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호흡 분석해 질병 진단한다!
- 나노섬유 형상 120ppb급 당뇨병 진단센서 개발 -- 음주 측정하듯 후~ 불면 질병 진단할 수 있어 -
우리 학교 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 인간이 호흡하면서 배출하는 아세톤 가스를 분석해 당뇨병 여부를 파악할 수 있는 날숨진단센서를 개발했다.
연구 결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 5월 20일자 표지논문으로 게재됐다.
인간이 숨을 쉬면서 내뿜는 아세톤, 톨루엔, 일산화질소 및 암모니아와 같은 휘발성 유기화합물 가스는 각각 당뇨병, 폐암, 천식 및 신장병의 생체표식인자(바이오마커)로 알려져 있다.
당뇨병의 경우 일반적으로 정상인은 900ppb(parts per billion), 당뇨환자는 1800ppb의 아세톤 가스를 날숨으로 내뿜는다. 따라서 날숨 속 아세톤 가스의 농도 차이를 정밀하게 분석하면 당뇨병을 조기에 진단할 수 있고 발병 후 관리를 쉽게 할 수 있다.
연구팀은 얇은 껍질이 겹겹이 둘러싸인 다공성 산화주석(SnO2) 센서소재에 백금 나노입자 촉매가 균일하게 도포된 1차원 나노섬유를 대량 제조하는 기술을 개발했다. 이 소재의 표면에 아세톤 가스가 흡착될 때 전기저항 값이 변화하는 120ppb급 아세톤 농도 검출용 센서에 적용해 날숨진단센서를 개발했다. 개발한 나노섬유 센서는 1000ppb급 아세톤 농도에서 소재의 저항 값이 최대 6배 증가해 당뇨병을 진단할 수 있음이 입증됐다.
이와 함께 7.6초의 매우 빠른 아세톤 센서 반응속도를 나타내 실시간 모니터링이 가능해져 상용화에 대한 기대를 높였으며, 전기방사 기술로 제조해 나노섬유형상을 쉽게 빠르게 대량생산할 수 있는 게 큰 장점이다.
연구팀이 개발한 날숨진단센서는 사람의 호흡가스 속에 포함된 다양한 휘발성 유기화합물의 농도를 정밀하게 분석할 수 있다. 따라서 당뇨병은 물론 향후 폐암, 신장병 등의 질병을 조기에 진단하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김일두 교수는 이번 연구에 대해 “ppb급 농도의 날숨 휘발성 유기화합물 가스를 실시간으로 정밀하게 진단하는 나노섬유 센서를 당뇨병 또는 폐암 진단용 감지소재로 이용하면 다양한 질병을 조기에 검출하고 관리하는 일이 가능해질 것”이라고 말했다.
김 교수는 향후 다양한 촉매와 금속산화물 나노섬유의 조합을 통해 많은 종류의 날숨가스를 동시에 정확하게 진단하는 센서 어레이(array)를 개발해 상용화를 앞당길 계획이다.
미래창조과학부 글로벌프린티어사업 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받은 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 신정우 학부생(2월 졸업), 최선진 박사과정 학생, 박종욱 교수, 고려대학교 신소재공학과 이종흔 교수가 참여했다.
그림1. 날숨진단센서 어레이(우측)와 날숨진단센서 크기 비교(좌측 상단)
그림2. 나노섬유 센서들이 어레이로 구성된 당뇨진단 센서 이미지
그림3. 날숨 가스들을 분석하는 질병진단 분석기의 소형화 및 실시간 분석
그림4. 주석산화물 나노섬유를 이용한 당뇨진단 센서 이미지
2013.05.30 조회수 20625 -
휘어지는 고집적 반도체회로 구현
- 차세대 유연 스마트기기의 두뇌 상용화 길 열어 -
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 입는 컴퓨터 및 플렉시블 디스플레이에서 가장 핵심적인 역할을 하는 유연한 고집적회로(LSI)를 구현하는데 성공했다.
자유롭게 휘어지는 스마트폰과 컴퓨터를 제작하기 위해서는 높은 집적도의 반도체회로, 즉 모바일 기기의 두뇌인 애플리케이션 프로세서(AP), 고용량 메모리 및 무선통신소자의 유연화가 필수적이다.
지금까지 플렉시블 디스플레이 구동에 필요한 박막트랜지스터(TFT)와 여러 유연소재들을 개발하는 연구는 활발히 진행되고 있다. 그러나 수천 개 이상의 고성능 나노반도체를 연결해 대량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 유연 고집적회로를 제작하지 못했다. 따라서 전체가 자유자재로 휘어지는 유연한 스마트기기 등 입을 수 있는 컴퓨터의 상용화에 어려움이 있었다.
이건재 교수팀은 고집적 무선통신소자를 단결정 실리콘에 형성한 뒤 100nm(나노미터) 두께의 매우 얇은 실리콘 칩의 회로를 뜯어내 플라스틱 기판위에 안정적으로 옮김으로써, 자유자재로 구부릴 수 있는 반도체회로를 구현했다.
