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유체 제어 기술로 대면적 기능성 나노박막 제작 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 스티브 박, 김일두 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 금속 나노입자가 결착된 전도성 금속 유기 골격체 나노 박막을 대면적으로 제작하는 새로운 공정 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
신소재공학과 김진오 박사, 구원태 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 출판 그룹의 오픈 액세스(Open-access) 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)' 7월 13일 字에 게재됐으며 연구의 우수성을 인정받아 재료공학과 화학 부문의 편집장 선정 논문(Editors' Highlights)에 선정됐다. (논문명: Large-area synthesis of nanoscopic catalyst-decorated conductive MOF film using microfluidic-based solution shearing)
다공성 구조를 가지는 2차원 전도성 *금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, 이하 MOF)는 전도성 유기 리간드 도입을 통해 전하 수송, 전계 효과 및 전자 상호작용과 같은 전기적 특성 제어 및 초소형 금속 나노입자 촉매의 주입이 가능해, 높은 선택성과 민감도를 요구하는 가스 센서 분야의 차세대 신소재로 각광받고 있다.
☞ 금속유기골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 연결물질(리간드)가 연결된 다공성 물질로 배위 고분자의 일종이다. 이는 기공을 매개로 하여 화학종의 분리, 가스 저자아, 촉매, 약물 전달, 화학 센서 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.
이러한 전도성 MOF의 뛰어난 재료적 특성을 활용하기 위해서는 균일한 전도성 MOF 입자의 합성과 합성된 전도성 MOF 입자 간의 간격을 최소화해 향상된 전자 이동도를 확보할 수 있는 고품질, 대면적 전도성 MOF 박막 제작 기술이 요구된다. 하지만 지금까지 보고된 전도성 MOF 박막 제작 기술의 경우, 나노 수준의 균일한 박막 두께 제어, 대면적 박막 제작 및 초소형 나노입자 촉매의 균일한 결착이 어려워 고민감도 가스 센서 소자 적용에 한계로 존재해왔다.
공동 연구팀은 전도성 MOF 박막의 형성 및 금속 나노입자의 합성 과정을 정밀하게 통제하는 데 중점을 뒀다. 미세 유체(Microfluidic) 시스템을 도입해 화학 반응을 단계적으로 제어하고 용액 전단 공정 (Solution shearing)을 통해 균일한 전도성 MOF 박막을 제조하는 새로운 공정 개발 연구를 진행 했다. 머리카락 굵기보다 가는 미세관 내(300 마이크로미터(㎛) 이하)로 합성에 필요한 용액을 흘려주게 되면 물질 전달이 극대화돼 수백 밀리초( ms)의 매우 짧은 시간에도 불구하고 화학 반응을 일으키고 제어할 수 있다. 이를 통해 금속 나노입자를 수 나노미터의 MOF 기공 내부에 균일하게 결착시킬 수 있게 된다.
미세 유체 시스템으로부터 합성된 용액은 용액 전단 공정을 통해 MOF 박막 형성을 하는데 일정한 속도와 연속적인 용액의 공급으로 인해 대면적의 기능성 MOF 나노 박막 형성이 가능하다. 미세 유체 반응기와 기판 사이에 마이크로 수준의 단차(Gap)를 주며 일정한 속도로 움직일 수 있는 용액 전단 공정은 균일한 계면(Meniscus)을 형성해 일정한 용매 증발을 야기 한다. 이는 균일한 MOF 성장을 일으켜 나노 두께의 박막 제조가 가능하다.
공동 연구팀은 미세 유체의 정밀 제어를 통해 제작된 초소형 나노입자 촉매가 결착된 전도성 MOF 나노 박막을 활용해, 대기 유독 가스 중 하나인 이산화질소(NO2) 기체를 선택적으로 검출할 수 있는 가스 센서를 개발하는 데 성공했으며, 기존에 보고된 2차원 소재 기반 가스 센서 대비 우수한 가스 검출 특성을 검증했다.
열 및 물질 전달 면에서 우수한 장점을 가지는 미세 유체 시스템과 일정한 용매 증발을 통한 두께 제어가 쉬운 용액 전단 공정의 융합 및 이를 이용한 금속 나노입자가 결착된 MOF 나노 박막 합성 연구는 기능성 박막 제조 연구 분야에 새로운 접근법을 제안해 그 파급효과가 클 것으로 기대한다.
