▸두 나노튜브의 결합, 3D 프린팅만으로 초박막·경량·고성능 차폐 소재 개발
▸전자파 99.999% · 중성자 72% 차단해 우주·원전·의료 산업 활용 기대
전자기파와 중성자를 동시에 차단하는 차세대 초경량 복합 소재[그림=KIST]
우주선과 원자력발전소, 반도체 장비, 첨단 의료기기 등 현대 산업의 핵심 현장에서는 전자파와 방사선으로부터 장비와 사람을 보호하는 차폐 소재가 필수적이다.
특히 최근 NASA의 유인 달 탐사 임무인 아르테미스 2호가 4월 1일(현지시간) 발사되며 우주 탐사가 본격화하면서 극한 환경에서도 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 차세대 차폐 기술의 중요성은 더욱 커지고 있다.
하지만 전자파와 중성자 방사선은 성질이 서로 달라 지금까지는 각각 다른 소재로 차단해야 했다. 이 때문에 차폐 구조가 무거워지고 설계도 복잡해지는 한계가 뒤따랐다.
특히 무게와 공간 제약이 큰 우주 산업에서는 이러한 문제가 더욱 큰 부담으로 작용해 왔다.
이 같은 난제를 해결하기 위해 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한환경차폐소재연구센터 주용호 박사 연구팀이 새로운 해법을 제시했다.
연구팀은 머리카락보다 훨씬 얇은 초박막 필름 하나로 전자파와 중성자를 동시에 차단하면서도 고무처럼 늘어나고 3D 프린팅까지 가능한 혁신적 복합 차폐 소재를 세계 최초로 개발했다.
이번에 개발된 소재의 핵심은 두 종류의 나노튜브 결합이다.
전기가 잘 통하는 탄소나노튜브(CNT)는 전자파를 흡수하고 반사하는 역할을 맡고, 붕소 성분이 풍부한 질화붕소나노튜브(BNNT)는 중성자를 효과적으로 포획하는 역할을 수행한다.
특히 두 소재가 서로를 감싸는 ‘껍질 구조’를 자연스럽게 형성하면서, 단 하나의 필름으로 서로 다른 두 위험 요소를 동시에 차단할 수 있도록 설계됐다.
그 결과 이 소재는 머리카락보다 얇은 두께에서도 전자파를 99.999% 차단하고 중성자는 약 72% 저감하는 성능을 구현했다.
전자파 차폐와 중성자 차폐를 하나의 초박막 필름으로 동시에 구현한 것이다.
기술적 완성도도 눈에 띈다.
이 소재는 원래 길이의 두 배 이상 늘어나도 성능이 유지되는 뛰어난 신축성을 지녔고, 3D 프린터를 활용해 벌집 구조 등 다양한 형태로 제작할 수 있다.
실제로 벌집 구조로 설계할 경우 동일 두께의 평면 소재보다 차폐 성능이 최대 15% 향상되는 것으로 확인됐다.
여기에 영하 196도의 극저온부터 250도의 고온까지 견디는 내구성까지 확보해 우주와 같은 극한 환경에서도 안정적인 활용 가능성을 보여줬다.
이번 연구는 단순한 소재 개발을 넘어 산업 전반에 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
하나의 소재로 전자파와 방사선을 동시에 차단할 수 있게 되면서 인공위성과 우주정거장, 원자력 시설, 암 치료 장비, 웨어러블 방호 장비 등 다양한 분야에서 설계 단순화와 경량화를 동시에 실현할 수 있게 됐다.
특히 3D 프린팅 기술과 결합한 맞춤형 차폐 구조 설계는 향후 우주·에너지·의료 산업의 차폐 기술 패러다임을 바꿀 핵심 기반으로 주목된다.
주용호 KIST 박사는 “이번 소재는 테이프처럼 얇고 고무처럼 유연하면서도 전자파와 방사선을 동시에 차단하는 완전히 새로운 개념의 차폐 기술”이라며 “우주시대 실현에 필요한 초물성 소재 확보와 국산화 기반 마련에 의미가 있는 기술로, 앞으로 구조 설계 최적화를 통해 성능을 더욱 높이고 실제 산업 현장 적용도 본격 추진할 계획”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 개인기초연구사업, G-LAMP 프로그램, GNU우주항공방산연구소사업으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 Advanced Materials 최신 호에 게재됐다.
극한 환경에서도 유지되는 유연성과 이중 방사선 차폐 성능
용어 설명
1. 탄소나노튜브(CNT)
탄소 원자로 이루어진 직경1~2nm(나노미터, 10억 분의1미터)의 원통형 소재로 전기가 매우 잘 통해 전자파 차폐에 효과적임.
2. 질화붕소나노튜브(BNNT)
붕소와 질소 원자로 이루어진 나노튜브. 붕소가 중성자를 흡수하는 성질이 있어 방사선 차폐에 활용됨.
3. 코어-쉘(core-shell) 구조
하나의 소재(코어)를 다른 소재(쉘)가 감싸는 형태로, 본 연구에서는 굵은 BNNT를 가는 탄소나노튜브가 자발적으로 감싸는 구조를 형성하는 것을 의미함.
4. dB(데시벨)
차폐 성능을 나타내는 단위. 50 dB는 전자파의 99.999%를 차단하는 수준이며, 20 dB는99%, 30 dB는99.9%를 차단함
5. 선형 감쇠계수(μ)
물질이 방사선을 얼마나 효과적으로 줄이는지 나타내는 수치. 값이 클수록 같은 두께에서 더 많은 방사선을 차단함.
6. PDMS(폴리다이메틸실록세인)
실리콘 계열 고분자. 고무처럼 잘 늘어나고, 열과 화학물질에 강해 유연 전자 소자에 널리 쓰임.
7. 직접 잉크 쓰기(DIW)
점성이 있는 잉크를 미세 노즐로 짜내며 층층이 쌓아 3차원 구조물을 만드는 3D 프린팅 기법.
댓글
0