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생분해성 폴리머의 현황과 전망 1

Ⅰ. 서론1-4 생분해성 폴리머에 대한 메디컬 및 약물전달 분야와 친환경 분야 응용에 대한 관심이 지난 30여 년간 지속적으로 증대되어 왔고, 앞으로 더욱더 사회적 요구가 커질 것으로 전망된다. 특히 플라스틱 폐기물에 의한 생태계 교란문제 인식과 이에 대한 대응 필요성이 전 세계적으로 확산되고 있다. 본 보고서에서는 [참고문헌 1]을 근간으로 하여 생분해성 천연폴리머와 합성폴리머에 대한 고찰과 함께, 특히 합성폴리머인 폴리에스터 계열 폴리머 특성을 좀 더 세밀하게 소개하고자 한다.  일반적으로 대부분의 폴리머 분해는 폴리머 분자의 근간 사슬이나 옆가지 사슬에서 절단이 시작되며, 이는 열에 의한 활성화, 산화, 광분해, 방사선 분해 또는 가수분해에 의해 분해가 일어나면서 가속화 된다. 일부 폴리머는 폴리머 주변에 세포나 또는 미생물이 있는 환경에서 분해가 일어난다. 이러한 환경은 흙, 해양, 강과 하천 또는 사람이나 동물 체내에서도 효소에 의해 또는 가수분해로 일어나게 된다.  생분해성 바이오 폴리머와 이들의 유도체는 다양하며 흔하고, 흥미로운 특성을 가지며 다양한 용도로 그 중요성이 증가하고 있다. 이들을 화학 구조에 따라 8가지 주요 부류로 나눌 수 있다; (1) ribonucleic acids와 deoxyribonucleic acids와 같은 핵산, (2) 단백질, 폴리아미노산과 같은 폴리아미노산, (3) 셀룰로오스, 전분과 같은 폴리사카라이드, (4) poly(hydroxyalkanoic acids)와 poly(malic acid) 같은 organic polyoxoesters, (5) polythioesters, (6) polyphosphate인 inorganic polyesters, (7) 천연고무 같은 polyisoprenoids, 그리고 (8) 리그닌 또는 humic acids와 같은 polyphenols.  바이오 폴리머는 생물 유기체에서 생성되며 세포 건조물의 대부분을 차지한다. 엄격한 의미로, 이들 폴리머는 가수분해 또는 산화분해를 위해서는 미생물의 효소를 필요로 한다. 이러한 정의는 생분해성 고분자이며 많이 활용되는 폴리락타이드 계열에는 해당이 되지 않는다. 왜냐하면 폴리락타이드는 수분만 존재한다면 가수분해 효소 도움 없이도 상온과 중성 pH에서도 상대적으로 빠르게 분해되기 때문이다. 이는 우리가 흔히 폴리락타이드는 생분해성이라고 부를 때 혼동이 온다.  폴리락타이드, 특히 폴리글리콜라이드는 체내에서 쉽게 가수분해 되어서 단량체와 올리고머로 되어 수분을 함유한 매체에 쉽게 녹는다. 결과적으로, 폴리머 전체 무게가 없어지게 되며 남은 부분이 없게 된다. 일반적으로, 체내에서 일정 시간이 지남에 따라 폴리머의 무게 감소가 일어나는 폴리머를 분해 방식과 관계없이 흡수성, 재흡수성, 또는 생체흡수성 폴리머, 생분해성 폴리머로 같이 부른다. 다시 말해 효소와 비효소 가수분해 모두와 관계된 것이다.  이러한 혼동을 피하기 위해, 일부 사람들은 “생분해성”은 플라스틱 폐기물로부터 지구환경 보호를 목적으로 개발된 친환경 폴리머 같은 것에만 사용해야 된다고 주장하며, 한편 사람 체내에 이식을 위한 의료목적으로 적용한 폴리머는 “생분해성”이라고 부르지 말고  ‘재흡수성’ 또는  ‘흡수성’으로 불러야 된다고 주장한다.  그러나 본 논문에서는 이러한 혼동의 명명에도 불구하고 “생분해성”을 사용한다. 왜냐하면, 생체재료 분야에서는 이러한 명명이 넓게 사용되어 왔으며, 비효소 가수분해로 체내에 흡수되는 것에 대한 것도 포함한다. 다시 말해 “생분해성”이라는 단어는 이 보고서에서는 넓은 의미로 폴리머가 체내에 삽입된 후에는 궁극적으로 없어지는 것을 뜻하는 것이다. [그림 1]은 폴리머의 재흡수에 대한 다양한 기전을 보여주고 있다. 이들 생분해 폴리머는 현재 2개 주요 응용분야가 있다. 하나는 바이오메디컬 폴리머로 환자를 위한 의료에 활용과, 다른 하나는 지구환경을 청결하게 하기 위한 친환경 폴리머로 활용하는 것이다. 현재 이용 가능한 생분해성 폴리머의 대부분은 이 두 가지 목적 중 하나로, 또는 두 가지 목적으로 다 사용되고 있다. 그러나 일부는 [그림 2]에서 보여주는 바와 같이 두 가지 목적으로도 응용할 수 있다.   생분해성 폴리머는 근원을 기반으로 하여 분류할 수 있다. [표 1]에 폴리머의 근원에 따라 분류된 생분해성 폴리머를 열거하였다. 이 보고서의 목적은 이미 산업화 되었거나 의료 및 친환경 응용을 위해 개발 중인 대표적인 생분해성 폴리머에 대한 간추린 개관을 보여주는 것이다.Ⅱ. 생체재료4-8 다양한 폴리머가 예방의학, 임상조사, 그리고 질환의 외과적 치료를 포함하는 의료용으로 사용되고 있다. 이와 같이 의료목적으로 사용되는 폴리머들 중 우리 몸의 살아있는 세포와 직접 접촉에 사용될 때, 이 특정그룹의 폴리머를 “고분자 생체재료”라고 부른다. 의료분야에서 고분자 생체재료의 전형적인 응용은 일회용 제품으로 주사기, 혈액 백, 카데터가 있으며, 수술 시 사용되는 봉합사, 접착제 및 실란트 등이 있고, 생체조직 대체용 보철로 백내장용 안 렌즈, 치과 임플란트 및 가슴 보형물, 그리고 임시 또는 영구적 인공기관으로 인공신장, 인공심장, 그리고 인공혈관이 있으며 이들은 오랜 기간 사용되어 오고 있다.  이들 생체재료는 상업용 제품 관점에서 보면 같은 화학구조를 가진 폴리머 일지라도 비 의료분야에 사용되는 재료와는 많이 다르다. 예를 들어 고분자 생체재료로는 정부의 엄격한 규제 허락을 받지 않고서는 생산할 수도 없고 판매할 수도 없다. 예로서 대구경 혈관 대용으로 사용된 혈관은 폴리에스터인, PET로 만들어져 있다. 이를 의료용으로 생산하고 판매하기 위해서는 정부의 규제에 합당하는 모든 시험항목과 제조 공정을 이행한 자료에 대한 허락을 받아야만 된다. 일반적으로 정부의 허락을 받기 위한 최소조건은 재료의 비독성, 소독, 효능성, 생체 친화성과 관련된 시험규제 항목평가에 합격이 되어야 된다.  최근에 생분해성 의료용 고분자는 많은 주목을 받고 있으며 그 이유는 2가지로 요약할 수 있다. 인공재료가 체내에 삽입되었을 때에 이물질 거부반응이 크게 안 일어나는 생체친화성 재료를 개발하는 것은 어렵다. 이와 반대로, 생분해성 폴리머는 생체 내에서 오랜 기간 머무르지 않으며, 이물질을 남기지 않고 없어지기 때문에 우수한 생체친화성을 요구하지 않는다. 생분해성 폴리머가 많은 주목을 받는 또 다른 이유는 장기간 임플란트로 체내에서 이물질로서 오래 남기를 누구도 원하지 않기 때문이다.  생분해성 폴리머가 의료분야 응용에 매우 유망한 것으로 보이나, 이러한 폴리머는 임상적용에서 현재 크게 각광 받지 못하고 있다. 이는 분해 부산물의 독성 문제가 있을 수 있기 때문이다. 생체재료의 독성원인은 대부분이 저분자량 화합물이 생체재료로부터 흘러나와 환자의 체내로 들어가기 때문이다. 