전복껍질의 구조를 모방한 유무기 복합체 제조 및 그에 따른 특성 분석

Abstract

생체 모방 기술이란 생물체가 갖고 있는 다양한 기능과 그 원리를 이해하고, 이를 모방하여 신 기능성 소재 또는 장치를 개발하는 기술이다. 이러한 기술은 최근의 에너지 문제와 더불어 활발히 진행 중이며, 동·식물 등의 생체구조나 기능을 모방하는 신소재가 개발되고 있다. 특히 자동차, 로봇 산업뿐만 아니라 우주항공 분야에서 요구되는 경량화에 의한 에너지 절감은 미래를 대비할 수 있는 중요한 기술이다. 생체 모방 기술의 대표적인 예로 전복껍질은 고강도 경량 유-무기 복합소재이다. 전복껍질은 판상 입자들의 계층적인 배열과 판상 입자 표면의 나노 돌기 또는 입자 사이의 mineral bridge를 특징으로 하며 유기물과 무기물 간의 강한 접착력을 바탕으로 상온에서 만들어졌음에도 불구하고 강도가 높다. 본 연구에서는 이러한 전복껍질의 미세구조를 모방하여 경량 고강도 유-무기 복합소재를 만들고자 하였다. 우선 판상의 입자 표면에 나노 돌기와 mineral bridge를 형성하고자 보헤마이트와 점토를 사용하여 동종돌기 또는 이종돌기를 형성하였고, 판상입자와 유기물의 계면 접착력을 향상시키기 위하여 surface modification을 진행하였다. 본 연구에서는 유-무기 복합체를 형성하고자 성형체 제조 후에 MMA (Methyl methacrylate) infiltration을 진행하였고 2단계로 나누어 polymer의 경화를 시도하였다. Alumina-PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 점토돌기를 갖는 alumina-PMMA, Surface modified alumina-PMMA의 3점강도와 파단면을 확인하였고 열분석을 통하여 유기물의 함량을 확인하였다. 또한 점토돌기를 갖는 alumina-PMMA, Surface modified alumina-PMMA의 파괴인성 값을 측정하여 기계적 특성을 확인하였다. 그 결과 Alumina-PMMA의 곡강도는 평균 약 71.9 MPa인데 비하여 돌기형성 Alumina-PMMA의 곡강도는 점토함량에 따라 86-98 MPa까지 증가하여, 돌기 형성이 강도 증진에 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 Surface modification을 시도하여 10 wt% 돌기형성 alumina-PMMA의 곡강도 값이 86.5 MPa에서 약 113.7 MPa까지 증가하였고, 10 wt% 돌기형성 alumina의 파괴인성 값은 (KIC) 2.76 MPa·m1/2 이었지만 표면 개질 후 파괴인성 값은 3.60 MPa·m1/2 로 증가함을 확인하였다. 따라서 무기물과 유기물 간의 접합성은 강도와 파괴인성 값을 증가시키는 것에 기여하는 것으로 생각된다. 또한 본 연구에서는 판상 입자크기에 따른 강도 변화를 알아보고자 9, 18, 25 μm 크기의 알루미나와 MMA를 사용하여 복합체를 형성하였고 3점 강도와 파단면을 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy)으로 확인하였다. 그 결과 입자크기가 증가하더라도 강도의 차이는 크게 없었지만, 파단면 확인 결과 입자크기가 증가할수록 cluster의 크기는 증가하는 것을 확인하였다. 또한 크기별 복합체의 열분석을 통하여 유기물 함량이 약 20-26 %임을 확인하였다.