꾸준히 진화하는 재료의 세계

모든 기계 또는 토목 공학 프로젝트의 경우, 재료의 선택은 항상 트레이드 오프를 수반합니다. 물리적 특성, 비용, 지속 가능성 등 수십 가지의 변수가 있기 때문에 어떤 작업에서도 완벽한 재료는 존재하기 어렵습니다. 그러나 엔지니어와 과학자들은 꾸준히 찾고 있습니다

특정 산업 또는 건설 분야에 적합한 재료를 찾 는 것은 복잡한 과정이 될 수 있습니다. 이른바 Ashby 차트, 다기준 분석 또는 인공 지능에 힘 입은 의사 결정 프로세스의 공통된 맥락은 목 적과 제약의 균형을 찾는 것입니다.

최근 수십 년 동안 엔지니어가 사용할 수 있 는 다양한 재료는 폭발적으로 증가하고 있습 니다. 트레이드 오프에 대한 근본적인 필요성 은 변하지 않았지만, 제약보다 목적이 더 중 요해지면서 이러한 균형에 미묘한 변화를 가 져왔을지도 모릅니다.

다른 말로 하면, 변수의 제약을 생각하는 것보다 원하는 바에 따라 재료를 선택할 가능성이 더 높아집니다.

아래에서 재료 설계의 혁신이 어떻게 옵션을 확장하고 엔지니어에게 가능성을 열어주는 지 알아봅니다.

섬유 강화 복합 재료

항공, 운송, 에너지, 토목 공학, 기계 제작 등 거 의 모든 산업에서 새로운 재료를 고려한다고 하면, 반드시 복합 재료라는 개념에서 시작해 야 합니다. 복합 재료는 두 가지 이상의 재료를 조합하여 구성하는 것으로, 다른 특성을 발현 하도록 설계되기 때문에 재료라기보다는 분류 단위에 가깝습니다. 그러나 일반적으로 대부 분의 산업에서 ‘복합 재료’는 고분자 재료와 강화 재료의 조합을 의미합니다.

개념적으로 이러한 유형의 복합 재료는 새 로운 것이 아닙니다. 불포화 폴리에스터 수 지를 강화하는 데 유리 섬유가 사용된 섬유 강화 복합 재료는 1930년대에 발명되었습니 다. 그 후 수십 년 동안 탄소 섬유와 에폭시 수지 사용과 같은 혁신으로 이 기술은 군사 및 해양 응용 분야에 사용되었습니다. 하지 만 그 영향이 진정으로 변화를 촉발한 것은 1970년대였습니다.

유가가 상승하면서 탄소 섬유 강화 고분자 복 합 재료(CFRP)의 고강도 대 중량 특성이 항 공 산업에 큰 매력으로 다가왔습니다. 항공 기의 경량화는 경제적 경쟁력으로 이어졌고 CFRP의 개발 및 상용화를 가속화했습니다.

여러 유용한 특성

고강도 대 중량 비율은 이러한 복합 재료의 우수한 품질로 중추적인 역할을 하지만, 더욱 이상적인 특성을 가질 수도 있습니다. 사용되 는 고분자 재료에 따라 다르지만, 일반적으로 CFRP는 높은 내열성 및 전기 전도성, 내식 성, 인장 강도 및 강성을 갖습니다. 다른 강화 재료를 조합하면 이러한 특성이 크게 달라집 니다. 예를 들어 탄소 대신 아라미드(강력한 합성 섬유)를 사용하면 복합 재료의 탄성, 내 구성 및 비전도성이 높아집니다.

이러한 다양한 특성은 복합 재료가 수많은 산 업 및 응용 분야에서 꾸준히 사용되는 이유 를 설명해 줍니다. 최근의 혁신을 통해 CFRP 는 사장교의 케이블로 사용되고 있으며, 감쇠 특성으로 빠르게 움직이는 산업용 기계 부품 에도 사용됩니다.