이들은 중합이 안 되고 남아있는 단량체, 소독해도 제거되지 않은 에틸렌 옥사이드, 산화방지용 첨가제 및 안료, 그리고 남아있는 중합 개시제의 일부 및 촉매 등과 같은 것이다.  또한 생분해 폴리머는 항상 저분자량 화합물을 분해 결과물로 외부 환경에 방출한다. 만약 이들이 세포표면과 상호작용하거나 세포내부로 들어간다면, 이들 이물질은 세포의 정상상태를 교란시킬 수 있다. 순수한 폴리에틸렌과 실리콘은 독성이 없지만 생체 친화성은 아니다. 왜냐하면 이들을 체내에 이식하면 혈전이 형성되며 이들 표면 위에 콜라겐 섬유조직이 형성된다.  생분해성과 비 생분해성 폴리머 사이에 독성 용어의 큰 차이는 생분해성 폴리머는 필연적으로 저분자량 화합물을 만들며 살아있는 세포에 부작용을 초래한다. 생분해성 폴리머의 의료 산업적 응용은 [표 2]에서 보여주고 있다. [표 3]에는 의료산업에 현재 사용 중이거나 조사 중인 대표적인 합성 생분해성 폴리머를 나타냈다.  의료산업에서 생분해성 폴리머를 가장 많이, 그리고 오랫동안 사용한 분야는 봉합사이며, 동물의 내장에서 얻어진 콜라겐 섬유가 오랫동안 사용되어왔다. 합성 생분해성 폴리머를 봉합사로 사용한 것은 미국에서 1970년대에 시작되었다. 이러한 목적으로 사용되는 상업적 폴리머는 polyglycolide가 대표적이며, glycolide-L-lactide(90:10)와 함께 가장 많은 양이 사용된다.  또 하나의 응용분야는 부러진 뼈를 고정시키기 위한 정형외과와 치과용 제품으로, 금속으로 만들어진 plates, pins, screws를 대체하는 것이다. 금속제품은 수술 후 뼈가 접합된 일정기간이 지나면 이를 제거하기 위해 재수술을 해야 하지만 생분해성 폴리머 제품은 뼈가 접합될 때까지 강도를 유지하다 그 후에는 분해되어 체외로 배출되기 때문에 재수술을 할 필요가 없는 장점을 가진다. 또한 최근에는 이들 재료를 재생의학용으로 세포를 부착·성장시키기 위한 스캐폴드로 많은 연구가 진행 중이다.Ⅲ. 약물 전달 시스템4-8 체내에 약물을 좀 더 효율적으로 질환 부근에 전달시키기 위한 새로운 복용기술로, 약물전달 시스템(DDS)이 1960대에 미국에서 시작되었다. DDS의 목적은 약물을 질환부위에 원하는 기간 지속적으로 전달하며 건강한 부위에는 영향을 주지 않는 것으로, 외부자극에 의한 약물제어 방출, 피부나 점막을 통한 약물의 단순전달 방법이 포함된다. 폴리머는 이러한 새로운 제약기술에 매우 효과적이다.  만약 약물이 주사와 같이 비경구로 투입된다면, 약물 운반체로 사용되는 폴리머는 가급적 체내에 흡수되어야 한다. 약물이 전달된 후에는 폴리머가 더 이상 필요하지 않기 때문이다. 그러므로 생분해성 폴리머가 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 체내에 주사 또는 임플란트로 서방성 약물용으로 투입 시에 사용된다. 이러한 목적으로, 체내흡수성 나노스피어, 마이크로스피어, 비드, 실린더, 그리고 디스크 형태를 생분해성 폴리머를 사용하여 제조한다.   약물 운반체로 가장 많이 사용되는 형태는 마이크로스피어이며, 여기에 약물을 봉입시켜 약물이 물리적 확산을 통해 방출되게 하는 것이며, 이어서 마이크로스피어 재료는 흡수된다. 이와 같은 마이크로스피어는 PLGA를 사용하여 용매증발 법으로 만들 수 있다. 자연에서 생성된 생분해성 폴리머 또한 지속성 약물 전달체로 사용된다. 만약 약물이 수용성이라면, 폴리머가 생분해성이 될 필요는 없다. 왜냐하면 이 폴리머는 소변이나 변과 함께 체외로 방출된다.  [그림 3]은 생분해성 고분자에서 친수성기의 증가에 따른 단백질모델 약물 BSA의 지속적인 방출거동을 보여주고 있으며, 친수기 증가에 따라 방출이 증가됨을 보여주고 있다.Ⅳ. 재생의학5-8 재생의학은 과학, 공학 및 의학 등 여러 분야의 전문지식을 기초로 하는 학문으로 인체의 손상된 조직이나 장기를 치유하거나 대체하여 정상적인 기능을 복원하는데 그 목적이 있다.  재생의학의 발전과정은 초기의 조직공학(tissue engineering) 연구로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닌 만큼 그 개념과 목적은 조직공학과 유사하다. 현재의 조직공학 연구는 30여 년 전 초보적인 세포 배양기술과 폴리머를 사용하여 장기제작을 시도하며 시작되었다.  초기의 재생의학은 인간의 조직과 장기를 대체할 수 있는 치료법의 개발이 가능할 것으로 주목을 받았으나 조직의 형성에 필요한 지식과 기술의 부족으로 새로운 치료법의 개발과 응용에 한계가 있었다. 그러나 최근 관련분야 외에 기계공학, 컴퓨터공학, 빅데이터, 인공지능을 비롯한 첨단 기술발전과 접목으로 혁신적인 결과들이 발표되고 있다.  재생의학의 핵심요소는 세포, 생체재료와 생리활성 물질로 이들을 종합적으로 어떻게 최적화시켜 조직을 재생하게 만드는 것이 관건이 된다. 조직의 손상된 부위가 너무 커서 전통적인 약물치료로 복원을 할 수 없을 때에는 특정세포를 스캐폴드에 부착·성장·분화시키기 위해 성장인자 함께 이식하여 조직이 형성 된 후에는 스캐폴드는 분해되어 없어지며 생성된 조직만 남아 기능을 한다는 개념이다.  이미 언급한 바와 같이 병든 조직이나 기관은 인공장기나 기관 이식으로 대체하나 이들 모두 문제가 있다. 임상적으로 사용되는 인공장기의 생체적합성은 체내 이물질 반응을 방지하기에는 만족스럽지도 못하며 기능도 만족스럽지 못하다. 이와는 대조적으로, 이식된 기관은 생체기능은 우수하나 면역거부반응으로 인한 부작용 때문에 환자는 면역억제제를 복용해야만 된다. 물론 기관이식의 주요 문제는 기관 기여자가 수요자에 비하여 절대적으로 부족한 현상이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제시된 치료법이 초기의 조직공학이었다.  생분해성 폴리머는 세포 부착·성장과 분화를 위한 스캐폴드로 필요할 뿐만 아니라 성장인자와 같은 생리활성 물질을 조직재생 부위에서 지속적으로 방출시키기 위해 필요하다. 일반적으로, 스캐폴드는 다공성체로 만들어지며 많은 세포가 침투되어 성장 분화할 수 있도록 만든다. 만드는 방법은 생분해성 폴리머를 기반으로 한 3D 프린팅, 화이버 스피닝, 상 분리, 주사 겔, 염 추출법 등 다양한 방법들이 개발되었다.  3D 프린터를 이용하여 다공성 지지체를 만드는 모식도는 [그림 4]와 같다. 최근에는 또한 외부자극인 pH, 온도, 물리적 자극, 전기, 음파, 화학적 변화와 생물학적 자극에 반응하는 생분해성 폴리머를 이용한 조직공학, 약물전달, 메디컬 디바이스, 면역 엔지니어링 등에 활용하기 위한 연구가 진행되고 있으며 [그림 5]는 이에 대한 개념 모식도를 보여준다.  
편집부 2019-03-11
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 8

3상 유도전동기는 바깥쪽의 고정자(固定子)와 안쪽의 회전자가 모두 얇은 강판(鋼板)으로 쌓아 올려서 만들어져 있으며 거기에 각각 슬롯을 내고 있다. 고정자 슬롯에는 코일을 넣는다. 
