사람의 자가치유처럼 스스로 부러진 곳을 고치는 플라스틱?

우리가 사용하는 물건들이 상처를 스스로 치유한다면 어떨까? 예컨대 긁힌 자동차의 도색이 며칠 뒤 원래처럼 복구되거나, 깨진 플라스틱 물건이 저절로 수리된다면?

실수로 칼에 손이 베이면 우리 몸은 스스로 치유 과정을 시작한다. 피부가 본래 상태로 돌아가며 상처를 복구하는 이 놀라운 과정은 ‘자가치유(self-healing)’라고 부른다. 그런데, 이러한 상상을 현실로 만들기 위한 연구가 바로 자가치유 폴리머이다. 이 신소재는 손상되었을 때 외부 개입 없이도 스스로 복원될 수 있는 고분자(polymer)로, 미래 소재 기술의 핵심으로 주목받고 있다.

상처가 스스로 치유되는 신소재

폴리머는 간단한 화학 단위인 단위체(monomer)가 반복적으로 결합해 이루어진 거대 분자이다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 플라스틱, 고무, 셀룰로스 등이 폴리머의 대표적인 예이다. 자가치유 폴리머는 특정 환경에서 끊어진 분자 구조가 다시 연결되어 본래 상태로 복구되는 특징을 가진다.

2018년 10월 12일 자 학술지 『Science』에는 미국 사우스캐롤라이나주 클렘슨대학교의 우르반(M. W. Urvan)과 그의 동료들이 연구한 자가 치료 폴리머에 대한 논문이 실렸다. 그들이 소개한 자가 치료 폴리머(신소재)는 상처가 극히 조금일 때만 치료가 된다, 예를 들어 면도날에 베인 상처(머리카락 절반 굵기) 정도라면 14시간쯤 후에 치료되고, 머리카락 두께만큼 틈이 생긴 것이라면 3~4일 만에 자동 수리가 된다고 한다.

끊어진 분자들이 어떻게 저절로 재결합될 수 있는가? 이 원리에는 반데르발스 힘(van der Waals force)을 활용한 자가치유 메커니즘이 있다. 네덜란드 물리학자 요하네스 반데르발스(Johannes Diderik van der Waals)의 이름을 딴 이 개념은 자가치유 폴리머 기술의 기초 원리 중 하나로 이웃 분자 사이에 지극히 미약한 인력이 작용한다는 이론이다. 처마 끝에서 떨어지는 빗물이 물방울로 뭉쳐지거나 도마뱀붙이가 벽에 붙어서 쉽게 다니는 이유를 설명할 수 있다.

자가 치료 폴리머를 개발한 우르반 연구팀은 6년 동안 실패를 거듭하다가 2종류의 단순한 폴리머(acrylate)에 물을 혼합하는 방법으로 개발에 성공했다. “앞으로 다양한 자가 치료 폴리머들이 개발되어 나오더라도 플라스틱 공장을 새로 건설할 필요는 없을 것이다. 우리는 현재 가동 중인 플라스틱 공장에서 자기치료 신소재도 생산할 수 있도록 연구할 것이다.”라고 우르반 연구팀은 밝혔다.

자가치유 폴리머는 진화 중

자가치유 폴리머는 다양한 연구와 기술 개발로 점차 진화하고 있다. 자가치유 폴리머는 스마트폰 화면 보호막, 태양광 패널 등 투명 소재에 적용 가능성이 높다. 2020년 KIST 연구진은 아마인유가 담긴 마이크로캡슐을 사용해 손상 시 스스로 복구되는 투명 폴리이미드 필름을 개발했다. 이는 스마트 전자제품의 수명을 연장하고 자원 낭비를 줄일 수 있는 획기적인 기술로 평가받고 있다.

한국화학연구원은 2021년 5월 실온에서 잘린 후에도 스스로 복원되는 고강도 자가치유 소재를 개발했다. 이 소재는 일반 플라스틱의 한계를 넘어 자동차, 건축 자재 등 고성능이 요구되는 산업 분야에서도 활용될 가능성을 보인다.

자가치유 폴리머의 잠재력

자가치유 폴리머는 플라스틱 쓰레기 문제를 줄이고, 제품의 수명을 연장하며, 환경에 미치는 영향을 감소시킬 수 있는 지속 가능한 소재로 주목받는다. 자가치유 기술이 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 확장된다면, 항공우주, 의료, 전자공학 등 모든 산업 분야에서 변화를 일으킬 잠재력이 있다.

하지만 상용화를 위해서는 넘어야 할 과제도 많다. 현재 자가치유 속도와 복원 가능 손상의 크기에는 한계가 있다. 예를 들어, 우르반 연구팀이 개발한 폴리머는 머리카락 굵기 이상의 손상을 복구하는 데 수일이 걸린다. 또한, 소재의 비용 효율성을 높이고 기존 제조 공정에 통합하기 위한 기술 개발도 필요하다.

자가치유 폴리머가 실생활에 도입되는 날, 파손된 물건을 버리는 대신 “스스로 고치도록” 기다리며 새로운 혁신의 시대를 맞이하게 될 것이다.