이건재 교수는 “이번에 나노두께의 얇은 실리콘 소재로 개발한 반도체회로는 유연하면서도 고집적 고성능을 유지할 수 있고, 곧 상용화될 플렉시블 전자소자에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 인체 친화적 유연한 액정폴리머 소재위에 구현하였기 때문에 인체내부의 좁고 굴곡진 틈에 삽입할 수 있어서, 최근 미국 FDA가 승인한 인공망막의 통신 및 정보처리 기기에 적용하는 등 삶의 질을 향상시키는 데에도 기여할 수 있을 것이다"라고 말했다.
또한 이번 연구의 공저자로 참여한 KAIST 전기및전자공학과 이귀로 교수(나노종합기술원 원장)는 “이번성과는 세계 500조 규모의 반도체 및 디스플레이 시장에서 휘어지는 유연 고집적 회로로 패러다임이 바뀌는 시기에 개발된 핵심 원천기술”이라며 “향후 상용화를 위한 정부의 지원이 뒷받침 된다면 세계 시장에서 앞서가고 있는 한국 스마트폰, 반도체, 디스플레이 산업을 한 단계 더 업그레이드시켜 미래 먹거리로써 창조경제에도 이바지할 수 있을 것”이라고 평가했다.
이건재 교수는 현재 나노종합기술원, 한국기계연구원과 공동으로 이번 연구 결과물인 고집적 유연 반도체 회로를 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 양산하는 연구를 계획하고 있다.
한편, 이번 연구는 미국 화학회가 발행하는 나노과학기술(NT) 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano 4월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
휘어지는 고집적 반도체회로의 모습(좌), 얇고 유연한 고집적 통신소자를 적용한 인공망막의 모습(우)
유튜브 링크:http://www.youtube.com/watch?v=5PpbM7m2PPs&feature=youtu.be
2013.05.07 조회수 16486 -
휘어지는 대용량 반도체 원천기술 개발
- KAIST 김상욱 교수, 세계 최고의‘분자조립’기술력 활용해 휘어지는 대용량 반도체 원천기술 확보 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 원하는 형태로 분자가 스스로 배열하는 ‘분자조립’ 기술을 활용해 유연한 그래핀 기판 위에 양산중인 반도체 패턴의 최고 수준인 20nm(나노미터)급 초미세 패턴을 구현하는데 성공했다.
이번 기술 개발로 향후 유연하게 휘어지면서도 많은 양의 데이터를 저장할 수 있는 반도체를 구현할 수 있어 고성능 플렉시블 전자기기 개발에 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 연성소재의 특성을 이용해 초미세 패턴을 형성하기 어려운 3차원 굴곡진 기판에서도 자유롭게 구현하는데 성공, 다양한 응용소자에 활용할 수 있는 것은 물론 화학 반응으로 물질을 섞어주기만 하면 원하는 형태로 스스로 배열해 고가의 장비가 필요하지 않아 반도체 제작비용이 훨씬 저렴해질 것으로 전망된다.
이번 연구의 핵심 기술인 ‘분자조립’이란 플라스틱, 액정, 생체분자 등과 같이 딱딱하지 않고 유연한 연성소재의 고분자를 원하는 형태로 스스로 배열하게 해 기존에 만들기 어려웠던 작은 나노구조물을 효율적으로 만드는 기술이다. 마치 물과 기름이 서로 섞이지 않는 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 상분리되어 섞이지 않는다는 점을 이용하는 것이다.
연구팀은 기계적 물성이 우수하고 원하는 기판에 쉽게 옮길 수 있는 그래핀 위에 ‘블록공중합체’라는 분자조립기술을 통해 초미세 패턴을 형성한 후, 이를 3차원 기판 혹은 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PDMS(폴리디멜틸실론산) 등과 같은 플렉시블 기판에 옮겨 자유롭게 3차원 혹은 플렉시블 기판에 구조물을 구현했다.
김상욱 교수는 이번 연구에 대해 “지금까지 발표된 휘어지는 반도체는 온도에 취약한 플라스틱 기판을 사용해 극한 공정조건을 극복해낼 수 없어 상용화에 어려움이 많았다”며 “이번 기술은 기계적 물성이 우수한 그래핀을 회로 기판으로 적용하는 데 성공한 획기적인 연구성과”라고 말했다.
김 교수는 이어 “이번 연구에 대해 세계적으로 많은 관심을 받아 3월 20일 열리는 미국 물리학회에서 초청 강연을 할 예정”이라며 “이번에 개발한 원천기술을 바탕으로 후속 연구를 진행해 반도체 회로와 같이 복잡한 회로의 설계에 도전할 것”이라고 포부를 밝혔다.
한편, 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 다차원 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 3월 6일자에 실렸다.