편집부 2019-03-11
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고강성 고무재료 개발을 통한 경량화 기술

Ⅰ. 서론 환경규제에 대한 대응과 생산원가를 절감하기 위해 자동차 제조사로부터 부품의 경량화/저비용화의 요구가 더욱더 높아지고 있으며, 그에 대한 대응방법의 하나로 제품의 초박화(두께 감소)를 들 수 있다. 초박화를 위해서는 재료의 고강성화가 필요하며, 고무재료의 고강성화를 위한 방법으로는 카본 등의 보강제 및 폴리올레핀계 탄성체를 첨가하거나 증량하는 방법이 일반적이다.   하지만, 이러한 방법으로 제조된 고무재료의 강성은 온도 의존성이 크기 때문에 상온에서의 가공성(조립성)과 사용 환경인 고온에서의 안정성을 동시에 확보하기가 어렵다. 본 심층보고서에서는 고무 탄성을 이용하여 상온에서 고온까지 온도 의존성이 낮은 고강성의 고무재료 개발에 관해 기술하고자 한다. 온도 의존성이 낮은 고강성 고무재료 개발을 위해 가교제인 황과 유기황공여체 및 가황촉진제를 조합하여 고무 탄성을 조절하는 기술을 적용하였다.   고무 탄성의 발현을 purse NMR을 통한 분자 운동성으로 검증할 수 있었고 초박형 에어 클리너 호스를 위한 실용적인 배합에 적용할 수 있었다. Ⅱ. 에어 클리너 호스의 기능과 초박화를 위한 과제 에어 클리너 호스(Air cleaner hose)의 기능은 에어 클리너에서 흡입 매니폴더 쪽으로 공기를 옮기는 것으로 주된 요구 특성은 부압성능, 내피로성을 들 수 있다[그림 1].호스의 일반부위 두께 또는 주름 부위 두께를 초박화 하면[그림 2] 강성부족으로 상온에서의 조립 시 부서질 위험성이 있으며, 제품 사용온도인 고온에서의 부압성능이 저하됨으로 고강성 소재의 개발 및 적용이 필요하다.Ⅲ. 고강성 소재의 개발방법과 검증방법1. 고강성화를 위한 기존 기술의 문제점 [그림 3]에 현재 사용되고 있는 일반적인 소재와 기존 기술로 고강성화된 소재의 온도에 따른 강도(30% 신장 시의 응력) 변화를 나타내었고, 개발 소재가 목표하는 강도영역도 나타내었다. 현재 사용 중인 소재는 상온에서 고온으로 갈수록 강도가 떨어져 온도 의존성이 큰 것으로 나타났다. 고강성화의 종래 기술인 카본 등의 보강성 충진제 증량이나 올리핀계 엘라스트머의 첨가도 온도에 따른 강도 저하가 개선되지 않기 때문에 상온에서의 제품 조립성과 사용 환경인 고온에서의 강성을 모두를 개선할 수 없다.2. 고강성화를 위한 소재 개발 방안 설계 개발 목표를 만족하는 에어 클리너 호스용 소재 개발을 위해 온도 의존성을 줄일 수 있는 고무 탄성을 활용한 기술을 적용하였다. 고무 탄성은 온도상승에 따라 분자의 응집력이 증가해 탄성이 커지며 고무 탄성의 발현기구를 조사하는 데는 열탄성 실험이 효과적이다. [그림 4]에 나타낸 것처럼 일정 하중 조건에서 주위온도를 상승시켜 시험편의 길이 Lo의 변화를 관찰하면 일반적인 고분자 수지의 경우에는 그 길이는 온도상승과 함께 길어지는 데 반해 가교 고무의 경우에는 그 길이는 반대로 온도상승과 함께 짧아지고, 또 다음에 식히면 다시 원래의 길이로 가역적으로 회복한다.  이러한 가교 고무의 특이한 거동은 일정한 압력하의 기체가 온도상승과 함께 팽창하는 거동과 유사하다. 따라서, 가교 고무의 탄성 발현 메커니즘은 잘 알려진 기체 분자 운동론과 관련해서 설명할 수 있다.   가교 고무에서 외력에 의한 무정형 부위가 신장하면 열운동의 자유도 감소에 따른 엔트로피 감소를 초래한다. 한편 온도상승은 가교 고무 중의 분자쇄의 열운동을 활발하게 하고 그에 따라 신장된 계는 구속이 적은, 이른바 엔트로피가 큰 미신장 상태에 근접하도록 수축하려고 한다. 즉, 온도상승과 함께 일정 하중 하에서는 길이가 감소하여 일정 신장 하에서는 견인력이 증가한다.  가교 고무로서 단위체적 중에 삼차원적인 그물구조를 형성하는 가교 결합체를 생각하면 고무 탄성률은 다음과 같은 관계식이 된다.고무 탄성률은 유효 가교결합 농도, 이른바 가교 밀도와 절대 온도에 비례한다. [그림 5]와 [그림 6]에는 온도에 따른 강도의 변화 메커니즘으로서 가교 밀도 차이가 다른 고무를 비교하였다. 가교 밀도가 작은 가교 고무의 강도는 상온에서 고온으로 갈수록 떨어져 온도 의존성이 큰 거동이 된다.  그 이유로 가교에 의한 고무 탄성보다도 오일 등의 열가소성 성분의 점성의 영향이 크기 때문으로 현재 사용 중인 일반적인 소재는 여기에 해당한다[그림 5].가교 밀도를 크게 하면 온도와 비례해 더욱 높은 고무 탄성을 발현하게 되어 오일 등의 열가소성 성분의 점성과 함께 온도 의존성이 작은 고무가 된다고 생각할 수 있다[그림 6]. 개발 목표를 만족시키기 위한 소재는 이러한 거동을 바탕으로 설계하였다.3. 가교밀도를 높이는 방안 설계가교밀도를 높이는 주요 방법은 가교제의 증량, 가교조제의 증량, 폴리머의 반응성 증대이며, 이러한 방법 적용 시 나타나는 문제점 및 효과를 고려해 평가하였다[표 1].  가교 밀도 상승을 위한 방안에 대한 종합평가에 결과에 따라 가교제 증량 중 ‘유황의 증량’과 ‘유황과 유황공여제가 병용/증량’의 두 가지 방안을 선정하였다. 유황 가교 시 가교결합 구조는 [그림 7]에 나타나듯이 polysulfide, disulfide 및 monosulfide로 형성된다. 이러한 가교결합 구조의 생성 비율은 유황량, 가황촉진제의 종류, 가황 조건 등에 따라 달라진다. 유황의 증량은 polysulfide 결합이 많아진다. Polysulfide 결합은 결합에너지가 낮고 이에 따라 열에 의해 결합이 쉽게 절단되기 때문에 내열성이 떨어진다. 유황공여제를 활용하면 polysulfide에 비해 결합에너지가 높아 열안정성이 좋은 disulfide 또는 monosulfide 결합을 형성하기 때문에 내열성이 우수한 가교 고무를 얻을 수 있다. 유황공여제란 유황을 포함한 화합물로 가교 반응 중에 저분자 유황을 활성황으로서 해리, 방출시켜 가교제로 하여 작용하는 물질이다. [표 2]와 [표 3]에는 주요 유황공여제인 유기 가황제와 가황촉진제를 나타내었고 [그림 8]과 [그림 9]에는 유기 가황제인 DTDM와 가황촉진제인 TMTD의 유황 방출 메커니즘을 나타내었다. 유기 가황제인 DTDM에서 방출되는 활성황량은 (유황의 원자량 32×2)/(DTDM 분자량 236)×100 = 약 27%를 방출한다. 가황촉진제인 TMTD에서 방출되는 활성황량은 (유황의 원자량 32)/(TMTD 분자량 240)× 100 = 약 13%를 방출한다. 이것보다 가교 밀도향상으로 선정한 “유황과 유황공여제를 병용한 증량”은 “유황의 증량” 시 문제시되는 내열성 문제를 개선시킬 수 있다고 생각된다.4. 