방탄복 소재보다 12배나 강한 인공섬유

인공근육 소재는 강하고 유연하면서도 전기적 특성이 우수해야 합니다.

이를 위해 그래핀, 탄소나노튜브 등 기계적, 전기적 특성이 매우 우수한 나노물질이 고강도 나노복합소재 개발에 널리 사용되어왔습니다.

그러나 2차원 면구조로 된 그래핀을 결합하여 섬유 형태로 제조하는 것이 매우 어려워 주로 탄소나노튜브 기반의 인공근육 섬유 연구에 초점을 맞추어 왔습니다.

그러나 탄소나노튜브의 뛰어난 물리적 특성에도 불구하고, 섬유 제조 과정에서 탄소나노튜브들이 인력에 의해 서로 엉켜 탄소나노튜브 기반 섬유의 기계적 특성을 향상시키는데 한계가 있었습니다.

일부 연구팀은 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브 섬유 제조 후에 엉킴을 강제로 풀어 추가적으로 배열하기 위한 후처리를 제시했습니다.

그러나 후처리 방법이 복잡해 기계적 물성을 향상시키기 위한 최적 조건을 찾는데 어려움이 따르고 있습니다.

□ 그래핀을 이용해 거미줄보다 6배, 방탄복 소제인 케블라보다는 12배 이상 우수한 기계적 특성을 갖는 인공근육 섬유가 개발됐습니다.

한양대 김선정 교수팀은 그래핀과 탄소나노튜브가 결합된 나노구조가 인공근육 섬유 제조 과정에서 스스로 배열하는 특성을 이용해 기계적 특성이 우수한 인공근육 신소재를 개발했습니다.

김 교수팀은 거미줄의 나노구조가 배열하는 원리인 생체모방 차원에서 아이디어를 얻어 그래핀과 탄소나노튜브를 물리적으로 결합시켜, 그 나노구조가 스스로 배열하는 특성을 이용하여 섬유제조 공정에서 추가적인 열처리 또는 인장 방법 없이 간단한 공정으로 섬유의 기계적 특성을 향상시켰고 대량생산도 가능하게 했습니다.

김 교수팀이 개발한 그래핀/탄소나노튜브 복합체 섬유는 기존 탄소 기반 섬유와 달리 고무 밴드에 바느질을 할 수 있는 질기고 유연함을 보이고, 고강도 스프링 형태로 만들어 질 수 있고, 외부 비틀림에 매우 강한 특성을 가지고 있습니다.  

이번에 개발한 새로운 그래핀 섬유는 인공근육 뿐만 아니라 센서, 액추에이터, 에너지 저장 등으로 활용될 수 있어 에너지 기반 산업에 크게 기여할 전망입니다.

FEATURED IMAGE 설명: 화학적 방법으로 제조된 그래핀(reduced graphene oxide)을 이용하여 강하고 매우 긴 그래핀 섬유가 개발되었다. 습식방사 방법으로 제조된 섬유는 배열된 그래핀이 서로 네트워크를 이루어 결합되어 있기 때문에 강하고 유연한 특성을 갖는다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 Nature 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 2월 1일자로 게재되었습니다. 
(논문명: Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes)

신민균 박사와 이보미, 김시형, 이재아 학생이 인공근육 섬유 제조를 위해 함께 실험을 진행하고 있다.

 

인공근육 :
전기적 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 일상생활에 유용하게 이용할 수 있는 물질이나 액츄에이터(구동기).

그래핀 :
탄소원자들이 벌집 모양으로 결합하여 원자 하나 두께의 2차원 평면 구조로 된 나노소재

탄소나노튜브 :
단일벽 탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(10억분의 1 미터) 크기의 미세한 원통형 분자.
탄소원자가 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다.

