부산대와 한국과학기술연구원(KIST)은 폭발이나 고속 충돌로 인해 발생하는 충격파로부터 인명과 건물 및 자동차를 보호할 수 있는 혁신적인 연구 결과를 발표했다.
부산대는 고분자공학과 이재준 교수 연구팀과 KIST 김태안 박사 연구팀이 충돌·폭발로 인한 외부 에너지를 흡수하면서 스스로 수리할 수 있고, 재활용까지 가능해 오래 사용할 수 있는 특수 고분자 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.
흔히 ‘충격파’로 불리는 ‘고변형률 속도 응력 파동’은 폭발 및 물체 간 빠른 충돌로 인해 발생하며, 이는 건물이나 차량뿐만 아니라 사람 건강에도 심각한 피해를 야기한다.
부산대·KIST 공동 연구팀은 고에너지 소산(에너지를 흩어지거나 분산시킴) 능력을 보유한 동적 공유 결합 고분자 네트워크를 합성해 자가 치유 능력 및 화학적 재활용성까지 선보였다.
이번 연구는 고에너지 소산 능력을 효과적으로 나타내기 위한 동적 고분자 네트워크의 필요조건들을 재료의 점탄성(점성과 탄성을 동시에 갖는 성질) 거동과 연관 지어 상세히 기술한 첫 연구 성과로 의미가 크다. 기존 보고된 고에너지 소산 재료들의 제한되는 반복성을 자가 치유 성능으로 극복하고, 화학적 재활용 방법을 통해 단량체 및 가교제로 회수함으로써 재료의 지속가능성을 높였다.
이를 위해 연구팀은 이황화물 결합을 포함한 알파-리포산(α-lipoic acid)을 기반으로 각기 다른 물성을 나타낼 수 있는 단량체·가교제들을 합성하고, 여러 종류의 합성된 단량체들로 만들어진 단일중합체 비교를 통해 측쇄(고분자나 분자의 주사슬에서 갈라져 나오는 분자 그룹)의 길이 및 2차 결합의 존재 유무에 따라 재료의 점탄성 거동이 변화하며 달라지는 탄젠트 델타(tan δ) 값이 고에너지 응력 파동의 소산과 상관관계가 있다는 사실을 밝혀냈다.
이번 연구 성과는 ‘지속 가능하면서도 높은 변형률 속도의 응력파를 흡수할 수 있는 재료의 설계 원칙’이라는 제목으로, 영국 왕립화학회(RSC) 재료 학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스’ 11월 7일자 표지 논문에 선정됐다.
연구 책임을 맡은 KIST 김태안 박사는 “이번 연구 결과는 자칫 심각한 피해를 야기할 수 있는 충격 에너지를 효과적으로 흡수하면서 폐기 시 원래의 단량체로 회수돼 지속적으로 사용이 가능한 소재를 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했다.
논문 공동 교신저자인 이재준 부산대 교수는 “이번 연구는 동적 공유 결합 화학을 활용해 파동을 효과적으로 분산하고, 파동으로부터 보호할 수 있는 재료 설계 원칙을 제시한다”고 설명했다.