섬유 위 기능성 나노구조체 구현
섬유 위 기능성 나노구조체 구현
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.25 16:25
  • 조회수 246
  • 댓글 0
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요약

 

섬유 위에 기능성 나노구조체를 구현할 기술이 개발됐습니다. 수용성 고분자인 히알루론산을 이용해 생체적합성 공정을 개발했다고 합니다. 해당 기술은 향후 다양한 섬유에 센서, 배터리, 보안패턴, 자가 세정 등의 첨단 기능을 쉽게 구현하는 데 도움이 될 전망입니다. 

KAIST 기계공학과 박인규 교수와 한국기계연구원 정준호 박사 공동 연구팀이 섬유 위에 다양한 기능성 나노 구조체를 구현하는 생체적합성 공정을 개발했습니다. 연구팀은 개발한 공정을 통해 다양한 재료의 나노 구조체를 섬유 위에 자유롭게 구현했습니다. 섬유 위에 직접 나노 구조체를 전사할 수 있어 추가적인 기판이나 접착층 없이도 기능성 기기를 손쉽게 제작할 수 있습니다.

히알루론산 폴리머 나노템플릿를 이용한 섬유 위 나노구조체 전사. 출처: KAIST
히알루론산 폴리머 나노템플릿를 이용한 섬유 위 나노구조체 전사. 출처: KAIST

연구팀은 전기적·광학적 특성을 이용해 환경 및 신체 움직임 모니터링, 나노 구조색을 이용한 보안패턴, 광촉매를 이용한 자가 세정 기능 등을 섬유에 부여할 수 있으며 스마트 섬유로 활용 가능할 것으로 전망했습니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다. 

 

스마트 섬유 구현하기위해 '히알루론산' 이용

 

최근 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 커짐에 따라 섬유를 기판으로 하는 스마트 섬유 연구가 활발히 진행되고 있는데요. 섬유에 초미세 패턴을 구현하기 위해 다양한 방법이 시도됐습니다. 하지만 섬유의 거친 표면 특성으로 인해 기존의 공정은 기기 소형화 및 성능 향상에 필수적인 정교한 패턴을 구현할 수 없다는 한계를 나타냈습니다.

히알루론산 폴리머 나노템플릿를 이용한 섬유 위 나노구조체 전사. 출처: KAIST
히알루론산 폴리머 나노템플릿를 이용한 섬유 위 나노구조체 전사. 출처: KAIST

이번 연구에서는 이를 해결하기 위해 물에 잘 젖는 섬유의 특성을 이용해 수용성 고분자이며 생체적합성이 우수한 히알루론산의 나노 패턴을 사용했습니다. 연구팀은 히알루론산 기판에 나노 패턴의 템플릿을 제작한 후 다양한 기능성 소재의 박막을 진공증착을 통해 형성했습니다. 그 후 섬유에 흡수된 물을 이용해 히알루론산 템플릿을 녹여냄으로써 최소 선폭 50 나노미터인 나노 구조체를 섬유 위에 전사했습니다. 

섬유 위에 전사된 다양한 나노스케일 패턴 (스케일 바 = 5 ㎛). 출처: KAIST
섬유 위에 전사된 다양한 나노스케일 패턴 (스케일 바 = 5 ㎛). 출처: KAIST

 

  • 히알루론산 (Hyaluronic acid)

히알루론산은 사람 및 동물의 눈, 피부, 관절 등 체내에 존재하는 천연 고분자 화합물입니다. 수산화기 (-OH) 가 많이 포함되어 있으며 1,000배의 물을 끌어당길 수 있을 정도로 수분을 머금는 성질이 뛰어납니다. 이러한 성질로 인해 보습용 화장품에 많이 사용되며 하며 수술 후 조직 유착을 예방하는 데에도 사용됩니다. 

  • 나노패턴전사 (Nanotransfer printing)

나노 단위의 미세한 패턴을 제작하는 방법 중 하나인 나노 트랜스퍼 프린팅은 포토리소그래피 공정으로 제작된 실리콘 마스터 웨이퍼를 이용해 패턴을 복제한 다음, 기능성 재료를 증착 또는 도포한 후에 형성된 기능성 패턴을 원하는 기판 위로 전달하는 방법입니다. 기존의 나노 패턴을 제조하는 전자빔 리소그래피, EUV 리소그래피 등과 비교하였을 때 복제를 통한 나노패턴 제조 공정이 간단하며 비교적 저렴한 방식입니다.
 

개발한 방법을 이용한 수소센서의 성능과 나노구조체 유무에 따른 반응. 출처: KAIST
개발한 방법을 이용한 수소 센서의 성능과 나노구조체 유무에 따른 반응. 출처: KAIST

금, 은, 팔라듐, 알루미늄, 이산화규소와 같은 금속과 비금속 소재의 나노 패턴 형성이 모두 가능하며 동시에 다양한 나노 구조체의 조합을 자유롭게 섬유 위에 제작할 수 있었습니다. 연구팀은 개발한 공정을 통해 팔라듐 나노 구조체를 전사해 수소 감지 센서를 제작했고 나노 구조체가 없는 센서와 비교해 센서의 감도가 향상됐습니다.

나노구조체의 파라미터 변경에 따른 나노구조색 시뮬레이션 결과와 섬유에 전사된 결과 비교. 출처: KAIST
나노구조체의 파라미터 변경에 따른 나노구조색 시뮬레이션 결과와 섬유에 전사된 결과 비교. 출처: KAIST

또한, 나노 구조체가 갖는 광학적 특성인 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인한 나노 구조색을 이용해 같은 금속 및 구조이지만 두께 및 형상 파라미터에 따라 서로 다른 고유한 색을 나타냄으로써 보안패턴에 적용할 수 있음을 입증했습니다. 

 

박인규 교수는 "스마트 섬유를 구현할 수 있는 간편하면서도 범용성 있는 나노 패터닝 공정을 개발했다"며 "다양한 섬유에 센서, 배터리, 보안패턴, 자가 세정 등의 첨단 기능을 쉽게 구현할 수 있는 데 큰 의의가 있다"고 말했습니다.


##참고자료##

 

  • Ko, Jiwoo, et al. "Nanotransfer Printing on Textile Substrate with Water-Soluble Polymer Nanotemplate." ACS nano 14.2 (2020): 2191-2201.


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