열·접착제 없이 물만으로…KAIST, 나노 인쇄술 개발

나노 회로 3차원 전사 기술 세계 첫 선

KAIST·KIMM·고려대 공동 연구

스마트 농업·웨어러블 헬스케어 등 활용 기대

KAIST가 금속 나노 회로를 물 위에 띄운 뒤 식물 잎, 과일 껍질, 곡면 렌즈 등 다양한 3차원 표면에 손상 없이 옮겨 붙이는 ‘수면 부유 나노전사 인쇄(WF-nTP)’ 기술을 개발했다. ⓒKAIST

KAIST가 금속 나노 회로를 물 위에 띄운 뒤 식물 잎, 과일 껍질, 곡면 렌즈 등 다양한 3차원 표면에 손상 없이 옮겨 붙이는 ‘수면 부유 나노전사 인쇄(WF-nTP)’ 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

KAIST 기계공학과 박인규 석좌교수 연구팀이 한국기계연구원(KIMM) 정준호 박사팀, 고려대학교 안준성 교수팀과 공동으로 개발한 이 기술은 기존 방식에서 필수였던 열·압력·접착제·유독 용매를 모두 없앤 것이 특징이다.

기존 나노전사 인쇄(nTP) 기술은 고온 열처리나 강한 접착제, 화학용매를 써야 했기 때문에 열과 압력에 약한 생체 조직이나 곡면 기판에는 적용하기 어려웠다. 연구팀은 이 한계를 ‘금속 회로를 물 위에 띄운다’는 방식으로 돌파했다.

연구팀은 폴리머 틀 위에 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등을 두께 20나노미터(nm, 10억 분의 1미터)로 얇게 쌓은 뒤 플라즈마로 틀의 일부를 선택적으로 깎아냈다.

이 구조물을 물에 넣으면 생긴 빈 공간으로 물이 스며들며 금속 박막이 원형을 유지한 채 수면 위로 떠오른다. 이어 옮기고자 하는 물체를 물속에 담갔다 천천히 들어 올리는 ‘국자질(scooping)’ 방식으로 박막을 표면에 전사한다.

왼쪽부터 카이스트 기계공학과 박인규 교수, 카이스트 기계공학과 박사과정 강병호, 한국기계연구원 정준호 책임연구원, 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수 ⓒKAIST

물기가 마르면서 발생하는 모세관력이 박막을 표면에 끌어당기고, 물이 완전히 증발하면 분자 간 인력(반데르발스 힘)이 작용해 접착제 없이도 단단히 고정된다.

물을 강하게 튕겨내는 연잎 같은 소수성 표면에는 물에 소량의 에탄올을 섞어 표면장력을 낮추는 방식으로 전사에 성공했다. 이 과정을 반복하면 여러 층을 차곡차곡 쌓는 것도 가능하다.

연구팀은 이 기술로 두 가지 응용을 직접 시연했다. 레몬과 오렌지 표면에 표면증강 라만 산란(SERS) 센서를 부착해 농약 성분인 티람(thiram)을 검출했다.

또 신축성 열가소성 폴리우레탄(TPU) 섬유 위에 팔라듐 그물망을 전사해 산업 안전 기준치보다 낮은 1% 농도의 수소 가스를 감지하는 웨어러블 센서를 구현했다. 이 센서는 일산화탄소·황화수소·이산화질소 등 다른 가스에는 거의 반응하지 않아 높은 선택성을 확인했다.

이번 연구는 KAIST 기계공학과 강병호 박사과정이 제1저자로 참여했다. 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 3월 30일 온라인 게재됐다.

박인규 석좌교수는 “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 말했다.