연구 이미지.(사진=부산대 제공)

부산대학교와 KIST 공동연구팀이 극한 충격 시 에너지를 효과적으로 흡수하는 새로운 고분자 재료의 원리를 규명했다.

부산대학교는 고분자공학과 이재준 교수 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원) 김태안 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 금속-리간드 간 분자 결합이 아주 빠르고 강한 충격(고변형률 응력파)을 받으면 금속-리간드의 최대 결합 변형률이 낮은 결합이 선택적으로 끊어지며, 이 과정에서 충격 에너지를 흡수하고 흩어지는 현상을 실험과 시뮬레이션을 통해 입증했다고 7일 밝혔다.

해당 연구 결과는 고분자 재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 'Polymer Testing' 9월호에 게재됐다. 이 저널은 2024년 기준 Materials Science(재료과학), Characterization & Testing(특성화 및 테스트) 분야 1위 및 Elsevier(엘스비어) 상위 1% 저널(JIF Percentile 98.6%)이다.

현대사회는 고속 이동체의 확산, 무인항공기와 위성의 상용화, 우주 탐사 임무의 증가, 국가 간 군사적 긴장과 테러 위협 고조 등으로 인해 초고속 충격이나 폭발 상황에 노출되는 빈도가 점차 증가하고 있다. 이러한 환경에서는 106/s 에 달하는 고변형률 응력파(high strain rate stress wave 또는 충격파 shockwave)가 순간적으로 재료에 전달되며, 기계적 손상뿐 아니라 인명 피해, 정보 손실, 시스템 마비 등 복합적 위험을 유발할 수 있다.

이에 따라, 충격파를 능동적으로 흡수하거나 효과적으로 분산시키는 소재 기술은 미래 사회의 안전과 지속 가능성을 위한 핵심 기술 영역으로 주목받고 있다. 단순한 기계적 강도뿐만 아니라, 극한 응력 하에서 에너지를 소산시키는 ‘스마트한 재료 반응성’이 요구되며, 이번 연구는 바로 이러한 요구에 대한 과학적 해답을 제시하고 있다.

연구팀은 고속 충격 환경에서 고분자 내부의 특정 결합, 특히 금속-리간드 간 정사각형 평면 구조(square planar configuration)가 낮은 결합 변형률로 인해 응력에 집중적으로 반응하며 선택적으로 해리(解離)되고, 이 과정이 전체 시스템의 에너지 소산(dissipation)에 결정적인 역할을 한다는 사실을 실험과 계산을 통해 입증했다.

이를 위해 레이저 유도 충격파 실험으로 매우 짧은 시간 동안 발생하는 고변형률 응력 환경을 구현하고, 이로 인한 재료 내 분자 구조의 반응을 추적했다. 연구팀은 응력의 경계 조건과 파동의 진행 방향에 따라 금속-리간드 결합 중에서도 리간드가 금속 이온을 중심으로 서로 반대쪽에 위치한 ‘트랜스(trans)’ 형태가 우선적으로 해리되며, 이 해리가 전체 재료 시스템의 에너지 흡수 성능을 향상시킨다는 것을 확인했다.

이번 연구의 또 다른 주목할 점은 실험에 활용된 금속-리간드 기반 고분자 재료가 동적 결합의 특성 덕분에 우수한 자가치유(self-healing) 능력과 재공정성(reprocessability)을 동시에 갖춘다는 점이다. 손상 시에도 스스로 회복이 가능하며 새로운 모양의 형태로 재공정이 가능해 우주 장비, 방탄 보호 소재, 극한 기능성 코팅 등 극한 환경에서 반복적 충격을 견뎌야 하는 응용 분야에서 기존 고분자 재료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

한편 충격파는 수 마이크로초 내에 수천 배의 변형률(strain rate)을 유발하기 때문에 이러한 극한 조건에서 동적 결합의 해리 거동을 예측할 수 있는 계산적 접근이 매우 어려웠다.

이에 대해 연구팀은 레이저 유도 충격 실험 데이터를 기반으로 밀도범함수 이론 계산(DFT)을 연계하는 방식으로 해석 프레임워크를 구성했다. 이로써 실제 재료 내부에서 일어나는 결합 해리 현상을 시간·공간적으로 정밀하게 추적할 수 있었으며, 이러한 방식은 향후 금속-리간드 기반 고분자 설계에 실질적이고 재현성 있는 계산 도구로 활용 가능하다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다.

이재준 부산대 교수는 “이번 연구는 분자 단위에서 응력파의 영향을 해석하고 재료의 설계로 연결한 실험-계산 통합 사례”라며 “특히 고속 충격 조건에서 변형률 임계점(strain threshold)을 중심으로 설계된 금속-리간드 결합이 고성능 충격흡수재로 기능할 수 있다는 점을 최초로 정량적으로 증명했다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아, 부산대 고분자공학과 조승래(제1저자, 현 KAIST 신소재공학 석사과정) 학부연구생, 이혜미 석사과정생과 제시은 석사과정생, KIST 학생연구원이자 서울대 재료공학부 이주호 박사과정생, 부산대 기계공학과 배수원 교수, KIST 김태안(공동 교신저자) 박사, 연구 책임자 부산대 고분자공학과 이재준(교신저자) 교수가 주도해 수행했다.