KAIST, 금속 박막을 물 위에 띄워 그대로 옮긴다···차세대 센서 플랫폼

금속 박막 나노구조 수중 부유 기술 및 전사 공정 모식도. [사진=KAIST] 

[이뉴스투데이 백연식 기자] 물 위에 떠 있는 금속 회로를 원하는 표면에 그대로 옮겨 붙이는 기술이 개발됐다. 한국 연구진이 초미세 나노 회로를 식물 잎과 과일은 물론 자동차 곡면과 로봇 표면에도 손상 없이 전사할 수 있는 새로운 기술을 선보였다.

KAIST는 박인규 기계공학과 석좌교수 연구팀이 정준호 한국기계연구원(KIMM) 박사팀, 안준성 고려대학교 교수팀과 공동으로 물 위에 띄운 정밀 금속 박막을 다양한 3차원 표면에 그대로 옮기는 ‘수면 부유 나노전사 인쇄’(WF-nTP, 물 위에 띄운 나노 구조물을 원하는 표면에 옮겨 부착하는 기술) 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

전자소자와 센서 제작에 활용되는 기존 나노전사 인쇄(nTP, 미세 전자회로를 다른 표면으로 옮기는 기술)는 높은 열과 압력, 강한 접착제 또는 화학용매가 필요했다. 따라서 열과 압력에 약한 생체 조직이나 복잡한 곡면에는 적용하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 ‘금속 회로를 물 위에 띄운다’는 새로운 접근법을 제안했다. 연구팀은 고분자(폴리머) 틀 위에 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등의 금속을 매우 얇게 증착한 뒤 플라즈마(이온화된 기체 상태의 고에너지 물질)를 이용해 틀의 일부를 선택적으로 제거했다.

이 구조물을 물에 넣으면 미세한 틈 사이로 물이 스며들면서 두께 20나노미터(nm, 10억 분의 1미터)의 금속 박막이 원래 형태를 유지한 채 스스로 물 위에 떠오른다. 연구팀은 물 위에 떠 있는 박막 아래로 원하는 물체를 담갔다가 천천히 들어 올리는 ‘국자질(scooping)' 방식으로 금속 회로를 전사했다. 이후 물이 마르면서 발생하는 모세관력(좁은 공간에서 액체가 이동하는 힘)이 회로를 표면에 밀착시키고, 물이 완전히 증발하면 분자 간 인력이 작용해 접착제 없이도 단단하게 고정된다.

특히 물을 강하게 튕겨내는 연잎과 같은 소수성(물을 잘 흡수하지 않는 성질) 표면에도 회로를 성공적으로 전사했다. 물에 소량의 에탄올을 첨가해 표면장력(액체 표면이 수축하려는 힘)을 낮춤으로써 기존 기술의 한계를 극복했다.

이번 기술은 나노 패턴의 형태를 그대로 유지하면서 다양한 표면에 적용할 수 있다는 점에서 활용 가능성이 크다. 연구팀은 이를 활용해 식물 잎과 과일 표면에 부착하는 표면증강 라만 산란(SERS, 극미량의 화학물질을 고감도로 검출하는 분석 기술) 센서를 제작했다. 레몬과 오렌지 표면에서 농약 성분인 티람(thiram)을 성공적으로 검출했다. 또한 신축성이 뛰어난 열가소성 폴리우레탄(TPU) 섬유 위에 팔라듐(Pd) 그물망을 전사해 착용 가능한 고성능 수소 가스 센서를 구현하는 데도 성공했다.

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