고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 최원준 교수 연구팀은 미국 노스웨스턴대학교 공동 연구팀과 함께 짧은 시간 안에 다기능 탄소 나노필름을 제작할 수 있는 새로운 공정을 개발했다고 1일 밝혔다.

해당 나노필름은 발수 코팅과 에너지 수확, 습도 감지 기능을 하나의 필름에 구현할 수 있는 것이 특징이다. 에너지 수확은 주변 환경에서 발생하는 기계적 자극을 전기에너지로 변환해 활용하는 기술을 말한다.

박막 형태의 기능성 소자는 전자회로, 방열 소재, 기능성 코팅, 에너지 저장·생산 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 기존 제작 방식은 공정 단계가 많고 정밀한 조건 제어가 필요해 제작 부담이 컸다. 특히 환원 그래핀(rGO)과 테플론(PTFE)은 제조 조건이 달라 하나의 공정으로 결합하기 어려운 한계가 있었다.

환원 그래핀은 전기 전도성이 우수한 탄소 기반 소재, 테플론은 발수·방오 특성을 지닌 고분자 소재를 말한다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 테플론이 포함된 탄소 종이에 전류를 짧게 흘려 순간적으로 가열하는 ‘전기 발열 스탬핑 공정(Electrically Assisted Thermal Stamping·EATS)’을 개발했다. 이 공정은 별도의 전처리나 후속 공정 없이 필요한 위치에 필름을 직접 전사하듯 형성할 수 있다.

가열 과정에서 탄소층이 자연스럽게 분리되며, 공정 조건에 따라 환원 그래핀과 테플론을 각각 단일 필름으로도, 결합된 복합 나노필름으로도 기판 위에 형성할 수 있다.

실험 결과, 제작된 나노필름은 조성에 따라 발수성을 조절할 수 있었으며 물방울 접촉각은 44.3도에서 최대 109.8도까지 구현됐다. 접촉각이 클수록 물방울이 표면에 퍼지지 않아, 다양한 수준의 발수 코팅 적용 가능성이 확인됐다.

에너지 수확 실험에서는 최대 10.11mW·㎤의 전력 밀도를 기록해 박막 에너지 수확 소자로서의 가능성을 보였다. 습도 감지 기능도 상대습도 50~100% 범위에서 안정적으로 작동했다.

연구팀은 “이번 연구는 하나의 공정으로 다기능 탄소 나노필름을 구현할 수 있는 제작 방식을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “공정 조건만으로 소재 조성과 기능을 제어할 수 있어 기능성 박막 소자 제작 효율을 높일 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 국방과학연구소 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구·선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원 소재부품기술개발사업과 함께 미국 국립과학재단(NSF)의 SHyNE 연구자원, MRSEC 프로그램, 노스웨스턴대 나노·정보기술 연구기관의 지원을 받아 수행됐다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’에 1월 8일 온라인으로 게재됐다.