로프에 코팅된 색의 변화로 줄의 안전성 감지할 수 있다.

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-01-25 15:20:01
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- 손상과 과부하의 결과가 보통 맨눈으로 보이지 않아 사고 초래
- 특수 재질로 코팅된 로프는 마찰, 화재로 고온에 노출되면 변색, 로프 적시에 교체
- 색 변화가 일어나는 온도를 100~400도 사이에서 설정 가능, 로프 재료에 맞게 조정

코팅은 로프에 눈에 보이지 않는 손상을 보여준다.
변색은 초기에 섬유의 손상 및 과부하를 나타낸다.


과부하 또는 사용으로 인해 안전 로프가 손상된 것을 종종 인식할 수 없다.
겉보기에 멀쩡한데 이유 없이 갑자기 찢어진다. 이것이 연구자들이 고성능 섬유에 손상이 나타나는 상태를 알려주는 특수 코팅을 개발한 이유다. 이 코팅으로 덮인 로프는 마찰이나 화재로 인해 고온에 노출되면 색이 변한다. 그래서 로프를 적시에 교체 할 수 있다. 

▲ 안전한 로프는 등반뿐만 아니라 산악 구조, 소방 서비스 및 기타 목적에도 중요하다. pixabay

산악 등반, 소방대 안전 로프 또는 건설 현장의 무거운 하중을 위한 서스펜션 로프 등 오늘날 많은 분야에서 로프가 사용된다. 생명줄과 같은 이러한 밧줄은 찢어지지 않고 내구성이 뛰어난 고성능 재료로 만들어진다. 그러나 이러한 섬유의 대부분은 온도가 너무 높거나 과부하가 걸리면 안정성을 잃는다. 섬유의 미묘한 손상과 변화는 하중을 지지하는 능력을 감소시킨다.

문제는 이러한 손상과 과부하의 결과가 보통 맨눈으로 보이지 않는다는 것이다.
종종 현미경 검사에서만 밝혀진다. 결과적으로 이전에는 여전히 손상되지 않은 것처럼 보였던 안전 로프가 일상적인 사용 중에 반복적으로 문제를 일으킨다.

섬유 손상을 가시화

이것이 스위스 연방 재료연구소(Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt; EMPA)와 ETH Zurich의 디르크 헤게만(Dirk Hegemann)이 이끄는 연구자들이 최근 과도한 하중으로 인해 로프가 더 이상 충분히 안전하지 않은 즉시 색상이 변하는 코팅을 개발한 이유다.
▲ 색상 변화는 이 코팅된 폴리에스테르 섬유가 가열되어 더 이상 안전하지 않음을 나타낸다. © Empa

새로운 표식 방법의 기본은 2018년에 연구자들이 개발한 3부분 코팅 시스템이다.
첫 번째 층은 은으로 구성되어 있으며 금속 베이스 층과 반사체 역할을 한다.
그다음에는 은이 안정적으로 유지되도록 하는 티타늄 산화질소의 중간층이 이어진다.
필요한 세 번째 층은 20nm(나노미터) 두께의 게르마늄-안티몬-텔루륨(GST;Germanium-Antimon-Tellurium)으로 색상을 변경한다.

이 세 번째 층이 고온에 노출되면 결정화된다.
이것은 빛의 굴절을 변경하고 색상 인상이 파란색에서 흰색으로 변경된다.
화학 성분을 조절하여 색 변화가 일어나는 온도를 100~400도 사이에서 설정할 수 있다.
이를 통해 경고(alarm) 코팅이 로프 재료의 개별 속성에 맞게 조정될 수 있다.

입자 증기에서 균일한 층으로

이 코팅의 실제 구현은 그렇게 쉽지 않았다.
연구진은 원래 이 다중 부분 코팅을 매끄럽고 고른 표면을 위해 설계했기 때문이다.
그래서 그들은 먼저 코팅을 조정하여 로프의 거친 곡선 표면에 부착되도록 해야했다.
Hegemann은 “여러 단계가 있는 프로세스였다”고 설명했다.

이를 위해 연구팀은 소위 스퍼터링 방법을 사용했다. 이 기술을 사용하면 원자를 고에너지 이온으로 충격을 가하여 코팅 재료에서 분리하고 가스로 변환한다. 이 입자 증기는 로프의 섬유에 침착되고 최종적으로 매우 얇고 단단하게 접착되는 층으로 응축된다.
▲ 손상되지 않은 것처럼 보였던 안전 로프가 일상적인 사용 중에 반복적으로 문제를 일으킨다.

진행 중인 연구

초기 연구는 코팅 원리가 안전 로프에 적용될 수 있다는 것을 보여줬다.
그러나 Hegemann이 인정한 것처럼 연구는 끝나지 않았다. 현재 섬유는 장기간 보관할 수 없기 때문에 “안타깝게도 상변화 물질은 몇 달 동안 산화된다”고 연구원은 설명했다.

세 번째 층의 결정화는 열에서도 더이상 일어나지 않으며 로프는 ‘경고 신호’를 잃게 된다.
그러나 내구성 향상은 확실히 가능하다. "업계 최초의 파트너가 자사 제품에 관심을 보이는 즉시 섬유는 필요에 따라 더욱 최적화될 수 있다"고 Hegemann은 덧붙였다.
소방관 및 등산가를 위한 안전 장비 외에도 코팅된 섬유는 예를 들어 건설 현장의 로드 로프에 사용할 수 있다.

출처 : Empa-Federal Materials Testing and Research Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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