그림1. 제작공정
1. 스핀 코딩이라는 도포법을 사용해 그래핀 박막을 형성
2. 그래핀 박막 위에 블록공중합체를 형성
3. 블록공중합체을 식각 또는 패턴 전사법을 통해 나노 구조를 형성4. 그래핀을 전사층으로 활용해 다양한 기판에 나노 구조를 형성
그림2. 블록공중합체 분자조립기술
블록공중합체 분자조립기술은 물과 기름이 서로 섞이지 않은 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 섞이지 않는다는 점을 이용한 기술이다. 물과 기름의 경우, 서로 섞이려고 하지 않는 물질이기 때문에, 물과 기름은 혼합하게 되면, 물을 물끼리 어울려 덩어리 지고, 기름은 기름끼리 어물려 덩어리가 지게 된다. 하지만, 물과 기름이 서로 떨어질 수 없게끔 결합이 되어 있다고 가정하면, 다른 현상이 예상된다. 동일하게 물은 물끼리 있으려 하고 기름은 기름끼리 있으려고 하지만, 물 옆에는 결합된 기름이 있게 된다. 따라서 물과 기름의 거대한 두 덩이리가 형성되는 것이 아니라, 매우 미세하게 물과 기름이 번갈아가면서 형성되게 된다. 동일하게 블록공중합체에서는 화학적으로 서로 다른 고분자가 공유 결합이라는 쉽게 깨지지 않은 결합을 통해 연결되어 있다., 따라서, 결합된 물과 기름에서와 동일하게 미세한 크기의 상분리가 일어나게 된다. 이러한 구조의 크기는 대개 고분자의 크기에 의해 결정되면, 머리카락 크기의 1/10000 수준으로 매우 미세하며 주기적인 패턴을 형성하게 된다. 패턴의 형태는 서로 다른 고분자의 비율에 따라 구, 원통형, 판형 등으로 나타난다.
그림3. 플렉시블 기판 상에 옮겨진 금 나노 구조체
2013.03.12 조회수 15802 -
휘어지는 고성능 배터리 제작기술 개발
- 플렉시블 OLED 디스플레이와 배터리의 완전 결합길 열려 -
휘어지는 디스플레이의 에너지원으로 반드시 필요한 고효율 유연 배터리를 KAIST 연구진이 세계 최초로 개발하는데 성공했다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 유연한 고효율 배터리를 개발하는데 성공, 이 연구결과가 재료분야 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8월호 온라인판에 실렸으며, 미국 화학학회 뉴스레터인 C&EN(Chemical & Engineering News)에도 (8월 10일자) 특집으로 보도됐다.
얇고 가벼우면서도 유연한 디스플레이로의 혁신적인 기술 발전을 위해서는 필연적으로 휘어지며 충전밀도가 높고, 폭발위험이 극히 적은 고성능 유연 고상배터리의 개발이 요구돼 왔다.
그러나 고효율 배터리를 만드는 소재 중 산화물 양극재료는 고온의 열처리가 필요하기 때문에 플라스틱 기판위에서는 구현할 수 없을 뿐만 아니라 고온 열처리 없이 분말 형태로 만들 경우에는 충전밀도가 매우 낮다는 문제점이 있었다.
이번에 개발한 고성능 유연 고상배터리는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극재료를 운모 희생기판에서 4㎛(머리카락의 약 10분의 1 두께) 정도인 박막형태로 고온 성장시켜 만든 후, 기판으로 쓰인 딱딱한 희생기판을 제거해 얇은 배터리 부분만 남긴 후 유연한 기판위에 전사해 완성했다.
이 교수 연구팀이 개발에 성공한 유연 배터리는 휘어지더라도 전압이 3.9~4.2V로 거의 변하지 않고, 충·방전 10,000번(방전심도 80%) 정도의 안정적 작동과 함께 2200㎼h/㎤의 높은 에너지밀도(패키징 포함)를 지닌 게 큰 특징이다.
이번 연구를 주도한 구민 박사는 “충전밀도가 높은 박막형태의 고효율 유연 배터리는 완전한 형태의 유연 전자 제품를 만드는 데 획기적인 역할을 할 것”이라고 말했다.
이건재 교수 연구팀은 현재 대량생산을 위한 레이저 리프트 오프(Laser lift-off) 기술과 충전용량을 높이기 위해 삼차원으로 적층하는 후속 연구를 진행 중인데, 이들 연구가 끝나는 대로 상용화 수준의 유연 배터리가 나올 것으로 이 교수 연구팀은 예상하고 있다.
한편, 이번 연구결과는 지난 13일부터 일주일간 미국에서 열린 세계적인 국제학회인 국제광자공학회(SPIE)에서 이건재 교수가 기조강연으로 발표했으며, 국내외에서 다수의 특허를 등록하거나 출원했다.
<동영상 설명>http://www.youtube.com/watch?v=Sh-SkpCZ4AE&feature=player_embedded굽힘 상태에서 상용 블루 LED를 켜며 전압특성이 유지되는 유연 배터리 모습
그림1. 연구팀이 이번에 개발한 유연한 배터리와 기존의 휘어지는 OLED를 결합해 만든 최초의 완전한 플렉시블 디스플레이
그림2. 연구팀이 개발한 플렉시블 배터리와 결합된 디스플레이의 구조
그림3. 연구팀이 개발한 휘어지는 배터리가 LED를 켜고 있다. 휘어져도 전압이 떨어지지 않아 안정적이다.
그림4. 휘어지는 고효율 배터리 제작공정. (g)운모를 제거하고 나서 (h)폴리머 기판으로 옮긴 후 (i)폴리머로 감싸는 공정이 연구팀의 독자기술이다.
그림5. 이건재 교수 연구팀이 유연배터리를 희생기판에서 레이저로 제거하는 연구를 수행하고 있다.
2012.08.21 조회수 17332 -
세계 최고 수준의 초신축성 전극소재 개발
- 정렬된 3차원 다공성 나노구조를 이용한 새로운 개념을 도입해 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 6월호 실려 -
돌돌 말리는 전자책이나 유연한 디스플레이, 옷처럼 입을 수 있는 컴퓨터 등 차세대 전자 소자를 구현하는 핵심 부품인 유연한 신축성 전극을 국내 연구진이 개발했다.
