[연구실 소개] 인하대학교 첨단소재연구실

연구실 소개

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 37, No. 6, 2019 … 709

연구실 소개

인하대학교 공과대학 고분자공학과의 첨단소재 연구실은 크게 소프트로봇의 거동 및 가변형 디바이 스 연구, 고분자 황의 제조 및 응용연구, 고분자 나 노/마이크로 복합재료의 구조-물성 연구를 수행하 고 있다. 소프트로봇은 빛과 자기장 등에 반응하는 외부 자극 감응형 고분자를 기반으로 하며 고분자 황은 원소 황과 다양한 단량체와의 공중합을 통해 나타나는 다양한 물성 및 그 응용에 대한 연구를 진 행한다. 고분자 복합재료 연구는 고분자와 나노 및 마이크로 사이즈의 첨가제 간의 상호인력에 따른 분 산성을 평가하고, 구조와 물성 특성을 이해하여 기 능성을 향상시키는 연구를 진행 중이다.

주요 연구분야

(1) Light-Fueled Soft Robots

액정은 전자기적 이방성을 가져 분자수준의 배 향을 선택적으로 프로그램할 수 있는 물질이다. 가 변적으로 분자 구조를 변화할 수 있는 분자기계 를 액정과 함께 배향할 수 있으며, 특히 아조벤젠 (azobenzene)과 같이 빛에 의한 가역적 이성질화가 가능한 분자를 액정 단량체와 함께 네트워크 형태로 중합하면, 아조벤젠의 기계적 수축이 고분자의 형태 변화로 전이될 수 있다. 본 연구진은 이를 이용하여 빛에 의해 움직이는 소프트로봇의 특성 및 구동을 제어하는 연구를 하고 있다. 특히 분자 구조 제어를 통해 다양한 움직임을 구현하고, 기계적 강도 등의 물성 또한 제어할 수 있다. 액정 고분자 기반의 소재

인하대학교 첨단소재연구실

(Advanced Materials Research Laboratory, Inha University)

위정재

인하대학교 첨단소재연구실 [email protected]

그림 1. 빛에 의하여 움직이는 소프트 로봇의 (a) 15도 각도 경사를 오르는 동작을 표현한 모식도 (b) 경사면을 올라가며 우측으로 구르는 동작모습: Nature Communications 7, 13260 (2016).

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710 … NICE, 제37권 제6호, 2019

는 복잡한 회로 등 연결선이나 배터리 없이 2차원의 필름 형태에서 외부자극을 통해 3차원의 복잡한 형 태로 가역적 형태 변형이 가능하기 때문에 향후 가 변형 디바이스의 플랫폼 제작에 응용될 수 있다.

(2) Magnetic Soft Robots

자기 감응형 고분자 복합재료를 이용하여 제작되 는 자성 소프트로봇은 빛 등이 투과할 수 없는 닫힌 시스템에서도 외부 자기장을 이용하여 원격으로 제 어할 수 있다. 본 연구팀은 나선형 자성 소프트로봇 을 제작하여 특정 목표 지점까지 움직이는데 필요한 자기장 조건, 기하 특성 등을 연구하고 있다. 3차원 나선형 구조체는 구름 마찰력을 이용해 작은 자성으 로도 구동이 가능한 장점을 가질 뿐 아니라, 2차원 필름일 때와 달리 다양한 험지에서의 구동이 가능하 다. 또한, 자성 소프트로봇 여러 대가 모인 다중 객체 시스템과 군집 및 집단행동 구현에 대한 연구를 진

행 중이다. 생체 적합성이 우수한 고분자 재료 기반 의 자성 소프트로봇은 인체에 무해한 자기장을 동력 원으로 구동할 수 있기 때문에 의료 산업에서의 응 용이 기대된다. 현재 후속 연구로 의과대학 연구팀 과의 공동연구를 진행하여 인체 내부 장기와 유사한 환경에서 자성 소프트로봇이 거동할 수 있는 기하 구조를 분석하고 있다. 또한 본 연구팀은 자성 소프 트로봇 이외에도 자기장에 의해 제어되는 가변형 디 바이스 구현을 위해 다양한 자기 감응 구조체를 제 조하고 있다.

