방탄조끼보다 12배 질긴 인공근육 섬유 만들어

한양대 김선정교수 연구팀 개가

국내 연구진이 그래핀과 탄소나노튜브를 결합하는 방식으로 거미줄보다 6배 질긴 인공근육 섬유를 개발하는 데 성공했다.

한양대 김선정 교수 연구팀은 2일 그래핀과 탄소나노튜브가 결합된 나노구조가 인공근육 섬유 제조 과정에서 스스로 배열하는 특성을 이용해 거미줄보다 6배, 케블라(방탄조끼용 인공섬유)보다 12배 이상 기계적 특성이 우수한 인공근육 신소재를 개발했다고 밝혔다.

인공근육은 생체 근육와 달리 화학에너지 대신 전기에너지를 운동에너지로 바꿔 근육처럼 움직이는 물질이나 구동기(액추에이터)를 말한다. 인공근육 소재는 강하고 유연하면서도 전기적 특성이 우수해야 한다. 탄소나노튜브는 기계적·전기적 특성이 뛰어나 일찌감치 인공근육 소재 개발에 사용돼왔다. 그러나 섬유제조 과정에 탄소나노튜브들이 인력에 의해 서로 엉키는 문제가 생겨 한계에 부닥쳤다. 일부 연구팀은 이 엉킴을 강제로 풀어 배열하기 위한 후처리 방법을 제시했지만 과정이 복잡한 데다 기계적 물성을 향상시키는 데 실패했다.

김선정 교수팀은 거미줄의 나노구조가 배열하는 원리를 적용해 그래핀과 탄소나노튜브를 물리적으로 결합시켜 나노구조가 스스로 배열하는 특성을 이용한 새로운 섬유 제조 방법을 고안해냈다. 우선 그래핀과 단일벽 탄소나노튜브를 물에 분산시켜 만든 용액을 고분자 용액 안에서 섬유 형태를 갖도록 방사해 그래핀-탄소나노튜브-고분자로 이뤄진 나노복합섬유를 제조했다. 특히 그래핀과 탄소나노튜브가 1대1의 비율로 결합됐을 때 시너지 효과가 극대화돼 가장 물성이 좋은 탄소 기반 복합섬유가 제조될 수 있음을 증명했다.

이 신소재는 단일벽탄소나노튜브나 그래핀만을 사용해 제조한 섬유에 비해 기계적 특성이 10배 이상 증가하고, 자연계에 존재하는 가장 강하고 유연한 거미줄보다 인성이 6배 이상이었다. 연구팀은 이 복합소재가 유연성이 뛰어나 고무밴드나 옷감 등에서 바느질이 가능해 휴대용 전자, 복합소재 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또 간단한 열처리를 통해 스프링 형태로 만들었을 때 탄소나노튜브 스프링보다 전단 계수가 60배 이상 높아 마이크로 크기의 지름을 갖는 고강도 스프링으로 사용될 수 있다고 연구팀은 덧붙였다.

김선정 교수는 “이번에 개발한 새로운 그래핀 섬유는 인공근육뿐만 아니라 센서, 액추에이터, 에너지 저장 등에 활용할 수 있어 에너지 기반 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 본다”고 밝혔다. 연구팀의 논문은 국제과학저널 <네이처>의 자매지인 <네이처 커뮤니케이션스> 1일치의 ‘특집기사 사진’(피처드 이미지)으로 선정됐다. 이근영 선임기자 [e-mail]

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