한국연구재단, 초강력 차세대 섬유 소개...DNA·거미줄 모사

[충청뉴스 이성현 기자] DNA와 거미줄의 이중나선 구조 원리를 활용해 강철보다 2배 강하면서도 무게는 4분의 1에 불과한 초강력 연속 섬유가 소개됐다.

한국연구재단은 한양대학교 유기나노공학과 한태희·위정재 교수와 단국대학교 융합소재 전공 엄원식 교수 공동연구팀이 물속에서 스스로 이중나선 구조를 형성하는 특수 고분자 소재를 이용해 자연계 섬유의 설계 원리를 실험실에서 재현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 수계 환경에서 DNA처럼 스스로 꼬인 구조를 형성하는 아라미드계 고분자인 'PBDT'에 주목하고 분자 수준의 질서를 거시적 실 형태까지 완벽하게 전달하는 ‘4단계 계층적 제조 공정’을 설계했다.

4단계 공정은 ▲분자를 한 방향으로 세우는 정렬 ▲이온을 더해 구조를 묶는 결속 ▲정렬도를 높이는 인장 ▲내부 빈틈을 없애는 수계 비틀림 압축 단계로 구성된다.

특히 밧줄을 꼬는 원리를 응용한 비틀림 공정은 실 내부 구조를 치밀하게 만들어 하중 전달 효율을 높였다.

이 과정은 분자가 자발적으로 만든 나노 수준의 질서를 최종 연속 섬유 구조까지 유지한 제조 전략이라는 점에서 차별화된다.

그 결과 제조된 실은 인장강도 1.2 GPa, 영률(강성) 103 GPa를 기록했다.

이는 기존 필름 형태 대비 강도는 5.8배, 강성은 6.3배 향상된 수치로, 강철 대비 강도는 2배 이상 높고 무게는 4분의 1 수준에 불과하다. 같은 무게의 강철 와이어보다 이 실은 8배 이상 더 강한 힘을 버틸 수 있다.

한태희 교수는 “거미줄과 DNA가 가진 정교한 구조적 비밀을 산업용 실로 구현한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “높은 성능과 생산성, 친환경성까지 확보한 만큼 항공우주, 반도체, 방호 등 첨단 산업의 차세대 플랫폼으로 발전시켜 나갈 것”이라고 말했다.