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윤동기 교수, 액정 결함의 변이 과정 관찰에 성공
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함이 온도에 따라 변화하는 과정을 규명했다.
액정 결함에 관한 연구는 20세기 초반부터 약 100여 년 간 위상기하학을 연구하는 물리, 수학자들에 의해 연구됐지만 결함의 형태 전이를 세밀하게 직접적으로 관찰한 것은 이번 연구가 처음이다.
이 액정에서의 결함은 위상학적(topology)으로 우주에서 발생하는 블랙홀과 같은 위상학적 현상과 비슷한 구조를 갖기 때문에 우주의 원리를 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
김민준 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 5월 30일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Morphogenesis of liquid crystal topological defects during the nematic-smectic A phase transition)
일반적으로 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성을 갖고 있어 액정표시장치(LCD)나 광학 센서 등에 사용된다. 이 때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 측면에서 유리한 것으로 알려져 있으나 물질 특성 상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다.
윤 교수 연구팀은 이 결함을 단순히 없애는 데만 집중하지 않고 결함의 구조를 이해하고 형성 원리를 명확하게 규명하는 기초연구에 집중했다.
이러한 노력을 바탕으로 액정재료의 위상학적 결함이 안정적으로 발생하는 플랫폼을 구성해 온도 변화에 따른 상전이(phase transition)를 직접적으로 관찰했다.
위상학적 결함의 상전이는 2016년도 노벨물리학상의 주제이기도 할 만큼 기초과학 분야에서 중요하다. 우주 은하의 위상학적 구조적 원리도 이에 바탕하고 있어 많은 연구자들이 집중하고 있는 분야이다.
우주 은하의 위상학적 결함을 관찰하기에는 너무 범위가 크고 시간이 오래 걸린다. 하지만 윤 교수팀이 고안한 플랫폼의 위상학적 결함 구조는 광학 현미경으로 관찰이 가능한 수준의 크기이다. 또한 결함의 상전이가 일어나는 시간도 수초에서 수분 단위이기 때문에 관찰이 용이하다.
여기서 액정 재료들이 형성하는 결함 구조는 하나의 특이점(singularity)을 중심으로 방사형, 원형, 나선형 등의 형태를 갖는다. 특이점은 영화 ‘인터스텔라’에서도 나온 것처럼 우주의 블랙홀의 중심부 부분에 해당한다.
이 액정 재료는 일반적으로 딱딱한 두 유리판 사이에 모세관 현상을 통해 주입해 그 시료를 준비하게 된다. 그러나 이 과정에서 유리판처럼 단단한 기판은 표면효과 때문에 액정 물질의 움직임을 제한시키고 이는 결함의 상전이를 관찰하는 장애물이었다.
연구팀은 물 위에 기름이 떠다니는 현상을 이용해 물 위에 얇은 액정재료 막을 형성함으로써 액정 분자들의 움직임이 제한적이지 않은 환경을 조성했다.
이런 환경에서 온도를 변화시키면 그 구조체를 구성하는 분자와 분자 사이의 미세한 상호작용이 기판에 의한 표면효과보다 훨씬 크기 때문에 위상학적 결함의 상전이를 연속적, 직접적으로 관찰할 수 있다.
이 연구 방식은 온도 변화를 통해 위상학적 결함의 형성과정을 순서대로 혹은 역으로 조절할 수 있다. 따라서 전이과정을 면밀하게 관찰하면 중간 상태의 결함구조를 통해 최초의 그 결함 형태와 구성 분자들의 배열을 정확히 역추적 할 수 있다.
이는 위상학적 결함의 형성 원리를 근본적으로 이해할 수 있는 연구 수단이 될 것으로 기대된다.
