플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

미 항공우주국(NASA)은 2018년 완공을 목표로 지면과 지상 9만 2200 km 상공에 떠있는 우주정거장을 연결하는 우주엘리베이터 건설 프로젝트를 가동 중이며, 군수산업체에서는 슈퍼금속을 이용해 방탄성능이 뛰어난 장갑차의 경량외피나 초고강도 총탄을 생산하고 있다. 하지만 영화에서나 볼 수 있는 이러한 프로젝트를 실행하기 위해서는 꿈의 소재로 불리는 탄소나노튜브(강철 강도의 100배 이상)와 비정질 금속(강철 강도의 5배 이상)이 있어야만 가능하다. 하지만 초고강도 나노소재는 생산공정에서의 높은 경제적 비용과 함께 힘이 가해질 경우, 유리막대처럼 급속히 부러지거나 찢어지는 등 내구성의 한계를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 KRISS 에너지인프라연구단 이윤희 박사가 나섰다. 그동안 초고강도 나노소재의 한계점으로 지적되었던 외부 힘에 대한 강도 부정확성 및 이상 변형거동을 분석할 수 있는 기술을 개발해 나노소재 실용화의 길을 열었다.

KRISS(한국표준과학연구원, 원장 정광화) 삶의질표준본부 에너지인프라연구단 이윤희 박사가 교육과학부 나노메카트로닉스 기술개발사업 지원으로 초고강도 나노소재의 강도를 정밀하게 측정·분석할 수 있는 기술을 개발했다.

경질 다이아몬드 누르개로 초고강도 나노소재 표면을 눌러 발생하는 마이크론 이하의 접촉 흔적을 원자현미경으로 3차원 영상화하고, 소재의 진경도(true hardness)와 강도를 분석하는 ‘영상기반 나노역학물성 측정기술’을 개발한 것이다.

이 기술은 지난해 6월 국내특허를 획득했으며, 저널 오브 피직스(Journal of Physics D: Applied Physics) 최신호에 소개됐다.

기존의 나노압입경도시험으로 누르개의 침투깊이를 분석해 나노재료의 경도를 측정할 경우, 누르개 침투깊이만으로 분석하기 때문에 주변의 재료쌓임이나 하중분산 정도를 정확하게 분석할 수 없다. 이에 따라 나노소재의 경도측정 시, 50% 이상 과대평가된 특성정보로 인해 소재선정, 설계, 제작과정 전반에 걸쳐 높은 위험도를 가지게 된다.

개발한 기술은 기존의 나노압입경도시험의 문제점을 해결했을 뿐만 아니라 기술적 유연성이 매우 커 다양한 재료 측정으로 확장할 수 있다.

한 예로 진경도를 분석해 소재의 나노강도로 환산하는 기술은 재료 물성 측정의 기본인 단축 인장시험을 대체해 나노소재 뿐만 아니라 소재물성 평가의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대된다.

이윤희 박사는 “그동안 초고강도 나노소재는 정확한 물성평가 기술이 없어 안전성과 내구성이 모두 필요한 곳에는 사용이 불가능했다.”며 “개발된 진경도 측정기술 등을 이용해 초고강도 나노소재에서 발생하는 변형 불안정성에 대한 근원적인 원인을 파악해 안전성과 내구성을 동시에 갖춘 초고강도 나노소재 개발에 가속도가 붙을 것”이라고 말했다.

* 압입경도시험: 다이아몬드, 텅스텐카바이드와 같은 경질 누르개를 이용해 재료표면에 국소 변형흔적을 형성하고, 외부의 누르는 하중을 국소 변형흔적의 면적이나 크기로 나누어 재료의 무르고 단단한 정도를 측정하는 시험

* 단축 인장시험: 봉 형태의 시편양단을 잡아 시편이 파괴될 때까지 단축으로 늘리는 시험으로 연속적으로 시편에 걸리는 힘과 늘어난 양을 측정, 분석해 재료강도, 연신율, 파괴변형률 등 다양한 역학물성을 측정하는 기본시험