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초음파로 '코팅이 가능하다?' 구리 나노시트의 새로운 도전, 3차원 구조도 문제없다.
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신기술 소개
작성일
2026-02-27
조회수
157
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​초음파로 '코팅이 가능하다?' 구리 나노시트의 새로운 도전, 3차원 구조도 문제없다.



극한환경차폐소재연구센터 배수강 박사


   스마트폰, 전기차, AI 서버 등 첨단 전자기기가 소형화·고집적화될수록 전자파 간섭과 열 문제는 더욱 심각해지고 있다. 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위한 핵심 소재로 '금속 나노플레이트(Metal Nanoplate)'가 주목받고 있다. 머리카락 굵기보다 훨씬 얇은 나노미터(nm) 수준의 두께를 가지면서도 수~수십 마이크로미터(μm)의 넓은 판상 구조를 갖는 이 소재는 우수한 전기전도성, 유연성, 그리고 2차원 구조 특유의 넓은 표면적 덕분에 전자파 차폐, 방열, 인쇄전자 등 다양한 분야의 핵심 소재로 각광받고 있다.



   그러나 이러한 나노플레이트를 복잡한 3차원 입체 구조 위에 균일하게 코팅하는 일은 오랫동안 기술적 난제로 남아 있었다. 기존 방식으로는 굴곡진 표면이나 튜브 내부처럼 접근이 어려운 구조에 균일한 필름을 형성하기가 극히 어려웠다. 이에 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 기능성복합소재연구센터 배수강 박사 연구팀은 전북대학교 김태욱 교수 연구팀(유연인쇄전자전문대학원, JBNU-KIST 산학연융합학과)과의 협력을 통해, 초음파를 활용한 혁신적인 코팅 공정 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.


 

초음파 세척기를 코팅 장치로... 발상의 전환이 만든 혁신

   연구팀이 개발한 핵심 기술은 기존에 세정(세척) 용도로만 활용되던 초음파 세척기의 기능을 완전히 전환한 데서 출발한다. 2차원 단결정 구리 나노시트(Cu NS)를 분산시킨 용액 속에 코팅 대상 기판을 함께 넣고 초음파를 조사하면, 나노시트가 기판 표면에 단층(monolayer)으로 균일하게 자가 조립되는 현상이 나타난다. 이 과정은 초음파에 의해 유도되는 '캐비테이션(cavitation)' 현상¹⁾이 핵심 원리다. 

   초음파가 용액 속에서 미세 기포를 생성하고, 이 기포가 폭발적으로 붕괴되는 과정에서 발생하는 강력한 에너지가 나노시트를 기판 표면으로 고속 밀어낸다. 단결정 구리 나노시트의 큰
표면적과 단일결정 구조는 기판과의 반데르발스 힘(van der Waals force)을 극대화하여 안정적인 단층 부착을 가능하게 한다. 더욱이, 기판 표면의 에너지를 선택적으로 개질하면 원하는 영역에만 나노시트를 선택적으로 코팅하는 패턴 형성도 가능해, 마스크 없이도 정밀한 나노 패턴을 구현할 수 있다. 

   김태욱 교수는 “이번 연구는 초음파 세척기를 단순한 세정 장비가 아닌 정밀 코팅 도구로 탈바꿈한 매우 간단하면서도 강력한 개념의 전환이며, 구리 뿐만 아니라 실버 등의 2차원 금속나노소재에도 적용 가능해 범용성 높은 플랫폼 기술로 발전할 가능성이 있는 기술이다”라고 말했다.

 

[그림 1] 초음파를 이용한 3차원 구조 기판(유리섬유 및 유리 용기) 위에 구리 나노시트가 부착되는 공정 모식도

 

구리 나노플레이트 합성 기술... KIST가 쌓아온 원천 기술의 결실

   이번 코팅 기술의 근간에는 KIST 연구팀이 수년간 축적해온 금속 나노플레이트 원천 기술이 있다. 연구팀은 용매, 금속 전구체, 캡핑제, 환원제에 극소량의 금속 성장제(할로겐 화합물)를 첨가하는 수열 합성법을 통해 두께 20~80nm, 직경 6~25μm 범위의 고결정성 단결정 구리 나노플레이트를 재현성 높게 대량 합성하는 기술을 확립했다. 고온·고진공 조건 없이 80~200℃의 저온에서 친환경 수계 공정으로 제조 가능하며, 열처리 온도와 시간 조절만으로 나노플레이트의 크기와 형태(육각형, 오각형, 사각형 등)를 자유롭게 제어할 수 있다는 점이 특징이다. 이 기술은 현재 한국, 미국, 유럽 등에 특허로 등록·출원되어 있다. 연구실 수준의 100 ml 수준의 반응기에서 2024년에는 100L급의 반응기를 구축하여 합성을 진행하였고, 공정 제어를 통해 대량생산 가능성을 입증하였다.

