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[미래의 자동차용 자가 치유 소재] 자가 치유 재료는 차량과 도로 표면 모두에 혁명을 일으킬 수 있다.

박민제 | 기사입력 2021/07/26 [10:45]

[미래의 자동차용 자가 치유 소재] 자가 치유 재료는 차량과 도로 표면 모두에 혁명을 일으킬 수 있다.

박민제 | 입력 : 2021/07/26 [10:45]

 

 

자가 치유 재료는 차량과 도로 표면 모두에 혁명을 일으킬 수 있다.

Ben Smyy는 자가치유재료 연구의 현재 동향과 향후 몇 년 동안 자동차 산업이 나아갈 방향을 탐구한다.

공상과학영화에서나 나올 법한 이야기 ​​같지만 자가치유 자동차에 대한 아이디어는 생각만큼 거칠고 미래적이지 않을 수 있다. 스스로 고칠 수 있는 기계는 아직 멀었지만 재료 엔지니어들은 이 허구를 곧 현실로 만들 수 있는 기술을 개발해 왔다.

자가치유재료는 어떻게 작동하나?

스스로 치유할 수 있는 재료를 만드는 가장 잘 알려진 방법은 재료 자체 내부에 작은 캡슐의 치유제를 삽입하는 것이다. 재료가 손상되면 캡슐이 파손되어 수리 물질을 방출한다. 그러나 캡슐 크기는 이 디자인에서 매우 중요하다. 너무 크면 재료가 약해지기 때문이다. 또한 한 번만 사용할 수 있으므로 재료가 반복적으로 손상될 가능성이 있는 경우 이상적이지 않다.

그러나 엔지니어들은 잎의 정맥과 유사한 혈관 네트워크를 통해 작동하는 자가치유 물질을 만들었다. 이러한 미세혈관 물질에서 균열이 발생하면 치유제가 혈관망을 통해 흐르면서 균열을 치유한다. 이것은 효과적인 것으로 입증되었지만 재료를 수리하는 데 더 느린 방법이기도 하다.

자동차 분야에서 사용할 수 있는 자가치유재료를 만들 때 한 가지 문제는 이러한 속성을 가진 금속을 만드는 것이 훨씬 더 어렵다는 것이다. 많은 차량 부품이 금속으로 만들어지지만 금속의 화학적 구조와 원자가 서로 결합하는 방식 때문에 자가치유 금속을 만들기가 어렵다. 결과적으로 설계 엔지니어는 종종 폴리머에 대한 연구에 집중한다.

긁힘이 전혀 발생하지 않거나 자체 손상을 수리할 수 있는 자동차가 향후 수십 년 동안 도로를 주행할 수 있다.

자가 치유 폴리머에 대한 연구는 획기적인 결과를 가져왔다. 이제 손상된 후에도 이전 특성을 회복할 수 있는 스마트 폴리머를 갖는 것이 가능하다. 훨씬 더 흥미로운 것은 재료과학자들이 외부 자극 없이 스스로 복구할 수 있는 고유 고분자라고 하는 스마트 고분자를 개발할 수 있다는 것이다. 이러한 고유 폴리머는 특정 가역적 화학결합을 가지고 있어 원래의 특성을 회복할 수 있다.

실용적인 적용

이러한 모든 발전은 유망하지만 자가치유 재료의 이러한 초기 단계가 어떻게 실험실의 호기심 이상일 수 있는지에 대한 질문이 남아 있다. 따라서 많은 연구자들이 개발의 실제 적용을 모색하고 있다. 예를 들어, 연구자들은 우주 탐사 및 심해 상황에서 자가 치유 폴리머 코팅의 가능성을 찾고 있다. 이러한 상황에서 코팅은 수리 작업이 수행되기 어려운 장소이기 때문에 유지 보수 비용을 크게 줄일 수 있다.

이러한 코팅은 극한의 환경을 위해 설계되고 있지만 이러한 부문에서 성공을 거둔다면 제품이 다른 영역에서도 사용 가능하게 될 것이다. 설계 중인 코팅 중 일부는 부식 방지 코팅이 되어 있고 다른 코팅은 긁힘 방지 코팅이 되어 있다. 이러한 기능은 우주와 바다로 여행하는 데 분명히 유용하지만 덜 극한 조건에서 작동하는 차량에도 유용하다.

