"미세 금속 박막 '수면' 위에서 재현…新 나노 인쇄술 개발"

복잡한 금속회로를 수면 위에서 3차원 표면에 덧입히는 새로운 개념의 나노 인쇄술이 개발됐다. 이 인쇄술은 접착제 등이 필요하지 않은데다, 표면 손상 없이 전사하는 것이 가능해 첨단산업 분야에서 다양하게 활용될 것으로 기대된다.

금속 박막 나노구조 수중 부유 기술 및 전사 공정 모식도. KAIST

KAIST는 기계공학과 박인규 석좌교수 연구팀이 한국기계연구원(KIMM) 정준호 박사팀·고려대 안준성 교수팀과 공동으로 '수면 부유 나노전사 인쇄(WF-nTP)' 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

WF-nTP는 물 위에 띄운 정밀 금속 박막(나노 구조물)을 3차원 표면에 옮겨 부착할 수 있게 한다.

먼저 공동연구팀은 고분자(폴리머) 틀 위에 금(Au)·백금(Pt)·팔라듐(Pd)·니켈(Ni) 등 20㎚ 두께의 금속 박막을 증착한 후 이온화된 기체 상태의 고에너지 물질인 '플라즈마'를 이용해 틀의 일부를 선택적으로 제거했다.

또 구조물을 물에 넣었을 때 미세한 틈 사이로 물이 스며들어 금속 박막이 원래 형태대로 물 위에 떠 오르게 하고, 물 위에 떠 오른 박막 아래로 원하는 물체를 담갔다가 들어 올리는 '국자질' 방식으로 금속 회로를 전사했다.

이후 물기가 마르면서 생기는 모세관력(좁은 공간에서 액체가 이동하는 힘)이 회로를 표면에 밀착시키면서 분자 간 인력으로 접착제 없이 단단하게 고정되는 게 WF-nTP 구현 원리다.

공동연구팀은 기존 나노전사 인쇄(nTP)의 한계를 해결하기 위해 '금속 회로를 물 위에 띄우는' 새로운 접근법을 고안했다.

nTP는 미세 전자회로를 다른 표면에 옮길 때 고열과 압력 그리고 접착제(또는 화학용매)가 필요하다. 이 때문에 열과 압력에 취약한 생체 조직과 복잡한 곡면에는 nTP 기술을 적용하기 어려웠다.

이와 달리 WF-nTP는 nTP의 한계를 극복, 첨단산업 분야에서 다양하게 활용될 수 있다는 게 공동연구팀의 설명이다.

(왼쪽부터) KAIST 기계공학과 박인규 교수, KAIST 기계공학과 박사과정 강병호, 한국기계연구원 정준호 책임연구원, 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수. KAIST

실제 공동연구팀은 물을 강하게 튕겨내는 연잎 등 소수성(물을 잘 흡수하지 않는 성질) 표면에도 회로를 성공적으로 전사했다. 물에 소량의 에탄올을 첨가해 표면장력(액체 표면이 수축하려는 힘)을 낮추는 방식으로 기존 nTP의 한계를 극복했다.

WF-nTP는 나노 패턴의 형태를 그대로 유지하면서 다양한 표면에 적용할 수 있는 게 가장 큰 장점으로 꼽힌다.

공동연구팀은 이를 활용해 식물 잎과 과일 표면에 부착하는 표면증강 라만 산란(SERS·극미량의 화학물질을 고감도로 검출하는 분석 기술) 센서를 제작, 이를 통해 레몬과 오렌지 표면에서 농약 성분인 티람(thiram)을 검출하는 데도 성공했다.

또 신축성이 뛰어난 열가소성 폴리우레탄(TPU) 섬유 위에 팔라듐(Pd) 그물망을 전사해 착용 가능한 고성능 수소 가스 센서도 구현했다.

박 석좌교수는 "WF-nTP는 기존 나노전사 인쇄의 한계를 극복해 살아있는 식물 잎과 피부처럼 민감한 표면에도 접착제 등의 사용 없이 나노 패턴을 그대로 재현할 수 있게 한다"며 "농작물을 훼손하지 않고, 농약을 측정하는 스마트 농업부터 차세대 로봇 전자피부에 이르기까지 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 기계공학과 강병호 박사과정이 제1 저자로 참여다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr