우리 대학 기계공학부 김승한 교수 연구팀, 웨어러블 나노소재의 굽힘 변형시 열전달 특성 정량 측정 기술 개발
기계공학부 김승한 교수 연구팀이 유연·웨어러블 소자에 쓰이는 나노두께 박막이 ‘구부러지는 동안’의 열전달 특성을 정량적으로 측정하는 새로운 기법을 연구하고, 계면 설계를 통해 굽힘 변형에도 열전달 성능이 거의 저하되지 않는 그래핀옥사이드/실크 피브로인(GO/SF) 바이오나노필름을 구현했다.
연구팀은 주사열현미경(SThM) 탐침으로 나노박막에 국소적인 줄(Joule) 발열과 굽힘 변형을 같은 지점에서 동시에 가하는 ‘SThM 굽힘시험(SThM bending test)’을 고안했다. 탐침이 시료에 닿기 직전(비접촉)과 닿은 직후(접촉)의 열 신호를 비교해, 공기·캔틸레버를 통한 배경 열손실과 박막 자체를 통한 고체 열전도를 구분해 냄으로써, 굽힘에 따른 면내(in-plane) 열전도도를 정량적으로 평가하는 데 성공했다.
본 연구는 SThM bending test라는 새로운 실험 기법을 고안하여 굽힘 중 나노박막의 in-plane 열전도도를 정량적으로 측정하고, water vapor annealing으로 강화된 GO/SF 계면결합과 β-sheet 기반 SF bridging이 변형 중 phonon scattering을 억제하여 열전도도의 안정성을 크게 향상시킨다는 사실을 입증했다. 이를 통해 계면공학이 플렉서블·웨어러블 전자소자의 열 신뢰성을 높이는 핵심 설계 전략임을 제시했다.
이번 연구는 변형 상태에서의 열전도도 측정만으로 소재 내부의 계면 결합 강도를 정량적으로 진단할 수 있음을 보였다는 점에서 의미가 크다. 반복적으로 구부러지는 환경에서도 안정적인 열관리가 요구되는 웨어러블 센서, 유연 전자소자, 굽힘형 방열 소재 설계에 실질적인 지침을 제공할 것으로 기대된다.
김승한 교수는 “이번 연구는 나노박막이 실제로 변형되는 동안의 열전달을 정량적으로 측정할 수 있는 새로운 실험 플랫폼을 제시한 것”이라며, “계면 설계를 통해 변형 강건성을 확보할 수 있음을 보여, 차세대 유연·웨어러블 소자의 열관리 소재 설계에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
본 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 기초연구실사업 지원을 받아 수행되었으며, 해당 논문은 나노과학 분야 세계적 권위 학술지인 『ACS Nano』(I.F.: 17.3)에 ‘Quantitative Probing of Strain-Robust Thermal Transport in Interfacially Engineered Graphene Oxide/Silk Fibroin Bionanofilms’ 제목으로 게재됐다.
연구팀은 주사열현미경(SThM) 탐침으로 나노박막에 국소적인 줄(Joule) 발열과 굽힘 변형을 같은 지점에서 동시에 가하는 ‘SThM 굽힘시험(SThM bending test)’을 고안했다. 탐침이 시료에 닿기 직전(비접촉)과 닿은 직후(접촉)의 열 신호를 비교해, 공기·캔틸레버를 통한 배경 열손실과 박막 자체를 통한 고체 열전도를 구분해 냄으로써, 굽힘에 따른 면내(in-plane) 열전도도를 정량적으로 평가하는 데 성공했다.
본 연구는 SThM bending test라는 새로운 실험 기법을 고안하여 굽힘 중 나노박막의 in-plane 열전도도를 정량적으로 측정하고, water vapor annealing으로 강화된 GO/SF 계면결합과 β-sheet 기반 SF bridging이 변형 중 phonon scattering을 억제하여 열전도도의 안정성을 크게 향상시킨다는 사실을 입증했다. 이를 통해 계면공학이 플렉서블·웨어러블 전자소자의 열 신뢰성을 높이는 핵심 설계 전략임을 제시했다.
이번 연구는 변형 상태에서의 열전도도 측정만으로 소재 내부의 계면 결합 강도를 정량적으로 진단할 수 있음을 보였다는 점에서 의미가 크다. 반복적으로 구부러지는 환경에서도 안정적인 열관리가 요구되는 웨어러블 센서, 유연 전자소자, 굽힘형 방열 소재 설계에 실질적인 지침을 제공할 것으로 기대된다.
김승한 교수는 “이번 연구는 나노박막이 실제로 변형되는 동안의 열전달을 정량적으로 측정할 수 있는 새로운 실험 플랫폼을 제시한 것”이라며, “계면 설계를 통해 변형 강건성을 확보할 수 있음을 보여, 차세대 유연·웨어러블 소자의 열관리 소재 설계에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
본 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 기초연구실사업 지원을 받아 수행되었으며, 해당 논문은 나노과학 분야 세계적 권위 학술지인 『ACS Nano』(I.F.: 17.3)에 ‘Quantitative Probing of Strain-Robust Thermal Transport in Interfacially Engineered Graphene Oxide/Silk Fibroin Bionanofilms’ 제목으로 게재됐다.