강도와 치유력 동시에 구현, 자가치유 소재의 한계를 넘다
신축성 전자기기는 인간 피부처럼 자유롭게 늘어나거나 구부러지는 유연성을 갖는 동시에 손상 시 스스로 회복할 수 있는 능력을 필요로 한다. 이러한 자가치유 기능은 기기의 수명을 크게 늘리고 유지보수 비용을 줄이는 핵심 기술로, 웨어러블 전자기기와 소프트 로봇의 실용성을 뒷받침하는 중요한 조건으로 여겨져 왔다.
그러나 지금까지 개발된 이온 기반 자가치유 센서 소재들은 이온성 액체가 고분자 간 결합을 방해해 기계적 강도와 인성이 현저히 저하되는 한계를 지니고 있었고, 이로 인해 반복적인 변형이나 외부 자극에 쉽게 손상되는 문제가 이어졌다. 이러한 구조적 취약성은 전자 피부, 웨어러블 센서, 소프트 로봇 등 차세대 응용 기술의 상용화를 가로막는 가장 큰 장벽이었다.
강 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 폴리카프로락톤(PCL)을 주사슬로 활용하고, 여기에 방향족 이황화 결합과 2-유레도-4-피리미돈(UPy) 작용기를 도입하는 전략을 선택했다. 폴리카프로락톤은 이온 전도성이 뛰어난 친수성 고분자 백본이며, 방향족 이황화 결합은 결합이 끊어져도 복구되는 자가치유 특성을, UPy는 네 겹의 수소 결합을 통해 고분자 체인 간 결합을 견고하게 유지하는 안정성을 제공한다. 연구팀은 이 조합을 통해 자가치유 특성과 기계적 강도라는 상충되는 물성을 동시에 구현한 신축성 고분자 소재를 개발했다.
“자가치유 소재는 예전부터 존재했지만, 실제 전자기기처럼 물리적 자극이 많고 반복되는 환경에서는 부족한 점이 많았습니다. 쉽게 말해 잘 붙지만 약한 소재였던 거죠. 저희가 개발한 소재는 이런 조건을 극복하기 위해 기능을 분업화했습니다. 자가치유를 빠르게 일으키는 결합과 기계적 강도를 높이는 결합을 분리해 고분자에 함께 설계한 것입니다. 또, 이온을 넣었을 때 기존에는 물성이 약해지는 경우가 많았는데, 우리는 이를 방지하는 새로운 결합 구조를 통해 그 한계도 넘을 수 있었습니다.”
연구팀은 개발한 소재를 기반으로 자가치유 센서와 자가치유 그리퍼를 제작하고, 반복적인 손상과 자극 후에도 원래 성능을 유지하는지를 실험적으로 평가했다. 그 결과, 손상된 기기는 자가치유 과정을 거쳐 초기 성능의 90% 이상을 회복하며, 소재의 실용 가능성을 입증했다.
실험에서 해당 소재는 신장율 850%, 파단 강도 30MPa, 인성 87.3MJ/m³의 기계적 특성을 나타냈으며, 이는 기존 자가치유 소재 대비 현저히 향상된 수치로, 소재 과학 분야에서도 세계 최고 수준에 해당하는 결과다.
“실험에서는 매우 얇은 필름 형태의 소재로 6kg에 달하는 무게를 찢어지지 않고 지탱할 수 있었고, 절반 정도 절단한 상태에서도 손상 부위가 전파되지 않고 버틸 수 있었습니다. 더 극단적으로는 완전히 잘라낸 후 다시 붙였을 때도 본래의 신축성을 회복하는 결과를 입증했죠. 이러한 특성은 특히 웨어러블 전자기기나 소프트 로봇처럼 외부 환경에 자주 노출되고 물리적 접촉이 많은 분야에 활용될 수 있다고 생각합니다. 후속 연구에서는 제조공정 최적화와 다양한 온습도 조건에서도 성능을 유지할 수 있는 재료 개발에 나설 계획입니다.”
현재 이 기술은 산업계에서도 주목받고 있다. 한 대기업의 가전 부문에서는 내장재 설계에 자가치유 개념을 도입하기 위해 협업 논의를 시작한 상태다. 굴곡이 많고 반복적인 변형이 발생하는 부품에서 소재의 내구성을 확보하려는 수요가 높기 때문이다. 향후 공동 개발 과제를 통해 기술의 상용화 가능성도 기대되고 있다.
