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유연한 나노신소재 발전기술 개발
휴대폰이나 심장에 이식한 미세 로봇이 배터리 충전 없이 영구적으로 작동할 수는 없을까?
공상과학 영화에서나 나올 법한 이런 일들이 머지않아 가능할 것으로 보인다.
우리학교 신소재공학과 이건재 교수팀은 압전특성이 우수한 세라믹 박막물질을 이용하여 심장 박동, 혈액 흐름과 같은 미세한 움직임으로도 전기를 만들 수 있는 새로운 형태의 유연한 나노발전기술을 개발했다.
압전특성이란, 가스레인지의 점화스위치 작동원리와 같이, 압력이나 구부러짐의 힘이 가해질 때 전기가 발생되는 특성을 말하는 데, ‘페로브스카이트(perovskite)’ 구조를 가지는 세라믹 물질들이 높은 효율을 나타내지만 깨지기 쉬운 성질을 가지고 있어 유연한 전자 장치로의 활용이 불가능했다.
이 교수팀은 높은 압전특성을 가지면서 깨지지 않고 자유롭게 구부릴 수 있는 세라믹 나노박막물질을 만들어 바이오-환경 친화적인 고효율 나노발전기술 개발에 세계 최초로 성공한 것이다.
나노기술과 압전체가 만나 만들어지는 나노발전기술은 전선과 배터리 없이도 발전이 가능해, 휴대용 전자제품 뿐만 아니라 몸속에 집어넣는 센서나 로봇의 에너지원으로도 사용이 가능하기 때문에, 그 활용영역은 응용기술 여하에 따라 얼마든지 넓어질 수 있을 것으로 보고 있다.
미세한 바람, 진동, 소리와 같이 자연에서 발생되는 에너지원과 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 수축·이완과 같이 사람 몸에서 발생되는 생체역학적인 힘을 통해 전기를 생산할 수 있게 됨으로써 꿈의 무공해·무한 에너지원이 될 수 있는 것이다.
이번에 개발한 나노발전기술은 이 교수가 2004년 세계 최초로 공동발명한 ‘고성능 단결정 휘어지는 전자소자’를 토대로, 세라믹 나노박막물질을 유연한 플라스틱 기판 위에 옮겨, 외적인 힘이 주어질 때마다 신소재 압전물질로부터 전기를 얻는 데 성공한 것이 핵심이다. 또한 이 나노발전기술의 회로구조를 변형하면 LED발광도 이루어 질 수 있다고 이 교수는 말했다.
이 연구 결과는 나노과학기술(NT) 분야의 세계적 권위지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 11월호 온라인 판에 게재됐고, 국내·외에 특허 출원되었으며, 논문의 공동저자로 참여한 미국 조지아 공대 왕종린(Wang, Zhong Lin) 교수팀과 동물 이식형 나노발전기 생체실험을 후속 연구로 진행하고 있다.
<관련동영상>
외부적인 힘에 의해 나노발전기에서 전기가 발생되는 동영상
http://www.youtube.com/watch?v=sWdopmi0B7U
<그림설명>
구부러지는 유연한 나노박막물질에서 전기가 발생되고 있다.
2010.11.08
조회수 20306
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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
조회수 18693
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"리튬이온 이차전지용 고성능 나노선"개발
- 내연기관 출력과 맞먹는 고성능 리튬 이차전지 개발 길 열려 -
전기자동차 상용화를 위한 가장 큰 걸림돌인 배터리 문제를 해결하는 데 한 걸음 더 나아가게 됐다.
우리학교 신소재공학과 김도경 교수팀은 ‘리튬망간산화물 미세나노선’ 을 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
이 물질은 기존의 리튬이온 이차전지용 양극물질에 비해 100배 이상의 출력밀도를 나타내며, 제조기법이 단순하고 공정비용도 저렴해 앞으로 전기자동차용 배터리 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로 리튬이온 이차전지는 전기자동차용 배터리에 적용되기에는 충분히 높은 출력밀도를 가지지 못한다.
김 교수팀은 10nm(나노미터, 10억분의 1ｍ) 미만 굵기의 미세나노선 구조를 대량 합성해 양극물질에 적용함으로써, 기존 리튬이온 이차전지보다 100~200배가량 높은 출력밀도를 나타내는 데 성공했다. 이는 엔진으로 사용되는 내연기관의 출력밀도에 근접한 수준이다.
하지만, 지금까지 개발된 리튬이온 이차전지는 내연기관의 출력밀도에 훨씬 미치지 못해 중량이 많이 나갔다. 또한, 값비싼 원료와 공정법을 이용하는 등 리튬이온 이차전지는 전기자동차에 사용하는 데에 있어서 극복해야 할 한계를 안고 있었다.
