Board

Dynamic Materials Design Laboratory

News

News

KAIST 강지형 교수팀, 기계적 물성·자가 치유 효율 동시 높이는 고분자 설계법 개발

페이지 정보

profile_image

작성자 최고관리자

작성일 2023-10-23 11:48 조회 1,198회 댓글 0건

본문


6c879c7e291c6abe989da9dc5b5a33e9_1699855685_3109.jpg
▲ KAIST 신소재공학과 강지형 교수 

[기계신문] 웨어러블 전자 소자, 소프트 로보틱스 등 차세대 전자 디바이스에는 오랜 시간 손상되지 않으며 구동하기 위해서는 단단하고 잘 늘어나면서도 스스로 치유되는 성질을 가지는 탄성 고분자 소재의 개발이 필요하다.


자가 치유 신축성 고분자 소재의 지속 가능성을 높이기 위해서는 기계적 물성이 우수하고 자가 치유 효율성이 높아야 하지만, 이 두 성질 사이의 상충관계로 인해 기계적으로 단단하면서 효율적 자가 치유가 가능한 고분자 소재의 개발에는 한계가 있었다.


그런데 최근 KAIST 신소재공학과 강지형 교수 연구팀이 탄성 고분자 소재의 기계적 물성과 자가 치유 효율성을 동시에 높이는 새로운 고분자 설계법을 개발하는데 성공했다.


자가 치유 고분자는 고분자 사슬의 움직임이 많고 에너지 분산에 효율적인 결합이 사용될 경우에 자가 치유 특성을 가지게 된다. 하지만 이러한 성질은 고분자 소재를 기계적으로 약하게 만들게 된다.


6c879c7e291c6abe989da9dc5b5a33e9_1699855787_5707.png
▲ 음이온 혼합을 통한 잘 찢어지지 않으면서 효율적 자가 치유가 가능한 탄성 고분자 소재의 개발 


강지형 교수 연구팀은 금속 이온과 유기 리간드를 포함한 고분자 사이의 결합에 음이온이 미치는 영향에 대해 다양한 분석법을 통해 심도 있게 분석하여 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 3배 이상 향상하는 동시에 자가 치유 효율성도 동반 향상하는 결과를 얻어냈다.


단백질에서 많이 볼 수 있는 배위 결합을 기반으로 한 자가 치유 고분자는 금속 양이온과 고분자 내 유기 리간드가 가교 결합을 형성하고 전하 균형을 위해 음이온이 근처에 존재하는 형태를 가지고 있다. 하지만 기존 연구들은 음이온이 배위 결합 형성에 미치는 영향을 심도 있게 분석하지 않았다.


연구팀은 다른 성질을 나타내는 5가지 음이온을 선별하여 배위에 참여하는 음이온, 배위에 참여하지 않는 음이온, 둘 이상의 배위 방식을 가지는 음이온, 총 세 카테고리로 분류했으며 이들이 거시적 고분자 물성에 미치는 영향을 분석했다.


6c879c7e291c6abe989da9dc5b5a33e9_1699855873_8105.png
▲ 음이온이 기계적 물성과 자가 치유 효율성에 미치는 영향 및 음이온 혼합을 통한 기계적 물성과 자가 치유 효율성의 동시 향상 


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 가지는 음이온은 응력 완화 메커니즘의 다양화를 이끌어 높은 탄성률과 상대적으로 높은 연신율을 부여한다.


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


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 있으며, 잘 찢어지지 않는 자가 치유 연성 고분자 설계 및 합성에 새로운 방향성을 제시, 차세대 소재 개발에 크게 기여할 것”이라고 말했다.


한편, 한국연구재단의 나노소재기술개발사업 미래기술연구실 전략형, ERC 웨어러블 플랫폼 소재기술 센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 박현창 박사가 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 8월 19일 게재됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

권혁재 기자 hjk@mtnews.net


첨부파일

댓글목록

등록된 댓글이 없습니다.