KAIST, 웨어러블 디바이스 핵심기술 개발

[테크월드뉴스=박규찬 기자] KAIST는 신소재공학과 강지형 교수 연구팀이 탄성 고분자 소재의 기계적 물성과 자가치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 고분자 설계법을 개발했다고 28일 밝혔다.

자가치유 고분자는 고분자 사슬의 움직임이 많고 에너지 분산에 효율적인 결합이 사용될 경우에 자가 치유 특성을 가지게 된다. 하지만 이러한 성질은 고분자 소재를 기계적으로 약하게 만들게 되어 강하며 스스로 치유되는 특성을 동시에 갖는 재료의 개발에는 어려움이 있었다.

KAIST 강지형 교수 연구팀은 금속 이온과 유기 리간드를 포함한 고분자 사이의 결합에 음이온이 미치는 영향에 대해 다양한 분석법을 통해 심도 있게 분석해 고분자 소재가 외부 힘에 얼마나 견디는지에 대한 응력 완화 메커니즘을 규명했다.

이를 바탕으로 각기 다른 기능을 가지는 두 음이온을 의도적으로 섞어 기존 소재 대비 강성이 세 배 이상 향상하는 동시에 자가치유 효율성도 동반 향상하는 결과를 얻어냈다.

단백질에서 많이 볼 수 있는 배위 결합을 기반으로 한 자가치유 고분자는 금속 양이온과 고분자내 유기 리간드가 가교 결합을 형성하고 전하 균형을 위해 음이온이 근처에 존재하는 형태를 갖고 있다. 하지만 기존의 연구들은 음이온이 배위 결합 형성에 미치는 영향을 심도 있게 분석하지 않았다.

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

배위에 참여하는 음이온은 고분자의 탄성율을 높이지만 소재가 끊어지지 않고 늘어나게 하는 연신율을 감소시키는 반면 배위에 참여하지 않는 음이온은 낮은 탄성율과 높은 연신율을 부여한다. 둘 이상의 배위 방식을 갖는 음이온은 응력 완화 메커니즘의 다양화를 이끌어 높은 탄성률과 상대적으로 높은 연신율을 부여한다.

이에 따라 연구팀은 다중 배위 방식을 갖는 음이온과 배위에 참여하지 않는 음이온을 혼합했을 때 두 음이온이 갖는 시너지로 인해 단독 음이온 시스템에 비해 더 높은 탄성률과 높은 연신율, 높은 자가 치유 효율성이 나타나는 것을 밝혔다.

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

KAIST 신소재공학과 박현창 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 8월 19일 게재됐다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업 미래기술연구실 전략형, ERC 웨어러블 플랫폼 소재기술 센터의 지원을 받아 수행됐다.