한양대 한태희·위정재 교수, 단국대 엄원식 교수 공동연구
강도 쎄고 크기는 작은 친환경 차세대 섬유…산업화 가능
[대전=뉴시스] 이중나선 구조와 비틀림 압축 공정을 적용한 아라미드계 PBDT 섬유의 구조 및 제조 개념도.(사진=한양대학교 한태희 교수 제공) *재판매 및 DB 금지
[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 DNA와 거미줄의 이중나선 구조 원리를 활용해 강철보다 2배 강하면서도 무게는 4분의 1에 불과한 초강력 섬유를 개발했다.
한국연구재단은 한양대학교 유기나노공학과 한태희·위정재 교수, 단국대학교 엄원식 교수 공동연구팀이 물속에서 스스로 이중나선 구조를 형성하는 특수 고분자 소재를 이용해 자연계 섬유의 설계원리를 재현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.
최근 항공우주, 국방, 첨단로보틱스 등 다양한 분야에서 가볍고 강한 섬유형 소재 수요가 급증하고 있으나 기존 합성섬유 기술은 가공과정에서 분자 정렬이 흐트러지거나 내부에 미세한 빈 공간이 형성돼 성능구현에 한계가 있었고 유해 화학용매가 사용돼 환경적 부담도 컸다.
이번에 공동 연구팀은 물속 환경에서 DNA처럼 스스로 꼬인 구조(이중나선)를 형성하는 아라미드계 고분자 'PBDT'에 주목하고 분자 수준의 질서를 실 형태까지 완벽하게 전달하는 '4단계 계층적 제조 공정'을 설계했다. PBDT의 이중나선형 구조는 매우 가는 나노섬유 네트워크로 이어지는 특징을 갖는다.
설계된 4단계 공정은 ▲분자를 한 방향으로 세우는 정렬 ▲이온을 더해 구조를 묶는 결속 ▲정렬도를 높이는 인장 ▲내부 빈틈을 없애는 수계 비틀림 압축 단계로 구성됐다.
특히 밧줄을 꼬는 원리를 응용한 비틀림 공정은 실 내부구조를 치밀하게 만들어 하중 전달 효율을 높인다. 이 과정은 분자가 자발적으로 만든 나노 수준의 질서를 최종 연속 섬유 구조까지 유지토록하는 제조 전략이다.
시험 결과, 제조된 실은 인장강도 1.2GPa, 영률(강성) 103GPa를 기록했다. 이는 기존 필름 형태 대비 강도는 5.8배, 강성은 6.3배 향상된 수치로 강철 대비 강도는 2배 이상 높고 무게는 4분의 1 수준에 불과하다. 같은 무게의 강철 와이어보다 이 실은 8배 이상 더 강한 힘을 버틸 수 있다.
특히 독성 용매 없이 물을 기반으로 한 친환경 공정이고 특정 조건에서 구조를 풀어 재구성할 수 있어 재가공 및 재활용이 가능하다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 지난 25일 게재됐다.
한태희 교수는 "거미줄과 DNA가 가진 정교한 구조적 비밀을 산업용 실로 구현한 것"이라며 "높은 성능과 생산성, 친환경성까지 확보한 만큼 항공우주, 반도체, 방호 등 첨단산업의 차세대 플랫폼으로 발전시켜 나가겠다"고 말했다.
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