보도자료

2024. 7. 12.(금)부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘가볍고 단단한 소재’ 짧은 곁가지 고분자 특성 밝혔다

UNIST 연구팀, 고분자 구조와 거동 분석해… 산업적 응용 가능성 제시
짧은 곁가지 고분자, 필름과 접착제 등 다양한 고분자 재료 성능 향상

짧은 가지가 달린 고분자의 특성을 체계적으로 분석한 연구 결과가 나왔다. 고분자 재료의 성능을 높여 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다.

UNIST(총장 박종래) 에너지화학공학과 백충기 교수팀이 짧은 가지가 달린 고분자의 얽힘과 거동을 분석해 다양한 산업적 응용 가능성을 제시했다. 분자 수준에서 고분자의 구조적 거동을 이해하고, 이를 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 상세히 밝혀냈다.

짧은 가지가 달린 고분자는 기존의 선형 고분자와 다른 독특한 특성을 지닌다. 이를 체계적으로 분석해 고분자가 포장재, 전자 장치, 자동차 부품, 의료 기기 등에서 탁월한 성능을 발휘할 것으로 전망했다.

선형 고분자보다 밀집된 사슬 구조로 더 큰 동적 저항을 나타냈다. 특히 짧은 가지의 무작위 움직임과 저항성이 향상된 체인 구조로 더 가볍고 단단한 포장재를 개발할 수 있다.

연구팀은 2~6개의 짧은 가지를 가진 작은 분자들을 분석했다. 기존 연구들이 주목하지 않던 분야로, 고분자가 압력을 받을 때 짧은 가지가 달린 고분자가 어떻게 반응하는지를 규명한 것이다.

짧은 가지가 달린 고분자는 여러 가닥의 실이 얽힌 모습과 비슷하다. 긴 털실 덩어리 사이에 작은 가닥들이 삐져나온 것과 같다. 이러한 구조는 고분자의 특성을 변화시켜 더 견고하고 탄력 있게 만들며, 고분자의 저항성을 높인다.

제1저자 최동훈 연구원은 “짧은 가지가 달린 고분자 유변학과 모델링의 새로운 방향을 제시했다”며, “독특한 고분자의 특성을 산업에 활용하면 비용 절감과 효율성 증대를 기대할 수 있다”고 설명했다.

백충기 교수는 “고분자 재료의 성능을 높이면 물류비 절감과 환경 보호에 도움이 될 수 있다”며, “다양한 형태의 포장재 디자인이 가능해져 제품 보호와 미적 가치를 동시에 높일 수 있다”고 말했다.

본 연구 결과는 미국 유변학회(The Society of Rheology)에서 발행하는 고분자 유변학 분야 최고 권위있는 저널인 Journal of Rheology에 2024년 6월 4일 온라인으로 게재됐고, 저널의 주요 논문(Featured article)으로 선정됐다. 연구는 산업자원통상부와 UNIST 슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

(논문명: Structural, topological, and rheological characteristics of entangled short-chain branched polymer melts under shear flow in comparison with the linear analog)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

에너지화학공학과: 백충기 교수 (052)217-2538

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[붙임. 연구결과 개요]

1. 연구배경

고분자의 다양한 물리화학적 특성은 화학적 구성 및 분자 구조와 관련하여 포장재, 전기 및 전자 장치, 자동차 부품, IT 부품, 헬스케어 등 다양한 산업에서 활용되고 있다. 고분자 유체의 독특한 특성은 단량체 유체에는 없는 내부 미세 구조의 다양성에서 비롯된다. 고분자 사슬의 특정 미세 구조는 고분자 재료의 구조적, 동역학적, 유변학적 특성의 근간이 되기 때문에 이러한 고분자 시스템에서 나타나는 거시적 특성과 현상을 체계적으로 이해하려면 다양한 외부 조건에서 고분자의 구조적 거동에 대한 분자 수준의 지식이 필요하다. 기본적인 분자 구조는 선형 고분자, 긴 가지가 달린(long-chain branched)2) 고분자, 짧은 가지가 달린(short-chain branched)3) 고분자로 나눌 수 있다. 선형 및 긴 가지가 달린 고분자의 일반적인 특성은 많은 이론, 수치 및 실험을 통해 연구되었다. 이에 비해 짧은 가지가 달린 고분자는 액정 보호 필름, 접착제, 여러 첨가제 등 다양한 응용 분야에서 사용되지만 왜 이러한 성질을 나타내는 지에 대한 연구는 상대적으로 부족하고, 근본적인 특징이 다소 불분명하다. 또한, 짧은 가지가 달린 고분자의 가지(branch)1)는 너무 짧아서 기존 엔트로피 기반 고분자 이론과 모델을 적용하기 어렵다. 그래서 짧은 가지가 달린 고분자는 짧은 가지가 일반적인 고분자 물질의 구조 및 유변학적 영향이 사실상 무시할 수 있는 수준이라고 가정하여 선형 고분자와 유사한 특성을 갖는 것으로 간주되어 왔다. 최근 우리 연구실에서는 선형 고분자와 비교하여 얽히지 않은(unentangled)4) 짧은 가지가 달린 고분자의 구조적, 역학적 특성을 밝혔다. 따라서, 이 연구의 연장선상에서 실제 응용에 적용할 수 있는 가까운 짧은 가지가 달린 얽힌(entangled)5) 고분자 물질의 연구를 진행한다.

