고분자 나노선 배열 규명, 전기 성능과 신축성은 어떻게 조절할까

광주과학기술원(GIST) 이은지 신소재공학과 교수 연구팀이 고분자 나노선 내부의 분자 배열을 관찰하고, 구성 성분을 나눠 전기적 성능과 신축성을 조절할 근거를 제시했다.

전기가 통하는 고분자 P3HT는 유연하거나 늘어나는 전자기기에 쓰일 수 있지만, 전하 이동에 유리한 구조와 변형을 견디는 구조가 어떻게 다른지 알아야 성능을 설계할 수 있다.

P3HT가 용액에서 자기조립하면 규칙적인 결정성 나노선과 자기조립에 참여하지 않은 고분자 사슬이 함께 남는다.

연구팀은 입자 크기와 밀도에 따른 침강 속도 차이를 이용해 원심분리했고, 결정성 나노선은 주로 침전물에, 고분자 사슬은 주로 상층액에 모았다.

시료를 빠르게 얼려 구조를 보존한 뒤 초고해상도 극저온 투과전자현미경으로 개별 나노선을 분석했다.

침전물과 상층액의 나노선은 분자끼리 가까이 놓이는 π-π 배열에서는 비슷했지만, 분자층이 규칙적으로 쌓이는 층상 배열은 달랐다.

각 분획에서 나노선 50개씩을 분석했을 때 층상 배열의 규칙성이 유지되는 길이는 침전물 18.3nm, 상층액 9.9nm였다.

반면 π-π 배열이 유지되는 길이는 각각 16.1nm와 16.4nm로 비슷했다.

분획별 소재로 유기 전계효과 트랜지스터를 만들자 침전물 쪽 소자의 정공 이동도는 상층액 소자보다 약 67배 높았다.

하지만 늘어나는 기판 위에 막을 만들고 기판을 20% 늘렸을 때는 침전물만 쓴 막의 균열 면적이 1.94%였고, 침전물과 상층액을 질량비 2 대 8로 섞은 막은 0.92%였다.

전하 이동에 유리한 성분과 변형을 받아들이는 사슬을 배합해 성능과 신축성의 균형을 바꿀 수 있다는 결과다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 2026년 10월 5일 온라인 게재됐다.