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형상기억 폴리머 ‘다이어리’의 특성과 응용
1. 머리말
미쓰비시중공업이 개발한 폴리우레탄계 형상기억 폴리머 다이어리는 투명하고 성형성이 좋고 유리전이온도(이하 Tg라 한다)를 자유로이 설정할 수 있는 등의 특징외에 광학적 성질이나 수증기 투과성이 Tg의 상하에서 다른 항혈전성에 뛰어난 등의 특성을 갖고 있기 때문에 광범위한 분야에서의 응용전개가 적극적으로 시도되고 있다.
이 보고서에는 이 폴리우레탄계 형상기억 폴리머에 대하여 기본적인 모든 특성을 소개하고 나아가 그들의 성질의 응용예에 대하여 기술함과 동시에 이 폴리머 응용예의 하나인 가전제품 IT관련제품의 해체를 용이하게 하는 나사의 개발에 대하여 기술한다.
2. 이 폴리머의 종류와 형태
이 폴리머에는 폴리우레탄계 고분자 재료의 배합에 의하여 조성이 다른 에테르계와 에스테르계의 두종류가 있다. 두 재료에 대하여 Tg가 -40~120℃의 범위에서 설정이 가능하다.
이 폴리머의 주된 형태와 특징은 표1과 같다. 표1에 나타내는 바와 같이 목적에 따라 각종 형태의 시료가 사용될 수 있다.
3. 재료의 특성
3. 1 탄성률
이 폴리머의 탄성률과 온도와의 관계를 모식적(模式的)으로 그림1에 나타낸다. 그림에 나타내는 바와 같이 Tg 전후의 온도에 있어서 탄성률은 크게 달라진다. Tg이하의 온도에서는 에너지 탄성 때문에 탄성률이 높아지고 Tg이상의 온도에서는 비정상(非晶相)의 미크로브라운 운동에 기인한 엔트로피탄성 때문에 탄성률이 낮아진다. 동적점탄성시험(動的粘彈性試驗)에 의하여 구한 저장탄성률 G 는 Tg 이하의 온도에서는 약 lOOOMPa Tg 이상의 온도에서는 약 3~6MPa이다. 따라서 Tg 전후의 온도에 있어서의 G 의 비율은 약 200이어서 대단히 크다.
3. 2 형상회북성과 형상고정성
T>Tg의 고온에서는 이 폴리머는 작은 응력으로 쉽게 변형한다. 이 경우 최대 뒤틀림을 일정하게 구속하고 Tg>T의 저온까지 냉각하면 열수축에 대한 저항으로써 응력이 증가한다. 이것은 회복응력이라 하여 부하시의 응력의 약 2배의 크기가 된다. 이 상태로부터 저온인 채로 제하(除荷)하면 고탄성률 때문에 최대 뒤틀림과 거의 같은 잔류 뒤틀림이 얻어진다.
이 성질은 형상고정성이라고 한다. 이 저온 상태에서는 탄성률 및 항복응력이 함께 높으므로 탄성범위 안에서 큰 하중을 받을 수 있다. 저온 제하의 상태에서 무부하 하에서 T>Tg까지 가열하면 뒤틀림은 소멸하고 재료는 원래의 형상으로 돌아온다. 이 성질을 형상회복성이라고 한다. Tg=45℃의 에테르계 폴리우레탄에 대하여 65℃의 고온에서 부하하고 최대 뒤틀림 100% 일정에서 25℃의 저온으로 하고 저온인채로 제하하고 무응력 하에서 65℃에 가열하는 조작을 10회 반복한 경우의 응력- 뒤틀림의 곡선을 그림 2에 나타낸다.
3. 3 수증기 투과성
이 형상기억 폴리머의 박막(薄膜)에 대하여 수증기 투과율과 온도와의 관계를 그림3에 나타낸다. 그림3에서 알수 있는 바와 같이 수증기 투과율은 Tg 이하의 온도에서는 작고 Tg 이상의 온도에서는 대단히 크다. 이것은 수증기분자의 평균 지름이 3.5Å로 작고 Tg 이상의 온도에서는 비정상(非晶相)의 분자쇄의 운동성이 미크로브라운운동에 기인하여 향상하기 때문에 물의 분자가 통과하기 쉽게 되는 것에서 생긴다.