윤 교수는 이번 연구에 대해 “연구에 대한 발상의 전환을 통해 남들이 보지 못한 것을 볼 수 있었다”며 “액정 결함에 대한 이번 연구 결과는 산업적 측면 뿐 아니라 기초 학문에 세계적 공헌을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
또한 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정에 대한 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구에 대한 관심을 촉발시키는 계기가 되길 바란다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업과 신진연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물 위에 형성된 액정 결함의 냉각에 의한 위상학적 결함의 상전이 현상의 편광현미경 사진
그림 2. 액정 분자들이 모이는 위상학적 결함의 편광현미경 이미지와 그에 대한 모식도와 액정 분자들이 퍼지는 위상학적 결함의 편광현미경 이미지와 그에 대한 모식도
2017.06.01 조회수 16712 -
윤동기 교수, 금속에 버금가는 정렬도 갖는 액정 개발
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 유동적으로 움직이는 액정 재료들을 금속과 같이 단단한 결정처럼 움직이지 않게 만드는 3차원 나노패터닝 기술을 개발했다.
이 기술은 수십 나노미터 수준의 제한된 공간에서 액정 분자들의 자기조립(self-assembly) 현상을 유도해 이뤄진다. 이는 승강기 안에 적은 수의 사람들이 있다가 많은 사람이 탑승하면서 빽빽하게 자리를 차지하는 현상과 비슷하다.
김한임 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 사이언스의 자매지인 ‘사이언스 어드밴스(Science advances)’ 2월 10일자 온라인 판에 게재됐다. 이번 연구는 향후 유기 분자 기반의 나노재료를 활용하는 기술에 다양하게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성 등으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 이용되는 대표적인 유기 소재이다.
그러나 액정 재료는 물풀과 같이 유동적으로 흐르기 때문에 구조의 제어가 어렵고 안정적이지 않아 활용 범위가 제한됐다.
연구팀은 문제 해결을 위해 액정 재료가 들어 있는 수십 나노미터크기의 2차원의 한정된 공간을 위아래 옆, 사방에서 눌러주는 시스템을 개발했다.
게스트(guest) 역할의 액정물질과 상호작용하는 호스트(host) 물질을 3차원적 나선형의 나노구조체로 제작함으로써 효과적으로 게스트 액정물질을 제어하는데 성공했다.
이렇게 공간 자체를 줄이게 되면 유동적으로 흐르는 액정 물질조차 마치 고체처럼 단단해지는 효과가 발생한다.
기존 연구가 단순히 2차원의 고정된 공간을 한정적으로 이용했다면 이번 연구는 고정된 공간을 인위적으로 조절함으로써 그동안 존재하지 않던 좁은 공간을 3차원적으로 구현한 것이다.
이 기술을 이용하면 냉각이나 건조 등의 추가 공정 없이도 유기액정재료를 금속 결정상에 버금가는 배열로 3차원 공간에 균일하게 제어할 수 있다.
이를 통해 새로운 개념의 액정 기반 3차원 나노패터닝 기법을 개발할 수 있고, 전기 및 자기장에 민감하게 반응하는 액정 소재의 고유 성질과 융합하면 고효율의 광전자 소자 개발에 기여할 수 있다.
또한 현재 디스플레이 및 반도체에 사용되는 단순한 선과 면 형태의 2차원 패터닝을 탈피해 고차원 구조 중 가장 구현이 어렵다는 나선 형태도 쉽게 제조가 가능하다. 이를 통해 향후 카이랄 센서, 차광소재, 분리막 등 광범위한 분야에 응용할 수 있다.
연구팀은 이번 연구에 대해 “유동적인 액정소재의 배향, 배열 정보를 3차원 공간에 완벽하게 제어하는 데 성공했다”며 “액정 물질 뿐 아니라 다양한 유기 분자로 구성된 나노 구조체를 한정된 공간과 재료의 상호작용을 이용해 손쉽게 제어할 수 있는 기술이다”고 말했다.
윤 교수는 “이번에 개발한 원천기술을 이용하면 현재 사용되는 2차원적 광식각 공정(Photolithography)에 비해 10배 이상 제작 과정을 간소화시킬 수 있다”며 “현재 기술로 구현이 어려웠던 복잡한 구조를 최초로 만듦으로써 반도체, LCD 등 관련 분야에서 신 성장 동력을 창출할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부, 교육부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 글로벌연구네트워크 지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게스트 액정 도입 전 후 사진 및 모식도
그림2. 결정화된 액정구조체 형성 원리 모식도
2017.02.14 조회수 14699 -
박용근 교수, 성능 수천배 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀(KI 헬스사이언스 연구소)이 성능이 2천 배 이상 향상된 3차원 홀로그래픽 디스플레이 기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 기존 무 안경 홀로그래픽 기술의 큰 문제점이었던 제한적인 영상 크기와 시야각을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
유현승 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 1월 24일자 온라인 판에 게재됐다.
