절단 기술을 통해 더욱 강력해진 테이프

Virginia Tech의 Michael Bartlett 팀은 고대 일본의 종이 자르기 기술인 키리가미(kirigami)를 일반 테이프의 접착력을 60배 증가시키는 방법으로 적용했습니다.

2023년 6월 22일

접착 테이프는 가전제품을 빠르게 고정하는 것부터 우편물을 확실하게 밀봉하는 것까지 다양한 용도로 사용됩니다. 접착력이 강한 테이프를 사용할 때는 표면 조각이 테이프와 함께 찢어지지 않도록 필사적으로 테이프 모서리를 긁고 들어 올리는 방법으로만 테이프를 제거할 수 있습니다.

하지만 강력하면서도 쉽게 제거할 수 있는 접착제를 만들 수 있다면 어떨까요? 이렇게 역설적으로 보이는 특성의 조합은 로봇 쥐기, 건강 모니터링을 위한 웨어러블, 조립 및 재활용을 위한 제조 분야의 응용 분야를 극적으로 변화시킬 수 있습니다.

버지니아공대 기계공학과 조교수인 마이클 바틀렛(Michael Bartlett) 팀이 수행하고 6월 22일 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 게재된 최신 연구를 통해 이러한 접착제 개발은 그리 멀지 않을 것입니다.

접착 테이프는 차체에 두 가지 색상을 칠하기 위한 더 나은 옵션을 원하는 자동차 도장공의 요구를 충족하기 위해 1920년대에 처음 개발되었습니다. 최초의 마스킹 테이프가 사용된 이후로 다양한 변형이 만들어졌습니다. 공장에서는 선물 포장용 투명 테이프, 전선 피복용 전기 테이프, 원래 의도했던 것보다 더 많은 용도로 사용할 수 있는 덕트 테이프를 출시했습니다.

일반적으로 테이프를 떼어낼 때 테이프가 완전히 제거될 때까지 스트립 길이를 따라 직선으로 분리됩니다. 강력한 접착제는 떼어내기가 더 어려워지는 반면, 재사용 가능한 접착제는 강도 제한 분리를 촉진합니다.

Bartlett의 팀은 분리 경로가 제어되면 접착제가 강력하고 제거 가능하도록 만들 수 있다는 이론을 세웠습니다. 그들은 그 방법을 결정하기 위해 2,000년 된 일본 예술 형식의 방법을 활용했습니다.

키리가미의 예술 형태는 접기와 자르기를 통해 평평한 종이를 모양이나 심지어 3차원 물체로 변형시킬 수 있습니다. 아이들은 종이 눈송이를 만들 때 이 방법의 기본 형태를 자주 사용합니다.

하지만 연구팀은 눈송이 이상의 것을 만들고 있었습니다. 키리가미의 교묘한 기원으로 인해 이 방법은 접착제 전체에 슬라이스 또는 절단을 설정하기 위한 프레임워크를 제공했습니다. Bartlett의 팀은 이러한 원리를 사용하여 일련의 U자형 절단을 설계했습니다.

Bartlett은 "우리는 컷을 사용하여 접착제가 분리되는 방식을 제어할 수 있다는 것을 깨달았습니다."라고 말했습니다. “공학적 절단은 특정 위치에서 접착제 분리 경로를 강제로 뒤로 이동시킬 수 있는데, 이를 역균열 전파라고 부르며 접착제를 매우 강하게 만듭니다. 하지만 반대방향으로 벗겨내면 항상 앞으로 나가기 때문에 쉽게 떼어낼 수 있습니다. 이는 상당히 특이한 현상이지만 강력하면서도 분리 가능한 접착제를 만드는 데 매우 유용합니다.”

콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 Rong Long 부교수와 네브래스카 대학교 링컨(University of Nebraska Lincoln)의 Eric Markvicka 조교수가 포함된 Bartlett의 팀은 이러한 절단을 적용하면 테이프의 접착력이 60배 더 강해지면서도 여전히 쉽게 접착할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 반대 방향으로 벗겨서 제거합니다. 또한 팀은 테이프 유형이 중요하지 않다는 사실도 발견했습니다. Kirigami는 포장 테이프부터 의료용 테이프까지 테스트한 모든 유형의 테이프 접착력을 높였습니다. 모든 경우에 강한 접착 결합은 더욱 강해지고 일반적으로 약한 접착제도 강도가 증가합니다.

황도규 전 대학원 연구원은 “정말 중요한 것은 절단 부위의 모양과 크기입니다.”라고 말했습니다. "특정 접착 재료에 의존할 필요는 없지만 접착제의 물리적 특성에 따라 정의되는 특정 크기로 절단이 이루어지면 우리가 시도한 모든 시스템에서 접착력이 향상된다는 사실을 발견했습니다."

이 접근 방식의 또 다른 흥미로운 결과는 고도로 맞춤화될 수 있다는 것입니다.

“특정 위치에 컷을 배치함으로써 우리는 이 역방향 균열 전파를 활성화하여 모든 필름 위치에서 접착 강도를 조정할 수 있으며 더 나아가 필름의 단일 영역에서 동시에 두 방향의 접착 강도 프로그래밍을 가능하게 합니다. 또한 우리는 신속한 디지털 제작 접근 방식을 사용하므로 조정 가능한 강도를 갖춘 고도로 맞춤화 가능한 접착제를 신속하게 만들 수 있습니다. 이는 미래 접착제 개발을 위한 매우 흥미로운 방법론입니다.”라고 Bartlett은 말했습니다.