[논문]무당거미와 나무껍질게거미줄의 열 안정성 및 기계적 성질에 관한 열처리 효과

장소연; 이지혜; 이주하

doi:10.5656/ksae.2009.48.1.109

무당거미와 나무껍질게거미줄의 열 안정성 및 기계적 성질에 관한 열처리 효과
Heat Treatment Effects on the Thermal Stability and Mechanical Property of Spider Silks from Nephila clavata and Bassaniana decorata 원문보기

한국응용곤충학회지 = Korean journal of applied entomology, v.48 no.1, 2009년, pp.109 - 115

장소연 (상산 고등학교) , 이지혜 (상산 고등학교) , 이주하 (전주대학교 과학교육학과)

초록
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무당거미와 나무껍질게거미줄의 열 안정성 및 기계적 성질 등을 측정하고, 그 성질들을 합성 섬유인 아라미드(aramide)와 폴리에스테르(polyester) 등의 측정 결과와 서로 비교하였다. 열 안정성에서 거미줄은 비록 상업용 섬유로 사용되는 아라미드나 폴리에스테르에 비해서는 낮았지만 기계적인 성질에서는 폴리에스테르보다 월등 우수한 결과 값을 보여주었다. 거미줄에 포함되어 있는 수분이 열 안정성과 기계적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해 두 종류의 거미줄을 $100^{\circ}C$의 진공에서 각각 다른 시간 별로 열처리를 하였는데, 1.5시간 동안 열처리를 시킨 후의 열 안정성과 기계적 성질이 최고 값을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The thermal stability and mechanical properties of Nephila clavata and Bassaniana decorata spider silks were measured and compared with those of aramid and polyester fibers. The thermal stability of the spider silk was lower than those of the commercial aramid and polyester fibers. However, the mechanical properties of the spider silk were far superior to that of the polyester fiber. The effect of the water content of the spider silk on its thermal stability and mechanical property was examined by conducting the silk to heat treatment at $100^{\circ}C$ under vacuum for various times. The results indicated that spider silk subjected to heat treatment for 1.5 hr had excellent thermal stability and mechanical property.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

알맞은 후처리 기술을 통해 지금보다 더 강한 거미줄을 얻을 수만 있다면 현재 많은 연구가 되고 있는 나노 단위의 초극세 섬유 대신으로도 사용할 수 있을 뿐 아니라 현재 사용되고 있는 인조섬유보다도 더 강한 물성을 가지는 고강도, 고탄성을 나타내는 슈퍼섬유 개발이 가능할 것이다. 따라서 본 연구를 통해 이러한 가능성을 가지고 거미줄의 용도를 더욱 넓혀 보고자 한다.
본 연구에서는 천연 거미줄을 이용해서 열분해 온도와 강도, 탄성률 등을 측정한 뒤 우리가 흔히 사용하는 인조 합성섬유등과 그 값을 비교하고 서로 장･단점을 연구하고자 한다. 또한 열적 안정성은 물론이고 강도나 탄성률과 같은 기계적인 성질을 향상시키기 위하여 거미줄을 일정 온도에서 각기 다른 시간 동안 열처리를 하는 조건에 대해 연구하였다. 알맞은 후처리 기술을 통해 지금보다 더 강한 거미줄을 얻을 수만 있다면 현재 많은 연구가 되고 있는 나노 단위의 초극세 섬유 대신으로도 사용할 수 있을 뿐 아니라 현재 사용되고 있는 인조섬유보다도 더 강한 물성을 가지는 고강도, 고탄성을 나타내는 슈퍼섬유 개발이 가능할 것이다.
본 연구에서는 천연 거미줄을 이용해서 열분해 온도와 강도, 탄성률 등을 측정한 뒤 우리가 흔히 사용하는 인조 합성섬유등과 그 값을 비교하고 서로 장･단점을 연구하고자 한다. 또한 열적 안정성은 물론이고 강도나 탄성률과 같은 기계적인 성질을 향상시키기 위하여 거미줄을 일정 온도에서 각기 다른 시간 동안 열처리를 하는 조건에 대해 연구하였다.