공동 제1 저자인 김진오, 구원태 박사는 "입자의 상호작용력 조절을 통해 단일 층 두께에서 나노막대 스스로가 방향성을 통제하며 고 배열로 정렬할 수 있다는 것을 보였다. 이는 외부 힘 없이도 더욱 정교한 자기 조립구조가 가능하다는 것을 보여주는 결과다ˮ 라며 "고배열, 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작 및 필름 소자에 활발히 사용될 것이다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 포스코청암재단의 포스코사이언스 펠로우십, K-Materials 글로벌 혁신 교육 연구단 (BK21 FOUR), 지역혁신선도연구센터사업, 한국연구재단의 나노․소재원천기술개발 사업 및 중견연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.08.12 조회수 12286 -
박용근 교수, 안경 없이 3차원 홀로그래픽 디스플레이 재생기술 개발
〈 박용근 교수 〉
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 안경 없이도 3차원 홀로그래픽 디스플레이를 재생할 수 있는 기술을 개발했다. 특히, 연구팀의 기술은 초박형 구조로 기존 디스플레이 생산 공정과 호환 가능하며, 대면적 광시야각을 확보해 3차원 디스플레이 기술을 한 단계 진보시켰다.
박종찬 박사(前 KAIST 물리학과 연구원, 現 미국 일리노이 대학교 연구원)가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 21일 자 온라인판에 게재됐다.
특별한 안경 없이 실감 나는 3차원 영상을 재생할 수 있는 홀로그래픽 디스플레이는 오랫동안 꿈의 기술로 여겨져 왔다. 그러나 현재 기술로는 구현할 수 있는 3차원 영상은 크기가 매우 작고 시야각 또한 크게 제한돼 현실적으로 구현이 어렵다.
3차원 홀로그램을 만들기 위해서는 빛의 세기와 빛이 진행하는 방향 모두 정밀하게 변조해야 한다. 빛 진행 방향의 정밀한 변조는 공간광파면 조절기에 의해 이뤄진다.
이때 빛이 진행하는 방향을 넓은 각도에서 정밀하게 제어하기 위해서는 공간광파면 조절기가 많은 픽셀로 이뤄져야 한다. 하지만 현재의 공간광파면 조절기의 픽셀 개수는 실감 나는 3차원 영상을 만들기에 턱없이 부족하다. 즉 빛을 매우 한정된 각도 내에서만 변조할 수 있는 것이다.
이런 조건에서 현재의 기술로 만들 수 있는 3차원 영상은 크기는 약 1센티미터(cm), 시청 가능한 시야각은 약 3도 이내로 제한돼 사실상 실용화가 불가능하다.
오랫동안 과학자들은 실용적인 홀로그램을 만들기 위해 여러 개의 공간광파면 조절기를 합쳐서 이용하거나, 사람이 인식할 수 있는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 다량의 홀로그램 이미지들을 조합해 3차원 이미지를 만들었다. 하지만 이러한 방식은 복잡한 시스템을 뒷받침할 수 있는 연구실 환경에서만 구현됐다.
연구팀은 복잡한 광학계를 구성하는 대신 LCD패널과 비주기적으로 설계된 박막을 추가함으로써 기존 방식에 비해 성능이 크게 향상된 3차원 영상을 개발했다. 박막은 비주기적으로 배열된 수많은 구멍(핀홀)으로 구성되는데 핀홀은 빛을 넓은 각도로 퍼뜨리기 때문에 형성된 3차원 영상을 넓은 각도에서 볼 수 있다.
연구팀은 이론에 따라 설계된 박막을 기존 디스플레이의 LCD패널에 부착했고, 실험을 통해 약 3cm×3cm의 화면에서 약 30도의 시야각을 가지는 3차원 홀로그램 영상을 구현하는 데 성공했다.
이는 기존의 Full HD 홀로그래픽 디스플레이로 표현할 수 있는 공간대역폭 보다 약 400배 이상 향상된 결과이다. 또한 3가지 색(적색, 녹색, 청색)을 나타내며 60Hz로 작동하는 동적 홀로그램 역시 구현했다.
