햇빛만 쬐면 자동차 표면 흠집 사라지는 자가치유 코팅 소재 기술 개발

 

 

햇빛만 쬐면 자동차 표면 흠집 사라지는 자가치유 코팅 소재 기술 개발

수송기기, 전자·정보 기기, 건축재료 등 코팅 소재로 응용분야 확대 기대

 

 

▶ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스 5월호 표지 논문 선정 논문명(영) : 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)

 

 

 

 

 

 

 

 

▲  자동차 모형에 본 코팅 소재를 입히고 흠집을 낸 후 햇빛에 노출시킨 다음 / 돋보기로 햇빛을 모은 다음 표면을 찍은 사진

 

 

 

자동차 표면이 긁혔을 때 햇빛을 쬐면 30분 만에 스스로 원상 복구되는 투명한 보호용 코팅 소재가 개발됐다.

 

보호용 코팅 소재는 제품 본래의 색이 드러날 수 있도록 무색투명해야 하고, 고가 제품의 표면을 보호해야 하므로 내구성이 좋아야 한다.

 

특히, 지금까지 자동차 보호용 코팅 소재는 온도 등 외부 변화에 크게 영향받지 않아야 하는 등 제반 조건을 모두 만족시키면서 자가치유 기능을 부여하기가 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.

 

화학연 김진철‧박영일‧정지은 박사 연구팀은 위 조건을 모두 만족시켜 기존 보호용 코팅 소재와 내구성 등의 성능이 동일하면서도 햇빛(태양광에 포함된 1000~ 1100 nm 파장대의 빛)만으로 자가치유되는 투명한 코팅 소재를 개발했다.

 

개발된 소재를 자동차에 코팅하면, 차 표면에 흠집이 나도 한낮 햇빛에 30분이상 노출되면 흠집이 스스로 사라질 수 있다.

 

연구팀은 자동차 모형에 신소재를 코팅하고 표면에 흠집을 낸 후, 한낮 햇빛에 30분 정도 노출시키자 흠집이 완전히 사라지고 코팅 소재의 표면이 회복되는 것을 확인했다.

 

또한 돋보기를 이용해 빛을 모으면 30초 후 흠집이 완전히 없어지는 것을 확인했다.

 

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

 

연구팀은 기존 상용 코팅 소재에 특정 물질(힌더드유레아)을 넣어 고분자들이 해체와 재결합을 반복하는 동적 화학결합을 설계했고, 여기에 투명한 광열염료(빛 에너지를 열 에너지로 바꿔주는 염료)를 섞어서 햇빛을 비추면 동적 화학결합이 활발하게 일어날 수 있도록 했다.

 

▲  고분자 동적 화학결합 구조 및 광열염료를 포함하는 자동차용 친환경 보호용 코팅소재의 자가치유 원리

 

 

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(가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 사용하는 마이크로파보다는 파장이 짧은 0.75~1.4 μm 영역의 전자기파) 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.

 

연구팀이 개발한 자기치유 코팅 소재는 향후 자동차 등 수송기기, 스마트폰 및 컴퓨터 등 전자·정보 기기, 건축재료의 코팅 소재로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

본 코팅 소재를 적용하면 자동차 재도장 시 다량으로 발생하는 유해성 유기용매 등의 사용을 줄일 수 있어 탄소중립 실현에도 기여할 것으로 기대된다.

 

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 폴리머 머티리얼스 (ACS Applied Polymer Materials)’ 2022년 5월호 표지 논문으로 게재됐다.

 

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

 

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

 

 

<김진일 기자>

 

 

 

■ 태양광을 이용한 자기치유 코팅 소재 소개 요약

 

▲전체적인 연구 내용 모식도.

 

- 자기치유 고분자 소재 합성 → 유기 광열염료 함유 코팅제 제조 → 코팅 공정 → 태양광에 의한 자기치유 코팅 구현.

- 자기치유 코팅 소재는 ① 다이나믹 화학구조와 광열염료의 특성으로 ② 돋보기를 이용한 채광을 통해 국소 부위 빠른 자가치유 성능 (30초 이내)을 보이거나, ③ 태양광에 의한 자가치유 성능 (30분 이내)을 보인다. ④ 생활 환경 요소인 빛을 이용하므로 친환경 자가치유 소재이며 ⓹ 상용 코팅 소재와 유사한 내구성 등을 확보할 수 있다.

① 힌더드 유레아 기반 다이나믹 화학결합을 이용한 자가치유 소재

② 돋보기 채광에 의한 자기치유 구현: 돋보기를 이용한 채광을 통해 스크래치가 난 부분만 코팅 소재의 온도를 상승시켜 자가치유 구현

③ 태양광에 의한 자기치유 구현: 태양광에 포함된 근적외선 파장의 빛을 이용하여 직사광선이 강한 한낮에 자가치유 구현 가능

④ 환경요소를 이용한 저에너지 자가치유 구현: 자연광을 이용하므로 자가치유를 위한 별도의 에너지를 요구하지 않음 (열 기반 자기치유 시스템 대비 10만 분의 1의 에너지 사용).

⓹ 높은 내구성 확보: 기존 상용 자동차 코팅 소재의 변형 소재로 높은 내구성을 갖춘 자가치유 소재 제조 가능

 

 

▶ 좌부터 박영일 박사 ,  정지은 박사 ,  김진철 박사

 

 

▶ 개발된 자가치유 보호용 코팅 신소재 사진

 

 

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