폼에 섬유를 꿰매 만든 단단한 복합재

퇴근길에 버스 뒤를 따라가다 보면 바퀴가 맨홀 뚜껑을 밟는 순간 '덜컹' 하는 소리가 나요. 별생각 없이 지나치지만, 그 둥근 쇳덩이는 하루 종일 크고 작은 차의 무게를 받아내고 있어요. 길 위에는 이렇게 눈에 띄지 않아도 묵묵히 힘을 견디는 물건이 꽤 많아요. 이번 글은 그런 바닥 위의 물건을 다시 보게 하는 소재 이야기예요.

가볍게 만들면서 튼튼하게도 만드는 일은 생각보다 어려워요. 여행 가방을 쌀 때 짐은 줄이고 싶은데 가방은 든든했으면 하는 마음과 똑같아요. 건물을 짓는 사람도, 비행기를 만드는 사람도 같은 욕심을 품고 일해요. 그 욕심을 따라가 보면 뜻밖에도 샌드위치가 등장해요.

이미지 출처: NASA

맨홀 뚜껑 위를 지날 때 왜 덜컹거릴까요?

덜컹거리는 소리는 바퀴가 바닥의 높낮이 차이와 만날 때 나요. 뚜껑이 조금만 들떠 있어도 무거운 차가 지날 때마다 충격이 되풀이돼요. 길 위의 물건은 가만히 있는 것 같지만 사실 하루 종일 망치질을 당하는 셈이에요. 그래서 바닥에 놓이는 재료는 갑자기 오는 큰 힘보다 반복되는 힘을 견디는 능력이 중요해요.

묵직한 쇠 뚜껑을 손으로 들어 보려 한 적이 있나요? 무게가 곧 든든함처럼 느껴지지만, 옮기고 여닫는 사람에게는 부담이 되기도 해요. 그렇다고 얇고 가볍게만 만들면 휘거나 깨지기 쉬워요. 가벼움과 튼튼함은 시소의 양쪽 끝에 앉은 아이들처럼 한쪽이 올라가면 다른 쪽이 내려가기 마련이에요.

이런 고민은 바닥뿐 아니라 다리와 배, 비행기에서도 비슷해요. 가벼우면 연료도 덜 들고 옮기기도 쉬운데, 약해지면 안 되니까요. 그래서 재료를 연구하는 사람들은 오래전부터 같은 무게로 더 강하게 만드는 숙제를 붙들어 왔어요. 이 숙제는 끝이 보이지 않는 계단 오르기와 닮았어요.

가볍고 단단한 구조는 어떤 원리로 만들어질까요?

종이를 넓게 펴서 양쪽 끝을 잡고 들면 축 처져요. 그런데 얇은 종이 판 사이에 빨대를 촘촘하게 끼워 붙이면 같은 종이로도 훨씬 덜 휘어요. 바깥의 판은 늘어나고 줄어드는 힘을 나눠 받고, 가운데의 가벼운 속은 바깥 판들을 멀리 떨어뜨려 놓는 역할을 해요. 두꺼운 책과 얇은 공책을 구부려 보면 두께가 클수록 휘기 어렵다는 걸 바로 느낄 수 있어요.

이런 구조를 흔히 샌드위치 구조라고 불러요. 빵 사이에 속 재료가 들어가듯, 단단한 겉판 사이에 가벼운 속을 넣어서 붙은 이름이에요. 속이 거의 공기로 채워진 거품 같은 재료라면 무게는 크게 늘지 않으면서 두께만 키울 수 있어요. 그래서 가벼움과 단단함이라는 서로 다른 요구를 한꺼번에 노릴 수 있어요.

여기에 섬유가 더해지면 이야기가 더 재미있어져요. 섬유는 길게 당기는 힘에 아주 강해서, 실 가닥은 약해 보여도 모이면 밧줄처럼 버텨요. 청바지의 박음질이 천을 이어 붙여 주듯, 섬유로 꿰매면 겉판과 속이 따로 놀지 않고 서로를 붙잡아 줘요. 겉판이 속에서 떨어져 나가는 걸 막는 일은 샌드위치 구조에서 늘 중요한 문제예요.

마지막으로 수지가 있어요. 수지는 처음에는 끈적한 액체였다가 굳으면서 재료 사이사이를 채워 붙여 주는 물질이에요. 젖은 모래에 접착제를 섞어 굳히면 모래성이 돌덩이가 되듯, 천과 섬유 사이로 스며든 수지가 굳으면 전체가 한 덩어리처럼 움직여요. 우주로 물건을 쏘아 올릴 때는 무게를 킬로그램 단위로 아끼고 발사의 진동과 큰 온도 변화도 견뎌야 해서, 이런 구조는 특히 반가운 존재예요.

소재 개발에 시험 시설은 왜 필요할까요?

새로운 소재는 종이 위의 계산만으로는 완성되지 않아요. 직접 눌러 보고 때려 보고 부딪쳐 봐야 어디가 약한지 드러나거든요. 새 운동화를 사고 한동안 신어 보며 발에 맞는지 확인하는 것과 비슷해요. 그래서 시험할 수 있는 장소가 어디에 있느냐는 개발 과정에서 꽤 큰 몫을 차지해요.

