영화 '터미네이터'가 현실로…세계 첫 고강도 자가치유 소재 개발

한국화학연구원-부경대 공동연구팀, "폴더블폰 화면 '피로도 현상' 극복 가능"

기계와 인간의 대결을 그린 영화 '터미네이터 제니시스'의 한 장면. 여전히 많은 이들은 기계가 인간의 미래에 위협이 될 수 있다며 두려워하고 있다.

[아시아경제 김봉수 기자] SF 영화 '터미네이터2'는 총을 맞아도 끊임없이 재생하는 로봇이 악당으로 등장해 관객들에게 '미래 기술 쇼크'를 안겨 줬다. 그런데 한국 연구진이 실제로 충격을 받을 때 단단해져 스스로를 보호하고 다시 원래의 구조와 기능을 회복하는 자가 치유 능력을 갖는 소재를 개발해 주목된다.

한국화학연구원은 부경대와 공동으로 실온에서 절단되어도 스스로 회복하는 자가치유(self-healing) 기능을 가지면서 신발 밑창만큼 질긴 소재를 개발했다고 10일 밝혔다. 특히 이 소재는 지금까지 개발된 자가치유 소재 중 기계적 강도가 가장 높다.

자가 치유 소재란 상처를 스스로 치유하는 실제 피부처럼 외부 환경에 의해 손상을 입은 고분자가 스스로 결함을 감지해 자신의 구조를 복구함은 물론 원래의 기능을 회복할 수 있는 지능형 재료를 말한다. 울버린, 터미네이터와 같은 SF 영화에선 주인공들이 신체가 찢어지거나 절단돼도 상처를 스스로 회복하는 자가치유 초능력을 갖는다는 설정으로 관객들의 상상력을 자극했다. 현실에서도 의류, 신발, 타이어, 자동차, 롤러블ㆍ폴더블 디스플레이 코팅 등 장기간 사용시 손상이 가해져 수명이 떨어지는 제품들이 이같은 기능을 갖게 되면 새 제품처럼 더 오래 사용할 수 있게 된다.

이에 따라 전세계적으로 자가치유 소재를 개발하려는 노력들이 이어지고 있다. 문제는 현재까지 개발된 자가치유 소재들은 인장 강도(당겨서 끊어질 때까지 들어가는 힘)가 약하는 것이다. 자가치유가 잘 되려면 분자 간 결합이 느슨하고 분자들이 자유롭게 이동해야 하는데, 그러려면 단단한 고체가 아닌 젤리처럼 부드러워야 회복이 잘 된다. 기존 자가치유 소재는 이처럼 말랑말랑하고 무르다. 하지만 젤리를 잡아 당기면 뚝뚝 끊어지듯이 이런 외부 마찰이나 압력을 견디기 어려웠다.

연구팀은 이에 착안해 단단하고 질기면서도 자가치유 능력이 좋은 속성을 동시에 갖는 새로운 소재를 개발했다. 기존에 개발돼 있는 자가치유 소재인 열가소성 폴리우레탄를 기본 골격으로 하고, 여기에 외부 충격을 받으면 수소결합을 형성해 단단해지고 충격이 없을 때에는 말랑해지는 특수한 카보네이트 (Carbonate) 화합물을 덧붙였다. 이렇게 만들어진 새 소재는 외부 마찰이나 충격을 받으면 순식간에 물질의 분자 결합이 견고해지면서 단단한 결정(크리스탈)으로 변해 충격으로부터 스스로 보호한다. 또 충격 후에는 분자 이동이 자유로운 부드러운 상태로 돌아가 손상을 스스로 회복한다. 이렇게 외부 충격 여부에 따라 화학물질이 변하는 현상을 소재에 적용한 예는 지금까지 보고되지 않았다.

이 소재의 인장강도는 43 MPa 이상으로 측정됐다. 신발 밑창으로 쓰이는 폴리우레탄 소재와 유사한 수준으로, 연구팀이 2018년 개발한 소재보다 강도가 6배나 높고 세계적으로도 최고 기록을 깼다. 기존 최고기록은 일본 동경대학교나 RIKEN 연구소가 달성한 20-30 MPa 정도다. 또 이 소재는 외부 압력의 세기에 따라 물질이 단단해지는 정도가 달라진다. 외부 압력의 정도에 따라 고체와 젤리 상태를 오가면서 충격의 흡수를 조절하고 스스로 손상도 회복한다.

오동엽 화학연 박사는 "차세대 첨단기기인 롤러블ㆍ폴더블 스마트폰은 여러 번 펼치고 접는 과정에서 피로도가 쌓이면 화면이나 본체가 점차 하얗게 변하면서 약해진다"면서 "이 소재를 적용하면 접었다 폈다 하면서 발생하는 손상을 끊임없이 회복할 수 있어 그런 약점을 없앨 수 있다"고 설명했다. 이 연구 결과는 과학분야 분야 최고 권위지 중 하나인 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr