▲ 단일 공정 나노입자 자가조립 기술(左), 합성된 박막을 기판에 이동하는 기술(右)(출처: UNIST)

국내 연구진이 복잡한 공정이 필요한 박막 제조를 물과 기름만을 이용하는 기술을 개발해 촉매와 에너지 저장장치 개발 분야에서 활용이 가능할 전망이다.

UNIST는 에너지화학공학과 구강희 교수팀이 물속에 분산된 기름방울로 촉매 박막 등을 제작할 수 있는 공정 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

개발된 기술은 기름방울 표면에 붙어있던 나노입자 형태의 박막 원료가 물 위로 떠올라 물 표면에서 조립되는 방식이다. 첨가된 과산화수소가 박막 원료에 의해 분해돼 기포가 발생하면 박막 원료가 기포에 흡착되면서 들어 올려지고, 1분 내 수면에서 조립된다.

해당 공정 기술은 박막 두께를 350마이크로미터(μm, 10-6m)부터 정밀하게 조정할 수 있으며, 다양한 원료를 이용해 최대 100cm2 넓이의 박막을 합성해 낼 수 있다. 제작된 박막은 다공성 구조로 표면적이 넓으며, 기계적 강도뿐만 아니라 유연성이 뛰어났다.

또한 조밀한 결합 구조를 지녀 기판을 물 아래에서 떠올리는 방식(lift-on)을 통해 손상 없이 쉽게 기판으로 옮길 수 있다. 기존에는 고품질 박막을 제조하더라도 박막을 기판으로 옮기는 전사 과정에서 손상이 발생하기 쉬웠다.

이는 박막을 입체 패턴을 포함하는 다양한 형태와 소재의 기판에 옮기는 실험을 통해 입증됐으며, 특히 마이크로미터 단위의 정교한 패턴을 가진 기판으로도 쉽게 옮겨져 기판을 정밀 코팅할 수 있었다.

연구팀은 표면에 백금을 입힌 탄소나노 입자(Pt/C)를 원료로 활용해 촉매 박막을 제작한 뒤 이를 나뭇잎 위로 옮겨 금을 도금해 굽혀지는 전극을 만들었다. 전극은 반복되는 굽힘에도 꼬마전구에 불이 들어오게 할 정도로 일관된 전도성을 보였다.

구강희 교수는 “해당 기술은 화장품 제조 등에서 쓰는 피커링 에멀전을 응용한 발상의 전환”이라고 설명했다. 피커링 에멀전은 분자 계면활성제 대신 고체 나노입자로 물과 기름이 직접 맞닿는 계면을 덮음으로써 계면 에너지를 낮추는 기술이다.

구 교수는 이어 “비용 효율성이 높을 뿐만 아니라 다양한 나노입자 조합이 가능하고 기판을 가리지 않아 유연 전극, 촉매, 에너지 저장장치 개발 분야에서 널리 쓰일 수 있을 것”이라고 밝혔다.