[논문]특집:자연모사 그린테크놀로지 - 생체모방 경량 소재 기술

김형순; 김영희; 김도경

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생체모방 경량 나노복합 에코소재기술은 자연계에 존재하는 물질의 구조를 모방하여 저온 저에너지 소모공정을 통하여 고경량 및 고강도를 갖는 나노복합체를 제조하는 친환경 신소재 기술이다. 고효율 저공해 성능에 초점을 맞추어 $CO_2$ 배출 및 지구온난화를 억제하고 웰빙사회에 적합한 차량을 개발하는 것이 현재 전세계 자동차회사들의 주된 관심사이다. 이러한 상황에 생체모방기술은 에너지 환경산업분야의 소재로 응용하는 원천기술로 기대된다. 이 생체모방기술은 자연 친화적 재료를 개발하여 하이브리드/전기 자동차의 내/외장재, 고효율 건축자재, 첨단 항공우주 신소재에도 응용이 가능하다. 최근에 보고된 생체모방 경량 나노 복합 에코소재 기술을 조사하였다.

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문제 정의

생체모방 기술은 고강도를 갖는 경량 나노복합 소재의 대량생산을 위한 연구에도 적합하다. 본 연구에서는 이러한 나노복합 소재를 개발하기 위해서 전복껍질, 계층적 뼈 구조, 손톱의 나노구조를 모방하였다. 이 생체모방기술은 자연 친화적 재료를 개발하여 하이브리드전기 자동차의 내/외장재, 고효율 건축자재, 첨단 항공우주 신소재에도 응용이 가능하다.
이러한 연구의 목적은 수송체의 무거운 유리를 대체해서 연비의 증가와 저탄소 도모에 있다. 실제로 자동차 중량 중 유리가 차지하는 비율은 20-30%이다.
조절이 가능해진 세라믹/금속 다공체를 제조할 수 있다. 이를 경유 자동차의 매연 저감필터, 단열 및 흡수 내장재 충격 방지 구조 재료 등의 자동차 및 첨단 구조 부품 응용분야에 적용하여 기존의 재료보다 밀도 및 무게가 20% 이상 낮으면서도 강도와 인성, 열적 안정성이 높은우수한 성능의 다공성 구조체와복합체 제조 및 공정 개발이 목표이다.

제안 방법

전복껍질의 미세구조를 관찰하기위하여 단면을 FE-SEM 및 TEM을 사용하여 관찰하였다. 아래 그림 2에서 보여지는바와 같이 탄산칼슘 조각들이 소프트한 단백질 접착체로 brick-and-mortar 방식으로 층층이 쌓여 있으며 TEM 관찰 결과 탄산 칼슘 plate 간에 미네랄 브릿지로 연결되어 있어 매우 높은 강도를 나타내었다.

성능/효과

아래 그림 2에서 보여지는바와 같이 탄산칼슘 조각들이 소프트한 단백질 접착체로 brick-and-mortar 방식으로 층층이 쌓여 있으며 TEM 관찰 결과 탄산 칼슘 plate 간에 미네랄 브릿지로 연결되어 있어 매우 높은 강도를 나타내었다. 또한 TEM 관찰 결과 brick-and-mortar방식으로 층층이 쌓여 있는 탄산 칼슘 plate는 single crystal plate가 아니고 bridged nanocrystal로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 bridged nanocrystal은 mesocrystal이라 부르며 biomimetic mesocrystal 제조에 관해서 많은 연구가 진행되고 있다.
영국의 맨체스터 대학교 연구팀에서는 나노 인덴테이션 및 비커스 경도 등 다양한 측정 장비를 이용하여 손톱의 경도, 탄성률 등 다양한 기계적 물성을 측정하였고网, 중국에서도 경도 및 자기 회복 작용에 대한 연구를 진행하였다 [111. 연구 결과, 상대 습도가낮을수록 더 높은 경도를 나타내며, 높은습도분위기에서 자기 회복 작용을 나타낸다. 이러한 손톱의 기계적 물성은 분자 사슬을 연결하고 있는 disulfide bridge로부터 기인하며, 수분의 침투 시 disulfide bridge의 붕괴로 인해 경도의 저하를 나타나는 것으로 보고되고 있다.
국내 카이스트 연구팀에서는 굴절률이 비슷한 유리섬유와 고분자를 이용하여 유연하면서도 투명하고, 내구성이 좋은 유리섬유/고분자 복합체를 만들었다(그림 11). 이렇게 제조한 복합소재는 약 90%의 투광성을 나타내며, 높은 내열성을 갖는 것으로 나타났다.

후속연구

있다. 냉각속도, 첨가제 등의 공정 변수를 조절하면 판상의 두께와 판상간의 간격, 판상간의 연결 정도 등이 조절될 수 있으며, 이를 통해 응용 목적별 최적화 된 조건을 이룰 수 있을 것으로 예상된다.
만약, 기존의 물성을 유지하면서도 두께를 limn만 줄여도 전체적으로 중량을 상당량 줄일 수 있을 것이고, 이에 따라 연료소비효율도 증가할 것이다. 또한 유연성의 기능이 추가 된다면 자동차 뿐만 아니라 미래 디스플레이에도 적용이 가능할 것이며, 항공기 및 고층 빌딩 등 다양한 용도로 활용될 수 있어 많은 경제적 효과를 이룰수 있을 것으로 기대된다.
에너지 절감효과를 볼 수 있는, 차세대를 선도할수 있는 중요기술이 될 것으로 예상된다. 특히 경량 고강도 유무기 하이브리드 소재 제조공정 기술과 신개념의 나노 기계구조 복합체 생산기술 등은 에너지/환경산업 및 군용, 건설용 경량 고강도 소재의 수요가 증가하고 있는 상황에서 외장재, 구조부품 등에 다양하게 응용될 것으로 기대한다.
높아 경제성 면에서 적용에 한계가 있다. 항공 산업과 우주 산업 그리고 자동차 산업 등에 요구되는 경량화에의 한 에너지 절감은 차세대를 선도할 수 있는 중요기술이 될 것으로 예상되며, 에너지/환경산업 및 군용, 건설용 경량 고강도 소재의 수요가 지속적으로 증가하고 있어 신소재 개발의 파급효과는 상당할 것으로 사료된다.
현재의 기술로는 thin film 정도만 제조가 가능하여 건물벽 또는 비행기의 스킨에 경량 보강재로 사용이 예상되지만 빠른 시간내에 건물과 차량의 프레 임 , 엔진터빈등의 경량 재료로 대안을 제공 할 수 있을 것으로 예측된다. 필름의 두께를 높이기 위하여 Univ, of Michigan 연구팀은 자동화된 Layer by layer assembly 장치를 개발흐]고 자동으로 수백 ~ 수천번의 layer를 가능하게 하였다.

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