다층 멀티스케일 구조체 제작을 위한 멀티플렉스 리소그래피 공정의 모식도와 제작된 고분자 구조물의 전자현미경 이미지. (서울대 제공.) © News1

다층 마이크로·나노 구조물을 제작할 수 있는 새로운 나노 공정 기술이 개발됐다. 한 평면상에 마이크로구조물과 나노구조물을 동시에 가지는 다층 멀티스케일 구조물을 제작할 수 있는 원천 기술이 개발됨에 따라 고분자 전해질 막 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 광학필름 분야에의 응용 뿐 아니라 다양한 새로운 소자의 출현도 가능하게 됐다.

서울대학교 공과대학은 이 대학 최만수 기계항공공학부 교수와 성영은 화학생물공학부 교수 연구팀이 다층 마이크로·나노 구조물을 제작할 수 있는 새로운 나노 공정 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

이 기술은 고분자막에 함유된 산소의 농도를 국소적으로 제어해 산소 농도에 따라 경화도를 달리하는 원리를 썼다.

경화가 덜 된 고분자막은 마이크로·나노 구조를 새기기 용이하게 되고 그 반대편은 다른 막과의 접착이 가능해 이종 특성을 가진 고분자 박막을 제조할 수 있게 된다.이후 이러한 이종 특성을 가지는 박막을 레고 블록처럼 단계적으로 접착시켜 다층구조를 이루면서도 마이크로·나노 패턴을 각 층마다 다양하게 제작할 수 있게 된다.

연구팀은 기술의 유용성을 입증하기 위해 이를 고분자 전해질막에 적용해 3층 멀티스케일 패턴을 가지는 전해질막을 최초로 제작했다.

특히 이 중 3층 멀티스케일 구조물을 연료전지 전해질막으로 사용되는 나피온 박막에 적용해 기존 평면 형태의 단순 박막이 아니라 3층으로 형성돼 있으면서 다양한 스케일의 마이크로·나노 구조 패턴이 함유된 새로운 나피온 박막을 제작할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

이를 고분자 전해질막 연료전지에 적용한 결과, 아직 최적화되지 않았음에도 불구하고 전력밀도가 40% 이상 향상했다. 멀티스케일 구조로 인해 기계적 강도를 유지하면서도 이온 전도도와 촉매 활성 면적을 높인 결과다.

글로벌프론티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 기초과학연구원 나노입자연구단의 지원으로 진행된 이번 연구는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'지(온라인)에 이날 게재됐다.


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