박용근 교수 연구팀이 지난 2016년 Nature Photonics지에 보고했던 기술은 산란을 이용해 홀로그래픽 디스플레이 품질을 향상시켰지만, 복잡한 계산과 큰 부피의 장비가 필요했었다. 이후 지속적인 기술 개발을 통해 본 연구에서는 일반 LCD 패널에 비주기적인 박막만 추가하면 제작할 수 있기 때문에, 기존 제조공정에 한 단계를 추가함으로써 상용화에 적합한 기술로 기대된다.
1 저자인 박종찬 박사는 “홀로그래픽 디스플레이의 상용화를 위해서는 넓은 시야각과 큰 영상 크기뿐 아니라 소형 폼팩터를 유지해야 한다. 이번 연구에서는 평면형 디스플레이에서 대면적 광시야각 홀로그래픽 디스플레이를 구현했다”라며 “스마트폰이나 태블릿 등 휴대용 기기에서 홀로그래픽 디스플레이를 구현하는 기반기술이 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 실제 구현된 3차원 홀로그래픽 디스플레이와 전자현미경 이미지
그림2. 60 Hz로 동작하는 3차원 동적 컬러 홀로그램
2019.03.25 조회수 11724 -
이현주 교수, 국건 박사과정, 실크 피브로인 박막의 대면적 소자공정 개발
우리 대학 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀과 KIST 최낙원 박사팀이 생분해성 실크피브로인 박막의 대면적 소자 공정을 개발하고 이를 통해 실크피브로인이 미세 공정된 마이크로소자의 제작기술을 개발했다.
이번에 개발된 실크피브로인 박막의 대면적 소자 공정은 포토리소그래피로 제작하는 폴리머나 금속 등의 구조와 동시에 미세공정이 가능해 실크피브로인을 기판으로 하는 생분해성 전자소자나 실크피브로인 패턴을 통한 국소부위 약물전달을 구현하는 데에 중요한 기술이 될 것으로 기대된다.
국건 박사과정과 KIST 정소현 박사과정이 주도한 이번 연구는 국제학술지 ‘에이씨에스 에이엠아이(ACS AMI : ACS Applied Materials & Interfaces)’ 1월 16일자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Wafer-Scale Multilayer Fabrication for Silk Fibroin-Based Microelectronics)
실크피브로인 박막은 투명하고 유연하며 생체에서 분해되기 때문에 생분해성 소자와 약물전달의 기판으로 쓰여왔다. 연구팀은 지난 2년간의 연구로 현재까지 실크피브로인에 적용되지 못했던 미세공정을 적용할 수 있도록 새로운 공정기술을 개발했다.
기존의 미세공정은 실크피브로인과 같은 생고분자의 구조를 변형시키는 강한 식각액과 용매가 동반됐다. 연구팀은 실크피브로인에 영향을 주지 않는 물질을 추려내고 이를 이용해 실크피브로인이 공정 중에 훼손되지 않도록 개선된 미세공정기술을 확보했다.
개발한 공정은 알루미늄 금속 박막을 사용해 실크피브로인을 보호하기 때문에 기존 미세공정의 핵심 기술인 포토리소그래피(Photolithography)로 실크피브로인 박막을 다른 소자 위에 패터닝하거나 실크피브로인 박막 위에 다른 물질을 패터닝하는 것이 모두 가능하다.
연구진은 뇌세포(Primary Neuron)를 공정을 거친 실크피브로인의 미세패턴 위에 성공적으로 배양해 실크피브로인이 공정 전후로 높은 생체적합성을 지녀 생체 임플란트 소자에 적용될 수 있음을 확인했다.
연구진은 개발한 기술을 통해 실크피브로인 기판 위에 여러 층의 금속 박막과 실크피브로인 박막의 미세패턴을 구현해 저항 및 실크피브로인을 유전체로 하는 축전기로 이루어진 생분해성 미세전자회로를 실리콘웨이퍼에서 대면적으로 제작했다.
또한 연구진이 독립적으로 개발한 유연 폴리머 기반 뇌전극 위에 해당 기술을 이용해 실크피브로인 박막의 미세패턴을 전극의 가까이에 위치시켰고 색소분자를 실크피브로인 박막에 탑재해 미세패턴으로부터의 분자전달을 확인했다.
