'DNA·거미줄 모사' 강철보다 강한 섬유 개발

DNA와 거미줄의 이중나선 구조 원리를 모사해 강철보다 강하면서 무게는 줄인 초강력 연속 섬유가 개발됐다. 이 섬유는 향후 항공우주와 방호 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 보인다.

한국연구재단은 한양대 유기나노공학과 한태희·위정재 교수와 단국대 융합소재 전공 엄원식 교수가 공동으로 특수 고분자 소재(물속에서 스스로 이중나선 구조 형성)를 이용해 자연계 섬유의 설계 원리를 실험실에서 재현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

한국연구재단

공동연구팀은 수계 환경에서 DNA처럼 스스로 꼬인 구조를 형성하는 아라미드계 고분자 'PBDT'에 주목해 분자 수준의 질서를 거시적 실 형태까지 완벽하게 전달하는 '4단계 계층적 제조 공정'을 설계했다.

PBDT는 수계 환경에서 DNA와 유사한 이중나선형 초분자 구조를 형성하는 방향족 특수 고분자다. 이를 이용한 4단계 공정은 ▲분자를 한 방향으로 세우는 '정렬' ▲이온을 더해 구조를 묶는 '결속' ▲정렬도를 높이는 '인장' ▲내부 빈틈을 없애는 수계 비틀림 '압축' 등으로 구성된다.

특히 밧줄을 꼬는 원리를 응용한 비틀림 공정은 실 내부 구조를 치밀하게 만들어 하중 전달 효율을 높인다. 이 과정은 분자가 자발적으로 만든 나노 수준의 질서를 최종 연속 섬유 구조까지 유지한 제조 전략이라는 점에서 차별화된다.

4단계 공정을 거쳐 제조된 실은 인장 강도 1.2GPa, 영률(강성) 103GPa를 기록했다. 이는 기존 필름 형태보다 강도는 5.8배, 강성은 6.3배 향상된 수치다. 강철 대비 강도는 2배 이상 높고 무게는 1/4 수준에 불과한 점은 눈여겨볼만 하다. 예컨대 연구팀이 개발한 실은 같은 무게의 강철 와이어보다 8배 이상 강한 힘을 버틸 수 있다.

한태희 교수. 한국연구재단

이번 연구는 단순히 소재의 성능을 높이는 데 그치지 않고, 수 ㎞ 단위의 연속 생산이 가능한 확장성을 가져 실험실 성과가 실제 산업 현장으로 연계될 수 있다는 점에서 의미를 더한다.

무엇보다 독성 용매 없이 물을 기반으로 만들어지는 친환경 공정이라는 점과 특정 조건에서 구조를 풀어 재구성할 수 있는 고성능 소재인 점, 재가공과 재활용이 가능한 점 등이 차별성으로 부각된다.

한 교수는 "DNA와 거미줄이 가진 정교한 구조적 특성을 산업용 실로 구현한 게 이번 연구의 핵심"이라며 "높은 성능과 생산성, 친환경성을 두루 확보한 만큼 향후 항공우주, 반도체, 방호 등 첨단산업의 차세대 플랫폼으로 발전할 가능성도 점쳐진다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 전날(25일) 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr