“플라스틱 소재도 힘·충격 받으면 멍들게 하는 기술 개발”

KIST 김재우 박사 "기존 소재보다 민감도 8.5배 높은 고감도 응력 감응형 소재 개발"

국내 연구진이 일정 강도 이상의 힘이나 충격을 받으면 플라스틱 색깔이 변하면서 파손 위험 등을 미리 알 수 있게 해주는 고감도 응력 감응형 소재 제작 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 구조용복합소재연구센터 김재우 박사팀은 15일 웨어러블 센서, 인공 피부 등의 소재로 사용될 수 있는 차세대 응력 감응형 소재의 민감도를 기존 소재보다 8.5배 높일 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

플라스틱은 항공기나 자동차 부품부터 각종 웨어러블 기기나 인공피부 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 하지만 충격 등으로 약해지더라도 깨지거나 외형이 변하지 않을 경우 일일이 표면을 조사하기 전에는 파손 위험을 알 수 없는 문제가 있다.

이를 해결하기 위해 외부에서 가해지는 힘에 반응해 색이 변하는 소재를 개발하는 연구가 진행되고 있다. 특히 힘을 받을 때 화학 구조가 변하면서 광학적 특성이 변화하는 분자 수준 센서인 스피로피란(Spiropyran. SP)을 플라스틱이나 콘크리트, 실리콘 등에 주입해 힘, 변형, 손상 등 기계적 자극에 반응해 색이 변하는 스마트 소재를 개발하는 연구가 활발하다.

하지만 스피로피란은 민감도가 낮아 매우 큰 힘을 받을 때만 색이 변하는 문제가 있다. 스피로피란이 첨가된 실리콘은 원래 형태에서 500% 이상 변형된 후에야 색이 변해 실제 적용하는 데에는 어려움이 있다.

연구팀은 이 연구에서 민감도 향상을 위해 스피로피란의 분자구조를 플라스틱 소재에 맞게 변형한 뒤 합성하는 기존 방식 대신 플라스틱 소재와 스피로피란을 합성한 다음 무극성 용매인 ‘자일렌'(xylene)에 담가 자일렌을 침투시키는 공정을 통해 민감도를 획기적으로 높였다.

이렇게 만든 고감도 응력 감응형 소재는 용매를 흡수시키는 시간이 길수록 외부 힘에 대한 민감도가 높아지는 것으로 확인됐다. 이렇게 만든 스피로피란-고분자 소재는 기존 방식으로 만든 것보다 응력에 대한 민감도가 850% 향상된 것으로 나타났다.

이는 기존 소재의 경우 8.5N(뉴턴)의 힘이 가해져야 색이 노란색에서 파란색으로 변하지만 새로 만든 소재는 1N의 힘만 가해져도 색이 변한다는 의미로, 이런 효과는 인장, 압축, 구부림 등 다양한 변형에서도 나타났다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 특히 이 기술은 소재별로 별도 조작 없이 단순히 용매에 넣어 숙성시키는 후공정만으로 민감도를 높일 수 있어 다양한 소재에 쉽게 적용할 수 있고, 감시하고자 하는 민감도를 용매에 담그는 시간을 통해 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다고 덧붙였다.

김재우 박사는 “스피로피란 기반 응력 감응형 스마트 고분자 소재의 기계적 민감도를 획기적으로 개선하는 공정을 개발하고, 분석을 통해 감도 향상 및 조절 메커니즘을 규명했다”며 “이를 기반으로 미래형 웨어러블 센서 및 인공 피부로 응용하는 연구를 할 계획”이라고 말했다.

이 연구결과는 고분자 분야 국제학술지 ‘매크로몰레큘스'(Macromolecules) 최신호에 게재됐다.

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