가설 설정

Thermogravimetric analyses of spider silks, aramid fiber, and polyester fiber. A: Spider silk from Nephila clavata, B: Spider silk from Bassaniana decorata.

제안 방법

거미줄의 기계적인 성질 중에서 강도(strength)와 탄성률(modulus)을 측정하기 위해 인장(tensile) 강도 시험기(Instron 회사 모델 번호 5564)를 사용하였고, 측정할 때 잡아당기는 인장 속도는 5 mm/min로 일정하게 서서히 증가시켰다. 인장 강도의 정확한 값을 얻기 위해 각 시료당 약 10회 이상씩 실험하여 최저값과 최대값을 버리고 나머지를 평균하였다.
거미줄의 물성 변화를 조사하기 위해 순수하게 얻은 거미줄을 100℃의 진공에서 다양한 시간 동안 열처리를 하였다. 열처리 전･후의 시료는 색깔을 비롯해서 외부적인 형태에 전혀 변화가 없었다.
결국 거미줄은 일정 양의 수분을 함유하고 있기 때문에 수분을 제거함에 따라 물성이 크게 변한다는 사실을 알게 되었다. 따라서 거미줄에 포함된 수분의 함유량에 따른 열적 성질을 측정하기 위해 일정한 온도에서 일정 시간 열처리 전･후의 변화된 열 안정성을 조사하여 그 결과를 서로 비교하였다.
) 등을 각각 측정하여 고온에서 견디는 열 안정성을 측정하고, 이 값들을 고분자 중에서 가장 널리 쓰이는 인조 폴리에스테르 섬유 및 고강도, 고탄성의 아라미드 섬유의 결과 값과 서로 비교하였다. 또한 시간 별로 열처리 하였을 때 측정된 물성도 서로 비교하였다. 분해온도 측정에 사용한 기기는 모델명이 DuPont 910 TGA(Thermogravimetric analyzer: 열 중량 분석기)를 사용하였고, 질소 기류 조건에서 측정하였으며 온도 증가 속도는 20℃/min로 일정하게 하였다.
또한 시간 별로 열처리 하였을 때 측정된 물성도 서로 비교하였다. 분해온도 측정에 사용한 기기는 모델명이 DuPont 910 TGA(Thermogravimetric analyzer: 열 중량 분석기)를 사용하였고, 질소 기류 조건에서 측정하였으며 온도 증가 속도는 20℃/min로 일정하게 하였다.
1의 결과로부터 거미줄은 상온에서 다량의 수분을 포함하고 있음을 알게 되었다. 이에 따라 온도 증가에 따른 수분 감소 관계를 자세히 알기 위해 거미줄에 대해 열 중량 분석을 시도하였다. Fig.
거미줄은 평균 10 cm/min의 속도로 채취하였으며, 시료 채취 후의 거미는 자연에 풀어주었다. 채취한 두 가지 종류의 거미줄을 구별하기 위해서 무당거미로부터 얻은 거미줄을 A로 설명하였으며, B는 나무껍질게거미로부터 얻은 거미줄로 구별하였다.
측정한 물성에는 각 시료를 일정한 속도로 상승시켜 전체의 질량 중 5% 가 분해되는 온도(TD⁵), 최대로 분해되는 온도(T_D^max), 그리고 600℃와 800℃까지 가열한 후에 남아있는 잔여량(wt_R⁶⁰⁰과 wt_R⁸⁰⁰) 등을 각각 측정하여 고온에서 견디는 열 안정성을 측정하고, 이 값들을 고분자 중에서 가장 널리 쓰이는 인조 폴리에스테르 섬유 및 고강도, 고탄성의 아라미드 섬유의 결과 값과 서로 비교하였다. 또한 시간 별로 열처리 하였을 때 측정된 물성도 서로 비교하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 거미줄은 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 일반적인 거미로부터 얻었다. 실험에 사용된 거미는 두종 즉, 하나는 왕거미과(Araneidae)에 속하는 무당거미(Nephila clavata)로 매우 덩치가 크고, 엉덩이에 노란색 무늬가 있으며 다리에는 검은 색과 노란색이 번갈아 섞여있었다(The Korean Society of Systematic Zoology, 1997). 다른 한 종으로는 게거미과(Thomisidae)에 속하는 나무 껍질게거미(Bassaniana decorata)로 무당거미에 비하여 덩치는 조금 작았지만 거미줄은 실험에 충분할 정도로 얻을 수 있었고 몸 색깔은 전체적으로 진한 갈색을 띄었다(The Korean Society of Systematic Zoology, 1997).
실험에 사용된 거미줄은 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 일반적인 거미로부터 얻었다. 실험에 사용된 거미는 두종 즉, 하나는 왕거미과(Araneidae)에 속하는 무당거미(Nephila clavata)로 매우 덩치가 크고, 엉덩이에 노란색 무늬가 있으며 다리에는 검은 색과 노란색이 번갈아 섞여있었다(The Korean Society of Systematic Zoology, 1997).
다른 한 종으로는 게거미과(Thomisidae)에 속하는 나무 껍질게거미(Bassaniana decorata)로 무당거미에 비하여 덩치는 조금 작았지만 거미줄은 실험에 충분할 정도로 얻을 수 있었고 몸 색깔은 전체적으로 진한 갈색을 띄었다(The Korean Society of Systematic Zoology, 1997). 연구에 필요한 다량의 거미줄을 얻기 위해서 각 종류마다 여러마리의 거미를 채집하였다. 포획한 거미를 거꾸로 뒤집고 거미의 다리를 눌러 고정한 다음 거미의 꽁무니로부터 거미줄을 잡아당겨 원통형의 종이를 이용해서 서서히 감는다.
아라미드는 미국의 DuPont에서 처음 개발되어 이미 케블라(Kevlar)라는 상품명으로 널리 알려져 있는 섬유로, 고강도 및 고탄성을 보여주며, 주로 전쟁을 수행하는 군인들의 방탄복을 만들거나 가혹한 조건에 견딜 수 있는 섬유재료로 사용되고 있다. 이 실험에서 사용된 아라미드는 (주)코오롱에서 생산된 헤라크론 HF200을 사용하였다.