공상과학 영화에 자주 등장하는 3차원 홀로그램은 대중에게 친숙한 기술이지만, 영화 속 홀로그램은 컴퓨터 그래픽 효과로 만들어낸 것이다. 실제 기술로 구현하기에는 한계가 많기 때문이다.
이 때문에 디스플레이 산업계는 2차원 영상 두 개로 착시 효과를 활용하는 가상현실(VR)과 증강현실(AR)에 집중하고 있다. 이 기술들은 3차원 이미지 대신 두 개의 서로 다른 2차원 이미지를 눈에 투사하는 방식을 채택한다.
3D안경 등 특수 장비 없이도 볼 수 있는 3차원 홀로그램을 만들기 위해선 공간광파면 조절기(빛이 퍼져나가는 방향을 정밀하게 조절할 수 있는 광학제어장치)를 이용해 빛의 방향을 변경해야 한다.
그러나 이와 같은 공간광파면 조절기를 3차원 디스플레이로 사용하지 못하는 가장 큰 걸림돌은 픽셀의 개수이다. 최근 각광받는 고해상도 모니터의 많은 픽셀 개수조차도 2차원 이미지에만 적합할 뿐 3차원 이미지를 만들기에는 정보량이 매우 부족하다.
이 때문에 기존의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기 1센티미터, 시청 가능 각도 3도 이내 수준으로서 실용성과는 거리가 멀다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공간광파면 조절기만 사용하는 대신 간유리를 추가적으로 활용해 빛을 무작위로 산란시켰다. 무작위로 산란된 빛은 여러 방향으로 퍼지기 때문에 넓은 각도에서 시청 가능하고 영상 크기도 확대된다.
하지만 무작위한 패턴을 갖기 때문에 특별한 제어 없이는 3차원 이미지를 볼 수 없다. 연구팀은 빛의 결맞음(파동이 간섭 현상을 보이는 성질) 정도에 대한 수학적인 상관관계를 활용해 빛을 적절히 제어해 문제를 해결했다.
연구팀은 실험을 통해 가로, 세로, 높이 2센티미터 영역에 약 35도의 시청각을 갖는 3차원 이미지를 제작하는 데 성공했다. 이는 기존의 공간대역폭보다 약 2천 600배 이상 향상된 결과이다.
연구팀의 홀로그래픽 디스플레이는 기존의 공간광파면 조절기에 간유리를 추가하는 것만으로 제작이 가능해 일반적인 디스플레이 장치와 결합해 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 유현승 학생은 “물체의 인식을 방해한다고 여겨진 빛의 산란을 적절히 이용해 기존 3차원 디스플레이보다 향상된 이미지를 만들 수 있음을 선보였다”며 “특수 안경 없이 볼 수 있는 실용적인 디스플레이의 기반이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 시간역행반사 창의연구단 사업과 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 모식도
그림2. 2 cm × 2 cm × 2 cm 영역에 만들어진 3차원 이미지
그림3. 3차원 홀로그래픽 디스플레이의 원리
2017.01.24 조회수 16823 -
윤동기 교수, 붓으로 DNA의 모양을 조절하는 기술 개발
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 일상생활에서 흔히 쓰이는 화장용 붓을 이용해 일정한 지그재그 형태를 갖는 DNA 기반의 나노 구조체 제작 기술을 개발했다.
차윤정 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 재료분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’ 11월 15일자 온라인 판에 게재됐고 액정(liquid crystal) 분야 핫 토픽으로 선정됐다.
기존에도 DNA를 빌딩블록으로 사용해 다양한 나노 구조체를 만드는 기술은 많이 존재했다. 그러나 이 방식은 복잡한 설계과정이 필요하고 특히 염기서열이 조절된 값비싼 DNA를 이용해야 하는 단점이 있다.
연구팀은 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 1천 배 이상 저렴한 비용으로 잘 정렬된 지그재그 형태의 나노 구조체를 구현했다.
