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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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생명화학공학과 양승만 교수팀 연구결과, 네이처誌 하이라이트로 소개
물방울 이용 나노트렌지스트 만든다”
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 55) 교수팀에서 수행한 연구결과가 2월 2일자 네이처誌 하이라이트로 소개됐다.
네이처誌는 “News and Views”란에 네이처誌에 게재된 논문 가운데 2-3편과 그 밖에 국제적으로 저명한 학술지에 게재된 논문들 가운데 학술적 가치와 기술 혁신성이 높은 것들을 매주 1-2편 선정하여 논문 내용을 논평과 함께 특필하고 있다.
이번 네이처誌에 소개된 연구는 양승만 교수팀에서 “액적내부에서 혼성콜로이드입자의 자기조립(Self-organization of Bidisperse Colloids in Water Droplets)" 이라는 제목으로 화학분야 가장 권위 있는 학술지의 하나인 미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS)에 최근 게재됐다. 이 논문은 양승만 교수팀 조영상씨의 박사 학위 논문 일부로 수행된 것이다.
이 연구의 핵심 아이디어는 나노미터 수준의 작은 입자와 마이크로미터 크기의 큰 입자를 지름이 약 50마이크로미터 정도(머리카락 굵기의 약 절반 정도)의 물방울 속에 정해진 수만큼 가두고 물을 서서히 증발 시키면 입자들이 스스로 규칙적인 구조로 조립된다는 것이다. 즉 큰 입자와 작은 입자들이 자기조립을 하면서 작은 입자가 큰 입자 사이에 규칙적으로 쌓이게 된다. 네이처誌는 이 연구의 독창성과 발전가능성을 상세히 해설하고 있다.
네이처誌는 이 연구가 특별히 조명 받아야 하는 이유를 크게 두가지로 나누어 다음과 같이 설명하고 있다.
첫째, 이러한 자기조립 소재는 고밀도 정보처리를 위한 나노트랜지스터로 쓰일 수 있다는 점이다. 이는 반도체 나노입자와 절연체 마이크로입자로 구성된 자기조립 소재가 트랜지스터의 기능을 보유하기 때문이다.
둘째, 벽돌로 건축물을 쌓듯이 큰 입자로 구성된 자기조립 소재를 나노 벽돌로 이용, 3차원 구조물을 조립하면 소위 다이아몬드 격자구조의 광자결정(photonic crystal)을 만들 수 있다는 것이다. 이러한 다이아몬드 격자구조를 갖는 광자결정은 완전히 열려 있는 광밴드갭(photonic bandgap)을 보유하고 있다. 즉, 이 구조의 광자결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 입사각에 관계없이 완전히 반사시키는 기능을 보유하게 된다.
이 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 광자결정의 특수한 기능으로 인하여 나노레이저, 다중파장의 광정보를 처리할 수 있는 수퍼프리즘(superprism), 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발에 필요한 소재로 주목 받고 있으며 사이언스誌에서는 21세 가장 주목받는 핵심 기술 10개 중에 하나로 선정한 바 있다.
이밖에도 마이크로 입자의 표면을 형광체와 DNA로 도핑하면 개개의 입자들이 각각 다른 정보를 전달하는 나노 리포터(nano-reporter)로 작용할 수 있고, 이들을 조합라이브러리(combinatorial library) 형태를 구현하면 발현된 정보를 한꺼번에 생물학적 또는 광학적으로 인코딩하여 방대한 바이오정보를 신속하게 처리할 수 있다.
<복합 콜로이드를 이용하여 제조한 혼성 콜로이드분자>
2006.02.03
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