김병수 교수팀, 인체에 무해한 친환경 고강도 접착 소재 개발

수소결합 극대화해 소량으로도 30kg 이상 무게를 버티는 친환경 접착 소재 개발

전자기기, 자동차, 바이오 제품 등 다양한 분야에 활용 가능

[그림 1. 연구진이 개발한 수소결합을 이용한 비경화성 접착제 모식도(Advanced Functional Materials 8월호 표지 논문)]

이과대학 화학과 김병수 교수 연구팀은 한국화학연구원 이상호 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 인체에 무해한 고분자 소재의 수소결합을 극대화하는 방식을 적용해, 소량으로도 30㎏ 이상을 버티는 비경화성 접착 소재를 개발했다. 

유해 물질 규제가 전 세계적으로 강화되는 상황에서 연구팀이 개발한 접착제는 생활용품, 전자기기, 이동 수단(자동차, 선박), 바이오 제품 등 다양한 산업에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

기존의 접착제는 접착력을 높이기 위해 주로 굳는 방식의 경화성 접착제를 사용하는데, 대부분 독성이 강한 물질이 들어 있고 사용 후 남은 접착제를 제거하기 어렵다는 문제가 있다. 경화성 접착제의 강한 독성으로 인해 인체에 무해한 비경화성 접착제에 관심이 높아지는 가운데, 수소결합 기반 비경화성 접착 소재는 그동안 접착 성능이 0.16㎎/㎠당 약 13㎏ 정도에 그쳐 산업계에서 활용되기는 어려운 한계가 있었다.

이에 공동 연구팀은 기존 비경화성 접착 소재의 낮은 접착력을 해결하기 위해, 접착 소재 간 수소결합을 최대한 유도할 수 있는 구조로 고분자 형태를 정밀하게 변형했다. 공동 연구팀은 인체에 안전한 폴리에테르 폴리올을 접착 소재로 삼고 연구하기 시작했다. 처음에는 ‘환형가지형, 고분지형, 선형’ 3가지 모양의 폴리에테르 폴리올로 변형시키는 데 성공했었는데, 그중에서 긴 모양의 ‘선형’ 구조가 가장 수소결합이 강한 상태를 보였었다.

여기서 그치지 않고 수소결합을 극대화하기 위해 두 가지를 더했다. 우선 더 강한 수소결합을 유도하는 카르복시산(Carboxylic acid) 기능 구조를 추가했다. 카르복시산 기능기가 추가된 폴리에테르 소재들은 이전과 다르게 ‘선형’이 아닌 동그란 모양의 ‘환형가지형’ 구조에서 수소결합을 가장 잘 유도했고, 우수한 접착력을 나타냈다. 여기에 접착력을 더 강화시키기 위해, 카르복시산을 더하지 않은 물질 중에서는 수소결합이 가장 강했던 ‘선형’의 폴리에테르 폴리올도 함께 섞었다.

그 결과 유리 기판을 붙이는 실험에서 0.16㎎/㎠당 33.4㎏으로 경화성 접착제 수준의 무게를 버티며 기존 비경화성 접착제에 비해 2.6배 높은 접착 성능을 보여 줬다. 유리뿐만 아니라 수소결합을 유도할 수 있는 철, 플라스틱 등과 같은 다른 소재에서도 높은 접착력을 보였다.

[그림 2. 수소결합 기반 구조가 제어된 고분자 비경화성 접착 소재의 장점]

또한 개발된 친환경 접착 소재는 버틸 수 있는 접착력 이상의 힘을 가해 끊어지더라도, 열을 가하면 원래의 상태로 되돌릴 수 있는 수소결합의 특징이 있어 재활용성이 높다. 독성 실험 결과 인체에 무해한 물질로 만들었으며, 일상생활에서 자주 쓰이는 알코올 등을 이용해 매우 쉽게 제거된다는 장점도 있다.

이번 연구는 접착 성능을 획기적으로 높여 기존 비경화성 접착 소재의 한계를 극복했을 뿐만 아니라, 인체에 무해하며 재활용 및 제거가 용이하다는 점 등 다양한 장점을 갖추고 있어 경량화가 필요한 전자기기, 자동차 제조 분야 및 생활용품, 인체 친화적 바이오 제품 등 여러 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

한편, 본 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 개인기초사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 과학기술 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19.0)’ 8월호 표지 논문으로 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Design of Topology-Controlled Polyethers toward Robust Cooperative Hydrogen Bonding

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202302086