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전염병 바이러스 10분 내 현장 진단 가능한 PCR 개발
전염성 높은 바이러스의 빠른 확산을 방지하기 위해서는 의료 현장에서 빠르고 정확하게 바이러스를 검출해 신속하게 진단하는 것이 매우 중요하다. 현재 현장 진단 검사는 신속 항원 검사에 국한되어 진단의 정확성이 낮은 문제점이 있다. 감염병 확진을 위해선 실시간 역전사 중합효소연쇄반응(Real-time reverse-transcription Polymerase Chain reaction, RT-qPCR) 검사가 필요하지만, 기술적인 한계로 인해 현장 진단 검사에는 매우 부적합한 실정이다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과 (주)오상헬스케어와의 공동연구로 개발하여 코로나-19 바이러스 검출 95% 정확도를 가진 현장 진단에 적합한 초고속 초소형 플라즈모닉 핵산 분석 시스템을 개발했다고 11일(화) 밝혔다.
연구팀이 개발한 시스템은 광열 나노소재 기반 초고속 플라즈모닉 열 순환기, 미세 유체 랩온어칩 기반 금속 박막 카트리지, 초박형 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경 등 최첨단 마이크로 나노기술을 접목한 현장 진단형 플라즈모닉 핵산분석 시스템을 핸드헬드 크기로 개발했으며 코로나-19 RNA 바이러스를 10분 이내에 성공적으로 검출했다. 또한, 파일럿 제품의 성능평가를 위해 임상적 성능시험을 수행했으며, 임상 현장에서 정상인 시료로부터 코로나-19 환자의 시료를 95% 이상의 높은 정확도로 구분하는 데 성공했다.
`플라즈모닉 열 순환기'는 나노 및 마이크로공정기술을 통해 유리 나노 기둥 위 금나노섬 구조와 백금박막 저항 온도센서를 결합해 대면적으로 제작됐다. 해당 나노 구조는 가시광선 전 영역에서 광 흡수율이 매우 높아 백색광 다이오드(LED)의 빛을 빠르게 열로 치환해 온도 상승 속도를 대폭 향상했으며, 상단에 있는 박막 저항 온도 센서를 통해 실시간으로 표면 온도를 측정함으로써 초고속 열 순환 기능을 구현했다.
또한, 연구팀은 사출 성형된 플라스틱 미세 유체 칩과 알루미늄 박막을 결합해 `금속박막 카트리지'를 개발했으며, 이를 통해 값비싼 나노소재의 재사용률을 높이고 비용 효율을 극대화했다. 해당 금속 박막은 두께가 얇고 열전도율이 높으므로 열 순환기로부터 발생한 광열을 반응 용액에 효율적으로 전달해 온도상승 및 하강 속도를 개선했다. 또한, 금속 박막은 빛 반사율 또한 매우 높아 플라즈모닉 핵산 증폭 기술의 가장 큰 한계점인 광열 여기광원과 형광 검출 사이의 광학적 누화 현상을 완전히 해결했다.
연구팀은 미세 유체칩 내 실시간 정량화를 위해 마이크로공정기술을 활용해 곤충 눈을 모사한 `마이크로렌즈 어레이 형광 현미경'을 개발했다. 해당 기술은 초점거리의 한계를 극복해 10밀리미터(mm)의 초근접 거리에서 미세 유체 채널의 형광 이미지를 촬영할 수 있도록 제작됐고 전체 형광 시스템의 크기를 대폭 축소했다. 또한, 어레이 이미지의 병합 및 재구성을 통해 높은 동적범위 및 고대비 다중 형광 촬영이 가능하므로 플라즈모닉 핵산 증폭 동안 증가하는 유전자를 실시간으로 정량화할 수 있도록 개발했다.
