서울과기대 화공생명공학과 구형준 교수 연구팀(제1저자 박예진 석사 연구생, 이소현, 김보민 학부 연구생)과 한국생산기술연구원 소주희 박사는 전기 전도성 나노 필러를 함유한 고분자 복합체의 습도에 따른 전도성 변화의 기원을 임피던스 분석을 통해 밝혀냈다. 이 연구 결과는 재료공학 부문 최우수 저널인 'Composites Part B: Engineering (JCR Ranking%: 1.6%, I.F.: 7.635)' 에 'Impedance study on humidity dependent conductivity of polymer composites with conductive nanofillers'라는 제목으로 9월 12일 온라인에 게재되었다.

  

▲(왼쪽부터) 박예진 연구원, 소주희 박사, 구형준 교수

탄소나노튜브와 같은 전기 전도성 나노 필러를 함유한 고분자 나노 복합체는 습도에 따라 전도성이 변하는 성질이 있어 이를 습도 센서로 활용하는 사례가 많다. 흥미롭게도, 그 동안 발표된 연구에서는 이러한 복합체의 전기 전도도가 습도 변화에 비례하거나 반비례하는 두 가지 상반된 경향을 보이는데, 이에 대한 원인을 구체적으로 밝힌 사례는 없었다.

▲필러 함유량이 다른 고분자 복합체에서 나타나는 습도에 대한 비저항 변화의 두 가지 상반된 경향과 각 경우에 대한 Nyquist plot의 형태. 그래프의 경향과 Nyquist plot의 분석을 통해 고분자 복합체의 전기전도 메커니즘을 판단할 수 있다. [그림 제공=서울과학기술대학교 구형준 교수 연구팀]

연구팀은 기존에 발표한 복합체 기반 습도센서 연구에서 서로 다른 습도-전도도 경향성을 보이는복합체의 필러 함량이 다르다는 점을 착안하여 본 연구를 설계하였다. 복합체의 모델로 친수성 아가로스(Agarose) 고분자와 탄소나노튜브 필러의 복합체를 이용하였고, 필러의 함량이 변함에 따라 습도-전도도 경향이 전환되는 것을 확인하였다.
이 후, 다양한 탄소나노튜브 함량과 습도에서 전기화학 임피던스 분석법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 통해 그 원인을 분석했다. 연구진은 각 경우에 예상되는 등가회로 모델을 구축하고, 그에 따른 임피던스 스펙트럼을 실험적, 이론적으로 도출했다. 그 결과, 낮은 필러 함량에서는 이온 전도가, 높은 필러 함량에서는 전자 전도가 복합체의 전도도를 결정하며, 이것이 습도에 따른 복합체의 상반된 전도도 경향의 원인임을 밝혀냈다.

구형준 교수는 "이러한 임피던스 분석 기반의 전기 전도 메커니즘 규명 연구는 향후에 전도성 필러를 함유한 고분자 복합체의 조성 및 물성에 대한 비파괴 분석뿐 아니라 고감도 습도 감지 연구에 응용될 수 있을 것"으로 기대했다. 특히, 본 논문은 학부 연구생 2명이 대학원생과 함께 실험을 주도적으로 수행하였고 1저자로서 논문작성에 참여하여 그 의미가 깊다고 할 수 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 개인기초연구사업과 도전형 나노소재 기술개발사업 지원을 받아 수행되었다.