한국생산기술연구원

긁힘에도 10초 이내 복구되는 자가치유 코팅 소재 개발

- 고경도, 빠른 자가치유, 20만 회 이상 유연 신뢰성 구현

- 첨가제만 추가해 기존 생산 공정과 호환, 대량 생산도 용이

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)과 한양대학교(총장 이기정) 공동연구팀이 반복적인 긁힘과 접힘 환경에서도 표면 성능을 스스로 회복할 수 있는 고경도 코팅 소재 기술을 개발했다.

ㅇ 생기원 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원과 한양대학교 화학공학과 고민재 교수 공동 연구팀은 손톱이나 동전으로 긁어도 흠집이 나지 않고, 상온에서 10초 이내에 긁힘이 복구되며, 20만 회 이상 접어도 손상 없는

 코팅 소재를 개발했다고 밝혔다.

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

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

ㅇ 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.

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

ㅇ 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.  

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

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

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 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. 

 * 표면을 연필로 긁는 경도 시험으로, 가장 무른 6B부터 가장 단단한 9H 단계로 나뉨 

ㅇ 접힘 반경 1.5㎜ 조건에서 20만 회 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.

ㅇ 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”고 설명하며, “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.

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

 * http://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171854