전북대학교는 김태욱 유연인쇄전자전문대학원(JBNU-KIST 산학연융합학과) 교수팀의 김승연 박사과정생(주저자)이 초음파를 활용해 복잡한 3차원(3D) 구조 기판에 2D 단일결정 금속 나노시트를 단층으로 정밀하게 부착하는 혁신적 코팅 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 나노소재 조립 기술에 새로운 패러다임을 제시한 성과로 평가한다.
연구팀은 기존에 단순 세정 목적으로 쓰이던 초음파 세척기를 혁신적으로 재해석했다. 용액 속의 2D 단결정 구리 나노시트(Cu NS)와 원하는 기판을 초음파 조사 장치에 함께 넣으면, 복잡한 3D 기하구조 위에서도 균일하고 단층의 전도성 필름이 자가조립되는 기술이다.
이 과정은 초음파에 의해 발생하는 캐비테이션 현상을 기반으로 한다. 초음파가 미세 기포의 폭발적 붕괴를 유도해 나노시트를 고속으로 기판 표면으로 밀어내면서 기계적 부착이 이뤄지는 원리다. 특히 나노시트의 넓은 표면적과 단일결정 구조가 기판과의 강력한 접착력(반데르발스 힘)을 극대화해 안정적이고 정밀한 단층 조립이 가능하다.
표면 에너지를 선택적으로 제어함으로써 초음파만으로 마스크 없이 정밀한 나노 패턴 형성까지 성공했다. 공정을 간소화하면서도 고성능 소자 제작의 가능성을 크게 넓혔다.
이 기술을 이용해 연구팀은 유리 모세관에 전도성 구리 나노시트 필름을 코팅하여 3D 튜브형 발열체도 제작했다. 이 발열체는 낮은 전압(2.5V)으로도 60°C의 우수한 발열 성능을 보여 웨어러블 기기 및 유연 전자소자, 바이오 히터 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대한다.
김태욱 교수는 “이번 연구는 단순 세정 장치를 고성능 코팅 도구로 탈바꿈한 강력한 기술 전환의 혁신 사례”라며, “구리뿐 아니라 실버 등 2D 금속 나노소재에도 폭넓게 적용이 가능해 범용성이 높은 플랫폼 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 말했다.
이번 연구는 세계적 권위의 재료과학 학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 최신호에 게재됐다.
한국연구재단의 국가전략기술소재개발사업과 나노커넥트사업, 과학기술사업화진흥원 학·연 협력 플랫폼 구축사업의 지원으로 수행했다. 전북대와 한국과학기술연구원 전북분원, 부산대, 전남대 연구팀이 협력해 이뤄낸 성과다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