정기훈 교수는 “플라즈모닉 핵산분석 시스템이 속도, 가격, 크기 측면에서 현장 진단에 매우 적합하여 진단 장비의 탈중앙화를 가능하게 할 뿐만 아니라 다중 이용 시설이나 지역 병원 등 방역 현장에서 바이러스 검출 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 라고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `에이씨에스 나노 (ACS Nano)'에 게재됐다. (논문명: 분자진단의 분산화를 위한 초고속 플라즈모닉 핵산 증폭 및 실시간 정량화, Ultrafast Plasmonic Nucleic Acid Amplification and Real-Time Quantification for Decentralized Molecular Diagnostics)
한편 이번 연구는 KAIST 코로나19대응 과학기술뉴딜사업과 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업으로 수행됐다.
2023.04.11 조회수 6411 -
유재영, 서민호 연구원, 상용화 가능한 포스터치 센서 개발
〈 유재영 박사과정, 서민호 박사, 윤준보 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 유재영 박사과정과 서민호 박사(지도교수: 윤준보 교수) 연구팀이 플렉서블 기기에 적용할 수 있는 상용화 수준의 고민감도 투명 유연 포스터치(Force touch) 센서를 개발했다.
이 센서는 스마트폰 뿐 아니라 다양한 곡률에서 사용되는 플렉서블 기기, 헬스케어 웨어러블 기기 등 다양한 터치 인터페이스에 적용 가능할 것으로 기대된다.
유재영 박사과정, 서민호 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 9월 6일자 온라인 판에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 오프라인 저널 후면 표지논문으로 선정됐다.
포스 터치 센서는 인식되는 터치의 위치 정보와 더불어 누르는 압력도 인식 가능한 기술로 실제 스마트폰에 집적돼 한 번의 터치만으로 다양한 기능을 제공할 수 있어 많은 관심을 받고 있다.
최근 포스 터치 센서를 스마트폰 뿐 아니라 플렉서블 기기를 포함한 다양한 응용 제품에 적용하기 위해 마이크로-나노 크기의 미세 구조를 이용한 민감도 및 유연성 향상 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 기존의 고성능 센서들은 특정 성능만을 향상시킴으로써 실제로 필요한 민감도, 유연성, 투명도, 재현성, 다양한 사용 환경에서의 동작 신뢰성 등의 총체적인 성능을 동시에 만족시키지 못해 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 포스 터치 센서는 공기를 포함한 간격을 갖는다는 기존 상식에서 벗어나 속이 가득 찬 센서를 개발하는 데 집중했다.
연구팀은 센서 내부에 압력에 따른 유전율 변화를 극대화할 수 있는 금속 나노 입자가 포함된 투명 나노 복합 절연층과, 가해진 압력을 집중시켜 민감도를 높일 수 있는 나노그레이팅 구조를 개발해 고민감도의 투명 유연 포스 터치 센서를 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 감지 전극을 감지층의 상하부에 형성한다는 기존 방식에서 벗어나 동일 평면(기계적 중립면)에 배치함으로써 볼펜심 정도의 극대화된 굽힘 정도에서도 성능의 변화 없이 동작하는 것을 확인했다.
또한 대량 양산 시 주요 고려 사항인 대면적 균일성, 제작 재현성, 온도 및 장기 사용에 따른 신뢰성 등 역시 상용화 수준임을 증명했다.
연구팀은 개발한 센서를 맥박 모니터링이 가능한 헬스케어 웨어러블 기기에 적용해 실시간 맥박을 감지해냈다. 또한 국내 포스 터치 센서 기업인 ㈜하이딥과 함께 7인치 대면적 센서를 스마트폰에 실제 장착해 실시간 압력 분포를 확인해 상용화 가능한 수준임을 확인했다.
연구를 주도한 유재영 박사과정은 “간단한 구조, 공정을 이용해 상용화 수준의 포스 터치 센서를 개발했으며, 다양한 실제 사용 환경에서도 높은 신뢰성 수준에서 동작함으로써 사용자 터치 인터페이스와 웨어러블 기기에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다”며 “연구를 전폭적으로 지원해준 나노종합기술원 이재영 원장님과 임성규 책임님, 그리고 연구재단 관계자분들께 큰 감사를 드린다”고 말했다.
