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  • 차세대 다공성 물질 제조를 위한 동결 주조 기술등록일 : 2015/12/15
  • 자연은 역사상 가장 뛰어난 발명가라는 말이 종종 사용되고 있으며, 미국 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 과학자들은 자연으로부터 최상의 것을 배울 수 있음을 믿고 있다. 연구팀은 뼈, 치아, 껍데기(shell) 및 목재와 비견할 정도로 강하고, 질기며, 가벼운 물질을 설계하고 제작할 수 있는 동결 주조(freeze-casting) 기술을 개발하였다.

    연구팀이 개발한 양방향성(bidirectional) 동결 주조 기술은, 높은 수준의 구조 조절이 필요한 곳에서 복합재료와 같은 차세대 재료를 포함한 독특한 구조재료를 제조하는 효과적인 방법이 될 수 있다고 본 연구를 이끈 버클리 연구소의 재료과학부 소속의 Robert Ritchie는 소개하였다. 연구팀은 특정의 자연 물질에서 발견되는 나노/마이크로 구조에서부터 매크로 구조에 이르는 정교한 계층적인 구조가 약한 구성성분으로 이루어지고 다공성을 가지고 있음에도 불구하고 뛰어난 성질을 가지고 있다는 점에 영감을 얻었다.

    양방향 동결 기술을 사용해, 연구팀은 세라믹 입자를 센티미터 크기로 배열된 다공성의 라멜라(lamella) 구조를 가진 스캐폴드(scaffold)로 만들었다. 이런 구조는 진주층(nacre)의 경우와 유사하다. 이런 정렬된 계측적 구조는 다른 경사도를 갖는 서로 다른 PDMS(polydimethylsiloxane) 쐐기(wedge)를 가진 실험실의 ‘cold finger’를 사용해 제작하였다. 두 가지 온도 차이 하에서 동결 공정 동안 얼음 결정의 핵 형성과 성장을 조절함으로써 가능하였다.

    캘리포니아대학(University of California)의 Ritchie는 Science Advances지에 실린 본 연구의 두 명의 교신저자 중 한 명이다. "Bioinspired large-scale aligned porous materials assembled with dual temperature gradients"라는 제목으로 게재된 본 연구를 위해 교신저자 중 한 명인 버클리 연구소의 Hao Bai도 참여하였다. 이외에도 Yuan Chen 및 Benjamin Delattre도 연구에 참여하였다.

    제한된 구성요소와 상온이라는 제약조건에서도, 자연은 지난 수 십 억 년 동안 놀랍도록 우아하고 복잡한 구조를 만들어왔다. 이런 물질들은 종종 강하고 질기며 경량으로서, 일반적으로 서로 상반되는 특성들을 동시에 보유하고 있다.

    각 성분 자체의 특성을 합한 것보다 더 뛰어난 성능을 가지도록 이런 성분들을 조합하는 자연의 놀라운 능력은, 많은 재료 설계학자들에게 영감을 주고 있다. 특히 다공성 세라믹 구조는 촉매작용을 위한 담지체, 조직공학을 위한 스캐폴드, 폼 및 연료전지 전극, 수질 정화를 위한 필터와 같은 다양한 분야에 활용될 수 있다.

    인간은 지금까지 많은 시간이 필요하고 크기 구현에 제한적이며 비용이 많이 드는 다양한 기술적 방법을 통해 자연의 제작기법을 모방하려는 노력을 해 왔다. 이런 기술 중 일부는 환경에 치명적이기도 하며 최종 구조를 정교하게 조절하는데 충분하지 못해 실패한 경우도 있었다. 동결 주조는 실험실의 ‘cold finger’를 활용해 라멜라 얼음 결정을 형성하는데, 이것은 생체모방 스캐폴드 혹은 복합재료를 만들기 위한 템플릿으로 사용함으로써 이런 제약을 극복하고자 하였다. 그러나 기존의 동결 주조는 한 가지 심각한 단점이 있었는데, 바로 대량생산이 가능한 측정 구조를 생산하는데 상당히 방해가 된다는 점이었다.

    기존의 동결 주조법에서, 슬러리(slurry)가 단일 온도차 하에서 동결되고 cold finger 표면에 무분별하게 얼음의 형성을 유발하였다. 결과적으로 다수의 밀리미터 이하 크기의 도메인(domain)이 형성되는데, 이것은 동결 방향과 수직 평면 상에서 얼음 결정이 다양한 배향을 갖게 된다.

    이런 문제점을 해결하기 위해, 연구팀은 서로 다른 경사를 갖는 PDMS 쐐기를 사용하여 슬러리로부터 cold finger를 분리시켰다. 냉각됨에 따라, 쐐기의 바닥 끝단은 상부 끝단에 비해 낮은 온도가 된다. 냉각속도를 적절히 조절함으로써, 수직방향 및 수평방향의 온도차가 동시에 형성된다. 이런 조건 하에서, 슬러리는 온도차에 따라 동결이 시작되며, 얼음 결정의 핵 형성은 오직 쐐기의 바닥 쪽에서만 이루어지고 두 가지 방향으로 우선 형성된다. 두 가지 방향은 수직적으로 cold finger와 멀리, 그리고 수평적으로는 PDMS 쐐기를 따라 형성된다. 결과적으로 센티미터 크기의 단일도메인(monodomain) 라멜라 구조가 만들어진다.

    연구팀은 양방향성 동결법을, 치아 법랑질(enamel)과 뼈 미네랄의 주요 성분인 수산화인회석(hydroxyapatite) 입자를 대상으로 성공적으로 실험하였다. 그러나 세라믹 입자 등을 포함한 많은 다른 재료를 대상으로도 활용할 수 있음을 강조하였다.

    경사각 및 냉각 속도 이외에도, 첨가제 등과 같은 다른 많은 요소들이 양방향성 동결법에 미치는 영향에 대한 연구가 진행되고 있다.

    그림> ‘Cold finger’의 수직방향에서의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진으로, 기존의 동결 주조법에서는 핵 형성을 통해 불규칙한 세라믹 입자층을 만들고 있다. 하지만 양방향 동결 주조법 하에서는, 어음 결정이 잘 배열된 라멜라 구조를 따라 수직 및 수평 방향으로 성장하고 있다.

    원문정보: Bioinspired large-scale aligned porous materials assembled with dual temperature gradients, Science Advances, 11 Dec 2015: Vol. 1, no. 11, e1500849. DOI: 10.1126/sciadv.1500849

  • 키워드 : 다공성, 동결 주조, 라멜라
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