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그래핀, 원하는 모양대로 오려낸다
〈 김 상 욱 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 손상 없이 나노 그래핀을 원하는 모양대로 오려낼 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
그래핀은 탄소가 육각형의 벌집모양 형태로 화학결합을 한 상태이다. 이 결합을 원하는 대로 오려낼 수 있다면 나노형태를 갖는 탄소소재를 만들 수 있다. 따라서 그래핀을 응용하기 위해 탄소를 잘 오려내는 것은 많은 연구자들의 과제였다.
그러나 탄소와 탄소 간의 매우 강한 결합을 끊어내기 위해서는 그에 걸 맞는 강한 화학 반응을 사용해야 한다. 이로 인해 그래핀을 오려낼 때 원하는 그래핀의 부위 뿐 아니라 그 주변이 함께 찢어지고 손상됐다.
기존의 그래핀을 한꺼번에 찢는 기술들은 예외 없이 탄소의 물성이 손상되는 한계가 있었다. 종이를 잘 오려내지 못하면 너덜너덜해지는 것과 같은 원리이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 흔히 사용하는 이종원소 도핑 기술을 활용했다. 종이에 홈을 깊게 파거나 작은 구멍을 내면 그 부분을 따라서 종이가 찢어지는 것과 같은 원리이다.
탄소와 탄소가 결합한 평면에 질소나 다른 원소를 심어 구조적 불안정성을 유도한 뒤 전기화학적 자극을 주면 탄소 이외의 부분이 쉽게 찢어진다. 여기서 질소 등의 다른 원소가 종이의 홈 역할을 하게 된다.
연구팀은 도핑되는 이종원소의 양을 조절해 그래핀이 오려지는 정도가 매우 정밀하게 제어되고, 그래핀의 2차원적 결정성이 전혀 손상되지 않는 고품질의 나노그래핀을 제작했다. 그리고 이 기술을 활용해 최고 수준의 에너지 전달 속도를 갖는 슈퍼캐패시터(고용량 축전기)를 구현했다.
또한 이 오려내기 기술로 만들어진 나노그래핀에 특정 화학기능기가 다량 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이 화학기능기는 고분자, 금속 및 반도체 나노입자 등 다양한 이종물질과 쉽게 융합해 고성능의 탄소복합소재 구현이 가능할 것으로 기대된다.
연구팀은 “2차원적 결정성의 손상 없는 나노구조 조절 원리가 보고된 바 없어 그래핀 분야의 큰 숙제로 남았었다”며 “품질의 저하 없이 그래핀 면을 나노크기로 오려낼 수 있음을 최초로 증명한 성과이다”고 말했다.
김 교수는 “이 기술의 실용화를 위해선 이종원소의 도핑 위치 제어 기술이 선행돼야 한다”며 “이번 연구로 얻은 나노그래핀을 활용해 기계적, 전기적 특성이 우수한 섬유 형태의 탄소소재를 개발할 것이다”고 밝혔다.
나노과학기술대학원 김용현 교수, 화학과 김현우 교수와 공동연구로 진행된 이번 연구는 임준원 박사과정 학생이 1저자로 참여했으며, 미래창조과학부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 절개된 산소나노튜브
그림2. 도핑된 이종원소부터 탄소나노튜브의 벽이 오려진 후 장축 방향으로 길게 잘라져 나노그래핀이 만들어지는 과정
2016.01.25
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새 인공 형광 단백질 나노 조립체 개발
정 용 원 교수
우리 대학 화학과 정용원 교수 연구팀이 새로운 모양과 다양한 크기의 인공적 형광 단백질 나노 조립체를 개발했다.
이 단백질 나노 조립체 연구로 단백질 기반 신약 및 백신 개발 등 새로운 나노구조체 분야에 활발한 적용이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 14일자 온라인 판에 게재됐다.
우리 몸의 필수 구성요소인 단백질은 나노미터 크기의 특성과 더불어 무한한 기능과 구조를 갖고 있다는 점에서 새로운 물질 및 구조체 개발에 매우 적합한 것으로 알려져 있다.
특히 단백질 다수가 조립된 다중 조립체는 새로운 성질과 모양, 크기를 가지며 생체친화적인 나노 구조체이기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 단백질 다중 조립체는 다수의 단백질이 동시에 작용하기 때문에 결합력을 극대화 해 신약, 백신 기능 향상 연구에 중요한 방법론을 제시할 것으로 기대되기 때문이다.
이 조립체의 상업적, 연구적 이용을 위해선 조립된 단백질의 수가 정확히 조절되고, 다양한 크기의 조립체를 제작할 수 있어야 한다. 하지만 현재의 기술로는 조립체의 크기에 따라 정밀히 분리하는 것이 쉽지 않다.
연구팀은 문제 해결을 위해 인공적 형광 단백질 조립체를 세포 내 합성을 통해 다양한 크기로 제작했다. 또한 조립체 표면 개량을 통해 거대 생체분자의 안정성을 향상시켰고, 다양한 크기의 조립체를 분리할 수 있는 방법을 최초로 개발했다.
이 방법을 이용해 다각형 및 선형 배열을 갖는 형광 단백질 조립체 또한 제작해 관찰했다. 이 과정에서 나노크기 공간에서의 결합 단백질의 개수를 증가시켰고, 기존 단일 단백질보다 비약적으로 향상된 결합력을 확인했다.
