근적외선 비추면 형상이 복원된다?!
근적외선 비추면 형상이 복원된다?!
  • 함예솔
  • 승인 2019.10.16 11:40
  • 조회수 5280
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한국과학기술연구원(KIST) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀과 광주과학기술원(GIST) 이재석 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 근적외선을 비추기만 해도 형상이 복원되는 복합소재를 개발했습니다. 10초 이내에 300℃까지 온도가 올라가 스스로 형상이 복원될 수 있는 형상기억 복합소재라고 하는데요. 이 연구결과는 <Composite Part B: Engineering>에 게재됐습니다. 

 

기억하고 있다

 

형상기억특성은 열이나 외부 자극을 받았을 때 기억된 형상으로 변형되는 특성을 말하는데요. 기존의 형상기억 고분자는 외부의 자극을 직접 접촉하거나 접촉하지 않더라도 원래의 형상으로 돌아가기 위해서는 수 분 이상의 시간이 소요됐습니다. 또한 형상의 변형 정도를 인위적으로 조절하기 어려웠는데요.

 

이번에 개발된 소재는 근적외선을 비추기만 해도 형상기억 소재가 스스로 열을 내 변형될 수 있는 소재입니다. 참고로 근적외선은 빛을 스펙트럼으로 분산시켰을 때 적색 스펙트럼 끝보다 바깥쪽에 자리합니다. 이 가운데 파장이 가장 짧은 것이 바로 근적외선(800 mm, 색온도 3,620K~2,070K)입니다. 적외선은 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 보이는데요. 발열체의 온도가 1,800℃~2,200℃ 상태에서 발열되는 태양의 복사열에 가장 가까운 적외선이 근적외선입니다. 

파장에 따라 달라지는 전자기파. 출처: Wikimedia Commons
파장에 따라 달라지는 전자기파. 출처: Wikimedia Commons

'광열효과' 발현하기 위해서는

 

개발된 소재는 광열효과(Photothermal effect)를 발현시켜 작동하는 원리입니다. 광열효과(Photothermal effect)란 물질에 빛에너지를 조사하면 물질의 성질과 특성에 따라 조사된 빛에너지가 흡수된 후 다시 열에너지로 방출되는 물리적인 현상입니다. 효과적인 광열효과를 위해서는 빛의 흡수 효율을 증가시키면서 에너지 손실은 감소시키는 나노 충전물을 사용해야 하는데요. 또한 고분자 매트릭스와의 경계면의 특성을 함께 고려해 조절해야 합니다.

 

연구진은 이를 고려해 형상기억특성을 띠는 폴리우레탄 소재에 근적외선을 활용한 광열효과를 적용했습니다. 폴리우레탄의 구성 성분비를 적절하게 계산해 사용했습니다. 이후 첨가제의 효과적인 광열효과 발현을 위해 탄소나노튜브에 이종원소(Boron, 붕소)를 함유시켰습니다. 그 결과 근적외선으로 원격제어가 가능한 자가 발열 형상기억 복합소재를 개발했습니다.  

1. 보론도핑된 형상기억폴리우레탄 복합소재에 근적외선을 조사하는 사진. 2. 자가발열 형상기억폴리우레탄 복합소재의 필름형태. 3. 근적외선을 소재에 조사할 때 실시간으로 측정된 온도상승 그래프. 출처: KIST
1. 붕소 도핑된 형상기억폴리우레탄 복합소재에 근적외선을 조사하는 사진. 2. 자가발열 형상기억폴리우레탄 복합소재의 필름형태. 3. 근적외선을 소재에 조사할 때 실시간으로 측정된 온도상승 그래프. 출처: KIST

이종원소(붕소)가 함유된 탄소나노튜브가 첨가된 폴리우레탄은 원소재 대비 탄성계수 343%, 파단강도 436%, 파단신도 150% 증가했습니다. 특히 이종원소 처리 유/무 탄소나노튜브를 사용한 시편을 비교했을 때 동일한 첨가량일 경우 조사시간 10초일 때 붕소가 도핑된 형상기억 복합소재는 250℃까지 발열됐습니다. 반면 미처리된 탄소나노튜브를 첨가한 시료의 경우 약 150℃ 내외의 낮은 발열효과를 보였습니다. 이는 이종원소로 도핑된 탄소나노튜브가 전기적, 열적 성질이 개선됐다는 점과 고분자 매트릭스와의 계면 특성이 조절된 결과로 설명이 가능합니다. 

비행기 날개에 활용될수도? 출처: pixabay
비행기 날개에 활용될수도? 출처: pixabay

연구진이 개발한 소재는 성형 방법에 따라 전자기기나 제품 등에 발열 코팅재, 자동차나 비행기의 날개, 차체 등으로 활용 가능합니다. 또한 발열 기능을 활용하면 극지방이나 추운 날씨의 지역에서 제설 혹은 제빙 소재로도 쓰일 수 있다고 합니다.  

 


##참고자료##

 

 


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