한국화학연구원(원장 직무대행 정순용)은 황성연·박제영·오동엽 융합화학연구본부 바이오화학연구센터 박사 공동연구팀이 실온에서 자가 치유 기능을 갖는 ‘엘라스토머’ 신소재를 개발했다고 10일 밝혔다. 

자가 치유는 스스로 외부의 상처를 회복하는 능력으로 신소재 분야에서는 스크래치나 절단과 같은 외부 스트레스가 발생해도 시간이 지나면 스스로 원래 상태로 돌아가는 고분자 소재 개발 경쟁이 치열하다. 

영화 '테미네이터 T-1000'이나 '더 울버린'에 자가 치유 기능이 들어간 고분자 소재가 등장한다. 

그러나 기존 소재는 자가 치유 기능은 있지만 기계적 강도가 약해 상용화에 어려움이 있다. 더욱이 스마트 보호필름 등 일상생활에 활용되기 위해서는 20~30도 상온에서 그 기능을 발현해야 하는 것이 관건이다. 

연구팀은 외력을 가해 잡아당기면 늘어나고 외력을 제거하면 본래의 길이로 돌아가는 성질을 지닌 '엘라스토머' 고분자에 주목했다. 강도가 높은 소재에 자가 치유 기능을 부여한 것이다. 

기존 상업화 소재인 열가소성 폴리우레탄 기본 골격에 황(Sulfur) 화합물을 설계해 실온에서 복분해 반응이 잘 이뤄지도록 했다. 복분해 반응을 통하면 두 종류의 화합물이 성분을 교환해 새로운 두 종류의 화합물을 만들어 낸다. 

또 화합물 구조에서 단단한 부분(하드 세그먼트)의 밀집도를 낮추고, '링-플립 현상'이 일어나는 물질을 적용해 자가 치유 기능이 우수할 수 있도록 고분자 구조를 설계했다. 

링-플립은 고리모양의 포화탄화수소를 기본으로 하는 화합물이 상온에서 의자 모양 형태와 보토 모양 형태로 번갈아 바뀌면서 입체구조를 변화하는 반응으로 고분자 확산 속도를 높이는 역할을 한다. 

개발한 신소재는 절단 및 재접합 후 실온에서 2시간 만에 원래의 기계적 강도를 80% 이상 회복했다. 6시간 후에는 완전히 회복해 5kg의 아령을 들 수 있을 정도로 기계적 강도를 보였다고 연구팀은 설명했다.

이는 스페인 CIDEC 연구소가 구현한 세계 최고 물성(13MJ/㎥) 보다 2배 수준(26.9MJ/㎥) 향상된 결과라고 연구팀은 덧붙였다. 

박제영 박사는 "기존에 많이 알려진 열가소송 폴리우레탄의 화학구조에서 고분자 구조 설계를 연구팀이 생각하는 방향으로 새롭게 디자인해 상온 자가 치유 기능을 부여했다"고 말했다. 

연구팀은 신소재를 자동차 도장, 스마트폰 보호필름, 4차 산업용 센서소재 등에 응용할 계획이다. 연구팀 기술은 이미 현재 상업화돼 쓰고 있는 열가소성 폴리우레탄의 중합 및 가공 공정을 그래도 이용할 수 있어 추가 생산 공정을 개발하지 않아도 된다. 

오동엽 박사는 "기존의 보호필름 소재에 자가 치유라는 스마트 기능을 추가적으로 부여하는 기술이기 때문에 산업화 가능성이 높다"고 밝혔다. 

황성연 박사는 "기본 화학구조 디자인에서부터 고분자 중합, 상온 자가 치유 능력 분석, 센서 적용 연구까지 연구팀이 가진 기술로 완성해 자부심이 크다"며 "4차 산업혁명에서는 개발한 신소재가 다양한 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대한다"고 피력했다. 

이번 연구성과는 재료학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 올해 첫 번째 간행물 전면 표지논문으로 실렸다.