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스마트폰이나 태블릿을 바닥에 떨어뜨리면 누구나 놀라지 않을 수 없다. 기기가 파손되면 수리하는 데 꽤 큰돈이 들고 또 귀찮기 때문이다.
그런데 미국의 과학자들이 금속보다 강도가 엄청나게 높고 탄성 또한 탁월한 새로운 재질의 유리를 만들어내 스마트폰에 쓰일 신소재로 주목받고 있다고 영국 일간 데일리메일 등 외신이 5일(현지시간) 보도했다.
즉 이 유리로 스마트폰을 만들면 닥닥한 바닥에 떨어뜨려도 충격을 흡수해 파손을 막을 수 있다는 것. 이뿐만 아니라 새로운 유형의 방탄복이나 운석 충돌 위험이 있는 위성의 소재로도 사용할 수 있다고 한다.
SAM2X5-630이라는 명칭이 붙여진 이 물질은 강도 테스트에서 스테인리스스틸보다 충격에 588배 더 강하며 방탄복 소재인 텅스텐 카바이드(탄화텅스텐) 세라믹보다는 두 배 더 강한 것으로 나타났다.
이에 대해 연구팀의 베로니카 엘리아슨 사우스캐롤라이나대 교수는 “이 물질은 특이한 화학적 구조로 돼 있어 매우 강하면서도 탄성을 갖는다”면서 “유리처럼 내부 구조물이 거의 존재하지 않지만 조그만 결정체가 산발적으로 있다”고 설명했다.
또한 “이런 결정체가 충격하중을 받을 때 커다란 차이를 만드는데 아직 그 이유는 알지 못한다”고 말했다.
사실 이 물질은 아직 초고강도 유리 화면을 만드는 데 사용할 만큼 투명하지 못하다. 하지만 이 소재는 바닥에 떨어뜨렸을 때 공처럼 튕기는 성질이 있으므로 보호 케이스를 만드는 데 사용할 수 있다.
예를 들어 스마트폰에서 흔히 보이는 알루미늄 소재의 옆면과 후면을 이 물질로 대체하면 스마트폰을 충격으로부터 더 잘 보호할 수 있다.
이 물질은 인위적으로 만든 대규모 금속성 유리의 한 유형이라고 한다.
그 화학적 구조 덕분에 엄청난 내구력과 회복탄력성, 탄성을 갖는다.
대부분 금속과 합금의 원자는 잘 정렬된 크리스털 같은 구조를 갖지만, 이 유리의 원자는 훨씬 더 무작위로 정렬돼 있다.
과학자들은 이 물질을 생산하기 위해 가루 형태의 철 복합체를 섭씨 630도까지 가열했다.
이때 연구진은 방전 플라스마 소결(spark-plasma sintering)이라는 공정을 사용했다. 이는 쇳가루를 흑연 틀에 넣고 대기압의 1000배에 달하는 압력을 가하고 전류를 흘려 넣는 것이다.
이 방법으로 쇳가루를 녹이지 않고 서로 결합하는 순간까지 가열했다.
이에 대해 올리비아 그레베 UC 샌디에이고 교수는 “원래 이 물질을 만들려면 몇 시간이 걸리지만 이 공정으로 단 몇 분 만에 생산할 수 있었다”면서 “이 물질은 극단적인 조건을 견디도록 설계됐다”고 말했다.
연구진은 이렇게 만든 이 물질의 강도를 검사하기 위해 시속 1799~3600km의 속도로 동판을 꽤뚫을 수 있는 가스총을 사용했다.
이 물질로 만든 1.5-1.8mm 조각은 변형 없이 11.76Gpa(기가파스칼)까지의 충격을 견딜 수 있는 것으로 나타났다.
이는 위고니오 탄성 한도라고 하는 데 이와 비교하기 위해 사용된 스테인리스스틸의 탄성 한도는 0.2Gpa, 탄화텅스텐은 4.5Gpa인 것으로 나타났다. 참고로 다이아몬드의 탄성 한도는 60Gpa이다.
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또한 과학자들은 이 물질이 엄청난 탄성을 가진 것을 밝혀냈다. 이 물질과 일반 철을 똑같이 구슬처럼 만들어 낙하하는 실험을 통해 이 물질의 탄성이 얼마나 큰지 확인할 수 있었다.
이 실험을 주도한 안드레아 호지 박사는 “우리는 고속으로 이 물질의 놀라운 탄성 한계를 관찰할 수 있었다”면서 “이런 작용은 기존의 기계적 시험에서 뚜렷이 드러나지 않았었다”고 설명했다.
한편 이번 연구성과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠’(Scientific Reports) 최신호에 실렸다.
사진=UC샌디에이고
윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr
