한국섬유소재연구원

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유연한 세라믹 소재
연구소 2013-04-02 4555

세라믹 종이라는 새로운 개념의 소재가 개발되었다. 도자기의 원료인 세라믹은 취성이 강한 소재로 휘어진다거나 구부러진다는 것은 상상도 하기 힘들다. 독일 연구진은 여러 장 겹친 새로운 형태의 세라믹 소재를 만들었다. 전기전도성과 유연성을 가진 이번 소재는 배터리, 유연한 가스 센서, 인공 근육 등의 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구진은 구리처럼 딱딱하지만 접거나 말 수 있을 정도로 유연한 바나듐 펜톡사이드(vanadium pentoxide)로 만들어진 종이를 최초로 개발했다. 또한 이 재료는 전기적으로 전도성을 가지고 있기 때문에 다른 세라믹과 다르다. DFG(German Research Foundation)가 자금을 지원한 이번 프로젝트에서, 슈투트가르트 대학(Stuttgart University), 막스 플랑크 연구소(Max Planck Institute for Intelligent Systems, Max Planck Institute for Solid State Research)의 연구진은 간단한 방법으로 바나듐 펜톡사이드의 전도성 나노섬유로 구성된 새로운 유형의 세라믹을 만들었다. 세라믹 종이의 특별한 기계적 성질은 이것의 구조에서 유래되었는데, 이것은 나전(mother-of-pearl)과 닮았다.

이번 연구진은 천연 복합물에 대한 연구를 수행했다. 연구진은 탄성이 있고 전기적으로 전도성인 종이를 만들기 위해서 깨지기 쉬운 세라믹 바나듐 펜톡사이드를 사용했다.

첫 번째로, 연구진은 20 년 동안 알려져 있는 절차에 따라서 수용성 바나듐 염으로 바나듐 펜톡사이드의 나노섬유를 합성했다. 이 세라믹의 특이한 특징은 섬유가 전기를 전도한다는 것이다. 이것은 금속 산화물 사슬이 약하게 결합된 전자들을 포함하기 때문에 가능하다.

전도성 섬유는 강하고 탄성이 있어야 한다. 이번 연구진은 물속에 부유하도록 나노섬유를 분산시켰고, 액체성 박막을 상온에서 몇 시간 동안 건조시킨 후에 습도를 천천히 감소시키도록 40°C에서 몇 시간 동안 방치했다. 이런 느린 프로세스는 섬유가 평행한 패턴으로 스스로 조립될 수 있게 한다. 마지막으로, 연구진은 100°C와 150°C에서 박막을 어닐링했고, 이것은 투명하면서 오렌지색을 가진 세라믹을 생성시켰다. 사용된 나노섬유 용액의 양(0.5 마이크로미터와 2.5 마이크로미터 사이)을 조절함으로써 종이의 두께를 변화시킬 수 있었다.

종이는 아코디온처럼 접을 수 있거나 말 수 있다. 실제로, 세라믹 종이는 천연 모델보다 뛰어난 특성을 가진다. 나전(조개 껍데기)이 작게 존재하지만, 이런 딱딱한 바이오미네랄은 일반적인 종이 시트처럼 접을 수 없다. 세라믹 종이는 나전보다 더 탄력이 있고, 더 딱딱하다. 게다가, 이것은 전기를 전도한다. 그러나 종이 섬유와 평행한 방향의 전도성은 직각 방향의 전도성보다 훨씬 더 크다. 방향에 따라 전도성이 변하는 이유는 자기 조립 프로세스에 의해서 형성되는 재료의 구조 때문이다.

이 구조는 나노섬유의 조립으로 시작했다. 이 섬유는 한 개의 물 층 사이에 두 개의 바나듐 펜톡사이드 층으로 구성되었다. 몇 개의 섬유는 이 구조 위에 적층되었고, 슬래브(slab)를 형성했다. 슬래브는 측면으로 적층되지만 적층된 재료의 구조는 벽돌과 닮았다. 바나듐 펜톡사이드 슬래브는 물 층 속에 삽입된 벽돌처럼 구성되어 있다.

딱딱한 세라믹과 부드러운 물의 결합은 재료가 딱딱하고 강하며 탄성을 가질 수 있게 한다. 이것은 종이에 높은 전도성을 초래한다. 그러나 전기는 나노섬유를 따라서 움직이는 전자에 의해서 전달될 뿐만 아니라 세라믹 간의 물 층을 따라서 이온 상태로 전달된다.

종이의 전기적 성질과 기계적 성질은 물의 함유량에 따라서 변한다. 재료를 건조시키고 어닐링함으로써, 이번 연구진은 세라믹 구조가 더 밀집한 구조를 형성하도록 약하게 결합된 물을 제거하였다. 이것은 나노섬유 간의 결합을 강화하기 때문에, 종이를 더 딱딱하게 만든다.

연구진은 두 개의 특성을 결합시켰다: 바나듐 펜톡사이드의 다재다예한 화학적 성질과 나전의 기계적 성질. 그러나 연구진은 거기서 멈추지 않고, 더 다재다예하고 더 나은 성질을 가진 재료를 만들기 위해서 세라믹 종이를 결합시키기를 원하고 있다.

이 연구결과는 Advanced Materials에 “Hydrogen-bond reinforced vanadia nanofiber paper of high stiffness” 이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adma.201300135).

그림 1. 적층식 세라믹 종이: 복합물 속에 물과 바나듐 펜톡사이드(vanadium pentoxide)의 적층된 모습을 보여주는 주사전자 현미경 사진.
그림 2. 세라믹 종이 속의 나노섬유를 보여주는 원자힘 현미경 사진.
그림 3. 강인하면서 탄성을 가진 재료를 만드는 나노구조.

http://phys.org/news/2013-03-ceramic.html

 

 

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