[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1.연구배경

나노입자는 넓은 비표면적으로 인해 다양한 산업 분야에서 활용되며, 특히 기능성 박막 형태로 조립될 경우 물질 및 열전달, 전도성 및 촉매특성을 효과적으로 활용할 수 있다. 이러한 박막이 밀집된 네트워크 구조를 가질 때 성능이 극대화되지만, 기존의 화학적 기상 증착법이나 분무 방식은 복잡한 공정과 고가의 장비, 긴 제조 시간이 요구되는 한계가 있다.

이에 대한 대안으로 계면에서 나노입자가 자발적으로 조립되는 계면 조립 방법 (Interfacial Assembly)1)이 주목받고 있으며, 특히 피커링 에멀젼 (Pickering Emulsion)2)을 이용한 계면 조립법은 밀집된 나노입자 네트워크를 형성하는 유망한 접근법으로 평가된다. 하지만 나노입자의 강한 응집력과 용액 내 불균일한 분산으로 인해 기존 계면 조립 기법을 그대로 적용하기 어려우며, 형성된 조립체를 기판으로 효과적으로 전이하는 과정에도 제약이 따른다.

따라서, 밀집된 네트워크 구조를 유지하면서도 안정적으로 조립할 수 있는 새로운 계면 조립 전략이 필요하며, 이를 통해 기존 방법들의 한계를 극복할 수 있는 박막 제조 기술이 요구된다.

2.연구내용

연구팀은 액체-액체 계면조립을 거친 공기-물 계면조립을 통해 두 방법의 장점을 모두 활용함으로써 원하는 기판에 직접 옮길 수 있는 밀집된 네트워크 구조의 박막 형성 단일 공정을 개발하였다. 백금 담지 탄소 나노입자(Pt/C)를 활용함으로써 수중유(oil-in-water) 피커링 에멀젼을 형성한 후, 과산화수소와 백금의 산소 발생 촉매 반응을 이용하여 오일-물 계면에 존재하는 입자를 기계적으로 탈착시킬 수 있다. 그 후, 산소 방울의 부력을 통해 탈착된 입자가 공기-물 계면으로 이동할 수 있으며, 이러한 두 단계의 계면조립을 통해 기판에 직접적으로 옮길 수 있는 밀집된 네트워크 구조의 Pt/C 박막이 형성된다. 해당 공정은 단순한 과정을 통해 약 1분 내에 박막을 형성할 수 있어, 기존 방법들의 복잡성과 비효율성을 획기적으로 개선하였다.

해당 박막은 네트워크 구조로 인해 100cm2 이상의 대면적 기판 및 3D 구조체를 포함한 다양한 기판에 손쉽게 옮겨질 수 있었으며, 형태를 유지한 채 공기-물 계면으로 다시 옮겨질 수도 있었다. 또한, Pt/C와 다른 금속이 담지된 탄소 나노입자를 혼합하여 피커링 에멀젼을 제조함으로써 이성분 혼합 네트워크 박막을 형성할 수 있었을 뿐만 아니라, 백금 합금이 담지된 탄소 나노입자를 활용하여 바이메탈(bimetal) 박막을 형성함으로써 공정의 범용성을 보여주었다.

또한, 백금의 촉매적 특성을 활용하여 금을 코팅함으로써 Pt/C 박막의 네트워크 구조 장점을 극대화하였다. 과산화수소는 금 전구체와 반응하여 금을 무전해 도금(Electroless plating)3)할 수 있으며, 백금 촉매는 해당 반응을 더욱 활발하게 촉진할 수 있다. 이를 활용하여 Pt/C 박막을 금 코팅을 위한 템플릿으로 사용함으로써 20분 만에 금이 코팅된 Pt/C(Pt/C-Au) 전극을 제작하였다. 템플릿의 네트워크 구조로 인해 해당 전극 또한 네트워크 구조를 보유하였고, 이로 인해 표면에 마이크로 패턴이 존재하는 기판에 거시적인 균열 없이 성공적으로 옮겨질 수 있었다. 특히, 기판의 굽힘, 꼬임 및 250 %의 신장 조건 하에서도 네트워크 구조를 통해 전기 전도도를 유지함으로써 신축 변형 가능한 전자기기로의 응용 가능성을 보여주었다.

