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양찬호 교수, 전기적 위상 결함 제어기술 개발
〈 양 찬 호 교수, 김 광 은 박사과정 〉
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 강유전체 나노구조에서 전기적인 위상 결함을 만들고 지울 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 전기적 위상 결함 기반의 저장 매체를 개발한다면 대용량의 정보를 안정적으로 저장할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 포스텍 최시영 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 펜실베니아 주립대학 첸(Long-Qing Chen) 교수, 캘리포니아 대학 라메쉬 교수 등과 공동으로 수행됐다. 김광은 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 26일자에 게재됐다.
위상학은 물체를 변형시켰을 때 물체가 가지는 성질에 대한 연구를 하는 학문으로, 원과 삼각형은 위상학적으로 동일한 물질이라고 할 수 있다.
2016년도 노벨 물리학상 발표 기자회견에서 노벨위원회는 위상학의 개념을 구멍이 한 개 뚫린 베이글 빵, 구멍이 없는 시나몬 빵, 유리컵 등에 비유했다. 시나몬 빵과 유리컵은 다르게 보이지만 구멍이 없다는 점만 따지면 위상학적으로 같은 물질이 된다. 하지만 구멍의 개수가 다른 베이글과 시나몬 빵은 위상학적으로 다른 물질이 되는 식이다.
즉 물질에서 위상학적이라 함은 연속적인 변형으로는 그 특성을 변화시킬 수 없는 절대적인 보존량을 말한다. 이러한 위상학적 특징을 이용해 정보저장 매체를 만들면 외부의 자극으로부터 보존되며 사용자의 의도대로 쓰고 지울 수 있는 이상적인 비휘발성 메모리를 제작할 수 있다.
강유전체와 달리 강자성체(자기적 균형이 깨진 상태, 외부 자기장을 제거해도 자기장이 그대로 남아있음)의 경우는 소용돌이 형태의 위상학적 결함 구조가 이미 구현됐다.
반면 외부 전기장 없이도 스스로 분극을 갖는 강유전체는 자성체에 비해 위상학적 결함 구조를 더 작은 크기로 안정시키고 더 적은 에너지를 이용해 조절할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고 초보적인 연구 단계에 머물러 있었다. 실험적으로 위상학적 결함 구조를 어떻게 안정화시키며 어떠한 방식으로 조절할 것인지에 대한 연구가 부족했기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 강유전체 나노구조에서 비균일한 변형을 줘 위상학적 결함 구조를 안정시키는 데 성공했다. 연구팀은 강유전체 나노접시(ferroelectric nanoplate) 구조를 특정 기판 위에 제작해 접시의 바닥면에는 강한 압축 변형을 주는 동시에 옆면과 윗면은 변형에서 자유로운 구조를 만들었다.
이러한 구조는 방사형으로 압축변형 완화(Compressive strain relaxation)가 일어나 격자의 변형이 오히려 강유전체의 소용돌이 구조를 안정화시키게 된다. 연구팀은 이번 연구가 고밀도, 고효율, 고안정성을 갖춘 위상학적 결함기반 강유전 메모리에 핵심적인 원리를 제시했다고 말했다.
양 교수는 “강유전체는 부도체이지만 위상학적 강유전 준입자가 국소적으로 전자 전도성을 수반할 수 있어 새로운 양자소자 연구로 확대될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 창의연구지원사업, 선도연구센터지원사업, 글로벌프론티어사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기적 위상 결함 개수를 조절하여 만든 5가지의 다른 위상 구조
2018.02.08 조회수 29302 -
나노미터 크기의 우담바라 꽃 모양 제작
〈윤 동 기 교수〉
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 액정의 승화현상을 이용해 정교한 3차원 액정나노구조를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
이는 액정이 승화할 때 열처리 조건에 따라 여러 모습의 3차원 나노구조가 형성되는 특성을 이용한 기술이다. 간단한 온도조절만으로도 다양한 3차원 나노패터닝이 가능해 차세대 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.
특히 연구팀은 우담바라 꽃, 찐빵 모양 등을 나노미터 크기 수준에서 정교하게 제작하는 데 성공했다.
이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
나노 및 마이크로 패터닝을 위해 가장 많이 쓰이는 기술은 빛을 이용한 광 식각 기술이다. 하지만 이 방식은 2차원 식각공정에 특화돼 있고 비싼 공정설비, 복잡한 과정 등의 한계를 갖는다.
특히 3차원 구조 제작을 위해서는 2차원 구조를 계속 적층해야 하는 과정이 포함되기 때문에 정교한 구현이 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 액정의 온도를 높여 분자들을 기체로 승화시켰다.
기체로 승화된 액정분자들은 공기 중으로 날아가게 되는데 그 중 일부는 무게, 분자수준에서의 친화도 등의 원인으로 다시 되돌아와 남아있던 액정 상 구조와 다시 재결합하게 된다.