가교 밀도향상 실험 실험은 ‘EPDM 기본배합’에 대해 ‘유황 증량’과 ‘유황과 유황공여제를 병용한 증량’(이하, 유황/유황공여제 병용이라고 나타낸다)의 3개로 실험했다[표 4]. 활성황량은 선택한 유황공여제인 유기 가황제나 가황촉진제로부터 산출하였다. 배합은 1.5L banbury Mixer와 8인치 role-mill를 이용했으며, 2.2㎜ 금형에서 170°C 프레스로 10분간 가황하여 시험편을 제조하였다. 제조된 시편을 가지고 온도에 따른 강도 변화(30% modulus, JIS K6251), 가교 밀도(선택/팽윤분해법, Flory-Rehner의 식으로 산출) 및 영구압출줄음률(100°C×24h×25%, JIS K6262)을 평가하였다. [그림 10]에 가교 시스템에 따른 강도의 온도 의존성을 나타내었다. 기본배합에 대해 ‘유황 증량’과 ‘유황/유황공여제 병용’은 온도 의존성이 적고 고온 강성도 크다는 것을 확인할 수 있었다.  이것은 가교 밀도가 크기 때문이며[그림 11], 특히 ‘유황/유황공여제 병용’은 저분자의 유황을 방출함과 동시에 자신이 분해한 아민화합물이 유황을 활성화하여 효과적으로 가교 했기 때문이라고 생각된다. 또한 ‘유황/유황공여제 병용’은 monosulfide 및 disulfide 결합구조를 형성함을 확인할 수 있었다. [그림 12]에서 나타낸 영구압축줄음률을 살펴보면, 기본 배합에 비해 ‘유황 증가’는 특성이 크게 저하되지만 ‘유황/유황공여제 병용’은 저하 폭이 크지 않았다. 이는 monosulfide 및 disulfide에 따른 효과라고 할 수 있다. 설계된 배합보다 유황공여제를 증가시켜 가교 밀도를 더욱 향상시키면 고온에서의 가교결합 절단이 억제돼 고온 강성이 우수한 재료가 되는 것을 확인할 수 있었다.5. 메커니즘 검증 강성의 온도 의존성 메커니즘에 대한 검증으로서, 강성과 분자 운동성의 관계를 확인하였다.분자 운동성은 pulse NMR법으로 평가하고, 그 원리를 [그림 13]에 나타내었다. 자기장에 시료를 두고 거기에 펄스로 마이크로파를 조사하면 수소 원자의 핵스핀이 기저 상태에서 들뜬 상태가 되고 펄스파를 멈추면 원래의 기저 상태로 돌아간다. 이때의 시간을 완화시간으로 하면 분자 운동성과 상관관계가 있음을 알 수 있다. 가교 밀도가 서로 다른 고무 소재의 분자 운동성 모델을 [그림 14]에 나타내었다. 가교 밀도가 낮은 재료는 분자가 움직이기 쉽고 분자 운동성이 크기 때문에 완화시간이 길다고 할 수 있다. 그에 비해 가교 밀도가 높은 재료는 가교점에서 분자가 구속되어 움직이기 어렵고 분자 운동성이 작기 때문에 완화시간이 짧다고 할 수 있다. 이러한 방법으로 ‘기본 배합’과 ‘유황/유황공여제 병용’ 배합의 분자 운동성과 강성 관계를 비교하였다. [그림 15]와 [그림 16]에 분자 운동성과 강성의 관계를 나타내었는데 ‘기본 배합’은 가교 밀도가 낮기 때문에 고온에서의 분자 운동성이 크고 강성의 온도 의존성도 커지고 있다.  그에 비해 ‘유황/유황공여제 병용’은 가교 밀도가 크기 때문에 고온에서도 분자 운동성이 작고 강성이 유지되었다. 이것으로 볼 때 고무 탄성의 메커니즘을 분자 운동성으로 검증할 수 있었다.6. 실용 배합 설계 강성의 온도 의존성 메커니즘에 대한 검증으로서, 강성과 분자 운동성의 관계를 확인하였다. 초박형 에어 클리너 호스용 실용 배합 설계를 위해 EPDM 실용 배합 마스터배치에 유황과 선택한 활성황량을 혼합한 실험 배합을 [표 5]에 나타낸다. 활성황량은 선택한 유황공여제로부터 산출했다.  개발 소재의 목표는 [그림 17]에 나타난 상온에서의 신장률과 고온에서의 강도(100℃에서의 30% 인장 응력)로부터 설정하였다. [그림 18]에 개발 소재와 현행 소재의 강성 온도 의존성을 나타내었다. 개발 소재는 현행 소재와 비교해 온도 의존성이 작은 고강성 소재임을 확인할 수 있었다.Ⅳ. 결론고무 탄성을 활용해 온도 의존성이 작은 고강성 고무 소재를 개발할 수 있었고, 고무 탄성의 발현은 분자 운동성으로 검증할 수 있었다. 또한, 본 개발 소재는 에어 클리너 호스의 초박화를 통한 경량화에 기여할 수 있었다. 본 개발 소재의 개발기술을 그 외 제품군이나 다른 고무종에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
편집부 2019-02-10
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 7

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)<1월호 3. 유압밸브에 이어서.. >5) 릴리프 밸브5-1) 직동식 릴리프 밸브 회로 내의 압력을 제어하기 위한 목적으로 사용된다. 1 차단의 압력을 제어한다.5-2) 밸런스 피스톤식 릴리프 밸브6) 리듀싱 밸브 릴리프 밸브와 유사하나, 2차 측의 압력을 제어한다.7) 스로틀 밸브 유량제어를 통한 기구의 속도를 제어한다.7-1) 미터인 제어 방식 실린더로 들어가는 유량을 제어하는 방식이다. 펌프와 실린더 사이에 있는 유량조절 밸브에 의해 제어된 유량이 펌프의 토출 유량을 모두 통과시키지 못하므로 잔여 유량은 릴리프 밸브로 드레인되고, A게이지에는 릴리프 밸브의 설정 압력이 표시된다. 실린더에 부하를 구동하는 압력 외에 필요 이상의 압력이 걸리지 않는 반면, 자중 또는 관성에 의한 물체의 이동이 발생할 경우 좋지 않다.7-2) 미터아웃 제어 방식 실린더에서 나오는 유량을 제어하는 방식이다. 실린더 내부에 실제 부하에 의한 압력 외에 추가적인 압력이 발생한다.7-3) 압력보상형 유량제어 밸브 유량조정부 앞뒤의 압력 차가 같다면 유량은 일정한 양이 흐르게 된다. 이러한 원리를 이용하여 압력 차를 일정하게 해줌으로써 부하의 변동에 관계없이 일정한유량을 얻고자 할 때 사용된다.8) 서보 밸브와 비례제어 밸브서보 밸브와 비례제어 밸브는 밸브에 가해지는 전기 신호에 따라 연속적으로 밸브의 밀폐요소를 움직여 유량이나 압력을 제어하는 밸브를 말한다.일반적으로 비례제어 밸브는 서보 밸브보다 제어성능(응답성)은 다소 떨어지지만, 상대적으로 가격이 저렴하고, 유압 유체 속의 이물질에 대한 민감도가 낮은 점등의 장점이 있다.9) 유압모터 유압모터는 유체 에너지를 회전하는 기계적 에너지로 변환하는 장치이며, 구조나 크기 면에서 유압펌프와 매우 유사하다. 두드러진 차이점은, 유압펌프는 작동 중에 유체를 송출구로 밀어내는데 비하여, 유압모터는 작동 유체가 유압모터 내의 회전요소(베인, 기어, 피스톤 등)를 밀어서 유압모터 축을 회전시키는 점이다.9-1) 피스톤 모터9-2) 베인 모터주로 고속 저 토르크에 사용된다. 9-3) 기어 모터주로 저속 고 토르크에 사용된다.… 2019년 핸들러 3월호에서 ‘사출성형기 이야기 8’이 이어집니다.