3.기대효과

본 연구에서는 피커링 에멀젼을 이용한 단일 공정 나노입자 자가조립 기술을 개발하여, 약 1분 내로 밀집된 네트워크 구조의 박막을 형성하고 이를 다양한 기판으로 효과적으로 전이할 수 있는 새로운 계면 조립법을 제안한다. 과산화수소 첨가를 이용한 간단한 과정만으로 나노입자의 계면 이동과 조립을 유도하여 기존 공정의 복잡성과 비용 문제를 해결하였다. 이 기술은 다양한 나노입자로 확장 가능하며, 3D 구조물을 포함한 여러 기판에도 균일하게 코팅할 수 있어 높은 범용성을 갖는다. 또한, 신속한 공정, 높은 재현성, 그리고 소재의 재활용이 가능하여 비용 효율적인 대량 생산이 가능하다. 특히, 네트워크 구조의 박막과 자발적인 금 코팅을 활용하여 변형에도 안정적인 전도성을 유지하는 전도성 필름을 제작할 수 있으며, 이를 통해 플렉서블 전자소자, 센서, 촉매 시스템 등 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.계면조립 (Interfacial assembly)

나노입자가 섞이지 않는 두 개의 상 사이의 계면에 흡착하여 자발적으로 규칙적인 구조를 형성하는 현상. 주로 공기-물 계면, 액체-액체 계면에서 발생하며, 이를 이용하여 단층 혹은 다층 구조를 형성할 수 있음.

2.피커링 에멀젼 (Pickering emulsion)

일반적으로 유기 계면활성제를 사용하여 물과 오일 상을 안정화하는 에멀젼과 달리, 고체 입자가 물과 오일 상 사이의 계면에 흡착되어 안정화된 에멀젼. 주로 물과 오일 두 상 모두에 젖을 수 있는 입자가 계면을 효과적으로 안정화 할 수 있음.

3.무전해 도금 (Electroless plating)

외부 전기장의 존재 없이 환원제를 통한 화학 반응을 통해 금속 이온을 자발적으로 환원시켜 원하는 표면에 금속을 코팅하는 방법. 환원을 가속화하는 촉매 부위가 존재할 경우, 그 부분에 우선적으로 코팅이 진행된다. 이번 연구에서는 과산화수소가 환원제로 작용했으며, 백금이 촉매로 활용됐다.

[붙임] 그림설명

그림1. 단일 공정 나노입자 자가조립 기술과 합성된 박막을 기판에 이동하는 기술

(A) 노란 부분이 기름방울(플루오로카본 오일)이며, 그 표면을 원료 물질인 나노입자가 둘러싸고 있음. 나노입자 속 백금과 과산화수소의 반응에 따라 산소가 발생하며 해당 기계적 에너지가 나노입자를 분리할 수 있음. 산소 방울의 부력으로 인해 탈착된 나노입자는 물 표면으로 이동해 1분 이내에 네트워크 구조의 박막으로 자가 조립됨. (B) 박막은 기판을 물속에서 들어 올림으로써 손쉽게 기판으로 옮겨질 수 있음.

그림2. Pt/C 박막의 네트워크 구조로 인한 박막의 형태 유지 성능

(A) Pt/C 박막은 다양한 기판에 옮겨질 수 있음. 특히, 박막의 밀집된 네트워크 구조로 인해 3D 구조체 혹은 마이크로 패턴 기판에도 결함 없이 정밀하게 옮겨질 수 있음. (B) 박막의 네트워크 구조로부터 기인한 기계적 안정성으로 인해 그 형태를 유지한 채 기판에서 물 표면으로 다시 이동할 수 있음.

그림3. 나노입자 소재의 확장성

탄소입자 위에 백금과 함께 구리와 같은 금속 나노입자를 고정(담지) 함으로써 이성분 박막을 제조할 수 있음. 또한 백금 합금 나노입자를 활용함으로써 바이메탈 박막을 제조할 수 있음.

그림4. 개발된 기술로 만들어진 신축 변형 가능한 Pt/C-Au 전극

(A) 무전해 도금을 통해 제작된 Pt/C-Au 전극은 임의의 기판에 정밀하게 옮겨질 수 있으며 전도성을 보장함. (B) 해당 전극은 기판의 굽힘과 꼬임에도 전기 전도도를 유지함. (C) 전극을 잡아 늘여도 전도도를 유지해 전구에 불이 들어옴. (D) 전극을 늘리는 것을 여러 번 반복한 후에도 안정성을 보유함.