잘 찢어지지 않는 자가치유 소재 개발
자가치유 전자 피부, 소프트 로봇, 웨어러블 센서 등 응용 기대
□ 국내 연구진이 높은 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 갖춘 연성 전자기기 소재를 개발하여 첨단 소재 산업의 경쟁력 강화와 지속 가능한 친환경 전자기기 발전의 기반을 강화하였다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 서울대학교 화학부 강지형 교수 연구팀이 높은 파단* 강도와 인성**을 동시에 구현한 자가치유 고분자 센서 소재의 설계 및 제작에 성공하였다 밝혔다.
* 파단: 재료가 파괴되거나 잘록하여져서 둘 이상의 부분으로 떨어져 나가는 일.
** 인성: 재료의 질긴 정도. 외부에서 잡아당기거나 누르는 힘 때문에 갈라지거나 늘어나지 않고 견디는 성질.
□ 건강 모니터링, 소프트 로봇, 플렉서블 전자기기 등 다양한 분야에서 신축성 전자기기의 사용이 증가하며 자가치유 능력과 높은 기계적 강도를 동시에 갖춘 고분자 소재 개발이 요구되고 있다.
○ 소재의 자가치유 기능은 기기의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감하는 핵심요소로 웨어러블 기술과 소프트 로봇의 실용성 향상의 기반이 된다.
○ 하지만 기존의 이온 기반 자가치유 센서 소재는 유연성은 우수하지만 이온이 고분자 간 결합을 방해해 기계적 강도와 인성이 저하됨에 따라 반복적인 변형이나 외부 자극에 쉽게 손상되는 한계가 있다.
□ 연구팀은 폴리카프로락톤(PCL)* 주사슬에 방향족 이황화 결합**과 2-유레도-4-피리미돈(UPy)*** 작용기를 도입하여 이온성 환경에서도 높은 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 갖춘 신축성 자가치유 고분자 소재와 센서 소재를 개발하였다.
*폴리카프로락톤(PCL)*은 친수성 고분자 백본으로, 이온성 액체와 결합 시 높은 이온 전도성을 갖출 수 있다.
**방향족 이황화 결합은 고분자 내 결합이 끊어지더라도 스스로 복구하는 자가치유 특성을 부여한다.
***2-유레도-4-피리미돈(UPy)은 고분자 체인 간 강한 쿼드러플(네 겹) 수소 결합을 통해 기계적 강도와 인성을 강화하는 역할을 한다.
○ 새로운 자가치유 소재는 성능 평가 및 기계적 시험 결과 신장율 850%, 파단 강도 30 MPa, 인성 87.3 MJ/m 등 기존 자가치유소재 대비 뛰어난 기계적 물성을 보여주었다.
□ 연구팀은 새로운 자가치유 소재를 활용해 자가치유 센서와 자가치유 그리퍼*를 제작해 반복적인 외부 자극과 손상에도 원래 성능을 유지하는지 평가하였다.
○ 시험 결과 손상 후 자가치유된 센서와 그리퍼가 초기 성능을 90% 이상 회복해 전자 피부 등 유연기기로의 응용 가능성을 입증하였다.
*그리퍼(gripper): 물체를 집거나 이동시키는 역할을 하는 장치.
□ 강지형 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 연성 전자기기가 다양한 환경에서 장기적인 안정성을 유지할 수 있는 기술적 기반을 마련하였다”라며 “후속연구를 통해 제조공정 최적화 및 다양한 온습도 조건에서도 높은 기계적 물성과 자가치유 능력을 유지할 수 있는 재료를 개발하여 실용적 응용 가능성을 더욱 확대하겠다”라고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 11일 게재되었다.
