이번에 소개해드릴 것은 자가치유(Self-healing) 신소재입니다. 자가치유는 이름에서 짐작할 수 있듯이 외부 충격에 의해 손상을 입으면 자발적으로 치료하여 손상을 입기 전 원래 상태로 복원하여 기존의 특성을 유지하는 특성입니다.
이러한 특성을 가진 소재로 상품을 만들면 수명이 늘어날 것으로 기대할 수 있습니다. 자가치유 소재 자체는 등장한 지 꽤 됐어요. 피처폰을 사용하는 시대에도 휴대전화에 자가 치유 소재를 사용할 것이라는 이야기가 있었으니까요.
하지만 30초 완전 충전과 같은 배터리 혁신을 가져온다는 연구 이야기는 꾸준히 들려왔지만 2021년에도 아직 리튬이온 배터리를 몇 시간 충전해 사용하는 것처럼 자가 치유 소재도 생각보다 널리 사용되지 않는 기술입니다.
자가 치유 소재를 쉽게 활용하지 못하는 원인 중 하나로는 극한 강도가 약하다는 특성이 있습니다. 분자가 자유로워야 하고 분자 간 인력이 약해야 스스로 치유되기 쉽기 때문입니다. 튼튼하다기보다는 부드러워야 하는 거죠.
아무리 자가치유가 돼도 튼튼하지 않아 손상되기 쉬운 재료를 상용화하기 어렵습니다. 처음부터 충격에 강한 재료를 사용하는 것이 좋을 테니까요. 그래서 자가 치유가 잘 되고 튼튼한 소재를 만들기 위한 연구가 계속되어 왔습니다.
2018년 Advanced Matrials 표지 국내 한국화학연구원도 자가치유 소재 연구를 이어왔습니다. 2018년에는 연구 성과로 Advanced Matrials 표지 논문을 장식했습니다.
이번에 개발한 자가 치유 소재로는 세계 최고 강도를 기록했습니다. 튼튼하면서도 스스로 복원하기 쉬운 소재를 개발한 것입니다. 어떤 방법으로 부드럽고 충격에 강한 물질을 만들 수 있었을까요?
한국화학연구원 연구진은 우수한 내구성을 가진 열가소성 폴리우레탄에 충격에 반응해 수소 결합해 딱딱해지고 그렇지 않을 때는 결합이 풀려 부드러워지는 카보네이트(Carbonate) 화합물을 이용해 새로운 소재를 개발했습니다.
평소에는 기존의 자기 치유 소재처럼 스스로 치유할 수 있는 부드러운 상태지만 외부로부터 충격을 받으면 순간적으로 물질 분자가 결합하면서 결정을 이뤄 딱딱해지는 것입니다. 그리고 다시 자기 치유가 가능한 부드러운 상태로 돌아갑니다.
이번 연구 성과로 세계 최고 강도를 기록했습니다. 인장강도(tensilestrength)는 소재의 세기를 나타내는 힘으로 절단될 때까지 당겨 끊기기 직전까지 가해지는 힘입니다. 이번 신소재 개발 이전 인장강도 최고기록은 20-30MPa 정도였으나 한국화학연구원의 최근 성과로 소재 인장강도를 43MPa까지 끌어올렸습니다.
한국화학연구원의 과거 성과인 광사태 나노입자와 페로브스카이트 태양전지 소재처럼 네이처 표지를 장식하지는 못했지만 이번 연구 성과는 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.자가치유 소재 자체도 흥미롭지만 제가 관심을 갖게 된 것은 신소재 활용 분야에 폴더블, 롤러블 스마트폰
상향 평준화가 이뤄지고 나서 매년 스마트폰은 카메라만 좋아지나 싶을 정도로 발전이 더딘 것을 느낄 수 있었는데, 재작년 폴더블 스마트폰인 갤럭시 폴드가 공개되면서 오랜만에 혁신이라고 할 만한 변화가 있었습니다.
“Tablet-Handy: 삼성 갤럭시 폴드 5G mitaufklappbarem Displayläs stsichvom Handyzum Tabletum wandeln” by verchmarco인데 폴더블 스마트폰은 접는 부분에 주름이 보이고 사용할수록 선명해지는 문제가 있었습니다. 게다가 기술이 부족한 업체는 겨울철 접지하지 말라는 주의사항으로 소비자를 어이없게 한 적이 있습니다.
이번 한국화학연구원의 연구 성과인 내구성이 뛰어난 자가 치유 소재는 폴더블 스마트폰 주름에 피로가 누적되는 것을 막고 수명을 단축하는 것을 예방하는 용도로 사용될 것으로 기대한다고 밝혔습니다.
이미 3세대까지 나왔지만 주름 문제가 해결되지 않은 폴더블과 향후 나올 롤러블 스마트폰 필름 문제가 해결되기를 기대합니다.