정 교수는 “이번 단백질 조립체 제작 기술은 다양한 모양과 크기, 기능성을 갖는 새 조립체 제작의 기반이 될 것이다”며 “비약적으로 향상된 기능을 가진 단백질 신약, 백신, 혹은 결합 리셉터 연구에 핵심적 역할을 할 것”이라 말했다.
정용원 교수 지도 아래 김영은 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 우리 대학 김호민 교수 연구팀이 참여했으며, 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(바이오나노 헬스가드 연구단) 및 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 형광단백질 조립체 모식도 및 전자현미경 사진
2015.05.26
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나선형 나노구조체 제조 원천기술 개발
우리 학교 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀은 자기조립(self-assembly) 현상을 이용해 매우 정밀한 나선형 나노구조체를 개발해 세계적 학술지인 미국립과학원회보(PNAS) 10월 7일자에 논문이 게재됐다.
이번에 개발된 기술로 3차원구조 중에서도 가장 구현하기 어렵다는 나선형 구조를 넓은 면적에 다양하게 변형해 만들 수 있다. 액정(액체와 결정의 중간상태)물질로 만든 이 구조는 20~200nm(나노미터) 크기의 제한된 공간에서 균일한 나선 형태를 유지했다. 또 나노구조체의 지름이 커짐에 따라 나선 패턴의 간격도 일정하게 늘어나는 특성을 보였다.
이 기술을 활용하면 전자기장에 민감하게 반응하는 액정 소재의 고유성질과 융합해 고효율의 광전자 소자 개발에 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
나아가 현재 반도체 제조공정에서 사용 중인 2차원 광식각공정에서 벗어나 3차원 패터닝 기술로도 발전시킬 수 있다. 연구팀의 기술을 기반으로 3차원 반도체가 개발되면 지금보다 최소 수백배 많은 데이터를 저장할 수 있게 된다. 또 공정을 획기적으로 줄여 제조비용도 크게 절감할 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구의 핵심 기술인 ‘한정된 공간에서의 자기조립’이란, 아이들의 장난감인 레고블럭 놀이처럼 주위의 환경(온도, 농도, pH 등)에 따라 물리적으로 조립과 분리가 가능한 다양한 연성재료(고분자, 액정, 생체분자 등)를 수십 나노미터의 공간 속에서 복잡한 나노구조체를 제어하는 기술이다.
연구팀은 전기화학적 반응을 통해 만들 수 있는 다공성 양극산화알루미늄막을 이용해 수십 나노미터 수준의 한정된 공간을 만들었다. 이후 수 나노미터 수준에서 휘어져 있는 액정 분자가 형성하는 나선형 나노구조체를 그 공간 속에서 형성시켜 독립적으로 제어된 나선 나노구조체를 구현하는 데 성공했다.
윤동기 교수는 이번 연구에 대해 “액정물질이 형성하는 나선 나노구조체 제어의 물리·화학적 원리 규명에 세계최초로 성공했다”며 “이번 기술로 다양한 유기분자가 이루는 복잡한 나노구조체들을 기판의 표면 개질 및 한정된 공간을 이용해 제어할 수 있어 향후 유기분자 기반 나노구조체 연구에 커다란 기여를 할 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이와 함께 “개발된 원천기술을 바탕으로 NT(나노테크놀로지)와 IT(정보테크놀로지)가 접목될 수 있는 전기가 마련돼 LCD 등 액정관련 분야에서 차세대 신성장동력을 창출할 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 나노과학기술대학원 윤동기 교수팀(제1저자: 김한임 박사과정, 이선희 박사과정)이 주도하고 포항가속기연구소 신태주박사, 미국 메릴랜드주립대학 이상복 교수와 콜로라도주립대학 노엘 클락(Noel Clark) 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업(우수신진), 나노소재원천기술개발사업, BK21 플러스사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. 나선 나노구조체의 전자현미경 사진과 개념도
A. 다공성 양극알루미늄 나노채널 속에서 형성된 단일 나선 나노구조체(노란선 기준 아래)와 미처 나노 채널속에 들어가지 못해 형태 및 성장 방향이 불규칙하게 존재하는 나선 나노구조체(노란선 기준 위)
B. 나선 나노구조체가 양극산화물 속에 들어가는 현상을 보여주는 개념도. 양극산화물 나노채널의 지름은 20~200nm, 전체 막 두께는 5 um~ 수십 um로 조절이 가능C. B방법을 통해 형성된 나선 나노구조체는 나선 반주기(half-pitch)가 100~120nm 범위에서 1nm 간격으로 조절이 되며 지름이 20~80 nm까지 자유롭게 제어할 수 있음
그림2. 제조된 나선 나노구조체의 전자현미경 사진
30nm(A), 60nm(B), 80nm(C) 지름의 다공성 양극알루미늄 나노채널(왼쪽-위) 속에서 형성된 나선 나노구조체 단면의 주사전자현미경 사진(왼쪽-아래)과 나노채널이 제거된 나선 나노구조체의 투과전자현미경 사진(오른쪽) 나노채널의 지름이 증가할수록 아주 서서히 나선 나노구조체의 나선 반주기가 100nm(A)에서 117nm(C)까지 증가함을 관찰할 수 있었고, 꼬인 부분의 각도(Ψ)의 증가를 통해 나선 나노구조체의 크기를 1nm수준에서 미세하게 제어 가능함을 보였음
그림3. 대표 그림
2014.10.20
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인공 펩타이드를 이용한 3차원 자기조립 분자구조체 개발
- 조각품 같은 유기물 구조체 최초로 구현 -
유기물질로도 다양한 3차원 구조체를 합성할 수 있는 새로운 길이 열려, ‘기능성 인공단백질 개발’의 기초가 될 것으로 전망된다.
