- 스마트팜·웨어러블 헬스케어·전자피부 활용
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| 초미세 회로를 옮겨 부착하는 나노 인쇄기술 이미지.(AI생성 이미지).[KAIST 제공] |
[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 초미세 회로를 원하는 표면에 옮겨 부착할 수 있는 신개념 나노 인쇄기술을 개발했다. 이를 활용하면 스마트팜, 웨어러블 헬스케어, 로봇 전자피부 등 다양한 분야에 활용 가능할 전망이다.
KAIST는 기계공학과 박인규 석좌교수 연구팀이 한국기계연구원(KIMM) 정준호 박사팀, 고려대학교 안준성 교수팀과 공동으로 물 위에 띄운 정밀 금속 박막을 다양한 3차원 표면에 그대로 옮기는 ‘수면 부유 나노전사 인쇄’ 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
전자소자와 센서 제작에 활용되는 기존 나노전사 인쇄는 높은 열과 압력, 강한 접착제 또는 화학용매가 필요했다. 이 때문에 열과 압력에 약한 생체 조직이나 복잡한 곡면에는 적용하기 어려웠다.
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.
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| 이번 연구를 수행한 공동 연구진. 박인규(왼쪽부터) KAIST 기계공학과 교수, 강병호 KAIST 기계공학과 박사과정, 정준호 한국기계연구원 박사, 안준성 고려대학교 세종캠퍼스 교수.[KAIST 제공] |
이 기술은 스마트팜 분야에서는 작물 잎에 직접 부착한 전극으로 식물의 수분·영양 상태와 생장 신호를 실시간으로 모니터링하는 농업 IoT 센서로 활용할 수 있다. 농약을 뿌린 잎이나 과일의 잔류물을 따지 않고 현장에서 비파괴로 즉시 검사하는 SERS 센서로 활용이 가능하다.
웨어러블 헬스케어 분야에서는 신축성 섬유 위에 옮긴 박막을 활용해 일상복 형태의 스마트 의류, 피부 부착형 심전도·체온 모니터링 패치, 산업 현장용 수소 누출 감지 의류 등으로 구현할 수 있다.
의료·바이오 분야에서는 피부에 직접 전사하는 전자피부, 수술 후 재활 모니터링 패치 등 생체 친화적 의료기기로 활용 가능하다.
박인규 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 “세포 단위 연구에서 세포에 전기 자극을 가하거나, 생장 상태를 모니터링하고, 약물 전달 반응을 확인하는 등 바이오 영역으로 확장이 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.
