[화제의 논문] 자동차 표면이 긁혔을 때 햇빛을 쬐면 30분만에 스스로 원상 복구되는 보호용 투명 코팅 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

보호용 코팅 소재는 제품 본래의 색이 드러날 수 있도록 무색투명해야 하고, 고가 제품의 표면을 보호해야 하므로 내구성이 좋아야 한다. 특히 자동차 보호용 코팅 소재는 온도 등 외부 변화에 크게 영향받지 않아야 한다. 이러한 조건을 모두 만족시키면서 자가치유 기능을 부여하기가 지금까지는 매우 어려웠다. 자가치유가 잘 되려면 분자의 이동이 자유로워야 해서 내구성이 약하며, 자가치유를 일으키는 특정 조건 때문에 코팅 소재의 성능이 떨어질 수 있기 때문이다. 

자동차 코팅 소재의 경우, 일본의 한 자동차 회사가 자가치유 코팅 소재를 상용화한 사례가 있지만, 내구성이 좋지 않고 재도장이 어려워서 널리 쓰이지는 못했다. 

한국화학연구원(이하, 화학연)은 28일, 김진철-박영일-정지은 박사 연구팀이 위의 조건을 모두 만족시켜 기존 보호용 코팅 소재와 내구성 등의 성능이 동일하면서도 햇빛만으로 자가치유되는 투명한 코팅 소재를 개발했다고 밝혔다.  

이번에 개발된 소재를 자동차에 코팅하면, 차 표면에 흠집이 나도 한낮 햇빛에 30분 이상 노출되면 흠집이 스스로 사라질 수 있는 것으로 알려졌다.

연구팀은 자동차 모형에 신소재를 코팅하고 표면에 흠집을 낸 후, 한낮 햇빛에 30분 정도 노출시키자 흠집이 완전히 사라지고 코팅 소재의 표면이 회복되는 것을 확인했다. 또, 돋보기를 이용해 빛을 모으면 30초 후 흠집이 완전히 없어지는 것을 확인했다.

이번 연구결과를 담은 논문은 과학기술 분야의 SCI급 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스(ACS Applied Polymer Materials, IF=4.089)’ 5월호 표지 논문으로 게재됐다.

논문명은 'Fast, Localized, and Low-Energy Consumption Self-Healing of Automotive Clearcoats Using a Photothermal Effect Triggered by NIR Radiation(태양광을 이용하여 빠르게 국소 부위 복원이 가능한 자동차용 자기치유 코팅 소재)'이다.

연구책임자 김진철 박사는 “이번에 개발한 기술은 값싼 상용 고분자 소재와 광열염료를 이용하여 자기치유 코팅 소재를 합성하는 플랫폼 기술로, 다양한 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 기존 상용 코팅 소재에 힌더드유레아라는 특정 물질을 넣어 고분자들이 해체와 재결합을 반복하는 동적 화학결합을 설계했고, 여기에 투명한 광열염료를 섞어서 햇빛을 비추면 동적 화학결합이 활발하게 일어날 수 있도록 했다.

고분자란 수많은 작은 분자들로 이루어진 분자량이 1만 이상인 거대 분자를 말하며, 광열염료란 빛 에너지를 열 에너지로 바꿔주는 염료를 말한다.

이렇게해서 개발된 소재에 햇빛이 흡수되면 빛 에너지가 열 에너지로 바뀌면서 표면 온도가 올라가고, 온도가 올라가면 고분자들이 원래의 그물망 구조에서 해체돼 떨어졌다 붙었다를 반복하며 자가치유가 되는 원리다. 

기존에도 광열염료를 활용해 자가치유 기능을 연구한 시도는 있었지만 보통 색깔이 있는 무기물질을 활용해, 투명해야 하는 코팅 소재로는 산업계 적용이 어려웠다. 또한 광열 효과를 내기 위해서는 많은 양의 빛 에너지가 필요하다는 단점이 있었다.

연구팀이 활용한 광열염료는 투명한 유기물이어서 근적외선 파장의 빛 에너지를 쓴다. 근적외선은 한낮 햇빛에서 약 10% 미만의 적은 양을 차지하는 장파장의 에너지원으로, 야외 자동차 운행 시 자동차의 표면 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 유기 광열염료는 고유 색상이 없어 제품 색에 영향을 주지 않고 다양한 도료에 잘 배합되며 비용도 저렴하기 때문에 상용화에 유리하다.

연구팀은 "이번에 개발한 자기치유 코팅 소재는 향후 자동차 등 수송기기, 스마트폰 및 컴퓨터 등 전자·정보 기기, 건축재료의 코팅 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다"며 "이 코팅 소재를 적용하면 자동차 재도장 시 다량으로 발생하는 유해성 유기용매 등의 사용을 줄일 수 있어 탄소중립 실현에도 기여할 것으로 기대된다"고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.