[논문]스마트 지능형 자가보고 코팅 기술 동향 및 응용

이태희; 김진철; 이상호; 박영일; 노승만

doi:10.17702/jai.2019.20.2.76

스마트 지능형 자가보고 코팅 기술 동향 및 응용
Overview and Application of Self-reporting Coatings based on Smart Intelligence 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.20 no.2, 2019년, pp.76 - 80

이태희 (한국화학연구원 미래융합화학연구본부 그린정밀화학연구센터) , 김진철 (한국화학연구원 미래융합화학연구본부 그린정밀화학연구센터) , 이상호 (한국화학연구원 미래융합화학연구본부 그린정밀화학연구센터) , 박영일 (한국화학연구원 미래융합화학연구본부 그린정밀화학연구센터) , 노승만 (한국화학연구원 미래융합화학연구본부 그린정밀화학연구센터)

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표/그림 (10)

그림 Figure 1. Hierarchical nanoparticle-in-micropore architecture in porous mechanochromic composites and applications.
그림 Figure 2. Scheme for DABBF mechanophore incorporation into segmented polyurethane elastomers.
그림 Figure 3. Schematic of the autonomous damage detection system
그림 Figure 4. Schematic diagram of self-healing detection with fluorescence emission.
그림 Figure 5. Synthesis and optical properties of hybrid carbon nanosheets.
그림 Figure 6. Schematic representation of a [111] layer of FCC inverse opal hydrogel at lowand high pH respectively and pH-dependent color change.
그림 Figure 7. Schematic illustration of the plasmonic microgels in the PAAm hydrogel and application.
그림 Figure 8. Schematic illustration of the PDA-Mⁿ⁺-coated filter paper and temperature-responsive color-change properties of the PDA-Mⁿ⁺ -coated paper device.
그림 Figure 9. Schematic illustration of the preparation of MOF −fluoropolymer composite inks to form diverse structures via various processing techniques and their use for sensor applications.
그림 Figure 10. Schematic illustration of chemical reservoir design and dual stimuli responsive self-reporting mechanism and application to the laboratory scale chemical reservoirs.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 스마트 코팅 기술 중에서 자가보고 코팅 소재 (Self-reporting Coating)는 자극-응답 소재가 외부 자극에 대한 반응으로 형광 및 색상 변화를 통해서 코팅 상태를 시각적인 시인 특성으로 보여주는 지능형 소재를 총칭하며, 스마트 자가보고 기능을 구현하기 위한 외부적인 자극의 종류로 크게 기계적 자극 (Mechanical Stimuli) 및 화학적 자극 (Chemical Stimuli), 열적 자극 (Thermal Stimuli) 등으로 분류하고 있으며 두 가지 종류 이상의 다양한 외부 자극 (Multiple Stimuli)에 동시에 반응하는 자가보고 코팅 기술도 해외선진국을 중심으로 집중 개발 중에 있다. 본 총설에서는 이러한 기술적 중요성 및 미래 산업에서의 필요성 등으로 자가보고 코팅 기술에 대해 알아보고 향후 기술개발 방향 등을 선행 연구 자료를 통해 그 이해의 폭을 넓혀보고자 한다.
지금까지 다양한 종류의 외부 자극에 반응하는 자가보고 소재의 특징과 이에 대한 코팅 기술들에 대해서 정리해 보았다. 스마트 지능형 자가보고 코팅 기술은 고분자 기반의 코팅 소재 기술의 차세대 주력 분야로 과학기술계 및 산업계에서 향후 미래의 핵심기술로 매우 관심이 높은 기술 분야로서 스마트 자가보고 코팅 기술의 본격적인 상용화를 위해서는 물리적⋅화학적 내구성과 내후성, 내화학성 등을 높이는 동시에 자가보 고 기능의 핵심인 시인성 향상을 통해 우수한 기계적 물성과 자가보고 성능을 동시에 보유 및 제공할 수 있는 코팅 소재 차원의 집중적인 연구가 필요하며 아울러 코팅 어플리케이션 공정화 기술로의 집중적인 연구가 진행되어야 하며 이를 통해 선진화된 미래 시장 대응형 기술적 가치를 선점하는 노력이 시급히 필요하다.