편집부 2019-02-10
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차량 속 잠든 아이, 방석으로 확인

- 한국생산기술연구원, 파트너기업과 압력감지 센서 탑재한 ‘어린이 확인 방석’ 공동개발- 스마트폰으로 실시간 착석 상태 확인 가능, 홀로 방치되면 경보 울려 어린이집 통학차량에 아동이 장시간 방치되면서 사망으로까지 이어지는 안전사고가 매년 발생하고 있다. 정부는 사고방지대책의 일환으로, 2019년부터 ‘잠자는 아이 확인 장치’ 설치를 의무화하기로 했다. 가장 대표적인 확인 장치는 차량 뒤편에 설치되는 하차 확인 벨인데, 벨 설치를 위해 차량 개조가 필요하기 때문에 시간과 비용이 많이 소요된다. 또한, NFC(근거리무선통신)* 장치를 이용하는 경우, 교사가 아동의 NFC 태그를 승하차 때마다 단말기에 일일이 접촉시켜야 해 번거롭고, 이 때문에 시간이 지연돼 차량운행에 차질을 빚는 일도 많다.* 약 10㎝이내 거리에서 데이터를 교환할 수 있는 무선통신 기술로, 이용자가 스마트폰 등의 단말기를 통신 대상기기에 직접 접촉해야 함. 좌석에 착석상태를 인지할 수 있는 초음파 센서를 설치하는 방식은 사람과 사물을 구별해내지 못하며, 초음파의 인체 유해성 논란도 있다. 한국생산기술연구원(원장 이성일, 이하 생기원)이 파트너기업 ㈜제이테크, ㈜키즈소프트와 함께 아동의 승하차 상태를 스마트폰으로 간편하게 확인할 수 있는 어린이 확인 방석을 공동 개발했다. 개발된 방석에는 아동의 착석여부를 감지할 수 있는 압력감지 센서가 내장되어 있으며, 블루투스(Bluetooth)*로 스마트폰과 자동 연결된다.* 스마트폰, 노트북 등의 휴대기기를 서로 연결해 정보를 교환하는 근거리무선기술로, 주로 10m 안팎의 근거리에서 작동함. 교사가 스마트폰에 전용 어플리케이션을 설치하면, 착석여부를 실시간 확인할 수 있고 아동을 차량에 홀로 남겨둘 경우 바로 경보가 울린다. 어린이 확인 방석은 다른 장치들과는 달리 별도의 설치작업 없이 좌석에 비치하기만 하면 즉시 사용할 수 있어 실용적이다. 또한, 운전자나 교사가 아동의 하차상태를 확인하기 위해 차량을 둘러보거나 몸을 움직일 필요가 없으며, 승하차 지연도 발생하지 않는다. 아울러, 방석구매 이후에는 추가비용 발생 없이 2년 주기로 배터리만 교체하면 된다. 어린이 확인방석의 핵심기술은 생기원 동남지역본부 정밀가공제어그룹 조한철 선임연구원이 독자 개발한 블루투스 알고리즘으로, 기존의 상용 알고리즘은 거리가 멀어져 신호가 약해지면 통신연결이 끊긴다는 알림만 주는데 반해, 개발한 알고리즘은 연결이 끊겨야 알림을 주는 독창적인 방식이다. 방석 센서가 차량 속 아동을 감지하고 있을 때 교사가 일정거리 이상 차량과 멀어지면, 스마트폰과의 블루투스 연결이 끊겨 경보가 작동하는 원리다. 한편, 방석에 들어가는 주요 부품의 개발과 제작은 생기원 파트너 기업들 간 자발적 협력과 역할 분담을 통해 이뤄졌다. 센서 제작 전문기업 ㈜제이테크는 아동의 몸무게와 착석 면적을 고려해 좌석 점유 상태를 빠르고 정확하게 인지할 수 있는 압력감지 센서를 개발했다. 또 아동용 스마트워치 전문기업 ㈜키즈소프트는 센서 신호를 스마트폰으로 전송하는 통신부품과 전용 어플리케이션 개발을 맡았다. 제작된 부품의 조립과 최종제품 판매는 ㈜제이테크가 담당한다.  조한철 선임연구원은 “온라인 구매가 가능하고, 누구나 쉽게 사용할 수 있기 때문에 전국 유치원에 빠르게 보급될 것으로 기대된다”고 밝히며, “관련기술은 확장성이 넓어 향후 유아용 카시트나 학교 출결관리 시스템에도 접목할 수 있을 것”이라고 말했다.어린이 확인방석은 시제품 테스트를 거쳐 2019년 초 시중에 선보일 예정이다.
이용우 2019-01-07
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KAIST 김일두 교수, 3D 프린팅 통한 맞춤형 디자인 배터리 제작

- 소형 인체착용 형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용왼쪽부터 안복엽 박사, 김찬훈 박사, 김일두 교수, 제니퍼 루이스 교수 KAIST 신소재공학과 김일두 교수연구팀이 미국 하버드 공과대학 제니퍼 루이스(Jennifer A. Lewis) 교수와의 공동연구를 통해 배터리 디자인의 자유도를 획기적으로 높일 수 있는 기술 개발에 성공했다.  KAIST-하버드 공동연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용해 배터리의 형상을 반지 모양, 대문자 알파벳 H, U 등의 글자 모양을 포함해 원하는 구조로 자유롭게 제조하는데 성공했다. 또한, 한국화학연구원 최영민 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 소형 인체착용 형 광센서 반지에 3D 프린팅 배터리를 적용했다. 신소재공학과 김찬훈 박사, 하버드 공과대학 안복엽 박사가 공동1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야의 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월호에 게재됐다.  현재 사용되는 배터리 형상은 코인셀 또는 파우치셀 제작에 최적화된 원형 또는 사각형 구조로 제한돼 있다. 각기 다른 디자인을 갖는 소형 전자소자의 경우 배터리 저장장치가 부피 대부분을 차지하기 때문에 효율적인 공간 활용을 위해서는 배터리의 형상을 자유자재로 바꾸는 기술이 필요하다. 3D 프린팅 방법으로 제조된 자유형상 배터리 및 응용3D 프린팅 기술을 이용한 자유형상 배터리 제조 연구팀은 자유로운 디자인을 갖는 배터리를 만들기 위해 친환경 물 기반 아연 이차전지(Zn-Ion battery) 시스템을 도입했다. 리튬이온 대신 아연이온(Zn2+)을 전하 운반체로 사용하는 이 시스템은 물을 전해질의 일부로 사용하기 때문에 높은 인화성의 유기용매를 전해질로 사용하는 기존 리튬 이차전지보다 안전하다.  유기용매는 수분 및 산소에 노출될 경우 배터리 열화의 원인이 돼 리튬 이차전지의 제조공정을 어렵게 하는 요인 중 하나이다. 연구팀이 도입한 수계 아연 이차전지는 대기 중의 수분 및 산소에 안정적이기 때문에 보다 간편한 대기공정 조건에서 제조할 수 있다.  특히 3D 프린터를 이용한 플라스틱 패키징 적용에도 물은 플라스틱 패키징을 녹이지 않아 보다 간편하게 패키징이 가능한 장점이 있다.  연구팀은 자유로운 형태로 재단이 간편하고 고속 충, 방전이 가능하도록 양극을 설계하기 위해서 전기방사 기술을 이용해 탄소섬유(Carbon fiber) 전류집전체를 제조했다. 이후 전기화학적 활성이 높은 폴리아닐린 전도성 고분자를 탄소섬유 표면에 매우 균일하게 코팅해 전류집전체 일체형 양극을 제조했다.  3D 구조를 갖는 얇은 섬유로 이루어진 폴리아닐린 기반 양극은 2분 동안 50%를 충전하는 매우 빠른 충전 속도를 보였고, 활물질의 손실 없이 쉽게 재단할 수 있어 이를 기반으로 다양한 형태의 배터리 제작이 가능할 것으로 기대된다.  김 교수는 “수용성 전해질을 이용하는 아연 이차전지는 일반 대기환경에서 배터리 패키징 조립을 할 수 있어 3D 프린팅을 활용하면 고객 요구에 맞는 맞춤형 배터리 팩을 손쉽게 제작할 수 있다”라며, “초소형 마이크로 로봇의 외형에 잘 맞는 전력장치나 특이한 디자인의 소형 전자소자의 저장장치로 응용 가능성이 높다”라고 말했다.  이번 연구는 한국연구재단 글로벌 연구실 및 웨어러블 플랫폼센터의 지원을 받아 수행됐다. 한편 김일두 교수는 지난 12월부터 연구가 게재된 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 부편집장(Associate Editor)으로 선임돼 투고논문의 심사여부를 판단하고 심사자(reviewer) 선정 및 게재 승인여부를 결정하게 되었다. 미국과 유럽, 중국이 과학기술을 선도하는 환경에서 40대의 나이에 권위 학술지의 부편집장 선임은 대한민국의 과학발전이 세계적으로도 인정받고 있음을 보여주는 결과이다.  김 교수는 “2018년도 13.709의 피인용지수와 134,596회에 달하는 인용횟수를 갖는 세계적인 권위의 학술지 에이씨에스 나노 부편집장으로 선임돼 영광이다”라며, “에너지 및 센서 분야에 투고된 논문들에 대한 에디터 활동을 통해 KAIST의 위상을 높이고, 대한민국 과학기술의 저변 확대와 세계적인 연구팀들과의 국제협력 기회를 더욱 만드는데 공헌하고 싶다”고 말했다. 
