정지 시에는 불규칙한 수소결합으로 부드러워 자가치유가 잘되며(위), 외부에서 충격이 발생하였을때는 규칙적인 수소결합으로 단단해진다(아래). (화학연 제공) © 뉴스1

국내 연구진이 세계 최고 강도의 자가치유(self-healing) 신소재를 개발했다.한국화학연구원·부경대 공동연구팀은 실온에서 절단돼도 스스로 회복하는 자가치유 기능을 가지면서 신발 밑창만큼이나 질긴 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.

자기치유 소재는 외부 환경에 의해 손상을 입은 고분자가 스스로 결함을 감지해 자신의 구조를 복구함은 물론 원래의 기능을 회복할 수 있는 지능형 재료를 말한다.

이번에 개발된 소재는 지금까지 개발된 자가치유 소재 중 기계적 강도가 가장 높다.

화학연 오동엽, 박제영, 황성연 연구팀은 기존 상업화 소재인 열가소성 폴리우레탄 기본 골격에, 외부 충격을 받으면 수소결합 형성해 단단해지고 충격이 없을 때는 수소결합을 하지 않아 말랑해지는 특수한 카보네이트(Carbonate) 화합물을 이용해 이같은 새로운 소재를 개발했다.외부 마찰이나 충격을 받으면 순식간에 물질의 분자 결합이 견고해지면서 단단한 결정(크리스탈)으로 변해 충격으로부터 스스로 보호하고, 충격 후에는 분자 이동이 자유로운 부드러운 상태로 돌아가 손상을 스스로 회복하는 원리다.

개발된 소재는 인장강도가 43 MPa 이상으로 측정됐다.

신발 밑창으로 쓰이는 폴리우레탄 소재와 유사한 수준으로, 연구팀이 지난 2018년 개발한 소재보다 강도가 6배나 높다.

지금까지 인장강도 최고기록은 일본 동경대학교나 RIKEN 연구소가 달성한 20-30 MPa 정도다.

이번에 개발된 소재는 외부 압력의 세기에 따라 물질이 단단해지는 정도가 달라진다.

이 소재를 절단 후 다시 이어붙여도 400% 이상 늘어나고(왼쪽), 10 kg 이상의 하중을 견딘다(오른쪽). (화학연 제공) © 뉴스1

외부 압력의 정도에 따라 고체와 젤리 상태를 오가면서 충격의 흡수를 조절하고 스스로 손상도 회복하는 것이다.

부경대 고분자공학과 엄영호 교수 공동연구팀은 화학연에서 개발한 자가치유 소재의 물리적 특성을 분석했다.

그 결과, 이 소재는 점도가 높지 않아 가공이 쉬워 다양한 모양의 제품으로 성형하는 데 유리한 것으로 확인됐다.

화학연 오동엽 박사는 “이번에 개발된 소재는 디스플레이를 접었다 폈다 하면서 발생하는 손상을 끊임없이 회복할 수 있어 소재 피로 손상 문제를 극복할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 ‘네이쳐 커뮤니케이션스’1월호에 게재됐다.


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