이번 연구에서는 10nm 미만의 미세한 나노선이 가지는 구조적 유연함을 이용해 기존 리튬망간산화물이 지니고 있었던 ‘얀-텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion)" 현상을 극복할 수 있음을 보여주었다.
높은 출력밀도를 보인 리튬망간산화물 미세 나노선 제조에 관한 연구는 산업적 응용이 조기에 가능할 것으로 예상되며, 국가 과학기술 경쟁력 제고 측면에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구 결과는 나노기술(NT) 분야의 가장 권위 있는 학술지인 "나노 레터스(Nano Letters)"지 8월 26일자 온라인 판에 게재됐고, 현재 국내특허 출원 중이다.
<용어설명>
○리튬이온 이차전지 : 이차 전지의 일종으로서, 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 낮음.
○출력밀도(Power density) : 단위 무게당 출력되는 전력의 정도.
○얀-텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion) 현상 : 리튬이온전지의 충전과 방전 시 양극물질의 구조가 뒤틀려져 성능이 급격히 저하되는 현상
○리튬망간산화물 : 리튬이온전지에 이용되는 양극재료 중의 하나. 현재 상용화되는 리튬 코발트 산화물에 비하여 원자재 가격이 저렴하며, 친환경적이다.
2010.09.15
조회수 17484
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10nm대의 초미세 나노패터닝 新기술 개발
- 나노 레터스 誌 발표, 대면적 10nm대 나노패턴의 실용화 가능성 열어 -
복잡하고 다양한 10nm대의 고분해능 나노패턴을 대면적에 효율적으로 제작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다.
KAIST 정희태 교수가 주도한 이번 연구결과는 나노분야 세계적인 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 온라인으로 최근 (8. 17) 게재되었다.
이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 시행하는 ‘세계수준의 연구중심대학(WCU) 육성사업’과 ‘중견연구자지원사업 도약연구’의 지원을 받아 수행되었다.
정희태 교수 연구팀은 차세대 반도체, 디스플레이 및 나노전자 소자개발에 핵심기술인 10nm대의 고분해능 패턴을 원하는 모양과 크기로 쉽게 대면적에 제작할 수 있는 기술을 개발하였다.
연구팀은 전압차를 이용하여 아르곤(Ar) 입자를 가속시켜, 원하는 목적층에 물리적 충격을 줌으로써 목적층의 물질을 제거하는 이온충격(ion-bombardment) 공정 중에서 나타나는 2차 스퍼터링 (secondary sputtering)이라는 현상을 적용하였다.
이 현상은 이온충격(ion-bombardment)으로 물리적 식각을 할 때 목적층의 물질이 다양한 각분포로 이탈하여 마스크 패턴의 옆면에 흡착하는 현상을 이용한 것으로서, 선 모양, 컵 모양, 가운데가 비어있는 실린더(Hole-cylinder) 모양, 삼각 터널(triangle tunnel) 등 다양한 모양을 가지며, 최대 종횡비(high-aspect-ratio) 20까지 높이를 간단하게 제어할 수 있다.
이렇게 제작된 패턴은 웨이퍼, 유리기판, 쿼츠(Quartz), 금속판 뿐만 아니라 PET필름과 같은 플렉서블 기판에서도 공정이 가능하기 때문에 범용적으로 사용되어 질 수 있다.
연구팀은 투명한 쿼츠셀 위에 금 선 패턴을 제작하여 ITO기판을 대체할 수 있을 만큼 높은 성능을 갖는 투명전극을 제작하여 태양전지에 응용함으로써 다양한 광학/전기적 나노소자에 응용할 수 있음을 보였다.
동 연구는 기존의 리소그라피기술로 제작된 패턴의 해상도를 능가하는 10nm급 패턴을 제작할 수 있는 신기술로 거의 모든 금속(금, 은, 알루미륨, 크롬)과 무기물(ZnO, ITO, SiO2)에 적용가능하며, 기존의 패터닝 방법과 비교하여 낮은 공정비용과 간단한 실험공정으로 고해상도 패턴을 대면적에 균일하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
정희태 교수는 “10nm급의 고해상도 미세패턴 제작기술은 미래산업 전반에 걸쳐 매우 중요한 기술군으로, 그동안 나노분야에서 극복해야 할 핵심과제였습니다. 본 연구는 이러한 문제점을 비교적 간단한 방법으로 극복하고 향후 태양광 발전, 반도체 및 바이오소자의 효율증대에 적용가능한 기술”이라고 연구의의를 설명하였다.