우리학교 화학과 이희승 교수팀은 분자의 자기조립 과정에서 서로 다른 세 방향(x, y, z)의 분자간 인력의 미세한 조절이 가능하도록 분자를 디자인하면, 이제까지 만들 수 없었던 다양한 모양의 3차원 유기물 구조체들을 자유자재로 합성할 수 있다는 가설을 실험적으로 구현하는데 성공했다고 28일 밝혔다.
이 연구결과는 생체적합성이 요구되는 의공학이나 재료과학에 광범위하게 응용 가능한 다양한 유기물 소자 개발에 기술적 전기가 마련된 것으로 평가받고 있으며, 미세한 분자기계 개발을 위한 빌딩 블록(building blocks)으로도 활용될 수 있다.
이 교수팀은 베타-펩타이드라는 비천연 펩타이드의 구조적 특징에서 착안한 새로운 자기조립 원리를 개발해 기존 방법으로는 불가능했던 풍차, 꽃잎, 사각막대와 같은 다양한 모양의 새로운 3차원 구조의 유기물 구조체를 합성했다.
아울러 마치 top-down 방식으로 깎아놓은 조각품과 같은 분자구조체들을 bottom-up 방식으로 자유자재로 만들어 낼 수 있는 새로운 길을 열고, 자기조립 과정을 자유자재로 조절할 수 있는 방법론을 확립해 같은 분자로부터 다양한 구조체를 합성할 수 있는 방법을 개발하는데 성공했다.
그동안 무기물 나노물질의 경우 다양한 크기와 모양의 구조를 만드는 방법들이 이미 잘 알려져 있지만, 펩타이드를 비롯한 유기물의 경우에는 자기조립체의 크기와 모양을 제어하는 일은 난제로 인식되어 왔다.
특히, 펩타이드의 경우 원형모양(구, 튜브, 원통형 막대 등)의 구조체 이외에는 만들 수가 없었다.
이 교수는 “이번 기초연구 결과를 바탕으로 기능성 인공 단백질 개발과 응용에 관한 연구를 계속 수행하고 있다”며, “분자기계를 설계하거나 자연계에서 일어나는 자기조립 현상에 대한 이해를 촉진할 수 있는 기폭제가 될 것으로 전망된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단(이사장 박찬모) 인터페이스 분자제어 연구센터(선도연구센터, 센터장 김세훈)와 일반연구자 지원사업의 공동지원을 받아 수행됐다. 또한, 연구초기에 KAIST의 고위험고수익(High Risk High Return) Project의 연구지원을 통해 연구초기 아이디어 검증이 가능했다는 점이 주목할 만하다.
한편, 화학과 이희승 교수와 권선범 박사과정 학생이 주도한 이번 연구결과는 화학분야의 세계적인 학술지인 ‘안게반테 케미(Angewante Chemie International Edition)’지 온라인 판 8월 23일자에 게재됐다.
또한, 연구의 중요성을 인정받아 표지논문 및 중요논문으로 동시에 선정됐으며, 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 ‘C&EN (Chemical & Engineering News)’지 9월 6일자에 연구결과가 소개됐고, 현재 특허출원 중이다.
2010.09.28
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김상욱 교수, 저비용 대면적 나노패턴기술 개발
- ACS Nano誌 온라인판 19일자에 게재 -
나노기술의 오랜 난제가 KAIST와 삼성전자 LCD사업부에 의해 풀렸다.
우리학교 신소재공학과 김상욱 교수팀과 삼성전자 LCD사업부(사장 장원기)가 산학공동연구를 통해 분자자기조립현상(Molecular Self-assembly)과 디스플레이용 광리소그래피(Optical Lithography) 공정을 융합해 나노기술의 오랜 난제로 여겨지던 ‘저비용 대면적 나노패턴기술’ 개발에 성공했다.
최근 나노기술 분야에서는 서로 다른 종류의 고분자를 화학적으로 결합시킨 블록공중합체가 새로운 나노패턴소재로 각광받고 있다.
분자조립 과정을 통해 스스로 형성하는 초미세 나노구조를 블록공중합체에 이용하게 되면 최신 반도체공정으로도 만들기 힘든 수~수십 나노미터 크기의 미세한 점이나 선 등을 쉽고 값싸게 제조할 수 있다.
그러나 자연적으로 형성되는 블록공중합체 나노패턴은 그 배열이 불규칙하고 결함이 많아 상용화를 위한 기술적인 걸림돌로 지적되어 왔다.
블록공중합체 나노패턴을 반도체나 디스플레이에 이용하기 위해서는 임의의 대면적에서 블록공중합체 나노패턴을 원하는 형태로 잘 정렬시킬 수 있는 기술이 필수적이다.
그러나 현재까지 개발된 기술들은 방사광가속기와 같은 매우 값비싼 장비가 필요하고 임의의 넓은 면적에 적용할 수 없다는 근본적인 한계를 가지고 있었다.[그림.1] 자연적으로 형성된 무질서한 배열의 블록공중합체 나노패턴 (왼쪽)과 대면적 나노패턴공정으로 결함 없이 잘 배열된 블록공중합체 나노패턴 (오른쪽)
김 교수팀은 이번에 개발된 융합 기술을 통해 저비용 패턴공정인 디스플레이용 광리소그라피로 대면적에서 마이크로미터(1㎛=100만분의 1m) 크기의 패턴을 만든 후, 분자조립현상을 이용해 수십 나노미터(1㎚=10억분의 1m) 크기의 패턴으로 밀도를 백 배이상 증폭시킴으로써 대면적에서 잘 정렬된 나노패턴을 형성시키는데 성공했다.
