바이오인

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.

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(그림1) DS와 UPy를 동적 결합으로 도입하였을 때 자가치유 고분자와 센서 소재의 물성

고분자 내 동적결합으로 방향족 이황화 결합 (DS)과 2-우레이도-4-피리미돈 (UPy)를 도입하였을 때 고분자와 센서 소재를 나타낸 개략도

(그림2) 자가치유 센서소재의 높은 기계적 물성과 자가 치유 능력              

(A) 자가치유 센서소재의 높은 기계적 물성을 확인하기 위한 실험 사진

(B) 자가치유 센서소재의 자가치유 능력을 확인하기 위한 실험 사진

(C) 본 연구의 자가 치유 센서소재와 기존 연구들의 자가 치유 센서소재 간 기계적 물성 비교

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