물에 나노회로 띄워 센서 전사…식물 스트레스 측정 성공

수전사 프린팅과 같은 방식의 나노전사 인쇄 기술이 개발됐다. 식물 잎 등의 임피던스 측정에 특히 유효한 기술이다. 기술 개발은 박인규 KAIST 기계공학과 석좌교수 연구팀과 정준호 한국기계연구원(KIMM) 박사 연구팀, 안준성 고려대학교 교수 연구팀이 공동으로 진행했다. 이 기술은 물 위에 띄운 정밀 금속 박막을 다양한 3차원 표면에 그대로 옮길 수 있는 '수면 부유 나노전사 인쇄'(WF-nTP, 물 위에 띄운 나노 구조물을 원하는 표면에 옮겨 부착)술이다. 논문 제1저자인 강병호 KAIST 기계공학과 박사과정생은 전화통화에서 "개념은 수전사 프린팅과 같다. 다만, 수전사 프린팅은 물 위에 떠있는 색을 위에서 아래로 물 속에 넣으며 입히는 반면, 우리는 물 속에서 위로 들어 올리며 전사하는 점이 다르다"고 설명했다. 강병호 박사과정생은 "기존 나노전사 인쇄는 높은 열과 압력이 필요한 반면, 이 기술은 식물 표면이나 복잡한 곡면도 전사가 가능하다는 점"이라고 강조했다. 연구팀이 이 기술을 개발한 이유는 최근 보급이 늘고 있는 스마트팜에 대응해 식물의 임피던스를 정확히 측정할 방법을 고민했다. 식물 잎의 농약 성분을 비파과 방식으로 검출하는 방법을 찾았다. 연구팀은 "식물 조직(잎·줄기 등)에 전류를 흘려 임피던스(저항·리액턴스)를 측정하는 방법으로 식물 수분 상태나 스트레스(가뭄·고염·냉해 등)를 비파괴적인 방법으로 평가하는데 이 기술을 활용할 수 있다"고 부연설명했다. 연구팀은 고분자(폴리머) 틀 위에 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등의 금속을 매우 얇게 증착한 뒤 플라즈마(이온화된 기체 상태의 고에너지 물질)를 이용해 틀 일부를 선택적으로 제거했다. 이 구조물을 물에 넣으면 미세한 틈 사이로 물이 스며들면서 두께 20나노미터(nm, 10억 분의 1미터)의 금속 박막이 원래 형태를 유지한 채 스스로 물 위에 떠오른다. 연구팀은 물 위에 떠 있는 박막 아래로 원하는 물체를 담갔다 천천히 들어 올리는 '국자질(scooping)' 방식으로 금속 회로를 전사했다. 연구팀은 이를 활용해 식물 잎과 과일 표면에 부착하는 표면증강 라만 산란(SERS, 극미량 화학물질을 고감도로 검출하는 분석 기술) 센서를 제작했다. 레몬과 오렌지 나무 잎과 열매에 이를 전사, 농약 성분인 티람(thiram)을 검출하는데 성공했다. 또한 신축성이 뛰어난 열가소성 폴리우레탄(TPU) 섬유 위에 100nm 두께의 팔라듐(Pd) 그물망을 전사해 산업 안전 기준치보다 낮은 1% 농도의 수소 가스를 감지하는 데도 성공했다. 특히, 이 센서는 일산화탄소나 황화수소·이산화질소 등 다른 가스에는 거의 반응하지 않아 선택성도 우수함을 확인했다. 교신저자인 박인규 석좌교수는 "농작물 훼손없이 농약을 측정하는 스마트 농업부터 착용형 건강 모니터링 기기, 생체전자소자, 차세대 로봇 전자피부에 이르기까지 다양한 분야에 활용 가능하다"고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 온라인으로 게재됐다.