[그림.2] 대면적에서 마이크로 크기의 패턴이 수십나노미터 크기의 패턴으로 패턴의 밀도를 증폭시키는 과정(위쪽)과 이를 통해 대면적에서 형성된 20 나노미터 선폭의 초미세 분자조립 나노구조(아래쪽)
이는 기존 나노패턴기술에 비해 더 단순하고 공정비용이 저렴하며, 넓은 면적에서 연속 공정이 가능해 차세대 반도체나 디스플레이 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구책임자인 김상욱 교수는 “이번 연구결과는 분자조립 나노패턴기술을 저비용, 대면적화 함으로써 실제 나노소자공정에 이용할 수 있는 가능성을 크게 높였다는데 의미가 있다”고 말했다.
이 연구는 김 교수의 지도하에 정성준 박사가 주도적으로 진행했으며 현재 정 박사는 KAIST에서 박사과정을 마친 후, U.C. Berkely에서 박사후연구원(Post doc)으로 근무하고 있다.
한편, 이번 연구결과는 KAIST 김상욱 교수팀과 삼성전자 LCD사업부의 3년간에 걸친 공동연구의 결실로서 그간 선행연구결과들이 Nano Letters, Advanced Materials, Advanced Functional Materials지 등 저명 학술지에 발표된 바 있으며, 최종적으로 개발된 ‘저비용, 대면적 나노패턴기술’은 최근 나노기술분야의 세계적인 학술지인 ‘ACS Nano誌’ 8월 19일자 온라인 판에 소개됐다.
2010.08.23
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양승만 교수, 인조오팔로부터 초소형 분광분석기 제조
- Advanced Materials 3월 5일자 표지 논문으로 소개 돼 - 초정밀 극미량 물질 인식센서로 활용
오팔은 크기가 수백 나노미터(머리카락 굵기의 약 100 분의 1정도)의 유리구슬이 차곡차곡 쌓여 있는 것으로서, 그것이 아름다운 색을 띄는 것은 오팔이 선택적으로 반사하는 파장영역대의 빛만을 우리가 볼 수 있기 때문이다. 이렇게 오팔보석이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질을 이루는 구조가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이며 이러한 구조를 광결정이라 한다. 이러한 구조의 광결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 완전히 선택적으로 반사시키는 기능을 보유하게 된다.
생명화학공학과 양승만 교수팀 (광자유체집적소자 창의연구단)은 파장이 서로 다른 빛들을 반사하는 오팔 광결정을 미세소자에 연속적으로 도입하여 무지개 같은 띠 모양으로 제작할 수 있는 기술을 확보했으며 이를 이용해 극미량의 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 칩 크기 수준의 미세분광기를 최근 제조했다.
사람마다 고유한 지문을 갖듯이 물질을 이루는 분자도 고유한 지문을 갖는데 이는 분자마다 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하거나 방출하는 독특한 스펙트럼을 갖기 때문이다.
따라서, 물질을 구성하는 분자를 광학적으로 인식하기 위해서는 분광분석기 (spectrometer)라는 기기가 필요하며 이는 물질이 갖고 있는 다양한 광정보 처리를 위해 광자소자 및 분석소자를 구성하는데 꼭 필요한 요소 중 하나이다.
그러나 기존의 분광기는 파장에 따른 빛의 공간적 분할을 위한 격자(grating) 및 빛의 진행에 필요한 공간을 요구하므로 고가의 큰 장치로만 제작이 가능하였다.
최근에 많은 주목을 받고 있는 생명공학의 산업적 이용이나 신약개발을 위해서는 부피가 나노리터(10-9L)~펨토리터(10-15L) 정도의 극미량의 샘플을 처리해야 하므로 분석실험실을 반도체 칩과 같이 초소형화한 소위 ‘칩위의 실험실: Lab on a Chip’이 필연적으로 요구된다.
이를 구현하기 위해서는 칩 내부에 분광분석기와 같은 분석소자를 설계해 도입해야 하나 기존의 기술로는 현실적으로 불가능 했다.
이번 연구 결과는 초소형 분석소자의 실용성을 구현하는데 크게 기여한 점을 인정받아 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월호 표지논문(cover paper)으로 게재됐다. 또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘광결정으로 미세 분광기를 만들다(Photonic crystals allow the fabrication of miniaturized spectrometers)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.
칩규모의 초소형 물질감지소자는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이다. 이번 연구의 결과는 초소형 분광분석기 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
그림1. 반사색이 연속적으로 변하는 광결정 분광기의 저배율 및 고배율 사진 (분광기가 손톱크기로 초소형화 되었음을 확인할 수 있다)
기본 원리는 아래 그림과 같이 다른 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정을 패턴화하면 미지의 빛이 입사할 경우 반사하는 빛의 세기만을 통해 입사한 미지의 빛의 스펙트럼을 알아낼 수 있다는 것이다.
