△왼쪽부터 KAIST 기계공학과 박인규 교수, 한국기계연구원 정준호 책임연구원, KAIST 기계공학과 박사과정 강병호, 고려대학교 세종캠퍼스 제어계측공학과 안준성 교수

고려대-KAIST-KIMM, 곡면 렌즈·식물 잎·연잎까지 접착제 없이 옮기는 신개념 나노 전사 기술 구현

금속 박막을 물 위에 띄워 그대로 떠올리는 방식… 열·압력·유독 용매·접착제 모두 불필요

스마트팜·웨어러블 헬스케어·생체전자공학 등 차세대 모니터링 센서 활용 가능성 제시

 

고려대학교 세종캠퍼스(부총장 양지운) 제어계측공학과 안준성 교수 연구팀이 KAIST 기계공학과 박인규 교수 연구팀, 한국기계연구원(KIMM) 정준호 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 물 위에 띄운 정밀 패턴 금속 박막을 곡면 렌즈, 식물 잎, 연잎 등 다양한 3차원 표면에 옮길 수 있는 ‘수면 부유 나노전사 인쇄(WF-nTP, Water-Floating nanoTransfer Printing)’ 기술을 개발했다.

 

이번 연구는 기존 나노전사 인쇄 기술의 한계로 지적되어 온 기판 제약 문제를 해결한 성과다. 나노전사 인쇄는 미리 제작한 나노 패턴을 다른 표면에 옮기는 기술로, 초고해상도 회로, 광학소자, 화학 센서 제작 등에 활용되어 왔다. 그러나 기존 방식은 패턴을 분리하기 위해 독성 용매, 강한 접착제, 고온 열처리 등이 필요한 경우가 많았고, 주로 평평한 표면에만 적용할 수 있어 곡면이나 생체 표면처럼 열과 압력에 민감한 기판에는 적용이 어려웠다.

 

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘패턴화된 금속 박막을 물 위에 그대로 띄운 뒤 원하는 표면에 떠올려 옮기는 방식’을 제안했다. 나노임프린팅 공정으로 패턴을 새긴 폴리머 틀 위에 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등의 금속을 얇게 증착한 뒤, 플라즈마 공정을 통해 금속 박막과 틀 사이에 미세한 빈 공간을 형성했다. 이후 틀을 물에 담그면 물이 빈 공간으로 스며들어 박막이 자연스럽게 분리되고, 두께 20나노미터 수준의 금속 박막이 설계된 패턴을 유지한 채 수면 위에 떠오른다.

△금속 박막 나노구조 수중 부유 기술 및 전사 공정 모식도

연구팀은 수면 위에 떠 있는 박막 아래로 대상 물체를 담갔다가 천천히 들어 올리는 ‘스쿠핑(scooping)’ 방식을 이용해 박막을 전사했다. 표면에 남은 물기가 마르면서 발생하는 모세관력이 박막을 표면에 밀착시키고, 물이 완전히 증발한 뒤에는 분자 사이의 인력인 반데르발스 힘이 작용해 별도의 접착제 없이도 박막이 안정적으로 부착된다.

 

이번 기술의 가장 큰 특징은 적용 가능한 표면의 범위가 넓다는 점이다. 연구팀은 곡률 반지름 6mm의 볼록한 광학 렌즈, 식물 잎, 사과와 오렌지 껍질 등 굴곡지고 거친 표면에도 금속 박막을 균열 없이 전사하는 데 성공했다. 또한 물을 튕겨내는 연잎이나 신축성 폴리우레탄(TPU) 섬유와 같은 소수성 표면에도 물과 에탄올을 혼합해 표면장력을 조절하는 방식으로 박막 전사를 구현했다.

 

연구팀은 개발 기술의 활용 가능성을 입증하기 위해 두 가지 응용 사례를 제시했다. 첫 번째는 농약 잔류물 검출용 SERS(표면증강 라만 산란) 센서다. 금속 나노구조를 여러 층으로 쌓아 분자 신호를 증폭시키고, 레몬-오렌지 나무의 잎과 열매에 직접 전사해 농약 성분인 티람(thiram)을 검출하는 데 성공했다. 이는 잎이나 과일을 따지 않고 현장에서 농약 잔류량을 측정할 수 있는 비파괴 검사 기술로 활용될 수 있음을 보여준다.

 

두 번째는 신축성 섬유 기반 수소 가스 센서다. 연구팀은 수소와 반응하면 전기 저항이 변하는 팔라듐(Pd) 박막을 TPU 섬유 위에 전사해 산업 안전 기준치보다 낮은 1% 농도의 수소 가스를 안정적으로 감지하는 데 성공했다. 또한 일산화탄소, 황화수소, 이산화질소 등 다른 가스에는 거의 반응하지 않아 높은 선택성도 확인했다.

 

고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수는 “이번에 개발한 기술은 기존 나노전사 공정의 가장 큰 한계였던 기판 제약 문제를 해결해, 식물 잎이나 인체 피부처럼 열과 압력에 민감한 표면에도 손상 없이 고정밀 나노 패턴을 형성할 수 있는 가능성을 열었다”며 “향후 스마트팜을 위한 비파괴 농약 모니터링, 웨어러블 헬스케어 디바이스, 생체전자공학 시스템 등 다양한 첨단 산업 분야에서 핵심 원천기술로 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

 

이번 연구는 KAIST 기계공학과·KIMM 나노리소그래피 연구센터 강병호 박사과정이 제1저자로 참여했으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2026년 3월 30일 논문명 ‘Versatile water-floated nanostructures for three-dimensional nanotransfer printing’으로 게재됐다.

 

한편, 이번 연구는 산업통상부와 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 ‘K-Sensor 기술개발사업(자유형상 고집적 융복합센서를 위한 대면적 웨이퍼레벨 유연인장 하이브리드 센서 플랫폼 기술 개발, RS-2022-00154781)’, 과학기술정보통신부 재원 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업과 산업통상자원부 재원 한국산업기술기획평가원(KEIT) 알키미스트 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.

고려대학교 세종캠퍼스

대외교류팀