이용우 2019-01-07
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Moldex3D의 섬유 강화 플라스틱(FRP) 해석

Fiber 소개 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastics; FRP)는 우수한 기계적 성질, 높은 강도, 부식에 대한 높은 저항 등으로 인해 금속의 대체 재료로 광범위하게 사용되고 있다. FRP는 매트릭스 및 섬유의 종류, 생산 공정의 방식에 따라 다양한 기계적 특성을 지니게 되며, 이러한 FRP의 특성을 결정짓는 중요한 요소는 섬유 유형, 함량 그리고 섬유의 길이이다. FRP 제품의 기계적 성질은 성형 완료 후 섬유 길이와 방향에 의존된다.  섬유는 성형 중에 파손이 발생하여 길이가 줄어들 수 있으며, 섬유 배향은 재료의 이방성(An-Isotropy) 특성을 결정한다. FRP 제품의 경우 외부 충격에 의한 변형, 파단은 예측하기 어려우며, 설계자들은 이러한 제약에도 불구하고 FRP를 계속해서 사용해왔다. 최근 미국 에너지부(U.S Department of Energy)는 연구를 통해, 실험방식을 통해서는 복잡한 복합소재의 구조를 관찰하기가 어려우므로 시뮬레이션 프로그램을 이용하는 것이 매우 효과적임을 밝혀냈다. Moldex3D Fiber 모듈 소개 FRP 제품의 이방성 섬유 배향이 제품의 기계적 성질에 미치는 영향은 복합소재 연구 분야에서 줄곧 중요한 이슈가 되어왔다. 사출 제품의 이방성 섬유 배향을 관찰한 결과는 대부분의 경우 전형적인 적층 형상의 구조로 스킨(Skin), 쉘(Shell), 코어(Core) 영역으로 나타난다.  하단의 그림은 FRP를 사용한 사출 제품의 단면에 대한 적층 형상 구조를 보여주는 한 예이다. 실험적으로 도출되는 결과와 비교하여 장섬유(Long Fiber) 및 단섬유(Short Fiber, Chopped Fiber)가 함유된 플라스틱의 성형에서 이방성 섬유 배향을 정확히 예측하는 것이 매우 중요하다. Moldex3D Fiber 모듈은 섬유 배향에 따른 제품의 변형 및 섬유 강화 재료의 이방성 기계적 특성을 정확히 예측할 수 있어, 제품 및 금형 개발자의 설계에 도움을 준다. 이 모듈을 통해서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. - 장섬유(Long Fiber) 및 단섬유(Short Fiber, Chopped Fiber)의 FRP 섬유 배향 계산 - 제품의 이방성 기계적 특성 도출 - 섬유 배향에 따른 제품의 변형 경향 도출 - Moldex3D의 다른 해석(구조 및 열 해석)과의 연계 및 기타 구조해석용 상용 프로그램과의 연계 해석 지원 Moldex3D는 Fiber 배향 해석의 정확성을 높이기 위해 시험 결과와 비교하면서 새로운 이론과 섬유 배향 모델을 선도적으로 만들어 오면서 끊임없이 발전해왔다. 예전 Moldex3D R13 버전에서 이미 스킨(Skin)과 쉘(Shell) 영역에서 뛰어난 예측 결과를 보여줬지만 코어(Core) 영역에서는 여전히 오차가 있었다. 하지만, Moldex3D R14 버전부터 iARD-RPR라는 섬유 배향 이론모델을 도입한 후 섬유 배향 예측 정확도를 현저하게 높여, 스킨(Skin), 쉘(Shell), 코어(Core)에서 모두 만족할 만한 결과를 얻을 수 있었다.  현재 Moldex3D 사출금형 해석 소프트웨어는 최첨단 iARD-RPR섬유 배향 이론모델을 접목시켜 복잡한 3D 제품의 섬유 배향 특성을 명확하게 분석하여 정확한 예측 결과를 제공하고 있다.
편집부 2019-01-04
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전도성 고분자를 이용한 웨어러블 전자기기 응용 연구 동향

Ⅰ. 서론  4차 산업혁명 시대의 핵심기술로서 웨어러블 전자기기는 가볍고, 유연하면서 보다 간편하게 휴대할 수 있는 형태로의 기능을 요구하고 있으며, 쉽게 구부릴 수 없는 금속이나 세라믹 재료를 대체할 수 있는 수준의 성능을 가지는 고분자 재료에 관한 연구가 많은 관심을 받고 있다. 2010년대 이후로 스마트 폰 및 스마트 전자기기의 기술이 급속히 발전하면서 2차원의 평면구조이던 스마트기기의 형태가 Curved로부터 빠르게 진화하여 Bendable을 거쳐서 Foldable 또는 Rollable의 형태로 발전하고 있다[그림 1].   국내에서도 수년 전부터 삼성전자와 LG 디스플레이를 중심으로 Foldable 스마트 폰에 대한 기술의 개발이 진행되고 있으며, 정부기관을 중심으로 Foldable, Rollable 디스플레이에 적용하기 위한 개별 요소기술에 관한 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 최근에는 2018년 미국 CES에서 LG 디스플레이가 세계 최초로 65인치 급 Rollable 디스플레이를 전시하여 전 세계적인 관심을 받았으며, 삼성전자도 지속적으로 Rollable 디스플레이와 Foldable 스마트 폰에 대한 연구 개발을 집중하고 있다[그림 2, 3]. 앞으로도 디스플레이 기술은 더욱 편하게 휴대하고, 간단하게 사용할 수 있는 형태로 기술 개발이 진행될 것으로 기대되고 있으며, 더 나아가 인체 밀착형 웨어러블 전자기기의 수요가 급증할 것으로 예측되고 있다. 기존의 딱딱한 형태의 디스플레이를 쉽게 구부리고 둘둘 말아서 사용할 수 있도록 만들기 위해서는 기본적으로 유연한 재료의 사용이 필수적이며, 유리를 대체하기 위한 투명 강화플라스틱부터 전극재료를 대체하기 위한 전도성 소재의 영역까지 다양한 분야에 고분자 재료가 적용될 가능성을 가지고 있다. 특히 전기가 흐를 수 있는 전도성 고분자는 도전성을 나타내는 금속재료를 대체할 후보 물질로서 다양한 스마트 전자기기 분야에 활발하게 연구되고 있다. 이에 본 심층 보고서에는 플렉시블 전자기기 및 웨어러블 전자기기에 응용하기 위한 다양한 고분자 재료 중 전도성 고분자를 이용한 웨어러블 전자기기로의 응용기술에 관한 연구동향을 소개하고자 한다. 전도성 고분자의 개요 및 이를 이용한 코팅공정 기술, 그리고 마지막으로 최근 웨어러블 전자기기로의 전도성 고분자의 응용 현황을 소개하고자 한다.Ⅱ. 전도성 고분자 응용기술 개발동향1. 전도성 고분자의 개요 Polyethylene을 포함한 대부분의 고분자는 일반적으로 전기가 흐르지 않는 절연체의 특성을 보이지만 polyacetylene과 같이 공액 구조(conjugated structure)를 가지는 고분자의 경우는 전기가 흐르는 특성을 보이는 것으로 알려져 있으며, 이 사실을 1970년대에 Alan J. Heeger를 비롯한 3명의 과학자가 발견하여 2000년에 노벨상을 수상하였다[그림 4]. Polyacetylene은 탄소-탄소 사이의 이중결합과 단일결합이 교대로 연결되어 전자의 이동을 효과적으로 도울 수 있는 통로를 만들 수 있으며, 도전성을 높여주기 위해서 요오드(I2)와 같은 시료를 이용해 화학적으로 도핑(doping) 처리를 하게 되면 금속에 버금가는 우수한 전도도를 가지는 전도성 고분자를 구현할 수 있다. 실제로 고분자는 대부분 절연 특성을 보이지만 전도성 고분자의 공액 구조를 적절히 조절하고 효과적으로 도핑 처리를 하게 되면 102~106 S/m 수준의 반도체에 가까운 전기전도도를 보일 수 있다[그림 5, 6]. 몇 가지 대표적인 전도성 고분자의 특징을 살펴보면, 먼저 polyacetylene은 acetylene 단량체를 금속 촉매반응을 통해 중합함으로써 쉽게 합성할 수 있다. 전도성 고분자 중 가장 간단한 구조를 가지고 있으며, 생산비용이 저렴한 장점이 있고 도핑제를 잘 선택하게 되면 구리와 유사한 수준의 전기전도도를 보일 수 있다. 