국내 연구진이 물 위에 떠 있는 금속 나노 회로를 원하는 표면에 그대로 옮겨 붙이는 신개념 나노 인쇄 기술을 개발했다.

 

KAIST는 기계공학과 박인규 석좌교수 연구팀이 한국기계연구원 정준호 박사팀, 고려대학교 안준성 교수팀과 공동으로 ‘수면 부유 나노전사 인쇄’ 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

 

이번 기술은 정밀 금속 박막을 물 위에 띄운 뒤 식물 잎, 과일, 곡면 렌즈, 신축성 섬유 등 다양한 3차원 표면에 손상 없이 전사하는 방식이다. 스마트 농업, 웨어러블 헬스케어, 생체전자공학, 차세대 로봇 전자피부 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

기존 나노전사 인쇄 기술은 전자소자와 센서 제작에 활용돼 왔지만, 높은 열과 압력, 강한 접착제, 화학용매가 필요한 경우가 많았다. 이 때문에 열과 압력에 약한 생체 조직이나 복잡한 곡면, 식물 잎처럼 민감한 표면에는 적용하기 어려웠다.

 

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘금속 회로를 물 위에 띄운다’는 방식에 주목했다. 고분자 틀 위에 금, 백금, 팔라듐, 니켈 등 금속을 매우 얇게 증착한 뒤 플라즈마를 이용해 틀 일부를 선택적으로 제거했다.

 

이 구조물을 물에 넣으면 미세한 틈 사이로 물이 스며들면서 두께 20나노미터 수준의 금속 박막이 원래 형태를 유지한 채 물 위로 떠오른다.

 

전사 과정은 물체를 물속에 담갔다가 천천히 들어 올리는 ‘스쿠핑’ 방식으로 이뤄진다. 물 위에 떠 있는 금속 박막 아래로 원하는 물체를 넣고 끌어올리면 박막이 표면에 붙는다. 이후 물이 마르면서 발생하는 모세관력이 회로를 표면에 밀착시키고, 물이 완전히 증발하면 분자 간 인력이 작용해 접착제 없이도 고정된다.

 

연구팀은 물을 잘 튕겨내는 연잎 같은 소수성 표면에도 회로를 전사하는 데 성공했다. 물에 소량의 에탄올을 넣어 표면장력을 낮춤으로써 기존 기술의 한계를 보완했다.

 

이번 기술은 나노 패턴 형태를 유지하면서 다양한 표면에 적용할 수 있다는 점에서 활용성이 크다. 연구팀은 식물 잎과 과일 표면에 부착하는 표면증강 라만 산란 센서를 제작해 레몬과 오렌지 표면에서 농약 성분인 티람을 검출했다.

 

또 신축성이 뛰어난 열가소성 폴리우레탄 섬유 위에 팔라듐 그물망을 전사해 착용 가능한 고성능 수소 가스 센서를 구현했다. 해당 센서는 산업 안전 기준치보다 낮은 1% 농도의 수소 가스를 안정적으로 감지했으며, 다른 가스에는 거의 반응하지 않는 선택성도 보였다.

 

박인규 KAIST 석좌교수는 “이번 기술은 기존 나노전사 인쇄가 가진 기판의 한계를 뛰어넘어 살아있는 식물 잎이나 피부처럼 민감한 표면에도 접착제와 열 없이 나노 패턴을 옮길 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

 

이어 “농작물을 훼손하지 않고 농약을 측정하는 스마트 농업부터 착용형 건강 모니터링 기기, 생체전자소자, 차세대 로봇 전자피부에 이르기까지 다양한 분야에 활용될 수 있다”며 “향후 웨어러블 센서와 생체전자공학 분야의 핵심 플랫폼 기술로 발전할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

이번 연구는 KAIST 기계공학과 강병호 박사과정이 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 3월 30일 게재됐다.

 

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업과 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원 알키미스트 프로젝트 지원을 받아 수행됐다.

 

헬로티 이동재 기자 |