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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 조회수 24781 -
유회준 교수 연구팀, 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치 개발
- 붙이는 파스형태의 심장 건강상태 모니터링 장치, ‘스마트 파스’ 세계 최초개발 -
전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치를 최근 개발했다.
붙이는 파스형태로 제작돼 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 데이터통신도 가능하다.
고성능 반도체 집적회로(헬스케어 칩)가 파스 안에 장착돼 있고 파스 표면에 25개의 전극이 형성돼 있어 다양한 형태로 전극을 사용할 수 있으며 심장의 수축·이완 능력과 심전도 신호를 동시에 검출해 무선으로 외부에 알려 준다.
이 장치의 핵심은 크게 심혈관 저항 및 심전도 측정 집적회로(헬스케어 칩)와 이 칩을 내부에 장착하고 있으며 표면에 전극을 형성시킨 4층 헝겊형 기판기술이다.
직물 위에 전극 및 회로 기판을 직접 인쇄할 수 있는 P-FCB(Planar Fashionable Circuit Board)기술로 서로 다른 헝겊에 전극, 무선 안테나, 회로기판(이 헝겊의 중앙부에 헬스 케어 칩을 부착)형성한 후 플렉시블 배터리와 함께 적층해 이 장치를 제작했다.
또한 전극 제어부, 심전도·혈관 저항 측정부, 데이터 압축부, SRAM, 무선 송수신 장치 등을 가지고 초저전력으로 동작하는 특수 헬스 케어 집적회로(크기 5mm X 5mm)를 제작해 헝겊형 회로 기판 위에 부착시켰다.
전극이 형성된 헝겊 면에는 접착제가 발라져 있어 일반 파스처럼 가슴에 부착시켜 사용하게 된다. 완성품은 가로 세로 15Cm X 15Cm이며 두께는 가장 두꺼운 중앙 부분이 1mm정도이다.
특히, 헬스 케어 칩은 차동전류주입기와 재구성이 가능한 고감도 검출 회로를 통해 심혈관 임피던스 변화를 16가지 서로 다른 조합으로 0.81% 신호왜곡 이하로 검출 가능하다.
KAIST 얜롱(Yan Long, 전기및전자공학과 박사과정)연구원은 “헝겊 위에 직접 전극 배열을 인쇄하고 건강관리 칩과 플렉시블 배터리를 부착함으로서 편의성과 착용감을 확보해 간편하게 심전도와 심혈관 임피던스 변화를 동시에 측정할 수 있다.”라고 말했다.
자신의 건강상태를 실시간으로 간편하게 자가진단을 할 수 있어 지속적인 관리가 필요한 만성 심부전 환자 등을 포함한 심혈관 질병이 있는 사람들에게 안성맞춤이다.
만성 심혈관 관련 환자를 위한 건강관리 기술은 2000년 이후 전 세계적으로 꾸준한 관심을 받고 있으나, 대부분 심장의 전기적 특성 즉 심전도 신호만을 검출하는데 그쳤다. 현재까지 개발된 측정기는 크고 이물감이 있으며, 유선으로 연결되는 등 외부와의 저전력 통신이 어려워 일상생활에서 널리 사용되지 못하고 있다.
이번 연구결과는 지난 2월 8일부터 10일까지 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제반도체회로 학술회의(ISSCC)에 발표됐다.
❋ ISSCC (International Solid State Circuit Conference: 국제 고체 회로 학회)학회:1954년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE SSCS) 주관으로 매년 2월에 미국 San Francisco, Marriot 호텔에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회로 ‘반도체 올림픽’이라고 불리우고 있음. 전 세계로부터 4천여명의 학자와 연구원들이 참여한 가운데 매년 반도체 분야 최우수 논문 210편만을 엄선하여 3일 동안 발표하면서 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 반도체 산업과 기술을 논의하는 학회임.
(사진 1) 스마트 파스 구조
스마트 파스는 총 4층 구조로 형성 되어 있으며 그 크기는 15cm x 15cm 이다. 가슴에 부착하는 면인 제 1층은 25개의 전극이 형성되어 이 중 4개는 전류 주입 전극으로 16개는 전압 측정 전극으로 5개는 기준 전극으로 사용할 수 있다. 제 2층은 직물형 인덕터(2.2uH, Q=9.2)로 스마트 파스의 무선 데이터 통신을 지원한다. 제 3층은 플렉시블 배터리(1.5V, 30mAh)로 파스를 하루이상 지속적으로 사용할 수 있도록 전원을 공급한다. 제 4층은 직물형 인쇄 회로 기판으로 그 위에 고성능 반도체 칩이 장착되어 있다.
(사진 2) 스마트 파스 사용 예
사용자가 스마트 파스를 가슴에 붙인 모습을 보여 준다. 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 25개의 전극배열이 피부와 접착되어 있어 심혈관 저항 및 심전도를 여러 가지 형태로 측정하여 내장메모리에 저장 또는 휴대용 단말기기로데이터를 고속으로 송신도 가능하다.
(사진 3) 스마트 파스 측정 예스마트 파스를 통하여 측정된 심전도 신호와 심혈관의 저항의 변화를 보여 준다. 이러한 신호로부터 심장의 수축 이완 능력을 편리하게 일상생활 속에서 측정 가능하다.
(사진 4) 스마트 파스에 장착된 헬스 케어 칩
직물형 인쇄 회로 기판에 장착되어 있는 고성능 반도체칩(헬스케어 칩)의 사진과 제원이다. 본 헬스케어 칩은 최대 3.9mW의 전력을 소모하며 평균 2.4mW의 전력소비로 0.1옴이하의 저항 변화를 고감도 회로를 통하여 검출 가능케 하는 것이 특징이다.
2010.02.10 조회수 20381