전기 발열 스탬핑 공정으로 발수·에너지 수확·습도 감지 기능 구현

고려대학교 기계공학부 최원준 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴대학교 공동 연구팀과 함께 다기능 탄소 나노필름을 짧은 시간 안에 제작할 수 있는 새로운 공정을 개발했다. 해당 공정은 발수 코팅, 에너지 수확, 습도 감지 기능을 하나의 박막 필름으로 구현할 수 있는 방식이다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 학술지 ‘Advanced Materials’에 1월 8일 온라인으로 게재됐다. 논문 제목은 ‘Electrically Assisted Thermal Stamping of Tunable Carbon-Based Nanofilms for Direct Fabrication of Hydrophobic, Energy Harvesting, and Sensing Devices’다.

박막 형태의 소자는 전자회로, 방열 소재, 기능성 코팅, 에너지 저장 및 생산 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 다만 기존 공정은 여러 단계의 복잡한 제작 과정과 정밀한 조건 제어가 필요해 공정 부담이 크다는 한계가 있었다. 특히 환원 그래핀(rGO)과 테플론(PTFE)은 서로 다른 제조 조건이 요구돼 하나의 공정으로 결합하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 테플론이 포함된 탄소 종이에 전류를 짧은 시간 인가해 순간적으로 가열하는 ‘전기 발열 스탬핑 공정(Electrically Assisted Thermal Stamping, EATS)’을 개발했다. 이 공정은 별도의 복잡한 전처리나 후속 공정 없이, 필요한 위치에 필름을 직접 전사하듯 형성할 수 있는 것이 특징이다.

가열 과정에서 탄소층이 자연스럽게 분리되며, 공정 조건에 따라 환원 그래핀 단일 필름, 테플론 단일 필름, 또는 두 소재가 결합된 복합 나노필름을 기판 위에 형성할 수 있다. 실험 결과, 제작된 나노필름은 조성에 따라 발수성을 조절할 수 있었으며 물방울 접촉각은 44.3도에서 최대 109.8도까지 구현됐다. 접촉각 변화에 따라 다양한 수준의 발수 코팅 적용 가능성이 확인됐다. 에너지 수확 실험에서는 최대 10.11 mW·cm⁻³의 전력 밀도를 기록해 박막형 에너지 수확 소자로서의 작동 성능을 확인했다. 또한 습도 감지 기능은 상대습도 50~100% 범위에서 안정적으로 작동해 환경 변화에 따른 센서 반응 특성이 검증됐다.

이번 연구는 하나의 공정으로 다기능 탄소 나노필름을 구현할 수 있는 제작 방식을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다. 공정 조건 조절을 통해 소재 조성과 기능을 제어할 수 있어 다양한 박막 소자 제작 공정에 적용 가능성이 있다.

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연구는 한국 국방과학연구소 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원의 소재부품기술개발사업, 미국 국립과학재단(NSF)의 SHyNE 연구자원 및 MRSEC 프로그램, 노스웨스턴대학교 나노·정보기술 연구기관의 지원을 받아 수행됐다.

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