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이산화탄소 환원 나노구조 촉매 개발
신소재공학과 전석우 교수와 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소의 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동의 한계를 극복해 값 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다.
연구팀은 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 계층 다공성 나노 구조를 이용해 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환율을 기존 나노 구조 촉매 대비 최대 3.96 배 높일 수 있는 촉매 디자인을 제시했다.
현가예 박사과정과 송준태 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 3월 4일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Hierarchically Porous Au Nanostructures with Interconnected Channels for Efficient Mass Transport in Electrocatalytic CO2 Reduction)
최근 이산화탄소의 배출과 화석 연료 고갈이 심화됨에 따라 이산화탄소를 재활용해 유용한 화합물로 전기 화학적 전환하는 연구가 주목받고 있다. 이산화탄소 환원 반응은 유사한 산화환원 전위를 갖는 수소 생산 반응과 경쟁적으로 일어나는 문제점이 있어, 원하는 화합물로 선택도를 높이고 활성 부위를 극대화해 높은 전환율을 얻기 위한 금속 나노 구조 촉매 개발이 활발히 진행 중이다.
이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환 반응 촉매 중 금은 가장 우수한 성능을 보이지만 값이 매우 비싸 실제 적용을 위해서는 나노 구조를 형성하는 등의 방법을 통해 적은 양의 금을 활용하는 것이 이상적이다.
하지만 기존 연구에서 보고된 나노 구조는 복잡하게 엉킨 촉매 구조로 인해 수계 반응을 통해 생성되는 일산화탄소 기포가 반응 도중 쉽게 구조를 막아 활성 부위를 차단하고, 전해질을 통한 반응물의 이동도 어렵게 해 촉매의 생산성을 떨어뜨린다.
연구팀은 문제 해결을 위해 정렬된 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanopatterning)과 전기 도금 기술을 이용해, 약 10나노미터 크기의 나노 기공과 200~300나노미터 크기의 매크로 기공이 주기적으로 연결된 채널을 포함하는 3차원 계층 다공성 금 나노 구조를 대면적으로 제작했다.
그 결과, 계층 나노 구조 촉매는 나노 기공을 통해 높은 일산화탄소 생산 선택도를 달성함과 동시에 주기적으로 배열된 매크로 기공 채널을 통해 효율적인 물질이동을 유도함으로써, 높은 질량당 전환율을 달성해 값 비싼 금의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 해결 방안을 제시했다.
또한, 3차원 나노 구조 금 촉매의 기공 크기와 분포가 조절 된 서로 다른 세 가지 나노 구조 촉매를 통해 기공 네트워크와 반응물, 생성물의 확산에 미치는 영향을 구조적 관점에서 조사했다.
이 기술은 이산화탄소 환원 촉매 연구 뿐 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리 사업과 나노소재원천기술개발사업, 그리고 이공분야기초개발사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.10 조회수 14314 -
윤동기 교수, 카이랄 물질 육안으로 검출 방법 개발
우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 나선 나노 구조체를 만드는 액정 물질을 이용해 광결정(photonic crystal) 필름을 제작하고, 이를 이용해 식품이나 약물 등에 함유된 카이랄 물질을 별다른 기기 없이 눈으로 검출하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 기존의 광 식각공정(photolithography)으로 제작이 어려웠던 나노미터 크기의 카이랄 광결정 제작에 성공했으며, 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 이바지할 것으로 기대된다.
박원기 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)’ 8월 16일 자 온라인판과 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 12월 4일 자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Directed self-assembly of a helical nanofilament liquid crystal phase for use as structural color reflectors/Direct visualization of optical activity in chiral substances using a helical nanofilament (B4) liquid crystal phase)
잘 정렬된 나선형 나노 구조체를 만드는 일은 산업적 및 학문적으로 수요가 높은 기술로 여겨져 디스플레이 산업 및 광학 분야에서 꾸준히 연구되고 있다.
바나나 모양의 굽은형 액정분자는 고온에서 서서히 냉각될 때 무작위로 배향된 나선형 구조체를 형성한다. 이들을 잘 정렬할 수 있다면 카이랄 광결정으로 이용할 수 있으나, LCD용 액정 재료와는 달리 굽은형 액정분자를 정렬할 방법이 존재하지 않았다.
