KAIST, 쭉쭉 늘어나고 잘 찢어지지 않는 소재 핵심 기술 개발

자가치유 탄성 고분자 소재 설계전략 제시
신축성, 강성, 자가 치유 효율 모두 향상시켜

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 착용하는 전자 장치나 유연한 로봇 구현에 필요한 소재를 개발할 가능성을 높였다.

한국과학기술원(KAIST)은 강지형 신소재공학과 교수 연구팀이 탄성 고분자 소재의 기계적 물성과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 고분자 설계법을 개발했다고 28일 밝혔다.

강지형 KAIST 신소재공학과 교수.(사진=KAIST)

자가 치유 고분자는 고분자 사슬의 움직임이 많고, 에너지 분산에 효율적인 결합이 사용돼야 스스로 치유하는 특성이 있다. 이러한 성질은 고분자 소재를 기계적으로 약하게 만들게 되기 때문에 강하면서 치유되는 특성을 동시에 갖는 재료를 개발하기 어려웠다.

연구팀은 고분자 소재가 외부 힘에 얼마나 견디는지에 대한 응력 완화 원리를 알아냈다. 이어 각기 다른 기능을 지닌 두 음이온을 의도적으로 섞어 기존 소재 대비 강성을 세 배 이상 높이고, 자가 치유 효율성도 높게 나타났다.

자가 치유 고분자는 금속 양이온과 고분자 속 유기 리간드가 가교 결합하고, 전하 균형을 위해 음이온이 근처에 존재한다. 하지만, 기존 연구들은 음이온이 배위 결합 형성에 미치는 영향을 심도 있게 분석하지 않았다.

연구팀은 다른 성질을 나타내는 다섯 가지 음이온을 골라 배위에 참여하는 음이온, 배위에 참여하지 않는 음이온, 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온, 총 세 유형으로 분류했다. 이후 거시적 고분자 물성에 미치는 영향을 분석한 결과, 배위에 참여하는 음이온은 고분자의 탄성율을 높이지만 소재가 끊어지지 않고 늘어나게 하는 연신율을 감소시켰다. 반면 배위에 참여하지 않는 음이온은 탄성율이 낮고, 연신율은 높았다. 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온은 응력 완화 구조의 다양화를 통해 탄성률과 연신율 모두 높았다.

다중 배위 방식을 가지는 음이온과 배위에 참여하지 않는 음이온을 혼합했을 때 두 음이온이 가지는 시너지로 단독 음이온 시스템에 비해 더 높은 탄성률, 높은 연신율, 높은 자가 치유 효율성을 보이는 셈이다.

강지형 교수는 “양날의 검과 같은 관계가 있는 탄성 고분자 소재의 기계적 성질과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 전략을 개발했다”며 “잘 찢어지지 않는 자가 치유 연성 고분자의 설계·합성 방향성을 제시해 차세대 소재 개발에 기여하겠다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난 19일 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)