이러한 아름다운 반사색을 보이는 광결정은 오팔보석, 공작새 깃털, 나비날개, 딱정벌레 등 자연계에 많이 존재하는데 양 교수 연구팀에서는 이를 규칙적으로 패턴화하여 전체 가시광 영역에서 배열한 것이다. 이러한 광결정을 이용하면 공간에 따른 빛의 세기분포를 파장에 따른 빛의 세기분포 즉 스펙트럼으로 물질을 이루는 분자를 재분석해낼 수 있다. 이는 기존의 분광기와는 달리 긴 진행거리를 요구하지 않기 때문에 소형화가 가능하고 신호의 검출은 미세검출기 배열을 통해 가능할 것으로 예상된다.
그림2. 가시광 영역에서 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정 (내부의 나노구조는 나비날개와 공작새 깃털 구조의 광결정와 유사하다)
<용어설명>○ 콜로이드 : 물질의 분산상태를 나타내는 것인데, 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 것은 콜로이드 상태라고 부른다. 예를 들어, 생물체를 구성하는 물질 대부분이 콜로이드 상태로 존재한다.
2010.03.16
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김상욱 교수, 저명 국제학술지 ‘신진과학자’특집호 초청표지논문 게재
- 고기능성 탄소나노튜브 손쉬운 분자조립 제어기술 개발
우리대학 김상욱 교수팀은, 국제적으로 권위 있는 학술단체인 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 ‘연성물질’(Soft Matter)지가 특별 기획한 ‘신진과학자 특집호’(Emerging Investigator Special Issue)에 초청되어 6월 21일 자 표지논문으로 게재되었다.
이 특집호는 주로 미국과 유럽의 저명한 과학자들로 구성된 이 학술지의 편집진과 고문단이 엄격한 추천 및 심사 과정을 거쳐 선정한 전 세계적으로 가장 선도적인 연구업적을 내는 젊은 과학자 18명(미주 6명, 유럽 10명, 일본 1명, 한국 1명)의 상세한 연구 이력과 ‘특별 초청논문’을 소개하였다.
우리나라에서는 김상욱 교수의 논문이 유일하게 초청되었으며, 특히 다른 나라 연구자들의 논문을 제치고 김상욱 교수의 논문이 표지논문으로 선정됨으로써 연구업적의 우수성을 전 세계적으로 공인받게 되었다.
김 교수는 이번 초청 논문에서 기존 분자조립기술의 한계를 극복한 신개념의 나노기술을 소개하였다.
그동안 분자조립기술은 생체분자나 고분자 등에 주로 적용되어왔으며 이들 유기소재들은 전기가 통하지 않는 부도체로 기계적으로 매우 강도가 약해 그 응용 범위가 한정되는 약점이 있었다.
일반적으로 분자의 배열을 조절하기 매우 어려운 것으로 알려진 탄소나노튜브에 분자조립기술을 적용하여 유기용액 상에서 손쉽게 입체적인 다공성 구조로 만드는 데 성공하였으며, 이 기술을 통해 만들어진 입체적으로 얽혀 있는 탄소나노튜브의 다공성 구조가 표지논문 그림으로 채택되었다.
탄소나노튜브와 고분자를 휘발성이 강한 유기용매에 함께 녹이고 습도가 매우 높은 공기를 용액표면에 불어넣어 매우 쉽게 다공성 탄소나노튜브/고분자 복합체 막을 만들어 냈으며, 여기에 열처리를 통해 고분자만 태워냄으로써 그 안에 숨어 있던 탄소나노튜브 가닥들이 마치 동아줄 같이 엉켜 형성한 분자조립 다공성 구조를 드러냈다.
김 교수는 “그동안 주로 생체분자나 고분자 등에 한정되어 있던 분자조립현상을 탄소나노튜브와 같이 높은 전기전도성과 기계적 물성을 가지는 신소재에 적용한 신개념의 연구결과이며, 분자조립공정의 가능성을 다양한 소재로 확장한 중요한 연구결과로 평가되고 있다.”고 언급했다.
고분자나, 생체분자, 탄소나노튜브 등 다양한 연성물질들의 분자배열을 원하는 형태로 조절하여 초미세 나노패턴을 만들 수 있는 ‘연성소재 분자조립 나노기술’을 개발하여 Nature지, Science지 등 최고수준의 학술지에 10편 이상의 주목받는 논문들을 발표해 국내외적으로 많은 관심을 모아왔다.
특히, 김상욱 교수의 분자조립 나노기술은 현재 반도체 공정으로 도달하기 어려운 30나노미터 이하의 나노패턴을 대량으로 제작할 가능성을 제시하여 학계뿐만이 아니라 산업계에서도 많은 관심을 모으고 있다.
2009.06.23
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박찬범 교수팀, 펩타이드 자기조립기술을 이용하여 전도성고분자 나노선/나노튜브 개발
- 화학분야 저명 국제학술지 안게완테 케미지 최근호 게재
우리대학 신소재공학과 박찬범(40) 교수와 유정기(28) 연구원이 자연계의 펩타이드 자기조립기술을 이용, 전도성고분자 나노선과 나노튜브 소재를 개발했다. 관련 논문은 독일에서 발간되는 세계적인 학술지인 안게완테 케미(Angewandte Chemie)지 최근호 (6월 15일자)에 게재됐으며, 나노기술과 생명과학분야의 창의적인 융합을 통해 새로운 나노소재를 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다.