복잡한 분자구조의 액정 재료를 활용하기 위해선 극한으로 분자들의 거동을 제어하고 균일한 배향을 유도하는 기술이 필요하지만, 관련 기술의 부재로 응용되지 못했다.
연구팀은 LCD의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자보다 분자구조가 더 복잡한 굽은 형태의 액정분자가 형성하는 200~300나노미터의 나선 주기를 갖는 나선형 나노 구조체를 대면적에서 배향하는 데 성공했다. 이를 통해 빛을 반사하는 광결정을 제작했다.
다음으로 연구팀은 이들 분자를 제어하고 응용하기 위해, 빛에 의해 분자의 모양 및 배향이 바뀌는 현상인 광이성질체화(photoisomerization)를 유도할 수 있는 광 반응성 굽은형 액정분자를 설계했다.
연구팀은 이 액정분자들이 마치 해바라기가 빛을 따라가듯이 빛에 나란히 배향한다는 점에 착안해, 이들이 형성하는 나선 나노 구조체도 빛의 방향에 따라 매우 균일하게 세워질 수 있도록 제작했다.
이렇게 방향이 제어된 나선 나노 구조체는 분자의 길이에 따라 다양한 색을 보여 푸른색에서 초록색의 빛을 선택적으로 반사하는 일종의 카이랄 색상 거울로 활용할 수 있었다.
이러한 거울을 이용하면 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는 일상생활 속의 다양한 화학물질, 한 예로 설탕을 이루는 과당과 포도당의 경우 별다른 도구 없이 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는다는 점을 관찰할 수 있었다.
윤동기 교수는 “의약품 및 관련 화학산업에서 물질의 카이랄성은 독성 및 부작용과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 60여 년 전에 임산부 입덧 방지용으로 쓰이던 탈리도마이드(thalidomide)라는 약은 카이랄성이 다를 경우 기형아를 유발할 수 있다는 점 때문에 금지된 바가 있는데, 이번 연구를 통해 카이랄성에 따라 부작용을 갖는 화학약품들을 제조단계에서부터 실시간으로 검출할 수 있게 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 교육부의 글로벌연구네트워크 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈 표지
그림2. 배향된 액정필름을 이용하여 카이랄 시료를 검출하는 모식도
2019.12.05 조회수 11716 -
박현규 교수, DNA 통한 나노 꽃 구조체 제작 기술 개발
〈 박 현 규 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 가천대학교 김문일 교수와의 공동 연구를 통해 DNA를 이용해 상온에서 꽃 모양의 나노입자를 합성하는 기술을 개발했다.
이 기술은 아민과 아마이드 구조를 포함한 DNA와 구리 이온의 상호작용을 기반으로 개발됐으며, 이를 이용해 환경 친화적 조건에서 DNA를 고농도로 포집한 꽃 모양의 나노 구조체를 합성하는데 성공했다.
생명화학공학과 출신의 박기수 박사(현 건국대 교수)가 제1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 국제 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 B(Journal of Materials Chemistry B) 2017년 12호 표지논문으로 선정됐다.
나노 꽃(nanoflowers)이라 불리는 꽃 모양의 나노 물질은 표면이 거칠고 넓은 표면적으로 인해 촉매, 전자기술 및 분석 화학을 비롯해 여러 분야에서 주목받고 있다.
최근에는 단백질을 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 제작이 이뤄지고 있으며 이는 일반적인 효소에 비해 높은 활성, 안정성 및 내구성을 지닌다는 것이 증명되고 있다.
그러나 일반적인 단백질 나노 꽃 합성은 고온에서 열수 처리를 통해야만 가능했기 때문에 DNA를 효과적으로 포집하지 못한다는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 생체 고분자 물질인 핵산이 아마이드 결합 및 아민 그룹을 갖고 있다는 사실에 주목했다. 이를 통해 단백질 기반의 나노 꽃 제작 원리를 바탕으로 핵산을 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물 제작이 상온의 친환경적 조건에서 가능함을 증명했다.
연구팀은 다양한 염기서열의 DNA를 이용해 이 기술을 범용적으로 적용 가능함을 확인했다. 이번에 개발된 DNA 기반 나노 꽃 구조물은 기존 기술에 비해 여러 장점을 갖는다. 유해한 화학물질 없이 친환경 제작이 가능하고 낮은 세포독성을 갖는다.