이번 연구는 나노종합기술원 오픈이노베이션 사업과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐다.
또한 원천 특허화 활용 특허로 국내 출원 6건, 해외 출원 2건과 함께 ‘어드밴스드 사이언스 뉴스(Advanced Science News)’에 영상 초록과 함께 소개될 예정이다.
□ 그림 설명
그림1. 연구팀이 제작한 대면적 7인치 투명 유연 포스터치 센서
그림2. 연구팀의 후면 표지 논문 이미지
그림3. 스마트 폰 집적 후 압력 감지 확인을 위한 붓글씨 어플리케이션 동작 결과
2018.09.19 조회수 11214 -
최양규 교수, 10초 내 물에 녹는 보안용 메모리 소자 개발
우리 대학 전기및전자공학부 최양규 교수 연구팀이 물에 녹여 빠르게 폐기할 수 있는 보안용 메모리 소자를 개발했다.
연구팀이 개발한 보안용 비휘발성 저항변화메모리(Resistive Random Access Memory : RRAM)는 물에 쉽게 녹는 종이비누(Solid Sodium Glycerine : SSG) 위에 잉크젯 인쇄 기법을 통해 제작하는 방식이다. 소량의 물로 약 10초 이내에 용해시켜 저장된 정보를 파기시킬 수 있다.
배학열 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 12월 6일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Physically transient memory on a rapidly dissoluble paper for security application)
과거에는 저장된 정보를 안정적으로 오랫동안 유지하는 능력이 비휘발성 메모리 소자의 성능을 가늠하는 주요 지표였다. 하지만 최근 사물인터넷 시대로 접어들며 언제 어디서든 정보를 쉽게 공유할 수 있게 돼 정보 저장 뿐 아니라 정보 유출을 원천적으로 차단할 수 있는 보안용 반도체 개발이 요구되고 있다.
이를 위해 용해 가능한 메모리 소자, 종이 기판을 이용해 불에 태우는 보안용 소자 등이 개발되고 있다. 그러나 기존의 용해 가능한 소자는 파기에 시간이 매우 오래 걸리고 불에 태우는 기술은 점화 장치와 고온의 열이 필요하다는 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 물에 매우 빠르게 반응해 녹는 SSG 기판 위에 메모리 소자를 제작해 용해 시간을 수 초 내로 줄이는데 성공했다.
이 메모리 소자는 알칼리 금속 원소인 소듐(Sodium)과 글리세린(Glycerine)을 주성분으로 하고 친수성기를 가져 소량의 물에 반응해 분해된다.
용해 가능한 전자소자는 열과 수분에 취약할 수 있어 공정 조건이 매우 중요하다. 연구팀은 이 과정을 잉크젯 인쇄 기법을 통해 최적화된 점성과 열처리 조건으로 금속 전극을 상온 및 상압에서 증착했다.
또한 메모리 소자의 특성을 결정하는 저항변화층(Resistive Switching Layer)인 산화하프늄(HfO2)도 우수한 메모리 특성을 얻도록 150도 이하의 저온에서 증착했다. 이를 통해 평상시 습도에서는 안정적이면서도 소량의 물에서만 반응하는 소자를 제작했다.
연구팀은 휘어지는 종이비누 형태의 SSG 기판을 이용하고, 잉크젯 인쇄기법을 이용해 ‘금속-절연막-금속’ 구조의 2단자 저항 변화메모리를 제작하기 때문에 다른 보안용 소자보다 비용 절감 효과가 매우 크다고 밝혔다.