이는 동굴의 종유석, 석순의 생성 원리나 유황온천에서 승화돼 날아가던 유황 성분이 바위나 돌에 붙어 유황 바위가 되는 것과 비슷한 원리이다.
연구팀은 승화 및 재결합 현상을 통해 온도 및 시간 조절로 수 나노미터 수준의 액정 판상구조를 정교하게 한 겹씩 벗겨낸 뒤, 다양한 3차원 나노 구조체를 제작하는 데 성공했다.
온도나 시간을 조절함으로써 나노 구조체는 다양해진다. 온도를 조금만 상승시킬 때는 우담바라 꽃 모양이 되고, 온도를 매우 높일 때는 액정 분자가 순식간에 날아가 찐빵과 같은 모양이 되기도 한다.
이 기술을 이용하면 차세대 기술로 불리는 수직 트랜지스터 등을 기존 2차원 식각 공정에 비해 약 1천 배 저렴하고 간단하게 제작할 수 있다. 일일이 적층할 필요 없이 3차원으로 패터닝이 순식간에 가능해지기 때문이다.
윤 교수는 “전자기장에 민감하게 반응하는 액정의 고유 성질과 이번 승화 및 재결합 현상을 융합할 수 있다”며 “이를 통해 고효율의 광전자 소자 개발에 많은 도움이 될 것이다”고 말했다.
나노과학기술대학원 김대석 박사과정 학생이 주도하고 美 켄트 주립대학 올레그 라브렌토비치(Oleg D. Lavrentovich) 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부의 미래유망기술 융합파이오니아 사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 우담바라 나노구조체
그림2. 우담바라 나노구조체(확대)
그림3. 다양한 조건의 승화-재조합 공정 후의 초분자 액정 구조체의 모양
2016.01.11 조회수 12605 -
그래핀 이용한 인공근육형 작동장치(actuator) 개발
〈 오 일 권 교수〉
우리 대학 기계공학과 오일권(43) 교수 연구팀이 화학적 도핑된 그래핀을 이용해 고성능의 인공근육형 작동장치(actuator)를 개발했다.
이번에 개발된 인공근육 작동장치는 기존 기술보다 3배 이상의 굽힘 변형을 보이고, 5시간 이상 구동해도 성능을 유지할 수 있다.
이번 연구는 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 12월 15일자 온라인 판에 게재됐다.
최근 플렉서블, 웨어러블 소자에 대한 연구가 활발해지며 인간과 기계 사이의 햅틱(촉각 효과) 기능을 위한 능동형 유연 작동기(soft actuator)가 핵심 부품으로 각광받고 있다.
특히 유연성이 떨어져 첨단 전자제품에 적용이 어려운 기존의 기계식 작동기를 대신해 인간의 근육을 모방한 전기에 반응하는 인공근육형 작동기가 관심을 받고 있다.
그러나 기존의 백금이나 금을 기반으로 제작한 인공근육형 작동기는 제작 기간이 일주일 가까이 소요되고 실용성이 떨어지는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 그래핀과 화학물질, 전도성 고분자를 이용했다. 황과 질소를 그래핑에 도핑하고 전도성 고분자와 함께 섞어 부드럽고 전도성이 탁월한 유연 전극을 제작했다. 그리고 이를 바탕으로 고성능 인공근육형 작동기를 개발했다.
기존의 금속 기반 작동기가 일주일 이상의 제작 기간이 소요되는데 반해 연구팀이 개발한 그래핀-전도성 고분자 전극 적층 방식의 유연 작동기는 2시간 이내 제작할 수 있는 장점을 갖는다.
또한 황과 질소 등 화학물질을 도핑하는 작업으로 기존 그래핀에 비해 1.5~2배 이상 전기화학 성능이 향상됨을 삼전극 전기화학 테스트를 통해 확인했다.
연구팀은 이번에 개발한 작동기는 0.5V와 1V의 낮은 인가전압에서도 대 변형 구동이 가능하고, 기존 대비 3배 이상의 변형을 보이면서도 장시간 성능 지속이 가능하다고 밝혔다.
이 원천기술은 향후 ▲소프트 로보틱스(soft robotics)▲3D 프린팅 된 작동기▲부드러운 햅틱 디바이스▲웨어러블 전자소자▲유연 디스플레이전자소자▲생체 의료기기 등 각광받는 차세대 기전소자로 응용될 것으로 기대된다.
