국내 연구진이 잘 늘어나면서도 자가치유 성질을 가진 탄성 고분자 소재 설계법을 개발했다. 웨어러블기기, 소프트로봇 등 차세대 전자기기에 활용될 수 있는 고분자 소재 개발로 이어질 것으로 기대된다.

KAIST는 강지형 신소재공학과 교수 연구팀이 탄성 고분자 소재의 기계적 물성과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 고분자 설계법을 개발하였다고 28일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 8월 게재됐다.

자가 치유 고분자는 고분자 사슬의 움직임이 많고 에너지 분산에 효율적인 결합이 사용될 경우 자가 치유 특성을 가지게 된다. 이러한 성질은 고분자 소재를 기계적으로 약하게 만들어, 강하면서도 스스로 치유되는 특성을 동시에 가지는 재료 개발에 어려움이 있었다.

연구팀은 금속 이온과 유기 리간드를 포함한 고분자 사이의 결합에 음이온이 미치는 영향을 분석했다. 이를 통해 고분자 소재가 외부 힘에 얼마나 견디는지에 대한 응력 완화 메커니즘을 규명했다. 나아가 각기 다른 기능을 가지는 두 음이온을 의도적으로 섞어 기존 소재 대비 강성이 세 배 이상 향상하며 자가 치유 효율성도 동반 향상하는 결과를 얻어냈다.

연구팀은 다른 성질을 나타내는 다섯 가지 음이온을 선별해 배위에 참여하는 음이온, 배위에 참여하지 않는 음이온, 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온, 총 세 카테고리로 분류했다. 이들이 거시적 고분자 물성에 미치는 영향을 분석했다.

분석 결과 배위에 참여하는 음이온은 고분자의 탄성율을 높이지만 소재가 끊어지지 않고 늘어나게 하는 연신율을 감소시켰다. 반면 배위에 참여하지 않는 음이온은 낮은 탄성율과 높은 연신율을 부여했다. 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온은 응력 완화 메커니즘의 다양화를 이끌어 높은 탄성률과 상대적으로 높은 연신율을 부여했다.

연구팀은 이같은 분석 결과를 바탕으로 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 효율성이 나타나는 것을 밝혔다.

연구를 이끈 강지형 교수는 “이번 연구는 양날의 검과 같은 관계를 갖는 탄성 고분자 소재의 기계적 성질과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 전략을 개발했다는 것에서 큰 의의가 있다”며 “잘 찢어지지 않는 자가 치유 연성 고분자의 설계 및 합성에 새로운 방향성을 제시했으며 차세대 소재 개발에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

박정연 기자 hesse@donga.com

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