자동차 도장은 자동차 정비 시 비용이 증가하는 주요 원인 중 하나이다. 자가치유 고분자 코팅의 발전으로 경미한 긁힘을 견디고 부식에 저항할 수 있는 페인트를 만들 수 있다면 자동차 운전자가 수리에 지출해야 하는 금액에 영향을 미칠 수 있다. 이 단순한 것조차도 차량의 사용 수명을 연장할 수 있는 잠재력이 있으며 이는 사용자에게 좋은 소식이 될 것이다.

가역적인 화학 결합은 또 다른 기술 발전의 핵심이기도 하다. 하버드대학의 연구원들이 질긴 자가치유 고무를 개발했다. 이를 위해 분자 로프를 만들어 공유 결합과 가역 결합을 결합했다. 그 결과 재료 주위에 응력을 분산시켜 스스로 치유되는 투명한 고무가 된다.

고무에 균열이 생기는 것은 대개 응력이 한 지점에 국한되기 때문이다. 자가치유 고무의 분자구성은 물질이 본질적으로 섬유 가닥으로 연결된 균열인 열광 네트워크를 통해 응력을 확산시키기 때문에 이러한 일이 발생하지 않도록 방지한다. 응력이 물질을 통해 더 고르게 분산되도록 함으로써 자가 치유 고무는 가해지는 힘에 훨씬 더 잘 대처할 수 있다.

자가치유 고무는 잠재적인 실용적인 응용분야가 많다. 절대 부러지지 않는 고무 밴드를 만드는 데 사용할 수 있지만 연구원들이 지적한 주요 용도는 타이어이다. 이러한 종류의 고무로 만든 타이어는 현재 사용 가능한 것보다 더 많은 스트레스를 견딜 수 있으며 극한 환경에서도 더 오래 지속된다. 타이어가 잘리는 경우 자가 치유 고무로 만들어졌다면 즉시 교체할 필요가 없다는 제안도 있었다.

공상과학 영화에서나 나올 법한 이야기지만 자가 치유 자동차의 아이디어는 생각만큼 거칠고 미래적이지 않을 수 있다.

그러나 아마도 우리는 자가치유 재료의 사용에 대해 자동차 자체를 넘어서 볼 필요가 있다. 재료과학의 개선을 생각할 때 도로 표면을 간과하기 쉽다. 그러나 최근의 발전은 자가치유 속성이 있는 자동차뿐만 아니라 도로에서도 미래에 이러한 특성을 나타낼 수 있음을 의미한다.

유망한 개발에서 과학자들은 자가치유 콘크리트에 대한 특허를 받았다. Hendrik Marius Jonkers의 콘크리트에는 석회석을 생성하는 박테리아가 포함되어 있어 노면이 스스로 수리될 수 있다. 따라서 미래의 도로는 자신의 움푹 들어간 곳을 채울 가능성이 있다. 2020년 영국에서 구덩이 수리비용은 미화 18억 4000만 달러로 추정되므로 자가치유 도로를 개발하는 것은 더 부드러운 운전 경험을 제공하는 것 이상을 할 수 있다. 수리비용을 줄이고 잠재적으로 차량의 운전수명을 연장할 수 있다.

자가치유 소재 분야에서 과학은 픽션을 따라잡기 위해 최선을 다하고 있는 것 같다. 그러나 아직 없습니다. 그때까지 설계 엔지니어는 프로젝트 요구 사항에 가장 적합한 재료를 선택하기 위해 노력해야 한다. 설계 엔지니어는 가장 적합한 것을 선택하기 위해 다양한 재료를 조사하고 비교할 수 있는 쉬운 방법이 필요하며 Matmatch와 같은 재료 데이터베이스가 도움이 될 수 있다.

예를 들어, ForTii 1과 같은 폴리아미드 재료1 자동차 전기 부품에 최적의 인성을 제공한다. 이 고온 폴리아미드는 무할로겐 및 할로겐 함유 난연제를 함유하고 열악한 환경에서 잘 작동한다. 균열 위험을 최소화하고 열충격 노화 측면에서 제품 신뢰성을 향상시킨다.

스스로 수리할 수 있는 미래형 자동차는 아직 구입할 수 없지만 자가치유 재료에 대한 연구는 매년 기반을 얻고 있다. 긁힘이 전혀 발생하지 않거나 자체 손상을 수리할 수 있는 자동차는 향후 수십 년 동안 도로를 주행할 수 있다. 기술은 아직 개발 중이지만 재료 과학자와 엔지니어는 공상과학의 내용을 과학 사실로 바꾸고 있다.

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