우리 학교 신소재공학과 강지형 교수 연구팀이 지난달 28일, 자유롭게 늘어나는 고분자 소재를 개발했다고 밝혔다. 
 

스스로 치유할 수 있는 소재

소재가 찢어지는 등의 상처가 발생할 경우, 강도나 신축성과 같은 소재의 기계적 물성은 변화하기 마련이다. 따라서 이런 기계적 물성의 변화를 스스로 회복할 수 있는 자가 치유 신소재가 세간의 주목을 받고 있다. 강 교수의 연구팀은 사람의 피부처럼 잘 찢어지지 않으며 상온 상압에서 높은 자가 치유 특성이 있는 고무 소재를 개발했다. 

기존에도 높은 자가 치유 특성이 있는 고분자 소재를 만들고자 하는 노력은 있었으나 자가 치유 효율이 높을수록 소재의 기계적 강도나 인성은 감소하는 특성을 보여 연구에 어려움이 있었다. 하지만 강 교수 연구팀은 자가 치유 특성을 지님과 함께 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있는 신소재 설계법을 개발했다는 점에서 기존의 한계점을 뛰어넘었다고 평가할 수 있다. 
 

찢어지지 않는 소재의 비밀

이러한 변화를 만들 수 있었던 원리는 분자들의 결합 구조였다. 기존의 소재에서는 고무 특성을 확보하기 위해 공유결합을 이용하여 고분자가 가교 되어있는 형태였지만 이 연구는 비공유 결합의 한 종류인 금속-리간드 배위 결합을 기반으로 하고 있다. 연구팀은 음이온을 각각 배위 결합에 참여하는 음이온과 배위 결합에 참여하지 않는 음이온, 그리고 두 가지 이상의 결합 방식을 가지는 음이온으로 분류하였다. 

배위 결합에 참여하는 음이온은 탄성률을 높이지만 소재가 끊어지지 않고 늘어날 수 있는 힘인 연신율을 감소시키는 반면, 배위 결합에 참여하지 않는 음이온은 탄성률을 낮추고 연신율을 높이는 등, 음이온은 결합에 참여하는 양상에 따라 소재의 기계적 물성을 결정한다. 따라서 다양한 방식의 결합 메커니즘을 가지고 있는 음이온을 혼합하여 사용했을 때 서로의 단점을 극복할 수 있다고 생각할 수 있다. 그 결과, 단독 음이온 결합 시스템으로 이루어진 소재보다 더 높은 탄성률, 연신율, 그리고 자가 치유 효율성이 나타남을 증명해 냈다. 특히 기존 소재와 대비하여 소재의 강성이 세 배나 상승하는 효과를 볼 수 있었다. 

웨어러블 기기는 사람이 직접 착용하여 일상적인 수준의 활동을 해야 하므로 외부 자극에 자주 노출되고 스크레치 등의 상처가 생기기 쉬운 환경이다. 따라서 상온, 상압이라는 일반적인 환경에서 잘 찢어지지 않는 특성을 가진 것에 더불어 우수한 자가 치유 능력을 가진 이 소재는 웨어러블 기기, 특히 웨어러블 기기의 기판이나 보호막의 핵심 소재로 사용되기 안성맞춤이다. 

강 교수는 이번 연구를 통해 상온에서 우수한 기계적 성질과 자가 치유 특성을 동시에 갖춘 소재를 개발해 냈다는 것에 큰 의의가 있다고 말했다. 하지만 더 나아가서는 비공유 결합을 기반으로 이루어진 가교를 사용했기 때문에 90 ℃ 이상에서 녹는, 비공유 결합으로 이루어진 소재의 고질적인 문제를 가지고 있다고 언급하며 높은 열 안정성을 갖는 자가 치유 소재를 개발하는 것이 목표라고 했다. 이에 더불어, 3D 프린팅이 가능한 자가 치유 소재 개발이 목표라고도 했다. 
 

끝으로 우리 학교 학부 학생들에게 전하고 싶은 말에 대한 물음에는 ‘하고 싶은 걸 다 하라’는 말을 강조했다. 대학원에 가고 사회에 나가면 할 수 없는, 학부생 때만 할 수 있는 것들이 있다며 많은 추억을 만들고 경험을 쌓으라는 말을 전했다. 특히 요즘 연구는 예전과 다르게 정형화되어 있지 않기 때문에 다양한 경험과 넓은 시야를 가지는 것이 몹시 중요하다고 했다. 더 나아가, 실패, 그중에서도 연구자로서 연구 중 필연적으로 겪는 실패를 두려워하지 말고 실패에서부터 무엇이든 배우고자 하는 자세를 갖추어, 학생들이 긍정적인 자세로 연구에 임했으면 하는 염원을 밝혔다.