재료이야기 #08. Self-healing Material (2)

Self-healing Material 두 번째 이야기

 

 

 

안녕하세요~ 민시키의 재료이야기 Self-healing Material 두 번째 시간입니다! 이번에는 몇몇 논문과 동영상을 활용하여 다양한 Self-healing Material에 대해 아주 얕게 쉽게 알아보도록 하겠습니다!

 

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Self-healing concrete and asphalt : Eric Schlangen at TEDxDelft

첫 번째로 볼 영상은 TEDxDelft에서 Eric Schlangen 씨가 발표한 Self-healing concrete에 대한 영상입니다! 말을 많이 하긴 하는데, 한글 자막도 있으니 어렵지 않게 보실 수 있을 거에요! 보고 옵시다~

 

간단히 요약해보자면, 일반 콘크리트는 골재와 골재들을 연결시켜주는 역청으로 이루어져 있다고 합니다. 그런데 콘크리트를 오래 사용하다보면 역청이 풍화, 산화 등의 이유로 쭈그러들고, 미세한 균열이 발생합니다. 따라서 Eric Schlangen은 이러한 균열을 치료할 수 있는 콘크리트를 개발한 겁니다. 방법은 (영상의 설명만 들어보면) 간단합니다. 역청에 아주 작은 철 섬유를 넣고 인덕션을 이용해 콘크리트를 가열시키면, 역청이 녹으며 미세균열 사이로 들어간다고 합니다. 이렇게 균열 사이로 녹아서 균열을 메워주는 거지요. 실제로 어디인진 모르겠지만 Vilssingen에 가까운 A58번 도로에서 이 콘크리트를 실험해보았는데, 4년마다 콘크리트에 열처리를 할 경우 도로의 수명을 무려 2배 연장시킬 수 있다는 결과를 얻어냈다고 합니다!

 

이 콘크리트에 대해서 한 번 지난 시간에 배운 분류를 적용해봅시다! 재료의 종류로 구분해보면… 콘크리트는 polymer는 아닌 것 같고.. metal일까요 ceramic일까요? 콘크리트는 시멘트에 모래 자갈 등을 혼합하고 물을 섞어 만든 건축용 재료인데, 시멘트는 탄산칼슘(CaCO3)를 주성분으로 하는 석회석을 이용해 만든답니다. 석회석을 높은 온도로 가열하여 산화칼슘(CaO)을 만들고, 여기에 산화규소(SiO2)를 주성분으로 하는 점토를 섞어 가열하면 시멘트가 돼요. CaO, SiO2 등이 주성분이 되니.. Self-healing Ceramic이라고 할 수 있겠군요.

 

구동력 측면에서 생각해보면, 이 콘크리트는 열처리가 되었을 때 Self-healing을 했죠? 이렇게 추가적인 에너지 공급이 필요한 경우를 우리는 Non-autonomic Material이라고 불렀습니다. 그리고 마지막으로, 이동상 역할을 하는 철 섬유를 따로 넣어주었으므로 Extrinsic Material입니다!

 

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CrystGard™ Self-healing Paint Protection Film from Cool N Lite

다음 영상입니다!

 

이번엔 자동차의 기스 스크래치를 방지하기 위한 protection film입니다. 따로 설명할 것도 없죠? Film을 차에 붙이고 스크래치를 낸 후에 드라이기나 뜨거운 물 등을 이용해 열을 가하면 저절로 스크래치가 사라지는 마법 같은 film입니다. http://www.crystgard.com/index.htm 가 이 film의 공식 사이트인 것 같으니 궁금하시면 들어가보셔도 될 것 같아요 ㅎㅎ 페북 페이지를 보니 페라리, 포르쉐, 뭐 이런 차들만 나오네요.. 잘은 모르지만 왠지 이 필름도 가격이 어마어마할 것 같네요. ㅎㅎ;

 

아무래도 판매 중인 제품이라서 자세한 원리를 알 수는 없지만, 일단 당연히 polymer 재질일 것 같고.. 열을 가해야 Self-healing이 되니 Non-autonomic Material이고, intrinsic인지 extrinsic인지는 알 수 없겠네요!

 

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또 다른 Self-healing Film

이번 영상도 비슷한 film인데, 얘는 trigger가 열이 아니라 UV네요. Film에 스크래치가 났을 때 UV를 쬐어주면 Self-healing이 되는 녀석입니다. 보시죠!

 

사진 출처

이 film에 대한 간단한 원리는 위의 그림과 같습니다. Polymer molecule들이 metal ion을 통해 서로 연결되어 있습니다. 이 때 UV를 쬐어주면 metal ion이 UV를 흡수하여 가열되고, 내부 온도 상승으로 인해 polymer가 이동성을 갖게 되어 self-healing이 된다고 합니다. 다시 UV를 꺼주면 온도가 낮아지면서 이동성도 사라집니다! Polymer가 이동성을 갖게 되는 것은 glass transition에 의한 건데, 이건 나중에 다뤄보지 않을 것 같으니, 궁금하신 분들은 검색해보세요 ㅎㅎ 아무튼, 이 film도 분류를 해보면 Self-healing Polymer, Non-autonomic, intrinsic Material이겠네요.

