재료이야기 #07. Self-healing Material (1)

Self-healing Material

오랜만에 돌아온 민시키의 생활 속 재료이야기입니다. 지난 2학기에 포스팅을 전혀 하지 못한 관계로 이번 겨울에 총 9개의 포스팅을 할 계획입니다! ^^ 다들 방학이 시작할 때는 항상 거창하게 계획을 세우잖아요 ㅎㅎ; 암튼 이번 시간에는 Self-healing Material이라는 신기한 재료에 대해서 다뤄보려 합니다. 아마 두 번에 걸쳐서 진행될 것 같은데요~ 그럼 대망의 일곱 번째 재료이야기 시작합니다~!

---

Self-healing Material? 처음 들어봐요!

 

 

재료공학에 관심이 있는 분들 중에서도, Self-healing Material이라는 용어가 생소하신 분들이 많이 있으실 거에요. 어렵게 생각할 필요 없이 단어 뜻 그대로, 스스로 치료하는 재료를 Self-healing Material이라고 해요. 조금 더 구체적으로 말하자면, 어떤 기계적인 손상이 가해졌을 때, 스스로 그 손상을 회복시킬 수 있는 재료를 Self-healing Material이라고 한답니다. 그런데 이러한 재료는 손상을 회복시키는 것이지 예방하는 건 아니에요. 그래서 손상이 발생한 후에 Self-healing Material로서의 기능이 나타나게 되는 것이지요.

---

말로만 들어서는 감이 안 와요..

네! 그래서 영상 하나를 준비했습니다~

영상을 보시면 두 개의 연료 탱크가 있습니다. 하나는 일반 연료 탱크고, 하나는 High Impact Technology에서 개발한 Battle Jacket이라는 특수 코팅 처리를 한 탱크인데요. 일반 탱크는 총알을 맞으면 구멍이 송송 나면서 연료가 다 흘러버리지만, 신기하게도 Battle Jacket 탱크에는 매우 작은 구멍만 생기고, 연료는 거의 새지 않았습니다.

영상에서 나온 Battle Jacket의 원리를 요약해보자면 이러합니다. Battle Jacket은 3개의 층으로 구성되어 있고, 안과 밖의 두 층은 잘 늘어나는 플라스틱으로 이루어져 있습니다. 총알이 Battle Jacket에 들어오면, 두 플라스틱 층이 총알을 따라 쭈욱 변형되면서 결국 핀홀 크기의 작은 구멍만이 생기게 되지요. 그리고 그 구멍을 따라서 연료가 조금씩 새어나갈 때, 중간 층의 재료가 연료를 흡수하면서 굳어버리고, 그렇게 구멍이 완전히 막히게 됩니다. 그래서 영상에서처럼 총알이 지나갔는데도 연료가 새지 않았던 거지요!! 이런 기술이 실제로 사용되고 있다니 대단하지요? 이렇게 총알에 의해 구멍이라는 손상이 발생했지만 스스로 그 구멍을 막아버리는 Battle Jacket은 Self-healing Material의 대표적인 예라고 할 수 있습니다! 이해가 좀 되지요?

---

Self-healing Material의 원리는 뭔가요?

Self-healing Material의 원리를 하나로 설명하기는 쉽지 않아요. 밑에서 Self-healing Material을 분류해보고 다음 글에서 구체적인 예들을 보면 알 수 있지만, 정말 재료들마다 healing하는 메커니즘이 천차만별이거든요! 하지만 전체를 아우를 수 있는 원리를 한 문장으로 적어볼 순 있을 것 같아요. 바로 “모든 Self-healing 메커니즘은 상처를 메꿀 수 있는 이동상(mobile phase)의 발생을 필요로 한다.”입니다. 영어 문장을 번역하다 보니 문장이 좀 어려운데, 간단히 말하면 모든 Self-healing Material은 이동상, 다시 말해 이동성이 있는 상을 가져야 한다는 이야기입니다. 이동할 수 있는 물질이 있어야 구멍이 뚫리거나 상처가 생겼을 때 이동해서 그 상처를 메꿀 수 있겠지요? 위에서 봤던 Battle Jacket의 경우에는 조금 애매한데, 연료가 차있어야만 구멍이 메꿔질 수 있으니까 연료가 이동상 역할을 한다고 볼 수 있을 것 같습니다!

---

Self-healing Material은 어떻게 분류하나요?

Self-healing Material을 분류하는 방법으로는 크게 3가지가 있습니다. 하나씩 보도록 하죠!

첫 번째 방법

첫 번째 방법은 민시키의 재료이야기를 잘 읽은 분들이라면 모두 아실 수 있을텐데, 바로 재료 자체의 종류로 분류하는 방법입니다. 일반적으로 재료를 분류하듯이 Self-healing Material도 Self-healing Metal, Self-healing Ceramic, Self-healing Polymer로 분류할 수 있습니다! Metal, Ceramic, Polymer가 뭔지 모르신다면 민시키의 재료이야기 #03, #04를 참고하세요~

두 번째 방법

두 번째 방법은 Type of Trigger, 우리말로 하자면 Self-healing의 구동력 정도로 생각할 수 있을 것 같습니다. 어떤 재료의 경우에는 기계적인 손상이 생기면 그 자체가 구동력 역할을 하여 바로 healing이 시작되는데 반해, 어떤 재료의 경우에는 손상이 생긴다고 바로 healing되는 것이 아니라, 자외선이나 열 등의 추가적인 에너지 공급이 필요해요. 전자를 우리는 Autonomic Material이라 하고, 후자를 Non-autonomic Material이라고 해요. 위에서 보았던 Battle Jacket은 추가적으로 에너지를 주지 않아도 바로 healing이 진행됐으니 Autonomic이 되겠네요!

Non-autonomic Material은 외부에서 에너지를 공급해줘야만 healing이 일어나기 때문에 몇몇 사람들은 Non-autonomic Material은 ‘Self-healing’ Material이 아니라고 주장하기도 해요. 일리가 있는 주장이죠. 엄밀히 말하면 스스로 회복한 건 아니니까요. 하지만 추가적인 에너지가 필요하다고 해도 충분히 실용성 있는 재료가 많고, Self-healing을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라질 수 있는 문제라서, 딱히 크게 중요한 논쟁은 아닌 것 같아요 ㅎㅎ

세 번째 방법

마지막 세 번째 방법은 이동상의 종류에 대한 분류에요. 위에서 모든 Self-healing Material은 이동상을 필요로 한다고 했어요. 그런데 재료 자체가 충분한 이동성을 가진 상이라면 아무 문제가 없겠지만, 만약 재료의 주성분이 이동성이 없다면 어떻게 해야 할까요? 네. 이동성을 가진 물질을 마이크로캡슐 등의 형태로 재료 곳곳에 첨가해주면 되겠죠. 전자의 경우처럼 재료 자체가 이동상인 경우를 Intirnsic Material, 이동상을 첨가해준 물질을 Extrinsic Material이라고 한답니다.

---

오늘은 여기까지..

지금까지 Self-healing Material의 정의와 간단한 기본 원리, 그리고 분류법에 대해 알아봤어요. 다음 포스팅에서는 오늘 다룬 내용을 바탕으로 실제 Self-healing Material의 예들을 재미있는 동영상들과 함께 알아보도록 하겠습니다~ 안녕!