2010.09.08
조회수 18759
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플렉시블 디스플레이용 개스 배리어 기판기술 개발
- 나노 복합체 개스 배리어 기판 원천기술 확보 -
- 투산소도와 투습도 낮아 식품 포장재에 바로 활용 가능 -
우리학교 물리학과 윤춘섭 교수팀이 금오공과대학 고분자공학과 장진해 교수와 공동으로 플라스틱 기판의 투산소도를 1/1,000로 낮춘 독창적 개념의 플렉시블 디스플레이용 개스 배리어(Gas Barrier) 기판을 개발했다.
이번 성과는 평판형 나노입자를 플라스틱 기판에 분산시킨 후 박리 및 배향시키는 나노 복합체 기판 원천기술 개발을 통해 가능해졌다고 공동연구팀은 밝혔다.
개발된 나노 복합체 기판 기술은 차세대 디스플레이인 플렉시블 유기발광 디스플레이(OLED)의 구현에 필수적인 기계적 고유연성, 저 투습도 및 저 투산소도, 높은 광투과도 조건을 모두 만족시킬 수 있는 획기적인 기판 기술로 평가받고 있다.
현존하는 세계최고 수준의 플렉시블 개스 배리어 기판 기술은 플라스틱 기판위에 유기 고분자 층과 무기물 층을 교차로 증착시킨 다층 박막 구조를 가진다. 이 구조로 인해 기판을 곡률반경이 작게 휘거나 접을 경우 무기층에 균열이 생겨 개스 배리어 기능을 상실한다. 이 때문에 기계적 유연성에 한계를 가질 뿐만 아니라 생산 단가가 높은 문제점을 가지고 있었다.
이번에 윤 교수팀이 개발한 나노 복합체 기판 기술은 기판의 골격을 형성하고 있는 유기 고분자가 유연성을 담당하고, 평판형 나노입자가 개스 배리어 기능을 담당한다. 그로 인해 높은 기계적 유연성과 개스 배리어 특성을 동시에 확보할 수 있고 롤투롤(Roll to Roll) 공정이 가능해 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
플렉시블 디스플레이는 차세대 디스플레이로 각광받고 있으며, 미국을 위시한 일본, 영국, 독일 등 IT 선진국에서는 플렉시블 디스플레이를 모바일 통신기기용 접는 디스플레이, 입는 디스플레이, 디지털 광고판, 스마트 카드, 군복 소매에 부착할 수 있는 작전용 디스플레이 등에 적용하기 위해 대학, 연구소, 기업 및 군이 연구개발 협력체를 구성해 플렉시블 OLED 디스플레이 기술개발을 활발하게 추진하고 있다.
플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해서는 유연성이 좋은 플라스틱 기판을 사용해야 하는데, 플라스틱은 내부에 미세한 공간이 있어 개스 분자들이 쉽게 스며들 수 있다. OLED 디스플레이에 습기나 산소가 소자 내부로 침투하면 OLED 소자를 구성하는 유기물질의 분해가 일어나 소자의 기능이 상실되기 때문에 디스플레이의 수명을 단축시킨다.
지금까지 우수한 개스 배리어 특성을 갖는 고유연성 기판의 부재가 플렉시블 OLED 디스플레이의 구현을 막는 중요한 요인 중 하나가 되어 왔다. 이로 인해 현재 상용화되고 있는 소형 모바일 통신기기의 OLED 디스플레이에는 유연성이 없는 유리 기판을 사용하고 있다.
또한, 개발된 나노 복합체 개스 배리어 기판 기술은 플렉시블 디스플레이 뿐만 아니라 투습도 및 투산소도에 대한 요구 조건이 덜 엄격한 식품 포장재에 바로 활용이 가능하다.
식품의 장기 저장 시 산화와 부패를 방지하기 위해서는 투산소도와 투습도가 낮은 포장재의 사용이 필수적이다. 개발된 나노 복합체 기판은 투산소도가 10-2~10-3cc/m2/day로서 현재 일반적으로 사용되고 있는 식품 포장재 투산소도의 1/10 이하이기 때문에 식품 보관 기간을 최소 5배 이상 늘릴 수 있어 식품 유통 구조에 대변혁을 가져올 수도 있다.
라면 봉지와 같은 기존의 식품 포장재는 투산소도와 투습도를 낮추기 위해 플라스틱 필름위에 알루미늄 코팅을 하는데, 인체에 해로운 알루미늄과 음식물의 직접적인 접촉을 피하기 위해 알루미늄 코팅위에 보호막 코팅을 다시 입혀야 되는 번거로운 공정을 거쳐야 한다.
