플라스틱산업 사출 / 압출 / 금형 /원료

사진. 서울대학교

한국연구재단은 서울대학교 화학부 강지형 교수 연구팀이 높은 파단 강도와 인성을 동시에 구현한 자가치유 고분자 센서 소재의 설계 및 제작에 성공했다고 혔다. 개발한 이 소재는 차세대 연성 전자기기가 다양한 환경에서 장기적인 안정성을 유지할 수 있는 기술적 기반이 마련됐다고 볼 수 있다.

기술 개요
전자 피부와 같은 연성 전자기기는 건강 모니터링, 인간-기계 인터페이스, 소프트 로봇 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 보여준다. 이러한 기기들은 높은 신축성, 기계적 강도, 그리고 외부 손상 시 자가치유 능력을 필요로 한다. 하지만 대부분의 선행 연구는 기계적 강도와 자가치유 능력 간의 상충관계를 해결하지 못해 실용적 사용에 한계를 보인다.

최근 새로운 고분자 설계를 통해 기계적 강도가 높은 자가치유 고분자 소재들이 개발됐으나, 이온성 액체를 첨가한 센서 소재의 경우 이온성 액체가 기계적 성능을 크게 저하시키는 문제가 있어 센서나 소프트 로봇과 같은 분야에서 요구되는 내구성과 신뢰성을 만족시키지 못하고 있다.

따라서, 이온성 환경에서도 높은 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 유지할 수 있는 신축성 고분자 소재와 센서 소재의 개발이 시급하다. 이러한 소재는 전자 피부와 같은 응용에서 기기의 수명을 연장하고, 반복적인 사용에도 성능을 유지할 수 있어 차세대 연성 전자기기 기술의 핵심 요소로 자리할 것으로 기대된다.

연구내용
잘 찢어지지 않는 자가치유 소재 개발 연구에서는 높은 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 갖춘 신축성 고분자 소재를 개발하기 위해, 폴리카프로락톤(PCL) 주사슬에 방향족 이황화 결합(디설파이드 결합)과 2-유레도-4-피리미돈(UPy) 작용기를 도입하는 방법을 사용했다. 

연구 방법 및 절차
연구팀은 방향족 이황화 결합과 UPy 작용기가 도입된 PCL 기반 고분자(SHP)를 합성해, 높은 강도와 자가치유 성능을 갖춘 고분자 소재를 제작했다.

또한 개발된 자가치유 고분자(SHP)에 이온성 액체를 첨가해, 자가치유 능력과 이온 전도성을 동시에 갖춘 센서 소재(SHIC)를 제작했다. 이를 통해 기존 자가치유 소재가 갖지 못했던 전도성을 확보할 수 있었다.

제작된 SHIC 소재는 신장율 850%, 파단 강도 30 MPa, 인성 87.3 MJ/m³의 우수한 기계적 특성을 보여주었다. 이는 기존 이온 전도성 자가치유 소재들에 비해 기계적 성능이 크게 향상된 수치이다.

구팀은 SHP와 SHIC를 활용해 자가치유 센서와 소프트 그리퍼를 제작하고, 반복적인 외부 자극과 손상에도 원래 성능을 유지하는지 평가했다. 그 결과, 손상 후 자가치유된 센서와 그리퍼가 초기 성능을 90% 이상 회복함을 확인했다.

기존 연구와의 차이점 및 연구의 핵심 내용
기존 연구에서는 자가치유와 높은 기계적 강도 특성을 동시에 확보하는 데 한계가 있었으며, 특히 이온성 환경에서 기계적 성능을 유지하는 데 어려움이 있었다. 이번 연구는 방향족 이황화 결합과 UPy 결합을 이용해 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 향상시키면서, 이온성 액체를 도입하더라도 높은 기계적 성능이 유지되는 고분자 소재를 개발한 점에서 기존 연구와 차별화된다. 이는 이온성 액체 환경에서도 높은 내구성을 유지할 수 있어 전자 피부 및 소프트 로봇과 같은 차세대 연성 전자기기 응용에서 중요한 기반을 제공한다.

연구성과/기대효과
잘 찢어지지 않는 자가치유 소재 개발 연구에서 제시한 자가치유 고분자 및 센서 소재 설계 전략은 두가지 동적 결합들의 적절한 조합을 통해 기계적 강도와 자가치유 능력 간의 상충 관계를 효과적으로 해결했다. 이는 전자 피부와 같은 연성 소프트 로봇 분야에서 장기적인 안정성과 신뢰성을 확보하는 데 기여할 것으로 기대된다. 특히 높은 기계적 물성과 전기적 특성을 동시에 갖춘 자기치유 소재는 미래 첨단 소재 산업의 경쟁력 강화에 중요한 역할을 할 것이다.