오 교수는 “고성능 인공근육형 작동기 기술은 향후 첨단 기전소자의 핵심 요소가 될 것이다”며 “특히 3D프린팅 기술과 함께 발전하면 차세대 웨어러블 소자로 상용화 가능성이 높을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 KAIST 김재환 박사과정, Kotal 박사가 공동 1저자로 참여했고, 네바다 주립대학 라스베가스(UNLV) 기계공학과 김광진 교수팀과의 공동연구를 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도핑된 그래핀 기반 인공근육형 작동기의 단면 이미지
그림2. 인공근육형 작동기 구동 사진
그림3. 황과 질소가 동시에 도핑된 그래핀의 원소 매핑 이미지
그림4. (a) 도핑된 그래핀의 굽힘 성능 및 (b) 성능 지속성 평가
2016.01.07 조회수 11916 -
생명화공 정희태교수, 세계최초 액정 초미세 나노패턴소자 개발
- 15일자 네이처 머티리얼스誌 온라인판 게재- 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 기대우리 학교 생명화학공학과 정희태(鄭喜台, 42) 교수 연구팀이 액정 디스플레이 (LCD)의 핵심소재로 잘 알려져 있는 액정물질을 이용, 나노기술의 핵심인 차세대 초미세 나노패턴소자를 세계최초로 개발했다. 관련 연구논문은 15일자 네이처 머티리얼스(Nature Materials)誌 온라인판에 게재된다. 나노패턴 제작은 차세대 초고밀도 반도체 메모리기술과 바이오칩 등 나노기술의 핵심분야다. 특히, 鄭 교수팀의 액정을 이용한 패턴구현은 기존의 패턴 방식에 비해 대면적을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 바이오 특성을 가지는 나노물질도 액정 패턴 내에 배열할 수 있다는 것이 큰 장점이다.
LCD를 구동하는 물질인 네마틱 액정과 달리 鄭 교수가 사용한 스메틱 액정은 LCD 응답특성이 매우 우수함에도 불구하고 자연적으로 존재하는 결함구조 때문에 LCD 구동물질로 사용하지 못하고 있다. 이러한 스메틱 액정은 기판의 표면특성에 따라서 무질서한 형태의 회오리 형 결함구조를 가진다. 이번 연구에서는 마이크로미터 수준의 직선이 새겨진 표면 처리된 실리콘 기판을 사용함으로써 무질서한 회오리 형태의 액정 결함구조를 규칙적으로 제어하였다(첨부 자료그림 참조). 특히 이 공정은 기존의 나노패턴에 적용하는 방식과 비교하여 제작시간을 수십 배 이상 줄일 수 있으며, 결함구조 내에 다른 형태의 기능성 물질도 규칙적으로 배열 할 수 있음을 확인하였다. 이는 다양한 형태의 패턴이 필요한 실제 반도체와 단백질 칩 등의 바이오 소자에 적용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다 (자료그림 중 삽입사진 참조).
이번 연구결과로 LCD의 세계적 강국인 우리나라가 액정을 이용한 나노분야에서도 세계 최고의 원천기술을 갖게 되었다. 향후 액정을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연성재료(Soft Materials)를 이용하여 나노패턴을 제조하는 기술은 전 세계적으로 나노-바이오 분야에서 큰 이슈가 되는 연구로써, 연구의 핵심은 바이오 및 광전자소자 응용을 위하여 대면적에서 결함이 없는 소재의 개발에 있다. 이번 鄭 교수팀이 적용한 액정은 결함구조를 가지는 대표적인 물질로서 지금까지 학계에서는 대면적 나노패턴이 불가능하다고 인식돼 왔다.
鄭 교수는 “이번 연구결과는 연성소재를 이용한 나노패턴소자 제작방식의 기존 개념을 완전히 뒤엎는 것이다. 결함을 없애야만 한다는 기존의 생각에서 탈피하여 결함을 규칙적으로 구현하면 패턴에 이용할 수 있다는 발상의 전환으로 대면적 나노패턴을 개발했다는데 의미가 있으며, 향후 나노분야 전반에 걸쳐 영향이 클 것” 이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 鄭 교수(교신저자)의 주도 하에 KAIST 물리학과 김만원 교수팀과 미국 캔트 주립대학의 액정센터 올래그 라브랜토비치(Oleg Lavrentovich)교수가 함께 일궈낸 성과다. 鄭 교수는 나노물질분야에서 사이언스, PNAS, Advanced Materials에 최정상급 논문을 다수 발표하는 등 나노물질 분야에서 차세대 주자로서 두각을 나타내고 있는 젊은 과학자다.
<해설>
액정: 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다. 현재 LCD에 사용하는 액정은 네마틱 액정이며 콜레스테릭 액정은 반사거울과 초정밀 온도계에 사용된다. 鄭 교수팀이 사용한 액정은 스메틱 액정으로서 네마틱 액정보다 자연계와 합성물질에서 더욱 많이 존재하고, 산업체와 학계에서 오랜기간 동안 연구해 왔음에도 불구하고 결함구조 등의 문제점으로 인하여 산업에 적용하지 못하고 있는 물질이다.
<첨부. 수 밀리미터 크기의 대면적 액정물질 나노패턴 현미경 사진>우측상단 삽입사진은 액정나노패턴내에 형광나노입자를 규칙적으로 포집한 리소그라피 제작사진
2007.10.15 조회수 23401