제안 방법

UIUC Jeffry Moore 교수 연구팀에서 응집유도발광 물질인 테트라페닐에탄 (tetraphenylethene, TPE) 그룹을 마이크로캡슐 내부에 유기용매와 함께 투입하여 캡 슐화 (encapsulation) 후 물리적 자극에 마이크로캡슐이 깨지면서 그 내부에 존재하는 유기 용매가 증발하는 방법에 의해 형광이 발현되는 자가보고 메커니즘 방식의 코팅 시스템을 구현하였다 (Fig. 3)[7-9].
게이오기주쿠대학 Oaki교수 연구팀에서는 온도에 따라 색상이 푸른색에서 붉은색으로 가변하는 고분자 (Polydiacetylene, PDA)와 메탈 이온을 응용하여 온도에 민감하게 감응할 수 있는 코팅 소재를 개발하였다. 본 연구에서는 온도 변화에 의해서 PDA고분자 알킬 사슬 (Alkyl chain)이 이동 (Mobility) 특성을 갖게 되어 움직임으로서 길이의 변화가 생기고 이러한 특성에 의해 유효 컨쥬게이션 길이 (Effective Conjugation Length)가 바뀌면서 발현되는 시인특성의 색상이 달라지는 메커니즘을 응용한 기술로 이러한 현상을 다양한 메탈 이온 종류에 따라서 분석하였으며 여러 방법의 코팅 어 플리케이션 공정 기술에 적용하여 실제적인 응용 실험을 수행하여 발표하였다 (Fig. 8)[21,22].
한국화학연구원에서는 유해화학물질 저장용 용기 또는 탱크, 이송 파이프 등에서 발생할 수 있는 미세 크랙 (Crack) 등의 손상 등을 미리 모니터링 하고 신속한 후속 대응 조치를 취할 수 있는 시간을 부여하기 위한 재난방지 목적으로 화학물질 누출과 물리적 자극에 의한 미세 손상 크랙을 스스로 진단 할 수 있는 다중 자가보고 시스템을 개발하였다. 자가보고 코팅 소재 내부에 티몰블루 (Tymol Blue) 가변 지시약을 응용하여 산염기에 대한 pH 변화 감지를 통해 시인적인 자가보고 색상 변화를 구현하였으며 테트라페닐에탄을 이용한 마이크로캡슐을 통해서 물리적 손상을 감지하는 기술을 개발하였다 (Fig. 10)[24].

후속연구

스마트 지능형 자가보고 코팅 기술은 고분자 기반의 코팅 소재 기술의 차세대 주력 분야로 과학기술계 및 산업계에서 향후 미래의 핵심기술로 매우 관심이 높은 기술 분야로서 스마트 자가보고 코팅 기술의 본격적인 상용화를 위해서는 물리적⋅화학적 내구성과 내후성, 내화학성 등을 높이는 동시에 자가보 고 기능의 핵심인 시인성 향상을 통해 우수한 기계적 물성과 자가보고 성능을 동시에 보유 및 제공할 수 있는 코팅 소재 차원의 집중적인 연구가 필요하며 아울러 코팅 어플리케이션 공정화 기술로의 집중적인 연구가 진행되어야 하며 이를 통해 선진화된 미래 시장 대응형 기술적 가치를 선점하는 노력이 시급히 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자가보고 코팅 소재는 무엇인가?	이러한 스마트 코팅 기술 중에서 자가보고 코팅 소재 (Self-reporting Coating)는 자극-응답 소재가 외부 자극에 대한 반응으로 형광 및 색상 변화를 통해서 코팅 상태를 시각적인 시인 특성으로 보여주는 지능형 소재를 총칭하며, 스마트 자가보고 기능을 구현하기 위한 외부적인 자극의 종류로 크게 기계적 자극 (Mechanical Stimuli) 및 화학적 자극 (Chemical Stimuli), 열적 자극 (Thermal Stimuli) 등으로 분류하고 있으며 두 가지 종류 이상의 다양한 외부 자극 (Multiple Stimuli)에 동시에 반응하는 자가보고 코팅 기술도 해외선진국을 중심으로 집중 개발 중에 있다. 본 총설에서는 이러한 기술적 중요성 및 미래 산업에서의 필요성 등으로 자가보고 코팅 기술에 대해 알아보고 향후 기술개발 방향 등을 선행 연구 자료를 통해 그 이해의 폭을 넓혀보고자 한다.
	메커노포어 기반 자가보고 코팅 기술은 어떠한 방식을 의미하는가?	외부에서의 기계적 힘 등에 의해 반응하여 자극 감지되는 메카노포어 화학유도체를 응용한 자가보고 코팅 기술은 스파이로파이란 (Spiropyran) 및 디아릴바이 벤조퓨라논 (Diarylbibenzofuranone, DABBF) 등의 동적 공유결합을 활용하여 물리적 자극에 의해 유기화합물의 구조변화를 만들고 그것이 색상 변화 등으로 표현되어 시인적으로 물리적 변화에 대한 자극을 감지하는 방식을 의미한다. 이러한 메커노포어 기반 자가보고 코팅 기술의 우수성은 가역적 결합을 사용하였기 때문에 외력이 없어진 후 충분한 시간이 부여되면 다시 기존의 결합으로 돌아오는 성질을 보유하여 자가치유 시스템으로도 함께 응용이 가능한 기술이다
	자극-응답형 소재는 어떠한 스마트 기능을 코팅 소재에 부여할 수 있는가?	최근에는 스마트 고분자 기술을 바탕으로 지능화된 코팅 소재로의 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며 특히 자극-응답 고분자 (Stimuli-responsive Polymer)를 응용한 스마트 코팅 기술 (Smart Coatings Technologies)에 대한 연구가 과학계는 물론 산업적인 차원에서 커다란 관심을 불러 일으키고 있다. 이러한 자극-응답형 소재는 약물전달 (Drug-delivery) 및 자가치유 (Self-healing), 자가보고 (Self-reporting), 자가감응 (Self-stimuli) 등의 새로운 스마트 기능을 코팅 소재에 부여할 수 있어 미래형 고부가가치 제품에 폭넓게 응용이 가능하여 향후 4차 산업혁명을 선도할 주도적인 코팅 소재 기술로 각광을 받고 있다[1,2]

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