그림 1. 김승한 교수(좌)와 조현호 석박통합과정 재학생(우)

기계공학부 김승한 교수와 조현호 석박통합과정 재학생(제 1저자) 연구팀이 바이오 나노복합소재의 구조적 특성으로부터 기인한 조절 가능한 기계적 특성에 대한 새로운 메커니즘을 발견했다고 밝혔다.

본 연구팀은 스핀코팅을 활용한 다층박막적층법 (Spin-Assisted Layer by Layer assembly)을 이용하여 산화 그래핀 (graphene oxide: GO), 실크 피브로인 (silk fibroin: SF) 및 셀룰로오스 나노크리스탈 (cellulose nanocrystal: CNC) 재료들로 100 나노미터 두께 수준의 기능성 박막 형태 바이오 나노복합소재를 제작하였고 기계적 특성에 대한 평가를 진행하였다.

연구팀은 바이오 나노복합소재의 제조과정 중 셀룰로오스 나노크리스탈의 1D 구조 형상의 특성을 활용하여 실크 피브로인 적층 부분으로의 침투를 발생시켜 2D 나노재료인 산화 그래핀 사이에서 프레임 구조를 형성하게 했다. 이번에 개발된 바이오나노복합소재는 수증기 어닐링 (water vapor annealing) 처리를 통해 두께 방향 및 폭 방향에 대해 각각 다른 기계적 거동 특성을 갖게 된다. 

그림 2. 스핀코팅을 활용한 다층박막적층법으로 제작한 박막 형태 바이오 나노복합소재

김승한 교수는 “이번 연구는 스핀코팅을 활용한 다층박막적층법으로 제작한 바이오 나노 복합소재의 기계적 특성을 선택적으로 조절할 수 있음을 확인하는 계기가 되었다.”라고 하며, “본 연구가 바이오 나노복합소재의 기계적 강건성에 대한 중요한 가이드 라인을 제시하여 친환경 웨어러블 소자, 센서, 여과막 및 에너지 하베스팅 분야 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다” 고 밝혔다.

이번 연구성과는 한국연구재단 신진중견 연계사업 및 기초연구실 지원사업의 결과물로 나노과학 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘ACS Nano’ (2020년 기준 Impact Factor: 15.881) 11월 22일 온라인 게재됐다. 상세 내용은 ‘Enabling Selectively Tunable Mechanical Properties of Graphene Oxide/Silk Fibroin/Cellulose Nanocrystal Bionanofilms’ 논문을 통해 확인 가능하다.