펩타이드나 단백질은 20여가지 아미노산의 조합을 통해 다양한 3차원 구조를 형성할 수 있으며, 이들은 기존의 재료에서는 볼 수 없었던 매우 우수한 물성과 다양한 기능을 가지는 장점이 있다.
朴 교수 연구팀은 두 개의 아미노산으로 구성된 매우 단순한 펩타이드 (peptide)를 수만 개 이상 스스로 조립시켜 머리카락의 약 천분의 일 정도 두께를 가진 긴 나노선을 형성하고, 여기에 대표적인 전도성 고분자 물질인 폴리아닐린 (polyaniline)을 얇게 코팅하여 누드김밥처럼 코어(Core)/쉘(Shell) 구조를 가진 전도성 나노선을 제조했다. 코어/쉘 형태의 나노선은 일반 전선과는 반대로, 바깥쪽으로만 전류가 흐르는 특성을 가지고 있다. 朴 교수팀은 이렇게 형성된 전도성 나노선의 펩타이드 코어부분을 선택적으로 제거하여 폴리아닐린으로만 구성된 전도성 나노튜브 (채널직경 약 1/5000 mm)를 제조하는 데 성공했다.
화학물질들이 레고(Lego) 장난감처럼 스스로 조립하여 3차원 구조체를 만드는 것은 모든 생명현상의 근간이 될 뿐만 아니라, 최근 들어서는 나노소재를 개발하는 주요기술들 중의 하나로 각광받고 있다. 특히 朴 교수팀의 연구에서 사용한 펩타이드는 알츠하이머병 등 각종 퇴행성 신경질환의 발병과도 밀접한 연관성을 가진 섬유상 구조의 아밀로이드 플라크(amyloid plaque)로부터 유래되어 펩타이드의 자기조립 현상에 관한 연구는 의학적 측면에서도 중요성이 매우 크다.
전도성 고분자를 나노크기의 구조로 제조할 경우 그 전기적 특성이 대폭 향상되기 때문에 이번에 개발된 전도성 고분자 나노선/나노튜브 소재는 차세대 태양전지, 각종 센서/칩 개발 등에 응용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 나노-바이오 융합분야에서 국가 과학기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다.
朴 교수팀은 2008년도부터 교육과학기술부의 ‘국가지정연구실사업’으로부터 지원을 받아 다양한 형광색상(RGB)을 가진 나노튜브, 연잎처럼 물에 젖지 않는 펩타이드 소재, 식물의 광합성을 모방한 인공광합성 재료 등 새로운 기능을 가진 바이오소재를 개발하기 위한 연구를 수행해 왔으며, 해외 저명학술지들로부터 크게 주목받는 연구 성과들을 발표하고 있다 (http://biomaterials.kaist.ac.kr).
2009.06.16
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김상욱교수팀, 분자조립 나노기술을 이용한 나노선(Nanowire)제작기술 개발
- 관련논문 5월7일(목)자 나노레터스지 온라인판 게재
- 세계를 변화시킬 10대 기술 중 하나인 나노선 제작의 새로운 기술
신소재공학과 김상욱(金尙郁, 37) 연구팀은 스스로 나노패턴를 형성하는 고분자를 대면적에서 원하는 형태로 배열하는 새로운 방법을 개발하고 이를 이용하여 나노선(Nanowire)을 원하는 위치에 손쉽게 만들 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.
김 교수팀은 스스로 나노패턴를 형성하는 고분자를 마이크로패턴 안에 채워 넣어 다양한 크기와 형태를 가진 스스로 정렬된 나노구조를 만들고, 이를 틀(template)로 사용하여 알루미늄 금속나노선과 실리콘 반도체 나노선을 대면적에서 만들 수 있음을 보여 주었으며, 실제로 이 과정을 통해 만들어진 알루미늄 나노선의 전기적 특성을 측정하는데 성공했다.
이 연구결과는 나노기술 분야의 세계적 권위지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 온라인 판(5.7, 목)에 게재됐으며, 관련기술은 국내특허 출원중이다.
나노선은 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서등 첨단 전지전자 소자개발을 위한 가장 핵심적인 요소로 미래를 변화시킬 10대 기술중의 하나이다. 그러나, 기존공정으로는 나노크기의 틀을 만드는 비용이 비싸고 많은 시간이 소요되어 새로운 제작 기술이 요구되었다.
연구팀 관계자는 “이번에 개발한 신기술은 여러 층으로 구성된 나노트랜지스터 제작 및 바이오센서 제작 등에 폭넓게 적용될 것으로 전망된다.”고 말했다.
이번 연구는 국가지정 연구실사업 (NRL)의 지원하에 신소재공학과 박사과정 정성준(鄭盛駿, 33세)연구원이 주도적으로 진행했다.
2009.05.12
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김상욱,이원종,이덕현 연구팀, 질소가 도핑된 전도성 탄소나노튜브의 고효율 제조공정 개발
- 세계적 학술지 나노 레터스지 3.13(금)일자 온라인판 발표
신소재공학과 김상욱(金尙郁, 37, 교신저자), 이원종(李元鐘, 52, 교신저자) 교수와 박사과정 이덕현(李德睍, 29, 제1저자) 연구팀이 분자조립(molecular self-assembly) 나노기술을 이용하여 질소가 도핑(doping)된 높은 전기전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절하며 매우 빠른 속도로 합성할 수 있는 새로운 공정을 개발했다.
이 연구결과는 나노기술분야의 세계적 학술지인 나노 레터스(Nano Latters)지 최신호(3.13, 금) 온라인 판에 게재됐다.
