방탄복은 총알이나 폭발로 인한 파편으로부터 몸을 보호하는 데 도움이 된다.
하지만, 아무리 방탄 성능이 높아도 소재가 너무 무겁다면 실용적이지 못하다. 그래서, 미국 위스콘신대 매디슨교 물리학부에 소속된 라마사산 자바마란 씨 등의 연구팀은, "나노 파이버 매트"로 불리는 새로운 초경량 장갑 재료를 개발했다.
이 소재는 매우 가볍고, 강철이나 케블러보다 뛰어난 방탄 성능을 갖추고 있다고 한다.
■ 강철을 뛰어넘는 "가볍고 고강도 소재"가 탄생
방탄복에는, 총알이나 날아오는 파편을 관통시키지 않는 것 이상의 성능이 필요하다. 총알이 관통되지 않는다고 해도, 그 충격은 몸에 전해지기 때문이다. 방탄조끼를 입어도 골절이 되거나 내장이 터진다고 하는 이야기를 들어봤을 것이다.
그래서 중요한 것은 "얼마나 충격을 흡수하느냐"하는 점이다.
또한, 아무리 방탄 성능이 높다고 해고, 무겁다면 용도가 제한될 것이다.
이에 강철의 5배 인장 강도를 가진 케블러(아라미드 섬유)를 이용하게 되었다는....이것에 의해 권총 탄환을 막을 수 있는 소프트 아머가 등장한 것이다. 게다가 중요 부위에 세라믹 플레이트를 추가한 하드 아머도 등장, 기동력을 희생하여 방탄 성능을 향상시킨 타입도 존재한다.
그럼, 방탄 성능과 가벼움을 향상시키기 위해서는 어떻게 하면 좋은 것일까?
연구팀은, 탄환뿐 아니라, 더 강력한 충격마저 완화할 수 있는 초경량 장갑 재료를 개발하기로 했다. 그리고 실제로 개발된 새로운 재료들은 "방탄조끼를 훨씬 능가하는 아머"를 만들어내는데 도움이 될 수도 있다.
■ 방탄 조끼를 압도하는 충격 흡수 재료! 우주선 장갑에도 도움이 될까?
카본 나노튜브는 육각형으로 배치된 탄소원자(그래핀)시트를 원통형으로 둥글게 만든 구조이다.
그 강도는 강철의 약 20배이며, 섬유 방향의 인장 강도는 다이아몬드를 능가하는 것으로 알려져 있다. 최근, "차세대의 소재"로서 주목받고 있다.
그런데, 연구팀은 2개의 소재를 적절한 비율로 합성해, 섬유간에 수소 결합을 발생시키는 것에 성공.
이에 따라 충격 흡수 성능이 비약적으로 향상되었다는 것이다.
자바라만 씨는, 수소 결합의 효과를 다음과 같이 설명하고 있는데...
"수소결합은 동적인 결합입니다. 분리와 결합을 끊임없이 반복함으로써 많은 양의 에너지를 방출할 수 있습니다"
재료에 가해진 충격을 흡수하고 완화하려면, 충격의 운동 에너지를 다른 에너지로 변환하거나 놓아주지 않으면 안된다. 섬유 사이에 있는 수소 결합이 그 역할을 해 주고 있다는 것이다.
그리고 초음속의 미립자를 쏘아 넣는 테스트에서는, 에너지 산일 성능(에너지를 변환하는 성능)이 100% 향상되었다고 보고.
매우 가벼운 나노 파이버 매트는, 기존의 케블라와 무거운 강철 판보다 고속 물체의 충격을 완화해준다.
연구팀은, 이 새로운 재료의 성능이 높아 방탄복뿐만 아니라, 초경량 장갑으로도 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.
미래에는 우주선의 장갑으로 이용돼, 우주쓰레기 충돌시 충격을 흡수해 줄 가능성이 있다고 한다.
