초강력 산업 소재의 비밀은 새우?

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난 6월 소개해드린 자료에서 보면 알 수 있듯이 3D 프린터 시장은 2021년쯤에는 약 20조 원 규모의 시장이 될 것으로 예측되고 있습니다. 이미 충분히 빠른 성장을 하고 있는 것은 틀림없지만 더 빠른 성장률을 달성하지 못하는 이유 중 하나는 사용되는 소재의 한계 때문일 것입니다. 산업용으로 사용되기엔 강도가 부족하거나 충분한 강도를 갖고 있는 재료일 경우에는 그 단가가 비싸서 활용하기 어려운 경우가 많다는 것이죠.

그래서 이러한 문제를 누구보다 잘 알고 있는 3D 프린터 업계에서는 항상 소재 개발에 박차를 가하고 있습니다. 오늘 소개해드릴 내용 역시 소재와 관련된 것인데요. 아쉽게도 3D 프린터용 소재에 관한 것은 아니지만 그 독특한 구조 때문에, 활용하는 데 있어 3D 프린터를 사용해야 할지도 모르는 소재에 관한 내용입니다.

때때로 기술, 과학 연구들은 그 해답을 자연을 통해서 얻습니다. 이 경우에도 그런데요. 퍼듀대학교(Purdue University)의 연구진들은 영어로는 사마귀 새우라고 불리는 갯가재(Mantis Shrimp)에게서 영감을 얻었습니다.

갯가재(Mantis Shrimp): 사마귀 새우, 갯가재는 물속의 상위 포식자 중 하나로 해머처럼 단단하고 총알처럼 빠른 앞다리를 갖고 있습니다. 이 앞다리를 이용해 조개나 연체동물 등의 껍질을 고속 연타하여 사냥하며 이때 시속 110km 이상의 속도를 자랑합니다(물속임을 감안할 때 놀라운 속도입니다). 또한, 이 갯가재는 지구의 생물 중 적외선, 자외선을 비롯해 가장 넓은 범위의 빛을 감지할 수 있는 눈을 갖고 있기 때문에 많은 과학자들의 연구 대상이 되는 종입니다.

연구는 캘리포니아 대학교(University of California, Riverside)와 공동으로 진행되었으며 연구의 목적은 더 강한 물질, 재료를 완성해내기 위해서입니다(과거 이 연구팀에서 갯가재 앞다리의 구조를 분석하여 복합 재료 디자인 구조에 대한 연구 논문을 발표하였으나 구조적 특징 외에 다른 원리는 포함하고 있지 않았습니다).

연구의 목적에 대해 보다 정확히 말씀드리자면, 갯가재가 앞다리를 사용하여 사냥할 때 발생하는, 반복적인 고속 타격에도 갯가재의 앞다리가 자체적인 손상을 입지 않는 원리를 밝혀내어 이를 통해 보다 견고한 고강도 소재를 완성해내기 위해서입니다.

퍼듀대 파블로 자바티에리(Pablo Zavattieri) 교수

“우리는 기본적으로 물질의 속성을 강화하고자 할 때, 다른 한 재료를 혼합하는 등 소모시킴으로써 강화해왔습니다. 이는 매우 비생산적인 일이죠. 그래서 저희는 단일 재료를 어떻게 하면 더 강한 성질을 띄게 할 수 있을지에 대해 연구했습니다.”

 

그들은 갯가재 앞다리의 소재를 연구한 결과, 균열과 휘어짐을 통해 소재를 더 강력하게 만들 수 있다는 결론을 내렸습니다.  이 균열 왜곡은 키틴(Chitin)이라는 소재에 의해 이루어지는 것으로 알려졌으며 다양한 해양 생물에게서 발견할 수 있는 나선 구조입니다.

결론적으로, 이번 연구를 통해 얻은 결론은 소재 속 미세한 균열을 포함한 나선형 구조가 다른 일반적인 구조의 물질들보다 충격이나 손상에 더 강하게 대처할 수 있다는 것입니다.

“이 구조가 하는 일은 커다란 손상을 예방하는 일입니다. 매우 미세한 나노, 마이크로 수준의 균열들이 더 커다란 손상이나 충격이 진행되는 것을 막습니다. 그렇기 때문에 과학자들은 이것은 ‘우아한 실패(Graceful failure)라고 부릅니다.”

 

콘크리트, 카본 섬유, 유리 등을 비롯해 인위적으로 제작된 많은 소재의 구조들은 대개 소재 전체가 단일 방향을 향하게 제작되어 있습니다. 그렇기 때문에 작은 균열이나 충격이 가해지면 쉽게 큰 균열이나 손상을 입게 되어 있습니다. 하지만 이번 연구를 통해 제작된 소재들은 단일 방향이 아닌 나선형 구조로 제작되어 있기 때문에 균열이 발생했을 때, 더 크게 확장되는 것을 손쉽게 방지할 수 있습니다.

현재의 콘크리트는 그 강도를 강화하기 위해 돌과 시멘트 접착제를 혼합해 사용하고 있습니다. 하지만 이 연구 결과를 이용한다면, 별다른 재료를 혼합할 필요 없이 콘크리트만을 재료로 이용하여 3D 프린터로 나선형 구조를 출력하면 됩니다. 그렇게 하면 기존의 콘크리트보다 더 단단한 강성을 가질 수 있고 지진과 같은 자연재해에도 더 강한 힘을 발휘할 수 있을 것입니다.

이 연구가 완료되면 다양한 재료에 적용되어 보다 튼튼한 헬멧이나 쉽게 부서지지 않는 스마트폰, 배터리 등 다양하게 활용될 수 있을 것으로 보입니다.

참고 3DERS / CO. DESIGN

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