또한 고효율의 DNA 포집이 가능하고 나노 꽃 내부에 포집된 DNA는 핵산 분해효소에 대해 높은 저항성을 보임을 증명했다.
특히 연구팀은 합성된 나노 꽃 입자의 넓은 표면적이 입자 내부 구리의 과산화효소 활성을 크게 향상시킴을 발견했고, 이를 과산화수소를 검출하는 센싱 분야에도 활용 가능할 것으로 예상하고 있다.
연구팀은 향후 다양한 핵산을 이용해 나노 꽃 입자를 합성하고 이를 유전자 치료 및 바이오센서 개발에 응용할 예정이다.
박 교수는 “이번 연구에서 개발된 DNA를 이용해 상온에서 합성된 나노 꽃 입자는 낮은 세포독성 특성을 띠면서 DNA를 핵산 절단효소로부터 효과적으로 보호하는 특성이 있다”며 “이를 통해 향후 유전자 치료용 전달체 등에 응용 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어 지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. journal of Materials Chemistry B 표지
그림2. 다양한 염기서열 및 길이를 가지는 DNA를 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물의 제작 결과를 나타내는 SEM 사진
그림3. DNA를 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물의 제작 과정을 나타내는 모식도
2017.04.14 조회수 16814 -
김희탁 교수, 빛으로 물질 끌어올려 구조체 제작하는 기술 개발
〈 김희탁 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 새로운 형태의 임프린트 리소그래피 기술을 개발했다.
이 기술은 빛을 이용해 물질을 수직으로 끌어올려 마이크로-나노 구조체를 제작하는 방식으로 복잡하고 정교한 구조를 이전보다 훨씬 손쉽게 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
최재호 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노기술분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 1월 12일자 온라인 판에 게재됐다.
임프린트 리소그래피란 모형을 마치 도장을 찍듯이 각인하고자 하는 물질에 찍어 마이크로-나노 구조체를 제작하는 기술이다. 경제적이고 손쉽게 마이크로-나노 구조 제작이 가능해 기존의 포토리소그래피 기술을 대체할 유망한 리소그래피 기술로 손꼽힌다.
그러나 열, 용매, 자외선 등을 필요로 하는 기존의 임프린트 리소그래피 기술은 물질을 수축시키는 특성이 있어 정확한 구조를 제작하기 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 가시광선 영역의 빛을 아조벤젠 고분자 물질에 조사했다. 이를 통해 아조벤젠 물질을 수직방향으로 끌어올려 마이크로-나노 구조체를 형성하는 새로운 형태의 광유도 임프린트 리소그래피 기술을 개발했다.
아조벤젠 물질은 빛이 편광하는 방향에 따라 액화돼 흐르는 독특한 특성을 갖는다. 이는 편광 방향을 조절한다면 아조벤젠 물질의 움직임을 통제할 수 있다는 뜻이다.
기존의 아조벤젠 물질을 이용한 구조체 제작은 수평 방향으로 흐르는 현상에만 주목해 수직방향으로의 유체화 현상에 대한 이해와 이를 이용한 구조 제어는 거의 이뤄지지 않았다.
연구팀은 아조벤젠 물질을 움직임을 수직방향으로 유도했다. 빛의 수직방향 편광 성분에 의해 수직으로 흐를 수 있게 만들었고 이 흐름이 각인된 모형의 빈 공간을 채우며 마이크로-나노 구조체를 형성하게 된다.
연구팀이 개발한 임프린트 리소그래피 기술은 기존 기술이 갖고 있던 물질의 수축 문제를 극복해 100 나노미터 이하의 나노 구조체까지 구현하는 데 성공했다. 또한 마이크로-나노 구조체가 결합된 다중 규모의 복잡하고 정교한 구조도 제작했다.
연구팀은 앞으로 수직방향의 아조벤젠 물질의 움직임을 이용해 여러 응용분야에 쓰일 정교하고 다양한 마이크로-나노 구조체를 쉽게 제작하는 데 크게 기여할 것이라고 예상했다.
