강도·복원력 함께 갖춘 이온겔 설계법 제시

한양대학교 김도환 화학공학과 교수 연구팀이 높은 기계적 강도와 상온 자가치유 기능을 함께 갖춘 이온겔을 개발했다. 새 소재는 인장강도 10.4MPa, 신축성 1600%, 인성 56MJ/m³를 기록했으며, 열이나 빛 같은 외부 자극 없이 손상 부위를 83% 이상 회복했다. 연구팀은 양쪽성 이온 곁사슬을 분자 수준에서 설계해 기존 이온겔에서 동시에 확보하기 어려웠던 강인성과 복원력을 구현했다.

연구팀은 양쪽성 이온 곁사슬을 이온 전달에만 쓰지 않고 고분자 내부 구조와 이온성 액체의 분포를 조절하는 요소로 활용했다. 이온성 액체의 분포를 제어해 단단한 고분자 영역인 하드 세그먼트의 응집 구조를 유지하고, 쌍극자 상호작용으로 고분자 네트워크를 강화했다. 동시에 가역적인 이온-쌍극자 결합이 형성되도록 해 찢어지거나 손상된 부분이 별도 자극 없이 상온에서 다시 이어질 수 있도록 했다.

이온겔은 고분자 네트워크에 이온성 액체를 함침한 소재로, 유연성과 이온전도성을 바탕으로 웨어러블 전자피부와 소프트 로봇 분야에서 활용 가능성이 검토돼 왔다. 다만 고분자 사슬을 촘촘히 가교해 강도를 높이면 사슬 운동이 제한돼 자가치유 능력이 낮아지고, 반대로 복원력이 좋은 부드러운 소재는 충격에 쉽게 찢어지는 한계가 있었다. 이번 설계는 양쪽성 이온 고분자와 이온성 액체의 결합 및 상분리 구조를 정밀하게 조절해 이 같은 상충 관계를 해소했다.

연구에는 한양대 공진연 박사와 김지홍 박사과정생이 공동 제1저자, 김도환 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스’에 지난달 30일 온라인 게재됐고 관련 특허 1건도 출원됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구·글로벌 선도연구센터, 나노 및 소재기술개발사업, 첨단융합기술개발사업이 연구를 지원했다. 연구팀은 장시간 반복 사용과 손상 후 기능 복원이 요구되는 웨어러블 전자기기, 인간-기계 인터페이스, 소프트 로봇, 바이오전자 시스템으로 적용 범위를 넓힐 계획이다.