손상에도 스스로 회복하는 스마트 고분자 소재
입력2025.02.23.
한국과학기술연구원(KIST)은 김태안 전자파솔루션융합연구단 책임연구원팀이 자가 회복 기능과 높은 재활용성을 갖춘 새로운 '스마트 고분자 소재'를 개발했다고 23일 밝혔다.
플라스틱은 단량체라고 불리는 작은 분자가 길게 연결된 구조를 가진 고분자 소재다. 일상생활과 산업 전반에서 폭넓게 활용되고 있지만 매년 약 5200만 (t)에 달하는 플라스틱 쓰레기가 발생한다.
이 같은 문제를 해결하기 위해 손상된 부위를 스스로 회복해 수명을 연장하거나 사용 후에는 원재료나 다른 자원으로 전환될 수 있는 지속가능한 고분자 소재를 개발하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 문제는 지속가능한 고분자 소재가 복잡한 합성 과정을 거쳐야 하거나 폐기물로 처리될 때 다른 고분자와 섞이면 분리수거가 어렵다는 한계가 있다는 점이다.
연구팀은 '안트라센'과 '사이클로펜덴'으로 이뤄진 단량체와 고분자를 이용해 자유롭게 전환이 가능한 독특한 '오각고리 구조'의 분자를 설계하고 개발했다. 개발한 분자는 열, 빛, 기계적 힘을 이용해 붙었다 떨어진다. 열, 빛을 가하면 스스로 복구되는 자가 회복 기능을 가지고 있다.
쓰레기 처리 과정에서 다른 플라스틱과 개발한 분자가 섞이더라도 특정 촉매를 투입하면 쉽게 분리된다. 회수된 단량체를 활용해 원래 특성을 유지한 고분자를 다시 제조할 수 있는 것이다. 이러한 특성은 지속 가능성과 재활용성을 동시에 충족시키는 혁신적인 해결책을 제시한다.
개발한 소재는 보호용 코팅재로 활용 시 기존 상용 에폭시 코팅제보다 최대 3배 높은 경도와 2배 이상의 탄성계수를 보인다. 자외선을 조사하는 경우에는 소재의 분자 구조가 강화돼 특정 형상을 유지할 수 있는 형상 기억 특성을 보인다. 스마트 의류, 웨어러블 기기 등 다양한 응용 가능성이 기대되는 이유다.
김 연구원은 "화학적 재활용이 가능한 기존 플라스틱 소재의 열적·기계적 한계를 극복하면서도 손상감지와 자가회복 등 자율적 기능을 포함한 소재를 설계할 수 있는 새로운 접근 방향을 제시하였다“라면서 "해당 소재의 도료화 과정을 통해 자발적인 기능으로 장기 유지 보수 비용이 들지 않으면서도 폐기물을 남기지 않는 친환경 기능성 코팅 소재 시장을 개척하기 위해 노력 중이다”라고 밝혔다.
연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)' 19일자(현지시간) 게재됐다.
<참고자료>
-https://doi.org/10.1002/adfm.202414842
이채린 기자 rini113@donga.com
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