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美 MIT, ‘나노미터급 초극세 섬유공정’ 개발
‘겔 전기방사’ 적용 시 생산비용 절감
기사입력: 2018/01/10 [10:31]  최종편집: TIN 뉴스
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TIN뉴스
▲ 초미세 나노 섬유를 전자현미경으로 살펴본 모습    

미국 매사추세츠공과대(MIT) 연구팀이 견고하고 복원력이 우수한 새로운 초극세 섬유'(New ultra-fine fibers)를 만들 수 있는 공정방법을 개발했다고 지난 4일 밝혔다.

 

이번에 개발한 공정은 지름이 나노미터(10억분 1미터)에 불과한 초극세 섬유에 적용할 경우 매우 강력하고 견고해진다. 저렴하고 생산이 쉽기 때문에 방호복 및 나노 복합 재료와 같은 다양한 분야에 활용이 가능할 전망이다. 

 

겔 전기 방사(electrospinning)라고 불리는 이 공정은 Gregory Rutledge 화학공학과 교수와 Jay Park 연구원에 의해 개발됐다. 이 논문은 온라인에 공개됐고, 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼 사이언스’(Journal of Materials Science) 2월호에 게재될 예정이다. 

 

연구팀 책임자인 러트리지 교수는 “재료 과학에서는 많은 상충 관계가 있다”고 말했다. 일반적으로 연구자는 재료의 한 가지 특성을 쉽게 향상시킬 수 있지만, 이 경우 다른 특성이 줄어드는 경향이 나타난다. 예를 들어 강도와 인장력은 서로 상반되는 특징이 있다.

 

강도가 높아지면 늘어나면서 버티는 특성은 줄어들게 마련이다. 이 때문에 매우 강한 강도를 가지면서 동시에 인장력이 높은 재료는 쉽게 만들기 어려운 식이다. 실제로 방탄 장갑과 방탄 안전모 등에 사용되는 케블라(Kevlar)나 다이니마(Dyneema) 같은 섬유 재료는 강도는 아주 높지만 응용 분야에 한계가 있다. 

 

MIT연구팀은 1micron(백만분의 1미터) 이하의 섬유를 만들기 위한 연구에 착수했다. 러트리지 교수는 “우리는 수년 동안 나노 파이버라고 불리는 초극세 섬유를 봐왔지만 그 중에 고기능성이라고 할 만한 특성을 가진 섬유는 없었다”고 말했다.   

 

하지만 연구팀에 개발한 새로운 재료는 기존의 다른 모든 재료를 능가한다고 러트리지 교수는 강조했다. 그는 “재료를 구분하는 여러 가지 특성 중에는 ‘특정 모듈러스’, ‘특정 강도’ 등이 있다”면서 “이런 것들은 무게를 기준으로 할 때 재료의 성능이 얼마나 뛰어난지를 보여주는 지표가 된다”고 말했다. 예를 들어 모듈러스는 섬유가 얼마나 뻣뻣한지, 또는 늘어나는 것에 대해 저항하는 정도 등을 표현할 수 있다.   

 

복합 재료에 널리 사용돼온 탄소 섬유 및 세라믹 섬유와 비교하면 새로운 겔 전기 방사 폴리에틸렌 섬유는 강도는 비슷하지만 훨씬 더 강하고 밀도가 낮다. 

 

이 초미세 소재를 제작하면서 연구팀은 기존 마이크로 섬유와 비슷한 수준을 구현하기 위해 애썼다. 이는 섬유의 특성을 조절하는 것이 가능한지 시험하기 위해서였다. 실제로 만들어진 초미세 섬유는 탄성 계수 등 각종 지표에서 완벽하지는 않지만 기존 마이크로 섬유와 비슷한 경쟁력을 갖춘 것으로 드러났다. 특히 강도 면에서는 기존에 상용화된 섬유보다 두 배 이상 뛰어난 것으로 나타났다. 연구팀은 어떻게 기대를 뛰어넘는 연구 성과를 거둘 수 있었는지에 대해 심층적으로 조사하고 있다. 

 

연구팀은 겔 전기 방사 공정을 개발하면서 전기력을 이용하는 방식을 추가했다. 그 결과 여러 단계가 아닌 단일 공정으로 초미세 섬유를 얻을 수 있었다. 또 기존 상용화된 미세 섬유가 15㎛(마이크로미터) 정도의 직경을 가진 데 비해 새로 만들어낸 섬유들은 수백 ㎚(나노미터)까지 가늘어졌다.  

러트리지 교수는 “이런 특성들은 기존 재료만큼 강하지만, 부피는 훨씬 줄일 수 있기 때문에 실용적인 보호 재료를 만드는데 사용할 수 있다”고 말했다. 

 

김성준 기자 tinnews@tinnews.co.kr

 

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