복합 재료를 더욱 광범위하게 사용하는 데 있어 주된 장벽은 생산 비용이었습니다. 게다 가, 여러 재료를 사용하여 다양한 기지 재료 (matrix)에 강화 섬유를 조합하는 것은 구조 적 복잡성을 높이고 기계적 거동과 마모 예측 을 더 어렵게 만들 수 있습니다. 안전하고 견 고한 체결부를 고안하는 것 또한 많은 산업에 서 직면한 과제였으며, 노드락 X 시리즈 와셔 와 같은 첨단 볼트 체결 기술의 개발로 이어졌 습니다. 이 기술은 두 가지 고분자 재료를 체 결할 때 볼트 처짐(slackening)이 발생하지 않도록 스프링 메커니즘을 사용합니다.

생물 고분자 재료와 복합 재료의 잠재력

산업 응용 분야에 사용되는 대부분의 고분자 재료는 여전히 화석 연료에서 추출되어 지속 가능성 문제를 제기합니다. 최근 들어 재생 가능 자원을 공급 원료로 사용하는 생물 고 분자 재료에 대한 관심이 급증하고 있습니다.

스웨덴 국영 독립 연구소 RISE의 부서 관리 자인 피터 씨는 고분자 재료와 복합 재료의 환경적 영향을 다루는 연구에 종사합니다.

“저희의 목표는 경량 응용 분야를 위한 지속 가능한 솔루션을 찾는 것입니다.”라고 그는 말합니다. “가장 많이 사용되는 복합 재료인 탄소 섬유와 플라스틱은 모두 화석유에서 비 롯됩니다. 저희는 그것들을 재생 가능 자원으 로 대체하고 싶습니다. 즉, 환경에 영향을 끼 치는 공급 원료를 대체하기 위하여 우리가 보 유하고 있는 사용가능한 빌딩 블록으로 새로 운 재료를 구축하는 것입니다.”

피터 씨의 팀은 원재료용 임업 및 농업 잔류물 을 조사했지만 특히 한 가지 재료에 관심을 보 였습니다. “갈풀은 습지대에서 자랍니다. 그 래서 식량 재배에 필요한 땅을 이용하지 않고 도 재배할 수 있습니다. 중요한 점은, 이 풀을 다양한 방법으로 활용하여 복합 재료를 만들 수 있다는 것입니다.”

가장 간단한 방법은 줄기와 나무 같은 재료 를 강화 섬유로 사용하는 것입니다. 이 복합 재료의 조합은 비교적 응용 분야가 제한적이 긴 하지만 실내 사용에는 충분히 견고합니다. 보다 의욕적인 방법으로는 풀을 사용하여 탄 소 섬유를 만드는 것입니다.

“RISE는 수년 동안 리그닌을 이용하여 섬유를 만든 다음 탄화시키는 방법을 연구해 왔습니 다.”라고 피터 씨는 설명합니다.“또한 생물량 의 두 가지 기본 성분인 셀룰로오스와 헤미셀 룰로오스로 이 연구를 수행할 수 있습니다. 풀 에서 추출한 리그닌은 섬유를 만드는 데 사용 되며, 상당히 복잡한 과정을 거쳐 탄화됩니다.

“탄소 섬유는 현재 우리가 보유하고 있는 섬유 중 강도가 가장 뛰어나며, 이러한 특성으로 인해 고성능 응용 분야에서 복합 재료로 널리 쓰입니다.”

화석 기반 재료 대체

물론, 이것은 탄소 섬유 복합 재료의 성분 중 하나를 언급한 것에 불과합니다. 피터 씨는 갈풀이 고분자 재료 생산에도 사용될 수 있 다고 낙관합니다.

“생물 재료로 만들어진 저품질 플라스틱은 예 를 들면 비닐봉지로 이미 시중에 나와 있습니 다.”라고 피터 씨는 말합니다. “저희는 자동 차 및 항공 분야에서 사용되는 에폭시와 열경 화성 수지를 대체할 수 있는 생분해성 플라스 틱을 만드는 방법을 연구하고 있습니다. 이는 리그닌을 분자 수준으로 분해하고 결합하여 현재 화석유에서 비롯된 것과 동일한 재료를 만들기 위한 것입니다.”

일부 회사가 리그닌을 사용해 탄소 섬유를 만 드는 실험을 하고 있지만, 피터 씨가 설명하는 작업의 대부분은 아직 연구 단계에 있습니다.

