 한국과학기술연구원, ‘폐기물 제로’의 스마트 고분자 소재 개발 색 변화로 손상 감지…자가회복 가능한 형상기억 소재 한국과학기술연구원(KIST) 전자파솔루션융합연구단 김태안 박사 연구팀이 자가회복 기능과 높은 재활용성을 갖춘 새로운 고분자 소재를 개발했다. 연구팀은 단량체와 고분자로 자유롭게 전환이 가능한 오각 고리 구조의 분자를 설계했으며, 이 분자는 열, 빛, 기계적 힘을 이용해 붙었다 떨어지는 성질을 가진다. 이를 통해 고무줄처럼 유연하거나 유리병처럼 단단한다양한 물성을 가진 고분자 소재를 제조할 수 있다.
자료제공 KIST
플라스틱은 단량체(monomer)라고 불리는 작은 분자가 길게 연결된 구조를 가진 고분자 소재로, 가볍고 견고하며 유연하게 설계할 수 있다는 장점 덕분에 일상생활과 산업 전반에서 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 매년 약 5,200만 톤에 달하는 플라스틱 쓰레기가 발생하면서, 폐플라스틱이 환경 오염의 대표적인 문제로 떠올랐다.
이러한 문제를 해결하기 위해 지속 가능한 고분자 소재를 만들려는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 그러나 지금까지 개발된 소재들은 복잡한 합성 과정을 거쳐야 하거나, 폐기물로 처리될 때 다른 고분자와 섞이면 분리수거가 어렵다는 한계를 가지고 있었다.
지속 가능성과 재활용성 동시 충족 한국과학기술연구원(이하 KIST) 소속 연구팀이 개발한 고분자 소재는 손상된 부위를 형광으로 식별할 수 있어 관리가 용이하다. 또한 열과 빛을 가하면 스스로 복구되는 자가회복 기능을 제공한다. 이 소재는 폐기물로 배출될 경우 기존 플라스틱과 혼합된 상태에서도 선택적으로 단량체를 분리해낼 수 있으며, 회수된 단량체를 활용해 원래 특성을 유지한 고분자를 다시 제조할 수 있다. 이러한 특성은 지속 가능성과 재활용성을 동시에 충족시키는 혁신적인 해결책을 제시한다.
이 고분자 소재는 열, 빛, 기계적 힘에 반응하여 열적, 기계적, 광학적 특성을 유동적으로 변화시킬 수도 있다. 특히 보호용 코팅제로 활용 시, 기존 상용 에폭시 코팅제보다 최대 3배 높은 경도와 2배 이상의 탄성계수를 보여 성능 면에서 탁월한 장점을 제공한다. 또한 자외선을 조사(照射)하면 분자 구조가 강화되어 특정 형상을 유지할 수 있는 형상기억 특성도 확인되었다. 이를 통해 스마트 의류, 웨어러블 기기 등 다양한 응용 가능성이 기대된다.
결과적으로, 이 소재는 높은 강도, 손상 감지, 자가회복, 선택적 재활용 기능을 갖추고 있다. 이러한 특징은 폐플라스틱의 분류 및 처리에 드는 경제적 비용을 절감하는 동시에, 산업용 코팅제를 대체해 유지 보수 비용을 줄이고 환경 오염을 완화하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
기존 플라스틱 소재의 한계 극복 이번 연구를 주도한 KIST 김태안 박사는 “본 연구는 화학적 재활용이 가능한 기존 플라스틱 소재의 열적·기계적 한계를 극복하면서도, 손상 감지와 자가회복 등 자율적 기능을 포함한 소재를 설계할 수 있는 새로운 접근 방향을 제시했다”며, “해당 소재의 도료화 과정을 통해 자발적인 기능으로 장기 유지 보수 비용이 들지 않으면서도 폐기물을 남기지 않는 친환경 기능성 코팅 소재 시장을 개척하기 위해 노력 중”이라고 밝혔다.
한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회(NST)의 「미래선도형 융합연구단 사업」과 한국연구재단 「국가전략기술 소재개발 사업」의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 『Advanced Functional Materials』(IF 18.5, JCR 분야 상위 4.329%) 최신호에 게재됐으며, 뒤표지(Back Cover)로 선정됐다. 논문명은 <High-Performance Dynamic Photo-Responsive Polymers With Superior Closed-Loop Recyclability>이다.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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