[쿠키과학] "강철와이어보다 8배 강하다"… 거미줄 모사 초강력 섬유 개발

한양대·단국대 공동연구팀이 DNA와 거미줄의 이중나선 구조 원리를 활용해 강철보다 2배 강하면서도 무게는 4분의 1에 불과한 초강력 연속 섬유를 개발했다.

한국연구재단은 한양대 유기나노공학과 한태희·위정재 교수팀과 단국대 융합소재전공 엄원식 교수팀이 물속에서 스스로 이중나선 구조를 형성하는 특수 고분자 소재를 이용해 자연계 섬유 설계 원리를 실험실에서 재현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

고강도·경량 섬유소재 난제

항공우주 분야 소재는 연료 효율을 높이기 위해 구조재를 최대한 가볍게 만들면서도 극한의 온도와 충격을 견뎌야 한다. 

또 방호 소재는 착용자의 부담을 줄이면서도 방탄 성능을 극대화해야 하고, 로보틱스와 웨어러블 기기는 반복적 굽힘과 인장을 견디는 고내구성 섬유가 필요하다. 

특히 반도체 패키징 분야에서도 열과 기계적 하중을 동시에 버티면서 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 경량 소재에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다.

문제는 우수한 물성을 갖는 합성섬유 소재라도 이를 길고 연속적인 실 형태로 가공하는 과정에서 분자와 나노구조의 정렬이 흐트러지고, 내부에 미세한 빈 공간이 생겨 섬유 간 하중 전달이 비효율적으로 변한다.

때문에 거미줄이나 셀룰로오스, 콜라겐처럼 분자 수준의 질서가 거시적 구조의 우수한 기계적 성능으로 이어지는 방식을 인공적으로 구현하는 것이 재료공학계의 숙원이었다.

DNA 구조 모사 4단계 공정으로 초강력 섬유 구현

연구팀은 수계 환경에서 DNA처럼 스스로 꼬인 구조를 형성하는 아라미드계 고분자 PBDT에 주목했다. 

PBDT는 물속에서 이중나선 초분자 구조를 만들고, 이것이 다시 매우 가는 나노섬유 네트워크로 이어지는 특징이 있다. 

연구팀은 이런 분자 수준 질서를 수 km 단위 실 형태까지 완벽하게 전달하는 ‘4단계 계층적 제조공정’을 설계했다. 

이 공정은 분자를 한 방향으로 세우는 정렬, 칼슘 이온을 더해 구조를 묶는 결속, 실을 잡아당겨 정렬도를 높이는 인장, 내부 빈틈을 없애는 수계 비틀림 압축 단계로 구성된다.

특히 밧줄을 꼬는 원리를 응용한 비틀림 공정은 실 내부 구조를 치밀하게 묶어 하중 전달 효율을 극대화한다. 

이는 분자가 자발적으로 만든 나노 수준 질서를 최종 연속 섬유 구조까지 유지했다는 점에서 기존 기술과 차별된다.

연구팀이 제조한 실은 인장강도 1.2GPa, 영률(강성) 103GPa를 기록했다.

이는 기존 필름 형태보다 강도는 5.8배, 강성은 6.3배 높은 수치다.

강철과 비교할 때 강도는 2배 이상 높고 무게는 4분의 1 수준으로, 같은 무게의 강철 와이어보다 8배 이상 강한 힘을 버틸 수 있다.

아울러 연구팀은 이번 연구에서 수 km 단위 연속 생산이 가능한 공정 확장성을 확보했다.

또 독성 용매 없이 물을 기반으로 한 친환경 공정으로, 특정 조건에서 구조를 풀어 재구성할 수 있어 고성능 소재이면서도 재가공과 재활용이 가능한 것도 장점이다.

이번에 개발한 섬유 기술은 항공우주 구조재 경량화, 보호소재 성능 향상, 로봇시스템 내구성 보완과 더불어 열과 하중을 견디면서 구조를 정밀하게 제어하는 반도체 패키징용 정렬 구조체, 이온 전달 기반 섬유형 소자로도 확장이 기대된다.

한 교수는 “거미줄과 DNA가 가진 정교한 구조적 비밀을 산업용 실로 구현한 것이 이번 연구 핵심”이라며 “높은 성능과 생산성, 친환경성을 확보한 만큼 항공우주, 반도체, 방호 등 첨단 산업 차세대 플랫폼으로 발전시키겠다”고 설명했다.

한편, 이번 연구성과는 25일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.
(논문명: Hydro-Torsional Compaction for Scalable Production of Aramid Nanofiber Threads with Densely Assembled Double-Helical Nanostructures / 정우재(제1저자/한양대), 엄원식 (교신저자/단국대), 위정재 (교신저자/한양대), 한태희 (교신저자/한양대))