인성(toughness) :
단위부피당 물질이 부서지기 전까지 흡수할 수 있는 에너지로서 물질이 외부 힘에 견딜 수 있는 정도  

 

<연 구 개 요> Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes M. K. Shin et al. (Nature Communications - 2012. 2. 1. 출판)  강하고 가벼운 고분자 섬유는 자동차 복합소재뿐만 아니라 방탄조끼에 응용될 수 있기 때문에 섬유 개발 관련 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 고분자 섬유에 탄소나노튜브를 첨가하여 고강도 나노복합소재를 만드는 것은 최근 주요 연구의 흐름이다. 또한, 탄소나노튜브 기반 복합소재는 일반적으로 전기적 특성이 향상되기 때문에 에너지 저장 소재, 센서, 구동기 등에 다양하게 응용될 수 있다. 따라서 복합소재의 응용 범위와 가치를 높이기 위해서는 재료가 외부 힘에 의해 파단할 때까지 흡수할 수 있는 최대 에너지, 즉 재료의 인성(toughness, 질긴 특성)을 향상시키는 것이 주요 해결 과제이다. 일반적으로 재료의 인성과 기계적 강도는 섬유 내부의 마이크로구조에 의해 영향을 크게 받는다. 따라서, 열처리 또는 기계적 후처리 등을 통해 마이크로구조를 적절히 디자인 하는 것은 재료 연구에 있어 매우 중요하다. 이러한 관점에서 매우 강하면서 질긴 탄소나노튜브/고분자 복합섬유 제조가 시도되었다. 특히, 복합섬유의 인성 및 기계적 강도 향상을 위해 탄소나노튜브와 고분자를 섬유의 축 방향으로 배열시키는 다양한 방법이 고안되었으나 탄소나노튜브가 서로 엉켜 풀기 힘든 성질 및 복잡한 섬유 제조 과정과 경제성 문제 때문에 최적의 복합섬유를 얻는데 많은 어려움이 있다. 본 연구팀은 기존 탄소나노튜브 기반의 복합섬유 제조 방법의 문제점을 해결하기 위해서 그래핀 기반의 복합섬유를 개발하였다. 구체적으로 그래핀과 단일벽탄소나노튜브를 물에 분산시켜 만든 용액을 고분자 용액 내에서 섬유 형태를 갖도록 방사하여 그래핀/탄소나노튜브/고분자로 구성된 나노복합섬유를 제조하였다. 제조 과정에서 그래핀과 탄소나노튜브의 강한 상호작용에 의해 결합된 그래핀/탄소나노튜브 나노구조가 스스로 배열하는 현상은 섬유 제조 후 별도의 후처리를 하지 않아도 섬유의 기계적 강도를 크게 증가시킬 수 있다. 특히, 그래핀과 탄소나노튜브가 1:1의 비율로 결합되었을 때 시너지 효과가 극대화 되어 가장 물성이 좋은 탄소 기반 복합섬유가 제조될 수 있음을 증명하였다. 그래핀/탄소나노튜브 복합체 섬유는 후처리를 하지 않고 단일벽탄소나노튜브 또는 그래핀만 사용하여 제조한 섬유에 비해 기계적 특성이 10배 이상 증가되었고, 자연계에 존재하는 강하고 유연한 거미줄 보다 인성이 6배 이상 증가하였다. 이번 그래핀/탄소나노튜브 복합소재는 기존 탄소 기반 섬유와 달리 강하면서 유연성이 매우 뛰어나 고무 밴드 및 옷감 등에서 바느질이 가능하기 때문에 휴대용 전자, 복합소재 산업에 크게 기여할 수 있다. 또한, 간단한 열처리를 통해 스프링 형태로 만들 수 있으며 이는 기존 탄소나노튜브 스프링에 비해 전단 계수(shear modulus)가 60배 이상 높아 마이크로크기의 직경을 갖는 고강도 스프링으로 사용될 수 있다. 나노복합체 신소재는 그래핀과 탄소나노튜브에 의한 우수한 전기전도성과 표면적 효과로 인해 에너지 저장 및 인공근육 소재로서 응용될 수 있다.

<김선정 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 한양대학교 생체공학과          2. 학력    1994, 한양대학교 공업화학과 박사   3. 경력사항    2006-현재, 생체인공근육 창의연구단장    2005-현재, 한양대학교 공과대학 교수 4. 전문 분야 정보 - 교육과학기술부?한국연구재단 창의리더연구사업 연구책임자 (2006 - 현재) - 생체인공근육 분야, 국제학술지(SCI) 141, 특허등록 12 5. 수상 경력 - 2010, 기초우수성과(교육과학기술부)   - 2009, 최우수 교수상(한양대학교)   - 2007, 국가연구개발 우수성과 100선(교육과학기술부)   - 2007, 대표적 우수성과 50선(한국연구재단)   - 2006, 대표적 우수성과 50선(한국연구재단)