▲ DS와 UPy를 동적 결합으로 도입했을 때 자가치유 고분자와 센서 소재의 물성(출처: 한국연구재단)

국내 연구진이 높은 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 갖춘 연성 전자기기 소재를 개발해 자가치유 전자 피부, 소프트 로봇, 웨어러블 센서 등에 응용이 기대된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 서울대학교 화학부 강지형 교수 연구팀이 높은 파단강도와 인성을 동시에 구현한 자가치유 고분자 센서 소재의 설계 및 제작에 성공했다고 4일 밝혔다.

최근 건강 모니터링, 소프트 로봇, 플렉서블 전자기기 등 다양한 분야에서 신축성 전자기기의 사용이 증가하며 자가치유 능력과 높은 기계적 강도를 동시에 갖춘 고분자 소재 개발이 요구되고 있다.

소재의 자가치유 기능은 기기의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감하는 핵심요소로 웨어러블 기술과 소프트 로봇의 실용성 향상의 기반이 된다. 하지만 기존의 이온 기반 자가치유 센서 소재는 유연성은 우수하지만 이온이 고분자 간 결합을 방해해 기계적 강도와 인성이 저하됨에 따라 반복적인 변형이나 외부 자극에 쉽게 손상되는 한계가 있다.

연구팀은 폴리카프로락톤(PCL) 주사슬에 방향족 이황화 결합과 2-유레도-4-피리미돈(UPy) 작용기를 도입해 이온성 환경에서도 높은 기계적 강도와 자가치유 능력을 동시에 갖춘 신축성 자가치유 고분자 소재와 센서 소재를 개발했다.

새로운 자가치유 소재는 성능 평가 및 기계적 시험 결과 신장율 850%, 파단 강도 30 MPa, 인성 87.3 MJ/m 등 기존 자가치유소재 대비 뛰어난 기계적 물성을 보여줬다.

연구팀은 새로운 자가치유 소재를 활용해 자가치유 센서와 자가치유 그리퍼를 제작해 반복적인 외부 자극과 손상에도 원래 성능을 유지하는지 평가했다. 시험 결과 손상 후 자가치유된 센서와 그리퍼가 초기 성능을 90% 이상 회복해 전자 피부 등 유연기기로의 응용 가능성을 입증했다.

강지형 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 연성 전자기기가 다양한 환경에서 장기적인 안정성을 유지할 수 있는 기술적 기반을 마련했다”며, “후속연구를 통해 제조공정 최적화 및 다양한 온습도 조건에서도 높은 기계적 물성과 자가치유 능력을 유지할 수 있는 재료를 개발해 실용적 응용 가능성을 더욱 확대하겠다”라고 밝혔다.