1저자인 배학열 박사과정은 “이 기술은 저항변화메모리 소자를 이용해 기존 실리콘 기판 기반의 기술 대비 10분의 1 수준의 저비용으로 제작 가능하다”며 “소량의 물로 빠르게 폐기할 수 있어 향후 보안용 소자로 응용 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 한국연구재단과 나노종합기술원의 지원을 통해 수행됐고, 배학열 박사과정은 한국연구재단의 글로벌박사펠로우십에 선정돼 지원을 받고 있다.
□ 그림 설명
그림1. 메모리 소자가 물에 용해되는 과정
그림2. 최양규 교수팀이 개발한 보안용 메모리 소자
그림3. 보안용 메모리 소자 모식도
2016.12.22 조회수 17253 -
5단 수직 적층 반도체 트랜지스터 개발
우리 대학 전기 및 전자공학부 이병현 연구원(지도교수 최양규)과 나노종합기술원(원장 이재영) 강민호 박사가 실리콘 기반의 5단 수직 적층 반도체 트랜지스터를 개발했다.
그리고 반도체 트랜지스터를 이용한 비휘발성 메모리 개발에 성공했다.
이번 연구는 나노 분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 11월 6일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 트랜지스터 분야는 모든 전자기기의 핵심 구성요소로 국내 산업과 경제 발전에 큰 영향을 끼쳤다.
세계적 추세에 따라 치열한 소형화를 통해 생산성과 성능의 향상을 거듭했으나 최근 10나노미터 시대에 접어들며 제작 공정의 한계 및 누설전류로 인한 전력소모 문제가 커지고 있다.
학계 및 산업계는 문제 해결을 위해 전면-게이트 실리콘 나노선 구조를 개발했다. 이는 누설전류 제어에 가장 효과적인 구조로 저전력 트랜지스터 개발에 이용됐다. 그러나 이 역시 소형화에 따른 나노선 면적 감소로 성능 저하의 한계가 있었다.
연구팀은 전면-게이트 실리콘 나노선을 수직으로 5단으로 쌓아 문제를 해결했다. 이 5단 적층 실리콘 나노선 채널을 보유한 반도체 트랜지스터는 단일 나노선 기반의 트랜지스터보다 5배의 향상된 성능을 보였다.
또한 수직 적층 나노선 구조는 말 그대로 위로 쌓기 때문에 단일 구조와 달리 면적이 증가되지 않아 집적도 향상에도 기여할 수 있다.
나노선 수직 적층은 개발된 ‘일괄 플라즈마 건식 식각 공정’ 방식을 통해 이뤄졌다. 이 공정은 고분자 중합체를 이용해 패턴이 형성될 영역에 미리 보호막을 친 뒤 등방성 건식 식각을 통해 나노선 구조를 형성하는 기술이다. 수직 적층 나노선 구조는 이 기술의 연속 작용을 통해 확보한 결과물이다.
이 기술은 지속적 소형화로 인해 기술적 한계에 부딪힌 반도체 트랜지스터 분야에 새로운 돌파구를 제시할 것으로 기대된다.
관련 연구가 이전부터 진행됐지만 더 간단한 공정기술을 이용해 가장 많은 나노선 채널의 적층에 성공했기 때문에 비용절감 및 제작 시간 단축, 반도체 트랜지스터의 성능 향상으로 인한 상용화 등에 크게 기여할 것으로 예상된다.
연구팀은 건식 식각 공정 기술이 기존 방법보다 간단하고 안정적으로 수직 적층 실리콘나노선 구조 제작을 가능하게 함으로써 고성능 트랜지스터 개발에 응용 가능할 것이라고 밝혔다.
이병현 연구원과 강민호 박사는 “이번 기술 개발은 미래창조 국가 나노기술 인프라 기관 나노종합기술원의 훌륭한 반도체 연구 기반과 김진수 부장 포함 관련 연구진들의 우수한 공정 능력이 뒷받침돼 가능했다”고 소감을 말했다.
이번 연구는 글로벌프론티어사업 스마트IT융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행됐다.