우리 학교 신소재공학과 전석우 교수 연구팀이 정렬된 3차원 다공성 나노구조를 이용하여 세계 최고 수준의 초신축성 소재를 개발하는데 성공했다.
이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)"지 6월 26일자 온라인판에 리서치 하이라이트로 공개됐다.
특히 이번 연구결과는 국내 연구진이 주축이 되어 일궈낸 값진 세계적인 성과로써 큰 의미가 있다.
전석우 교수팀은 연구팀이 보유한 세계 최대 면적의 3차원 나노 패터닝 기술을 이용하여 1인치 이상의 면적에 머리카락 굵기의 1/10에 해당하는 10마이크로미터의 두께를 가지는 정렬된 3차원 나노기공 구조를 제작했다.
연구팀은 제작된 나노기공 구조를 주형으로 활용하여 기공에 탄성중합체를 침투시킨 후에 주형을 제거하는 방법으로 역상의 3차원 신축성 나노소재를 제작하였고, 이 소재 내부에 액상의 전도성 물질을 침투시켜 초신축성 유연 전극을 개발하였다.
이렇게 개발한 전극을 200% 이상 늘어난 상태에서도 전기전도도의 저하 없이 발광다이오드(LED) 램프를 켤 수 있다.
기존에는 소재에 주름을 잡아 아코디언처럼 늘였다 줄였다 할 수 있게 만들거나 평면에 그물처럼 구멍을 뚫어서 신축성을 향상하는 방법을 사용했다. 하지만 이러한 방식은 신축성 향상이 제한적인데다 100%만 늘어나도 전기 전도도가 크게 저하되는 단점이 있었다.
전석우 교수는 “차세대 전자소자인 유연소자 개발에서 세계 최고 수준의 신축성 전극을 국내 기술로 개발함으로써 시장우위를 선점할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 전석우 교수(교신저자)의 지도아래 박준용 박사과정(제 1저자)이 주도적으로 진행하였고, KAIST 신소재공학과 김도경 교수, 미국 노스웨스턴대 후앙 교수, 미국 일리노이대 로저스 교수가 공동으로 참여했다.
그림 1. A는 3차원 나노패터닝 기술을 통해 제작된 다공성 고분자 주형. B는 A의 주사전자현미경(SEM) 이미지. C는 탄성중합체 침투 및 고분자 주형 제거를 통해 제작된 초신축성 3차원 소재.
그림 2. A는 3차원 초신축성 소재를 전극으로 이용하여 발광다이오드(LED) 소자를 구현하는 개념도이다. B는 220%까지 늘어난 후에도 밝기의 변화 없이 성공적으로 구동된 신축성 전자 소자이다.
그림 3. 이번 연구로 개발된 신소재의 개념도로써, 소재에 잡아당기는 힘이 작용했을 때 정렬된 3차원 나노기공 구조를 통하여 소재가 효과적으로 신축되는 모습을 형상화한 이미지이다.
2012.07.11 조회수 17031 -
신개념 나노발전기 원천기술 개발
- 나노복합체 이용해 복잡한 공정과 고비용 문제 해결 -- 어드밴스드 머터리얼스 6월호 표지논문 게재 -
우리 학교 연구진이 나노복합체를 이용해 나노발전기를 적은 비용으로도 대면적으로 만들 수 있는 원천기술 개발에 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 나노복합체를 이용한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발해 재료분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 6월호 표지논문에 게재됐다.
이번에 개발된 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 면적도 쉽게 제작 가능해 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복해냈다는 평가를 받고 있다.
나노발전기는 나노 크기(10억분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 ‘압전 효과’를 이용한다.
압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐으며, 2010년 미국의 유명한 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되기도 했다.
나노발전기 개발을 위한 압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 적용한 ‘산화아연(ZnO)’이 유일했다.
2010년 KAIST 신소재공학과 이건재 교수 연구팀은 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖고 있는 세라믹 박막물질인 ‘티탄산화바륨(BaTiO3)’을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨데 이어, 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공해 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현해낼 수 있게 됐다.
연구팀은 수백 나노 크기의 고효율 압전 나노입자인 ‘티탄산화바륨’과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 ‘탄소나노튜브’ 또는 ‘산화 그래핀(RGO)’을 폴리머(polydimethylsiloxane, PDMS)와 섞은 후 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했다.
이건재 교수는 “압전효과를 바탕으로 한 ‘나노자가발전 기술’은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있지만, 기존 기술은 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제 및 소자크기의 한계성을 극복하지 못했다”고 말했다.
아울러 “이번에 개발된 기술에 패키징 및 충·방전 기술을 융합하면, 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에 응용될 수 있다“고 덧붙였다.
한편, 이번 기술은 해외 1건, 국내 2건의 특허가 출원 및 등록됐다.