그러나 나노 복합체 개스 배리어 기판 기술을 이용하면 알루미늄 코팅과 보호막 코팅이 필요 없기 때문에 생산 공정이 단순해져 생산 단가도 훨씬 저렴해 지고 친환경적인 장점이 있다.
한편, 윤 교수는 2008년부터 지경부 산업원천기술개발사업의 지원을 받아 ETRI와 공동연구과제로 연구를 수행하고 있으며, 개발된 개스 배리어 기판 기술의 특허 등록을 마치고 관련기업과 기술 이전을 협의 중이다.
<용어설명>
○ 플렉시블 디스플레이 : 기존에 유리를 기판으로 사용한 평판형 디스플레이와 달리 유연한 플라스틱 기판을 사용하여 종이와 같이 말거나 접을 수 있는 디스플레이를 말하며, 휴대하거나 착용하기 쉬워 차세대 디스플레이로 각광받고 있다.
○ 유기발광 디스플레이(OLED) : 전기를 가하였을 때 유기물질에서 발생하는 자발광을 이용한 디스플레이로서 LCD에 비해 빠른 응답 속도, 높은 발광 효율, 넓은 시야각, 얇은 두께 등 우수한 특성을 가지고 있어 꿈의 디스플레이로 불린다. 아직 대면적 화면 구현에는 기술적인 난관이 있어 현재는 주로 소형 모바일 통신기기에 상용화되어 사용되고 있다.
○ 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 : 공정하고자 하는 재질을 두루마리 형태로 감아 한 두루마리에서 다른 두루마리로 감아 옮기면서 연속으로 진행하는 공정을 말한다.
○ 개스 배리어(Gas Barrier): 플라스틱 기판으로 스며드는 개스의 통과를 차단 시키는 역할을 하는 방어벽.
2010.09.06
조회수 20012
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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
조회수 26463
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고성능 전자소자 소재 "절반-금속" 나노선 개발
-교과부 21세기 프론티어사업단 김봉수교수팀, 나노신소재 합성성공-
한 물질이 금속과 비금속의 특성을 나타내 기존 반도체 소자의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 "절반-금속 (half-metallic) 강자성 규화금속 나노선"이 개발됐다.
우리학교 화학과 김봉수 교수팀이 절반-금속성을 갖는 규화철 나노선을 최초로 합성함으로써 통하여 ‘차세대 스핀전자공학’에 필수적인 스핀 주입(spin injection) 물질을 개발했다.
스핀주입이란 외부의 전기장이나 자기장에 의해 물질 내 전자의 자기적 특성(스핀)을 조절하는 것인데, 이번에 개발된 규화철 나노선은 한 방향 스핀을 갖는 전자들에게는 전도성 금속으로 작용하고 그 반대방향 스핀을 갖는 전자에게는 절연체로 작용하여 한 가지 스핀방향만을 가지는 전류를 만들어 낼 수 있다.
이런 기능은 정보신호로 변환이 가능하기 때문에 이 나노선으로 고성능, 고집적, 저전력 특성을 가지는 전자소자를 만들면 현재 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있다.
김 교수팀은 기존에 개발한 규화철(FeSi) 나노선에 산소기체를 도입한 간단한 열확산 법을 이용하여 매우 높은 큐리 온도 (Tc=840 K)에서도 강자성을 유지하고 높은 스핀편극도를 가지는 절반-금속 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선으로 완벽하게 변환하였으며, 같은 방법으로 규화코발트(Co2Si) 나노선을 변환시켜 최초로 단결정 코발트(Co) 나노선을 합성하는 등 소재의 조성을 조절하는 합성법의 일반화에도 성공하였다.
김 교수팀이 개발한 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선은 나노 소자 제작을 위한 빌딩 블록(building blocks)에 활용될 수 있어, 효율적이고 소형화된 초고성능 자기 메모리 및 거대 자기저항(GMR) 센서의 개발이 가능해졌다. 이에 따라 양자 메모리 처리와 고주파 전자통신 소자 등 다양한 나노 소자 개발에 기술적 전기(轉機)가 마련됐다.
한편, 이번 연구결과는 8월초 나노기술(NT) 분야의 가장 권위있는 학술지인 "나노 레터 (Nano Letters)"지 온라인판에 게재되었고, 현재 국내 특허 출원 중이다.
2010.08.19
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박찬범 교수팀, 나노크기의 광감응 소재를 이용한 인공광합성 원천기술개발
신소재공학과 박찬범(朴燦範, 41세) 교수팀이 나노소재를 이용해 자연계의 광합성을 모방한 ‘인공광합성’ 시스템 개발에 성공했다.
