김연수 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 외부 자극에 반응하여 형태, 물성, 기능이 능동적으로 변하는 기능성 하이드로젤과 이를 기반으로 한 소프트 액추에이터 개발이다. 연구실은 생체 조직의 유연함과 물리화학적 적응성을 모사하는 고분자 네트워크를 설계하여, 단순히 젤을 만드는 수준을 넘어 스스로 조절하고 움직일 수 있는 재료 시스템으로 확장하고자 한다. 특히 온도, 이온, 전기장, 화학연료 등 다양한 자극에 반응하는 하이드로젤의 거동을 정밀하게 제어함으로써 생체모방형 동적 재료의 구현을 지향한다. 이 연구는 논문과 과제에서 확인되듯이 이방성 전기적 구조, 유전율 전환, 자가조절 피드백, 비평형 상태 구동 메커니즘 등 고도화된 재료 설계를 포함한다. Nature Materials에 발표된 열응답 구동 하이드로젤 연구는 전기적 이방성과 유전 특성 변화를 활용해 능동적 변형을 유도한 대표 사례이며, 이후 Chemical Reviews의 self-regulating hydrogel actuators 관련 성과는 자율성·적응성·지능성을 갖는 차세대 소프트 물질로 연구 방향이 심화되고 있음을 보여준다. 또한 생체모방형 고분자 하이드로젤 액추에이터 개발 과제를 통해 에너지 변환, 반복 구동 안정성, 구조적 이방성 제어를 통합적으로 다루고 있다. 이러한 연구는 소프트 로보틱스, 적응형 센서, 자가구동 시스템, 형태변환 디바이스 등 미래형 응용으로 이어질 가능성이 크다. 연구실은 단순한 자극응답성 소재를 넘어 환경 변화를 인식하고 이에 맞게 작동 양상을 조절하는 자율 재료 플랫폼을 구축하려는 방향을 보인다. 장기적으로는 인공근육, 웨어러블 장치, 미세구동 소자, 생체친화형 인터페이스와 같은 분야에서 높은 파급효과를 갖는 핵심 원천기술로 발전할 수 있다.

연구실은 생체 조직과 전자소자 사이의 기계적·전기적 간극을 줄이기 위한 전도성 하이드로젤 개발에도 강점을 보인다. 기존의 딱딱한 전극 재료는 연성 조직과의 물성 차이로 인해 손상, 염증, 신호 불안정성을 유발할 수 있는데, 이를 해결하기 위해 조직과 유사한 점탄성과 높은 순응성을 가지면서도 충분한 전기전도성과 접착성을 확보한 하이드로젤 전극을 설계하고 있다. 이러한 접근은 차세대 바이오일렉트로닉스와 신경 인터페이스 구현에 직접적으로 연결된다. Advanced Materials에 보고된 연구에서는 흑연 박리와 쯔비터이온성 단량체의 중합을 결합한 공정을 통해 전도성, 점착성, 비팽윤성, 점탄성을 동시에 갖는 하이드로젤을 구현하였다. 이 소재는 수분 환경에서도 형태 안정성을 유지하고, 생체 조직에 밀착되며, 세포독성 및 조직적합성 평가를 통과한 점에서 실질적인 이식형 소재로서의 가능성을 입증했다. 나아가 쥐의 좌골신경에 이식하여 낮은 전류로 신경조절을 시연함으로써, 연구가 재료 설계에 머물지 않고 실제 생체전자 응용까지 확장되었음을 보여준다. 이 연구의 의의는 생체조직-전자계면의 품질을 향상시키는 데 있다. 전극이 조직을 따라 부드럽게 변형되고 안정적으로 부착될수록 신호 전달 효율과 장기적 사용 안정성이 향상되며, 의료기기 사용 시 부작용을 줄일 수 있다. 앞으로 해당 기술은 신경자극 전극, 웨어러블 바이오센서, 조직재생용 전기자극 플랫폼, 이식형 진단 및 치료 시스템 등에서 중요한 기반 소재로 활용될 가능성이 높다.

