자가 치유 능력, 고분자 사슬 움직임 많아야↑...내구성은↓
(서울=내외방송) 단단하지만 잘 늘어나고, 심지어 스스로 치유할 수 있는 능력으로 차세대 전자기기에서 큰 역할을 할 수 있는 소재 설계법이 탄생했다.
KAIST(한국과학기술원)는 "강지형 신소재공학과 교수 연구팀이 탄성 고분자(분자량이 많은 분자) 소재의 기계적 물성(성질)과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 고분자 설계법을 개발했다"고 29일 밝혔다.
웨어러블(착용할 수 있는) 전자기기와 소프트 로보틱스(유연성을 가진 로봇을 만드는 로봇공학) 등 차세대 전자기기를 손상 없이 오랫동안 사용하려면 소재가 단단하면서도 유연하고, 스스로 치유할 수 있는 성질(자가 치유)이 필수적이다.
자가 치유 능력은 고분자 사슬의 움직임이 많아야 효율성이 높아지는데, 이렇게 되면 내구성이 약해지는 단점이 있다.
연구팀은 금속 이온과 유기(탄소를 주성분으로 하는 화합물) 리간드(중심 금속 원자에 결합해 화합물을 형성하는 이온이나 분자)를 포함한 고분자 사이의 결합에 음이온(음전하를 띠는 이온)이 미치는 영향을 분석했다.
다양한 분석법을 통해 다른 기능을 갖는 두 음이온을 섞으면 기존 소재보다 강성(변형에 대한 저항 정도)이 3배 향상하면서도 자가 치유 효율성도 높아지는 원리가 밝혀진 것이다.
자가 치유 고분자는 단백질에서 많이 볼 수 있는 배위 결합(한쪽 원자의 전자를 두 개의 원자가 공유)을 기반으로 하며 금속 양이온(양전하를 띠는 이온)과 유기 리간드가 가교결합(사슬 모양으로 결합)을 형성하고, 전하 균형을 맞추기 위해 근처에 음이온이 존재하는 형태다.
연구팀은 다중 배위 방식을 갖는 음이온과 배위 결합하지 않는 음이온을 혼합했을 때 두 음이온이 시너지를 발휘해 단독 음이온일 때보다 더 높은 탄성률과 연신율(재료가 늘어나는 비율), 자가 치유 효율성이 나타났다는 것을 알아냈다.
강 교수는 "이번 연구는 양날의 검과 같은 관계를 갖는 탄성 고분자 소재의 기계적 성질과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 전략을 개발했다는 것에 큰 의의가 있다"고 말했다.
이어 "잘 찢어지지 않는 자가 치유 연성(늘어나는 성질) 고분자 설계와 합성에 새로운 방향성을 제시하고, 차세대 소재 개발에 크게 기여할 것"이라고 덧붙였다.
박현창 박사가 제1저자로 참여한 이 연구는 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 최근 게재됐다(논문명: Toughening self-healing elastomer crosslinked by metal-ligand coordination through mixed counter anion dynamics).
