에너지를 흡수하는 새로운 기능성 재료

미국 연구진은 에너지를 흡수할 수 있는 새로운 기능성 재료를 개발했다.

고체 겔(gel)과 다공성 폼(foam)과 같은 재료는 충전재와 쿠션재(cushioning)로 사용될 수 있지만, 각각의 재료는 자신만의 장점과 한계를 가지고 있다. 겔은 패딩(padding)으로서 효과적이지만, 상대적으로 무겁다. 겔은 온도에 의해서 영향을 받을 수 있고, 다공성의 부족 때문에 제한적인 압축 특성을 가진다. 폼(foam)은 더 가볍고 더 압축할 수 있지만, 그들은 폼 제조 프로세스 동안에 크기, 형상, 공공(또는 공기 주머니)의 위치를 정확하게 제어할 수 없기 때문에 일정한 형태를 가질 수 없다.

이런 한계를 극복하기 위해서, 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 연구팀은 마이크로크기의 새로운 쿠션 재료들을 제조하고 디자인할 수 있는 방법을 발견했다. 이 쿠션 재료들은 3차원 프린팅이라고 알려진 새로운 제조 방법을 통해서 재료 조성의 한계를 초과하는 다양한 특성 및 거동을 가지게 할 수 있었다. 이 연구결과는 저널 Advanced Functional Materials에 게재되었다.

Eric Duoss와 Tom Wilson이 이끄는 이번 연구진은 프린팅 후에 고무 같은 재료를 형성하기 위해서 실리콘 기반의 잉크를 사용하는 마이크로구조의 쿠션을 만드는데 성공했다. 잉크는 단일 층 속에 수평 방향으로 정렬된 일련의 필라멘트로서 증착되었다. 필라멘트는 머리카락처럼 매우 가늘다. 필라멘트의 두 번째 층은 수직 방향으로 배치된다. 이 프로세스는 바람직한 높이와 기공 구조가 달성될 때까지 스스로 반복된다.

이번 연구진은 두 개의 서로 다른 구조를 쿠션재를 만드는데 사용했다. 한 개는 직렬의 적층 구조이고 다른 한 개는 엇갈린 형태의 구조이다. 두 개의 구조들은 동일한 재료로 생성되고 동일한 수준의 다공성을 가지고 있지만, 그들은 압축과 변형 하에서 서로 다른 반응 특성을 가진다. 적층된 구조는 압축으로 더 강해지고, 압축을 증가시키면 휨 불안정성(buckling instability)을 가진다. 엇갈린 형태의 구조는 압축 시에 더 연질 상태가 되고 변형 시에 더 많이 굽힐 수 있다. 적층된 구조는 더 많은 지지체를 가지기 위해서 이것 아래에 고체 기둥이 존재하고, 엇갈린 형태의 구조는 압축에 대한 훨씬 더 적은 저항을 가지기 위해서 각 필라멘트 아래에 공공을 가진다.

이번 연구팀은 압축과 전단 하에 구조의 특성을 모델링하고 예측할 수 있었다. 이 방법은 그들의 무작위 구조 때문에 폼으로 반복하는 것이 어렵거나 불가능했다. “재료의 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 이런 능력은 산업의 많은 부분을 변화시킬 수 있을 것”이라고 Eric Duoss가 말했다.

이번 연구진은 신발과 헬멧 삽입물, 민감한 계측장비를 위한 보호 재료, 온도 변화와 진동에 견딜 수 있는 항공우주 분야의 재료로서 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 이 연구결과는 저널 Advinced Functional Materals에 "Three-Dimensional Printing of Elastomeric, Cellular Architectures with Negative Stiffness"라는 제목으로 게재되었다(doi: 10.1002/adfm.201400451).

그림 1. 기계적 에너지를 흡수할 수 있는 실리콘 쿠션. 이것은 실리콘 기반의 잉크를 사용하는 3차원 프린팅 프로세스를 통해서 제조되었다. 

그림 2. 저널 Advanced Functional Materials의 표지에 실린 3차원 실리콘 적층 재료. 

               출처: KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』