김연수 연구실은 기능성 고분자를 에너지 분야로 확장하여, 리튬 이차전지와 고온 연료전지에 적용되는 이온전도성 고분자 바인더 및 전해질 소재를 개발하고 있다. 이 연구는 고분자의 기계적 유연성, 계면 접착력, 이온 수송 특성을 정밀하게 조합하여 고에너지밀도 전극과 고온 구동 전기화학 시스템의 성능을 동시에 향상시키는 데 초점을 둔다. 즉, 고분자를 단순 보조재가 아니라 전극 구조 안정화와 계면 제어를 담당하는 핵심 기능성 재료로 재정의하고 있다. 관련 논문과 특허에서는 이온성 고분자 바인더가 활물질 주변에 가역적 전하 네트워크와 수소결합 기반 상호작용을 형성하여, 고용량 전극의 부피 팽창과 응력을 효과적으로 완화하는 전략이 제시된다. Advanced Materials에 보고된 초고하중 전극용 탄성 이온전도성 고분자 바인더는 접착성, 탄성, 이온전도도를 동시에 확보하여 고질량 로딩 조건에서도 우수한 전기화학 성능과 구조적 안정성을 가능하게 했다. 또한 고온 PEMFC 관련 대형 과제에서는 200℃ 이상에서 작동 가능한 고내열성 고분자 전해질, 이오노머, 막전극접합체 개발을 추진하며 수소 모빌리티 확장에 기여하고 있다. 이 연구는 차세대 에너지 시스템의 실용화에 직접적인 의미를 가진다. 전지 분야에서는 고에너지밀도 구현을 위한 두꺼운 전극 설계가 중요하지만, 균열과 계면 열화가 큰 문제가 되는데 기능성 고분자 바인더는 이를 해결할 수 있는 핵심 해법이 된다. 연료전지 분야에서도 고온 안정성과 이온전도성을 동시에 만족하는 고분자 소재는 시스템 효율 향상과 운전 조건 확대에 필수적이다. 따라서 연구실의 성과는 전기차, 저장장치, 수소 에너지 시스템 등 미래 에너지 산업 전반으로 확장 가능한 기반 기술로 평가된다.

최근 연구실은 기존 하이드로젤 개념을 확장한 글라이콜젤 기반 소재 개발을 통해 디스플레이와 생체재료 응용을 동시에 개척하고 있다. 글라이콜을 용매로 활용한 젤은 수계 젤과는 다른 열적 안정성, 용매 상호작용, 분자 포집 능력을 제공할 수 있으며, 이를 통해 기존 고분자젤이 갖기 어려운 새로운 기능 조합을 구현할 수 있다. 연구실은 이러한 재료 플랫폼을 이용해 구조적 안정성과 기능성을 동시에 갖는 융합형 소자를 설계하고 있다. 형상가변 디스플레이 과제에서는 유리전이온도 분포를 광 기반으로 제어하고, 폴리이미드 semi-IPN 구조를 활용하여 물성이 강화된 이중상 글라이콜젤을 개발하고 있다. 이는 신축 디스플레이, 프리폼 디스플레이, 마이크로LED 기반 차세대 폼팩터 구현에 필요한 핵심 소재 기술로 볼 수 있다. 한편 생체재료 응용 과제에서는 점액의 물리적 가교 특성을 모사한 글라이콜젤을 설계하여 냄새 분자 포집, 약물 담지, 이온 전달 제어 기능을 부여하고, 비강 적용을 통한 후각 기능 보조 소재로의 활용 가능성을 탐색하고 있다. 이 연구는 전자재료와 바이오재료를 하나의 고분자 플랫폼으로 연결한다는 점에서 의미가 크다. 즉, 동일한 재료 설계 철학이 인간-기계 인터페이스와 인체 적용형 소재 양쪽에 모두 적용되고 있으며, 이는 향후 웨어러블/이식형 디스플레이, 감각보조 소재, 맞춤형 약물전달 시스템 등으로 발전할 수 있다. 또한 고분자의 상분리 구조, 열전이 제어, 분자 확산 특성을 정밀 설계하는 능력이 연구실의 중요한 경쟁력으로 작용하고 있다.