(3) Polymeric Sulfur

원소 황은 석유 정제과정에서 탈황공정시 생성되 는 부산물 중 하나로써 전 세계에서 비료, 황산 등으 로 사용되는 황의 양보다 생산량이 월등히 많아 매 년 700 만톤 이상의 잉여 원소 황이 생산된다. 이러 한 원소 황을 다양한 단량체와 공중합하여 고분자

그림 2. 자기장 하에서 움직이는 나선형 소프트로봇의 (a) 구름 동작: RSC Advances 9, 11272-11280 (2019) 및 (b) 자전 및 공전의 계층 적인 자성 운동력을 통한 구동: Nature Communications 10, 4751 (2019).

그림 3. (a) 황고분자, 불소화 황고분자, PTFE의 마찰전기 성능 비교 및 불소화 황 고분자 필름의 마찰전기로 630개의 LED (~40 mW/

ea.)를 구동하는 모습: Nano Energy 66, 104158 (2019) (b) 중적외선 영역대에서 높은 투과도를 갖는 황 고분자로 제작한 마이크 로 및 나노 어레이.

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 37, No. 6, 2019 … 711 황을 제조해 다양한 분야에 적용하는 지속가능한 화

학을 지향하는 연구를 진행하고 있다. 최근 연구는 기존의 탄소 고분자 중 가장 마찰전기 음성을 나타 내는 PTFE가 불소의 높은 전자 친화도로 인해 높은 마찰전기 효율이 나타나지만 탄소는 전자 친화도가 낮고, 탄소기반 고분자에서 하나의 탄소에 불소는 2 개까지만 결합할 수 있다는 한계점에서 착안하였다.

초원자가 (hypervalency) 분자의 특성으로 최대 4개 까지 불소가 결합 가능하고 전자친화도가 높은 고분 자황에 표면 불소화처리를 통해 높은 마찰전기 효율 을 나타내는 새로운 재료를 발명했다. 같은 압력을 동일 크기의 PTFE 필름에 가했을 때 약 6배 높은 전 압과 약 3배 높은 전류 값을 기록했고 4인치 단일 필 름으로 630개의 LED를 켜는데 성공함으로써 잉여물 질인 황으로 대체 에너지 시장에 새로운 대안을 제 시했다. 다른 분야로는 고분자 황이 중적외선 (mid- IR) 영역대의 빛을 투과한다는 성질을 이용한 광학 장치 개발이다. 중적외선용 광학 디바이스에 사용되 는 깨지기 쉽고, 비싸며, 제조하기 어렵다는 단점을 가진 Ge, ZnSe, ZnS 등을 깨지지 않고, 저렴하며, 제 조하기 쉬운 고분자 황으로 대체하여 저렴하고 사용 이 용이한 광학필터, 편광기 등의 고부가가치 광학 디바이스로의 응용을 연구하고 있다.

(4) Polymer Composites

고분자 복합재료는 여러 소재를 결합하여 그 특

성을 극대화시킨 고성능 재료로 고분자 매트릭스와 보강재에 여러 첨가제를 혼합하여 물리적, 화학적 변화를 구현한다. 산업에서 고분자 복합재료 제작공 정에는 주로 트윈스크류 압출기가 사용되며, 물성분 석에 사용되는 여러 시편을 만들기위해 사출기가 사 용된다. 본 연구팀은 새로운 충진재를 이용한 복합 재료 제조하거나 반응압출을 통해 고분자 복합재료 를 만들고 그 구조와 인장, 굴곡, 충격강도와 같은 기 계적 물성과의 상관관계를 연구하고 있다. 응용처로 는 치과재료, 자동차 및 항공기 산업 등 다양하며 한 국연구재단, 중소기업청, 오성엠앤디, LG전자, 롯데 케미칼 등과 함께 공동연구를 진행하였다.

연구실 구성원

본 연구실은 2019년 11월 현재 박사과정 3명, 석 사과정 6명, 학부연구생 1명 등 총 10명으로 구성되 어 있다.

그림 4. (a) 인하대학교 고분자공학과에서 보유중인 SM플라텍, 바우테크사의 압출기와 진화 글로텍사의 사출기 (b) 연구중인 복합재의 전자현미경(SEM, TEM) 이미지 : Composites Part B 165, 510-515 / Nanoscale 7, 8864-8872