“이것들이 저희가 실험실 수준에서 할 수 있는 전부입니다.”라고 그는 설명합니다. “현재로 서는 분자를 추출하고 플라스틱과 섬유를 만드 는 과정이 화석유로 만드는 것보다 훨씬 더 많 은 비용이 듭니다. 따라서 이러한 제품이 상업 적으로 사용되는 시점까지 이르려면 법률과 소 비자의 추진력이 결합되어야 합니다.”

맞춤형 솔루션

RISE는 응용 연구에 중점을 둔 연구소로 서 수년 동안 엔지니어링 재료의 미래로 여 겨져 온 나노 복합 재료를 통한 보다 실현 가능한 프로젝트에도 참여하고 있습니다.

나노 복합 재료는 다양한 재료를 포괄할 수 있는 또 다른 용어입니다. 나노 입자로 구성 소재를 강화하는 모든 복합 재료를 설명할 수 있습니다. 나노 입자는 적어도 한 차원이 100 나노미터(nm), 즉 천만분 의 1미터 이하인 입자입니다. 이 크기의 입 자를 합치면 재료의 물리적 특성을 근본 적으로 제어할 수 있습니다.

RISE의 선임 과학자인 공 씨는 나노 물 질을 이용하여 특정 산업의 요구 사항에 맞게 복합 재료의 특성을 조정하는 작업 을 합니다.

“저희는 최종 사용자가 원하는 바에 따라 나노 물질을 사용해 다양한 특성을 강화하거나 조정하는 데 관심을 두고 있습니다.”라고 그녀는 설명합니다.

“예를 들어 고객이 ‘전기 전도성과 열 전 도성을 개선하고 싶습니다, 아니면 열 전 도성을 더 크게 개선하고 싶습니다.’또는 ‘산소나 여러 기타 성분에 차단 특성을 가 진 복합 물질을 원합니다’라고 요청할 수 있습니다. 이러한 요구 사항을 바탕으로 나노 물질을 선별하여 뛰어난 품질을 가진 물질을 찾아낸 후 솔루션을 고안하고 검 증합니다. 저희의 일반적인 방법론은 먼저 무엇이 필요한지 묻는 것입니다. 고객이 찾 고 있는 가장 중요한 특성은 무엇일까요?

까다롭고 도전적인 프로세스

이는 당연히 몇 개의 표를 찾아보는 일처 럼 그리 간단하지 않습니다. 광범위한 물 리적 특성과 함께 비용, 에너지 효율성, 생 산 용이성과 같은 요소를 고려할 때, 나 노 물질, 복합 재료 및 프로세스의 올바 른 조합을 찾기란 매우 복잡한 일입니다. 공 씨는 나노 변형 복합 재료가 보편화되 는 데 있어 이것이 유일한 장벽은 아니라 고 설명합니다.

“주요 기술적 장벽은 입자 분석의 어려움입 니다. 나노 물질의 뛰어난 특성을 복합 재 료로 변환하려면 복합 재료 내 입자를 성 공적으로 분산해야 합니다.”라고 공 씨는 말합니다. “여러 기술력을 적용할 수 있지 만, 특히 섬유 강화 물질이 있는 경우 원하 는 분산 상태를 얻기란 여전히 매우 어렵습 니다. 나노 변형 복합 재료의 산업적 활용 을 위해서는 아직 많은 연구가 필요합니다.

“탄소 나노 튜브와 그래핀과 같은 대부분 의 나노 물질은 고가입니다. 이 문제를 해 결하는 방법은 매우 적은 양의 나노 물질 을 사용하는 것이지만, 분산하는 일이 정 말 어렵기 때문에 반드시 필요한 양 이상 의 나노 물질을 사용해야 합니다.”

또한 나노 물질을 만들거나 취급할 때는 엄 격한 안전 수칙을 따르는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 인간의 건강과 환경에 위협 이 될 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 공씨의 부서는 항공, 해양, 자동차, 임업 및 에너지 산업 등 많 은 민간 부문 회사들과 이 분야에서 성공 적인 협력을 이어오고 있습니다.