수천겹 '전복 껍데기' 구조 모사한 유연·고강도 전자소재

포스텍

전복 껍데기는 서로 다른 성질인 유기층과 무기층이 차곡차곡 수천겹 쌓인 '초격자(superlattice)' 구조를 이룬다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 전복 껍데기 구조를 모사해 유연하면서도 단단한 소재를 개발했다. 일반 절연체보다 전기 저장효율이 높아 웨어러블 장치나 반도체 소자 등 차세대 유연 전자소재에 응용될 것으로 기대된다.

포스텍은 박문정 화학과 교수, 민재민 연구원, 이호준 석박통합과정생 연구팀이 전복 껍데기에서 영감을 받아 유연하면서 단단하고 전기를 잘 저장하는 소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 연구결과는 6월 26일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 공개됐다. 

기존 소재는 유연하면 쉽게 찢어져 변형되고 단단하면 쉽게 부러지는 '트레이드오프(trade-off)'가 발생한다. 연성과 강도 두 마리 토끼를 잡기 어렵다는 뜻이다. 웨어러블 전자장치를 구현하려면 구부리거나 접어도 망가지지 않으면서도 충격에 강한 소재가 필요하다.

연구팀은 전복 껍데기 구조에 주목했다. 전복 껍데기는 서로 다른 성질인 유기층과 무기층이 차곡차곡 수천겹 쌓인 '초격자(superlattice)' 구조를 이룬다. 층을 하나하나 쌓는 방식으로는 전복 껍데기의 정밀한 구조를 인공적으로 재현하기 어렵다.

양쪽성 이온 분자구조와 혼합 비율에 따라 나타나는 초격자 층상, 실린더 구조(위). 일반 층상 구조보다 훨씬 복합적인 '프랑크-카스퍼 상(Frank-Kasper phase)'의 전자현미경 이미지(아래). 포스텍 제공

연구팀은 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 고분자를 하나로 연결한 '블록 공중합체(copolymer)'라는 소재를 활용했다. 여기에 양전하(+)와 음전하(-)를 동시에 가진 '양쪽성 이온(zwitterion)'을 더해 스스로 조립될 수 있는 정교한 3차원 구조를 구현했다.

연구팀은 양쪽성 이온의 화학구조와 농도를 정밀하게 제어해 '프랑크-카스퍼 상(Frank-Kasper phase)'이라는 구조까지 구현했다. 입체 퍼즐이 규칙적으로 끼워져 배열된 형태로 일반 층상 구조보다 훨씬 복잡하다.

연구팀이 개발한 초격자 소재는 탄성률이 높으면서도 전복 껍데기처럼 쌓인 층상 구조 덕분에 외부 충격에도 내구성이 강하다. 물질이 전하를 저장하는 능력인 유전율이 일반 절연체보다 25배 높아 전기 저장 능력도 뛰어나다. 유연 전자기기와 메모리 소재 등에 유망한 후보라는 평가다.

박 교수는 "자연이 수억 년에 걸쳐 만들 정교한 구조를 구현해 기존 소재의 한계를 넘을 가능성을 열었다"며 "차세대 유연 전자 소재 개발에 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/advs.202507115

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]