비트리머: 첨단 복합소재를 위한 재가공 가능한 열경화성 수지

복합소재 어휘에 추가할 새로운 단어가 생겼고, 이건 주목할 만합니다: 비트리머(Vitrimers). 2011년 프랑스 연구자 루드윅 라이블러(Ludwik Leibler)가 처음 발견하고 명명한 비트리머는 열경화성 폴리머에서 파생된 플라스틱의 한 클래스로, 열적으로 활성화된 결합 교환 반응을 통해 위상을 변경할 수 있는 분자적 공유 결합 네트워크로 구성됩니다. 열경화성 수지처럼, 비트리머는 특정 온도에서 가교(crosslink)되도록 제조될 수 있습니다. 열가소성 수지처럼, 높은 온도에서 비트리머는 연화되고 재성형될 수 있습니다.

최근까지 비트리머는 주로 학계와 실험실 환경에 국한되어 있었습니다. 그러나 지난 몇 년간 소수의 공급업체들이 이 소재 클래스가 여기 남아 있음을 증명하는 비트리머를 상용화했습니다. 그러한 공급업체 중 하나인 말린다(Mallinda, 미국 콜로라도주 덴버)는 비트리머 기술을 기반으로 운영과 제품을 구축하며 소재의 생존 가능성을 입증하고 있습니다.

비트리머의 탄생

말린다의 CTO 필립 테인턴(Philip Taynton)은 2014년 동급생 크리스 카퍼(Chris Kaffer, CEO)와 함께 회사를 설립했습니다. 테인턴과 카퍼는 콜로라도 대학교(UC-볼더)에서 만났는데, 둘 다 대학원 과정이었습니다. 테인턴은 화학 박사, 카퍼는 MBA를 추구했습니다. 말린다는 테인턴이 UC-볼더에서 수행한 비트리머 연구를 상용화하기 위해 만들어졌습니다. 목표는 열경화성 에폭시처럼 가공되지만 열가소성 수지처럼 재가공되는 매트릭스 수지를 개발해 시장에 내놓는 것이었습니다. 카퍼는 미국 국립과학재단(NSF)과 콜로라도 주로부터 초기 자금을 확보해 회사를 시작했습니다.

2016년, 테인턴과 카퍼는 말린다를 버클리 연구소(Berkeley Lab, 미국 캘리포니아주 버클리)의 사이클로트론 로드 프로그램(Cyclotron Road program)으로 이전했는데, 지금은 액티베이트 펠로우십(Activate Fellowship)이라 불리며, 전 세계적 영향 잠재력이 있는 프로젝트들을 발전시키기 위해 기업가적 과학자들을 돕기 위해 설계된 기술 인큐베이터입니다. 여기서 카퍼와 테인턴은 비트리머 기술을 성숙시키고 상용화 경로를 미세 조정했습니다. "펠로우십은 두 가지 핵심 방식에서 결정적이었습니다."라고 테인턴은 말합니다. "첫째, 세계적 수준의 환경에서 기술적 리스크 감소에 집중할 수 있게 해주었습니다. 둘째, 전략적 파트너, 고객, 투자자, 인재, 멘토 네트워크를 크게 확장할 수 있게 해주었습니다."

2018년, 테인턴과 카퍼는 말린다를 콜로라도로 다시 옮기고 본격적인 제품 개발과 생산을 시작했습니다. 그 과정에서 NSF, 콜로라도 주, 미국 에너지부(DOE), SABIC 벤처스로부터 시리즈 A 투자를 추가로 확보했습니다.