연구팀은 화장품 가게에서 구매한 화장용 붓으로 연어에서 추출한 DNA를 물감처럼 이용해 그림 그리듯 기판에 한 방향으로 문질렀다. 수 센티미터 크기의 붓을 이용해 지름이 약 2 나노미터인 DNA 분자들을 붓질 방향으로 나란히 정렬시켰다.
얇게 퍼진 진한 상태의 DNA 필름이 공기 중에 노출돼 건조되며 이 때 기판의 바닥에서 잡아주는 힘 때문에 팽창력이 작용한다. 이 팽창력은 DNA의 탄성력과 상호작용해 일렬로 향하던 DNA의 분자에 파도모양의 기복이 생기면서 일정한 지그재그 패턴이 형성된다.
형성된 DNA 지그재그 패턴은 생물체에서 추출한 저렴한 DNA를 사용했기 때문에 그 내부정보(sequence)까지는 조절되지 않았지만, DNA 물질의 구조적 정교함은 변하지 않아 아주 일정한 구조체가 된다.
이렇게 정밀하게 구조가 조절된 DNA 막 위에 다른 물질을 바르면 DNA 구조에 따라 정밀하게 그 물질이 정렬하기 때문에 다양한 분야에 이용 가능하다.
예를 들어 액정 디스플레이에 사용되는 다른 액정을 정렬시킬 수 있고 금속 입자, 반도체 물질 역시 정렬이 가능하다. 이러한 기능을 통해 새로운 개념의 광전자 소자로의 응용에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
윤 교수는 “DNA 뿐 아니라 자연계에 존재하는 단백질, 근육 세포, 뼈의 구성물질 등 다양한 생체 물질을 광전자 분야에 사용할 수 있다는 점에서 큰 의의를 갖는다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 나노소재 원천기술개발사업 및 미래유망융합기술 파이오니아 사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 규칙적인 DNA 지그재그 구조체의 이미지와 내부 분자의 배향을 설명하는 모식도
그림2. 정렬되지 않던 DNA(좌)가 붓질 및 건조시킨 후 정렬된 과정(우)
그림3. 마이크로 채널 기판을 이용한 DNA 지그재그 구조체의 제어
그림4. DNA 지그재그 구조체 표면 위에 형성된 액정 물질의 배향제어 모식도 및 편광 현미경 이미지
2016.12.01 조회수 15186 -
기억 및 논리 연산 가능한 메타물질 개발
〈 민 범 기 교수 〉
우리 대학 기계공학과 민범기 교수 연구팀이 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발했다.
이번 연구결과는 과학전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 27일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operation)
메타물질은 자연에서 발견되지 않은 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질이다. 이는 빛의 파장보다 훨씬 짧은 구조물로 구성됐으며 고해상도 렌즈 및 투명망토 등에 응용 가능해 활발한 연구가 이뤄지고 있다.
메타물질의 변조된 광학적 특성을 유지시키기 위해선 외부의 지속적 자극이 공급돼야 하는데 이는 많은 전력 소모의 원인이 된다. 이 단점을 극복하기 위해 외부 자극 제거 후에도 변조된 특성이 유지 가능한 메모리 메타물질이라는 개념이 대두됐다.
메모리 메타물질은 변화된 광학적 특성을 기억한다는 장점을 갖는다. 하지만 기존에 보고된 메모리 메타물질은 고온에서만 기억되거나 부피가 큰 광학적 장치에 의해서만 동작 가능해 현실적 응용에 한계를 보였다.
연구팀은 문제 해결을 위해 메타물질에 그래핀과 강유전체 고분자를 접목시켰다. 연구팀이 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소, 수소가 결합한 분자로 외부 전압의 극성에 따라 회전할 수 있다.
이 강유전체 고분자는 상온에서도 안정적으로 변화 상태를 유지할 수 있고, 그래핀과 접촉돼 메모리 성능을 개선하고 초박형으로 제작 가능하다. 또한 다중 상태의 기억이 가능하고 빛의 편광 상태도 기억할 수 있음을 증명했다.