<동영상>http://www.youtube.com/watch?v=90rk7G3t30k&feature=player_embedded
압전 나노복합체 제작공정과 소자를 다양한 방법으로 구부릴 때마다 전기가 발생하는 것을 보여주는 동영상
※응용사례
- 에너지블럭(부산 서면역 적용)
지하철 선로에 압전소자를 적용해 전동차 운행으로 얻어지는 진동을 통해 발전하는 장치로 국내 최초의 압전에너지 상용화 제품http://blog.naver.com/ioyou64?Redirect=Log&logNo=130093513496
- 이스라엘은 고속도로에 압전발전기를 적용해 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있음
- 필립스는 사람이 리모컨 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 생산해 배터리가 없어도 작동되는 리모컨 개발
- 수 많은 나노 발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만든 재킷을 입으면 단순히 걷는 것과 같은 일상생활만으로도 휴대전화나 MP3 등을 충전할 수 있을 것으로 예상됨
- 아주 작은 전원만으로도 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발가능
※그림설명
그림1. 압전 나노입자를 포함하는 복합물질에서 구부림에 의해 전기가 생성되는 것을 보여주는 그림.
그림2. 구부러질 때마다 전기를 만드는 나노복합체 기반의 자가발전기(논문표지)
2012.06.12 조회수 18187 -
80년 과학기술계 숙원 풀렸다
- KAIST 이정용 교수 연구팀, 세계 최초로 액체를 원자단위로 분석하는 원천기술 개발에 성공 -
- 사이언스(Science)지 4월호에 실려 -
지난 80년 간 과학계의 오랜 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술이 세계 최초로 국내 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST(총장 서남표)는 신소재공학과 이정용 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 액체 내에서 성장하는 결정을 원자단위로 분석하는 원천기술을 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 4월호(6일자)에 실렸다.
이번에 개발된 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메카니즘을 확인할 수 있어 ▲나노 크기의 재료 제조 ▲전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응 ▲액체 내에서의 각종 촉매 반응 ▲혈액 속 바이러스 분석 ▲몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 냉동인간의 해동과정에서 얼음이 재결정화면서 세포가 파괴되는데 이때 진행되는 현상을 분석해 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용하면 앞으로 냉동인간의 부활에도 도움이 될 것으로 예상된다.
투과전자현미경은 0.004nm(나노미터) 정도로 아주 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있다.
따라서 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능해 최근 다양한 종류의 차세대 신소재 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있다.
그러나 투과전자현미경은 10-2~10-4기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체는 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해돼 관찰할 수 없었다. 게다가 투과전자현미경의 원리상 전자빔이 수백 나노미터(nm) 이하의 시편을 투과해야 되는데 액체를 그만큼 얇게 만드는 것은 매우 어려웠다.
그러나 이 교수 연구팀은 꿈의 신소재인 그래핀을 이용, 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공해 이러한 문제들을 해결했다.
탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 이루어진 그래핀은 두께가 0.34nm로 지금까지 합성할 수 있는 물질 들 중 가장 얇은 물질로 알려져 있다.
그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보인다. 또한 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있다.
즉, 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있는 것이다.
연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했다.
이정용 교수는 “이번 연구 결과는 그동안 베일에 싸여있던 액체 속에서 일어나는 많은 과학현상들을 원자단위로 규명할 수 있는 원천기술로 평가받고 있다”며 “사람의 혈액 속에서 일어나는 유기물이나 무기물의 반응들까지도 규명할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 이정용 교수의 지도아래 육종민 박사(제1저자)가 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 제틀 교수와 공동으로 수행했다.
그림 1. 그래핀 두 층으로 이루어진 그래핀 액체 용기를 보여주는 모식도이다. 회색으로 보여지는 그래핀이 위아래로 두층이 있고 그 사이에 백금 원자들을 포함한 유기 용액의 액체가 담겨있다.
그림 2. 가장 왼쪽의 녹색 모식도는 두 개의 백금 결정들이 서로 결합하는 것을 보여준다. 이것을 실제 투과전자현미경 안에서 두 개의 백금 결정들을 원자 단위에서 관찰한 것이 두 번째 사진이다. 화살표로 표시된 것이 두 개의 백금 결정들이다. 현재 백금 결정들은 액체 안에 담겨 있는 상태이다. 오른쪽으로 갈수록 시간이 지남에 따라 두 개의 백금 결정들이 하나로 합쳐지면서 그 모양이 육각형으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 이 투과전자현미경 사진에서 백금들 안에 하얀 점들은 원자가 아니고 원자의 규칙을 보여주는 격자 사진이다. 이 격자 사진의 하얀 점들은 원자와 1대 1로 매칭할 수 있다. 즉, 이것은 원자 단위에서 관찰된 것이다.
그림 3. 그래핀 액체 용기 안에서 백금 원자들을 포함한 액체에 투과전자현미경을 이용해 전자 빔을 조사하였을 때 백금 결정들이 자라나는 것을 역동적인 모식도로 표현한 것이다.
2012.04.06 조회수 17333 -
DNA를 이용한 2나노급 반도체 원천기술 개발
- 그래핀 위에 수나노급 극미세 패턴용 DNA를 정렬해 조립성공 -- “플렉서블한 2나노미터 급의 초미세 나노패턴 길 열어”-
반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 치열하다. 최첨단 반도체 기술로도 10나노미터 이하의 반도체 제작은 불가능하다고 알려져 있어 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제다.
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
김 교수팀의 신기술 개발로 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2나노미터급의 선폭을 갖는 반도체가 개발될 것으로 기대된다. 2나노 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 10000편을 저장하는 등 현재 상용화중인 20나노급 반도체보다 약 100배의 용량을 담을 수 있게 된다.