김 교수는 “아조벤젠 물질이 수평방향으로만 물질 이동을 한다는 기존 틀을 깨고 수직방향 이동을 규명했다”며 “이를 이용해 한 층 진보된 형태의 임프린트 리소그래피를 선보였다는 데 의의가 있다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST의 엔드-런(End-Run) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 새로운 형태의 임프린트 리쏘그라피 공정 개요도
그림2. 본 기술을 통해 제작된 다양한 구조체
그림3. 복잡한 구조체를 제작한 데이터
2017.02.09 조회수 11295 -
윤동기 교수, 붓으로 DNA의 모양을 조절하는 기술 개발
우리 대학 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 일상생활에서 흔히 쓰이는 화장용 붓을 이용해 일정한 지그재그 형태를 갖는 DNA 기반의 나노 구조체 제작 기술을 개발했다.
차윤정 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 재료분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’ 11월 15일자 온라인 판에 게재됐고 액정(liquid crystal) 분야 핫 토픽으로 선정됐다.
기존에도 DNA를 빌딩블록으로 사용해 다양한 나노 구조체를 만드는 기술은 많이 존재했다. 그러나 이 방식은 복잡한 설계과정이 필요하고 특히 염기서열이 조절된 값비싼 DNA를 이용해야 하는 단점이 있다.
연구팀은 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 1천 배 이상 저렴한 비용으로 잘 정렬된 지그재그 형태의 나노 구조체를 구현했다.
연구팀은 화장품 가게에서 구매한 화장용 붓으로 연어에서 추출한 DNA를 물감처럼 이용해 그림 그리듯 기판에 한 방향으로 문질렀다. 수 센티미터 크기의 붓을 이용해 지름이 약 2 나노미터인 DNA 분자들을 붓질 방향으로 나란히 정렬시켰다.
얇게 퍼진 진한 상태의 DNA 필름이 공기 중에 노출돼 건조되며 이 때 기판의 바닥에서 잡아주는 힘 때문에 팽창력이 작용한다. 이 팽창력은 DNA의 탄성력과 상호작용해 일렬로 향하던 DNA의 분자에 파도모양의 기복이 생기면서 일정한 지그재그 패턴이 형성된다.
형성된 DNA 지그재그 패턴은 생물체에서 추출한 저렴한 DNA를 사용했기 때문에 그 내부정보(sequence)까지는 조절되지 않았지만, DNA 물질의 구조적 정교함은 변하지 않아 아주 일정한 구조체가 된다.
이렇게 정밀하게 구조가 조절된 DNA 막 위에 다른 물질을 바르면 DNA 구조에 따라 정밀하게 그 물질이 정렬하기 때문에 다양한 분야에 이용 가능하다.
예를 들어 액정 디스플레이에 사용되는 다른 액정을 정렬시킬 수 있고 금속 입자, 반도체 물질 역시 정렬이 가능하다. 이러한 기능을 통해 새로운 개념의 광전자 소자로의 응용에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
윤 교수는 “DNA 뿐 아니라 자연계에 존재하는 단백질, 근육 세포, 뼈의 구성물질 등 다양한 생체 물질을 광전자 분야에 사용할 수 있다는 점에서 큰 의의를 갖는다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 나노소재 원천기술개발사업 및 미래유망융합기술 파이오니아 사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 규칙적인 DNA 지그재그 구조체의 이미지와 내부 분자의 배향을 설명하는 모식도
그림2. 정렬되지 않던 DNA(좌)가 붓질 및 건조시킨 후 정렬된 과정(우)
그림3. 마이크로 채널 기판을 이용한 DNA 지그재그 구조체의 제어
그림4. DNA 지그재그 구조체 표면 위에 형성된 액정 물질의 배향제어 모식도 및 편광 현미경 이미지
2016.12.01 조회수 15153 -
양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발
- 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점을 형성해 고효율 단광자 광원 개발 -- 단파장 가시광선 대역에서 작동하는 초고속 반도체 양자 광원 연구 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다.
연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 "사이언티픽 리포트(Scientific Reports)" 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계가 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.
이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.
이와 함께 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.
이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.
조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성하여 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. (왼쪽) 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진. (오른쪽) 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.
그림2. (왼쪽) 오벨리스크형 나노구조와 기존 평면 박막 구조에 내재된 양자점을 비교한 개념도. (오른쪽) 오벨리스크 나노구조 끝에 형성된 단일 양자점에서 방출되는 좁은 선폭의 스펙트럼과 광원의 양자화 정도와 빠른 단광자 방출 속도를 나타내는 2차 광자 상관 관계 그래프.
2013.07.22 조회수 16628