한국화학연구원은 실온에서 자가 치유 기능을 가지는 고분자의 강도가 기존 세계 최고 대비 2배 수준으로 획기적으로 향상된 엘라스토머 신소재 원천기술을 개발했다.

자가 치유 능력은 영화 캐릭터 “터미네이터 T-1000”이나 “더 울버린”에서 나오는 것처럼 스스로 외부의 상처를 회복하는 능력이다. 신소재 분야에서는 스크래치나 절단과 같은 외부 스트레스가 발생해도 시간이 지나면 스스로 원래 상태로 돌아오는 고분자 소재들이 많은 주목을 받고 있다.

화학연 융합화학연구본부 바이오화학연구센터 황성연 박제영 오동엽 박사 공동연구팀은 상온 자가 치유 기능을 가지는 황(Sulfur) 화합물과 주변의 고분자 화학구조를 설계하여, 실온에서의 자가 치유 효율과 기계적 강도가 모두 높은 투명 엘라스토머 신소재를 개발했다.

연구결과는 재료화학 분야 최고 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 2018년 첫 번째 간행물 전면 표지논문으로 게재되었다.

자가 치유 소재가 스마트 보호필름등으로 상용화되기 위해서는 20~30도의 실온에서 자가 치유 기능을 발현해야 한다. 그런데 기존 소재는 고분자의 움직임이 자유로워 자가 치유 기능은 있는 반면, 기계적 강도가 약해 상용화가 어려웠다. 이에 실온에서의 자가 치유 기능과 기계적 강도를 동시에 만족하는 신소재 개발이 전 세계 연구진에 의해 경쟁적으로 이루어지고 있다.

화학연 황성연 박제영 오동엽 박사 공동연구팀은 기존 연구와 다른 방식으로 강도가 높은 소재에 자가 치유 기능을 부여하는 연구에 주목하여 자가 치유 기능과 기계적 강도 두 가지를 모두 충족시켰다. 연구팀은 기존 상업화 소재인 열가소성 폴리우레탄 기본 골격에 황(Sulfur) 화합물을 설계해 실온에서 복분해 반응이 잘 이루어질 수 있도록 했다.

또한 화합물 구조 내의 단단한 부분(하드 세그먼트)의 밀집도를 낮추고 링-플립 현상이 일어나는 물질을 적용하여 자가 치유 기능이 우수할 수 있도록 고분자 구조를 설계 하였다. 이러한 방법으로 고분자 물질의 확산 속도를 높이고 반응을 촉진하여 기존 소재의 기계적 강도를 2배 경신하는 신소재 원천기술을 개발했다.

개발한 신소재는 절단 및 재접합 후 실온에서 2시간 만에 원래의 기계적 강도를 80% 이상 회복하였고, 6시간 후에는 완전히 회복하여 5kg의 아령을 들 수 있을 정도로 높은 기계적 강도를 보였다. 박제영 박사는 “기존에 많이 알려진 열가소성 폴리우레탄의 화학구조에서 고분자 구조 설계를 우리가 생각하는 방향으로 새롭게 디자인하여, 상온 자가 치유 기능을 부여했다.”고 말했다.

연구팀은 개발한 신소재가 자동차 도장 및 스마트폰 보호필름, 4차 산업용 센서 소재 등에 응용될 수 있다고 소개했다. 기존 센서는 외부 손상 시 센서 작동이 되지 않을 때 이를 고치기 위해 인위적으로 접합해야 했다. 하지만 본 소재로 만들어진 센서는 스크래치가 나면 30분 안에 스크래치를 회복하여 전기적으로 자동복구된다. 또한 스마트 보호필름의 경우, 표면에 스크래치가 나더라도 가만히 놔두면 스스로 새 것처럼 돌아오는 기능을 부여할 수 있다.

본 기술은 이미 현재 상업화되어 쓰고 있는 열가소성 폴리우레탄의 중합 및 가공 공정을 그대로 이용할 수 있어서 추가 생산 공정을 개발하지 않아도 된다. 따라서 향후 상업화에 용이할 것으로 기대된다. 오동엽 박사는 “기존의 보호필름 소재에 자가 치유라는 스마트 기능을 추가적으로 부여하는 기술이기 때문에 산업화 가능성이 높다.”고 말했다.

황성연 박사는 “본 연구결과는 상온 자가 치유 고분자 분야에서 새로운 연구 아이디어를 제시하면서도 상업화가 충분히 가능하다는 두 마리 토끼를 동시에 잡은 결과다. 또한 기본 화학구조 디자인에서부터 고분자 중합, 상온 자가 치유 능력 분석, 센서 적용 연구까지 화학(연) 단독으로 완성한 기술이라는 것에 자부심이 크다.” 고 연구의의를 밝혔다.

본 연구는 울산지역 경제협력권산업육성사업의 지원을 받아 수행되었다.