근적외선 비추면 형상이 복원되는 복합소재
근적외선 비추면 형상이 복원되는 복합소재
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사진 왼쪽부터 KIST 정용채 센터장, GIST 이재석 교수, KIST 하유미 연구원(박사 과정), KIST 김영오 연구원
사진 왼쪽부터 KIST 정용채 센터장, GIST 이재석 교수, KIST 하유미 연구원(박사 과정), KIST 김영오 연구원

[더케이뷰티사이언스] 한국과학기술연구원(KIST) 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀과 광주과학기술원(GIST) 이재석 교수 연구팀은 공동연구를 통해 근적외선(Near Infra Red)을 비추기만 해도 10초 이내에 300℃까지 온도가 올라가 스스로 형상이 복원될 수 있는 형상기억(Shape Memory) 복합소재를 개발했다.

근적외선은 햇빛이나 발열체로부터 방출되는 빛을 스펙트럼으로 분산시켰을 때 적색 스펙트럼의 끝보다 바깥쪽에 있는 것이 적외선이다. 이 가운데 파장이 가장 짧은 것이 근적외선(800mm, 색온도 3620K~2070K)이며, 적외선은 일반적으로 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용을 가지는 광선을 말한다. NIR(Near Infra Red, 근적외선)은 발열체의 온도가 1800℃~2200℃ 상태에서 발열되는 태양의 복사열에 가장 가까운 적외선(파장 0.8㎛~1.4㎛)을 이른다.

형상기억은 외부의 환경변화(온도, 전기, 물, 그리고 빛등)에 따라서 물질이 일방향(one-way) 효과인 기계적 변형후 또는 양방향 (two-way) 효과인 냉각과 가열후에 그 본래의 형상을 기억하는 능력이다.

KIST 연구진이 개발한 형상기억 복합소재는 근적외선을 활용하면 광열효과(Photothermal effect)가 발현해 작동하게 된다. 이때 효과적인 광열효과를 위해서는 빛의 흡수 효율은 증가시키면서 에너지 손실은 감소시키는 나노 충전물을 선택해야 한다. 또한, 고분자 매트릭스와의 경계면의 특성을 함께 고려해 조절해야 한다.

광열효과는 물질에 빛에너지를 조사하게 되면 물질의 성질과 특성에 따라서 조사된 빛에너지가 흡수된 후 다시 열에너지로 방출하게 되는 물리적 현상이다.

보론도핑된 형상기억폴리우레탄 복합소재에 근적외선을 조사하는 사진(사진 왼쪽 위) 자가발열 형상기억폴리우레탄 복합소재의 필름형태(사진 왼쪽 아래) 근적외선을 소재에 조사할 때 실시간으로 측정된 온도상승 그래프(사진 오른쪽)
보론도핑된 형상기억폴리우레탄 복합소재에 근적외선을 조사하는 사진(사진 왼쪽 위) 자가발열 형상기억폴리우레탄 복합소재의 필름형태(사진 왼쪽 아래) 근적외선을 소재에 조사할 때 실시간으로 측정된 온도상승 그래프(사진 오른쪽)

KIST 연구진은 이를 고려해 형상기억특성을 갖는 폴리우레탄 소재에 근적외선을 활용한 광열효과를 적용했다. 탄소나노튜브에 이종원소(Boron, 붕소)를 함유시키고, 형상기억특성을 갖는 폴리우레탄을 합성하고 복합화했다. 그 결과 근적외선으로 원격제어가 가능한 자가발열 형상기억 복합소재를 개발했다.

KIST 연구진이 개발한 소재는 성형방법에 따라서 전자기기나 제품 등에 발열 코팅재, 자동차나 비행기의 날개 또는 차체 등으로 활용될 전망이다. 또한, 발열 기능을 활용하면 극지방이나 추운 날씨의 지역에서 제설 혹은 제빙소재로도 활용될 수 있다.

KIST 정용채 센터장은 “기존 탄소나노튜브 기반의 복합소재 대비 소재의 물성과 응용범위가 확대된 복합소재를 제조했고, 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Composite Part B: Engineering’(IF : 6.864, JCR 분야 상위 2.0%, 재료과학 및 복합소재 분야 1위) 최신호에 게재됐다. 논문명 ‘Rapidly self-heating shape memory polyurethane nanocomposite with boron-doped single-walled carbon nanotubes using near-infrared laser’.


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