플라스틱만큼 가볍고 금속보다 비틀림에 강한 섬유 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 플라스틱만큼 가벼우면서 금속보다 비틀림에 강한 그래핀 탄성 섬유를 만들었다. 개발한 기술은 인공근육, 센서 등에 활용할 수 있을 전망이다.

한국연구재단은 한태희 한양대 교수 연구팀과 이원준 단국대 교수 연구팀이 비틀림에 강한 그래핀 탄성 섬유를 개발했다고 19일 밝혔다.

금속보다 인장강도가 강한 슈퍼섬유들은 첨단산업 소재로 주목받고 있다. 기존에 없던 물성을 얻기 위해 나노 소재의 섬유화 연구도 많이 진행됐다. 측정과 해석이 쉽다는 점에서 대부분 인장특성 강화에 초점을 둔 연구가 이뤄졌다.

그래핀 탄성 섬유와 기존 물질들의 인장, 전단 강도 비교.(자료=한국연구재단)

연구팀은 비틀림 특성이 우수한 그래핀 탄성 섬유를 만들었다. 그래핀 입자들이 강한 인력으로 결합하면서 동시에 높은 배향도를 가지도록 막대형태의 탄소나노튜브로 시트형태의 그래핀을 연결하고 섬유를 연신해 높은 배향도를 갖도록 했다.

이렇게 얻은 섬유는 금속보다 8배, 고분자보다는 300배 강한 강도를 나타냈다. 무게별 강도 비율이 19로 슈퍼섬유인 탄소섬유보다 가볍고 강한 것으로 나타났다.

탄소 섬유는 비틀림보다 당기는 힘에 잘 견디고, 그래핀 섬유는 비틀림을 더 잘 견디는 이례적인 성질을 보였다.

최근 고강도 나노 물질 섬유의 비틀림 특성이 센서나 액추에이터에서 특별한 가능성을 갖고 있다는 것이 알려지면서 비틀림 강도와 탄성에 대한 중요성이 높아졌다. 비틀림을 가진 CNT 섬유는 빛이나 열에 반응하는 액추에이터 특성을 보여 사람의 근섬유보다 강력한 인공근육 제조에 활용할 실마리가 제시됐다.

하지만 나노 조립 섬유의 비틀림은 인장 대비 실험난이도가 높고 해석이 복잡해 나노 물질 기반재료에서는 거의 연구되지 않고 있다.

연구팀은 이번에 제시한 나노조립 섬유의 비틀림 강도 측정 방법과 탄성 측정방법이 나노물질 조립체의 강도 특성 연구에 응용될 것으로 기대하고 있다. 한태희 한양대 교수는 “비틀림 특성이 요구되는 인공근육, 센서를 비롯해 높은 전단강도가 필요한 자동차, 항공, 기계, 건축 재료의 강도향상을 위한 연구에 기여할 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 지난 15일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.