2026. 1. 30.

고려대–노스웨스턴대, 다기능 탄소 나노필름을 신속하게 찍어내는 공정 개발

- 발수 코팅·에너지 수확·습도 감지 기능을 한 장의 필름으로 구현

□ 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 최원준 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴대학교 공동 연구팀과 함께, 짧은 시간 안에 다기능 탄소 나노필름을 찍어내듯 제작할 수 있는 새로운 공정을 개발했다. 해당 필름은 발수 코팅, 에너지 수확, 습도 감지 기능을 한 장으로 구현할 수 있어 차세대 기능성 소재로 주목받고 있다.

*에너지 수확: 주변 환경에서 발생하는 기계적 자극을 전기에너지로 변환해 활용하는 기술

□ 이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지 ‘Advanced Materials(IF=26.8, 상위 2.1%)’ 온라인에 1월 8일 게재됐다.

*논문명: Electrically Assisted Thermal Stamping of Tunable Carbon-Based Nanofilms for Direct Fabrication of Hydrophobic, Energy Harvesting, and Sensing Devices

*DOI: 10.1002/adma.202516478

*URL: https://doi.org/10.1002/adma.202516478

□ 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 그래핀(rGO)과 테플론(PTFE)은 각각 제조 조건이 달라 하나의 공정으로 결합하기가 어려웠다.

*환원 그래핀(rGO): 전기 전도성이 우수한 탄소 기반 소재로, 다양한 전자·에너지 소자에 활용된다.

*테플론(PTFE): 물과 기름이 잘 묻지 않는 특성을 가진 고분자 소재로, 발수·방오 코팅 등에 널리 사용된다.

□ 연구팀은 이를 보완하기 위해 테플론이 포함된 탄소 종이에 전기를 짧은 시간 흘려 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 그래핀과 테플론을 각각 단일 필름으로도, 서로 결합한 복합 나노필름으로도 기판 위에 얇게 형성할 수 있다.

□ 실험 결과, 제작된 나노필름은 조성에 따라 발수성을 조절할 수 있었으며, 물방울 접촉각은 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.

□ 또한 에너지 수확 실험에서 최대 10.11 mW·cm⁻³의 전력 밀도를 기록해, 박막 형태의 에너지 수확 소자로서의 가능성을 확인했다. 아울러 습도 감지 기능은 상대습도 50~100% 범위에서 안정적으로 작동해, 환경 변화에 따라 반응하는 센서 성능도 입증됐다.

□ 이번 연구는 하나의 공정으로 다기능 탄소 나노필름을 구현할 수 있는 새로운 방식을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 공정 조건만으로 소재 조성과 기능을 정밀하게 제어할 수 있어, 향후 다양한 기능성 박막 소자 제작의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

□ 본 연구는 한국 국방과학연구소의 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원의 소재부품기술개발사업의 지원과 미국 국립과학재단의 SHyNE 연구자원, MRSEC 프로그램, 노스웨스턴대학교 나노·정보기술 연구기관의 지원을 통해 수행됐다.

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