형상기억고분자란 무엇이고 어떤 특징이 있는지 설명해보세요.

(1) 형상기억고분자

형상기억효과(SME: Shape Memory Effect)란 일정한 온도에서 기억시킨 형상을 기억하고 있다가, 힘을 가해 전혀 다른 형상으로 변형시킨 후 가열하면 즉시 본래의 형상으로 돌아가버리는 현상이다. 이와 같은 형상기억효과를 나타내는 물질은 재질에 따라 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)과 형상기억고분자(SMP:Shape Memory Polymer)로 구분된다.

형상기억고분자에서 형상기억효과를 나타내기 위해서는 dual segment로 구성되어 있어야 한다. 즉 하나는 아주 높은 탄성이어야 하며, 다른 하나는 특별한 자극시 경직도가 감소될 수 있어야 한다.

먼저 형상기억고분자의 원래의 형상을 만든 후 형상기억고분자를 변형온도(또는 유리전이온도나 melting 온도) 이상으로 가열하고 외부의 힘으로 형상기억고분자를 변형한 후 변형온도 이하로 냉각하여 임의의 형상으로 변형, 외부의 힘을 제거하고 필요시 변형온도 이상으로 가열하면 원래의 형상으로 회복된다. 형상기억고분자는 고온에서 기억된 형상을 상온에서 변형한 후 가열 시에만 형상회복이 되고 냉각 시에는 형상회복이 이루어지지 않는다. 형상기억합금에 비해 형상기억고분자는 저가격, 저밀도, 쉬운 공정과 인장력이 크다는 장점이 있다.

(2) 형상기억고분자의 구조

형상기억고분자는 전형적으로 원래의 형상과 변형된 형상으로 구성된 이중형상을 갖는다. 고분자의 화학적인 구조는 외부의 자극에 의하여 민감한 분자 스위치 구조를 가져야 한다.

형상기억고분자는 고정상으로 역할을 하는 딱딱한 부분과 가역적으로 동작하는 부드러운 부분으로 구성되어 있다. 고정상은 stress를 받는 고분자 체인의 주변에 둘러쌓아 자유로운 흐름을 방지하고 가역상은 형상기억 과정에서 변형을 받는 탄성을 담당한다. 분자스위치 역할을 하는 형상은 전이온도 이하에서 변형되어 동결되고 반면에 전이온도 이상에서는 원래의 형상으로 회복된다.

(3) 형상기억고분자의 응용

가. 펼치는 구조에 응용

우주선에서 펼쳐지는 소자는 모터로 구동되는 기계적인 힌지나 에너지를 저장하는 소자를 사용하였으나, 복잡한 조립과정과 육중한 메커니즘 및 체적이 크다는 단점이 있어 이를 대체하기 위하여 형상기억고분자를 응용하고 있다.

탄소섬유로 강화한 형상기억고분자 복합체의 펼치는 구조에 응용한 예로[16] 이 구조에서는 형상기억고분자 복합체를 사용하였으며, 힌지는 두 개의 구부러진 회전 셀이 서로 반대방향으로 향하도록 구성 되어 있다.

형상기억고분자는 얇고 가볍기 때문에 펴지는 거울에 적용하기에 적당하다. 펴지는 거울은 형상기억고분자 복합체를 이용한 기판과 반사막이 코팅된 반사경으로 구성된다. 반사표면은 주로 고감도의 반사를 위하여 니켈 도금한다. 동작은 기판에 외부에서 인가된 전원으로 joule열이 발생하고 이 열을 이용하여 형상기억을 회복하여 펴지게 된다.

또 다른 형태로는 거울의 support로 형상기억고분자로 honeycomb 구조로 제작 가능하다. 반사경의 구성은 거울 표면, 카본 나노 화이버, 반사면 코팅, 직물 등이다.

대구경 안테나는 우주 발사용 로켓에 장착되며 안테나의 반사경은 위성통신의 통신향상을 위해서는 중요한 부품이다. 우주선에 대구경 안테나를 실장하고 우주공간에서 펼치게 하기 위해서 (그림 12)와 같이 형상기억고분자를 안테나의 표면에 응용하여 우주공간에 도착하면 펴지게 하는 유연 반사경 구조이다.

나. 생체의학으로의 응용

형상기억고분자는 생체의학용 재료로의 응용도 검토되고 있다. 특히 폴리우레탄 형상기억고분자는 우수한 생물학적 적합성을 나타내기 때문에 임플란트 임상소자나 스텐트로의 응용이 검토되고 있다. 자극 형상기억고분자는 자극에 따라 하나의 형상에서 다른 형상으로 변하는 이중 형상 물질이며 3중 형상기억물질이 보고되기도 하였다. 이와 같은 다중 형상기억효과를 이용하여 열가소성 형상기억고분자를 외과수술용 봉합용 실로 응용한 예를 보이기도 한다. 이 봉합용 실은 온도가 유리전이온도 이상으로 되면 수축되어 매듭이 지어진다.

다. 형상기억고분자 섬유로의 응용

형상기억고분자를 이용한 형상기억 실은 열 자극에 반응하는 스마트 섬유로 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 섬유는 뜨거운 물에서 세탁하거나 건조할 때 유리전이온도 이상으로 올라가면 주름이 없어지고 원래의 편평한 형상으로 회복된다.

라. 유연기판으로의 응용

변형할 수 있는 전자소자는 wearable 디스플레이, 태양광 패널, 비침습성 의학소자 등과 같은 많은 새로운 응용에서 요구되고 있다.

마. 4D 프린팅으로의 응용

최근 형상기억고분자는 4D 프린팅의 핵심 소재로 주목받고 있다. 4D 프린팅이란 온도, 빛, 습도 등 외부 자극에 의해 시간에 따라 형상이 자가변환하는 구조물을 3D 프린팅으로 제조하는 기술이다. 한국화학연구원에서는 정유 공정의 부산물인 황을 활용하여 황 함량과 그물 구조를 정교하게 조절해 온도·빛 자극에 모양이 변하는 형상기억 4D 프린팅 기술을 개발하였다. 4D 프린팅 시장은 2025년 수억 달러 규모로, 연평균 30~40%대의 고성장이 전망된다. 의료용 스텐트·자가변형 배관 등은 연구·개발이 활발히 이루어지고 있으며, 스마트 의류 등 일부 분야에서는 상용화가 진행 중이다.