이번 연구는 연성 전자기기의 실용화 기반을 강화하고, 웨어러블 기술의 진보를 앞당기는 계기가 될 것으로 평가된다. 의료, 환경 모니터링, 인간-기계 인터페이스 등 다양한 분야에서의 응용 가능성이 높아지는 가운데, 전자기기 소재의 친환경성과 지속 가능성 확보라는 측면에서도 의미 있는 진전을 이룬 성과다. 해당 연구는 2024년 11월 11일, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되었다.
신개념 전해질 구조 설계로 리튬 금속 전지 안정성 혁신
연성 전자기기의 내구성과 복원력 문제를 해결했던 강 교수 연구팀이, 올해 3월에는 리튬 금속 배터리 분야에서도 또 하나의 의미 있는 성과를 거두었다. 이번에는 리튬 금속 전지의 핵심 난제인 침상 리튬 문제와 안전성, 고속 충전의 한계를 극복할 수 있는 새로운 전해질을 설계함으로써 차세대 배터리 기술의 가능성을 입증했다. 이 연구 결과는 에너지 분야에서 세계적으로 높은 영향력을 지닌 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 2025년 3월 7일 자로 게재되며 학계의 주목을 받았다.
전기자동차, 드론, 이동형 기기의 작동 시간을 늘리기 위해서는 에너지 밀도가 높은 이차전지의 개발이 필수적이다. 기존의 리튬 이온 전지는 흑연 음극의 낮은 이론 용량(372mAh/g)으로 인해 성능의 한계가 있었지만, 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우 3,860mAh/g의 높은 용량과 낮은 산화환원 전위(-3.04 V vs. SHE)를 통해 고에너지 밀도 전지를 구현할 수 있다.
그러나 리튬 금속은 불균일한 증착으로 인해 침상(dendrite) 리튬이 형성되고, 이 침상이 전해질이나 양극을 손상시켜 화재로 이어질 수 있다는 심각한 안전성 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 강 교수 연구팀은 서울대학교
장진하 박사, 캘리포니아대 로스앤젤레스(UCLA), LG에너지솔루션과 공동으로 이온성 플라스틱 결정이 주입된 신개념 전해질 시스템을 설계했다.
이온성 플라스틱 결정은 유기 양이온과 음이온으로 구성된 격자 구조로, 분자 회전성이 높고 외부 응력에 따라 분자 간 미끄러짐이 발생하며 소성변형을 유도할 수 있다. 연구팀은 대칭성 알킬 사슬을 도입해 분자 회전에서 발생하는 입체 장애를 완화하고, 유기 양이온과 음이온 사이의 이온쌍 결합을 강화하는 방식으로 전해질의 안정성과 반응성을 높였다.
“전해질은 단순한 이온 운반체가 아니라, 리튬 금속과의 복합적인 상호작용을 조절할 수 있는 구조로 접근해야 한다고 봤습니다. 이번에 설계한 대칭성 양이온은 음이온과의 결합을 강화하면서 리튬 이온 전달 속도를 빠르게 유도하고, 자기조립을 통해 음극 표면에 안정적인 보호층을 형성하는 역할을 합니다. 이 덕분에 침상 리튬이 억제되고, 고속 충전 조건에서도 화재 위험 없이 안정적인 동작이 가능해졌습니다.”
이 전해질 시스템은 리튬 이온이 과도한 음이온 클러스터를 형성하는 현상을 억제하고, 대신 다수의 소형 음이온-리튬 용매화 구조를 유도해 리튬 금속 음극으로의 전달 속도를 기존 대비 3배 이상 높일 수 있었다. 특히 ‘n-에틸 사슬’을 가진 대칭성 양이온이 가장 이상적인 보호층을 형성하는 것으로 나타났으며, 이로 인해 음극 표면에 안정적인 환경이 조성되었다.
그 결과, 침상 리튬의 형성이 크게 억제되고, 초박막 리튬(20μm)과 희박 전해액 조건(E/C = 2.0 g/Ah)에서도 30분 이내 완충(2C-rate), 400사이클 이상 용량의 90% 유지라는 우수한 고속 충전 및 사이클 성능을 확보할 수 있었다. 이는 기존 기술 대비 20배 이상 향상된 결과다. 또한, 전해질의 비가연성 특성으로 인해 물리적 충격에도 화재나 폭발이 발생하지 않는 고안전성 역시 입증되었다.
