세계적인 재료 과학 학술지 <Advanced Materials>에 게재

지난 2025년 2월 10일(월), 본교 신소재공학전공 이동욱 교수팀의 논문 ‘Rapid Drying Principle for High-speed, Pinhole-less, Uniform Wet Deposition Protocols of Water-Dispersed 2D Materials’이 세계적인 재료 과학 학술지 <Advanced Materials>에 게재되었다. <Advanced Materials>는 재료 과학 분야에서 가장 권위있는 학술지 중 하나로, Wiley-VCH에서 출간하는 저널이다. 본지의 2023년 영향력 척도(Impact Factor)은 27.4이며, 재료과학, 나노기술, 바이오 소재, 전자 소재 등 다양한 분야에서 최고 수준의 연구 성과를 발표한다.

이동욱 교수팀은 2D 소재의 실용적인 적용을 위하여 저비용의 고속 증착 기술의 필요성을 제시하였다. 본 연구는 이러한 기술로 핫 디핑(Hot Dipping)및 에어 나이프 스위핑(Air Knife Sweeping, AKS)기법을 제안하였다. 이 두 가지 고속 습식 증착법의 핵심 원리는 빠른 건조(Rapid Drying)이다. 두 기술 모두 플레이크(flakes) 농도에 따라 두께를 조절할 수 있으며, 증발 속도가 플레이크 확산 속도를 초과하는 한, 기판 전체에 걸쳐 단일층(monolayer) 및 핀홀 없는 균일한 코팅을 형성할 수 있다. 특히, AKS 방식은 기판 가장자리에서 발생하는 불균일성(Contact Line Pinning) 문제를 제거하여 균일성을 더욱 향상시킨다.

AKS의 증착 속도는 0.21 m²/min에 달하며, 기존 방법을 크게 능가할 뿐만 아니라 1 m² 이상의 대형 기판에도 적용 가능한 장비 구현이 가능하다. 또한, 기계적으로 취약한 유연 디스플레이(flexible display) 생산을 위한 초저 박리력(ultralow debonding force)과, 상용 다층 세라믹 커패시터(MLCC)와 유사한 높은 커패시턴스를 가진 나노미터급 초박형 커패시터를 제작할 수 있다.

▲이미지 설명

A: 고속, 핀홀 없는 습식 증착을 위한 빠른 건조 공정: 2D 소재를 포함한 수분산 플레이크(flakes) 적용

B: 연속형 에어 나이프 스위핑(AKS) 

C: 핫 디핑과 AKS의 결합 방식: 대면적 증착에서도 빠른 건조 원칙을 구현할 수 있도록 설계됨

이동욱 교수는 연구를 시작하게 된 배경에 대해 “본 논문은 유연 디스플레이 제조를 위한 국가 과제 수행 과정에서, 기존 레이저 기반 박리 기법에 비해 경제적이고 효율적인 대안을 마련하고자 기획되었다. 유연 디스플레이는 일반적으로 유리 기판 위에 고분자 기판을 적층한 후, 해당 고분자층 상부에 회로를 형성하는 방식으로 제작된다. 이후 제품화 직전 단계에서, 유리 기판과 고분자 기판 사이의 경계면에 고출력 레이저를 정밀 조사하여 양 기판을 분리하는데, 이 과정에 사용되는 레이저 탈착 장비의 가격은 수백억 원에 달한다. 본 연구에서는 유리 기판과 고분자층 사이에 2차원 소재를 코팅함으로써, 고가의 레이저 장비 없이도 극히 미세한 힘만으로 두 기판을 손상 없이 쉽게 분리할 수 있음을 제시하였다. 실제로, 필요한 분리력은 포스트잇을 떼어내는 데 필요한 힘보다도 작다. 다만, 이러한 기법이 산업적 양산 공정에 적용되기 위해서는 대면적 기판에 대해 빠르고 균일한 2차원 소재 코팅 기술의 개발이 필수적임을 본 연구에서는 강조하였다”고 밝혔다.

2차원 소재를 대면적 상에 코팅하는 연구는 트랜지스터와 칩의 생산에서도 활용도가 매우 높기에, 전자공학 등의 분야에서도 매우 관심이 높다. 공정 비용의 절감은 보다 더 효율적인 생산에 직결되기 때문이다. 본 연구에서 밝혀낸 공정 비용의 절감에 가장 핵심적인 부분은 ‘급속 건조’이다. 이동욱 교수는 “기판에 미세한 입자를 함유한 액체를 뿌린 후 강한 바람이나 고열로 급속하게 건조한다면 기판에 입자가 균일하게 코팅된다는 것을 발견하였다. 충분히 빨리 마르지 않는다면 불균일하게 코팅되지만, 빨리 마를 수만 있다면 균일 코팅이 가능하다. 물 뿐만 아니라 끓는 점이 더 낮은 에탄올, 메탄올로 더 균일하게 코팅이 됨을 교차 검증하였다.”고 말했다.

이동욱 교수는 해당 연구의 활용 방안이 차세대 배터리와 OLED 공정, 촉매제의 연구 등에서 쓰일 것이라고 예상하였다. 또한 향후 연구에 대하여 “물이나 산소 등이 2차원 소재에 침투하는 경로를 우회시켜 주는 봉지막 기술 등을 발전시킬 수 있지 않을까 생각한다. “이번 연구에서 제시된 ‘급속 건조’ 기법은, 원치 않는 특정 현상이 발생하기 위한 시간을 빼앗아버림으로써 해당 현상의 발현을 방지하는 역할을 한다. 이러한 작용 원리를 바탕으로, 급속 건조는 더 넓은 과학적 응용 가능성을 지니고 있으리라 추정된다”고 밝혔다.

이동욱 교수의 논문은 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411447 에서 확인할 수 있다. 

온라인커뮤니케이션실 이은수 기자