연구를 주도한 이병현 연구원은 우리 대학 최양규 교수 지도하에 박사과정을 수행 중이며, 삼성전자 메모리 사업부의 책임 연구원으로 재직 중이다.
□ 그림 설명
그림1. 일괄 플라즈마 건식 식각 공정 과정의 모식도.
그림2. 서로 다른 방향에서 단면을 관찰한 주사 전자 현미경 사진 및 투과 전자 현미경 사진
2015.11.24 조회수 12791 -
다양한 물질로 만든 나노선 상용화 가능성 열려
- 산·학·연 2년간 공동연구 끝에 나노선 상용화 가능한 기술 개발 -- 폭 50nm, 길이 20cm 나노선 2시간이면 200만 가닥 대량생산 가능해 -
폭이 수십 나노미터 정도로 매우 얇은 나노선의 상용화를 앞당길 혁신적인 기술이 국내 산·학·연 공동연구진에 의해 개발됐다. 향후 나노선을 이용한 반도체, 고성능 센서, 생체소자 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다.
우리 학교 전기및전자공학과 윤준보 교수 연구팀은 (주)LG이노텍(대표 이웅범), 나노종합기술원(원장 이재영)과 공동으로 첨단 과학 분야에서 핵심적인 소재로 쓰이고 있는 나노선을 다양한 소재로 필요한 길이만큼 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
연구결과는 나노 과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월 30일자 온라인판에 게재됐다.
나노선은 폭이 최대 100나노미터 정도에 불과한 긴 선 모양의 구조체로 기존에 발견되지 않았던 다양한 열적, 전기적, 기계적 특성을 보이는 다기능성 나노 소재다. 나노 세계에서만 보이는 특성을 활용하기 위해 나노선은 반도체, 에너지, 생체소자, 광학소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 첨단 소재로 각광 받고 있다.
그러나 수 밀리미터를 성장시키는데 3~4일이 소요될 만큼 합성 속도가 매우 느리고 대량 생산이 어려운 것은 물론 원하는 물질을 자유자재로 나노선으로 제작할 수 있는 기술이 개발되지 않았다.
또 제작된 나노선을 실제로 적용하기 위해서는 가지런히 정렬시켜야 하는데 기존 기술은 정렬을 위해 복잡한 후처리를 해야 하고 정렬 상태도 완벽하지 못해 상용화에 커다란 걸림돌이었다.
연구팀은 이러한 종래의 문제점을 극복하기 위해 기존의 화학적 합성법을 사용하지 않고 반도체공정을 적용했다.
연구팀은 직경 20센티미터의 실리콘 웨이퍼 기판에 광식각 공정을 이용해 목표하는 주기보다 큰 패턴을 형성한 뒤 이 주기를 반복적으로 줄여가는 방법을 이용해 100나노미터 초미세 선격자 패턴을 제작했다.
이 패턴을 기반으로 반도체 제조과정에서 널리 쓰이는 박막증착공정을 활용해 폭 50nm(나노미터), 최대 길이 20cm(센티미터)의 나노선을 완벽한 형태로 대량 제조하는데 성공했다.
개발된 기술은 장시간의 합성 공정을 거칠 필요가 없으며 별도의 후처리를 하지 않아도 완벽하게 정렬된 상태로 만들 수 있어 상용화 가능성이 높은 것으로 학계와 산업계는 평가하고 있다.
윤준보 교수는 이번 연구에 대해 “낮은 생산성, 긴 제조시간, 물질합성의 제약, 나노선 정렬 등과 같은 기존 기술의 문제점을 해결했다는 데 의미가 있다”면서 “그동안 나노선을 산업적으로 널리 활용하지 못했지만 개발된 기술을 활용하면 나노선을 사용한 고성능의 반도체, 광학, 바이오 소자 등의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다.
KAIST 전기및전자공학과 연정호 박사과정 학생, LG이노텍 이영재 책임연구원 나노종합기술원 유동은 선임연구원이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행됐다.
2013.08.22 조회수 15690