포스텍은 화학과 박문정 교수 연구팀이 고무처럼 유연하면서 강철처럼 단단하고, 전기까지 잘 저장하는 소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 이 연구는 나노재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스' 온라인판에 게재됐다.
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| ▲ 포스텍 화학과 박문정 교수. [포스텍 제공] |
우리는 스마트폰을 접어서 쓰고, 손목에 감는 스마트워치를 착용하는 시대에 살고 있다. 이런 기기들의 핵심은 구부리고 접어도 망가지지 않고, 충격에도 강한 소재에 있다.
그러나 기존 소재는 유연하면 쉽게 찢어지고, 단단하면 쉽게 부러지는 한계가 있었다.
연구팀은 이 같은 문제점을 자연에서 해답을 찾았다. 전복 껍데기는 수천 겹의 유-무기 얇은 층이 층층이 쌓인 구조로 강하면서도 충격을 잘 흡수한다.
이처럼 서로 다른 성질의 물질이 차곡차곡 쌓인 구조를 '초격자'라고 하는데 이런 정교한 구조를 인공적으로 재현하기 어렵다는 단점이 있다. 지금까지는 층을 하나하나 쌓는 방식이라 나노미터(nm) 크기의 정밀한 구조를 구현하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 마치 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 두 고분자를 하나로 연결한 '블록공중합체'라는 특별한 소재를 사용했다. 여기에 양전하(+)와 음전하(-)를 동시에 가진 '양쪽성 이온'을 더해 레고 블록이 저절로 조립되듯 고분자의 경계 부분에서 독특한 질서가 부여된, 정교한 3차원 구조를 만들어 냈다.
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| ▲ 양쪽성 이온 분자구조 및 혼합 비율에 따라 나타나는 초격자 층상, 실린더 구조 및 '프랭크-카스퍼 상'의 전자현미경 이미지. [포스텍 제공] |
더 나아가 연구팀은 양쪽성 이온의 화학구조와 농도를 정밀하게 제어함으로써 '프랭크-카스퍼 상'이라는 복잡한 구조까지 구현하는 데 성공했다. 이 구조는 분자들이 입체 퍼즐처럼 정해진 규칙에 따라 배열된 형태로 일반적인 층상 구조보다 훨씬 복합적이다.
실험 결과, 이 소재는 유전율이 25에 달해 일반 절연체보다 전기를 25배 더 잘 저장할 수 있는 것으로 나타났다. 탄성률도 360MPa에 높아 단단하면서도 유연한 특성을 보였다. 또한, 150℃ 고온에서도 성능이 유지됐으며, 전복 껍데기처럼 쌓인 구조 덕분에 외부 충격에도 강한 내구성을 갖췄다.
박문정 교수는 "자연이 수억 년에 걸쳐 만들 정교한 구조를 구현함으로써 기존 소재의 한계를 넘을 가능성을 열었다"며 "이번 연구는 차세대 유연 전자 소재 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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