근적외선 비추면 수 초 내에 300℃에 도달, 원격제어로 형상 복원 가능

[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 이재석 교수팀과 공동연구를 통해 근적외선을 비추기만 해도 10초 이내에 300℃까지 온도가 올라가 스스로 형상이 복원될 수 있는 형상기억 복합소재를 개발했다.

형상기억은 열이나 외부적인 자극을 받았을 때 기억된 형상으로 변형되는 특성이다. 특정 온도에 도달하면 형상이 변형되는데 그동안은 외부에서 열을 가하는 데 많은 어려움이 있었다.

연구팀이 개발한 형상기억 복합소재는 근적외선을 활용하면 광열효과가 발현하여 작동하게 된다. 이때 효과적인 광열효과를 위해서는 빛의 흡수 효율은 증가시키면서 에너지 손실은 감소시키는 나노 충전물을 선택해야 한다. 또한, 고분자 매트릭스와의 경계면의 특성을 함께 고려하여 조절해야 한다.

연구팀은 상온에서 형상을 기억하고 변형하기 위해 폴리우레탄의 구성 성분비를 적절하게 계산하여 사용하였고, 첨가제의 효과적인 광열효과 발현을 위해 탄소나노튜브를 고온 열처리로에서 보론 전구체와 함께 처리하여 튜브 격자 내에 이종원소(보론)를 치환시켰다.

그 결과 보론이 도핑된 탄소나노튜브를 첨가한 폴리우레탄의 경우 원소재(필러 미첨가 폴리우레탄) 대비 탄성계수는 343%, 파단강도는 436% 그리고 파단신도는 150% 증가한 결과를 얻었다.

▲ (좌) 보론도핑된 형상기억폴리우레탄 복합소재에 근적외선을 조사하는 사진 (좌, 아래) 자가발열 형상기억폴리우레탄 복합소재의 필름형태 (우) 근적외선을 소재에 조사할 때 실시간으로 측정된 온도상승 그래프

특히 이종원소 처리 유무 탄소나노튜브를 사용한 시편을 서로 비교해보면, 동일한 첨가량일 경우 조사 시간 10초일 때 보론이 도핑된 형상기억 복합소재는 250℃까지 발열된 반면, 미처리된 탄소나노튜브를 첨가한 시료의 경우에는 약 150℃ 내외의 낮은 발열 효과를 보였다.

이는 이종원소로 도핑된 탄소나노튜브가 전기적, 열적 성질이 개선된 점과 고분자 매트릭스와의 계면 특성 등이 조절된 결과로 설명할 수 있다.

연구팀이 개발한 소재는 성형방법에 따라 전자기기나 제품 등에 발열 코팅재, 자동차나 비행기의 날개 또는 차체 등으로 활용될 전망이다. 또한, 발열 기능을 활용하면 극지방이나 추운 날씨의 지역에서 제설 혹은 제빙 소재로도 활용될 수 있다.

KIST 정용채 센터장은 “기존 탄소나노튜브 기반의 복합소재 대비 소재의 물성과 응용범위가 확대된 복합소재를 제조했고, 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”며 “보다 안정적인 물성 확보를 위해서 향후 구조를 자세히 검토해야 한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 및 복합소재 분야 국제학술지 「Composite Part B : Engineering」 최신호에 게재되었다.

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