고려대-노스웨스턴대, 전기로 순간 가열해 다기능 나노필름 제작

고려대 연구진이 별도의 복잡한 전처리 없이 짧은 시간에 다기능 탄소 나노필름을 찍어내듯 제작할 수 있는 공정을 개발했다고 30일 밝혔다. 고려대 기계공학부 최원준 교수 연구팀은 미국 노스웨스턴대 공동연구팀과 함께 테플론(PTFE, 물과 기름이 잘 묻지 않는 고분자 소재)이 포함된 탄소 종이에 전기를 짧은 시간 흘려 순간적으로 가열하는 ‘전기 발열 스탬핑 공정(EATS)’을 개발했다. 이 공정은 가열 과정에서 탄소층이 자연스럽게 분리되며, 공정 조건에 따라 환원 그래핀(rGO, 전기 전도성이 우수한 탄소 기반 소재)과 테플론을 각각 단일 필름으로도, 서로 결합한 복합 나노필름으로도 기판 위에 얇게 형성할 수 있다. 제작된 필름은 발수 코팅, 에너지 수확(주변 환경의 기계적 자극을 전기로 변환), 습도 감지 기능을 한 장으로 구현할 수 있다.

하나의 공정으로 소재 조성과 기능 제어

박막 형태의 소자는 얇은 전자회로, 방열 소재, 기능성 코팅, 에너지 저장 및 생산 등 다양한 분야에서 활용된다. 그러나 기존 소자는 여러 단계의 복잡한 공정과 정밀한 조건 제어가 필요해 제작 부담이 컸다. 특히 환원 그래핀과 테플론은 각각 제조 조건이 달라 하나의 공정으로 결합하기가 어려웠다.

연구팀이 개발한 전기 발열 스탬핑 공정은 필요한 위치에 필름을 직접 전사하듯 형성할 수 있는 것이 특징이다. 별도의 복잡한 전처리나 후속 공정 없이, 전기를 흘려 순간적으로 가열하는 것만으로 나노필름이 완성된다. 공정 조건만으로 소재 조성과 기능을 정밀하게 제어할 수 있어, 향후 다양한 기능성 박막 소자 제작의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

실험 결과, 제작된 나노필름은 조성에 따라 발수성을 조절할 수 있었으며, 물방울 접촉각(물방울이 표면에 닿았을 때 만드는 각도로, 클수록 발수성이 강함)은 44.3°에서 최대 109.8°까지 구현됐다. 접촉각이 클수록 물방울이 표면에 잘 퍼지지 않는 특성을 보여, 필름 조절을 통해 다양한 수준의 발수 코팅 적용이 가능함을 확인했다.

에너지 수확과 습도 감지 성능 입증

에너지 수확 실험에서는 최대 10.11 mW·cm⁻³의 전력 밀도(단위 부피당 생성되는 전력량)를 기록해, 박막 형태의 에너지 수확 소자로서의 가능성을 확인했다. 주변 환경에서 발생하는 기계적 자극을 전기에너지로 변환해 활용할 수 있다는 의미다.

습도 감지 기능은 상대습도 50~100% 범위에서 안정적으로 작동해, 환경 변화에 따라 반응하는 센서 성능도 입증됐다. 하나의 공정으로 발수 코팅, 에너지 수확, 센서 기능을 모두 구현할 수 있다는 점에서 차세대 기능성 소재로 주목받고 있다.

이번 연구는 재료과학 분야의 세계적인 학술지 ‘Advanced Materials'(IF=26.8, 상위 2.1%) 온라인에 1월 8일 게재됐다. 연구는 한국 국방과학연구소 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원 소재부품기술개발사업과 미국 국립과학재단의 지원을 받아 수행됐다.