▲ 개발 연구진 : (좌측부터) 이준혁 연구원, 김해민 연구원, 박제영 교수, 오동엽 교수

서강대 공동 연구팀, 고성능·재활용 가능한 차세대 바이오 기반 폴리우레탄 개발

서강대 화공생명공학과 박제영 교수 연구팀이 고려대 오동엽 교수 연구팀과 공동연구를 통하여 높은 기계적 강도를 유지하면서도 자가치유 및 화학적 재활용이 가능한 차세대 바이오 기반 의사 비트리머 (pseudo-vitrimer) 소재를 개발하였다.

최근 환경 문제와 자원 순환에 대한 관심이 증가함에 따라, 기존 고분자 소재를 대체할 수 있는 지속가능한 소재 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 특히 열경화성 고분자는 우수한 기계적 성질을 가지지만, 한번 형성된 네트워크 구조로 인해 재활용이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 동적 결합을 도입한 vitrimer 소재가 제안되었으나, 일반적으로 기계적 강도가 낮아 실제 산업 적용에는 제약이 있었다.

서강대 공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 가역적인 Diels–Alder 반응을 기반으로 하는 새로운 pseudo-vitrimer 개념을 도입하였다. 이를 통해 네트워크 구조 내에서 선택적으로 결합 교환이 일어날 수 있도록 설계함으로써, 기존 vitrimer의 장점인 재가공성과 자가치유 기능을 유지하면서도 높은 기계적 강도를 동시에 확보하였다.

* 자가치유 (self-healing) : 외부 손상에 의해 끊어진 고분자 사슬이 자발적으로 재결합하여 구조와 기능을 회복하는 스마트 재료

연구팀이 개발한 소재는 기존 폴리우레탄 대비 약 1.4배 향상된 기계적 강도를 보였으며, 열 자극에 의해 손상된 구조가 효과적으로 복원되는 자가치유 특성을 나타냈다. 또한, 단순한 물리적 재가공을 넘어 화학적 분해 및 재합성이 가능한 재활용성을 확보하여, 기존 열경화성 고분자의 한계를 극복하였다.

특히 본 연구에서는 바이오 기반 단량체를 활용하여 친환경성을 확보함과 동시에, 분자 구조 설계를 통해 기계적 성능과 동적 네트워크 특성 간의 상충 관계(trade-off)를 효과적으로 해결하였다.

서강대학교 연구팀은 “이번에 개발된 pseudo-vitrimer 소재는 기존 고분자의 강도와 내구성을 유지하면서도 재활용성과 자가치유 기능을 동시에 구현한 점에서 큰 의의를 가지며, 향후 친환경 고성능 소재로서 다양한 산업 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.