ACS Appl. Polym. Mater. 2022년 5월호 표지 논문 게재
자동차 표면이 긁혔을 때 햇빛을 쬐면 30분만에 스스로 원상 복구되는 투명한 보호용 코팅 소재가 개발됐다.
보호용 코팅 소재는 제품 본래의 색이 드러날 수 있도록 무색투명해야 하고, 고가 제품의 표면을 보호해야 하므로 내구성이 좋아야 한다.
특히 자동차 보호용 코팅 소재는 온도 등 외부 변화에 크게 영향받지 않아야 한다. 이러한 조건을 모두 만족시키면서 자가치유 기능을 부여하기가 지금까지는 매우 어려웠다.
자가치유가 잘 되려면 분자의 이동이 자유로워야 해서 내구성이 약하며, 자가치유를 일으키는 특정 조건 때문에 코팅 소재의 성능이 떨어질 수 있기 때문이다.
화학연 김진철, 박영일, 정지은 박사 연구팀은 위 조건을 모두 만족시켜 기존 보호용 코팅 소재와 내구성 등의 성능이 동일하면서도 햇빛(태양광에 포함된 1000~ 1100 nm 파장대의 빛)만으로 자가치유되는 투명한 코팅 소재를 개발했다.
개발된 소재를 자동차에 코팅하면, 차 표면에 흠집이 나도 한낮 햇빛에 30분이상 노출되면 흠집이 스스로 사라질 수 있다.
연구팀은 자동차 모형에 신소재를 코팅하고 표면에 흠집을 낸 후, 한낮 햇빛에 30분 정도 노출시키자 흠집이 완전히 사라지고 코팅 소재의 표면이 회복되는 것을 확인했다. 또한 돋보기를 이용해 빛을 모으면 30초 후 흠집이 완전히 없어지는 것을 확인했다.
개발된 소재에 햇빛이 흡수되면 빛 에너지가 열 에너지로 바뀌면서 표면 온도가 올라가고, 온도가 올라가면 고분자들이 원래의 그물망 구조에서 해체돼 떨어졌다 붙었다를 반복하며 자가치유되는 원리다.
연구팀은 기존 상용 코팅 소재에 특정 물질*을 넣어 고분자들이 해체와 재결합을 반복하는 동적 화학결합을 설계했고, 여기에 투명한 광열염료를 섞어서 햇빛을 비추면 동적 화학결합이 활발하게 일어날 수 있도록 했다.
기존에도 광열염료를 활용해 자가치유 기능을 연구한 시도는 있었지만 보통 색깔이 있는 무기물질을 활용해, 투명해야 하는 코팅 소재로는 산업계 적용이 어려웠다. 또한 광열 효과를 내기 위해서는 많은 양의 빛 에너지가 필요하다는 단점이 있었다.
연구팀이 활용한 광열염료는 투명한 유기물이어서 근적외선 파장의 빛 에너지를 쓴다. 근적외선은 한낮 햇빛에서 약 10% 미만의 적은 양을 차지하는 장파장의 에너지원으로, 야외 자동차 운행 시 자동차의 표면 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 유기 광열염료는 고유 색상이 없어 제품 색에 영향을 주지 않고 다양한 도료에 잘 배합되며 비용도 저렴하기 때문에 상용화에 유리하다.
연구팀이 개발한 자기치유 코팅 소재는 향후 자동차 등 수송기기, 스마트폰 및 컴퓨터 등 전자·정보 기기, 건축재료의 코팅 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번에 개발된 코팅 소재를 적용하면 자동차 재도장 시 다량으로 발생하는 유해성 유기용매 등의 사용을 줄일 수 있어 탄소중립 실현에도 기여할 것으로 기대된다.
연구책임자 김진철 박사는 “이번에 개발한 기술은 값싼 상용 고분자 소재와 광열염료를 이용하여 자기치유 코팅 소재를 합성하는 플랫폼 기술"이라며 "향후 다양한 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스 (ACS Applied Polymer Materials)’ 2022년 5월호 표지 논문으로 게재됐다.