데이터처리

거미줄의 기계적인 성질 중에서 강도(strength)와 탄성률(modulus)을 측정하기 위해 인장(tensile) 강도 시험기(Instron 회사 모델 번호 5564)를 사용하였고, 측정할 때 잡아당기는 인장 속도는 5 mm/min로 일정하게 서서히 증가시켰다. 인장 강도의 정확한 값을 얻기 위해 각 시료당 약 10회 이상씩 실험하여 최저값과 최대값을 버리고 나머지를 평균하였다.

성능/효과

의 경향성과 비슷하게 아라미드가 가장 높은 587℃이었고 그 다음이 443℃인 폴리에스테르, 마지막으로 약 315-317℃인 거미줄 순이었다. 600℃까지 가열 후의 잔류량을 측정한 결과는 아라미드가 69%이었고 거미줄은 약 22-24%의 잔류량이 있는 반면에 폴리에스테르의 잔류량은 15%가 존재하였다. 800℃까지 가열 후의 측정된 잔류량은 역시 아라미드가 가장 높은 값을 보였으나, 폴리에스테르가 오차 범위에서 거미줄 보다 약간 더 높았다.
600℃까지 가열 후의 잔류량을 측정한 결과는 아라미드가 69%이었고 거미줄은 약 22-24%의 잔류량이 있는 반면에 폴리에스테르의 잔류량은 15%가 존재하였다. 800℃까지 가열 후의 측정된 잔류량은 역시 아라미드가 가장 높은 값을 보였으나, 폴리에스테르가 오차 범위에서 거미줄 보다 약간 더 높았다.
3 GPa이었다. 그러나 100℃에서 1.5시간까지 열처리를 하였을 경우에는 모든 값이 서서히 증가하여 최종 강도의 경우는 약 12% 증가된 1,613 MPa의 값을 보였고, 동시에 초기 탄성률도 28%가 증가된 40.1 GPa을 나타내었다. 이 변화는 이미 열 안정성의 결과에서도 관찰되었듯이, 거미줄에서 수분이 제거되는 과정은 기계적 성질의 변화에도 매우 중요하게 작용함을 알 수 있었다.
Table 2에 측정한 각 시료의 기계적 성질을 보였다. 두가지 거미줄의 인장 강도는 각각 1,443과 1,471 MPa로 서로 거의 일정하였고, 아라미드섬유의 경우에는 2,040MPa의 매우 높은 값을 보여주었다. 그러나 일반 의복용인 폴리에스테르섬유는 72 MPa의 매우 낮은 인장 강도 값을 보였다.
열처리 시간을 0시간에서 1.5시간으로 서서히 증가하였을 때에는 T_D⁵, T_D^max 및 600℃와 800℃ 가열시의 잔류량 등은 서서히 증가하여 모든 항목에서 최대값을 보이다가 1.5시간이 지나서 2시간까지 열처리했을 때에는 오히려 모든 결과 값이 감소하였다. 이 결과로 미루어 적당한 온도에서의 열처리는 거미줄의 열 안정성을 최대로 증가시키지만 그 이상의 시간은 열 안정성을 오히려 감소 시킨다는 사실을 알았고, 그 적당한 열처리 시간은 바로 1.
열처리하기 전의 T_D⁵는 110℃이었지만 겨우 30분만 열처리하여도 167℃가 증가된 277℃를 보였다. 열처리 시간을 1시간으로 연장하여도 별 차이가 없었지만 1.5시간 후에는 280℃로 증가하여 열처리하지 않은 순수한 거미줄에 비해 무려 170℃의 T_D⁵에 대한 열 안정성이 증가함을 보였다. 이 결과로부터 거미줄에 포함된 수분이 열 안정성 변화에 상당한 역할을 한다는 사실을 확인하였다.
이 결과로부터 거미줄의 종류와 무관하게 일정한 결과를 얻을 수 있었다. 예상한대로 아라미드는 555℃의 매우 높은 열 안정성을 보여 주었으며, 폴리에스테르 역시 아라미드보다는 나쁘지만 거미줄보다는 높은 400℃에서 분해되는 양호한 열 안정성을 보였다. 이 결과로부터 천연섬유인 거미줄은 비교된 두 가지 합성섬유에 비해 현저히 떨어지는 열 안정성을 보였다.
5시간이 지나서 2시간까지 열처리했을 때에는 오히려 모든 결과 값이 감소하였다. 이 결과로 미루어 적당한 온도에서의 열처리는 거미줄의 열 안정성을 최대로 증가시키지만 그 이상의 시간은 열 안정성을 오히려 감소 시킨다는 사실을 알았고, 그 적당한 열처리 시간은 바로 1.5시간임을 알았다. Fig.
5시간 후에는 280℃로 증가하여 열처리하지 않은 순수한 거미줄에 비해 무려 170℃의 T_D⁵에 대한 열 안정성이 증가함을 보였다. 이 결과로부터 거미줄에 포함된 수분이 열 안정성 변화에 상당한 역할을 한다는 사실을 확인하였다. 최대 분해온도인 T_D^max 또한 1.
예상한대로 아라미드는 555℃의 매우 높은 열 안정성을 보여 주었으며, 폴리에스테르 역시 아라미드보다는 나쁘지만 거미줄보다는 높은 400℃에서 분해되는 양호한 열 안정성을 보였다. 이 결과로부터 천연섬유인 거미줄은 비교된 두 가지 합성섬유에 비해 현저히 떨어지는 열 안정성을 보였다. Fig.
이 연구 결과로부터 거미줄을 일정한 온도에서 열처리를 한다면 아라미드와 같이 특수한 섬유에는 미치지 못하지만 일반 섬유용 폴리에스테르 보다는 우수한 열 안정성 및 기계적 성질의 자연섬유를 얻을 수 있다는 가능성을 보았다.
5시간을 경과하여 2시간이 되었을 때에는 오히려 기계적인 성질이 감소하였다. 즉, 최종 강도는 1,613 MPa에서 1,581MPa로, 초기 탄성률 값은 40.1 GPa에서 38.8 GPa로 감소하였다. 이 결과는 Table 3에 보인 열 안정성의 결과와 마찬가지로 너무 과도한 열처리 시간은 이미 앞에서 말한대로 거미줄을 너무 경화시켜 오히려 거미줄의 기계적 성질을 저하시킨다는 것을 알았다.
그러나 일반 의복용인 폴리에스테르섬유는 72 MPa의 매우 낮은 인장 강도 값을 보였다. 탄성률의 경우도 마찬가지로 아라미드가 가장 높은 값을 보여주었고(65.2 GPa), 그 다음이 거미줄(31.3과 33.9 GPa) 이었고 마지막으로 폴리에스테르(3.5 GPa)순이었다. 이 결과에 의하면, 이미 방탄섬유 등의 특수 용도로 사용되는 아라미드도 대단히 높은 물성을 가지지만 우리가 흔하게 주변에서 관찰하여 채취가 가능한 거미줄의 경우에도 비록 아라미드에는 미치지 못하지만 대단히 높은 값의 기계적 성질을 보여주고 있으며 개발 분야에 따른 다양한 응용성도 기대할 수 있다.

