[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전 세계 인구와 생활 수준의 상승으로 인해 폐기물 처리는 지속 가능한 환경을 위한 필연적이고 중요한 문제가 되었다. 생산 폐기물의 양을 줄이는 것은 중요하며, 마찬가지로 재활용 과정은 추가적인 환경 오염과 경제 비용을 줄이기 위해 필수적이다. 효과적인 재활용 과정을 위해서는 다양한 종류의 재료 간에 분해 작업이 중요하다. 분리 과정에서는 보통 제품 포장과 조립에 널리 사용되는 감압점착제를 제거해야 한다. 그러나 점착제 제거 시 독성이 강한 용매(산성, 유기성 등)를 사용하여 환경 오염을 일으키는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 용매를 사용하지 않고 제거할 수 있는 기능성 접착제가 큰 관심을 받고 있으며, 하나의 방법은 자극 반응성 고분자의 특성을 활용하여 스마트 감압점착제(PSA)를 제작하여 사용하는 것이다. 이러한 스마트 감압점착제로 활용되기 위해서는 초기 강한 접착력 유지 (외부 자극 없을 때), 큰 폭으로 접착력 감소 (외부 자극 시), 가역성을 갖추어야 하며 기술적으로 어려운 실정이다.

2. 연구내용

본 연구에서는, 열 반응성 단량체를 도입하여 스마트 감압점착제를 설계하였다. 단량체의 비율을 조절하여 초기 접착력과 열 반응성을 부여하여 용도에 맞게 디자인 가능하다.

개발된 감압점착제는 평소에는 우수한 접착력을 유지하다가 온도에 반응하여 97% 접착력 감소로 쉽게 제거 가능함을 확인하였다. 또한, 가열/냉각 반복되는 과정에도 가역적인 접착력 전환을 보였다. 연구팀은, 가역적인 접착 전환 메커니즘이 분자내/분자간 수소결합에서 기인하였음을, 온도 별 표면 (물 접촉각), 유변학적, 마이크로 스케일에서 잔여물 (SEM EDS) 분석을 통해 확인했다.

3. 기대효과

감압점착제의 응용분야가 넓은 만큼 폐기물의 값 비싼 재료를 손상 없이 회수하여 재사용 하여 경제성을 높일 뿐만 아니라 재활용 공정을 통한 폐기물을 줄여 친환경 사회에도 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

[붙임] 용어설명

1. 자극 반응성 고분자 (Responsive Polymer or Smart Polymer)

특정 외부환경의 자극에 반응하여 형상 또는 물성을 변화시킬 수 있는 고분자를 의미한다. 이러한 반응을 외부자극에 적응하는 지능적 거동이라고도 하여 스마트 고분자라고도 한다. 외부자극에는 온도, 습도, 전기장, 자기장, 빛 등 매우 다양한 에너지원이 포함된다.

2. 감압점착제 (Pressure Sensitive Adhesives, PSA)

접착면과 접착시키기 위해 가벼운 압력을 가했을 때, 접착 물질이 작용하는 소재를 말한다. 제거 시 잔여물이 남지 않는 특징이 있으며 대표적으로 포스트 잇 (3M) 제품이 있다.

3. 물 접촉각 (Water Contact Angle, WCA)

소재 표면에 물을 떨어뜨려 형성되는 물방울과 소재 표면이 이루는 각을 측정하여 소재 표면의 친수성 및 소수성을 평가하는 방법

4. 유변학적 특성 (Rheological property)

점탄성 고분자 소재가 힘이나 에너지에 대하여 반응하는 탄력, 변형, 유동 등의 다양한 특성을 말한다.

5. 주사형 전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)

가느다란 전자빔을 시료 표면에 주사시켜 2차 전자를 발생하게 하여 입체감 있는 시료의 표면상을 얻기 위한 장치

6. 에너지 분산형 X-선 분광법 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)

시료에서 방출되는 특성 X-선을 검출하여 물질의 화학적 조성을 분석하는 기법

[붙임] 그림설명

그림1. 감압점착제의 분자구조 및 온도 반응에 따른 접착 특성 결과

(a) 감압점착제의 분자구조, (b) 열 반응성 단량체 함량 증가에 따라 접착력 증가 확인 및 기존 상용화 감압점착제 제품과 비교했을 때 우수한 접착 특성, (c) 다양한 기판에서도 우수한 접착특성으로 활용분야가 넓을 것으로 기대됨, (d) 기존의 점착제의 경우 열 자극에 반응하여 55.5%의 접착력 감소로 고온에서도 강한 접착력으로 제거가 어렵다. 하지만, 개발된 점착제의 경우 97%의 접착력 감소로 낮은 접착력으로 인해 쉽게 제거 가능함.

그림2. 기존 점착제와 개발된 점착제의 접착 전환 특성 평가 실험 모식도 및 결과 비교

기존의 점착제의 경우 온도 반응성을 보이지 않았으며 가열/냉각 사이클이 진행됨에 따라 불안정한 접착 특성을 보였다. 반면에, 개발된 점착제의 경우 온도 반응에 따라 뚜렷한 접착 전환 특성을 보였으며 가열/냉각 사이클 반복에도 안정된 접착 특성을 유지하였다.

그림3. 개발된 점착제의 열 반응 접착 전환 특성 메커니즘 모식도

개발된 점착제의 경우, 외부 온도 자극에 반응하여 가역적인 접착 전환 특성을 보이며 상온에서는 아마이드기와 기판과의 수소결합으로 인해 접착 상태를 유지하고 고온에서는 고분자 사슬내에서 아마이드기의 분자내 및 분자간 수소결합으로 인해 이소프로필기가 외부로 노출되어 기판과의 수소결합 사이트가 줄어들어 접착력이 감소한다.