찢어져도 상온에서 스스로 회복…한양대 김도환 교수팀, 고강도 자가치유 이온겔 개발
강도를 높일수록 자가치유 성능 떨어지던 기존 이온겔 한계 해결
외부 자극 없이 83% 이상 자가치유…웨어러블 전자기기·소프트 로봇 활용 기대
한양대학교 공과대학 화학공학과 김도환 교수 연구팀이 강도를 높일수록 자가치유 능력이 떨어지는 기존 이온겔의 오랜 난제를 분자 수준의 설계로 해결한 고강도 자가치유 이온겔을 개발했다. 연구팀은 양쪽성 이온 곁사슬을 활용해 기계적 강인성과 상온 자가치유, 이온전도성을 동시에 구현했다.
이온겔은 고분자 네트워크에 이온성 액체를 함침시킨 소재로, 유연하면서도 이온전도성을 갖춰 웨어러블 전자피부와 소프트 로봇의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 기계적 강도를 높이기 위해 고분자 사슬을 촘촘하게 가교하면 사슬의 움직임이 억제돼 손상 부위가 스스로 회복되는 자가치유 능력이 떨어진다. 반대로 자가치유 성능이 우수한 부드러운 이온겔은 외부 충격에 쉽게 찢어지는 구조적 한계가 있었다.
연구팀은 양쪽성 이온 곁사슬을 단순한 이온 전달 성분이 아닌, 고분자 내부 구조와 이온성 액체의 분포를 함께 조절하는 핵심 설계 요소로 활용했다. 양쪽성 이온이 이온성 액체의 분포를 조절해 단단한 고분자 영역인 하드 세그먼트의 응집 구조를 유지하고, 쌍극자 상호작용을 통해 고분자 네트워크를 강화하도록 설계했다. 동시에 가역적인 이온-쌍극자 결합을 형성해 외부 자극 없이 상온에서도 손상 부위가 스스로 회복되도록 했다.
그 결과 연구팀이 개발한 이온겔은 10.4MPa의 인장강도와 1600%의 신축성, 56MJ/m³의 인성을 기록했다. 외부 열이나 빛 등의 자극 없이도 83% 이상의 자가치유 효율을 달성해, 기존 이온겔에서 양립하기 어려웠던 기계적 강인성과 자가치유 성능을 동시에 구현했다.
김도환 교수는 “이번 연구의 핵심은 양쪽성 이온 고분자와 이온성 액체 사이의 결합, 그리고 이로부터 형성되는 상분리 구조를 정밀하게 제어해 강도와 자가치유가 서로를 희생해야 했던 기존의 상충 관계를 해결한 데 있다”며 “기계적 강인함과 동적 기능성을 함께 구현할 수 있는, 다른 소재에도 적용 가능한 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.
이번 성과는 특정 소재의 성능을 높이는 데 그치지 않고, 기계적 강인함과 동적 기능성을 함께 요구하는 다양한 연성 전도성 소재에 적용할 수 있는 분자 설계 원리를 제시했다. 연구팀은 향후 장시간 반복 사용과 손상 후 기능 복원이 필요한 차세대 웨어러블 전자기기와 인간-기계 인터페이스, 소프트 로봇, 바이오전자 시스템 등으로 기술을 확장할 계획이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구지원사업인 중견연구 및 글로벌 선도연구센터, 나노 및 소재기술개발사업, 첨단융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 『나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)』에 2026년 7월 30일 온라인 게재됐으며, 관련 기술에 대한 특허 1건도 출원됐다.
논문명은 ‘이오니트로닉스를 위한 기계적 강도와 자발적 자가치유 간 상충 관계를 해결한 양쪽성 이온 이온겔(Zwitterionic Ionogels Resolving the Trade-Off between Mechanical Strength and Autonomous Self-Healing for Iontronics)’이다. 한양대 공진연 박사와 김지홍 박사과정생이 공동 제1저자로, 김도환 교수가 교신저자로 참여했다.
