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핸드폰을 쓰다 보면 예기치 못한 순간에 액정이 깨지는 불상사가 발생하곤 하죠. 액정 수리비용이 만만치 않다 보니 액정이 깨짐과 동시에 멘탈도 지갑도 탈탈 털리게 되는데요. 그런데 만약 와장창 깨진 액정이 사람 피부처럼 일정 시간이 지난 후 저절로 회복된다면 어떨까요? 영화에서나 볼 법한 이러한 일들이 ‘자가치유 소재’의 개발을 통해 곧 우리의 현실이 될 수 있다고 해요. 그렇다면 알면 알수록 신기한 자가치유 소재의 특징과 종류에 대해 자세히 살펴보도록 할게요!

● ‘스스로 회복, 진짜 가능해?’ 자가치유 소재의 정의 및 자가치유 소재의 시작

‘자가치유 소재’란 말 그대로 외부에 의해 가해진 손상이 자발적으로 치유되는 신소재를 뜻해요. 사람이나 생물이 상처가 생기면 저절로 치유가 되듯 금속이나 플라스틱 등의 물질에도 고분자 화합물 기술을 적용해 자가치유를 가능하게 만드는 것이죠. 자가치유 소재는 2000년대 초부터 본격적으로 개발되기 시작했는데요. 

미국 일리노이대 베크만 연구소가 ‘디사이클로펜타디엔(dicyclopentadiene)’이라는 성분이 함유된 마이크로캡슐을 개발한 것이 최초라고 해요. 마이크로캡슐이 함유된 고분자가 손상되면 마이크로캡슐에서 디사이클로펜타디엔이 흘러나와 깨진 부위를 이어주는 역할을 하게 되는데요. 이것을 분자가 서로 다리를 놓는 듯 양쪽을 결합시킨다는 뜻에서 ‘가교 반응’이라고도 하죠.

하지만 아쉽게도 디사이클로펜타디엔이 가교 반응으로 손상된 곳을 복구하는 캡슐형 자가치유 시스템의 경우, 반복적으로 치유하기가 어렵고 치유 시간이 길다는 문제점이 있었는데요. 이러한 문제를 보완하기 위해 형상기억, 자가집합 상분리, 손상감지 등의 기술이 더해진 지능형 자가치유 기술이 꾸준히 개발되고 있답니다.

● 한 단계 발전된 자가치유 소재 개발! 지능형 자가치유 소재의 등장

가장 대표적인 지능형 자가치유 소재를 꼽자면 ‘형상 기억형 자가치유 고분자’를 꼽을 수 있어요. ‘형상 기억 고분자’란 외부 힘으로 손상이나 변형이 일어날 경우, 일정 자극을 통해 원래의 형태를 되찾는 것을 의미해요. 형상 기억 고분자를 원래 형태로 돌리기 위한 자극의 종류에는 빛, 열, 전자기장 등이 있으며, 그중 열반응 형상 기억 고분자가 가장 대표적이죠. 

비슷한 현상을 나타내는 형상 기억 합금에 비해 제조 비용이 적고, 회복 능력이 우수하며, 모양을쉽게 변형할 수 있어 다방면으로 활용되고 있는데요. 자동차 부품, 의료 기기, 스마트 섬유 등에 형상 기억 고분자 원리가 적용되어 우리 일상이 더욱 편리하게 변화하고 있답니다.

이외에도 고무 물성으로 기계적인 강도가 약해 구조재료서 사용이 어려운 자가치유 고분자의 단점을 극복한 ‘자가집합 상분리형 고분자’가 있는데요. 몇 번이라도 손상된 부분을 다시 복구시킬 수 있어 더욱 유용하죠. 또한 손상부위를 미리 감지해 스스로 적절한 처리를 하는 ‘손상감지형 고분자’ 기술이 있어요. 복구 시간을 단축하고, 안정적으로 제품을 사용하도록 만들 수 있기 때문에 관련 기술 개발에 박차를 가하고 있죠.

● 자기치유 소재, 어떻게 활용되고 있을까? 자가치유 소재의 현재 그리고 미래!

네덜란드 델프트 공대 연구팀은 건축계에 혁신을 일으킨 ‘바이오 콘크리트’를 개발했는데요. 물과 젖산칼륨을 먹고, 칼슘과 탄산염을 혼합한 석회석을 생성하는 박테리아와 젖산칼슘을 섞어 캡슐을 만든 후 콘크리트에 넣으면 금이 간 콘크리트가 저절로 메워지도록 만든 것이죠. 이 기술을 통해 콘크리트 보수에 들어가는 비용을 현저히 줄일 수 있어 전세계적으로 상용화를 추진하고 있다고 해요.

미항공우주국(NASA)의 우주에서 자외선과 열로 인해 손상된 섬유를 스스로 치유할 수 있는 기술 연구를 바탕으로 첨단 섬유소재도 다양하게 발전되고 있는데요. 친환경 의류 회사 ‘코알라트리’에서는 구멍이 뚫렸을 때 손톱으로 문지르면 복구가 되는 자가치유 섬유 ‘힐로테크(HiloTech)’를 개발하기도 했죠. 

우리나라 역시 자가치유 소재 분야에서 선두주자의 역할을 톡톡히 하고 있어요. 한국화학연구원에서는 자가치유 신소재인 ‘엘라스토머 소재’를 개발했는데요. 타 소재에 비해 낮은 온도에서 치유가 가능하며, 치유 시간도 매우 짧아 활용 범위가 매우 넓죠. 2018년 개발 당시, 엘라스토머 소재를 절단 후 2시간 만에 약 80%가 회복되며 6시간 후에는 5kg의 아령을 매달 수 있을 만큼 회복이 되어 세상을 놀라게 했는데요. 

최근에는 30초만에 원래 상태를 회복하는 소재를 다시 개발해 세계 최고 기록을 새롭게 썼다고 해요. 엘라스토머 소재는 스마트폰 보호 필름, 산업용 로봇, 센서 소재 등으로 다양하게 응용되어 산업계 큰 혁신을 일으킬 것으로 기대하고 있답니다. 이외에도 한국과학기술연구원(KIST)에서는 완전히 손상되거나 절단되어도 회복하고 접합돼 원래 모습으로 돌아가는 자가치유 신소재를 개발해 상용화를 앞두고 있다고 하니 기대가 되네요.

자가치유 소재 개발 연구가 꾸준히 진행되고 있으니 앞으로 또 어떤 자가치유 소재가 우리의 일상을 바꿔 나갈지 궁금한데요. 특히 자가치유 소재 분야에서 좋은 성과를 내고 있는 우리나라의 연구진들의 성과 역시 기대해 봐도 좋겠죠? SF 영화가 현실이 되는 그날, COMING SOON!

 

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