[쿠키과학] 물 위에 띄운 금속 회로, 식물 잎에 붙인다

KAIST, 한국기계연구원(이하 기계연), 고려대 공동 연구진이 물 위에 띄운 금속 회로를 식물 잎이나 과일, 곡면 렌즈 같은 다양한 표면에 그대로 옮겨 붙이는 신개념 나노 인쇄 기술을 선보였다.

이 기술은 열, 압력, 접착제 없이도 초미세 회로를 손상 없이 전사할 수 있어 스마트 농업과 웨어러블 헬스케어 분야의 차세대 센서 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다

KAIST 기계공학과 박인규 교수팀은 기계연 정준호 박사팀, 고려대 안준성 교수팀과 공동연구로 ‘수면 부유 나노전사 인쇄(WF-nTP)’ 기술을 개발했다.

전자회로나 각종 센서를 만들 때 쓰는 기존 나노전사 인쇄 기술은 높은 열과 압력, 강한 접착제나 화학용매가 필요해 식물이나 피부처럼 민감한 표면에는 적용하기 어려웠다.

공동연구팀은 얇은 고분자 틀 위에 금과 백금, 팔라듐, 니켈 같은 금속을 증착한 뒤 플라즈마 공정으로 틀 일부를 깎아냈다.

이후 구조물을 물에 넣자 물이 미세한 틈으로 스며들면서 두께 20나노미터의 금속 박막이 형태를 유지한 채 스스로 물 위에 떠올랐다.

연구팀은 물 위에 떠 있는 박막 아래로 원하는 물체를 넣었다가 천천히 들어 올리는 ‘스쿠핑’ 방식으로 회로를 옮겼다.

물이 마르면서 생기는 모세관력이 회로를 표면에 밀착시키고, 물이 완전히 증발하면 분자 사이 인력이 작용해 접착제 없이도 단단히 고정됐다.

이 기술은 물을 잘 튕겨내는 연잎 같은 소수성 표면에도 적용했다.

연구팀은 물에 소량의 에탄올을 섞어 표면장력을 낮추는 방법으로 기존 전사 기술의 한계를 극복했다.

연구팀은 식물 잎과 레몬, 오렌지 표면에 표면증강 라만 산란(SERS) 센서를 부착해 농약 성분인 티람을 검출했다.

표면증강 라만 산란은 금속 나노구조를 이용해 극미량 화학물질을 고감도로 분석하는 기술이다.

또 신축성이 뛰어난 열가소성 폴리우레탄(TPU) 섬유 위에 팔라듐 박막을 전사해 착용형 수소 가스 센서를 구현했다.

이 센서는 낮은 농도의 수소를 안정적으로 감지해 스마트 의류와 산업 안전장비 등에 활용할 수 있다.

박 교수는 “이번 기술은 기존 나노전사 인쇄의 한계를 넘어 식물 잎이나 피부처럼 민감한 표면에도 나노 패턴을 열과 접착제 없이 옮길 수 있다는 점에서 의미가 크다"며 ”스마트 농업과 웨어러블 헬스케어, 생체전자공학, 차세대 로봇 전자피부 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 기계공학과 강병호 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 3월 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 게재됐다.
(논문명: Versatile water-floated nanostructures for three-dimensional nanotransfer printing)

이재형 기자 jh@kukinews.com