[논문]형상 기억 고분자 나노 복합 소재

홍진호; 윤주호; 김일; 심상은

형상 기억 고분자 나노 복합 소재
Shape Memory Polymer Nanocomposites 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.45 no.3, 2010년, pp.188 - 198

홍진호 (인하대학교 화학공학과) , 윤주호 (자동차부품연구원) , 김일 (부산대학교 고분자공학과) , 심상은 (인하대학교 화학공학과)

초록
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형상 기억 고분자(shape memory polymers, SMPs)는 일정한 온도 또는 특정 자극이 주어졌을 때 가해진 일시적인 변형으로부터 처음 상태로 되돌아 오는 고분자를 말한다. 이러한 형상 기억 고분자는 각종 산업에서 자가 조립 또는 자가 수리가 가능한 스마트 고분자로 분류되어 고부가가치를 지니고 있다. 특히 형상 기억 고분자의 방열 성능, 전기 전도 성능, 물리적 성능, 광학 성능 등은 다양한 충전제를 도입함으로써 향상될 수 있다. 본 논문에서는 형상 기억 고분자의 기본 원리 및 최근의 형상 기억 고분자 나노 복합재료에 대해 알아본다.

Abstract ▼ AI-Helper

The term 'shape memory polymers (SMPs)' describes a class of polymers which can remember the original shape and recover from deformed to its original shape by the applied stimuli, e.g., heat, electricity, magnetic field, light, etc. SMPs are classified as one of the 'smart polymers' and have great potentials as high-value-added materials. Especially, low thermal, electrical, and mechanical properties of SMPs can be improved by incorporating the various fillers. This paper aims to review the SMPs and their basic principles, and the trends of the development of SMPs nanocomposites.

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 형상 기억 고분자에 관해 최근 연구된 자료를 통해 형상 기억 고분자의 진행 상황을 알아 보았다. 형상 기억 고분자는 고정상과 가역상을 모두 가지고 있는 고분자를 이용하여 그 성능을 발휘 할 수 있다.

제안 방법

문헌 정보 분석은 “'shape memory polymer' or 'shape memory polymer composite'”을 주제로 하여 수행하여 총 729건의 검색 결과를 얻었으며 이를 토대로 하여 나라별, 연도별, 특허와 논문에 관한 객관적인 결과를 도출하였다.

대상 데이터

사용된 CNT는 직경이 100 nm이고 길이가 10 μm였는데 복합재료 내에서 CNT는 방향성이 없이 배열되어 있었다.