연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 응용해 논리 연산이 가능한 논리연산 메타물질 또한 개발했다. 이 논리연산 메타물질은 단일 입력에 의해서만 변조 가능했던 기존 메타물질의 단점을 해결했다.
그래핀을 두 개의 강유전체 층과 샌드위치 구조를 가진 메타물질을 제작해 두 전기적 입력의 논리 연산 결과가 광학적 특성으로 출력되게 만들었다. 이를 통해 다중 입력에 의한 조절이 가능해져 메타 물질의 특성을 다양하게 변화시키고 조절할 수 있는 방법론을 제시했다.
민 교수는 “메모리 메타물질을 통해 저전력으로 구동 가능한 초박형 광학 소자에 응용 가능할 것으로 전망한다”고 말했다.
기계공학과 김우영, 김튼튼 박사, 김현돈 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 국가그린나노기술개발사업, 미래유망융합기술 파이오니어사업, 세계적수준의 연구센터(WCI) 사업, 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 메모리 메타물질의 구조도
그림2. 강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도
그림3. 투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성 (본 논문의 대표도)
2016.02.24 조회수 13450 -
종양 전역에 약물 전달하는 항암치료나노기술 개발
<박 지 호 교수>
우리 대학 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 종양의 전역에 약물이 골고루 전달되게 해 항암효과를 현저히 높일 수 있는 새 항암치료 나노기술을 개발했다.
이번 연구는 나노분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’3월 31일자 온라인 판에 게재됐다.
일반적으로 수술이 어려운 종양의 치료를 위해 항암약물치료법이 사용된다. 하지만 종양이 외부로 들어오는 약물의 접근을 여러 방법으로 막기 때문에 종양 전체에 항암효과를 보기 어려웠다. 혈류로 투여된 약물들의 대부분이 혈관주위의 종양세포들에만 전달되고, 중심부의 종양세포에는 전달되지 않아 재발 문제가 자주 발생한 것이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리포좀과 엑소좀이라는 소포체를 이용했다. 리포좀은 인공나노소포체로서 혈류를 통해 혈관 주위의 종양 세포 부위까지 약물을 전달한다. 종양 세포에서 자연적으로 분비되는 생체나노소포체인 엑소좀에 약물을 무사히 탑재하는 것이 리포좀의 역할이다.
엑소좀은 종양에서 세포 내부의 생물학적 물질들을 전달하기 때문에 종양의 진행 및 전이에 중요한 요소로 알려져 있다. 리포좀이 항암 약물을 엑소좀에 탑재하면, 엑소좀이 이동하는 종양 내의 모든 위치로 약물이 전달됨으로써 질병이 치료되는 것이 연구의 핵심이다.
연구팀은 이 기술을 이용해 빛에 반응해 항암효과를 내는 광과민제를 종양이 이식된 실험용 쥐에 주입했다. 이후 종양 부위에 빛을 노출시켜 항암효과를 유도한 후 분석한 결과 종양조직 전역에서 항암효과를 관찰할 수 있었다.
연구팀의 핵심 성과는 종양 및 다른 질병들의 미세 환경을 파악해 질병에 대항하는 맞춤형 약물전달 기술 개발의 발판을 마련한 것이다.
연구팀은 이 기술을 제약회사에서 개발 중인 항암제에 적용해 약물전달이 어려운 악성 종양의 치료효과를 실험 진행 중이다.
박 교수는 “엑소좀이 세포에서 끊임없이 분비되는 특성과 주변 세포로 생물학적 물질을 전달하는 특성을 응용해 종양 중심부까지 약물을 전달 가능하게 만든 최초의 연구”라고 말했다.
박지호 교수 지도아래 이준성 박사, 김지영 석사가 주 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림설명
그림 1. 종양 전역에 약물이 골고루 전달되게 해 항암효과를 높이는 새 종양투과 약물전달 나노기술
세포막과 결합하는 리포좀에 의해서 세포로 전달된 물질이 그 세포가 분비하는 엑소좀에 효율적으로 탑재돼 주변세포로 전달되는 과정을 보여주는 모식도(좌). 이러한 엑소좀기반 세포간 약물전달이 실제로 종양 스페로이드 및 생체 내 종양모델에서 관찰된 결과들 (우).
2015.04.06 조회수 14364