부산대는 고분자공학과 이재준 교수 연구팀과 KIST 김태안 박사 연구팀이 충돌·폭발 때 외부의 큰 에너지를 흡수하면서도 스스로 수리할 수 있고 재활용도 가능해 오래 사용할 수 있는 특수한 고분자 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
부산대·KIST 공동 연구진은 촉매에 의해 동적 공유 결합 교환 반응의 활성도를 조절함으로써 효과적인 고에너지 소산(에너지를 흩어지거나 분산시킴) 능력을 보유한 동적 공유 결합 고분자 네트워크를 합성했고, 자가 치유 능력 및 화학적 재활용성까지 선보이며 고에너지 소산재로의 활용적 가치를 보고했다.
이번 연구는 고에너지 소산 능력을 효과적으로 나타내기 위한 동적 고분자 네트워크의 필요 조건들을 재료의 점탄성(점성과 탄성을 동시에 갖는 성질) 거동과 연관지어 상세히 기술한 첫 연구 성과여서 의미가 있다고 대학 측은 전했다.
특히 다른 동적 고분자 네트워크들과 달리 무수히 많은 동적 공유 결합을 내포한 상태에서 교환 반응의 활성화 정도에 따라 에너지 소산 능력이 달라진다는 점을 최초로 소개했다. 기존에 보고된 고에너지 소산 재료들의 제한되는 반복성을 자가 치유 성능으로 극복하고, 화학적 재활용 방법을 통해 다시 단량체 및 가교제로 회수함으로써 재료의 지속가능성 또한 높였다.
이를 위해 연구팀은 이황화물 결합을 포함하고 있는 자연 유래 물질인 알파-리포산을 기반으로 각기 다른 물성을 나타낼 수 있는 단량체 및 가교제들을 직접 합성했다.
연구팀은 해당 단량체들과 가교제의 조합으로 만들어진 동적 탄성체가 촉매의 함량에 따라 고에너지 소산 능력이 50%에서 70%까지 증가될 수 있음을 보였고, 기존 우수한 소산재로 보고된 PDMS, 폴리우레아와 비견될 만한 성능을 확인했다.
고에너지 소산재로의 활용 특성상 불규칙적이고 강한 에너지에 노출됨으로 인한 재료의 손상은 불가피하지만, 해당 재료는 우수한 이황화물 그룹 교환 반응을 기반으로 자가 치유 능력을 보유하고 있으며, 염기성 조건 하에서 다시 단량체 및 가교제로 전환·재회수될 수 있어 장기적으로 지속 사용이 가능한 소재임을 입증했다.
이번 연구 성과는 영국 왕립화학회의 저명한 재료 학술지인 '머티리얼즈 호라이즌스' 11월 7일자 표지 논문에 선정됐다.
연구 책임을 맡은 KIST 김태안 박사는 “이번 연구 결과는 자칫 심각한 피해를 야기할 수 있는 충격 에너지를 효과적으로 흡수하면서도 폐기 시 원래의 단량체로 회수돼 지속 사용이 가능한 소재를 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했다. 그러면서 “해당 재료는 동적 고분자 네트워크이기 때문에 단순 필름 상태를 넘어서 발포재 및 코팅재 등 적용이 필요한 부분에 따라 가공적 측면에서 유동적으로 활용할 수 있을 것”이라고 기대했다.
논문의 공동 교신저자인 부산대 이재준 교수는 “빠른 충돌이 빈번한 우주 환경에서의 활동 증가와 각국 간 첨예한 대립으로 인한 고에너지 폭발이 잦아지는 전장 환경 등에서 장비와 구조물, 그리고 인체는 고변형률 속도 응력 파동에 더욱 자주 노출될 것"이라며 "이번 연구는 동적 공유 결합 화학을 활용해 이러한 응력 파동을 효과적으로 분산하고, 파동으로부터 보호할 수 있는 재료 설계 원칙을 제시한다”라고 설명했다.
bsk730@fnnews.com 권병석 기자
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