   나아가 연구팀은 구리 나노플레이트 표면에 이종금속을 코팅하여 산화 안정성을 크게 향상시킨 '코어-쉘(Core-Shell) 구조 나노플레이트' 기술과, 나노플레이트 표면에 유기단분자 자기조립단층(SAMs)을 형성하여 층간 간격을 정밀 제어함으로써 전자파 다중반사 효과를 극대화하는 기술도 개발을 진행중이다. 또한 금속 나노플레이트와 필러(구형·선형 입자)를 결합제 내에 함께 분산시켜 열전달 네트워크를 효과적으로 형성하는 '방열 복합소재' 기술도 확보하고 있다. 뿐만 아니라, 최근에는 이러한 단결정 구리 나노플레이트 소재를 다공성 3차원 구조로 형성함으로써 이차전지의 집전체로 활용하는 연구도 활발히 수행중이며, 관련 특허들이 국내외 출원 및 심사 진행중이다. 현재까지, 금속나노플레이트 합성, 구조 제어 및 응용 연구에 관한 다수의 특허들이 국내외에 출원 및 등록되었다.

2.5V 저전압에서 60°C 발열...3차원 발열체 실증 성공

   연구팀은 이번에 개발한 초음파 코팅 공정을 실제 소자에 적용하여 그 성능을 실증했다. 유리 모세관의 구불구불하고 좁은 내부 표면에 전도성 구리 나노시트 필름을 균일하게 코팅하여 3차원 튜브형 발열체를 제작하였으며, 불과 2.5V의 낮은 전압에서 60℃에 달하는 발열 성능을 실현하는 데 성공했다. 이는 기존 방식으로는 코팅 자체가 불가능했던 3차원 복잡 구조에 기능성 전도 필름을 형성할 수 있음을 실제로 입증한 결과다.

전자파 차폐부터 바이오 히터까지... 활용 분야 무궁무진

   이번 초음파 코팅 기술은 기존에 KIST 연구팀이 세계 최고 성능으로 개발한 구리 나노플레이트 기반 전자파 차폐 필름 기술의 적용 범위를 평면 기판에서 임의의 3차원 구조물로 확장하는 데 결정적으로 기여한다. 즉, 기판의 형상 제약을 완전히 해소하여 기존 전자파 차폐 기술의 산업적 가치를 한층 극대화할 수 있는 공정 플랫폼이다. 향후 이 기술은 웨어러블 기기의 유연 전극, 바이오 히터, 복잡한 형상의 전자 부품 코팅, IoT 센서용 안테나 등 다양한 첨단 분야로 확장될 것으로 기대된다. 또한 구리뿐 아니라 은(Ag) 등 다양한 2차원 금속 나노소재에도 적용 가능해 범용성 높은 플랫폼 기술로 발전할 잠재력을 지니고 있다.

   KIST 배수강 박사는 "수년간 쌓아온 금속 나노플레이트 합성 원천 기술과 이번 초음파 코팅 공정 기술이 결합되어, 형상의 제약 없이 어디든 고성능 전도성 필름을 형성할 수 있는 진정한 의미의 범용 나노코팅 플랫폼이 완성되었다"며, "앞으로 전자파 차폐, 방열, 유연 전자기기 등 다양한 산업 분야에서 실질적인 상용화로 이어질 수 있도록 연구를 지속하겠다"라고 밝혔다.

   초음파로 다양한 3차원 곡면 구조체 표면에 코팅하는 최신 연구결과는 한국연구재단 국가전략기술소재개발사업, 나노커넥트사업 및 과학기술사업화진흥원 학·연 협력 플랫폼 구축사업의 지원을 받아 수행되었으며, 전북대학교, KIST 전북분원, 부산대학교, 전남대학교의 연구팀이 공동으로 참여하였다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 재료과학 학술지 『Advanced Materials』(IF=27.4, JCR 상위 1.9%)에
"Omni-Directional Assembly of 2D Single-Crystalline Metal Nanosheets" 제목으로 2025년 최신호에 게재되었다.



용어 설명

1. 금속
나노플레이트 (Metal Nanoplate)

두께 수십 nm(나노미터), 폭 수~수십 μm(마이크로미터)의 이차원 평판 구조를 갖는 금속 나노소재. 높은 종횡비(aspect ratio)로 인해 우수한 전기전도성, 유연성, 투명성을 가지며, 전자파 차폐, 방열, 투명전극, 인쇄전자 등 다양한 분야에 활용된다.

2. 캐비테이션 (Cavitation)

초음파가 액체 속을 진행할 때 압력 변화에 의해 미세한 기포(공동, cavity)가 생성되었다가 폭발적으로 붕괴되는 현상. 붕괴 시 발생하는 강력한 충격파와 제트 유동이 나노소재를 기판 표면으로 고속 충돌시켜 물리적 부착을 유도한다.

3. 코어-쉘 구조 나노플레이트 (Core-Shell Nanoplate)

단결정 금속(코어) 나노플레이트 표면에 이종금속(쉘, 예: 은·니켈)을 얇게 코팅한 구조. 쉘 금속의 산화 안정성으로 코어 금속의 표면 산화를 방지하고, 접촉저항을 줄여 전자파 차폐 및 방열 성능을 향상시킨다.

4. 자기조립단층 (Self-Assembled Monolayer, SAM

유기단분자가 기판 표면에 자발적으로 규칙적인 단분자막을 형성하는 현상 또는 그 막. 나노플레이트 표면에 형성된 SAM은 사슬 길이(탄소수)에 따라 나노플레이트 적층 시 층간 간격을 정밀 제어하여 전자파 다중반사 계면의 수와 효율을 조절한다.

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