[산학연 연구실 소개(1)] 인하대학교 고분자환경융합공학전공 첨단소재연구실

고분자 과학과 기술 제 32 권 1 호 2021년 2월 49 연구책임자ｌ위정재 교수

인하대학교 고분자공학과

그림 1. 첨단소재연구실 주요 연구분야.

산학연 연구실 소개(1)

인하대학교 고분자환경융합공학전공 첨단소재연구실

(Advanced Materials Research Laboratory, Inha University)

주소: 인천광역시 미추홀구 인하로 100 인하대학교 고분자공학과 2북 584 (우: 22212) 전화: 032-860-8641

E-mail: [email protected]

1. 연구실 소개

인하대학교 공과대학 고분자환경융합공학전공의 첨단소재연구실은 프로그래밍이 가능한 자극 감응형 지능소재와 같은 첨단소재 개발과 친환경 소재 및 폐기물 재활용을 이용한 복합재료와 같이 사회문제 해결형 연구를 동시에 진행하고 있다. 고분자 물성에 기반하여 가공-구조-물성-성능에 대한 종합적 분석 연구를 수행하고 있으며 다양한 국내외 공동연구를 통해 소프트 액츄에이터 및 소 프트 로봇, 가변형 광학 소재, 적외선 광학 소재, 마찰대전, 배터리 소재, 자가 조립 기반 기능성 고분 자의 패터닝, 친환경 경량 고분자 복합재료와 같은 다양한 응용을 연구하고 있다.

2. 주요 연구분야

2.1 Soft Actuators and Soft Robots

자극 감응형 고분자 및 복합소재를 활용하여 3D 곡률 구조체를 제조하고 빛이나 자기장을 통해 소

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고분자 관련 학교 및 연구소 소개 신진연구자 소개 학회소식

50 Polymer Science and Technology Vol. 32, No. 1, February 2021

그림 2. (a) 광경화 레진의 3차원 군집구조 조립: Adv. Mater. Technol., 5, 2000758 (2020), (b) 잉크 패터닝을 통한 형상기억 고분자 필름의 3차원 곡률 구조체 제조: Sci. Rep., 10, 10840 (2020), (c) 나선형 소프트 로봇의 광기계적 구동: Nat. Commun., 7, 13260 (2016), (d) 자기장 감응형 소프트 로봇: Nat. Commun., 10, 4751 (2019).

그림 3. 자성 입자의 배열에 따라 다양한 모드로 자성 액츄에이션이 되는 소프트 마이크로 돌기. (a) 반원단면 구조체의 비틀림, 굽힘, 복합변형 및 모세관 현상에 의한 어셈블리: ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 17113 (2020), (b) 정사각 및 직사각 단면 구조체의 비틀림, 굽힘 반응 및 고분자 용액의 증발에 의한 형태고정: Small, 16, 2003179 (2020).

프트 로봇을 구동하는 연구를 진행 중이다. 최근에는 광경 화성 레진 구조체 내부의 잔류 응력을 프로그램하여 다양한 3D 곡률 구조체와 계층적 군집구조를 조립하는 연구를 발 표하였으며, 방사형으로 패터닝된 이축 연신 형상기억 고분 자 시트의 자가접힘(self-folding)을 통하여 복잡한 3차원 곡률 구조체를 만들었다. 또한, 액정 단량체와 빛에 의해 가 역적으로 트랜스-시스 이성질화하는 아조벤젠 분자기계를 중합한 광 감응형 고분자 및 복합소재를 제조하고 있다. 이 러한 광 감응형 소재를 이용하여 가변형 액츄에이터 및 광 학 디바이스, 소프트 로봇의 구름 및 점핑 모션 구현, 그리고 기계적 강도와 전기전도성 등의 물성 제어 연구를 진행하고 있다. 그 밖에도 자기장 감응형 고분자 복합재료로 제조한 자성 소프트 로봇의 다중 객체 제어 연구를 진행 중이다.

다중 객체 시스템은 개별 로봇 대비 100 배가 넘는 무게 의 물체를 여러 소프트 로봇이 함께 옮기거나 수 백 개의 미

세 입자들을 옮기는 등 단일 객체로는 수행하기 어려운 목 표를 다중 소프트 로봇의 협업을 통해 달성할 수 있다. 이러 한 소프트 액츄에이터, 소프트 로봇 연구는 향후 다양한 가 변형 디바이스의 기판소재 및 의료용 로봇 등으로 응용이 가능하다.

2.2 Reconfigurable Surfaces

마이크로 몰딩을 통해 제작된 고분자-자성 입자 복합재 돌기 구조체는 원격으로 가해진 자기장에 의해 변형이 가능 하다. 마이크로 돌기들이 일정한 간격으로 배열된 어레이를 만들기 위해 소프트 리소그래피 공법 중 하나인 레플리카 몰딩을 이용한다. 탄성 고분자 수지 내에 자성 입자들이 배 열된 돌기들은 비틀리거나 굽혀지는 등 특정 방향으로 구동 이 가능하다. 돌기의 단면이 반원이나 직사각형과 같은 비 대칭 형태일 때 돌기 내에 응력 분포가 특정 방향으로 응집

고분자 과학과 기술 제 32 권 1 호 2021년 2월 51 그림 4. (a) 황고분자, 불소화된 황고분자의 화학구조식 및 마찰대전

성능 (전압, 전류). 630개의 LED를 구동하는 모습: Nano Energy, 66, 104158 (2019).

그림 5. (a) 3차원 모세관 내부에 증발성 자가조립으로 전도성 고분자 패턴 구조체를 만드는 연구: Soft Matter, 15, 3854 (2019), (b) 롤러의 회전을 통해 센티미터 스케일의 기판에 전도성 고분자를 빠른 속도로 계층적 패턴 구조체로 프린팅하는 연구: ACS Nano, 14, 17254 (2020).

