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강하고 질기면서 외부 충격에도 회복하는 자가치유 소재 개발

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강하고 질기면서 외부 충격에도 회복하는 자가치유 소재 개발

2021.05.10 12:00
화학연-부경대 공동연구
연구진이 개발한 소재는 정지시에는 불규칙한 수소결합으로 부드러워 자가치유가 잘되며(위 그림) 외부에서 충격이 가해졌을 때는 규칙적인 수소결합으로 단단해진다(아래 그림). 화학연 제공.
연구진이 개발한 소재는 정지시에는 불규칙한 수소결합으로 부드러워 자가치유가 잘되며(위 그림) 외부에서 충격이 가해졌을 때는 규칙적인 수소결합으로 단단해진다(아래 그림). 화학연 제공.

국내 연구진이 실온에서 절단돼도 스스로 회복하는 자가치유 기능을 가지면서 신발 밑창만큼 질긴 소재를 개발했다. 지금까지 개발된 자가치유 소재 중 기계적 강도가 가장 높은 수준의 소재로 의류나 신발, 타이어, 롤러블·폴더블 디스플레이 제품의 수명을 늘리는 데 도움을 줄 것으로 기대된다. 

 

한국화학연구원은 황성연 바이오화학연구센터장과 오동엽·박제영 선임연구원 연구팀이 엄영호 부경대 고분자공학과 교수 연구팀과 공동연구를 통해 세계 최고 수준의 강도를 지닌 자가치유 신소재를 개발하고 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 발표했다고 10일 밝혔다. 

 

의류나 신발, 타이어나 디스플레이 제품의 소재의 자가치유가 가능하다면 제품의 수명을 늘릴 수 있어 자가치유 신소재 개발은 전세계적으로 활발하다. 

 

자가치유 소재는 분자 간 결합이 느슨하고 분자들이 자유롭게 이동해야 구현할 수 있다. 단단한 고체가 아닌 젤리처럼 부드러워야 회복도 잘 된다. 이런 이유로 지금까지 개발된 자가치유 소재는 소재를 당겨 끊어질 때까지 들어가는 힘인 인장강도가 약했다. 외부 마찰이나 압력을 견디면서 인장 강도가 강한 자가치유 소재를 개발하는 게 과제였다. 

 

연구팀은 단단하고 질기면서도 자가치유 능력이 좋은 서로 모순된 속성을 갖는 새로운 소재를 개발했다. 기존 상업화 소재인 열가소성 폴리우레탄 기본 골격에 외부 충격을 받으면 수소결합을 형성해 단단해지고 충격이 없을 때는 수소결합을 하지 않아 말랑해지는 특수 카보네이트 화합물을 개발한 것이다. 

왼쪽부터 화학연 오동엽 선임연구원, 황성연 센터장, 김선미 연구원, 박제영 선임연구원. 화학연 제공.
왼쪽부터 화학연 오동엽 선임연구원, 황성연 센터장, 김선미 연구원, 박제영 선임연구원. 화학연 제공.

연구팀이 개발한 소재는 인장강도가 43메가파스칼(MPa) 이상이었다. 이는 신발 밑창으로 쓰이는 폴리우레탄 소재와 유사한 수준이다. 지금까지 자가치유 소재의 인장강도 최고기록은 일본 동경대나 이화학연구소(RIKEN)가 달성한 20~30MPa 정도다. 

 

또 이 소재는 외부 압력 세기에 따라 물질이 단단해지는 정도가 달라진다. 외부 압력 정도에 따라 고체와 젤리 상태를 오가면서 충격 흡수를 조절하고 스스로 손상도 회복하는 것이다. 

 

이번 연구는 차세대 첨단 디스플레이인 롤러블·폴더블 디스플레이의 손상과 회복 문제를 극복할 방안으로 기대를 모은다. 오동엽 선임연구원은 “롤러블·폴더블 디스플레이의 경우 여러번 펼치고 접는 과정에서 소재 피로 손상을 겪는데 개발된 소재를 적용하면 손상을 끊임없이 회복해 이런 문제를 극복할 것으로 기대된다”고 말했다. 

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