21세기를 주도하는 3대 기술로 Energy, Electronics, Material을 꼽을 수 있다. 이 3가지 분야에 대한 기술을 가진 국가가 앞으로의 산업시장을 주도해 나갈 수 있다. 이 중 특히 Material(재료)분야는 나머지 Energy(에너지)와Electronics(전자기기)의 기반이 되는 분야다.
현재 우리대학에 있는 복합재료 연구실은 Material분야 중 복합재료를 이용한 선박요소 및 해양 구조물분야에 관해 연구를 진행하고 있다. 또한 설계를 위한 기본 역학, 구조해석, 제조 방법을 연구하고 실험하여 복합재료를 산업현장에 연계 및 적용시키기 위한 시도를 계속하고 있다. 특히 지난 7월, 제 7회 첨단재료 개발과 성능에 관한 국제학술대회(AMDP 2014)가 우리대학에서 열리고 김윤해(조선기자재공학부) 교수가 의장을 맡으면서 이에 대한 연구가 더욱 박차를 가할 것으로 보인다. 이에 대해 김윤해 교수는 “첨단재료에 관한 연구는 21세기 3대 기술의 기반이 되는 기술이다”며 “특히 선박 및 해양 구조물과 연관이 많은 우리대학에는 중요한 연구분야이다”고 말했다.

 

 

현무암 복합재료

 

 

 

 

 

 

 

_ 최근 복합재료 중 주목을 받고 있는 재료로 현무암 섬유강화 복합재료가 있다. 현무암 복합재료는 천연의 현무암 암석을 1400~1500℃ 고온으로 융용시켜 제작한다. 이는 기존의 유리섬유에 비해 제조 공정이 간단하고 친환경적이다. 또한 다양한 광범위한 온도에서 사용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이처럼 여러 학술대회를 통해 비강도(강도/비중량) 측면에서 많은 장점을 가진 것으로 연구되었다. 하지만, 충격하중에 대한 마땅한 연구결과가 없다. 이는 구조물을 지지하는 측면에서 기존의 복합재료에 비해 어느 정도의 강도를 가지고 있는가의 문제이다.
우리대학에서 이번 AMDP 2014에 발표한 논문 Evaluation of Residual Strength in the Basalt Fiber Reinforced Composites Under Impact Damage은 이러한 현무암 복합재료에 관한 연구를 진행하였다. 이 연구에서는 현무암 복합재료에 충격을 가한 후 하중지지 능력이 얼마나 저하되는지를 정량적으로 평가하였다. 또한 이를 충격손상이 없는 복합재료의 강도와 비교하였다. 이러한 결과를 기존의 탄소섬유와 비교하자 거의 유사한 강도를 지닌 것으로 나타났다. 현재 현무암 재료는 열에 강한 특징과 높은 비강도로 인해 건축 내·외장 재료로 널리 쓰이고 있다. 하지만 아직까지 해양 복합재료로서는 많이 사용되고 있지 않다. 앞으로 해양에 관한 연구가 진행되어 적용시킬 수만 있다면 높은 부가가치를 창출하는 것도 가능하다.

 

 

나노 복합재료
_ 나노재료란 크기가 100나노미터 이하 크기의 물질을 말하는데, 나노 복합재료란 두 가지 이상의 재료를 나노입자 상태에서 제조하여 원하는 기계적·화학적 성질로 만들어내어 고분자 기지의 강화재로 사용하는 것을 말한다.

탄소나노튜브

나노 복합재료는 일반적인 강화재에 비하여 넓은 접촉면적을 가지기 때문에 기계적·열적·전기적 특성이 향상된다. 이는 다양한 기능을 구현할 수 있는 데에서 많은 장점을 지닌다. 여러 나노 복합재료 중 특히 탄소나노튜브로 사용되는 경우가 많다. 탄소나노튜브는 탄소를 나노단위로 말아 튜브 모양으로 만드는 기법이다. 이러한 튜브 모양의 탄소나노튜브를 수만 가닥 엮어 실과 헝겊으로 만들어 재료로 쓴다. 이러한 탄소나노튜브는 투명전도성 필름을 만드는 데 사용되는데 이는 Flexible Display나 E-paper 분야에도 적용이 가능하다.

할로이사이트 나노튜브
AMDP 2014에서 우리대학이 발표한 논문 Processing and Mechanical Properties of Nanocomposites Based on Halloysite Nanotube and Unsaturated Polyester Resin은 천연나노튜브인 할로이사이트 나노튜브에 관해 연구하였다. 할로이사이트 나노튜브는 적층 방식에 따라 다양한 형성이 가능하다. 이러한 물질을 층상화합물이라고 하는데 이는 고순도로 합성이 가능하다는 장점을 가진다. 연구에 의하면 할로이사이트 나노튜브를 첨가하여 나노복합재를 제작한 경우, 기존의 복합재에 비해 모든 면에서 높은 강도가 측정되었다. 또한 할로이사이트 나노튜브의 함량에 따라 인장강도, 층간전단강도가 증가하였다.

 

기대효과
_ 글로벌 리서치 회사인 Frost & Sullivan의 보고서에 의하면 세계 해양 복합재료 시장은 2012년에 9억 4천만 불 이상의 수입을 올렸으며 2018년에는 15억 불에 해당하는 수입을 올릴 것이라고 예측하고 있다. 이는 모터 보트, 제트 보트 및 수상 오토바이와 같은 해양 레저선박에 사용되는 폼 코어 재료를 포함하고 있으며 대형 해양 레저 선박에 적용시키려는 시도 역시 계속되고 있다.
이에 대해 Frost & Sullivan의 산업 분석가인 Sandeepan Mondal은 “복합재료의 우수한 성능 때문에 강철이나 알루미늄과 같은 이전의 재료들에 비해 점차 많이 사용되고 있다”며 “선박에서 상당한 무게를 차지하는 부분인 외피, 돛대 및 갑판 부분에 복합재료를 적용하면 강도와 견고함뿐만 아니라 무게 감소의 효과도 가질 수 있을 것이다”고 설명하였다. 이처럼 복합재료 시장은 부가가치, 활용도, 가능성 면에 있어서 무한한 가능성을 지니고 있다. 또한 전기산업분야의 에너지절감 및 경령화 추세, 금속과 플라스틱 재료의 혼합사용 추세 등 산업환경의 변화도 복합재료의 중요성을 증가시키고 있다.