김도근 재료연 박사팀 연구···저비용 다기능성 나노구조 필름 대량 생산

디스플레이용 반사방지 필름과 센서용 고분자 기판을 제조하기 위한 원천 기술이 개발됐다.

재료연구소(소장 이정환)는 김도근 나노표면연구실 박사 연구팀은 롤투롤 이온빔 표면처리 기술을 이용해 고분자 필름 표면에 나노 구조를 형성하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 

수십-수백 나노미터 크기의 표면 구조를 가진 고분자 필름은 일반적으로 마스크 패턴을 이용한 식각, 임프린팅 등의 공정을 통해 제조된다. 하지만 복잡한 제작 공정, 제조 면적 확장 한계, 높은 비용으로 다양한 분야에 적용하기 어려웠다.

이에 연구팀은 3킬로전자볼트(keV) 이하급 이온빔이 고분자 필름 표면의 수십-수백 나노미터 깊이에 전달하는 에너지를 조절하고, 고분자 필름 표면의 결합을 제어하는 연구를 수행했다.

이 과정에서 이온빔 특성진단 기술을 기반으로 이온-고분자 간 반응을 예측하는 이론모델을 개발했다. 이를 통해 마스크 패턴 없이 나노 구조를 직접 형성하는 자가 나노구조화 이온빔 기술을 개발했다.

이온빔 처리를 통해 제조된 나노표면 고분자 필름은 필름 원소재 대비 3% 이상의 투과도 향상, 나노 구조를 이용한 초발수화와 자가세정 기능화, 폴리머 소재 선택에 따른 주름, 구멍, 돌기 구조를 형성할 수 있다. 또 중기능성 나노표면 고분자 필름 제품을 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있다.

연구팀은 자가 나노구조화 이온빔 표면처리 기술의 상용화를 위해 대량생산, 저가 공정 개발이 가능한 '롤투롤 이온빔 표면처리 기술'을 사용했다. 

이 기술은 두루마리 휴지처럼 회전축에 감긴 고분자 필름이 풀리면서 이온빔 처리가 되고 다시 롤에 감겨 표면 처리를 끝내는 방식이다.

롤투롤 공정을 적용하면 표면처리 폭이 최대 2~3m급으로 확장된다. 분당 수 m급의 속도로 이온빔 처리를 하기 때문에 상용화를 위한 대면적 필름을 연속 생산할 수 있다.

김도근 재료연 박사는 "롤투롤 이온빔 기술은 기존 나노구조 필름 제조공정 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다"면서 "앞으로 다양한 산업 분야에서 요구하는 나노표면소재 생산에 적용 가능할 것"이라고 말했다. 

연구는 한국연구재단의 방사선응용기술개발사업으로 수행 중인 '3 keV 이하급 이온빔 조사에 의한 폴리머 표면 나노구조화 원리 규명 및 웨어러블 기기 응용평가' 과제와 우주핵심기술개발사업으로 수행 중인 '홀 추력기 전력 효율 및 수명 개선을 위한 방전채널 소재 및 반응특성 연구'의 지원을 받았다.  

연구 성과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'의 지난 9월호에 게재됐다.

이온빔 공정으로 형성된 다양한 나노구조 표면의 고분자 필름.<자료=재료연구소 제공>
이온빔 공정으로 형성된 다양한 나노구조 표면의 고분자 필름.<자료=재료연구소 제공>
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