될 수 있어 액츄에이션을 증대시킬 수 있다. 3차원으로 액츄 에이션 된 돌기 위에 수용액을 떨어뜨리면 특정 방향으로의 액체 퍼짐을 유도하거나 모세관 현상에 의한 돌기의 어셈블 리가 가능하다. 또한, 물이 증발된 이후에 남은 고분자에 의 해 자기장의 제거 후에도 액츄에이션 된 형태를 유지하는 것이 가능하다. 상온에서 반복적으로 구조 변형이 가능한 유연 고분자는 향후 형태가변형 디바이스를 구현하기 위한 기판으로의 활용이 기대된다.

2.3 Sulfur Polymers

원소 황은 석유 정제과정의 탈황공정시 생성되는 부산물 중 하나로써 전 세계에서 비료, 황산 등으로 사용되는 황의 양보다 생산량이 월등히 많아 매년 700 만 톤 이상의 잉여

원소 황이 생산된다. 이러한 원소 황을 다양한 단량체와 공 중합하여 고분자 황을 제조해 다양한 광학 및 에너지 분야에 적용하는 지속가능한 화학을 지향하는 연구를 진행하고 있다.

최근 연구는 기존의 마찰대전에서 가장 음성을 나타내는 고분자 로 알려진 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)의 마찰대전 특성을 뛰어넘는 황고분자의 제조를 제 시하였다. 불소는 높은 전자 친화도로 인해 높은 마찰대전 효율을 나타낼 수 있지만 탄소는 전자 친화도가 낮고, 탄소 기반 고분자에서 하나의 탄소에 불소는 2개까지만 결합할 수 있다는 한계점을 파악하여 전자친화도가 탄소보다 월등히 높으면서 비어있는 d-오비탈에 의해 초원자가(hypervalency) 분자 특성으로 최대 4개까지 불소가 결합 가능한 고분자 황 을 세계최초로 마찰대전에 이용하였다. 황고분자에 표면 불 소화처리를 진행하여 4인치 크기의 필름에 30 N의 힘을 가 했을 때 약 1,400 V에 해당하는 전압과 약 18 µA에 해당하 는 전류 값을 기록해 석유화학의 부산물을 마찰대전에서 가 장 음성을 나타내는 신소재로 활용할 수 있다는 가능성을 제시했다.

2.4 Self-Assembly

전도성 고분자의 증발성 자가조립은 유기체로 이루어진 유연 전자소재를 목적으로 마이크로-, 나노- 사이즈의 구 조체를 손쉽게 만드는 방법이다. 증발성 자가조립은 전도성 고분자 용액의 외곽 라인에서 발생되는 스틱-슬립 현상에 의해 발생한다. 이는 용액이 기판에서 건조되며 생기는 표 면 장력의 차이로 인한 마랑고니 흐름(Marangoni flow)에 의해 발생하는 현상이다. 마랑고니 흐름은 고분자의 분자들 이 용액의 외곽 라인으로 흘러가게 유도하여 부분적으로 고

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52 Polymer Science and Technology Vol. 32, No. 1, February 2021

그림 6. (a) 인하대학교 고분자공학과에서 사용중인 압출기 (b) 반응압출을 통해 제조한 폴리프로필렌, 리그닌, 유리섬유의 복합재료: Composites Part B, 165, 510 (2019), (c) 친수성 상호작용을 통해 대면적으로 제조한 폴리염화비닐리덴, 환원 그래핀 산화물, 나노셀룰로오스 복합재료:

Carbon, 165, 18 (2020).

분자의 농도를 증가시키며, 이로 인해 π-π 상호작용, 반 데 르 발스 힘(Van der Waals force) 등의 2차 결합 증가로 인 해 라인이 순간적으로 형성된다. 본 연구진은 이렇게 형성 되는 나노 구조체를 2차원 평면을 넘어서 3차원 곡면기판에 형성가능할 뿐만 아니라, 구조체 형성 과정에 진동하는 롤 러를 도입하여 초 단위의 빠른 속도로 센티미터 스케일의 기판에 나노, 마이크로 크기를 계층적으로 갖는 반복 구조 체 프린팅 연구를 진행하고 있다.

2.5 Polymer Composites

본 연구팀은 리그닌, 나노셀룰로오스, 그래핀 등 다양한 종류의 첨가제를 고분자와 복합화하고 있다. 산업체에 적용 을 위한 복합재의 경우 트윈 스크류 압출기를 통해 폴리올 레핀, 열가소성 폴리우레탄, 나일론 등의 고분자와 킬로그램 스케일로 복합화를 진행하고 있다. 나노 입자는 마이크로

첨가제보다 동일 부피에서 상대적으로 더 큰 표면적을 갖기 때문에 상분리가 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 입체 안정성 (steric stabilization)을 유도하여 고분자 나노 복합체를 제 조하고 있다. 고분자 마이크로/나노복합체는 분산성과 첨가 제 함량에 따라 기계적, 열적, 광학, 자기적, 투습성 등의 특 성이 기존의 고분자와 상이하게 나타나므로 본 연구진은 구 조-물성 상관관계를 연구하여, 물성을 향상시키고 기업체 들과 함께 여러 산업분야로의 응용 가능성을 연구하고 있다.

3. 연구실 구성원

본 연구실은 2021년 2월 현재 박사과정 1명, 석·박통합 과정 4명, 석사과정 1명, 학부연구생 5명 등 총 11명으로 구 성되어, 2020년에 소프트 액츄에이터, 소프트 로봇, 가변형 디바이스, 고분자 황, 자가조립, 고분자 복합소재 분야에서 특허 등록 2건 및 논문 게재 12건의 성과를 달성하였다.