기술뉴스

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40 Polymer Science and Technology Vol. 32, No. 1, February 2021 그림 1. (a) 다중 동적 결합을 형성하는 동적 초분자 네트워크의 구조, (b) 신축성 전도 장치에 응용.

자가 치유가 가능한 높은 신축성의 탄성체 연구

동물의 피부나 근육 등의 자연 조직은 손상이 발생하였 을 때 외부의 도움 없이 자발적으로 치유할 수 있는 능력을 지니고 있다. 최근에는 이러한 자연 조직들의 자가 치유 (self-healing) 능력을 모방하며 전자 피부, 웨어러블 디바 이스, 인공 근육 등에 적용함으로써 재료의 수명을 늘리고 반복 사용으로 인한 손상을 빠르게 회복시킬 수 있는 합성 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 현재까 지 개발된 대부분의 자가 치유 능력을 보유한 소재는 외부 에너지(빛, 열, 혹은 압력)를 필요로 하거나 소재의 기계적 강도가 약하다는 한계가 있다.

본 연구에서는 외부 자극 없이 일반적인 환경에서 자가 치유가 가능하고 기계적 특성(신축성)이 우수한 탄성체를 개발하였다. 이를 위해 본 연구에서는 상용화된 고분자인 Polydimethylsiloxane(PDMS) 내부에 다양한 세기의 수소결 합을 이룰 수 있는 분자들과 이황화 복분해(disulfide metathesis)

를 이룰 수 있는 분자들을 결합시켰다. PDMS 내부에 결합 된 분자들은 다중 동적 결합(dynamic bond)을 형성할 수 있고, 이를 통해 PDMS는 자발적으로 동적 초분자(dynamic supramolecular) 네트워크를 형성하게 된다. 이러한 다중 동적 결합의 상호작용을 통해 동적 초분자 탄성체는 상온뿐 만 아니라 초저온, 수중, 과냉각 고농도 소금물, 혹은 강산/

알칼리 환경을 포함한 특수 조건에서도 자가 치유 능력을 보유할 수 있게 되었다. 또한, 동적 초분자 네트워크는 노치 (notch)가 있는 샘플과 없는 샘플에서 우수한 신축성(각각 14,000%와 1,300%)을 보였으며, 전도성 장치에도 응용될 수 있음을 보였다. 따라서 본 연구에서 개발된 고분자 탄성 체는 향후 자가 치유능력이 요구되는 전자 피부, 웨어러블 디바이스 등에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구결과는 “Universally autonomous self-healing elastomer with high stretchability”라는 제목으로 2020년에

Nature Communications

에 게재되었다.

<H. Guo

et al

.,

Nat

.

Commun

., 11, 2037 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-15949-8>

고밀도 탄성 에너지 방출을 통해 높은 탄성력으로 구동하는 액추에이터 연구

많은 동물들은 점프하는 순간에 빠른 속도로 강한 힘을 낼 수 있다. 예를 들어 포유류의 골격근 섬유는 소프트 액추 에이터(actuator)로써 10 MPa의 강성도로 1 N 이상의 힘을 전달할 수 있는 특성을 가진다. 하지만 소프트 액추에이터 로 주로 사용되던 기존의 하이드로젤은 외부 자극에 대해 변형이 일어나는 정도(strain)는 크지만 전달되는 힘의 크 기가 매우 낮고(~kPa 수준), 삼투압에 의한 물의 확산으로 인해 구동이 발생하므로 구동의 속도 역시 매우 느리다. 따 라서 실질적으로 스마트 액추에이터 및 인공 근육 등의 생 체 재료 분야에 적용하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 개구리의 점프 거동을 분석하여 에너지 변환 메커니즘을 파 악하고 이를 통해 탄성 에너지의 저장과 방출을 제어함으로 써 고밀도 탄성 에너지를 통해 높은 탄성력으로 구동할 수 있는 하이드로젤 액추에이터를 개발하였다.

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고분자 과학과 기술 제 32 권 1 호 2021년 2월 41 그림 2. (a) 동물의 기계적 에너지 저장 방식을 기반으로 한 수축성

재료의 개념도, (b) poly(acrylamide-co-acrylic acid) 기반 하이드로젤

의 탄성 에너지 저장 및 방출 방법 모식도. 그림 3. PHU 네트워크의 자가 치유 전후의 (a) 광학 현미경 사진, (b) 마찰전기 성능, (c) 작동 메커니즘 모식도.

연구진은 poly(acrylamide-

co

-acrylic acid) 기반으로 하 이드로젤을 제작하였고 가역적인 이온 결합을 통해 하이드 로젤이 보유한 기계적 에너지와 화학적 에너지 간의 가역적 변환이 가능하게 하였다. 예를 들어 기계적 힘을 가해 하이 드로젤을 변형시킨 후에 Fe³⁺ 이온을 첨가함으로써 이를 매 개로 한 Carboxylate 작용기 간의 이온 결합을 유도하였다.