탄소나노튜브는 전기적, 물리적 성질이 매우 우수하여 플렉서블 전자소자 등 다양한 미래기술에 적용될 것으로 예상된다. 그러나 탄소나노튜브를 이용한 나노소자를 실용화하기 위해서는 탄소나노튜브의 전기 전도도를 높이고, 물리적 특성을 결정짓는 탄소나노튜브의 직경과 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 일반적으로 탄소나노튜브의 전기 전도도를 향상시키기 위해서는 실리콘 등의 반도체 물질에 이용되는 방법과 같이 붕소(B)나 질소(N) 등의 소량의 불순물을 첨가시키는 도핑 기술이 필요하다. 또한 탄소나노튜브의 직경 및 탄소벽의 개수는 합성에 이용되는 금속 촉매의 크기에 의해 결정되므로 형태가 균일한 나노튜브를 대량으로 성장시키기 위해서는 균일한 크기의 촉매입자를 기판위에 대면적으로 제조할 수 있는 나노패턴 공정이 필요하다.
金 교수 연구팀은 고분자의 분자조립 나노패턴기술을 통해 탄소나노튜브의 성장에 필요한 금속 촉매의 크기를 대면적에서 수 옹스트롱 수준으로 균일하게 조절하고 이를 이용하여 탄소나노튜브의 직경 및 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절하는데 성공하였다. 또한, 질소가 도핑되어 높은 전기 전도도를 보이며, 화학적인 기능화가 용이한 탄소나노튜브를 분당 50마이크로미터의 높은 속도로 성장시키는데 성공하였다.
金 교수 연구팀은 그동안 ‘고분자 자기조립 나노기술’에 관련된 일련의 연구 결과들을 네이처지와 사이언스지 그리고 어드밴스드 머티리얼스지 등에 발표해 왔다. 이번 연구 결과로 고분자소재뿐만 아니라 유/무기 혼성소재공정 분야에서도 우수한 역량을 보여주게 됐다. 이번 연구는 金 교수와 李 교수의 공동 지도하에 박사과정 이덕현 씨가 진행했다.
<용어설명>
- 탄소나노튜브(carbon nanotube): 나노미터 수준의 직경을 가지는 일차원적 구조의 탄소소재로 높은 전하이동도와 전하 축척도를 가지며, 전 세계적으로 초미세/고효율 소자의 부품으로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
- 분자조립(molecular self-assembly): 분자들이 외부의 도움 없이 스스로 정렬되어 정형화된 구조를 형성하는 현상을 의미하며, 초미세 나노패턴구조를 형성시킬 수 있는 원리로 많은 관심을 모으고 있다.
2009.03.17
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생명화학공학과 양승만교수 광자유체 신기술개발
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 58세, 교육과학기술부 지정 광자유체집적소자 창의연구단 단장) 교수 연구팀이 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 ‘자기조립원리’를 규명하는 연구를 수행하여, 방대한 량의 정보를 처리할 수 있는 프로토타입(prototype)의 광․바이오 기능성 광자결정(photonic crystal)구조체를 개발했다.
자연계에 존재하는 대표적인 광자결정은 오팔보석, 나비의 날개, 공작새의 깃털 등이 있다. 이들 광자결정 물질들이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질들을 이루는 구조 자체가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이다. 즉, 광자결정은 굴절률이 다른 물질들이 규칙적으로 쌓여 조립된 3차원 구조체로 특정한 영역의 파장에 해당하는 빛만 완전히 반사시킨다. 이 성질을 이용하면 반도체가 전자의 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 광자결정의 특수한 기능 때문에 나노레이저, 다중파장의 광 정보를 처리할 수 있는 슈퍼프리즘(superprism), 빛을 원하는 위치로 가이드 할 수 있는 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발 등에 필요한 소재로 주목 받아왔다. 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 지난 20여 년 동안 자연 상태에 존재하는 광자결정의 나노구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 梁 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 최근 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 일련의 연구 성과를 거뒀다.
첫 번째 연구 성과로 굴절률 조절이 가능한 미세입자 대량 생산기술을 개발했다. 지금까지 구현된 3차원 광자결정은 결정을 이루는 물질의 굴절률이 1.5-2.0 정도로 낮고, 굴절률을 다양하게 조절할 수 있는 입자를 제조할 수 없어서 광자결정의 실용성에 한계가 있었다. 최근 梁 교수 연구팀은 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제조할 수 있는 실용적 방법을 개발했다. 제조된 고 굴절률 입자는 나노레이저, 광 공명기, 마이크로렌즈, 디스플레이 등 각종 광학소자와 광촉매 등으로 활용될 수 있다. 이 연구결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스 인터넷판(6. 19)과 제 17호(2008. 9)의 표지논문으로 게재 예정이다. 특히, 이 논문은 저명 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)誌 8월호(8. 1)에 리서치 하이라이트(Research Highlights)로 선정되어 연구의 중요성과 응용성에 대하여 특별기사로 조명했다.