이러한 새로운 개념의 인공광합성 기술은 고부가가치의 각종 정밀의약품들을 태양 에너지를 이용해 생산하는 친환경 녹색생물공정 개발의 전기가 될 것으로 기대된다.
식물 등 자연계의 광합성 생물체들은 태양에너지를 이용해 환원력을 재생하여 보조인자(cofactor)라는 형태로 저장하고, 이렇게 재생된 보조인자 등을 빛이 없을 때 캘빈사이클 (calvin cycle)을 통해 생존에 필요한 탄수화물 등 각종 화학물질들을 합성하는데 이용한다.
[그림 1. 자연광합성을 모방한 인공광합성 공정을 이용한 정밀화학제품 생산 개념도]
박 교수팀은 이러한 자연광합성시스템을 모방하여 자연계의 광반응 (light reaction) 대신 태양전지 등에서 사용되는 양자점 (quantum dot) 등 수 나노크기의 광감응소재로 빛에너지를 전기에너지로 효율적으로 전환하고, 이를 이용하여 보조인자를 재생했다. 또한 자연계의 복잡한 캘빈 사이클 대신 산화환원 효소반응을 보조인자 재생에 연결시킴으로써 빛에너지로부터 시작하여 최종적으로 정밀화학물질 생산이 가능한 반응시스템을 개발했다.
인류가 지구 온난화와 화석 연료의 고갈이라는 문제를 안고 있는 가운데, 온난화의 원인인 이산화탄소를 배출하지 않고 또한 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 계속되고있는데, 이번에 개발된 인공광합성기술은 에너지원으로 무한한 태양광을 사용한다는 장점 때문에 그 파급효과가 매우 클것이다.
특히 각종 정밀화학물질 합성에 있어서 산화환원효소들이 매우 뛰어난 응용가능성/다양성을 가졌음에도 불구하고 이들의 효율적 사용을 위하여 필수적으로 요구되는 보조인자의 재생에 대한 연구는 지난 20여년동안 수행되어 왔으나 현재까지도 성공적인 결과가 거의 없어 향후 생물공학분야에서 해결되어야 할 미해결 난제들 중의 하나였다.
박교수팀의 연구성과는 산화환원효소를 산업적으로 활용하기 위한 토대를 마련한 것이다.
[그림 2. 산화환원효소 기반 인공광합성을 통한 고부가가치 정밀화학제품 생산]
관련 연구결과는 독일에서 발간되는 나노분야 국제저명학술지인 Small지 최근호(4월 23일자 온라인판)에 게재됐으며, 최근 특허출원이 완료됐다.
이번 연구는 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업(생물공정연구단) 등으로부터 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학과 생명공학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 공정기술을 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다.
2010.04.23
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양승만 교수, 물위를 걷게 하는 스마트 나노구조 입자 제조
- 스스로 세정하는 초소수성 연꽃잎 구조를 생체모방한 최초의 나노입자 제조기술로 Nature와 Nature Nanotechnology에서 동시에 하이라이트
흙탕물 속에서도 아름답고 깨끗한 모습을 지키는 연꽃잎, 건조한 사막에서도 물 걱정 안 하는 딱정벌레, 영양분 공급 걱정 안 하는 끈끈이주걱, 물위를 자유자재로 걷는 소금쟁이, 물이 젖지 않는 나비날개는 모두 나노구조를 지니고 있어서 신기/한 생존현상을 만들어 낸다.
KAIST 생명화학공학과 양승만 교수팀(광자유체집적소자 창의연구단)은 연꽃잎 나노구조를 표면에 갖고 있는 미세입자를 균일한 크기로 연속적으로 생산하여 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 기술을 개발해 최근 Nature와 Nature Nanotechnology등 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 연구성과를 거뒀다.
국제적으로 가장 권위 있는 두 학술지에 동시에 하이라이트로 실린 것은 극히 이례적인 일로, 이 연구결과가 나노과학의 진보성과 실용성이 크게 이바지한 것임을 입증한다. 양 교수팀의 이번 연구는 2006년부터 교육과학기술부의 ‘창의적연구진흥사업’의 지원을 받아 수행했다.
연꽃잎 나노구조로 발생하는 소위 연꽃잎효과(Lotus Effect)의 응용분야는 무궁무진하여 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이나 현재의 기술수준은 연꽃잎 효과를 지니는 실용성 있는 제품을 개발하는 데는 성공하지 못하고 있다.
Nature지(3월 25일호)와 Nature Nanotechnology지(4월호)가 비중 있게 하이라이트한 양 교수팀의 이번 연구에서는 감광성 액체방울을 이용하여 연꽃잎의 나노구조를 생체 모방하여 크기가 균일한 미세입자를 대량으로 만들 수 있는 기술을 성공적으로 개발하였다.
