화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀,

고강도·고강성·고전도성 하이드로겔 및 겔전해질 개발

- 단순한 제조 공정을 통해 매우 높은 강도와 강성을 지닌 하이드로겔 개발

- 이온 전도 특성을 추가해 겔전해질로서 활용성 증명

[사진] 김재윤 교수, 지동환 박사

성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제1저자 지동환 박사)이 김덕준, 박호석 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 단순한 제조공정으로 매우 높은 강도와 강성을 지닌 하이드로겔을 개발하고, 이온 전도성을 추가해 겔전해질로서 활용성을 보였다.

하이드로겔은 물을 다량 함유한 3차원 고분자네트워크로 이루어진 부드러운 소재이다. 최근 수계 에너지저장장치의 기계적·화학적으로 불안정한 전해액/분리막을 대체할 소재로서 반고체형 ‘겔전해질’에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 매우 높은 기계적 물성과 이온전도성을 보유한 하이드로겔 개발이 필요하다

이에 연구팀은 기존의 약하고 부드러운 하이드로겔을 변형하여 기계적 물성이 획기적으로 향상된 하이드로겔을 제조하는 재구조화 공정을 제안했다. 해조류에서 유래한 생체친화적인 알긴산 하이드로겔(프리겔)을 건조하여 얇은 필름을 만들고, 이를 알긴산 고분자의 가교제인 금속 이온 용액에 담그어 추가가교 및 수화를 유도해, 고분자 네트워크가 초고밀집화된 하이드로겔을 제작했다. 재구조화된 하이드로겔은 프리겔의 두께 대비 97% 감소해 아주 얇은 형태로, 단면에서 큰 기공을 보이는 일반적인 하이드로겔과는 달리 매우 균일한 고밀집 구조를 보인다.

강도와 강성이 수십 kPa밖에 되지 않는 기존 하이드로겔과 비교해 재구조화된 하이드로겔은 가교 이온의 종류에 따라 8−57MPa의 인장강도와 94−1,290 MPa의 탄성계수(강성)를 나타내었다. 특히 철(Fe3+) 이온으로 가교된 하이드로겔의 강도와 강성은 초기 프리겔과 비교하여 각각 10,800배, 95,000배 상승했다.

연구팀은 개발한 하이드로겔을 수계 에너지저장장치의 전해액/분리막을 대체해 적용하여 겔전해질로서 특성을 검증했다. 재구조화 하이드로겔은 고농도(1M)의 리튬 이온 용액에서도 외형과 기계적 물성을 유지하고, 동시에 흡수된 리튬 이온으로 높은 이온 전도성을 보였다. 전기/이온전도성 하이드로겔과 이온전도성 하이드로겔이 샌드위치 방식으로 적층된 겔전해질을 제작하여 슈퍼커패시터의 전해액/분리막을 대체해 적용한 결과 장시간의 충방전에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

김재윤 교수는 “인대나 힘줄과 같이 매우 질긴 생체조직과 유사한 물성의 하이드로겔 개발 기초연구로 시작해 겔전해질로의 활용 가능성을 확인하였다. 향후 생체모사 및 에너지 소재 등 다양한 적용 분야의 니즈에 적합한 고기능성 하이드로겔을 제작하여 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.

본 연구 결과는 ‘Superstrong, superstiff, and conductive alginate hydrogels’제목으로 Nature Communications에 5월 31일 게재되었으며, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 산림청/임업연구원의 산림생명자원소재발굴연구사업 지원으로 수행되었다.