재료 과학
우주항공에서 가정용까지, 광범위한 활용을 위한 고급 오시텍 게이지
오시텍 재료는 고전적인 재료와 달리 음의 포아송 비율을 나타냅니다. 즉, 종축 방향으로 인장력이 가해질 때 오시텍은 수직 횡축 방향으로 팽창합니다.
과학자들은 재료에서 오시텍 특성을 계속 탐구하고 있습니다. 최근에, Western physicist Giovanni Fanchini, has developed 그러한 나노물질 중 하나.
2차원 오시텍 나노시트
두 과학자는 Interface Science Western에서 텅스텐 반탄화물(W2C) 2차원 나노시트를 개발했습니다. 이는 텅스텐과 탄소 원자가 동등하게 결합한 화합물입니다. 오시텍 재료의 특성에 따라, 이러한 나노물질은 한 방향으로 늘어날 때 적용된 힘에 수직으로 팽창합니다..
이 개발은 고전적인 재료와 반대 방향으로 크게 팽창하는 두 번째 재료이기 때문에 중요합니다. 이전에는 단위 길이당 10% 팽창할 수 있는 재료가 하나만 보고되었습니다. 현재의 나노물질인 텅스텐 반탄화물 나노시트는 40%까지 팽창할 수 있어 새로운 세계 기록을 세웠습니다. 이 개발 성과를 설명하면서 Stoeck는 다음과 같이 말했습니다:
“2018년에 이론가들은 이 물질이 뛰어난 수준으로 이러한 행동을 보일 수 있다고 예측했지만, 전 세계 연구팀들의 광범위한 시도에도 불구하고 아무도 이를 개발하지 못했습니다.”
Stoeck와 Fanchini가 개발한 내용을 보다 자세히 설명하기 위해, 그들은 과학적·실험적으로 맞춤형 이중 구역 원격 플라즈마 증착 시스템을 보고했습니다. 이 시스템은 W와 C 전구체의 비율을 정밀하게 조절하여 열역학적 평형을 벗어난 텅스텐 카바이드를 성장시킬 수 있었습니다. 연구는 이 시스템이 몇 층의 텅스텐 반탄화물(FL-W2C) 얇은 조각을 합성할 수 있는 특정 조건을 강조했습니다. 이러한 조각은 2차원 형태이며, Stranski–Krastanov 성장 과정에서 중간 규모 수준의 주기성을 유지할 수 있었습니다.
화학적 방법에서 플라즈마 물리학으로의 새로운 전환
개발자 두 사람은 초기 단계에서 화학적 방법으로 새로운 텅스텐 반탄화물 나노물질을 만들 수 없다는 것을 확인했습니다. 따라서 단일 원자 층을 형성하기 위해 플라즈마 물리학으로 전환했습니다.
플라즈마 방식을 활용해 나노물질을 개발하기 위해, 두 개발자는 가스를 고온에서 가열해 화학 반응으로 물질을 형성하는 특수 퍼니스라는 기존 경로를 포기했습니다. 대신 전하를 띤 입자를 포함하는 플라즈마를 생성하는 맞춤형 장비 시스템을 설계했습니다.
신규 개발된 나노물질의 응용
이러한 나노시트의 가장 유용한 잠재적 응용 중 하나는 완전히 새로운 형태의 스트레인 게이지일 수 있습니다. 이 게이지는 비행기 날개부터 가정용 배관까지 모든 곳에서 팽창을 매우 효과적으로 측정하고 늘릴 수 있습니다.
이 재료들은 전기 전도성이 높기 때문에, 환경 변화와 변동을 감지하는 센서나 장치에 사용할 수 있습니다. 단순히 감지하는 것에 그치지 않고, ‘센서’ 기능 덕분에 다른 전자 장치에 정보를 전달할 수도 있습니다.
예를 들어 집 안의 파이프가 변형되어 어느 순간 파열 위험이 있는지 알고 싶다면, 이 2차원 나노물질로 만든 센서를 파이프에 부착하고 컴퓨터로 흐르는 전류를 모니터링하면 됩니다. 전류가 상승하면 파이프가 팽창하고 파열 위험이 있다는 뜻입니다.
앞으로 재료의 오시텍 특성에 대한 추가 개발은 새로운 솔루션을 확실히 가져올 것입니다. 현재는 Michigan Scientific Corporation과 Omega와 같은 기업들이 스트레인 게이지 제조 및 개발에 깊이 관여하고 있습니다. 이들 기업은 이 개발과 생산된 나노물질을 활용해 제품·솔루션 포트폴리오를 확대할 수 있습니다.
#1. Omega
Omega는 DwyerOmega 브랜드로, 이 나노물질을 활용해 견고하고 다양한 스트레인 게이지 제품 라인을 더욱 강화할 수 있습니다. 다이어프램 스트레인 게이지는 압력, 힘, 변위 및 금속, 플라스틱, 복합재료의 변형을 포함한 다양한 응용 분야에서 변형과 응력을 측정할 수 있습니다. 이중 병렬 스트레인 게이지 제품 라인은 다양한 분야에서 굽힘 응력을 신뢰성 있게 측정하는 데 도움을 줍니다.
