자가 치유 스마트 고탄성 소재 개발

자가 치유 스마트 고탄성 소재 개발

 

영화 '터미네이터'(Terminator)의 ‘T-1000’이나 ‘더 울버린’(The wolverine)의 울버린처럼 스스로 외부의 상처를 치유하는 기능을 지닌 신소재의 성능을 2배 향상시킨 스마트 고탄성 소재가 개발됐다. 스마트폰을 새로 사면 액정에 흠집이 나는 것을 막으려 곧장 액정 보호 필름을 붙인다. 그러나 필름에도 흠집이 나기 때문에 주기적으로 필름을 바꿔야 한다. 국내 과학자가 흠집이 나도 스스로 흠집을 없애는 액정 보호 필름 소재를 개발한 것이다.

 

한국 화학 연구원은 2018년 01월 10일 “실온에서 자가 치유 기능을 가지는 고분자의 강도가 현존 최고 대비 2배 수준으로 향상된 ‘엘라스토머’(Elastomer) 신소재 원천 기술을 개발했다”고 밝혔다. 엘라스토머(Elastomer)는 외부에서 힘을 가해 잡아당기면 늘어나고, 힘을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는 성질을 지닌 형상 기억 고분자를 말한다.

 

연구팀이 개발한 엘라스토머(Elastomer) 소재는 인장 강도 값 6.8MPa, 인장 인성 값 26.9MJ/㎥를 달성해 기존 세계 기록을 2배 경신했다. 상온 자가 치유 소요 시간도 2시간으로 획기적으로 줄어들었다. 연구팀은 20-30도의 상온에서 스크래치나 절단과 같은 외부 스트레스가 발생해도 시간이 지나면 스스로 원래 상태로 돌아오는 자가 치유 기능을 지닌 황 화합물과 주변의 고분자 화학 구조를 설계해 실온에서의 자가 치유 효율과 기계적 강도가 모두 높은 투명 엘라스토모(Elastomer) 신소재를 개발했다.

 

자가 치유 소재는 스마트 보호 필름, 자동차 도장, 4차 산업용 센서 소재 등에 응용될 수 있다. 이런 소재는 상온에서 자가 치유 기능을 발현함과 동시에 기계적 강도가 높아 내구성이 보장돼야 한다. 하지만, 지금까지 개발된 소재들은 자가 치유 기능을 지녔음에도 기계적 강도가 낮아 상용화가 어려웠다. 연구팀은 기존 상업화 소재인 열가소성 폴리우레탄 기본 골격에 황 화합물을 설계해 실온에서 복분해 반응이 이뤄지도록 했다. 열가소성은 열을 가하면 부드럽게 돼 다른 모양으로 바꿀 수 있는 성질을 말한다. 복분해 반응은 두 종류의 화합물이 서로 성분을 교환해 새로운 다른 화합물을 만드는 반응이다.

 

개발한 신소재는 절단해서 재접합한 뒤에 실온에서 2시간 만에 원래의 기계적 강도를 80% 이상 회복하고 6시간 뒤에는 완전히 회복해 5㎏의 아령을 들 수 있을 정도로 높은 기계적 강도를 보였다. 연구팀은 “기존 센서는 외부 손상으로 작동이 되지 않을 때 고치려면 인위적으로 접합해야 했다. 하지만, 신소재 센서는 스크래치가 나며 30분 안에 스크래치를 회복해 전기적으로 자동 복구된다”고 밝혔다. 연구팀은 또 “이번에 개발한 기술이 이미 상업화돼 쓰고 있는 열가소성 폴리우레탄의 중합 및 가공 공정을 그대로 이용할 수 있어 추가 생산 공정을 개발하지 않아도 쉽게 상업화할 수 있을 것”이라고 밝혔다.