광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이은지 신소재공학과 교수팀이 초고해상도 극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)으로 개별 고분자 나노선의 내부 분자 배열을 정밀 분석하고 이를 바탕으로 전기적 성능과 신축성을 조절할 수 있는 소재 설계 기준을 제시했다고 19일 밝혔다.
고분자 나노선은 초미세 선 형태의 고분자 소재다. 특히 전기가 통하는 고분자는 유연한 전자소자나 늘어나는 전자기기 등에 활용될 수 있어 주목받고 있다. 하지만 같은 소재라도 나노선 내부에서 분자들이 얼마나 규칙적으로 배열되는지에 따라 전기적 성능과 변형에 견디는 특성이 달라질 수 있다. 개별 나노선의 내부 구조를 정밀하게 파악하기 어려워 이러한 차이를 소재 설계에 활용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 전기가 통하는 고분자인 'P3HT'를 대상으로 나노선 내부의 분자 배열을 분석했다. 이어 시료를 매우 빠르게 얼려 원래 구조를 보존한 뒤 cryo-TEM으로 관찰했다. 고해상도 영상의 공간 주파수 정보를 분석해 나노선 내부의 분자 배열을 구분하고, 각 배열이 얼마나 규칙적으로 이어지는지 정량적으로 측정했다.
그 결과, 침전물에 포함된 나노선과 상층액에서 발견된 짧은 나노선은 고분자를 이루는 분자들이 서로 가까이 배열되는 방식(π-π 배열)에서는 비슷한 특성을 보였다. 분자들이 층을 이루며 규칙적으로 배열되는 구조(층상 배열)에서는 뚜렷한 차이가 나타났다.
연구팀은 나노선 내부에서 분자들이 어떤 방향으로 배열되고, 규칙적인 배열이 얼마나 긴 범위까지 이어지는지를 지도처럼 나타내는 맵핑 기법을 활용했다.개별 나노선마다 다른 내부 구조를 정량적으로 밝혀내고, 이러한 구조적 차이를 전기적 성능과 신축성의 균형을 조절하는 데 활용할 수 있음을 확인했다.
이번 연구는 소재를 구성하는 분자들이 항상 균일하게 배열되는 것은 아니라는 점에 주목해, 나노선마다 다른 내부 구조를 전기적 성능과 신축성을 조절하는 데 활용할 수 있음을 보여준다.
특히 개별 나노선의 분자 배열을 직접 관찰하고 수치로 비교함으로써, 소재 내부 구조의 차이를 바탕으로 원하는 성능을 갖춘 전자소재를 설계할 수 있는 가능성을 제시했다.
이은지 교수는 “이번 연구는 개별 고분자 나노선 내부에서 분자들이 어떻게 배열돼 있는지 직접 관찰하고, 나노선마다 다른 구조적 특성을 수치로 밝혀냈다는 데 의미가 있다”며, “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.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
