우리학과 계면과학및유변학연구실(김규한 교수 연구팀)이 오직 물로만 이루어진 물-물 에멀젼(Water-in-water emulsion)이라는 새로운 제형을 개발하고 이를 기반으로 한 전-수성 겔(All-aqueous gel)을 달성하여, 재료 과학 분야 저명 국제학술지인 ‘Materials Horizons’ (IF: 12.2, JCR 상위 8.8 % 이내)에 논문을 성공적으로 게재했다. 특히, 1저자로 참여한 이은석 박사과정은 논문의 독창성 및 우수성을 인정받아, 관련 분야 학술대회(한국고분자학회, 한국공업화학회, 대한화장품학회)에서 수상되는 쾌거를 이루어내었다.

▲내부 구조의 상호연결성을 미세 조정할 수 있는 가공 가능한 All-aqueous gel의 모식도 (왼쪽), 

부피분율이 95% 이상인 W/W HIPE의 광학 이미지 및 CLSM 이미지와 All-aqueous gel의 CLSM 이미지 및 SEM 이미지 (오른쪽)

에멀젼이란 액체 속에 다른 액체가 분산되어 있는 제형을 일컫는데, 화장품, 약품, 식품 등에서 그동안 널리 활용되어 왔다. 그 중에서도 물-물 에멀젼은 기름 없이 오직 물로만 구성된 에멀젼 형태로서 높은 생체적합성과 친환경성을 갖추고 있어 상당한 주목을 받아왔지만, 낮은 안정성과 가공성으로 인해 실질적인 활용에는 한계가 있었다. 

본 연구에서는 물-물 계면에서 콜로이드 입자의 거동 메커니즘을 분석하여, 물-물 에멀젼의 낮은 안정성의 근본 원인을 규명하고, 이를 해결하는 새로운 기술을 개발했다. 그 결과, 1년 이상의 극대화된 에멀젼 안정성을 구현했으며, 최초로 내부상 부피 분율이 95% 이상인 물-물 고 내부상 에멀젼(Water-in-water high internal phase emulsion)을 달성하였다. 또한, 연속상을 중합하여 실시간으로 전-수성 겔을 제작하는 기술을 개발하였으며, 내부 구조 조절 역시 미세하게 조절 가능함을 보였다.
이러한 연구 성과는 약물 전달 시스템, 조직 공학, 화장품, 심지어는 전해질 소재 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높으며, 이는 물-물 에멀젼의 활용성을 높일 뿐만 아니라 이를 기반으로 제작한 다공성 고분자 소재의 활용성 역시 높이는 토대가 될 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단과 교육부의 지원을 받아 수행되었다. (논문 링크: 10.1039/D4MH00924J)

또한, 김규한 교수 연구팀은 카이스트 최시영 교수 연구팀 및 한국화학연구연 김종민 박사와의 공동연구를 통하여 나노 입자로 구성된 완전한 비대칭적 다층 필름을 만들기 위한 능동적 계면 층화 공정에 대한 연구를 수행하여, ‘Small’ (IF: 13.0, JCR 상위 7.9 % 이내)에 논문을 성공적으로 게재했다. 특히, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정되었다.

▲Small 논문 표지(왼쪽), 나노 입자를 활용한 완전 층상 필름 공정 모식도 
및 SEM 이미지와 구리 와이어를 통한 투명 전극 제작(오른쪽)

완전한 비대칭 다층 필름은 고성능과 다기능성을 제공하지만, 완전히 비대칭적으로 형성된 다층구조의 입자 필름을 얻는 것은 매우 어렵다. 또한, 기존의 층별 코팅 방식은 공정이 복잡하고 시간도 오래 걸리는 한계를 나타내는 반면, 본 연구에서는 디플리션 힘(Depletion Pressure)를 활용하여 단순한 계면 압축 공정만으로 완전한 비대칭적 다층 구조를 형성하는 혁신적인 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면, 공기-물 계면에서 서로 다른 성질을 가진 나노 입자들이 능동적으로 균일한 층을 형성하도록 유도할 수 있으며, 고분자층과 나노 입자들이 결합된 복합 필름도 제작 가능하다. 특히, 전도성 나노 와이어를 활용한 투명 전극을 구현하여, 전자소재 개발에 새로운 가능성을 확인했다.
이 기술은 빠르고 간단하며, 다양한 나노 입자 및 고분자 소재에 적용할 수 있어 범용성이 뛰어난 점이 가장 큰 장점이다. 이러한 연구 성과는 전도성 투명 전극, 투명 디스플레이, 약물캡슐화 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대되며, 비대칭 다층 필름 관련 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단과 한국화학연구원 및 교육부의 지원을 받아 수행되었다. (논문 링크: 10.1002/smll.202404348)

계면과학 및 유변학 연구실(IER Lab) 홈페이지: https://ierlseoultech.weebly.com/