유연하면 잘 찢어지고, 단단하면 쉽게 부러진다고?..."전복은 아니던데"

POSTECH, 전복 자연 초격자 구조 모방한 신소재 개발...전기 저장 효율, 내구성 향상도

유연하면 쉽게 찢어지고, 단단하면 쉽게 부러지는 문제를 국내 연구진이 '전복'으로 해결했다. 전기 저장 효율과 내구성 향상은 덤이다.

POSTECH(포항공과대학교)은 화학과 박문정 교수, 화학과 민재민 박사, 이호준 연구생(석박사 통합과정)이 전복 껍데기에서 영감을 받아 고무처럼 유연하면서 강철처럼 단단하고, 전기까지 잘 저장하는 소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

연구는 나노재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

전복닮은 신소재를 개발한 POSTECH 박문정 화학과 교수와 민재민 박사, 이호준 연구생(사진=POSTECH)

접는 스마트폰이나 손목에 감는 스마트워치는 유연성과 강도 모두 필수 요소다. 그러나 수 천번, 수 만번 구부리다보면 망가지기 십상이다. 유연하면서도 강도를 모두 충족하는 것 자체가 어불성설이다.

이 문제에 대한 해답을 POSTECH 연구팀이 전복에서 찾았다.

전복 껍데기는 수천 겹의 유-무기 얇은 층이 쌓인 구조로 강하면서도 충격을 잘 흡수한다. 이처럼 서로 다른 성질의 물질이 차곡차곡 쌓인 구조를 '초격자(superlattice)'라고 한다.

문제는 이런 정교한 구조를 인공적으로 재현하기 어렵다는 점이다. 지금까지는 층을 하나하나 쌓는 방식이라 나노미터 크기의 정밀한 구조를 구현하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 마치 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 두 고분자를 하나로 연결한 '블록공중합체'라는 소재를 활용했다. 여기에 양전하(+)와 음전하(-)를 동시에 가진 '양쪽성 이온(zwitterion)'을 더해 레고 블록이 저절로 조립되듯 고분자의 경계 부분에서 독특한 질서가 생성된, 정교한 3차원 구조를 만들어 냈다.

연구팀은 양쪽성 이온의 화학구조와 농도를 정밀하게 제어하는데도 성공했다. '프랭크-카스퍼(Frank-Kasper) 상'이라는 복잡한 구조까지 구현했다. 이 구조는 분자들이 입체 퍼즐처럼 정해진 규칙에 따라 배열된 형태로 일반적인 층상 구조보다 훨씬 복합적이다.

양쪽성 이온 분자구조 및 혼합 비율에 따라 나타나는 초격자 층상, 실린더 구조 및 프랭크-캐스퍼 페이스(Frank-Kasper phase)의 전자 현미경 이미지.(사진=POSTECH)

실험 결과, 이 소재는 유전율(전기장 반응정도)이 25에 달해 일반 절연체보다 전기를 25배 더 잘 저장할 수 있는 것으로 나타났다. 탄성률도 360MPa(압력의 단위)에 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"라며 ”이번 연구는 차세대 유연 전자 소재 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌리더연구사업과 나노소재개발사업의 지원을 받아 수행됐다.