 

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그 밖의 Self-healing Material

이 밖에도 정말 다양한 Self-healing Material들이 있습니다.

 

[사진 출처 : Martin D. Hager et. al., Self Healing Material, Advanced Materials, 2010, 22, 5424-5430]

 

Si-C ceramic에 MoSi2라는 repair filler가 들어있는 구조입니다. 이 재료에 왼쪽과 같은 crack이 발생하면 MoSi2가 바깥의 공기와 접촉하여 산화됩니다. 이로 인해 SiO2가 생성되는데, 1200도 이상의 온도로 가열해주면 SiO2가 녹으며 crack을 메워준다고 합니다.

 

[사진 출처 : Martin D. Hager et. al., Self Healing Material, Advanced Materials, 2010, 22, 5424-5430]

 

이 polymer는 -COOH 작용기를 갖는 fatty acids와 -NH2기를 갖는 amine으로 이루어진 polymer로, 두 작용기 사이의 수소결합을 이용해 Self-healing이 됩니다. 그림처럼 단순히 단면을 붙여서 눌러주기만 하면, 쉽게 붙어버립니다.

 

이 영상도 비슷한 내용입니다. 이 재료도 마찬가지로 단면을 접촉시켜 한참을 눌러주면 저절로 붙게 됩니다. poly (urea-urethane)으로 이루어진 물질이라고 하니, 수소결합이 아닌 다른 결합에 의해 붙게 되겠네요. 자세히는 저도 모르겠습니다! ㅎㅎ

 

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저렇게 붙으면 강도는 그대로인가요..?

지금까지 정말 다양한 Self-healing Material을 알아보았는데, 지금쯤 되면 한 가지 궁금증이 생길 수 있습니다. 발생한 스크래치가 없어지거나, crack이 메워지거나 해서 우리가 Self-healing이라고 불러왔는데, 진정한 healing이려면 재료의 강도도 원래의 강도로 회복되어야 하지 않을까요?? 과연 Self-healing된 Material들은 기존의 강도를 되찾을 수 있을까요? 정답은 아니다입니다. 이에 대한 답은 여러 논문들을 찾아보면 알 수 있는데, 제가 알아본 바에 의하면, 대부분의 재료들은 Self-healing이 되었을 때 대략 기존 강도의 20% ~ 50% 정도만을 갖게 됩니다. 물론 Self-healing이 여러 차례 진행된다면 강도는 더더욱 약해지겠지요. 그래서 Self-healing Material에 대한 연구를 할 때에는 단순히 crack을 메우는 것뿐만 아니라 강도를 최대한으로 회복시키는 것에도 중점을 두어야 한다고 해요. 그런데 자동차의 스크래치를 막는 film이나 지난 포스팅에서 보았던 연료 탱크를 보호해주는 코팅 등 기존의 강도보다 약해진다고 해서 큰 문제가 되지 않는 재료들도 상당히 많기 때문에, 여전히 그 가치는 상당하다고 생각합니다!

 

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무궁무진한 활용가능성

Self-healing Material은 정말 무궁무진한 활용가능성을 가지고 있어요. 일단 자동차의 겉면이나 건물 외벽, 도로 등 스크래치나 균열이 발생하기 쉬운 우리 주변의 것들이나 구조용 재료 등에 활용하기 좋겠죠. 불가능한 예인 것 같지만, 만약 스마트폰의 액정이 깨지고 나서 저절로 회복을 한다면 비용적인 측면에서 어마어마한 이득이 되겠지요? 이렇게 잘 생각해보면, 우리 주변에 활용될 요소가 정말 많습니다.

 

다음으로 지난 포스팅에서 본 연료 탱크 코팅처럼, 군수 산업에서 매우 효과적으로 활용될 수 있고, Bioengineering 분야에서도 폭넓게 활용 가능합니다. 한번 이식하면 쉽게 고치기 힘든 인공 장기에 Self-healing 기술을 사용한다면, 실제 우리 몸의 기관처럼 스스로 회복하며 제 기능을 다 할 수 있겠죠. 그리고 마지막으로 우주산업에서도 활용 가능합니다. 우주에서 우주선의 외벽에 문제가 발생했을 때, 직접 고치기란 쉬운 일이 아니겠죠. 이럴 때 외벽이 스스로 회복해준다면 아주 때땡큐겠죠? 그래서 실제로 NASA에서는 현재 Self-healing window 등의 기술을 개발하고 있다고 합니다! 마지막 영상입니다~

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끝!

두 번의 포스팅을 통해 Self-healing Material에 대해 알아보았습니다. 깊이 있는 내용은 아니었지만, 여러 동영상 자료들을 통해서 재미있게 보셨으리라 믿습니다! 이렇게 새롭고 흥미로운 재료에 대한 포스팅을 자주 할 수 있으면 좋을텐데, 지난 번에 말씀 드렸듯이 이번 Self-healing Material에 대한 포스팅은 지난 전공 발표의 내용을 바탕으로 한 거라.. 이런 식의 포스팅은 앞으로 쉽지 않을 것 같아요 ㅎㅎ 아무튼 다음 포스팅에서는 새로운 내용을 가지고 돌아오겠습니다~