“배터리 기술에서 고속 충전과 안전성을 동시에 확보한다는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제였습니다. 이번 연구에서는 실제 환경에서도 안정적인 전극 작동과 발화 없는 충전이 가능하다는 점에서, 리튬 금속 기반 배터리 상용화의 결정적인 돌파구가 마련되었다고 생각합니다.”
이번 성과는 리튬 금속 전지의 고속 충전과 안전성 문제를 동시에 해결한 실용적 해법으로, 기존 전해질 기술의 한계를 본격적으로 넘어선 사례다. 향후에는 고출력 전기차, 항공용 배터리, 차세대 모바일 기기 등 다양한 산업 분야에 직접적인 응용이 기대된다. 이번 연구는 서울대 화학과 장진하 박사가 제1저자로 참여했으며, LG에너지솔루션-KAIST 프런티어 연구실과의 공동연구로 수행되었다.
사이언스 표지 논문부터 글로벌 수상까지, 젊은 과학자의 약진
강 교수는 연성 전자소자와 고분자 소재 분야에서 연이어 의미 있는 연구 성과들을 거두며 젊은 과학자로서 단연 두각을 나타내고 있다. 특히 2022년 11월 11일, 고분자 기반 신축성 회로 기판 관련 연구가 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’의 표지 논문으로 게재되며 주목을 받았다.
당시 연구는 고분자 내부에 액체금속 입자를 초음파로 조립시켜 전기전도성이 유지되는 네트워크를 구현한 것으로, 구조 공학적 방식 없이도 고무처럼 늘어날 수 있는 신축성 인쇄 회로 기판의 가능성을 세계 최초로 실험적으로 입증했다.
연구팀은 고분자 복합체에 초음파를 가하면, 액체금속 입자 간에 나노 크기의 입자들이 자발적으로 형성되어 연결되며 전기전도성 네트워크를 구축할 수 있음을 밝혔다. 이 회로는 기존 금속 배선 수준의 낮은 저항을 유지하면서도, 5배 이상 늘어나고 물리적 충격에도 견딜 수 있는 안정성을 갖추었다. 더불어 기존 전극 소재에서는 어려웠던 광 패터닝, 자가치유, 생체 삽입형 응용 등에서도 확장 가능성을 확인했다.
“2022년에 발표했던 연구는 소재 자체를 개발하는 데 그치지 않고, 실제 회로 기판으로 구현해서 전자 부품을 연결한 뒤에도 전기적 특성이 유지된다는 걸 입증한 점에서 의미가 컸습니다. 초음파 기술을 통해 고분자 내부에 액체금속 입자 네트워크를 형성했기 때문에, 늘어날 때도 저항이 거의 변하지 않았고, 다양한 고분자에 적용할 수 있어 활용 범위도 넓었습니다.”
이 연구를 계기로 강 교수는 신축성 소재 분야에서 독창적인 아이디어와 정교한 구현 능력을 동시에 갖춘 연구자로 자리매김하기 시작했다.
이후 2023년에는 두 편의 성과를 연달아 발표하며, 자신만의 연구 영역을 더욱 분명히 각인시켰다. 2023년 4월에는 기존에 없었던 고전도성, 유사 조직 접착성 하이드로겔을 개발해 생체 전자기기로의 적용 가능성을 열었고, 이는 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재되었다. 이 하이드로겔은 전기전도도 247S/cm, 파괴 변형률 410%라는 특성을 바탕으로, 좌골신경 자극이나 고해상도 심전도 측정 등에서 기존 소재를 뛰어넘는 성능을 실현했다.
이어 8월에는 고분자의 기계적 강성과 자가치유 효율을 동시에 높일 수 있는 고분자 설계법을 개발해 또 한 번 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 논문을 발표했다. 연구팀은 금속 이온과 유기 리간드 결합 구조 내에서 음이온 조성의 미세한 변화가 고분자의 응력 완화에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈고, 이를 바탕으로 자가치유 성능과 기계적 강도를 동시에 끌어올릴 수 있었다.
이러한 일련의 연구 성과들은 국내외에서 높은 평가를 받았다. 2023년 11월, 강 교수는 대한민국 정부로부터 만 40세 미만의 과학자에게 수여되는 ‘젊은 과학자상(대통령상)’을 수상했다.
