충할 수 있으므로, 후보를 좁힌 뒤 소규모 DOE로 최적점을 찾는 접근이 실무적이다.
7. 배합 순서 표준안 예시
아래는 분말 비산을 줄이고 젖음-분산-탈포를 분리해 재현성을 높이는 목적의 일반적 순서 예시이다.
1) 액상(수지/용제/저점도 희석분) 준비하다. 2) 습윤/분산 보조제를 초기 저점도 구간에 투입하다. 3) 그래핀 나노플레이트를 소량씩 분할 투입하며 프리믹스하다. 4) 고속 디스퍼서로 1차 분산을 수행하되 발열을 관리하다. 5) 필요 시 3롤밀 또는 비드밀로 응집체를 줄이는 2차 분산을 수행하다. 6) 최종 고형분, 첨가제(레벨링/소포/경화제)를 후단에서 조정하다. 7) 탈포 후 점도와 여과성을 확인하고 포장하다.8. 품질 확인 항목을 “숫자화”해 흔들림을 줄이다
8.1 분산도 기준을 합의하다
“잘 풀렸다”라는 표현은 공정 개선을 막는 원인이 되기 쉬우므로, 분산도를 판단하는 내부 기준이 필요하다.
현장에서는 광학 현미경 관찰, 입도/응집체 카운트, 점도 곡선, 전기저항, 침강 안정성 같은 지표를 조합해 관리하는 방식이 널리 사용되다.
| 관리 항목 | 측정 방법 | 관리 목적 | 자주 발생하는 해석 오류 |
|---|---|---|---|
| 현미경 응집체 관찰 | 도포 후 관찰 또는 희석 관찰 | 큰 응집체 잔존 확인 | 희석 조건이 달라 비교가 무의미해지다 |
| 점도-전단률 곡선 | 레올로지 측정 | 네트워크 형성 정도 확인 | 온도·전단 이력 미통제로 데이터가 흔들리다 |
| 체적저항/시트저항 | 표준 전극 측정 | 전도 네트워크 재현성 확인 | 도막 두께·건조 조건 차이를 무시하다 |
| 여과성 | 필터 통과 시간/압력 | 공정 막힘 리스크 확인 | 필터 규격 차이를 혼용하다 |
| 침강 안정성 | 가속 보관/원심 평가 | 보관성 확인 | 재분산 가능성을 함께 보지 않다 |
9. 증상별 트러블슈팅 체크리스트
9.1 “전도성이 갑자기 떨어지다”
- 도막 두께와 건조 조건이 동일한지 확인하다.
- 분산제를 증량했는지 확인하다.
- 후단 교반이 과도해 네트워크가 손상되는지 확인하다.
- 여과 단계에서 유효 충전재가 함께 제거되는지 확인하다.
9.2 “점도가 너무 올라 펌핑이 안 되다”
- 프리믹스 고형분을 낮추고 후단에서 단계적으로 올리다.
- 마스터배치 농도를 장비 한계에 맞게 재설정하다.
- 전단을 낮추는 대신 분산 시간을 늘리는 전략을 검토하다.
- 온도 상승이 점도 변화를 가리는지 확인하다.
9.3 “필터가 바로 막히다”
- 현미경으로 큰 응집체가 잔존하는지 확인하다.
- 투입 초반 젖음 단계에서 덩어리가 형성되는지 확인하다.
- 스크리닝을 2단으로 구성해 공정 부담을 분산하다.
- 탱크 벽면·배관 데드존에서 재응집이 발생하는지 확인하다.
10. 공정 안전과 작업 환경 포인트
그래핀 나노플레이트는 분말 상태에서 비산될 수 있으므로, 밀폐 이송 또는 저속 투입, 국소배기, 청소 방식의 표준화가 필요하다.
발열이 큰 분산 공정은 용제 증기와 결합할 수 있으므로, 방폭 요구사항과 환기 조건을 함께 검토해야 하다.
폐기물과 오염된 소모품은 현장 규정에 따라 분리 보관·처리하는 체계가 필요하다.
FAQ
그래핀 나노플레이트는 투입을 한 번에 하면 왜 덩어리가 커지다?
분말이 액상 표면에서 동시에 젖지 못하면 바깥쪽만 젖고 내부는 건조한 덩어리가 형성되기 쉽다.
이 덩어리는 이후 전단을 줘도 내부까지 용제가 침투하기 어려워 잔존 응집체가 남는 원인이 되다.
점도를 낮추면 분산이 쉬워지는데 왜 최종 성능이 흔들리다?
점도를 낮추는 방법이 용제 증가, 분산제 과다, 네트워크 약화로 연결될 수 있기 때문이다.
전도성이나 보강 성능은 입자 간 연결이 중요한 경우가 많아, 점도만 낮추는 접근은 성능 저하로 이어질 수 있다.
3롤밀을 쓰면 항상 전도성이 좋아지다?
3롤밀은 응집체를 줄여 균일도를 개선하는 데 도움이 될 수 있다.
다만 후단 희석, 첨가제, 건조 조건에서 네트워크가 다시 변할 수 있으므로, 공정 전체를 고정해 평가해야 하다.
침강이 생기면 무조건 증점을 해야 하다?
증점은 한 가지 해법이지만, 젖음과 재응집 억제, 입자-매트릭스 상용성 개선, 분산 안정화도 함께 고려해야 하다.
증점만으로 해결하면 작업성 악화와 전도성 편차가 커질 수 있으므로 균형 설계가 필요하다.