후속연구

또한 열적 안정성은 물론이고 강도나 탄성률과 같은 기계적인 성질을 향상시키기 위하여 거미줄을 일정 온도에서 각기 다른 시간 동안 열처리를 하는 조건에 대해 연구하였다. 알맞은 후처리 기술을 통해 지금보다 더 강한 거미줄을 얻을 수만 있다면 현재 많은 연구가 되고 있는 나노 단위의 초극세 섬유 대신으로도 사용할 수 있을 뿐 아니라 현재 사용되고 있는 인조섬유보다도 더 강한 물성을 가지는 고강도, 고탄성을 나타내는 슈퍼섬유 개발이 가능할 것이다. 따라서 본 연구를 통해 이러한 가능성을 가지고 거미줄의 용도를 더욱 넓혀 보고자 한다.
5 GPa)순이었다. 이 결과에 의하면, 이미 방탄섬유 등의 특수 용도로 사용되는 아라미드도 대단히 높은 물성을 가지지만 우리가 흔하게 주변에서 관찰하여 채취가 가능한 거미줄의 경우에도 비록 아라미드에는 미치지 못하지만 대단히 높은 값의 기계적 성질을 보여주고 있으며 개발 분야에 따른 다양한 응용성도 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거미줄의 특징은 무엇인가?	거미가 자아내는 한 가닥의 실은 지름이 2 nm로 맨눈으로 잘 보이지 않을 정도로 얇고 끈끈해 몸에 닿으면 금방 끊어질 것처럼 약해 보이지만 같은 무게로 견주어보면 강철보다 5배나 더 튼튼하고 방탄복 소재로 쓰이는 합성 섬유인 케블라보다 더 단단하다. 실제 거미줄은 여러 가닥으로 꼬여져 있으며 일반적인 직경은 대개 1-5 μm 정도로(Perez-Rigueiro et al.
	거미줄의 장점은 무엇인가?	실제 거미줄은 여러 가닥으로 꼬여져 있으며 일반적인 직경은 대개 1-5 μm 정도로(Perez-Rigueiro et al., 2001b) 신축성이 뛰어나 길이가 30% 정도 더 늘어날 수 있고 높은 온도에서 잘 견디며, 물에 젖지 않고 인체에 알레르기를 일으키지 않는 장점을 가지고 있다(Yoon et al., 2005).
	거미줄의 일반적인 직경은 몇인가?	거미가 자아내는 한 가닥의 실은 지름이 2 nm로 맨눈으로 잘 보이지 않을 정도로 얇고 끈끈해 몸에 닿으면 금방 끊어질 것처럼 약해 보이지만 같은 무게로 견주어보면 강철보다 5배나 더 튼튼하고 방탄복 소재로 쓰이는 합성 섬유인 케블라보다 더 단단하다. 실제 거미줄은 여러 가닥으로 꼬여져 있으며 일반적인 직경은 대개 1-5 μm 정도로(Perez-Rigueiro et al., 2001b) 신축성이 뛰어나 길이가 30% 정도 더 늘어날 수 있고 높은 온도에서 잘 견디며, 물에 젖지 않고 인체에 알레르기를 일으키지 않는 장점을 가지고 있다(Yoon et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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