나노기술 및 정책 정보

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중국 칭화(淸華) 대학교 화학학과 워이폐이(魏飛) 교수 연구팀은 탄소나노튜브의 피로저항 연구에 큰 돌파구를 마련함. 연구팀은 최초로 실험을 통해 cm 길이의 단일 탄소나노튜브에서 초(超) 내(耐) 피로 성능에 대해 측정하였음.

초강(超强) 초인(超韧) 및 초(超) 내(耐) 피로 성능을 가지고 있는 소재에 대해 우주, 항공, 군사용 장비, 방탄복, 대형 교량, 운동기구, 인공근육 등 다양한 분야에서 엄청난 수요가 있으며, 탄소나노튜브는 전형적인 1차원 나노소재에 속하며 현재까지 가장 높은 강도와 인성(韧性)을 가진 소재로 평가받고 있음. 탄소나노튜브의 거시적 강도와 인성(韧性)은 현재 폭넓게 사용되고 있는 탄소섬유와 아라미드 섬유(aramid fiber) 등의 소재에 비해 한 단계 더 높음.

하지만 탄소나노튜브는 사이즈가 작고 측정이 어려워 단일 탄소나노튜브의 피로 거동 및 피로 파괴 메커니즘 연구는 해당 분야에서 오랫동안 해결하지 못한 난제로 남아 있었음. 피로는 응력 수준이 정적 파괴 강도보다 훨씬 낮은 상태에서 발생하기 때문에 피로 거동과 잠재적인 파괴 메커니즘을 탐색하는 것은 신소재의 장기적인 신뢰성 평가 및 적용에 매우 중요함.

단일 cm 길이에 달하는 탄소나노튜브의 피로 역학적 거동에 대한 측정을 실행하기 위해 연구팀은 비(非)접촉식 음향 공명 테스트 시스템(non-contact acoustic-resonance-test, ART)을 설계하고 구축하였음.

전자현미경에 기반한 나노소재 측정 시스템에 비해 ART 시스템은 전자빔으로 인한 샘플의 손상을 피할 뿐만 아니라 cm 길이의 1차원 나노소재에 대한 피로 측정을 가능하게 하며, 작은 사이즈 샘플 클램핑과 높은 사이클에서 하중을 적용시키는 문제를 해결하는 여러 가지 장점을 가지고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 탄소나노튜브는 우수한 초(超) 내(耐) 피로 특성을 나타낸다는 점을 확인하였음. 단일 탄소나노튜브는 파손없이 수억 회에 달하는 인장 테스트를 할 수 있었으며, 부하를 제거한 후 초기의 초고(超高) 인장 강도를 유지하고 기존의 모든 엔지니어링 섬유소재보다 피로에 더 강함.

일반적인 전통 소재의 피로 손상 누적 메커니즘과 달리 피로 파괴는 취성 파괴 특성을 보여줌. 손상 누적 과정이 존재하지 않는 것임. 초기 시작 시의 결함은 탄소나노튜브의 피로 수명에 대해 주도적 역할을 발휘하며, 그 외, 내(耐) 피로 성능은 온도의 영향을 받으며 온도가 높아짐에 따라 감소되는 특성을 보여줌.

연구팀은 이번 연구를 통해 초장(超長) 탄소나노튜브는 초강(超强) 초(超) 내(耐) 피로 섬유 분야에서 밝은 전망을 가지고 있음을 입증하였으며, 탄소나노튜브가 다양한 분야에서 응용될 때 수명 디자인을 위해 중요한 참고적 근거를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Science’ ("Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes") 지에 게재됨.