최근 광식각 패턴기술을 적용해오던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달해 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구들이 전 세계적으로 관심을 모으고 있다. 이중 DNA의 경우 2나노미터까지 정교한 미세패턴을 구현가능다고 알려져 있어 차세대 신소재로 각광받고 있다.
연구팀은 ‘DNA 사슬접기‘라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용하면 금속나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2나노미터까지 정밀하게 조절할 수 있는 점에 착안했다. 그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성돼 반도체칩에는 적용이 불가능했다.
김상욱 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었다.
개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖기 때문에 이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화하면 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “반도체업계의 지각변동이 계속되는 가운데 실리콘기반 반도체 기술은 한계에 이르렀다”며 “앞으로 신물질 차세대 반도체 개발에 커다란 파급효과를 불러일으킬 것”이라고 말했다.
이어 김 교수는 “다양한 기능을 발휘하는 그래핀 소재 위에 2나노급의 초미세 패턴을 구현할 수 있는 DNA 사슬접기를 배치시키는 기술은 기계적으로 유연한 나노반도체나 바이오센서 등 다양한 분야에 원천기술로 활용될 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 "앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)" 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤다.
<용어설명>
○ 그래핀: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재
○ 광식각 기술 : 빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술
○ DNA 사슬접기 : 긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재 ☞ 잘 알려진 바와 같이 DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.
○ 탄소나노튜브: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재
○ 나노 기술 : 1나노미터는 10억분의 1m다. 즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다
[그림] DNA들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.
2012.02.06 조회수 14601 -
보다 태양빛에 가까운 LED 개발
- KAIST 배병수 교수 연구팀, 봉지재가 형광체 역할을 하는 일체형 형광 나노하이브리드 봉지재 개발 -- 어드밴스드 머터리얼스 12월호 표지논문 게재 -
실내 형광램프가 3파장, 5파장, 7파장 등 다중파장으로 진화하고 있다. 다중 파장을 가진 조명일수록 보다 자연의 색에 가깝게 사물을 볼 수 있기 때문이다.
게다가 최근들어서는 실내조명이 긴 수명, 저 전압 구동, 높은 발광 효율 등 녹색성장에 부합하는 환경 친화적인 특성을 지닌 LED로 바뀌고 있다. 이에 따라 LED 분야에서도 태양빛에 유사한 빛을 만들기 위한 노력들이 세계적으로 계속되고 있다.
우리 학교 신소재공학과 배병수 교수 연구팀이 신소재 형광염료를 이용해 보다 태양빛에 가까워지면서, 형광체 가격은 1/5수준으로 저렴한 백색 LED를 개발하는데 성공했다.
현재 상용화되고 있는 백색 LED는 황색 또는 적‧녹색 혼합 형광체를 봉지재에 분산한 후 LED칩 위에 도포하면 LED칩에서 나오는 청색광과 형광체에서 나오는 황색 또는 적‧녹색광과 혼합돼 백색 빛을 내게 된다.
형광체 물질로는 산화물 또는 산화질화물 등 무기형광체 입자들이 사용되는데 높은 온도에서 복잡한 공정으로 제조하기 때문에 가격도 비싸고, 또 핵심기술을 일본과 미국 등 해외 선진업체들이 선점하고 있어 국내 LED산업 발전의 걸림돌이 되고 있다.
특히 무기형광체는 빛을 흡수하고 발광하는 스펙트럼이 좁아 백열등과 같이 자연색에 가까운 빛을 만드는 데는 어려움이 많았다.
이 같은 단점을 개선하고 자연광에 가까운 LED 조명을 만들기 위해 배병수 교수 연구팀은 새로운 형광체 물질로 무기형광체 입자가 아닌 형광염료를 선택했다.
형광염료는 섬유 등에 착색제로 사용되며 가격이 저렴하고 다양한 색들을 낼 수 있는 물질이다. 더불어 빛을 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 넓어 LED 형광체로 사용하면 자연광에 가까운 백색광을 만들 수 있고, 색온도를 비롯한 다양한 특성들을 자유자재로 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다.
그러나 염료는 열에 의해 쉽게 분해돼 고온의 열을 방출하는 LED에 적합하지 않아 형광체로 적용이 어려웠다.
배 교수 연구팀은 자체개발한 솔-젤 공정으로 제조된 고내열성 고굴절률 하이브리드소재에 형광염료를 화학적으로 결합해 염료분자가 안정하고 균일하게 분포되어 열에 강하고 효율이 높은 나노하이브리드 형광체 소재를 개발했다.
이와 함께 나노하이브리드 형광체 소재 내의 적색 및 녹색 염료의 비율과 농도를 조절해 이를 봉지재로 사용, 다양한 색온도를 갖는 백색 LED 제조에 성공했다.
개발한 염료 나노하이브리드소재 기반의 백색 LED는 자연광에 가까운 정도를 나타내는 연색지수가 최대 89로 기존에 사용하는 3파장 램프 수준까지 높아졌다. 태양빛의 연색지수는 100, 상용화중인 백색 LED의 연색지수는 70 정도다. 또 형광체의 내열성도 뛰어나 120도의 고온에서도 1200시간 이상 성능이 변화하지 않았다.
형광 나노하이브리드소재는 가격이 저렴할 뿐 아니라 별도로 형광체를 분산시키지 않고 봉지재 자체가 형광체 역할을 함께하는 형광체-봉지재 일체형 소재로 매우 간단하게 백색 LED를 제조할 수 있어 가격 및 기술 경쟁력이 매우 높은 신기술로 평가받고 있다.
배병수 교수는 “최근 세계 주요 소재업체들이 형광체 원천기술을 확보하고 있는 시점에서 원천소재를 개발해 조명 및 백라이트유닛 분야에서 성장하고 있는 국내 백색 LED산업의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다”며 “이번 연구성과를 바탕으로 형광염료의 안정성과 형광봉지재의 신뢰성을 향상시켜 염료기반 백색 LED 상용화에 주력할 계획”이라고 말했다.
한편, 이번 연구성과는 재료분야 세계적 학술지인 `어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)" 12월호(22일자) 표지논문으로 게재됐으며, 관련 특허를 국내외에 출원 중이다.
형광 나노하이브리드소재를 이용한 백색 LED의 단면 모식도
적색 및 녹색 형광 나노하이브리드소재의 화학구조 및 형광특성
나노하이브리드소재를 이용하여 제조한 염료기반 백색 LED
2011.12.26 조회수 13759 -
초슬림 휴대폰 나온다!
- ‘솔더 접착제 복합 필름’ 신소재와 ‘초음파 접합’ 신기술 발명 -- 전자기기의 초박형 모듈 접속 가능케 하는 원천기술 -
우리 학교 신소재공학과 백경욱 교수 연구팀이 휴대형 전자기기의 모듈접속을 완벽하게 대체할 수 있는 초박형 접합기술 개발에 성공했다.
연구팀은 초미세 솔더‧접착제 필름을 이용한 복합 신소재를 개발하고 수직방향 초음파 접합 공정을 고안해 이를 동시에 사용함으로써 신뢰성이 높은 초박형 접속을 구현해 낼 수 있었다.
개발된 기술은 두께가 매우 얇으면서도 신뢰성 또한 완벽히 개선해 소켓형 커넥터를 대체해 전자산업에 커다란 변화를 가져올 것으로 기대된다.
스마트폰과 같은 휴대형 전자제품에서는 카메라, 디스플레이, 터치스크린 등과 같은 다양한 기능의 모듈을 연결하면서 소형화를 동시에 추구하고 있는 것이 현재 추세다.
최근에는 다양한 기능으로 인해 사용되는 모듈의 개수가 점점 더 늘어나고 있으나 기존 모듈연결에 쓰이던 전기 콘센트 형태의 소켓형 커넥터는 큰 부피를 가지며 소형화가 거의 불가능하다는 단점이 있어 이를 대체할 수 있는 새로운 모듈 접속방법에 대한 개발이 지속적으로 요구돼 왔다.
백 교수 연구팀은 이런 문제를 완벽하게 개선할 수 있는 대안으로 열에 의해 녹아서 전극과 합금 결합을 형성할 수 있는 초미세 솔더 입자와 열에 의해 단단히 굳으며 전극을 감싸 기계적으로 보호할 수 있는 열경화성 접착제 필름의 복합 신소재를 개발했다.
이 소재를 이용해 기존의 소켓형 커넥터보다 두께는 1/100 수준으로 얇아지면서 전기적 특성, 기계적 특성, 신뢰성이 모두 우수한 접속부를 구현해 냈다.
공정 측면에서도 기존에 시도해오던 접합방식은 뜨거운 금속 블록으로 열을 인가해 생산관리가 어렵고 최대 소비전력이 약 1000W, 접합시간이 최대 15초 정도 걸렸다.
이에 반해 백 교수 연구팀은 기존 방식을 개선해 열을 가하지 않고 초음파 진동만을 이용해 접합부 자체에서 열을 발생시킴으로써 소비전력을 100W 이하로 줄이면서 접합시간도 1초~5초까지 줄일 수 있는 공정개발에도 성공했다.
백경욱 교수는 “초미세 솔더 입자가 함유된 이방성 접착제 필름 신소재와 종방향 초음파를 이용한 접합공정기술은 휴대전화의 소형화, 경량화뿐만 아니라 제조 생산성까지 크게 향상 시킬 수 있는 첨단 기술”이라며 “휴대전화는 물론 터치스크린 패널 조립, LED 백라이트유닛(Back Light Unit) 등 다양한 전자제품 조립 분야에 광범위하게 쓰일 수 있을 것으로 기대 된다”고 말했다.
한편, 백 교수가 이기원 박사과정 학생과 공동으로 개발한 이번 기술은 세계 최대 규모의 전자부품기술학회(Electronic Components and Technology Conference) 등의 저명 학술 대회에서 최우수 학생 논문상 2회 수상을 비롯하여 세션 최우수 논문으로도 선정되어 세계적으로 그 연구 성과를 인정받고 있다.
(상) 기존 소켓형 모듈 커넥터
(하) KAIST의 초박형 모듈 접속 기술
2011.12.06 조회수 13251 -
생체삽입형 바이오센서 기술 개발
-유연한 GaN LED 기술로 암을 진단-
인간의 주름진 뇌에 부착하거나, 혈관 및 척추를 감싼 유연한 LED에서 발생된 빛으로 질병을 진단하거나 치료할 수 있는 일들이 현실로 가까워지고 있다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 최근 질화물 반도체 발광다이오드(GaN-LED)를 유연한 기판 위에 구현해내고 LED에서 발생되는 빛이 암의 항원-항체반응에 의하여 감도 차이가 일어나는 것을 확인함으로써 전립선암 항체를 검출하는 실험에 성공했다.