특히 주목할 것은 나노구슬이 스스로 구조를 형성하는 자기조립 원리를 이용함으로써 제조공정이 손쉽고 빨라 경제적이란 점이다(제조 공정도 참고). 우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬을 감광성 액체 속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터로 균일한 액체방울로 만들어 물에 주입하고, 물-감광성 액체-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬은 저절로 감광성 액체방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다.
이 때 자외선을 감광성 액체방울에 쪼여서 고형화 시킴으로써 수 천개의 유리 나노구슬이 박혀있는 입자를 얻게 된다. 그 후 유리구슬을 불산으로 녹여내면 마치 골프공 같이 분화구가 촘촘하게 파진 미세입자를 만들 수 있고 여기에 플라즈마(높은 에너지를 갖는 기체이온)를 쪼여주면 분화구가 깊게 깎이면서 연꽃잎과 같은 나노구조가 형성된다.
이러한 연꽃잎 구조는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이며 최근에 나노식각공정을 사용하여 평판 위에 연꽃잎 효과를 구현한 결과는 보고된 바 있다. 그러나 본 연구의 결과는 머리카락 보다 가는 미세한 입자표면에 연꽃잎 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
Nature와 Nature Nanotechnology에서 언급한 바와 같이, 이렇게 제조된 연꽃잎 효과를 나타내는 미세입자의 응용은 다양하다. 세차가 필요없는 자동차, 김이 서리지 않는 유리, 비에 젖지 않는 섬유, 스스로 세정하는 페인트 그리고 비나 눈물에 얼룩이 지지 않는 화장품 등도 개발할 수 있다.
또한, 화학 및 바이오센서 등의 마이크로 분석소자, 물위를 걸을 수 있는 마이크로로봇, LCD 차세대 대형 디스플레이에서도 연꽃잎 효과를 이용한 코팅 기술이 사용될 것으로 기대된다.
이 연구결과는 화학분야 최고의 저명학술지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 4월호 표지논문으로 하이라이트 되었고 연꽃잎 구조의 실용성을 구현하는데 크게 기여한다고 인정받아 그 호의 VIP(Very Important Paper: 매우 중요한 논문)로 선정되었다.
특히, Nature지는 3월 25일호에서 양 교수팀 연구의 중요성과 응용성에 주목하여 ‘표면과학: 물방울로 만든 구슬(Surface Science: Liquid Marbles)’이라는 제목으로 ‘뉴스와 논평(News & Views)’란에 하이라이트로 선정해 첨부한 자료와 같이 비중있게 게재했다. 또한, Nature Nanotechnology지는 4월호에서 ‘주목해야 할 연구(Research Highlights)’로 선정해 해설을 함께 실었다.
<그림1> 연꽃잎의 나노구조를 생체모방한 미세입자제조 공정모식도
<그림2> 연꽃잎의 나노구조를 갖는 미세입자를 물표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막은 유리 막대를 찔러도 뚫리지 않고 유리막대에 물이 묻지 않는다.
<그림3> Nature Nanotechnology에 실린 물 위에 뜬 물방울 사진: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자를 물표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막 위에 물을 뿌리면 방울로 맺히게 된다. 이것은 미세입자를 이용하면 물위로 물체를 띠울 수 있음을 보여준다.
<그림4> Nature에 실린 물방울로 만든 구슬을 집게로 잡고 있는 모습: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자가 물을 포획하여 물방울 구슬을 만든 모습. 이 물방울구슬은 집게로 찌그러트려도 안 터지며 떨어뜨려도 깨지지 않는다.
<그림5> 연꽃잎에 맺힌 물방울 사진과 나노구조의 전자현미경 사진과 봉우리의 모식도
<그림6> 사막의 딱정벌레와 나노구조의 전자현미경 사진
<그림7> 끈끈이 주걱과 나노구조의 전자현미경 사진
2010.03.24
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김봉수 교수팀, 초탄성 무결점 금속나노선 개발
화학과 김봉수 교수팀은 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능한 새로운 초탄성․무결점 금속 나노선(nanowire)을 개발했다. 이는 촉매없이 금속 나노선을 기판위에 손쉽게, 원하는 형태로 성장(epitaxial growth)시킬 수 있는 원천기술이다.
교육과학기술부(장관 안병만)는「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단(단장 서상희 박사)의 지원을 받은 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 초탄성․무결점의 단결정 금속 나노선을 개발 하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(nanowire)은 단면 지름이 수십에서 수 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 정도인 극미세선으로, 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는데 핵심적인 미래기술이다.