실크피브로인 박막이 미세패턴된 뇌전극을 이용하면 뇌세포의 행동을 촉진하거나 제한하는 분자 약물을 탑재해 뇌회로의 연구에 활용되는 등 다양한 활용이 가능할 것으로 기대된다.
이 교수는 “대면적 공정이 불가능하다고 여겨졌던 민감한 바이오물질도 실리콘처럼 대면적의 미세공정이 가능해졌다”며 “향후 바이오메디컬 소자 분야에 광범위하게 적용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. ACS AMI 표지
그림2. 연구진이 개발한 실크피브로인 박막의 대면적 미세소자공정
그림3. 공정 이후의 실크피브로인 패턴에 배양된 Primary Neuron의 모습
2019.02.21 조회수 15929 -
김희탁, 김신현 교수, 물과 기름에 젖지 않는 대면적 표면 개발
〈 최재호 박사과정, 김희탁 교수, 김신현 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김희탁, 김신현 교수 공동 연구팀이 물과 기름 등에 젖지 않는 저렴한 대면적 표면을 개발했다.
이 기술은 아조고분자의 광유체화 현상을 이용해 초발수성, 초발유성(Super-omniphobic: 물과 기름 등에 젖지 않는 특성) 막을 개발한 것으로 얼룩 및 부식 방지막 개발 등에 다양하게 응용될 것으로 기대된다.
최재호 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노기술분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 8월호에 게재됐다.
이중요각구조체는 버섯 모양의 구조체를 가진 표면을 뜻한다. 이를 통해 물과 기름처럼 표면에너지가 낮은 액체에 대해 젖지 않는 초발수성, 초발유성(Super-omniphobic)을 갖는다.
하지만 이중요각구조체는 매우 정교한 구조이기 때문에 기존 제작 방식은 여러 단계의 복잡한 공정을 거쳐
야 한다는 단점과 더불어 유연하지 않고 비싼 실리콘 물질 정도만을 제작할 수 있다는 한계가 있었다.
연구팀은 다른 방식으로 이중요각구조체를 제작하기 위해 아조고분자의 독특한 광학적 특성인 국부적 광유체화 현상에 주목했다. 광유체화 현상은 아조고분자가 빛을 받으면 마치 액체처럼 유체화가 되는 현상을 말한다.
이 유체화는 빛을 흡수하는 아조고분자 표면의 얇은 층에서만 부분적으로 일어난다. 연구팀은 이 광유체화 현상을 아조고분자 원기둥 구조에서 일어나게 해 원기둥 윗부분 표면만 선택적으로 흘러내리는 방식으로 버섯 모양의 이중요각구조체를 형성했다.
연구팀이 제작한 구조체의 표면은 매우 낮은 표면에너지를 갖는 액체, 즉 핵산과 같이 표면에 금방 스며들려는 특성을 갖는 액체에도 뛰어난 초발수성, 초발유성을 갖는다. 이 특성은 표면 물질이 고분자 기반이기 때문에 구부러진 상태에서도 유지될 수 있다.
또한 연구팀의 구조체 제작은 아조고분자 원기둥 구조의 틀을 잡고 빛을 조사하는 정도의 간단한 과정만 거치기 때문에 경제적, 실용적으로 큰 장점이 있다.
김희탁 교수는 “이번 연구에서 제안한 새로운 이중요각구조 제작방식을 통해 뛰어난 초발수성, 초발유성 특성을 갖는 표면을 쉽게 제작할 수 있을 것이다”며 “임의의 굴곡을 갖는 표면의 초발수, 초발유성 특성을 부여할 수 있어 생물오손방지 튜브, 얼룩부식 방지 표면 등 다양하게 응용 가능할 것이다”고 말했다.
김신현 교수는 “이번 연구에서 설계한 이중요각구조는 피부로 호흡하며 땅 속에 서식하는 곤충인 톡토기(springtail)의 피부 구조를 모방한 것으로 인간은 자연으로부터 배우고 공학적으로 창조한다는 사실을 다시 한 번 깨달았다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST의 엔드 런(End-Run) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
그림1. 버섯모양의 구조제작 모식도
그림2. 버섯모양 구조의 SEM 이미지
그림3. 다양한 액체들에 대해 superomniphobic 특성을 나타냄을 보여주는 이미지
2017.09.06 조회수 14042