성능/효과

15 무게 대비 40 %의 질화알루미늄을 첨가하였을 때 상온에서 형상기억 PU의 열전도도가 0.12에서 0.44 W/m · K으로 증가함을 보였다.
Liang 연구팀과 Ni 연구팀에서는 형상기억 PU에 유리섬유와 Kevlar 섬유를 첨가하여 복합재료의 성능을 연구하였다.^18,19 두 그룹 모두의 실험에서 성능 향상과 형상 기억 성능은 반비례 함을 보였다. Liang 연구팀의 실험에서 50 vol%의 유리섬유를 첨가하여 400% 이상 향상된 탄성 능력을 보였으나 유리섬유가 충진된 형상기억 PU의 경우에서 형상 기억 성능을 보이지 못하였다.
Paik 연구팀은 카본블랙과 CNT가 첨가된 형상 기억 PU를 제조하여 복합재료의 전기 저항이 늘림 효과에 의해 증가하고 충전제 양의 증가에 따라 감소하는 것을 보였으며, Cho 연구팀은 개질된 형상 기억 CNT를 사용하여 액상에서 초음파를 사용하고 혼합하여 Joule 가열에 의한 형상 기억 회복 운동을 연구하였다.^35,36 We 연구팀 또한 in-situ 중합을 통하여 형상 기억 PU/CNT 복합재료를 제조하였는데 이 실험에서도 CNT가 형상 기억 복합재료의 회복력을 향상시키는 결과를 보였다.³⁷ 상기의 연구 결과에서 알 수 있듯이 형상 기억 고분자에 CNT 또는 CNF를 첨가하여 제조된 복합재료는 증가된 기계적 성능과 회복력을 보였다.
^35,36 We 연구팀 또한 in-situ 중합을 통하여 형상 기억 PU/CNT 복합재료를 제조하였는데 이 실험에서도 CNT가 형상 기억 복합재료의 회복력을 향상시키는 결과를 보였다.³⁷ 상기의 연구 결과에서 알 수 있듯이 형상 기억 고분자에 CNT 또는 CNF를 첨가하여 제조된 복합재료는 증가된 기계적 성능과 회복력을 보였다. 하지만 CNT/CNF의 첨가에는 첨가 가능한 범위의 양이 있으며 그 이상을 충전하였을 때는 오히려 형상 기억 고분자의 성능을 떨어뜨리는 것으로 나타났다.
⁹ 고분자 사슬 1과 2에 의한 영구 모양은 막대 모양인데 이 모양은 꽈배기 모양의 일시적 형태로 변형이 되어 있는 상태이다. 70 ℃의 뜨거운 기체의 영향으로 전이 온도를 넘어서자마자 영구 모양으로 회복이 되며 가장 적절하게 프로그래밍된 상태의 99% 이상의 정밀도로 영구 모양으로의 회복을 보인다. 이러한 수준은 매우 높은 정밀도로 회복하는 성능을 필요로 하는 분야에 적용이 가능하다.
카본블랙은 전기전도 성질 이외에도 열전도 성능을 함께 가지고 있어 카본블랙을 형상기억 고분자에 충진할 경우 전기전도 성능 이외에도 더욱 빠른 형상 회복 성능을 기대할 수 있다. Li 연구팀에서는 카본 블랙이 함유된 형상기억 PU를 결정화가 가능하고 가역상인 poly(caprolactone)(PCL) diol과 함께 제조하였는데 20 wt%의 카본블랙 첨가로 약간의 전기 전도도 향상과 모듈러스 향상 성능을 보였다. 하지만 이 경우에도 회복률의 감소가 두드러짐을 보였다.
¹² 이 연구에 따르면 유리질 열가소성 형상 기억 PU에서의 최적의 형상기억 효과는 고정상이 35 내지 40% 이고 반결정성 PU에서는 가역상의 분자량이 5,000에서 6,000 g/mol일 때 최적의 형상 기억 효과가 나타남을 보였다. 또한 분자구조 제어의 중요성을 보였는데 단단한 방향족 구조의 도입이나 평면상을 가지는 분자를 도입함으로 인해 분자간 상호작용을 늘려 높은 형상 기억 효과를 가지는 것을 보였다.
또한 카본블랙의 함량이 임계 수치를 넘지 못했을 경우에는 회복성능과 모둘러스 향상 어느 것도 증가됨을 보이지 못했다. 이 결과로 카본블랙 입자를 충전할 경우 지속적인 망상구조를 형성하게 되어 회복 성능에 부정적인 영향을 끼치는 것을 보였다.²² Cho 연구팀은 형상 기억 PU에 실리카를 첨가하여 연구를 진행하였는데 실리카의 첨가로 인한 변형은 없으며 소량의 모둘러스 증가만을 보였다.
사용된 CNT는 직경이 100 nm이고 길이가 10 μm였는데 복합재료 내에서 CNT는 방향성이 없이 배열되어 있었다. 이 복합재료는 MWCNT가 5 wt% 첨가 되었을 경우 20 wt%의 카본블랙을 첨가하거나 아무것도 첨가하지 않은 형상 기억 PU보다 더욱 좋은 회복력을 보였다. Paik 연구팀은 카본블랙과 CNT가 첨가된 형상 기억 PU를 제조하여 복합재료의 전기 저항이 늘림 효과에 의해 증가하고 충전제 양의 증가에 따라 감소하는 것을 보였으며, Cho 연구팀은 개질된 형상 기억 CNT를 사용하여 액상에서 초음파를 사용하고 혼합하여 Joule 가열에 의한 형상 기억 회복 운동을 연구하였다.
Figure 8에서 보듯이 충전제가 들어가지 않은 시편에서 회복이 보이지 않았을 때 30 wt%의 충전제가 충진 되었을 경우 더욱 큰 회복력을 보였다. 하지만 이 실험에서 형상 회복 비율과 회복 속도는 실리콘 카바이드의 함량에 따라 감소하는 것을 보였다. Gunes 연구팀도 실리콘 카바이드를 형상 기억 PU에 첨가할 때 형상 기억 성능이 떨어지는 것을 보였다.

후속연구

이러한 성질을 부여하기 위해 많은 충전제가 연구되고 있으며 또한 적용되고 있다. 이러한 다양한 적용 분야에서 앞으로 형상 기억 고분자 나노 복합재료가 사용될 것으로 보이며, 국내에서도 보다 많은 연구가 이루어지기를 바라는 바이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	형상 기억 합금의 단점은 무엇인가?	현재 가장 널리 사용되는 형상 기억 재료(shape memory material)로 형상 기억 합금(shape memory metallic alloy)이 있으며 이는 낮은 변형 복구 능력, 높은 강성, 고비용, 낮은 전이온도, 가공 조건의 까다로움 등의 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 고탄성 변형을 가지며 저비용, 저밀도 및 잠재적인 생체적 합성과 생분해성의 장점을 지니는 형상 기억 고분자의 연구가 큰 관심을 받고 있다.
	형상 기억 고분자란 무엇인가?	이런 단점을 극복하기 위해 고탄성 변형을 가지며 저비용, 저밀도 및 잠재적인 생체적 합성과 생분해성의 장점을 지니는 형상 기억 고분자의 연구가 큰 관심을 받고 있다. 형상 기억 고분자(shape memory polymer, SMP)란 초기의 고분자 형태를 '기억' 하여 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아 오는 고분자의 종류를 말한다. 이와 같은 정의의 결과로 많은 종류의 다른 고분자 시스템이 형상 기억 고분자로 분류된다.
	형상 기억 합금의 단점을 극복하기 위해 어떤 연구가 관심을 받고 있는가?	현재 가장 널리 사용되는 형상 기억 재료(shape memory material)로 형상 기억 합금(shape memory metallic alloy)이 있으며 이는 낮은 변형 복구 능력, 높은 강성, 고비용, 낮은 전이온도, 가공 조건의 까다로움 등의 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 고탄성 변형을 가지며 저비용, 저밀도 및 잠재적인 생체적 합성과 생분해성의 장점을 지니는 형상 기억 고분자의 연구가 큰 관심을 받고 있다. 형상 기억 고분자(shape memory polymer, SMP)란 초기의 고분자 형태를 '기억' 하여 적절한 자극에 의해 변형된 형태로부터 본래의 모습으로 되돌아 오는 고분자의 종류를 말한다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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