반면에 공기 중에서도 반응성이 높아 쉽게 특성을 잃어버리고 온도에 대한 저항성이 높다는 것은 단점이다. Polyaniline은 고분자의 산화-환원 상태에 따라 전기가 통하지 않는 절연상태에서 부분적인 산화반응 또는 이온화가 됨에 따라 전기가 흐르는 상태로 변화될 수 있다[그림 7]. 일반적으로 polyaniline은 우수한 전기전도도의 특성을 보이는 것으로 알려져 있고, 화학적 열적 저항성이 뛰어난 특성을 보이며, 고분자 사슬구조의 강직한 특성으로 인하여 높은 기계적 물성을 보인다.  반면에 강직한 분자구조는 낮은 가공성, 유연성 및 용해도에 있어서 부정적인 영향을 미친다. Polyaniline은 한때 강판의 부식방지 코팅용으로 활용하기 위해 많이 연구되었으나 웨어러블 기기에 응용하기 위한 측면에서는 고분자 구조의 강직성 때문에 쉽게 구부리기 어렵고 용해도가 낮아 인쇄공정에 부적합하여 사용용도가 제한적이다.  Polypyrrole 또한 polyaniline과 같이 산화-환원 및 이온 도핑 효과에 따라 전기가 잘 흐를 수 있는 상태를 구현할 수 있으나 주쇄에 존재하는 pyrrole기에 의한 강직한 구조를 가지고 있어서 용해도가 낮고 쉽게 구부러지지 않아서 센서나 전도성 코팅막을 만드는 용도로는 사용할 수 있지만 실제로 플렉시블 웨어러블 전자기기를 구현하기 위한 용도로는 부적합하다. Polythiophene은 2000년대 들어서 유기 반도체 전계효과 트랜지스터(Organic Semiconducting Field-Effect Transistor, OFET) 소자의 개발동향과 맞물려 많은 주목을 받았다. 기존 실리콘 기반의 반도체 소자를 제조하기 위해서는 진공증착, 박막에칭 등 고가의 장비를 필요로 하는 복잡한 공정기술이 절대적이어서 생산성 향상 및 웨어러블 소자에 적용하기 위한 유연성을 확보하기 위해서는 보다 간편한 공정이 가능하면서 유연한 재료의 사용이 중요하게 되었다.  초기에 개발된 Polythiophene은 기존 rigid 타입의 전도성 고분자와 마찬가지로 thiophene 단량체를 기본 구조로 하는 고분자의 용해성이 높지 않아 화학증착을 비롯한 소자공정을 이용하여 전도성 코팅막을 형성하였으나, 3번 탄소 위치에 다양한 종류의 알킬기를 도입하면서 용매에 쉽게 녹을 수 있는 polythiophene 고분자를 제조하는 기술이 개발되어 본격적으로 인쇄공정을 기반으로 한 인쇄 전자소자의 개발과 함께 급속도로 성장하였다[그림 8].  대표적인 예는 P3HT라고 불리는 poly(3-hexylthiophene)이 있다. P3HT는 chloroform과 같은 유기용매에 쉽게 용해되어 ink-jet printing과 같은 공정기술을 사용하여 기존 반도체 공정보다 간편하게 유연한 소자를 제조할 수 있었으며, P3HT를 기반으로 한 고성능의 플렉시블 OFET 연구가 활성화되었다.  그러나 thiophene 구조 내에 비전도성의 알킬기를 도입함으로써 polythiophene이 가지고 있는 고유한 전도성에 상당한 손실이 발생하여 전 세계적으로 많은 연구가 활발히 진행되었음에도 불구하고 전하이동도(mobility)의 값이 1 cm2/Vs 이하의 낮은 값을 보여 오랜 기간 연구되었음에도 아직까지 상업화에 이르지 못했다. 그러나 유기태양전지(Organic Photovoltaic Solar Cells, OPV)의 활성화와 함께 다시 주목 받고 있는 전도성 고분자로서 Perovskite가 발견되기 전까지는 유기태양전지분야에서 가장 우수한 광전효율을 나타내는 전도성 고분자로서 각광을 받았다.  현재까지 가장 상업화에 성공한 고분자는 thiophene에 dioxyethyrene이 연결된 구조를 가지고 있는 Poly(3,4-ethy-lenedioxythiophene, PEDOT) 고분자로, 독일 Heraeus사에서 생산하여 세계 각지에 공급하고 있다[그림 9]. PEDOT 고분자는 보통 PEDOT:PSS로 불리는데 이는 PEDOT이 기본적으로 용매에 녹기 어려운 구조를 가지고 있지만 물에 녹는 전해질 고분자인 poly(4-styrene sulfonate, PSS) 고분자와 배위 결합을 형성하여 물에 녹는 전도성 고분자의 형태로 제조하였기 때문이다.  PEDOT:PSS는 수용액으로 존재할 뿐만 아니라 투명하고 비교적 높은 전도도를 보여 투명 기판에 전도성 코팅막을 형성하는 많은 응용분야를 만들어 내고 있으며, 대전방지 필름이나 투명전극 필름을 제조하기 위한 전도성 코팅소재로 활용하기 위해 기업체에서 많은 관심을 가지고 있다. PEDOT:PSS는 수용액으로 되어 있기 때문에 용액공정이 가능하고 인쇄공정을 이용해서 쉽게 전도성 코팅막을 제조할 수 있으나, PEDOT의 공액 구조에서 오는 푸른색의 고유한 색상을 가지고 있어 이에 따른 응용분야의 제약이 있을 수 있다. 최근에는 PSS 대신에 Tosylate 기를 결합한 PEDOT:Tos와 같은 고분자도 개발되고 있다. [그림 10]에는 앞서 설명한 몇 가지 전도성 고분자들의 대표적인 화학구조를 요약하였다. 전도성 고분자는 일반적으로 고분자가 가지고 있는 공액 구조와 주쇄에 연결된 주요 반복단위의 형태, 그리고 곁가지에 위치하고 있는 사슬의 종류에 영향을 받아 절연체에서부터 높은 전도도가 흐르는 상태로 조절할 수 있다.  개발 초기에는 각각의 대표적인 고분자 형태를 단독으로 사용하거나 P3HT 같이 용해도를 높여 주기 위해 곁가지를 도입하는 형태로 사용되었으나, 최근에는 사용하려는 용도에 맞는 성능을 구현하기 위해서 여러 공액 분자구조를 공중합 형태로 혼합하여 사용하는 경우가 많아지고 있으며, 비교적 우수한 성능을 보이는 것으로 알려져 있다[그림 11]. 특히 유기 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되면서 전하 및 전자를 주고받을 수 있는 각각의 전도성 관능기들을 동시에 가지고 있는 다양한 형태의 전도성 고분자 공중합체를 설계하고 합성하였으며, 10% 이상의 광전효율을 나타내는 수준까지 발전한 것으로 알려져 있다.2. 전도성 고분자 코팅 기술 전도성 고분자를 사용함으로써 기대되는 가장 큰 효과는 플라스틱 소재를 활용한 유연성 확보와 더불어 인쇄공정 적용을 통한 생산성 향상이다. 그럼에도 불구하고 초기의 전도성 고분자는 용매에 잘 녹지 않아서 대부분 증착공정을 사용하여 전도성 코팅막을 제조하였다[그림 12]. 진공 챔버 내에서 고분자 단량체를 기화시켜 원하는 기판 표면에서 직접 성장시키거나 중합하는 방법을 통해서 표면에 전도성 막을 형성하였다.  이 방법의 장점은 용매에 쉽게 녹지 않는 공액구조의 전도성 고분자를 쉽게 표면에 증착할 수 있다는 점이며, 코팅막의 두께를 수 ㎚에서 수 마이크로까지 균일하게 코팅할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 증착기의 크기에 의존해야하기 때문에 소자의 크기나 응용제품의 특성에 따라 크게 영향을 받는다.  Polyanilne과 polypyrrole 같은 고분자는 전기중합을 이용해서 금속이나 전도체 표면에 쉽게 코팅할 수 있다[그림 13]. Aniline, pyrrole과 같은 단량체를 함유하고 있는 용액에서 전기를 걸어주면 전기화학 반응에 의해서 한쪽 전극에 선택적으로 전도성 고분자 층이 중합될 수 있다. Polyaniline과 polypyrrole이 전기중합을 이용해서 코팅되는 고분자로 알려져 있으나 이외에도 PEDOT이나 polythiophene 등 많은 전도성 고분자들이 전기중합을 통해 합성될 수 있다. 