손상으로부터 자가치유하는 신소재

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머신 러닝, 빅데이터, 로봇 등을 필두로 많은 것이 자동화되고 변화하기 시작하는 시대의 흐름에 발맞추어 자율 주행, 자율 복원, 자율 점검 등 수많은 단어 머리에 자율이 붙기 시작했습니다. 이 시기에 산업이 발전해나가는 방향을 보면 과거 ‘노동집약적, 반복적, 생산성’ 중심이었던 것과는 다르게 ‘자동화, 통합적, 지속 가능성’이라는 키워드를 중심으로 나아가고 있습니다. 오늘은 서던캘리포니아 대학교의 연구 결과를 소개해드릴 건데요. 이 연구 결과는 앞으로 자동화와 지속 가능성을 필요로 하는 산업에 중요한 역할을 할 것으로 보입니다.

서던캘리포니아대학교(University of Southern California)의 연구진들이 3D 프린트되었으며 손상으로부터 자가치유하는 고무 소재를 개발해냈습니다. 신발, 소프트 로봇, 타이어, 전자기기 산업 등의 다양한 산업 분야에서 크게 활용될 것으로 기대되고 있습니다.

해당 소재를 완성하는 데에는 빛으로 액체 레진을 경화시키는 방식의 광중합 3D 프린팅 방식이 사용되었습니다. 물론 기존에도 손상된 부분에 회복을 일으키는 중합체를 도포한다거나 애초에 소재 내에 손상에 대처할 수 있는 접착제를 넣는 것으로 손상으로부터 복구하는 기능을 가진 소재들이 존재했었습니다. 하지만, 이러한 소재들의 최대 단점은 복잡한 기하학적 형태를 형상화하기 어렵다는 점이었습니다. 현대의 산업은 계속해서 고도화되며 기존의 단순 제조로는 만들기 어려운 높은 수준의 디자인 완성을 요구받고 있습니다. 그러한 점에서 볼 때, 3D 프린터로 제작이 이루어졌고 그에 따라 실제 동물의 장기처럼 복잡한 형태를 제약 없이 만들어낼 수 있는 서던캘리포니아대학의 연구 결과는 특별한 의미를 갖습니다.

이 엘라스토머는 티올(Thiol)의 일부를 산화시킨 이황화물 저중합체(Thiol-disulfide oligomer)를 특정 조건에서 클릭 반응을 일으키는 알켄(Alkene)과 함께 경화시키는 과정을 통해 완성됩니다. 이 과정을 통해 위 사진의 이황화 결합(Disulfide Bond) 원자 구조를 갖게 됩니다. 이 과정에 산화제의 양을 늘릴수록 자가 치유력은 강해졌으나 그만큼 광중합 능력은 약해졌습니다. 연구 간 광중합과 자가치유가 모두 잘 일어나는 알맞은 비율을 찾는 것이 중요했습니다.

이 자가치유 소재의 놀라운 점은 손상으로부터 회복이 이루어진 뒤와 손상되기 전의 상태가 기능 면에서 동일하다는 점입니다. 손상되기 전과 회복된 후의 큰 차이가 없다는 말입니다. 다만 손상된 것을 회복하기 위해선 40°C ~ 60°C 사이의 온도가 필요하다는 조건이 있습니다. 특정 온도에서만 회복이 이루어지는 것이죠. 온도를 높일수록 회복이 빠르게 이루어집니다. 그렇지만 연구진은 온도에 따라 회복되는 속도에만 차이가 있을 뿐 가정집의 방바닥 같은 다소 낮은 온도의 공간에서도 회복이 이루어지기는 한다고 밝혔습니다.

영상 속 고무 액추에이터는 손상 전 성능과 파손 및 복구 후의 성능을 비교하기 위해 제작되었는데요. 고무 액추에이터에 펌프를 연결한 후 그 밑에 10g의 추를 달아 펌프가 움직일 때마다 추를 들어 올리는 기능의 실험체입니다. 해당 실험체는 추를 반복적으로 들어 올리는 기능이 정상적으로 작동하는지 확인이 되자마자 바로 반으로 잘린 뒤 회복에 들어갔습니다. 물론 회복이 끝난 이후에도 이전과 기능적으로 차이가 없었습니다. 복구에는 60°C의 온도에 2시간이 소요되었습니다.

다음 사진의 신발 패드도 마찬가지 실험이 진행되었는데요. 이 패드는 540도 회전이 주요 기능이었으며 역시나 손상 복구 전후 기능에 차이가 없었습니다. 이 신발 패드도 동일하게 손상 복구에 60°C의 온도에 2시간이 소요되었습니다.

연구팀은 현재 개발된 고무 소재보다 딱딱한 플라스틱 형태의 자가치유 소재를 개발하기 위해 연구 중입니다. 이 역시도 개발에 성공한다면 관련 산업에 있어 게임 체인저로 자리매김하겠네요. 보다 자세한 내용은 NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)에 게재된 논문(Additive manufacturing of self-healing elastomers)을 참고하세요.

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