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[IT뉴스]고분자 나노선 분자 배열 규명...전자소재 성능·신축성 조율 길 열어

온카뱅크관리자

2026-10-18 10:37:25

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 <img alt="왼쪽부터 이은지 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 교수와 윤준연 박사과정생(제1저자). GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/18/dongascience/20261018103524747sxtc.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="6jDEcc71dz" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/18/dongascience/20261018103524747sxtc.jpg" width="658">
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 왼쪽부터 이은지 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 교수와 윤준연 박사과정생(제1저자). GIST 제공
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 고분자 나노선 분자 배열의 비밀이 풀렸다. 전자 소재의 성능과 신축성을 조절하는 데 활용될 것으로 기대된다.  
 광주과학기술원(GIST)은 이은지 신소재공학과 교수 연구팀이 초고해상도 극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)으로 개별 고분자 나노선의 내부 분자 배열을 분석하고 전기적 성능과 신축성을 조절할 수 있는 소재 설계 기준을 제시했다고 18일 밝혔다.
 고분자 나노선은 매우 미세한 선 형태의 고분자 소재다. 특히 전기가 통하는 고분자 나노선은 유연한 전자소자나 늘어나는 전자기기 등에 활용될 수 있어 주목받고 있다. 
 연구팀은 전기가 통하는 고분자인 ‘P3HT’를 대상으로 나노선 내부의 분자 배열을 분석했다. P3HT는 용액 속 분자들이 스스로 모여 구조를 이루는 자기조립 과정을 거친다. 자기조립 후 용액에는 분자들이 규칙적으로 배열된 ‘결정성 나노선’과 자기조립에 참여하지 않은 ‘고분자 사슬’이 함께 존재한다.
 결정성 나노선은 전하가 이동하는 통로 역할을 하고 고분자 사슬은 변형을 받아들이는 소재의 특성과 관련이 있다. 두 성분의 비율과 내부 구조를 조절하면 전기적 성능과 신축성 사이의 균형을 바꿀 수 있다. 
 연구팀은 입자의 크기와 밀도 등에 따라 가라앉는 속도가 달라지는 스토크스 법칙(Stokes’ law)을 활용해 원심분리로 결정성 나노선과 고분자 사슬을 분리했다. 그 결과 결정성 나노선은 주로 침전물에 모였고 고분자 사슬은 주로 상층액에 남았다. 상층액에서도 짧은 나노선이 일부 관찰됐다.
 연구팀은 시료를 매우 빠르게 얼려 원래 구조를 보존한 뒤 초고해상도 극저온 투과전자현미경으로 관찰했다. 고해상도 영상의 공간 주파수 정보를 분석해 나노선 내부의 분자 배열을 구분하고 각 배열이 얼마나 규칙적으로 이어지는지 정량적으로 측정했다.
 분석 결과 침전물에 포함된 나노선과 상층액에서 발견된 짧은 나노선은 고분자를 이루는 분자들이 서로 가까이 배열(π-π 배열)된다는 유사점을 보였다. 분자들이 층을 이루며 규칙적으로 배열되는 구조인 ‘층상 배열’ 측면에서는 뚜렷한 차이가 있었다. 
 연구팀이 침전물과 상층액에서 각각 나노선 50개씩을 분석한 결과, 층상 배열의 규칙성이 유지되는 나노선 길이는 침전물에서 18.3nm(나노미터, 1nm=10억분의 1m), 상층액에서 9.9nm였다. 분자들이 서로 가까기 배열되는 π-π 배열의 규칙성이 유지되는 길이는 각각 16.1nm와 16.4nm로 비슷했다.
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 <img alt="연구팀은 초고해상도 극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)으로 고분자 나노선의 분자 배열을 맵핑했다. GIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/18/dongascience/20261018103526005qcbw.png" data-org-width="680" dmcf-mid="PnPShh8BL7" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/18/dongascience/20261018103526005qcbw.png" width="658">
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 연구팀은 초고해상도 극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)으로 고분자 나노선의 분자 배열을 맵핑했다. GIST 제공
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 연구팀은 분리한 성분으로 전자소자인 ‘유기 전계효과 트랜지스터’를 만들어 전기적 성능과 신축성을 비교했다. 그 결과, 침전물로 만든 소자의 정공 이동도가 상층액으로 만든 소자보다 약 67배 높았다. 정공은 반도체 안에서 양전하를 띤 입자처럼 전류를 전달하는 역할을 하며 정공 이동도는 정공이 반도체 내부에서 얼마나 잘 이동하는지를 나타낸다.
 연구팀은 소재를 일정하게 늘렸을 때 박막에 발생하는 균열도 비교했다. 신축성 있는 기판 위에 소재를 얇게 입힌 뒤 기판을 20% 늘렸을 때 침전물만으로 만든 막은 전체 면적의 1.94%에 균열이 발생한 반면, 침전물과 상층액을 질량비 2 대 8로 섞어 만든 막은 균열 면적 비율이 0.92%로 낮았다. 상층액에 있는 고분자 사슬이 소재 변형을 받아들이는 데 기여한다는 의미다. 
 연구팀의 고분자 나노선 분리·설계 방법은 고분자와 셀레늄화카드뮴(CdSe) 양자점을 결합한 유·무기 복합 나노선에도 적용됐다. 양자점은 나노미터 크기의 반도체 입자로 빛과 전기적 특성을 조절하는 데 활용된다. 연구팀은 양자점 함량이나 용매 조건이 달라져도 원심분리를 통한 나노선 분획이 가능함을 확인했다.
 이번 연구는 전기적 성능이 뛰어난 성분과 늘어나는 변형을 잘 수용하는 성분을 적절히 배합하면 전기적 성능과 신축성 사이의 균형을 조절할 수 있다는 점을 보여준다. 
 이 교수는 “이번 연구는 개별 고분자 나노선 내부에서 분자들이 어떻게 배열돼 있는지 직접 관찰하고 나노선마다 다른 구조적 특성을 수치로 밝혀냈다는 데 의미가 있다”며 “이를 통해 자기조립 과정에서 생기는 소재 내부의 구조적 차이를 단순한 불균일성으로 보는 데 그치지 않고 전기적 성능과 신축성을 조절하는 데 활용할 수 있는 가능성을 제시했다”고 말했다.
 윤준연 박사과정생(제1저자)은 “개별 나노선을 분석한 결과, 분자들이 서로 가까이 배열되는 방식은 비슷해도 층을 이루는 규칙적인 배열이 유지되는 범위는 뚜렷하게 다르다는 점을 확인했다”며 “이처럼 겉으로 드러나지 않는 나노선 내부의 차이를 직접 관찰하고 수치로 비교함으로써 소재의 전기적 성능과 신축성을 조절할 수 있는 근거를 마련했다”고 설명했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난 5일 온라인 게재됐다.
 &lt;참고 자료&gt;  doi.org/10.1002/adma.75087
 [문세영 기자 moon09@donga.com]
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