다우 케미컬 (Dow Chemical) 연구진이 다채로운 색상의 광학 특성을 가지는 폴리에틸렌(polyethylene) 블록 공중합체를 합성했다. 이들은 2006년에 개발한 사슬 왕복 중합(chain-shuttling polymerization) 기법을 이용해서 블록 공중합체를 합성했고 이 고분자는 자기 조립(self-assemble)에 의해 상 정렬(ordered phase)을 이루었다.

콜로이드 결정이나 다른 광학 물질(photonic materials)에 비교할 때, 이 광학(photonic) 폴리에틸렌은 저렴하다는 것이 가장 큰 특징이며, 예컨대 햇빛을 반사하는 에너지 절감형 건축 소재와 같은 저가 응용 분야를 새로이 창출해 내는 주요 저가 고분자가 될 가능성이 있다.

2006년에 다우 케미컬 연구팀은 에틸렌(ethylene)과 1-옥틴(1-octene)으로부터 폴리에틸렌 블록 공중합체를 만들어내는 한 쌍의 촉매를 발견했다.

이 공정은 에틸렌과 1-옥틴을 블록 형태로 고분자 사슬에 부가하는 반응에서 다이에틸아연(diethylzinc)을 촉매 사이를 왕복하는 사슬 전달제(transfer agent)로 사용한 것이다. 이번에는 다우 케미컬 텍사스 지사의 Phillip D. Hustad, Jeffrey D. Weinhold, Gary R. Marchand, Eddy I. Garcia-Meitin, 와 Patricia L. Roberts가 이 기술을 변형시켜 블록 길이의 분포를 가지는 다분산(polydisperse) 폴리에틸렌 다이블럭 공중합체를 제조하는 방법을 개발했다.

Hustad에 따르면 이 고분자를 녹여서 필름으로 성형하면, 서로 다른 고분자 분절(segment)들이 단단한 반결정상과 부드러운 비결정상이 층상으로 배열된 구조로 자기 조립된다. 각각의 상(phase)은 서로 다른 굴절률을 가지고 있어 이 고분자가 광학 결정(photonic crystal)의 기능을 가지고 가시광선을 산란시키도록 한다.

Hustad에 따르면 블록 공중합체들이 광학 결정을 만드는 것은 이미 알려져 있었으나 가시광선을 산란시킬 만큼 커다란 구조로 만드는 것이 어려웠다. 이런 구조는 통상적으로 분자량 백만 이상의 초고분자량 공중합체에서만 관찰되었고 고분자 사슬의 길이를 단분산 형태로 일정하게 유지하는데 필요한 용액 가공으로 인하여 비용과 복잡성이 더해졌다.

다우 케미컬의 다분산 폴리올레핀 다이블럭 공중합체는 한 자릿수 낮은 분자량으로 용액 가공 없이 같은 효과를 보여준다. 게다가 이 물질은 반결정성(semicrystalline)이기 때문에 가열이나 냉각만으로 빛을 반사하는 상태와 반사하지 않는 상태를 가역적으로 바꾸는 것도 가능할 것으로 보인다.

미네소타 대학교(University of Minnesota)의 고분자 화학자인 Marc A. Hillmyer는 다우 케미컬이 합성한 고분자는 종래의 방법으로는 만들 수 없었던 것이라면서 이 연구가 다분산도를 올리는 것이 유용할 수도 있으며 특정한 블록 공중합체에서는 새로운 현상을 일으킬 수 있다는 것을 보여주는 좋은 예라고 설명했다.

MIT의 물리학자이자 광학 고분자 전문가인 Edwin L. Thomas는 다우 케미컬의 접근방법이 많은 저가 응용분야에 광학 고분자 사용을 가능하게 하는 매우 좋은 기회를 제공했다고 평가했다.

홍순우 기자/ kip@packnet.co.kr