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한양대학교 화학공학과 김도환 교수 연구팀이 양쪽성 이온 측쇄 설계를 통해 기계적 강도와 자율적인 자가 치유 능력 사이의 상충 관계를 해결하는 이중 이온 측쇄 설계 이오노겔(ZESTI)을 개발했다. 연구팀은 고분자의 분자구조를 조절해 쉽게 찢어지지 않는 내구성과 손상 부위를 복구하는 자가치유 기능을 동시에 확보하고, 이를 물체의 상태를 감지하는 보호 포장 소재와 인체 움직임 센서에 적용했다.

이온젤은 고분자 그물망 안에 이온성 액체를 포함한 소재로, 유연하면서도 이온의 이동을 통해 전기 신호를 전달할 수 있어 웨어러블 전자기기와 전자피부, 소프트 로봇 등에 활용할 차세대 소재로 주목받고 있다. 이러한 기기에 사용되려면 반복적인 늘어남과 외부 충격을 견디고, 손상 후에도 기능을 회복할 수 있어야 한다. 그러나 기존에는 소재를 강하게 만들수록 고분자 사슬의 움직임이 제한돼 자가치유가 어려워지는 상충관계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 소수성 폴리우레탄에 양전하와 음전하를 동시에 갖는 ‘zwitterion ion’ 곁사슬을 도입한 이온젤 ‘ZESTI’를 개발했다. 소재를 지탱하는 단단한 영역은 유지하면서, 손상 후 다시 형성될 수 있는 가역적인 분자 간 상호작용을 함께 구현한 것이 핵심이다.

zwitterion ion 곁사슬은 서로 끌어당기는 쌍극자 상호작용을 통해 고분자 구조를 보강한다. 동시에 이온성 액체와 가역적인 이온–쌍극자 상호작용을 형성해 이온성 액체의 분포와 이온 이동을 조절한다. 이러한 상호작용은 외부 힘이 가해질 때 에너지를 분산하고, 손상된 부위에서는 다시 형성돼 소재의 구조와 이온 전달 경로가 회복되도록 한다.

개발된 ZESTI는 10.4 MPa의 인장강도와 1606%의 파단 신율을 나타냈다. 파괴될 때까지 흡수할 수 있는 에너지를 의미하는 인성은 56.03 MJ/m³를 기록했다. 또한 절단한 시편의 단면을 다시 맞댄 뒤 상온에서 24시간 동안 두었을 때, 인성을 기준으로 83.3%의 자가치유 효율을 보였다. 별도의 가열이나 빛 조사 없이 기계적 성능을 회복한 것이다.

연구팀은 손상 후 전기적 기능의 회복도 확인했다. 이온젤을 연결한 발광다이오드 회로는 소재를 절단하면 꺼졌다가 절단면을 다시 연결하면 점등됐으며, 자가치유 전후의 임피던스 측정에서도 전기적 특성이 회복되는 것으로 나타났다.

이러한 특성을 바탕으로 연구팀은 물체를 보호하면서 압축 상태를 전기 신호로 알려주는 감지형 포장 인터페이스를 구현했다. ZESTI는 날카로운 구조와 접촉하는 조건에서 안정적인 감지 응답을 보였으며, 인위적인 손상 후에도 자가치유를 통해 신호를 회복했다. 서로 다른 크기의 물체를 구분하는 실험에서는 자가치유 전 96.6%, 자가치유 후 93.1%의 분류 정확도를 기록했다.

인체 움직임을 감지하는 신축성 센서로서의 활용 가능성도 확인했다. ZESTI 기반 센서는 손가락과 팔꿈치의 굽힘, 웃음에 따른 얼굴 움직임을 구분했으며, 50% 인장 조건에서 1000회 반복 측정하는 동안 신호 저하가 거의 나타나지 않았다. 이는 반복적인 변형과 손상에 노출되는 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 보여준다.

또한 하나의 분자 설계 전략으로 기계적 내구성, 상온 자가치유, 이온 전달 기능을 함께 확보했다는 점에서 의미가 있다. 향후 손상 후에도 기능을 회복하는 웨어러블 센서와 전자피부, 상태 감지형 보호 소재 등 내구성과 복구 능력이 요구되는 유연 전자기기 개발에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 한양대학교 김도환 교수가 교신저자로 참여했으며, 공진연 박사, 김지홍 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 스프링거 네이처(Springer Nature)가 발행하는 나노·마이크로 소재 및 기술 분야 국제학술지 ‘Nano-Micro Letters’에 게재됐다.

논문: https://doi.org/10.1007/s40820-026-02318-1