화학증착이나 전기중합과 같은 방법은 반응기의 크기에 의존하고 만들어진 고분자들의 구조가 대체적으로 Rigid한 구조를 가져서 반복적인 구부림에 쉽게 손상되는 단점을 가지고 있다. 웨어러블 전자기기의 중요한 기능 중 하나는 반복적인 구부림 및 연신-수축에 대한 내구성을 가지고 있어야 하고, 금속이나 세라믹이 아닌 플라스틱이나 섬유를 기판으로 사용해야 한다.  최근에 개발된 전도성 고분자는 대부분 우수한 전도도를 가지게 설계됨과 동시에 용매에 대한 용해성을 좋게 해서 용액공정이 가능한 형태로 개발하는 것이 일반적이다. 용액공정이 가능하도록 함으로써 기존 증착공정보다 공정온도를 크게 낮출 수 있어 내열도가 낮은 플라스틱에도 적용이 가능하다. 기존 인쇄기술과 접목시켜 ink-jet, slot-die, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 그라비아 인쇄 등 다양한 방법을 사용해서 전도성 고분자를 코팅 및 인쇄할 수 있다[그림 14].  각 기술의 특징 및 장‧단점, 인쇄가능 전도성 고분자 잉크의 물성, 인쇄면의 형상에 관한 정보는 [표 1]에 나타냈다. 만들고자 하는 전도성 코팅막의 패턴 사이즈, 두께 등 응용 제품에 따라 각기 다른 방법들을 사용하여 효과적으로 전도성 코팅막을 구현할 수 있다. 최근에는 두루마리 형태의 필름을 연속적으로 인쇄할 수 있는 롤투롤(roll-to-roll) 기술이 발전하여 연속 공정을 통해 넓은 크기의 전도성 인쇄가 가능해져서 생산성을 크게 높아지게 하였다[그림 15]. 앞으로도 전도성 고분자를 이용한 코팅공정 기술의 발전방향은 연속공정을 기반으로 한 대면적화와 미세 패턴을 형성할 수 있는 기술에 초점이 맞추어질 것으로 예측된다.3. 웨어러블 전자기기 응용연구동향 2000년대 초반 전도성 고분자는 강판의 부식방지 코팅용으로 사용되었다. polyaniline 또는 polypyrrole 고분자를 이용하여 전도성 고분자에서 전자를 이동시키는 특성이 강판의 산화-환원 반응을 통한 부식방지에 효과가 있다는 연구결과가 발표되었다[그림 16]. 기존에 사용되던 크롬 기반의 부식방지 코팅기술을 전도성 고분자 코팅으로 대체하여 크롬이 용출됨에 따라 나타날 수 있는 생체 유해성을 낮춰줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.전도성 고분자가 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 유연한 특성을 살릴 수 있는 웨어러블 전자기기이다. P3HT와 같은 용매에 녹을 수 있는 전도성 고분자의 개발은 용액화하여 습식공정이 가능하도록 하였으며, 보다 간편한 인쇄공정을 적용하여 유기 반도체 트랜지스터 및 유기 발광 다이오드(OLED), 태양전지 등 다양한 응용분야에 사용할 수 있음이 알려져 있다.  P3HT를 PCBM과 혼합 코팅하여 상 분리 후 활성 층으로 사용하면 태양광을 전기로 변환시키는 유기 태양전지를 만들 수 있다[그림 17]. 전자 주게와 전자 받게가 서로 활발히 상호작용을 함으로써 빛으로부터 생성된 포톤 에너지와 전자를 각 층으로 전달하여 전기를 발생시킨다.  초기 P3HT를 이용한 유기 태양전지는 광전효율 5%대로 유연한 특성에도 불구하고 실리콘 태양전지에 미치지 못하였으나, 최근에는 PCDTBT, PTB7 등과 같은 공액분자의 구조를 제어하여 10% 이상의 효율을 보이는 전도성 고분자 기반 유기 태양전지가 개발되었으며, perovskite의 사용을 통해 20%대에 달하는 효율을 보이는 태양전지도 속속 보고되고 있다.  유기 태양전지와 유사한 구조로 OLED는 전도성 고분자 층을 유기발광 층으로 사용하여 전기를 빛으로 변환하여 특정한 색을 나타낸다[그림 18]. 초기에 사용된 OLED용 전도성 고분자는 poly(p-phenylene vinylene, PPV) 또는 PPV를 함유하고 있는 poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene](MEH-PPV)와 같은 공중합 유도체를 사용하였다.  OLED용 전도성 고분자는 고분자가 가지고 있는 공액구조의 고유한 특성에 따라 특정 파장의 빛을 방출하게 되며, 이때 파랑, 초록, 빨강 등 다양한 색상을 만들어 낼 수 있다. 지금까지 전도성 고분자를 이용한 전자소자로의 제품화 측면에서 가장 앞서 있다고 볼 수 있다.2000년대의 전도성 고분자 기반 전자소자 응용기술은 대부분 전도성 고분자를 소자로 제작하여 전기적 특성을 관찰하는데 집중되어 있었다. 전도성 고분자를 이용한 전자소자로의 응용에 있어서 반복적인 구부림, 연신-수축 등 신뢰성에 대한 관심이 높아짐에 따라 기계적인 내구성을 가지는 전도성 고분자 기반의 전자소자를 개발하기 위한 연구가 진행되었다[그림 19].  다중 수소결합을 가질 수 있는 관능기를 전도성 고분자에 도입하여 반복적인 연신-수축으로 인해 손상된 전도성 표면을 분자 간 및 용매와의 상호작용을 통해 자발적으로 쉽게 복구되어 전기적 특성을 보존시킬 수 있다. 자가 치유기능을 가지는 전도성 고분자로 OFET을 제조하였을 때 인위적으로 손상시킨 소자는 일시적으로 성능이 떨어지는 것이 관찰되었으나, 용매 또는 열처리를 통해 다중 수소결합을 활성화시켜 자발적으로 손상된 코팅막이 복구되어 전기적 특성이 원상복귀 될 수 있음이 보고되었다.  또한 최근에는 전도성 고분자의 웨어러블 전자기기로의 개발 관심과 맞물려 실제 인체와의 친밀도를 높여 줄 수 있는 전자피부와 같은 형태로 연구가 진행되고 있다[그림 20]. 아직까지는 금속의 전도성 부분을 전도성 고분자로 대체하여 의수나 로봇에서 작동 가능한 센서 등의 형태로 시제품 만드는 수준이지만 기술의 발전이 더 진행된다면 실제 인체에 부착하여 피부로 사용할 수 있는 기술로 개발이 될 것으로 기대된다. 웨어러블 전자소자로 응용하기 위한 소자의 형태로는 직접 인체에 부착할 수 있는 전자피부와 더불어 의복을 제작하여 사용하는 섬유형 전자소자가 있다[그림 21]. 의복을 제조하는 개별 섬유를 하나의 단위 소자로 제조하여 각각의 기능을 할 수 있도록 만드는 것으로 웨어러블의 개념과 가장 부합하는 기술로 많은 관심을 받고 있다.Ⅲ. 결론 및 전망 전도성 고분자는 1970년대 처음 발견된 이래로 2000년대 들어 급속도로 성장하기 시작하였다. 초기에는 단순히 OFET, OLED, OPV 등 개별 전자소자로의 기능을 나타내는데 집중했던 반면에, 최근에는 소비자의 요구에 부합하기 위한 연구 개발의 형태로 진화하고 있다.   재료가 가지고 있는 고유한 물성은 매우 좋지만 단단하여 구부리기 어려운 금속이나 세라믹은 Rollable하거나 스트레쳐블(Stretchable)한 미래형 전자기기의 수요를 만족시키기에는 본질적으로 한계가 있다. 따라서 전도성 고분자가 지금보다 더 발전하여 금속 또는 세라믹이 가지고 있는 전기적 물성의 수준을 가지면서 기존 고분자 소재가 가지고 있는 유연성을 유지한다면, 다양한 웨어러블 전자기기를 만드는데 핵심적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.  또한 그에 적합한 공정기술의 개발 및 생산성을 향상시킬 수 있는 연속공정 기반의 인쇄기술도 같이 개발해야 할 중요한 부분이다. 앞으로의 전도성 고분자 기술개발 방향은 웨어러블 응용분야에 따른 맞춤형 소자로서의 기본 구동성능을 만족시킴과 동시에 기계적인 변형에 대응할 수 있는 기능도 종합적으로 요구될 것이다. 이에 따라 고분자 자체의 분자구조가 더욱 복잡해지고 합성하기 어려워 질 것이지만, 현재의 기술발전 속도와 전 세계적인 연구 집중도 및 투자를 고려하면 빠른 시일 내에 상상하던 제품들이 시장에 출현하게 될 것으로 기대된다.
편집부 2019-01-04