출처 : 뉴스H(https://www.newshyu.com/news/articleView.html?idxno=1025730)
외부 자극 없이 83% 이상 자가치유…웨어러블 전자기기·소프트 로봇 활용 기대
한양대학교 공과대학 화학공학과 김도환 교수 연구팀이 강도를 높일수록 자가치유 능력이 떨어지는 기존 이온겔의 오랜 난제를 분자 수준의 설계로 해결한 고강도 자가치유 이온겔을 개발했다. 연구팀은 양쪽성 이온 곁사슬을 활용해 기계적 강인성과 상온 자가치유, 이온전도성을 동시에 구현했다.
이온겔은 고분자 네트워크에 이온성 액체를 함침시킨 소재로, 유연하면서도 이온전도성을 갖춰 웨어러블 전자피부와 소프트 로봇의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 기계적 강도를 높이기 위해 고분자 사슬을 촘촘하게 가교하면 사슬의 움직임이 억제돼 손상 부위가 스스로 회복되는 자가치유 능력이 떨어진다. 반대로 자가치유 성능이 우수한 부드러운 이온겔은 외부 충격에 쉽게 찢어지는 구조적 한계가 있었다.
연구팀은 양쪽성 이온 곁사슬을 단순한 이온 전달 성분이 아닌, 고분자 내부 구조와 이온성 액체의 분포를 함께 조절하는 핵심 설계 요소로 활용했다. 양쪽성 이온이 이온성 액체의 분포를 조절해 단단한 고분자 영역인 하드 세그먼트의 응집 구조를 유지하고, 쌍극자 상호작용을 통해 고분자 네트워크를 강화하도록 설계했다. 동시에 가역적인 이온-쌍극자 결합을 형성해 외부 자극 없이 상온에서도 손상 부위가 스스로 회복되도록 했다.
그 결과 연구팀이 개발한 이온겔은 10.4MPa의 인장강도와 1600%의 신축성, 56MJ/m³의 인성을 기록했다. 외부 열이나 빛 등의 자극 없이도 83% 이상의 자가치유 효율을 달성해, 기존 이온겔에서 양립하기 어려웠던 기계적 강인성과 자가치유 성능을 동시에 구현했다.
김도환 교수는 “이번 연구의 핵심은 양쪽성 이온 고분자와 이온성 액체 사이의 결합, 그리고 이로부터 형성되는 상분리 구조를 정밀하게 제어해 강도와 자가치유가 서로를 희생해야 했던 기존의 상충 관계를 해결한 데 있다”며 “기계적 강인함과 동적 기능성을 함께 구현할 수 있는, 다른 소재에도 적용 가능한 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.
이번 성과는 특정 소재의 성능을 높이는 데 그치지 않고, 기계적 강인함과 동적 기능성을 함께 요구하는 다양한 연성 전도성 소재에 적용할 수 있는 분자 설계 원리를 제시했다. 연구팀은 향후 장시간 반복 사용과 손상 후 기능 복원이 필요한 차세대 웨어러블 전자기기와 인간-기계 인터페이스, 소프트 로봇, 바이오전자 시스템 등으로 기술을 확장할 계획이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인연구지원사업인 중견연구 및 글로벌 선도연구센터, 나노 및 소재기술개발사업, 첨단융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 『나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)』에 2026년 7월 30일 온라인 게재됐으며, 관련 기술에 대한 특허 1건도 출원됐다.
논문명은 ‘이오니트로닉스를 위한 기계적 강도와 자발적 자가치유 간 상충 관계를 해결한 양쪽성 이온 이온겔(Zwitterionic Ionogels Resolving the Trade-Off between Mechanical Strength and Autonomous Self-Healing for Iontronics)’이다. 한양대 공진연 박사와 김지홍 박사과정생이 공동 제1저자로, 김도환 교수가 교신저자로 참여했다.
출처 : 뉴스H(https://www.newshyu.com/news/articleView.html?idxno=1025730)