- 피부처럼 손상 정도 파악이 가능하고 스스로 회복

- 반복하여 재사용해도 기능성을 유지해 폐기물 절감 가능

자동차나 선박, 건물은 외부 환경으로부터 내부를 보호하기 위해 사람의 피부에 해당하는 코팅제를 표면에 바른다. 현재 사용되고 있는 코팅제는 손상 여부를 파악하기 힘들고, 재사용도 불가능해 일정 기간이 지나면 일괄 교체해야 한다. 이 때문에 대량의 폐기물과 처리 비용이 발생하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 김태안 박사팀이 손상 부위에 색 변화가 나타나 즉각적인 진단이 가능하면서 높은 온도에서 스스로 회복하는 코팅 소재를 개발했다고 밝혔다.

기존에 연구되고 있는 손상 감지 또는 자가 회복이 가능한 코팅 소재는 기능성 물질을 포함하고 있는 매우 작은 캡슐을 혼합하는 방식이다. 하지만 한번 깨진 캡슐은 다시 사용할 수 없으므로 반복적인 손상 감지와 자가 회복이 어렵다. 

KIST 연구진은 외부 자극으로 화학적 결합이 끊어지더라도 원래의 형태로 돌아올 수 있는 화학적 구조를 지닌 분자를 이용해 손상 진단과 자가 회복 기능을 여러 번 반복하여 구현할 수 있는 소재를 개발했다.

[그림 1] 손상 감지 및 자가 회복이 동시에 가능한 코팅제의 작동원리

본 연구에서는 외부에서 힘이 가해질 때 특정 화학적 결합이 끊어지면서 색을 나타내는 기능을 가진 응력 시각화 분자와 온도에 의해 결합이 분리되었다 재형성 될 수 있는 분자가 도입된 고분자 소재를 합성했다. 

응력 시각화 분자에 힘을 가하면 특정 결합이 끊어지며 색을 나타낼 수 있는 형태로 바뀐다. 합성된 코팅 소재는 손상된 부위가 보라색이 되었다가 100도 이상의 온도를 가하면 가공 가능한 형태로 바뀌면서 물리적으로 치유되어 무색이 되는 특성을 보였다.

연구진은 분자 단위의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기계적 힘을 가해 원하는 특정 화학적 결합만이 선택적으로 끊어져 색이 나타나는 구조로 바뀔 수 있음을 예측하였고, 이에 실제 코팅제를 합성하여 그 기능이 구현되는 것을 확인했다.

[그림 2] 다양한 기판에 코팅제로 적용되어 손상 발생 및 자가 회복 기능을 수행

본 연구에서 개발된 다기능성 코팅 소재는 자동차, 해양, 방호, 목재, 철도, 포장, 항공 우주 사업 등 기존 산업용 코팅제의 적용 분야 전반에서 광범위하게 활용되어 산업용 폐기물을 절감하는 데 크게 이바지할 수 있다. 또한, 외부의 에너지원 없이 피부와 유사한 기능을 수행할 수 있어 휴머노이드와 같은 로봇의 인공피부로도 활용이 기대된다.

KIST 김태안 박사는 “캡슐과 같은 외부 인자의 도움 없이도 소재 스스로 손상 감지와 자가 회복 기술을 동시에 구현하는 방안을 제시한 연구”라고 말하며, “다만 반복적인 자가 치유가 가능하다고 하더라도 영구히 사용할 수 있는 것은 아니므로, 수명 한계에 다다른 소재를 환경에 해가 없는 물질로 분해하거나 재자원화할 수 있는 형태로 변환하는 추가 연구를 진행 중이다.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업(K-Lab)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지인 ‘NPG Asia Materials’(IF: 10.761) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Mechanochromic and thermally reprocessable thermosets for autonomic damage reporting and self-healing coatings

- 제1저자: 한국과학기술연구원 윤수빈 학생연구원

- 교신저자: 한국과학기술연구원 김태안 선임연구원

< 연구진 소개 >

○ 성명: 김태안 박사(교신저자) ○ 소속: 한국과학기술연구원 소프트융합소재연구센터 ○ 전화: 02-958-5319/010-4857-6657 ○ e-mail: takim717@kist.re.kr