기존의 반도체 나노선은 정렬된 성장(epitaxial growth)이 가능했으나 금, 팔라듐 등 금속 나노선의 경우에는 적절한 촉매가 없어서 이러한 정렬된 성장을 실현하기 어려웠다.
KAIST 김봉수 교수 연구팀은 증기의 양, 온도, 압력 등을 최적으로 조절함으로써, 촉매 없이 금, 팔라듐, 및 금팔라듐 합금 나노선을 원하는 대로 방향성 있게 성장시키는 데 세계 최초로 성공하였다. 또한, 어떠한 물질이라도 기판 위에 씨앗 결정을 형성하기만 하면 잘 정렬된 나노선으로 성장시킬 수 있다는 사실을 밝혔다.
※ 질병을 일으키는 병원균의 DNA 농도에 따라 금나노선에 부착되는 금입자의 갯수가 달라짐(이 금입자의 갯수로 부터 병원균의 갯수를 검출) (스케일바 : 20 nm)
KAIST 화학과 김봉수 교수는 “이 기술을 한 단계 더 발전시켜 기판 위에 씨앗을 원하는 위치에 놓을 수 있다면, 나노선의 위치 및 방향을 마음대로 제어할 수 있게 되기 때문에, 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능해져 세계 메모리 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 1월 6일자 온라인 속보판에 소개되었으며, 현재 미국 및 독일 등에 특허 출원중이다.
[그림 1] 사파이어 기판 위에 수직으로 성장한 완전 단결정 금 나노선
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 초탄성(超彈性)․무결점 뿐만 아니라 완벽히 깨끗한 표면을 가지고 있다는 특징이 있어, 나노크기의 탄성에너지 저장장치, 나노안테나, 질병진단용 메디컬 센서 등 새로운 기술분야에 다양하게 응용가능하다.
[그림 2] 금 나노선을 이용한 질병진단 센서 (예)
2010.01.18
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장기주 교수, 불순물도핑없는 반도체나노선 양전하 생성원인규명
물리학과 장기주(張基柱, 56) 교수팀이 게르마늄-실리콘 나노선에서 불순물 도핑 없이도 양전하가 생성되는 원인을 최근 규명했다. 이 연구는 KAIST 박지상, 류병기 연구원, 연세대 문창연 박사와 함께 나노미터(nm=10억분의 1m)단위의 직경을 가진 코어-쉘(core-shell) 구조의 게르마늄-실리콘 나노선의 전기전도 특성을 조사해 이뤄졌다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 최고 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)" 온라인판에 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 양전하 정공 가스를 일으키는 결함(Defects Responsible for the Hole Gas in Ge/Si Core−Shell Nanowires)라는 제목으로 지난 17일 게재됐다.
반도체 기술이 소형화의 한계에 직면하면서 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 반도체 나노선 등 나노 소재를 이용한 새로운 반도체 소자 연구가 널리 수행되고 있다. 특히 실리콘 및 게르마늄 나노선은 기존 반도체 기술과 접목이 가능하기 때문에 큰 기대를 모으고 있다. 반도체 나노선의 소자 응용은 불순물을 첨가하여 양전하 혹은 음전하를 띤 정공(hole)이나 전자 운반자를 만들어 전류가 흐를 수 있게 해야 한다. 그러나 나노선의 직경이 작아져 나노미터 수준이 되면 불순물 첨가가 어려워 전기전도의 조절이 매우 어려워진다.
이에 반해 게르마늄 나노선을 얇은 실리콘 껍질로 둘러싼 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 나노선을 만들면 불순물을 도핑하지 않아도 게르마늄 코어에 정공이 만들어지고 전하 이동도는 크게 증가한다. 연구진은 제일원리 전자구조 계산을 통해 게르마늄 코어와 실리콘 쉘의 밴드구조가 어긋나 있고, 이러한 이유로 게르마늄 코어의 전자가 실리콘 쉘에 있는 표면 결함으로 전하 이동이 가능하여 코어에 양공이 생성됨을 최초로 규명했다. 또한 반도체 나노선을 만드는 과정에서 촉매로 쓰이는 금(Au) 원자들이 실리콘 쉘에 남아 게르마늄 코어의 전자를 빼앗는다는 사실도 처음 밝혔다.
張 교수는 “이번 연구 결과는 그동안 수수께끼로 남아있던 게르마늄-실리콘 나노선의 양전하 생성 원인과 산란과정을 거치지 않는 정공의 높은 전하 이동도에 대한 이론적 모델을 확립하고, 이를 토대로 불순물 도핑 없는 나노선의 소자 응용과 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.” 고 말했다.