Omega는 또한 비틀림 및 전단 스트레인 게이지, 선형 스트레인 게이지, T-로제트 스트레인 게이지 및 로제트 스트레인 게이지를 보유하고 있습니다. 정밀한 공차로 정렬이 용이하며, Omega의 게이지는 신뢰할 수 있는 성능과 장기적인 안정성을 제공합니다. 풀 브리지 및 하프 브리지 스트레인 게이지는 넓은 온도 범위와의 호환성에서 뛰어난 선형성을 보여줍니다.
T-로제트 스트레인 게이지는 부품에 대한 온도, 하중 및 진동의 영향을 측정할 수 있습니다. 특히 알려진 주축 방향을 가진 복합 응력을 측정하는 데 유용합니다.
이 회사는 오시텍 게이지를 기반으로 새로운 제품 라인을 개발하거나 기존 제품 라인에 오시텍 특성을 추가하는 데 최적의 위치에 있습니다.
DwyerOmega는 Dwyer Instruments, Inc.가 2022년 4월 19일 Spectris plc(LSE:SXS)로부터 OMEGA Engineering, Inc.를 약 5억 3천만 달러에 인수하기로 합의한 후 등장한 브랜드입니다. Dwyer는 Omega의 2021년 조정 EBITDA의 약 20.4배에 해당하는 5억 2천5백만 달러를 지급했습니다. 2021 회계연도에 Omega는 매출 1억 2천9백만 파운드(1억 6천8백만 달러)와 조정 EBITDA 1천970만 파운드(2천570만 달러)를 기록했습니다.
#2. Michigan Scientific Corporation
Michigan Scientific Corporation은 미국 미시간주 샤를보와에 본사를 둔 비상장 기업으로, 다양한 엔지니어링 서비스, 제품 및 솔루션을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 이 회사가 이 개발을 뛰어나게 활용할 수 있는 분야 중 하나는 스트레인 게이지 서비스입니다.
이 회사는 맞춤형 스트레인 게이지 트랜스듀서를 설계·제작하는 전문 업체이며, 차량 서스펜션 힘, 파워트레인 토크, 조향 부품 힘, 엔진 및 모터 하중, 현장 차량의 제동 토크 측정 등 다양한 경우에 활용될 수 있습니다.
Michigan의 솔루션에는 샤프트 토크 트랜스듀서, 크랭크샤프트 트랜스듀서, 전단 핀 트랜스듀서, 그리고 반축 스트레인 게이징, 드라이브샤프트 스트레인 게이징, 축방향 힘 게이징 등을 위한 제품이 포함됩니다.
이 솔루션들의 계측 적용 사례로는 스트레스 모니터링을 위한 회로 기판 계측, 제조 과정 중 변형을 감시하는 열 챔버 도어 패널, 완전 계측된 산업 규모 드라이브 샤프트 등이 있습니다. 또한 이러한 솔루션은 배치된 프로젝트에서 얻은 데이터를 수집·분석합니다.
우리는 이미 새롭게 개발된 스트레인 게이지의 ‘센서’ 기능이 그 가치를 높인다는 것을 확인했습니다. 이는 고객 현장에서 스트레인 게이지를 설치해 부품을 계측하고 데이터를 기록해 다양한 테스트 및 개발 활동을 지원하는 Morgan Scientific Corporation에도 가치가 추가될 것입니다.
최근 주목할 만한 기타 오시텍 진보
시공 분야에서의 오시텍
International Journal of Protective Structures에 발표된 보고서에 따르면, 오시텍 재료는 토목 공학 관련 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이들은 폼-모르타르 복합재, 패브릭-모르타르 복합재, 섬유 강화 시멘트 복합재 등 다양한 형태의 시멘트 재료와 결합될 수 있습니다.
예를 들어, 오시텍 폼 층은 압축 하에서 부서지기 쉬운 석조벽을 보강하는 데 유용합니다. 이는 시멘트 복합재의 항복 후 변형 경화 효과를 크게 증가시킵니다.
오시텍 섬유는 높은 전단 강성 및 뛰어난 파단 인성을 제공합니다. 결과적으로 다공성 구조와 낮은 밀도를 가진 오시텍 폼 모르타르(AFM)의 낮은 압축 강도 문제를 극복하는 데 이러한 복합재가 유용합니다.
오시텍 섬유 강화 시멘트 복합재는 기존 시멘트 재료의 취약점인 낮은 연성, 부족한 인장 강도 및 낮은 파단 인성을 해결합니다.
섬유 분야에서의 오시텍
오시텍 섬유는 복합재, 개인 보호복, 실내 장식, 로프, 코드, 어망 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 오시텍 섬유가 이러한 분야에 제공하는 특성으로는 섬유 풀어내기 저항, 섬유 파단 인성, 에너지 흡수, 압축 및 압인 저항, 충격 저항 등이 있습니다.