WebCore Technologies는 글렌 연구센터의 탄도 충격 시설을 활용해 섬유 강화 폼 기술인 TYCOR을 개발하고 상용화했어요. TYCOR은 섬유 강화 폼 기술이에요. TYCOR 복합재는 항공우주, 국방, 건설, 운송, 해양, 산업 시장을 대상으로 하는 경량·저비용 샌드위치 패널이에요.

가볍고 값싼 판이 필요한 곳은 생각보다 많아요. 캠핑장의 접이식 테이블, 이사할 때 쓰는 칸막이 판, 전시장의 가벽처럼 일상에도 흔하죠. 쓰임새마다 요구하는 강도는 달라도, 가벼우면서 가격이 부담스럽지 않기를 바라는 마음은 겹쳐요. 하늘을 나는 물체든 바다 위의 배든 그 바람은 크게 다르지 않을 거예요.

이미지 출처: NASA

이 소재의 속은 어떻게 생겼을까요?

TYCOR은 폼 심재를 천 외피로 덮은 뒤 강화 섬유로 꿰맨 구조예요. 겹겹의 옷감 사이에 솜을 넣고 박음질한 누비 이불을 떠올리면 모습이 어렴풋이 그려져요. 이불이 한쪽으로 쏠리지 않도록 줄줄이 박아 둔 바느질선이 눈에 선하지 않나요? 물론 이불과는 전혀 다른 물건이지만, 겹쳐 놓고 꿰맨다는 발상만 빌려 와도 이해가 쉬워요.

외피와 섬유에 수지를 함침시키면 매우 튼튼하고 손상에 강한 복합재 시스템이 돼요. 함침이라는 낱말이 낯설다면 물을 머금은 스펀지를 떠올려 보세요. 스펀지 구멍마다 물이 차오르는 모습이 비슷한 장면이에요. 앞에서 이야기한 수지의 성질까지 겹쳐 생각하면 그림이 훨씬 또렷해져요.

TYCOR의 주요 특징은 고전단 강도와 강성이에요. 여기에 높은 인장 뽑힘 강도와 우수한 손상 허용성이 더해져요. 전단이라는 말이 어렵다면, 두꺼운 책 더미를 옆에서 밀 때 책장이 미끄러지는 장면을 떠올려 보세요. 뽑힘은 벽에 박은 못이 쑥 빠지는 장면과 닮은 말이에요.

손상 허용성은 흠집이 났다고 곧바로 무너지지 않는 성질을 말하는 걸까요? 찢어진 비닐봉지가 끝까지 쭉 찢어지는 장면과 반대되는 모습을 상상하면 가까워요. 일상에서도 작은 상처에 와르르 무너지는 물건보다, 상처가 나도 버티는 물건이 믿음직하게 느껴지죠. 바닥이나 다리처럼 늘 힘을 받는 곳이라면 더욱 그렇겠죠.

활주로와 교량에는 어떻게 들어갈까요?

이 기술은 현재 교량과 경량 활주로 매팅 시스템의 일부가 되어 있어요. 임시 활주로 등에 지금 쓰이는 알루미늄 매팅을 대체하도록 경량 시스템이 개발되고 있어요. 다리와 활주로는 둘 다 무거운 것이 줄지어 지나다니는 곳이라는 점이 먼저 떠올라요.

임시로 깔았다 걷어 내는 바닥이라면 가벼운 쪽이 다루기 편할 거예요. 캠핑장이나 행사장에서 바닥 보호판을 옮겨 본 사람이라면 무게가 얼마나 일을 늘리는지 알 거예요. 판 하나는 가벼워도 여러 장을 나르면 이야기가 달라지니까요.

비행기가 내려앉는 바닥이 어떤 힘을 받을지 상상해 본 적이 있나요? 큰 바퀴가 닿는 순간의 충격을 바닥이 고스란히 받아야 하고, 그 충격은 날마다 되풀이돼요. 바닥이 되는 재료는 눈에 띄지 않아도 가장 먼저 시험대에 올라요.

바닥이든 다리든 쓰임이 정해지면 사람들은 그 위를 믿고 걷고 달려요. 우리는 발밑을 의심하지 않기 때문에 발밑의 재료를 거의 떠올리지 않죠. 평소에는 보이지 않는 곳에서 조용히 일하는 물건일수록 한 번쯤 눈여겨볼 만해요.

맨홀 뚜껑은 정말 바뀔 수 있을까요?

처음의 그 덜컹거리는 장면으로 돌아가 볼까요? WebCore Technologies는 전통적인 맨홀 뚜껑을 섬유 강화 형태로 바꾸는 가능성도 탐색하고 있어요. 섬유 강화 맨홀 뚜껑은 하중을 받는 차량을 더 잘 견딜 수 있을 것으로 기대돼요.

뚜껑을 여는 작업자의 모습을 한번 상상해 보세요. 무게가 줄어들면 어떤 점이 달라질지, 도로 위의 소리는 어떨지 궁금해지지 않나요? 물론 이 장면들은 제 상상일 뿐이에요.

내일 출근길에 맨홀 뚜껑 위를 지난다면 덜컹 하는 소리에 한 번 귀를 기울여 보세요. 늘 밟고 지나던 바닥이 어떤 재료로 버티고 있는지 궁금해질지도 몰라요.

참고 자료: NASA Spinoff 공식 사례 (GRC-SO-104) · spinoff.nasa.gov
이미지는 NASA 공개 자료이며, 이 글은 NASA의 공식 입장이나 보증과 무관합니다.