디바이스를 위한 Auxetic 구조 [신소재 리뷰] 웨어러블

 안녕. By.

웨어러블 디바이스, 몸에 착용할 수 있는 장치를 위해서는 딱딱한 소재를 사용하기 보다는요.

부드러운 Soft Material을 사용할 필요성은 직관적으로 이해할 수 있을 것입니다.

웨어러블 디바이스에는 주위 변화를 민감하게 감지하는 센서를 부착해야 하기 때문에 재료공학부에서는 부드러우면서도 전기를 흘릴 수 있는 소재를 연구하고 있습니다.

또한 소재를 사용할 경우 영구적인 변형이나 파괴가 잘 되지 않으면 안 되겠지요.

그래서 자꾸 구부려서(Bending), 뒤틀림(Twisting, torsion)을 견딜 수 있는 소재를 연구해야 합니다.

보통 지금까지는 연구가 잘 되었지만 웨어러블 장비가 되기 위한 소재의 중요한 자격이 있습니다. 그거 잘 늘어나냐? 인데요!

당연한 얘기죠! 팔꿈치와 같은 부위에 웨어러블 장치를 달았다고 생각해 보시기 바랍니다.잘 늘어나서 다시 제자리로 돌아가야 겠네요.

이 기지개는 좋은 건가? 조건을 만족하기는 어려웠어요.보통 전기가 통하는 물질은 잘 늘어나지 않기 때문에 처음부터 늘어나기 쉬운 Elastomer(실리콘 같은 물질)에 넣어 복합체(composite)를 만들었는데

그대로 펴면 두 소재가 같은 힘으로도 펴지는 정도가 다르기 때문에 계면(interface)에서 주름이 잡히거나(buckling), 빈 공간이 되거나 영구적인 파괴 등의 문제가 발생하기도 합니다!

힘이 주어졌을 때의 성장 정도를 공학계에서는 전단탄성계수(Elastic modulus)라는 수치로 나타냅니다.쉽게 말해서 주어진 힘과 뻗은 거리의 비율인데요.

다음 그래프의 기울기를 전단탄성계수(Elastic modulus)라고 합니다.또, 3 차원의 물체를 한 쪽 방향으로 당기면 부피의 크기는 일정하기 때문에, 그 만큼, 다른 쪽 방향으로 작아질 것입니다. 이를 푸아송 비(Poisson’s Ratio)라고 부릅니다.

그 전단 탄성 계수와 푸아송의 비는 소재마다 고유 값입니다.이 값은 wrinkle이나 crack에 관련된 계수인데,

물질의 종류별로 다른 푸아송의 비와 전단탄성계수를 가지고 있음을 확인할 수 있습니다.

서로 다른 전단탄성계수와 푸아송비를 가진 두 물질로 복합체(composite)를 만들면, 같은 힘이라도 늘어나는 양이 달라 문제가 발생할 것입니다!

Auxetic 구조란

Auxetic의 구조는 정말 독특하고 흥미로운 구조네요!

보통 물질을 x축 방향으로 양쪽으로 당기면 y축으로는 줄어들겠죠?Auxetic 구조는 같은 상황에서 x축으로 늘어나는 것은 물론 y축으로도 늘어납니다!무슨 일이냐고요?

그림을 보면 쉽게 이해할 수 있을거에요~

Auxetic 구조의 예x축 방향으로 힘을 줄 경우 지그재그 모양이 넓어지고 y축으로도 길이가 길어지겠죠?이와 같이 다양한 Auxetic 구조가 현재도 활발하게 연구되고 있습니다.~

독자 여러분도 새로운 Auxetic 구조를 생각해 볼까요?

Auxetic 구조의 여러 종류=Auxetic한 물질은 이러한 성질 덕분에 손상되지 않고 파괴에도 강한 성질 등을 가지고 있으며 곡면도 잘 덮을 수 있는 특성을 가지고 있어서 방탄 소재로 사용될 수 있으며 앞으로 의학, 바이오 의학, 스포츠 등의 다양한 분야에 융합이 가능할 것으로 보입니다.

끌려가거나 즉 Stretchable은 아까 말씀드렸듯이 웨어러블 디바이스나 생체센서에 꼭 필요한 요소라고 할 수 있겠죠?예를 들어 모션센서를 손가락에 붙였을 때 그 센서가 늘어나는 양으로 모션을 파악하기 때문에 웨어러블 디바이스에 사용되는 소재는 stretching의 안정적이어야 합니다.

Auxetic 구조는 같은 힘에 비해 기존 물질보다 두께가 현저히 줄어들 수 있습니다.

네! 저희는 오늘도 진행되고 있는 서울대학교 재료공학부의 연구 주제를 알아봤습니다.Auxetic 구조가 무엇인지 알아보고 구체적으로 어떤 연구에 적용되어 연구되고 있는지 알 수 있었습니다!

Auxetic의 구조, 정말로 흥미롭군요!

출처: http://ndml.snu.ac.kr/index.php/research/soft/eins/Auxetic metamaterials In recent years, ‘meta-materials’, which have optical, acoustic and mechanical characteristics that can not be seen by conventional materials, have become a hot topic of material research. Auxetic is a mechanical meta-material with a negative Poisson’s ratio,ndml.snu.ac.kr