재가공 가능한 열경화성 수지

UC-볼더에서의 테인턴 비트리머 연구는 교환 가능한 이미노 결합(imine-linked chemical bonds)을 사용하는 수지 개발에 초점을 맞췄습니다. 이미노 결합은 화학계에서 수십 년간 잘 알려져 있지만, 물 존재 시 불안정하다는 평판이 있습니다. 테인턴에 따르면, 이미노 결합은 "탄소-질소 이중 결합으로서 매우 강하고 안정적이지만, 촉매 없이도 인근 다른 C=N 결합들과 쉽게 교환될 수 있어 매우 특별합니다. UC-볼더에서 우리가 달성한 돌파구는 완벽하게 안정한 이미노 결합 네트워크를 개발한 것입니다. 이는 전통적인 열경화성 수지의 기계적 성능과 경쟁할 뿐만 아니라, 완전히 경화된 가교 폴리머의 가역적 경화 후 처리를 가능하게 하는 새로운 화학 플랫폼의 문을 열었습니다."

또한 테인턴은 말린다의 이미노 결합 네트워크들이 상업적으로 이용 가능한 시약들로 생산될 수 있다고 지적합니다. 그런 속성에도 불구하고, 말린다 초기 제품의 "기계적 성능, 가격대, 환경 민감도, 제조 가능성 모두 복합소재 수지로서 경쟁력이 부족했습니다. UC-볼더를 떠난 이후 수년간의 개발은 이 모든 문제들을 해결하는 데 초점을 맞췄습니다. 우리는 기존 레거시 소재들과 경쟁할 수 있는 기계적으로 견고하고 다재다능한 소재 플랫폼 기술을 개발할 수 있었습니다."

테인턴은 2014년 발표한 이미노 결합 네트워크에 대한 첫 논문이 복합소재 제조용 매트릭스 수지로의 소재 적용을 예상했다고 말합니다. "잠재력은 있었지만, 지난 6년간 우리가 답한 많은 물음표들이 있었습니다."

그 질문들에 대한 답들은 상업적 규모 생산을 목표로 한 제형 개발에 집중되었습니다. 오늘날 테인턴은 "우리는 우리 수지를 제조하기 위해 신비한 화학 전구체들을 합성할 필요가 없습니다. 새로운 화학 종을 합성할 필요가 없으므로 생산 비용이 현저히 낮고, 매우 빠르게 스케일업할 수 있습니다."라고 말합니다.

결과는 테인턴이 "다른 열경화성 수지처럼 시작한다"고 말하는 수지 매트릭스입니다. 이건 포트 라이프(pot life)가 있는 2액형 제형으로, 압축 성형, 오븐 경화, 오토클레이브 경화 등 복합소재 제작에 흔한 전통적 방법들로 경화됩니다. 1-3분 만에 경화되고 열경화성 수지처럼 완전히 가교됩니다. 프리프레그도 가능합니다. 그러나 수지가 소재의 Tg 이상 온도로 가열되면, 그 이미노 결합들이 급격히 교환되기 시작하고 수지가 연화됩니다. 이 연화 상태에서 부품은 수지 온도가 다시 Tg 아래로 떨어질 때까지 재성형될 수 있으며, 이때 결합 교환 반응은 유리 전이에 의해 네트워크가 동결되면서 본질적으로 제로로 느려집니다.

비트리머에 내재된 가역적 화학 덕분에, 경화된 소재들은 단량체 전구체들의 단순한 첨가 하에 온화한 조건에서 탈중합되고 섬유로부터 분리될 수도 있습니다. 단량체들 자체가 네트워크로 가역적으로 반응해 더 작은 분자 세그먼트들로 분해시키고, 액체 수지를 산출하며, 이는 섬유와 필러로부터 쉽게 분리됩니다(위 비디오 참조). 수정 없이 회수된 수지는 다음 세대 생산 등급 비트리머 수지로 제형화될 수 있습니다. 테인턴에 따르면, 2세대 수지는 30-40% 재활용 수지 함량을 포함할 수 있어, 회수된 섬유 소재의 가치에 더해 수지 측면에서 추가 비용 절감을 가능하게 합니다.