3. 4 체적팽창 특성
체적팽창률과 온도와의 관계를 모식적으로 나타내면 그림4와 같이 된다. 체적팽창률은 Tg 이하의 온도에서는 작고 Tg 이상의 온도에서는 커진다. 따라서 재료의 변형을 구속한 상태에서 가열하면 큰 힘이 발생하는 것이 된다. 이 성질을 이용하면 온도센서 혹은 압력발생기로서의 폴리머 소자의 응용이 가능하다.
3. 5 에너지 산일(散逸)특성
Tg=318K(45℃)의 에테르계 형상기억 폴리머에 대하여 동적점탄성시험의 승온과정에서 얻어진 손실정접(損失正接) tanδ 와 온도와의 관계를 그림5에 나타낸다. 그림5에는 저장탄성률 G 의 값도 동시에 나타내고 있다. 그림5에서 알 수 있는 바와 같이 tanδ는 Tg 부근의 온도에서 급격하게 커지고 Tg=318K(45℃)에서는 약 1이다. tanδ는 G"/G(손실탄성률 G"와 저장탄성률 G의 비)로 정의되고 변형중에 열로서 산일되는 에너지량의 기준이 된다. 전이영역 이외의 온도에서는. 분자쇄의 운동성은 거의 균일하기 때문에 G와 G"의 값은 일정하고 그 비인 tanδ 도 일정하다. 전이영역에서는 분자쇄가 미크로브라운운동을 개시함으로써 G는 급격히 내려가고 tanδ는 피크를 나타낸다. 특히 이 폴리머에서는 Tg영역이 좁기 때문에 tanδ는 크다.
한편 전이영역에서의 tanδ의 값은 인간의 피부의 tanδ 약 0.5에 가깝다. 따라서 응용에 있어서 이 폴리머를 손으로 접촉하는 부분에 이용하면 접촉한 경우에 위화감이 적다.
3. 6 광학적 굴절5 특성
광학적 굴절률과 온도와의 관계를 모식적으로 나타내면 그림6과 같다. 그림6에 나타나는 바와 같이 광학적 굴절률은 Tg 이하의 온도에서는 크고 Tg 이상에서는 감소한다. 따라서 온도에 의존하여 변화하는 광학적 굴절률의 성질을 이용하면 온도 센서로서의 응용이 가능하다.
3. 7 그 밖의 성질
이 폴리머에서는 위의 특성 이외에도 Tg를 경계로 한 분자쇄 운동성의 차이에 기초하여 유전률이 Tg의 위 아래의 온도에서 크게 변화하는 것이 분명하게 되어 있다. 또 폴리우레탄은 혈전성(血栓性)에 뛰어나고 생체 적합성이 좋기 때문에 의료재료로서의 성능이 뛰어나다.
이 폴리머는 새로운 재료로써 지금까지 밝혀진 이들 특성외에 여러 가지의 성질을 가지고 있을 가능성을 생각할 수 있다. 이들 기능의 발굴과 그들의 특성을 이용한 용도 개발이 진행되고 있다.
4. 응용
이 폴리머의 특성과 대응하는 응용 예를 나타내면 표2와 같다. 이하 대표적인 응용 예를 분야에 따라 순차적으로 설명한다.
4. 1 산업분야
엔진용 오토초크 엘리멘트를 그림7에 그리고 그 작동원리를 그림8에 나타낸다.
저온일때 폴리머는 딱딱하고 막대기상 그대로이다. 엔진이 따뜻해오면 공기가 도입된다. 필요한 공연비(空煙比)가 자동적으로 얻어진다.
형상회복성 및 회복력을 이용한 예로서는 각종의 체결요소가 있다. 특히 이 폴리머의 나사는 가전제품 IT관련제품의 이해체용(易解軆用)으로서 주목되고 있다.
또한 에너지 산일성(散逸性)을 이용한 예로서는 방진(防振) 내진(耐震) 흡진(吸振)재료로서의 응용이 공업분야 및 건설분야에서 검토되고 있다.
4. 2 의료분야
폴리우레탄은 항혈전성에 뛰어나고 생체적합성이 좋으므로 의료분야에서의 응용이 특히 기대되고 있다. 생체안에서 조작하는 의료용 카테테르는 이 폴리머가 고온에서는 부드러워 환자에게 고통을 주지 않는 이점을 가지고 있기 때문에 뛰어난 성능을 가진 재료로서 응용이 진행되고 있다.
또 항혈전성에 뛰어나므로 인공혈관이나 인공근육으로서의 응용도 생각할 수 있다.
그림9에는 이 폴리머를 사용한 신체장애자용 스푼과 포크의 손잡이를 나타낸다.
이것은 고온에서 각자가 손의 형상에 맞추어 변형시켜 그대로 저온에서 고정시킴으로써 쥐는 힘이 없는 사람이라도 스푼을 잡을 수가 있는 것이다.
이 외에도 마스크의 심재(芯材)로 응용되고 있다. 또 정형외과 혹은 치과에서의 응용도 검토되고 있다. 또한 수증기 투과성과 에너지 산일성 및 저장성을 이용하여 붕대나 서포터 및 인공피부에의 응용도 생각된다.
4. 3 생활 관련
형상기억 필름은 접지 포장지 명함 등에 사용되고 있다. 형상기억 스트로는 찬 음료를 마실 때에 자유로운 형상으로 고정시킬 수가 있고 실온(室溫)이 되면 원래대로의 형상으로 돌아온다. 또 각종의 완구로도 응용되고 있다.
또. 마이크로비즈를 이용한 도료나 화장품에의 응용도 검토되고 있다. 화장품에 있어서는 이 폴리머의 tanδ가 인간의 피부의 tanδ에 가깝고 위화감이 없는 것을 이용하고 있다. 같은 특성을 이용하여 가정용품이나 기계부품 등에 있어서 손으로 잡는 부분의 커버에의 응용도 행하여지고 있다.
한편 형상기억성 에너지 저장성 및 산일성에 뛰어나기 때문에 신창•구두 안창에의 응용도 기대된다. 또 고온에서의 수증기 투과성이 뛰어나기 때문에 구두의 안감 재료로 쓰여지고 있고 또한 구두의 커버로서의 이용도 생각할 수 있다.
4. 4 옷감
그림10은 운동복에 이 폴리머를 응용한 것이다. 이것은 이 폴리머의 수증기 투과율의 온도 의존성을 이용한 것이다. 운동 전이나 운동시작 직후의 몸이 아직 따뜻해지지 않았을 때는 따뜻하고 운동중이나 운동 직후의 땀이 많이 난 상태에서는 습기를 투과시키는 기능을 비약적으로 높여 습기가 차기 어려운 상태를 만든다. 또 방수성이 뛰어나므로 야외에서의 일기에 관계없이 사용할 수 있다. 따라서 운동복 야외복으로서 요구되는 최적의 기능을 갖추고 있다. 이러한 성질을 이용한 기저귀 커버로서의 응용도 행하여지고 있다.
4. 5 풀기 쉬운 나사
열을 가하면 형상이 고정되는 이 폴리머의 성질을 이용하여 나사의 개발에 세계 에서 처음 성공하였다. TV 에어컨 등의 가전제품이나 휴대전화 등의 IT기기용으로 개발되었다. 그림11에 이 나사의 작동원리를 나타내지만 가열에 의하여 쉽게 나사의 조임이 풀어져 해체하기가 용이하게 된다.
4. 6 기타
3장에서 기술한대로 이 폴리머는 종래의 재료에는 없는 각종 특성을 가지고 있으므로 광범위한 분야에서의 응용이 기대된다. 예컨대 온도변화가 생기는 장소에서는 온도센서나 압력발생소자로서의 이용이 가능하다. 또 뒤틀림 에너지의 산일성 및 회복성을 이용하면 방진소자(防振素子) 혹은 에너지 저장소자로 웅용할 수 있다.
5. 맺는 말
이 보고서에서는 폴리우레탄계 형상기억 폴리머의 특성과 응용에 대하여 요점을 소개하였다. 이 폴리머는 여러 가지의 특징있는 기능을 가지고 있지만 재료의 실용화 연구가 진행된 지 햇수가 얼마되지 않았고 그 기능의 모든 것이 밝혀지지 않은 것이 현실이다. 따라서 다른 기능의 발굴과 용도개발이 지금부터의 과제이다. 많은 분들이 이들 특성에 착안하여 그 응용범위를 넓혀갈 것을 기대하고 싶다. 한편 실용화에 있어서는 일반적인 신소재와 마찬가지로 모든 기능외에 내구성이나 환경적합성 등의 기본적인 성질을 나타내는 데이터의 축적이 중요하다. 그리고 폴리머 소자를 설계하고 소자 기능의 신뢰성을 평가하기 위하여는 특성의 평가법 의 확립도 필요하다.
현재 이 형상기억 폴리머는 주식회사 디아프렉스에서 다방면에 걸쳐 사업을 추진하고 있다.
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회사소개
06년 12월 21일
9016