* 용어설명○ 제일원리 전자구조 계산 : 실험 데이터 없이 순전히 양자이론에 기초하여 물질의 전자구조와 물성을 기술하는 최고급(state-of-the-art) 전자구조 계산방법.
(그림1) 실리콘 나노선 및 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 원자구조.
(그림2) 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 전자의 상태밀도 분포.
2009.12.30
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박정기 교수팀, 빛에 의해 움직이는 고분자를 이용한 나노광학소자 신기술 개발
- 빛으로 나노광학구조의 모양과 크기를 자유자재로 제어할 수 있는 리소그래피 방법 세계 최초 개발- 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 다룰 수 있는 나노광학구조로 분자 탐지 및 양자컴퓨터의 실용화 길 열어
생명화학공학과 박정기(朴丁基, 58) 교수팀이 조사되는 빛의 조건을 정교하게 조절하여 모양과 크기가 자유자재로 제어될 수 있는 고분자 나노패턴을 만들고 이를 형틀로 이용해 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 다룰 수 있는 나노광학구조를 모양과 크기를 자유롭게 조절하면서 대면적으로 손쉽게 만들 수 있는 방법을 최근 개발했다.
이번 연구결과는 ‘방향성 광유체화 리소그래피를 이용한 모양과 크기가 제어된 나노구조체 제작(Directional Photofluidization Lithography for Nanoarchitectures with controlled shapes and sizes)"이라는 제목으로 나노과학 및 기술 분야의 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 온라인판에 17일 게재됐다. 현재 관련기술은 국내.외 특허 출원중이다.
이번 연구는 교육과학기술부의 21세기 프론티어연구사업단 산하 나노소재기술개발사업단의 지원을 받아 박정기교수 연구실의 주도하에 KAIST 물리학과 이용희 교수, 신종화 박사, 미국 스탠포드대 샨휘 판(Shanhui Fan)교수 등의 공동연구로 이뤄졌다.
지금까지 개발된 나노광학소자 제작 방법은 구조의 모양과 크기, 두 가지를 동시에 그리고 대면적으로 균일하게 제어하는 것이 어려웠다. 특히 10nm 이하의 초미세 영역에서 구조의 모양과 크기를 대면적으로 제어하는 것은 미세구조체 제작 연구 분야에서 달성하기 어려운 과제로 인식되어 왔다.
박교수팀은 빛을 받았을 때 움직이는 고분자를 이용해 이 문제를 해결했다. 고분자 선모양 패턴에 빛을 조사해주면 고분자의 광유체화 현상이 발생해 조사된 빛의 편광 방향에 평행하게 고분자가 이동을 한다. 따라서 고분자의 선패턴 사이의 간격을 나노영역까지 손쉽게 줄일 수 있다. 또한 빛을 부분적으로 조사해주면 원하는 지역에서만 고분자의 광유체화 현상을 발생시켜 원하는 모양의 고분자 나노구조체를 제작할 수 있다. (그림1 참조)
박교수팀은 이를 이용해 양끝이 뽀족한 유선형 모양의 나노안테나를 대면적으로 제작하는데 성공했다.
나노안테나는 현재 일반적으로 이용되고 있는 안테나를 나노크기로 줄인 소자이며 양 끝을 뾰족하게 처리해야만 빛 증폭 효과를 극대화시킬 수 있다. 나노안테나는 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 증폭시킬 수 있는 소자로서 광자컴퓨터 및 광자 분자 탐지를 위한 센서와 같은 첨단 광학소자 개발을 위한 가장 핵심적인 요소로 인식되고 있는 기술 중의 하나다.
박교수팀은 같은 원리를 이용해 대면적에 고집적화된 나노선 제작에도 성공했으며 이를 이용한 나노트랜지스터, 양자메모리, 양자디스플레이 등 첨단전자 소자개발에도 새로운 가능성을 보여줬다.
박 교수는 “첨단 광학소자의 필수 요소인 나노안테나 및 나노선 뿐만 아니라 수나노 크기의 대면적 초미세 소자 가능성을 새롭게 열었기 때문에 그 동안 접근하지 못했던 분자 수준의 소자 제작을 가능하게 해줄 것으로 기대된다”며 “실용적 소자 제작과 더불어 초미세 영역의 기초 물리 및 화학 연구에도 새로운 전기가 될 것”이라고 말했다.
이 논문의 제1저자인 이승우(李承祐, 27)연구원은 “이번 연구결과를 토대로 앞으로 광자컴퓨터 및 메모리와 같은 나노광학소자 실용화를 앞당길 수 있는 실제 소자제작 연구를 진행할 것”이라고 말했다.
2009.12.21
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