그런 소재를 뭐라고 불러야 할까요? 테인턴은 열가소성 수지와 유사하게 재가공되지만, 열가소성 수지는 아니라고 강조합니다. 그리고 열경화성 수지처럼 경화되고 가교되지만, 에폭시, 폴리에스터, 비닐 에스터 또는 다른 일반적인 수지 시스템도 아닙니다. "우리는 이를 재가공 가능하거나 가역적 열경화성 수지(reprocessable or reversible thermoset)라고 부릅니다."라고 테인턴은 말합니다.

제품, 애플리케이션

말린다는 이미노 결합 기술 기반의 두 가지 수지를 개발 및 상용화 중입니다. 테인턴에 따르면 첫 번째인 비트리맥스 T60(Vitrimax T60)은 스포츠 용품 시장을 타겟으로 하며, 가정용 최종 사용자가 이용 가능한 온도(60-80°C)에서 연화돼 맞춤형 물리적 수정이 가능하게 하는 Tg를 특징으로 합니다.

이 소재의 가능한 용도로는 스키 폴과 개인 보호용 성형 패드 등이 있습니다. 두 번째 제품인 비트리맥스 T130(Vitrimax T130)은 표준 구조용 에폭시의 드롭인 교체품으로 포지셔닝되고 있습니다. 180-200°C 공정 온도 범위와 130°C Tg를 가집니다. 압축 성형 가능하며, 자동차 부품, 풍력 블레이드 스파 캡, 산업 구조물 용도를 타겟으로 합니다.

말린다의 제형들은 액체 형태로 구매 가능하지만, 테인턴은 가장 사용자 친화적인 포맷은 완전 경화된 시트라고 말합니다. 이들을 생산하기 위해, 말린다는 선택한 섬유를 프리프레그한 후 즉시 경화해 시트 제품을 만듭니다. 이 시트는 쉽게 운반되고 실온에서 보관 가능하며, 유통기한 제한이 없고, 최종 형태로 성형하기 위해 빠르게 재가열해 연화시킬 수 있습니다. "이 성형 공정 중 인몰드 시간은 매우 빠릅니다."라고 테인턴은 말합니다. "또한 우리 소재의 양호한 층간 본딩을 보여주었습니다. 에폭시와도 매우 잘 본딩됩니다." 말린다 수지는 에폭시와 유사한 표면 에너지를 가져, 에폭시용으로 사이징된 대부분의 섬유들과 호환됩니다.

말린다에 의해 풀트루전, 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM), UD 테이프와 호환되는 수지 종류들도 개발 중입니다. 내화/연기/독성(FST) 준수 수지도 개발 중입니다. 또한 아라미드 섬유와 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유와의 사용도 평가 중입니다. 용접과 수리 가능성도 검토 중이라고 테인턴은 말합니다.

시장 진입

테인턴은 그와 카퍼가 말린다를 설립했을 때 초기 초점은 표준 복합소재 제조 공정으로 빠르게 경화되는 재가공 가능 수지 개발이었다고 주장합니다. 그러나 최근 몇 년간, 그는 "이 제품의 원동력은 순환 경제였습니다. 재활용이 필수적이 되었습니다, 특히 EU에서, 우리 소재는 그에 적합합니다."라고 말합니다.

어떻게 사용되든, 이 제품을 시장에 내놓기 위해서는 당연히 산업 규모 제조 능력 개발이 필요합니다. 말린다는 덴버 공장에서 비트리맥스 T60과 T130 각각 1미국 톤을 생산할 능력을 구축 중입니다. 이 라인들의 소재는 고객 시험과 검증 프로그램에 사용될 것입니다.

풀스케일 생산은 산업 파트너들이 톨링(toll) 기반으로 처리할 예정인데, 테인턴에 따르면 그들이 그 작업에 더 잘 갖춰져 있습니다. 말린다는 제품 개발과 영업을 담당합니다. 말린다는 현재 8명을 고용 중이지만, 다음 라운드 자금 조달 후 12-15명으로 늘 것으로 예상합니다.