이번 연구를 계기로 유연한 LED에서 발생하는 녹색, 파란색, 그리고 자외선 영역까지의 다양한 파장의 강한 빛을 이용하면 신경세포를 자극할 수 있어 질병을 치료하는 데에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
질화갈륨(GaN)은 적은 에너지로 높은 효율의 빛을 낼 수 있는 반도체로 현재 LED TV, 조명 등 산업 전반에 쓰이고 있으나 깨지기 쉬운 성질을 갖고 있다.
연구팀은 딱딱한 기판에서 성장된 얇은 고효율 GaN-LED를 유연한 플라스틱 기판에 전사하고, 생체 친화적인 재료를 사용한 바이오센서를 개발해 인체와 유사한 조건에 적용할 수 있게 했다.
이건재 교수는 “인체에 삽입된 유연한 LED는 인간 생명 연장과 건강한 삶의 중요한 과제를 해결할 수 있는 흥미롭고 새로운 분야로 꿈같은 일들이 실현될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 나노 분야의 세계적인 석학이자 최고 권위자인 미국 조지아 공대 왕종린(Wang, Zhong Lin) 교수가 편집장으로 있는 "나노 에너지(Nano Energy)" 9월호 온라인 판에 게재됐다.
관련 연구는 2009년부터 국내외에 다수의 특허가 출원․등록되었고, 지난 3월에는 KAIST를 대표하는 브랜드 과제로 선정되기도 했다.
한편, 이 교수는 논문의 공동책임으로 참여한 ETRI 성건용 박사팀과 생체이식형 라벨프리(Label-Free) LED 바이오센서에 대해 후속 연구를 계속 진행하고 있다.(끝)
<관련 동영상>
생체 친화적이고 유연한 GaN-LED가 빛을 내는 동영상 http://www.youtube.com/watch?v=miqc-o8fOkw
<그림설명>구부러지는 유연한 GaN-LED에서 푸른빛이 발생되고 있다.
2011.09.20 조회수 12770 -
생체모방 탄소나노튜브 섬유 합성기술 개발
- 재료분야 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 표지 논문 게재- 강도가 3배 이상 향상된 차세대 초경량 초고강도 전도성 신소재 개발
홍합을 지지하고 있는 섬유형태의 족사는 강한 파도가 치는 해안가와 같은 다른 생물이 살기 어려운 환경에서도 바위에 단단히 붙어서 생존한다. 이러한 특성은 홍합 족사의 독특한 구조와 고강도 접착성 때문이다.
우리학교 신소재공학과 홍순형 교수와 화학과 이해신 교수, 생명과학과 故 박태관 교수로 구성된 공동연구팀이 자연계의 홍합 족사 구조를 모방해 탄소나노튜브를 기반으로 한 초고강도 전도성 섬유 제조 원천기술개발에 성공했다.
탄소나노튜브는 1991년 일본의 이지마 교수(현 성균나노과학기술원장)에 의해 발견된 이후 우수한 전기적, 열적, 그리고 기계적 특성으로 차세대 신소재로 각광 받았으나 길이가 수 나노미터 수준으로 미세해 산업용 제품으로 응용하는 데 한계가 있었다.
KAIST 연구팀은 이러한 난제를 자연계의 홍합 족사 구조에 착안해 해결했다.
홍합 족사에는 콜라겐 섬유와 Mefp-1 단백질이 가교 구조(cross-linking structure)로 결합되어 있다. 이 Mefp-1 단백질속에는 카테콜아민이라는 성분이 있어 콜라겐 섬유끼리 강하게 결합한다.
연구팀은 고강도 탄소나노튜브 섬유가 콜라겐 섬유 역할을, 고분자 구조 접착제가 카테콜아민과 같은 역할을 하도록 했다. 그 결과 길이가 길고 가벼우면서도 끊어지지 않는 초경량 초고강도 탄소나노튜브 섬유를 개발했다.
KAIST 홍순형 교수는 “개발된 탄소나노튜브 섬유는 기존의 구조용 탄소강에 비해 강도가 3배 이상 향상된 차세대 초경량 초고강도 고전도성 신소재”라며 “향후 방탄소재, 인공근육소재, 방열소재, 전자파 차폐소재, 스텔스소재 및 스페이스 엘리베이터 케이블 등 다양한 산업계에 응용이 가능하다”고 말했다. 아울러 “새로운 나노융합 소재 산업의 기술혁신을 이룰 수 있을 것”이라고 홍 교수는 덧붙였다.
이번 연구결과는 독일에서 발간되는 재료분야 국제저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 5월 3일자 표지 논문으로 선정됐으며, 최근 국내 및 국외에 4건의 특허 출원 및 등록이 결정됐다.
한편, 이번 연구는 교육과학기술부 21세기 프론티어 연구개발 사업단, 세계수준의 연구중심대학(WCU) 육성사업, KAIST 나노융합연구소 등으로부터 지원받아 수행됐다.
2011.05.11 조회수 24208