이렇게 이온 결합을 통해 탄성 에너지가 저장된 상태(Locked state)에서 자외선이나 산(acid)을 가하여 이온 결합을 빠 른 시간 내에 분해함으로써(Unlocked state) 순간적으로 높 은 탄성 에너지를 방출시킬 수 있었고, 이를 통해 빠른 동작 을 구현할 수 있었다. 이때 높은 수축력(40 kPa)으로 방출 되는 탄성 에너지의 밀도(15.3 kJ/m³)는 기존의 하이드로 젤 액추에이터(~0.01 kJ/m³)보다 월등히 높을 뿐만 아니라 포유류의 근육(~8 kJ/m³)을 능가한다. 연구진은 이와 같이 동물의 움직임을 모방한 탄성 에너지 저장 및 방출 메커니 즘을 바탕으로 기계적, 화학적 특성이 조절된 하이드로젤이 다양한 거동을 나타낼 수 있도록 외부 자극을 프로그램화하 였다. 본 연구를 통해 개발된 고밀도 탄성 에너지를 방출하 여 높은 탄성력으로 구동할 수 있는 하이드로젤 액추에이터 는 향후 인공 근육 및 소프트 로봇, 플렉서블 패치 등의 다 양한 생체재료 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구결과는 “Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil”라는 제목으로 2020년

Science Advances

<Y. F. Ma

et al., Sci. Adv

., 6, eabd2520 (2020), DOI: 10.1126/sciadv.abd2520>

PHU 고분자 기반 마찰 전기 나노 발전기 연구

최근 웨어러블 디바이스 구동에 필요한 전원을 신체 움 직임에서 발생하는 마찰 전기 에너지를 통해 공급받을 수 있게 하는 나노 발전기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있 다. 웨어러블 디바이스의 특성상 반복되는 변형에 대한 기 계적 안정성이 요구되는데, 이때 자가 치유가 가능한 소재 로 나노 발전기를 제작하게 되면 장기간 안정적으로 에너지 변환 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 기존의 자가 치유가 가능한 고분자 소재는 대부분 가역적인 상호작 용을 기반한 초분자 네트워크 구조 등을 기반으로 제작되었 기에 기계적 강성도나 안정성에 한계가 있다.

본 연구에서는 Hindered Urea Chemistry를 사용하여 우 수한 기계적 특성을 가지면서 자가 치유 능력을 보유한 poly (hindered urea)(PHU) 네트워크를 합성하였고, 이를 활용 하여 마찰 전기 나노 발전기를 개발하였다. 개발된 PHU 네 트워크는 유연하지만 1.7 MPa의 높은 인장 강도를 가지며, 반복적이며 빠른 속도로 자가 치유가 가능하였다. 또한 상 온 등의 일반적인 환경에서 재처리가 가능하며 긁힘 등에 의해 손상된 표면을 완전히 치유함으로써 나노 발전기의 성 능을 회복할 수 있다. 계면 분극으로 인한 유전 상수의 향상 은 기존의 자가 치유 능력을 보유한 나노 발전기들보다 월 등히 우수하였다(169.9 V/cm²). 본 연구에서 개발된 PHU 네트워크는 우수한 신축성, 높은 회복성 및 기계적 강도를 갖춘 기계식 에너지 수확 장치 및 자체 전원 센서에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구결과는 “Self-healable reprocessable triboelectric nanogenerators fabricated with vitrimeric poly(hindered Urea) networks”라는 제목으로 2020년

ACS Nano

<T. Patel

et al., ACS Nano

., 14, 11442 (2020),

DOI: 10.10021/acsnano.0c03819>

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

그림 4. (a) 고분자 네트워크 내부의 토폴로지 이성질화, (b) 고분자 필름의 공간적인 토폴로지 이성질화를 통해 변형에 수반되는 응력 수준 의 감소.

토폴로지 변화를 통한 고분자 네트워크의 기계적 물성 조절 연구

고분자 네트워크의 기계적 물성을 시공간적으로 조절하 는 것은 액추에이터, 조직공학, 유연 소자 등의 연구 분야에 서 핵심적인 사항이다. 고분자 네트워크가 형성된 후에 기 계적 물성을 변경하기 위해서 기존 연구에서는 주로 자외선 등의 외부 자극에 의해 가역적 혹은 비가역적으로 결합 혹 은 분해가 가능한 작용기를 고분자 네트워크의 backbone 내에 포함시켜서 가교(crosslinking) 수준을 변화시키는 방 법이 사용되었다. 하지만 가교 수준 조절을 통해 변화시킬 수 있는 기계적 특성은 제한적이다. 본 연구에서는 고분자 네트워크의 골격(backbone)에 접목(graft)되어 있는 고분 자의 토폴로지를 외부 자극에 의해 변화(토폴로지 이성질 화)시킴으로써 고분자 네트워크의 기계적 특성을 시공간적 으로 조절하였다.

연구진은 고분자 네트워크에 에스터(ester) 작용기를 포 함한 높은 분자량의 고분자를 접목시키거나 히드록실 (hydroxyl) 작용기를 접목하였다. 이후 광촉매를 사용하여 전환에스터(transesterification) 반응을 진행함으로써 접목 고분자 토폴로지의 이성질화를 유도하였다. 이를 통해 접목 고분자의 분자량, 밀도, 결정화도 등이 조절되었고, 강성도 와 같은 기계적 물성 역시 큰 폭으로 변화될 수 있었다. 또 한 토폴로지 이성질화의 시공간적 패터닝을 통해 특정 구조 를 기억하는 고분자 네트워크를 설계할 수 있었으며, 본 연 구에서는 적응형(adaptive) 로봇 팔 등을 제작하였다. 접목 된 고분자의 토폴로지 이성질화를 통해 고분자 네트워크의

가교 수준이 변하지 않는 상태에서 기계적 특성을 변화시킬 수 있고, 이는 신축성(stretchability) 등을 유지시킬 수 있 다는 장점이 있으므로 향후 변형민감성(strain-sensitive) 전자 소자 등에 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구결과는 “Light-triggered topological programmability in a dynamic covalent polymer network”라는 제목으로 2020년

Science advances

<W. Zou