그림 1. 초고굴절률 타이타니아 입자의 전자 현미경 사진
두 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정구 연속생산 기술을 개발했다. 균일한 크기와 모양을 갖는 광자결정구를 빛을 매개로 반응시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 공정을 불과 수십 초 만에 연속적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 이들 광자결정구는 차세대 반사형디스플레이 색소나, 나노바코드, 생물감지소자 등으로 활용될 수 있다. 특히 주목할 것은 몇 개의 다른 색을 반사하는 야누스 광자결정구슬을 제조하였는데 이들은 전자종이와 같은 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 소자에 활용될 수 도 있다. 이러한 광자결정 표시소재는 세계굴지의 화학회사인 독일 머크(Merck)社 등에서도 개발 중이며 이번 연구 결과는 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다. 주요 연구결과는 국제적저명학술지인 미국화학회지(JACS)와 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)誌에 6편의 논문을 최근 4개월(5～8월) 동안 연속 게재하여 광자결정의 실용성을 구현하는데 크게 기여했다고 인정받았다. 특히, 이들 논문들은 해당 학술지 편집인(Editor)과 심사위원들에 의하여 가장 앞선 연구결과로서 주목해야 할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐으며, 9호(5. 5) 표지논문에 게재됐다.
그림 2. 3원광 광자결정구와 다색상 야누스 광자결정구의 현미경사진과 휘어지는 기판 위에 픽셀화된 3원광 광자결정.
세 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정 나노레이저를 개발했다. 현재까지 개발된 나노레이저는 발생하는 고열로 인하여 발진하는 레이저의 파장을 변화시키기 어려운 단점이 있었다. 梁 교수 연구팀은 KAIST 물리학과의 이용희 교수 연구팀과 공동으로 연속가변파장 나노레이저를 최초로 개발했다. 레이저를 발진하는 광자결정과 매우 미세한 유량을 도입할 수 있는 미세유체소자를 결합한 후 물과 같은 액체를 흘려줌으로써 온도를 낮추어 연속파 레이저 발진을 가능케 하였다. 또한 굴절률이 다른 액체를 흘려주어 광밴드갭을 조절함으로써 레이저의 파장을 조절 할 수 있었다. 가변파장 나노레이저는 신약개발 등 생명공학에서 요구되는 극미량의 시료로부터 방대한 량의 바이오정보를 광학적으로 신속하게 처리하는데 필요한 광원으로 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 광물리 분야의 저명학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 게재(4. 9) 됐으며 이 논문의 독창성과 실용성은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 8월호(8. 1)에 해설과 함께 “리서치 하이라이트”로 소개됐다.
그림 3. 나노레이저 발진모드
2008.08.19
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신소재공학과 김상욱 교수팀, 생체분자 이용한 액정성 펩타이드 나노선 개발
- 어드밴스드 머티리얼즈誌 19일(월)자 발표, 표지 논문으로 선정- 순수 국내연구진에 의해 새로운 개념의 생체 소재 나노소자 개발 가능성을 한 단계 높인 연구 성과
우리 학교 신소재공학과 김상욱(金尙郁, 35) 교수팀이 생체분자(biomolecule)를 이용한 액정성 펩타이드 나노선(nanowire) 개발에 성공했다.
이 연구결과는 재료분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)誌에 19일(월)자로 발표되고 그 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.
金 교수팀은 생체소재 나노제작기술(bionanofabrication)을 이용, 두 개의 아미노산이 연결된 생체 분자인 디펩타이드(dipeptide)로부터 액정성 나노선을 제조하고 그 분자 구조 및 액정상을 규명했다. (그림참조)
환경오염 등의 문제를 극복하기 위해 전 세계적으로 생체물질을 이용한 새로운 나노소재 연구가 큰 관심을 끌고 있다. 이번 액정성 나노선 개발은 새로운 개념의 생체 소재 나노소자 개발 가능성을 한 단계 높인 중요한 연구 성과다. 또한, 이 분야의 연구 기반이 거의 없는 국내에서 순수 국내연구진에 의해 새로운 분야를 개척한 것으로도 큰 의미가 있다.
金 교수팀은 그동안 ‘고분자 자기조립현상을 이용한 수십 나노미터 크기의 패턴 제조 연구’ 논문을 사이언스誌, 네이처誌 등 주요 학술지에 발표해 왔다. 이번 연구 결과로 합성 고분자 소재 뿐 아니라 생체 소재의 자기조립 관련 분야 연구에도 우수한 역량을 보여주었다.
이 연구는 金 교수의 지도하에 박사과정 한태희씨가 진행하고, 화학과 김장배(지도교수 이효철 교수, 박사과정)씨가 엑스선회절을 이용한 분자 구조 규명에 참여했다.
<용어설명>
- 액정상 : 액정은 결정과 액체의 중간 상태로 입자가 갖는 방향성에 따라 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등으로 구분하기도 한다. 네마틱은 일정 방향으로 향하는 성질을 갖는 것으로 액정 표시 장치 (LCD)에 많이 쓰이고 있으며 보통 막대형 (rod/wire) 또는 판형 (disk) 분자로 이루어져 있다. 본 연구에서 개발된 펩타이드 나노선은 네마틱을 나타내고 있다.
- 팹타이드(Peptide) : 펩타이드는 몇 개의 아미노산이 펩타이드 결합을 통해 연결된 형태를 말한다. 많은 아미노산이 연결되면 단백질이 된다. 두 개의 아미노산이 연결된 형태를 디펩타이드라고 하며, 본 연구에서는 두 개의 페닐알라닌이 연결된 디펩타이드가 사용되었다.
- 나노선(nanowire) : 나노미터 단위의 크기를 가지는 일차원적 구조체로 금속성과 반도체, 절연성의 많은 종류의 나노선이 존재한다. 전 세계적으로 초미세/고효율 소자의 부품으로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
2007.11.20
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