생물의학 분야에서의 오시텍
오시텍은 보철, 외과용 임플란트, 봉합/근육/인대 고정장치, 그리고 심장 수술 중 혈관을 확장하는 데 사용되는 확장기와 같은 생물의학 하위 분야에 크게 기여할 수 있습니다.
압전 재료 품질 향상에서의 오시텍
전극은 오시텍 금속으로 제작될 수 있습니다. 이러한 전극은 압전 폴리머를 샌드위치하거나 압전 세라믹 막대를 오시텍 폴리머 매트릭스에 삽입함으로써 작동할 수 있습니다. 이들은 압전 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 장치 감도를 최소 두 배, 최대 백 배까지 증가시킬 수 있습니다.
필터에서의 오시텍 활용
오시텍 폼 및 벌집형 필터를 사용하면 오염된 필터를 청소할 수 있습니다. 구체적으로, 오시텍 포함물은 필터 기공을 효과적인 크기와 형태로 조정하는 데 도움을 줍니다. 또한 오염된 필터에서 발생하는 압력 상승 효과를 보완합니다. 오시텍 필터는 인장 하중 방향과 수직 방향 모두에서 기공을 열 수 있습니다.
수요 기반 오시텍 재료 설계
위의 섹션들이 보여주듯, 고급 오시텍의 활용은 빠르게 확대되고 매일 새로운 적용 분야로 확산되고 있습니다. 이러한 수요에 대응하기 위해 연구자들은 이미 주문형 오시텍 재료 설계에 관한 유용한 연구를 수행했습니다.
2022년에 주문형 오시텍 재료 설계를 위한 3단계 레시피라는 연구가 발표되었으며, 연구진은 2차원 완벽 오시텍을 설명하는 통합 프레임워크를 구축하고 이를 새로운 재료 설계에 활용할 가능성을 제시했습니다.
이 연구는 회전하는 강체 유닛과 반강자성 스핀 시스템 사이의 자연스러운 연관성을 크게 활용했습니다. 연구진은 또한 오시텍 거동을 일으키는 비자명한 플로피 모드가 나타나는 조건을 상세히 설명했습니다.
연구는 새로운 오시텍을 위한 세 가지 설계, 즉 이국적인 결정, Penrose 준결정, 그리고 오랫동안 기대된 등방성 오시텍을 제시했습니다. 연구에 따르면 이러한 설계의 오시텍 특성은 작은 구조적 교란에도 견고하게 유지될 수 있으며, 실험 및 수치 시뮬레이션을 통해 검증되었습니다.
연구 이론은 각 설계를 최소 모델로 표현했으며, 이 모델들은 다각형과 스프링을 기반으로 외부 하중에 대한 집합적 반응을 포착했습니다.
연구진은 이러한 모델을 직접 시뮬레이션하여 굽힘 힘을 무시하면서 재료 특성을 시험할 수 있기를 기대했습니다. 연구 결과의 또 다른 중요한 성과는 오시텍 도메인 벽과 이 시스템이 자기 시스템과 유사함에 따라 갖는 자연 텍스처의 거동을 일반화할 수 있는 능력이었습니다.
마지막으로, 연구에 참여한 이들은 이 연구가 이전에 본 적 없는 등방성 완벽 오시텍을 만들기 위한 기본 규칙을 확립하는 획기적인 성과라고 주장했습니다. 또한 이 연구가 3D 다면체 재료 생산에 적용될 수 있기를 기대했습니다.
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고급 오시텍의 향후 전망
오시텍 구조가 단일 설계 단계에서 다양한 기능을 제공하는 맞춤형 솔루션으로 발전했다는 것이 이제 확실히 입증되었습니다. 그 진화 과정에서 다양한 2D 패턴, 하이브리드 구조, 성능 중심의 차원 업그레이드가 나타났으며, 오시텍 특성을 내재할 수 있는 재료 목록도 확대되었습니다. 현재 호환 가능한 재료에는 폴리머, 세라믹, 금속, 바이오재료, 시멘트, 섬유 및 시멘트 복합재가 포함됩니다.
다양화된 구조 모델과 일반화된 제조 모델 모두 개선되어 높은 강성을 가진 재료에서도 오시텍 거동을 구현하게 되었습니다. 연구자와 기술자들은 또한 오시텍 재료의 응력 재분배 특성에 대해 연구하고 있습니다.
하지만 오시텍이 더욱 발전하려면 몇 가지 과제를 극복해야 합니다. 예를 들어 고속 충격 하에서의 성능과 변형·파괴 메커니즘에 대한 보다 면밀한 검토가 필요합니다. 충격 저항 구현에 대한 추가 작업도 요구됩니다. 이러한 측면에 충분히 주의를 기울이면 오시텍은 일상 생활에서 막대한 가치를 지닌 과학·기술적 특성이 될 수 있습니다.