2. 연구내용

본 연구팀은 전단 흐름(shear flow)6) 하에서 얽힌 선형 폴리에틸렌 용융체(melt)7) 시스템을 비교함으로써 실제 응용에 적용할 수 있는 가까운 짧은 가지가 달린 얽힌 폴리에틸렌 용융체 시스템을 비교함으로써 구조, 역학적, 유변학적 거동에 미치는 영향에 대해 엄밀한 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션으로 상세한 수치적 분석을 제시한다. 얽힌 선형 폴리에틸렌 용융체 시스템과 비교할 때, 짧은 가지가 달린 얽힌 폴리에틸렌 용융체 시스템은 모든 전단 흐름 강도에서 선형 유사체와 비교하여 더 컴팩트한 사슬 구조와 더 큰 동적 저항을 나타낸다. 이러한 특성은 짧은 가지가 달린 폴리에틸렌의 선형구조와 짧은 가지가 만나는 분기점(junction point)8) 주변에 있는 선형 구조의 원자의 비틀림 제한으로 인한 체인의 구조적 및 동역학적 저항 증가와 짧은 이완 시간을 통한 짧은 가지의 빠른 무작위 브라운 운동에서 비롯된다. 뿐만 아니라, 짧은 가지가 달린 폴리에틸렌의 크기와 정렬 및 세부적인 분포, 위상학적 특성, 전단 유동 하 점성, 사슬 회전 메커니즘, 유동 복굴절 등 다양한 구조적 및 유변학적 특성을 분석한다. 이러한 개별 특성에 의해 드러나는 짧은 가지가 달린 폴리에틸렌 용융체의 독특한 물리적 특성은 짧은 가지의 근본적인 구조적 및 동역학적 역할을 기반으로 일관되게 이해할 수 있다.

3. 기대효과

본 연구에서는 짧은 가지가 달린 얽힌 고분자의 기초적인 이론을 시뮬레이션으로 구현하여 짧은 가지가 달린 얽힌 고분자의 구조적, 유변학적 등 여러 특성을 연구한다. 이 연구를 통해 짧은 가지가 달린 고분자의 응용에서의 분석과 이해 및 성능 향상하는 방법에 큰 기여를 할 수 있고, 고분자 유변학과 모델링에 대해 짧은 가지가 달린 고분자의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임. 용어설명]

1. 가지 (branch)

고분자의 주 사슬에 달린 사이드 사슬

2. 얽히지 않은 (unentangled)

고분자의 주 사슬이 짧아서 사슬 얽힘(chain entanglement)9)이 나타나지 않는 것

3. 얽힌 (entangled)

고분자의 주 사슬이 사슬 얽힘이 나타날 만큼 길어서 사슬 얽힘이 나타나는 것

4. 전단 흐름 (shear flow)

묽은 액체가 흐르는 방향과 수직인 힘을 받을 때의 속도장

5. 용융체 (melt)

물질이 용매 없이 순수하게 액체 상태로 존재하는 것

6. 분기점 (junction point)

고분자의 주 사슬과 사이드 사슬이 이어져 있는 부분

7. 사슬 얽힘 (chain entanglement)

고분자 사슬 간 물리적으로 서로 얽혀있는 상태

[붙임. 그림설명]

그림. 전단 흐름에 따른 얽힌 선형 고분자와 얽힌 짧은 가지가 달린 고분자의 변화

(a) 전단 흐름에 따른 고분자들의 구조적 특성 변화 (b) 전단 흐름에 따른 고분자들의 유변학적 특성 변화

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