생기원, 긁힘에도 10초 이내 복구되는 자가치유 코팅 소재 개발

국내 연구팀이 반복적인 긁힘과 접힘 환경에서도 표면성능을 스스로 회복할 수 있는 고경도 코팅 소재 기술을 개발했다.

한국생산기술연구원은 생기원 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원과 한양대학교 화학공학과 고민재 교수 공동 연구팀이 손톱이나 동전으로 긁어도 흠집이 나지 않고 상온에서 10초 이내에 긁힘이 복구되며 20만 회 이상 접어도 손상없는 코팅 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

폴더블 디스플레이 표면은 외부와의 접촉이나 반복적인 접힘으로 인해 쉽게 눌리거나 긁힘이 발생한다.

이러한 손상이 누적되면 화면의 선명도가 낮아지고 터치 감도가 둔해져 제품 품질에 영향을 줄 수 있다.

그런데 기존 디스플레이 표면 코팅은 표면을 단단하게 만들수록 손상 후 스스로 회복하는 능력이 떨어지고 반대로 자가치유 성능을 높이면 긁힘에 대한 보호 기능이 제한되는 한계를 안고 있다.

공동연구팀은 이러한 트레이드 오프(Trade-off) 현상을 해결하기 위해 코팅 소재에서 표면과 내부의 역할을 분리하는 새로운 설계 방식을 도입했다.

먼저 표면으로 이동하려는 성질과 내부 고분자 사슬 간 상호 작용을 동시에 갖도록 설계한 이미드(Imide) 기반의 첨가제를 개발한 후 이를 기존 코팅 재료와 소량 혼합해 새로운 코팅 소재를 만들었다.

개발된 첨가제는 코팅막이 굳어지는 과정에서 물 위의 기름처럼 스스로 표면 쪽으로 이동하며, 나노미터 크기로 뭉쳐 표면과 내부 성질이 다른 구조를 형성한다.

공동연구팀은 이 과정에서 나타난 특성을 통해 표면 보호 기능과 자가치유 기능을 동시에 구현하는 데 성공했다.

코팅 표면에는 뭉쳐진 첨가제가 화학 물질과 잘 섞이지 않는 구조를 띠며 단단한 보호층을 이루기 때문에 긁힘 등 외부의 물리적 자극이나 화학 물질 노출로 인한 손상을 막아준다.

또한 코팅 내부는 첨가제와 고분자 사슬이 강하게 상호작용하는 상태가 유지돼, 긁힘으로 벌어진 구조를 안쪽부터 메우며 상온에서도 표면의 흠집을 빠르게 회복시킨다.

개발된 코팅 소재는 자가치유 및 표면 보호 성능, 반복 굽힘 내구성, 화학적 안정성을 동시에 갖춘 것으로 나타났다.

연필 경도 시험(Pencil Hardness Test) 결과 4H 수준으로, 손톱이나 동전 등의 물질에 쉽게 긁히지 않고, 코팅 표면에 형성된 긁힘도 상온에서 약 10초 이내에 사라지는 것을 확인했다.

접힘 반경 1.5㎜ 조건에서 20만회 이상 굽힘 시험을 반복하고 톨루엔(Toluene)에 18시간 이상 담가두는 내화학성 시험에서도 균열이나 박리, 투명도 저하 없이 성능이 유지됐다.

개발된 첨가제는 특히 소량만 추가하면 되기 때문에 별도의 설비 투자나 공정을 변경하지 않고 기존 코팅 생산 공정을 적용할 수 있다는 장점이 있다.

또한 유리, 플라스틱 등 다양한 소재의 기판에 코팅할 수 있어 여러 형태의 표면 보호 코팅 공정에 폭넓게 적용할 수 있다.

홍성우 수석연구원은 “이번 연구는 높은 경도, 자가치유 기능, 유연 신뢰성을 동시에 구현했다는 점에서 의미가 크다”며 “특히 기존 생산 공정에 첨가제만 추가하면 구현할 수 있어 폴더블 디스플레이는 물론 자동차, 고부가 전자제품 등 다양한 표면 보호 코팅 분야로 활용할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 2025년 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 12월 온라인판에 게재됐다.

천안=박희윤 기자 hypark@sedaily.com
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