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미세 입자 질량 측정용 파이펫 형태 공진기 개발
우리 대학 기계공학과 이정철 교수 연구팀과 서울대학교 기계항공공학부 고상근 교수 공동 연구팀이 일반 실험실에서 쉽고 간단하게 제작 가능한 액상 부유입자 정밀 질량 측정용 마이크로 파이펫 공진기를 개발했다.
위 기술은 유리 캐필러리를 열 인장하는 방법으로 간단하게 제작한 공진기를 이용해 캐필러리 내부 채널을 통과하는 액상 부유 입자의 질량을 정밀하게 계측할 수 있는 기술이다.
고주희 석사과정과 서울대학교 이동혁 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 센서 분야 대표 국제 학술지 ‘에이씨에스 센서스(ACS Sensors)’ 2019년 12월 27일 자 내부표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : Micropipette Resonator Enabling Targeted Aspiration and Mass Measurement of Single Particles and Cells, 단일 세포의 선택적 흡입 및 질량 측정을 위한 마이크로 파이펫 공진기)
모든 물체는 각각의 고유한 진동수를 가지고 진동하며 이 고유 진동수는 질량의 영향을 받는다. 마이크로 유체 채널 또한 마찬가지로 유체 채널을 공진 센서 플랫폼으로 제작해, 입자를 포함한 유체가 공진 센서 내부로 주입됐을 때 바뀌는 고유 진동수의 변화로 미세 입자의 질량을 측정하는 연구들이 지금까지 널리 진행돼왔다.
하지만 지금까지의 기술은 주로 고가의 복잡한 마이크로 및 나노 공정에 의존해왔고 측정 표본이 밀폐된 공간에 보관됨으로써 필요한 영양분들이 고갈될 수도 있다는 문제점이 있었다.
이번 연구에서는 열린 구조의 파이펫 공진기를 고안하고 제작해 배양 접시와 같이 실제 세포가 배양되는 환경에서 선택적으로 원하는 세포만을 흡입해 측정하는 시스템을 최초로 구현했다.
실험 시에 여러 입자(또는 세포) 중 특정 입자(세포)를 측정하기 위해 파이펫 공진기를 통과하는 유량을 제어했고, 도립현미경 위에서 실험을 진행했다. 선택된 특정 입자는 파이펫의 열린 입구에서부터 측정부로 이동하게 된다.
연구팀은 초당 수십만 번 떨리는 진동을 측정하기 위해 CD 및 DVD와 같은 광디스크 재생장치에 사용되는 광 픽업 장치(Optical PickUp, OPU)를 이용했다.
연구팀은 레이저 다이오드에서 렌즈를 통과해 조사된 빛이 공진기에서 반사된 후 광센서로 입사되는 신호를 분석해 공진기의 진동주파수를 정밀하게 측정할 수 있었다. 추가로 고유 진동수에서 공진기의 떨림 현상을 극대화하기 위해 전압이 걸리면 기계적인 변형이 발생하는 압전 소자가 사용됐다.
이정철 교수는 “기존의 복잡한 마이크로/나노공정을 이용해 웨이퍼로 제작하던 초미세 정밀 센서를 일반 실험실 환경에서 유리 모세관을 이용해 간단하게 제작해 대체할 수 있다는 가능성을 봤다”라며 “또한 해당 장치는 이미 바이오 연구자들에게 친숙한 파이펫 형태로서 별도의 학습 및 훈련 없이 널리 이용될 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구결과는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. ACS Sensors 저널 내부표지
그림2. 유리 파이펫 공진기계장치의 개요와 제작방법
그림3. 입자의 질량 측정을 위한 파이펫 공진기의 실험 장치 구성도
그림4. 질량 따른 공진주파수의 변화 및 측정된 질량 스펙트럼 결과
2020.02.07 조회수 12396 -
김신현 교수, 故 신중훈 교수, 모든 색 낼 수 있는 무지개 미세입자 제조기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수와 나노과학기술대학원 故신중훈 교수, 충남대학교 신소재공학과 정종율 교수 공동 연구팀이 모든 색을 낼 수 있는 무지개 미세입자 기술을 개발했다.
반사색의 자유로운 조절이 가능한 무지개 미세입자는 햇빛 아래에서도 선명한 디스플레이 표시가 가능해 차세대 반사형 디스플레이의 핵심 소재로 사용될 수 있다.
이승열 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 2월 7일자 온라인 판에 게재됐다.
오팔(opal), 모포(Morpho) 나비, 공작새의 깃털 등은 모두 색소 없이도 규칙적 나노구조를 이용해 아름다운 색깔을 구현한다는 공통점이 있다. 규칙적 나노구조는 빛의 간섭 현상을 통해 특정 파장의 빛만을 선택적으로 반사해 색소 없이도 색을 낼 수 있다.
이처럼 규칙적인 나노 구조를 통해 빛을 선택적으로 반사하는 물질을 광결정이라고 한다.
일반적으로 광결정은 한 색깔만 발현할 수 있기 때문에 다양한 색의 구현이 필수적으로 요구되는 반사형 디스플레이에 적용하기엔 한계가 있다.
연구팀은 광결정의 한계를 해결하기 위해 겨울철 눈이 동그란 구형 구조물에 쌓일 때 위치에 따라 눈의 두께가 달라지는 점에 주목했다. 이를 통해 하나의 광결정에 가시광선 전 영역의 반사색을 구현하는 데 성공했다.
구의 표면에 물질을 증착하면 위쪽인 정상 부분의 물질이 가장 두껍게 쌓이고 측면으로 갈수록 물질이 얇아진다. 연구팀은 규칙적인 구조를 형성하기 위해 두 가지 서로 다른 굴절률을 갖는 물질인 타이타니아(titania)와 실리카(silica)를 교대로 구형 미세입자에 증착했다.
이렇게 형성된 규칙적인 적층 구조는 정상 부분에서 굴절률 변화 주기가 가장 크고 측면으로 갈수록 작아지는 것을 확인했다.
이에 따라 미세 입자는 정상 부분에서 장파장의 빨간 빛을 반사하고 측면부에서는 단파장의 파란 빛을 반사할 수 있다. 또한 빨간색과 파란색 사이의 다른 모든 색깔도 구의 위치에 따라 상응하는 지점에서 반사할 수 있는 무지개 미세입자를 제작하는 데 성공했다.
제작된 여러 색깔 중 미세입자가 특정 색깔을 발현하도록 유도하고 제어하기 위한 방법으로 연구팀은 자성을 이용했다. 무지개 미세입자 표면에 자성을 띄는 철을 증착해 자석처럼 미세입자의 배향 방향을 자유롭게 제어할 수 있었고 이에 따라 사용자가 보는 색깔도 자유롭게 제어했다.
김 교수는 “이 연구 결과를 지난 2016년 9월 30일 불의의 사고로 고인이 된 나노광학 분야의 세계적 대가 故신중훈 교수에게 헌정한다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 산하 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 무지개 입자의 광학 현미경 사진과 입자 표면에 형성된 주기적 적층 구조의 주사전자현미경 사진
그림2. 외부 자기장에 따른 입자 배형 변화의 모식도 (상단), 배향 각도에 따른 색변화
그림3. 지개 입자 제조 방법 모식도
2017.02.15 조회수 16385 -
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 24815