이어 2024년 8월에는 아시아 전역의 유망한 연구자를 선정하는 ‘아시아 젊은 과학자 펠로십(Asian Young Scientist Fellowship, AYSF)’ 수상자로 선정되었으며, 한국인으로는 유일하게 이름을 올렸다.
같은 해 9월에는 미국 MIT 테크놀로지 리뷰가 선정하는 ‘올해의 젊은 혁신가 35인(TR35 Asia Pacific)’에 아시아태평양 지역 대표로 포함되었다. TR35는 래리 페이지, 마크 저커버그, 조나선 아이브 등 세계적 혁신가들을 배출한 바 있는 상으로, 이번 수상은 강 교수가 소재 과학 분야에서 세계적으로 영향력을 넓혀 가고 있음을 보여준다.
화학의 눈으로, 재료공학의 미래를 그리다
연구실은 분자 화학과 초분자 화학과 같은 기초 화학을 기반으로 하되, 실용적 기능을 가진 재료로의 확장을 핵심 목표로 삼는다. 연구 대상은 고분자와 복합소재이며, 응용 분야는 에너지, 생체전자, 연성 전자소자 등으로 폭넓다. 배터리 안정성을 위한 고분자 설계, 조직 친화성 생체전극 개발 등 다양한 연구가 병행되고 있지만, 그 중심에는 항상 “화학을 통해 재료를 바꿀 수 있는가”라는 공통된 문제의식이 자리하고 있다.
이러한 연구 방향은 자연스럽게 융합적 사고를 요구한다. 따라서 연구실에는 화학, 화학공학, 신소재공학, 전자공학 등 다양한 전공의 연구자들이 모여 있으며, 강 교수는 각 전공의 언어를 이해하고 연결할 수 있는 소통 역량을 중요하게 여긴다. 연구 주제에 따라 다양한 협업이 이뤄지고 있고, 바이오, 회로, 패키징 등 전문성을 보완하는 공동연구도 활발하다.
“화학하는 사람들과 이야기할 때는 화학의 언어로, 공학하는 사람들과 이야기할 때는 공학의 언어로 설명할 수 있어야 합니다. 그 사이의 언어를 이해하고 통합하는 역할이 꼭 필요하다고 생각했고, 제 역할이 그 중간을 이어주는 일이라고 생각합니다.”
연구실의 팀 운영도 전공이나 과제 중심이 아닌, 사람 중심의 신뢰와 책임을 기반으로 이뤄진다. 각 팀장은 자신의 연구뿐 아니라 팀원들의 연구를 함께 이해하고 소화할 수 있어야 하며, 구성원 모두의 만장일치로 선출된다. 이는 협업 능력과 리더십을 실험실 안에서부터 체화할 수 있도록 하는 설계다.
강 교수는 박사 과정은 특정 분야의 전문 지식을 쌓는 시간을 넘어 문제를 정의하고 해답을 설계하며 검증하는 창조의 과정으로 본다. 단지 지식을 축적하는 것이 아니라, 실패 속에서 의미를 찾고, 실험을 설계하며 주도적으로 문제를 풀어가는 힘을 기르는 것이 더 중요하다고 말한다. 예상과 다른 결과가 나왔을 때 그것을 '실패'로만 보지 않고, 다른 방향성을 함께 고민하며 새로운 가능성을 모색하는 과정 자체가 교육의 핵심이라는 설명이다.
지도교수로서의 강 교수는, 연구자이자 교육자로서의 균형에 대해 오랫동안 고민해 왔다. 이제는 실험 지도를 넘어서, 연구자이자 한 사람으로서의 성장을 함께 도울 수 있는 역할을 더 책임 있게 수행하고자 한다.
“좋은 사람보다 더 되기 어려운 게 좋은 교육자라고 생각합니다. 학생에게 필요한 말을 불편하더라도 해줄 수 있어야 하고, 진짜로 도움이 되는 사람이 되려면 때론 직설적일 줄도 알아야 합니다. 지금 제 역할은 연구자라기보다는 교육자에 더 가까워지고 있는 것 같아요.”
그에게 연구란, 보이지 않는 분자들의 움직임을 통해 현실의 물성을 바꾸는 일이다. 그리고 연구실이란, 눈에 보이지 않는 태도와 철학이 사람을 성장시키는 공간이다. 그 두 세계를 연결할 수 있을 때 비로소 연구자이자 교육자로서의 길이 완성된다고 믿는다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
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