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신소재공학과 박찬범 교수, 자기조립기술 이용 다양한 색상 가진 바이오 나노튜브 개발
- 재료분야 저명 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지 최근호 게재
신소재공학과 박찬범(朴燦範, 40세, 바이오신소재 국가지정연구실) 교수 연구팀이 자연계의 자기조립기술을 이용, 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) 등 ‘다양한 형광 색상을 구현할 수 있는’ 나노튜브 소재를 세계최초로 개발했다.
관련 논문은 재료분야 저명 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최근호(4월 27일자)에 게재됐으며, 나노기술과 생명과학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 나노소재를 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다. 특히, 이 학술지는 朴 교수 연구팀 연구결과의 중요성과 응용성에 주목하여 “Advances in Advance”에 저널 대표논문들(상위 10%이내) 중 하나로 선정하였다.
朴 교수 연구팀은 두 개의 아미노산으로 구성된 매우 단순한 펩타이드 (peptide)를 수만 개 이상 스스로 조립시켜 머리카락의 약 천분의 일 정도 두께를 가진 긴 나노튜브 구조를 형성하였는데, 이러한 자기조립 과정에서 다양한 광감응현상(photosensitization)을 크게 증폭할 수 있음을 밝혔다. 이를 통해 각종 디스플레이기기 등에서 사용하는 RGB의 모든 색상을 구현할 수 있는 바이오기술 기반의 나노소재를 개발하였다(아래 그림).
화학물질들이 레고(Lego) 장난감처럼 스스로 조립하여 3차원 구조체를 만드는 것은 모든 생명현상의 근간이 될 뿐만 아니라, 최근 들어서는 나노소재를 개발하는 주요기술들 중의 하나로 각광받고 있다. 특히 朴 교수팀의 연구에서 사용한 펩타이드는 알츠하이머병과 밀접한 관계가 있는 아밀로이드(amyloid)라는 단백질 플라크(plaque)로부터 유래했기 때문에 퇴행성 신경질환 현상을 응용하여 새로운 기능성 나노소재를 개발하였다는 점에서 과학기술계의 주목을 받고 있다.
이번에 개발된 자기조립형 형광 나노소재는 바이오센서/칩, 각종 약물의 세포전달체, 의료용 하이드로젤, 차세대 디스플레이기기 등에 응용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 나노-바이오 융합분야에서 국가 과학기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다. 朴 교수팀은 2008년도부터 교육과학기술부의 ‘국가지정연구실사업’으로부터 지원을 받아 새로운 바이오소재를 개발하기 위한 연구를 수행해 왔으며, 해외 저명학술지들로부터 크게 주목받는 연구 성과를 발표하고 있다.
<용어설명>
자기조립(self-assembly): 구성물질 간의 약한 비공유결합성 상호작용에 의해 스스로 일정한 구조나 패턴을 형성하는 현상을 가리키는 용어로 최근 전 세계적으로 가장 널리 연구되고 있는 분야 중 하나다.
<박찬범 교수 프로필>
■ 학 력
1987-1999: 포스텍 화학공학과 학사(1기), 석사, 박사
1999-2002: UC Berkeley, 박사후연구원
■ 주요경력
2008-현재: 교육과학기술부 국가지정연구실 Director
2006-현재: KAIST 신소재공학과 부교수
2002-2006: 미국 애리조나주립대학교 조교수
■ 주요 연구분야
- 자기조립형 바이오소재(Self-Assembled Biomaterials)
- 유기/무기 하이브리드 소재(Organic and Inorganic Hybrid Materials)
- 인공광합성 소재(Materials for Artificial Photosynthesis)
2009.04.29 조회수 19549 -
김상욱,이원종,이덕현 연구팀, 질소가 도핑된 전도성 탄소나노튜브의 고효율 제조공정 개발
- 세계적 학술지 나노 레터스지 3.13(금)일자 온라인판 발표
신소재공학과 김상욱(金尙郁, 37, 교신저자), 이원종(李元鐘, 52, 교신저자) 교수와 박사과정 이덕현(李德睍, 29, 제1저자) 연구팀이 분자조립(molecular self-assembly) 나노기술을 이용하여 질소가 도핑(doping)된 높은 전기전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절하며 매우 빠른 속도로 합성할 수 있는 새로운 공정을 개발했다.
이 연구결과는 나노기술분야의 세계적 학술지인 나노 레터스(Nano Latters)지 최신호(3.13, 금) 온라인 판에 게재됐다.
탄소나노튜브는 전기적, 물리적 성질이 매우 우수하여 플렉서블 전자소자 등 다양한 미래기술에 적용될 것으로 예상된다. 그러나 탄소나노튜브를 이용한 나노소자를 실용화하기 위해서는 탄소나노튜브의 전기 전도도를 높이고, 물리적 특성을 결정짓는 탄소나노튜브의 직경과 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 일반적으로 탄소나노튜브의 전기 전도도를 향상시키기 위해서는 실리콘 등의 반도체 물질에 이용되는 방법과 같이 붕소(B)나 질소(N) 등의 소량의 불순물을 첨가시키는 도핑 기술이 필요하다. 또한 탄소나노튜브의 직경 및 탄소벽의 개수는 합성에 이용되는 금속 촉매의 크기에 의해 결정되므로 형태가 균일한 나노튜브를 대량으로 성장시키기 위해서는 균일한 크기의 촉매입자를 기판위에 대면적으로 제조할 수 있는 나노패턴 공정이 필요하다.
金 교수 연구팀은 고분자의 분자조립 나노패턴기술을 통해 탄소나노튜브의 성장에 필요한 금속 촉매의 크기를 대면적에서 수 옹스트롱 수준으로 균일하게 조절하고 이를 이용하여 탄소나노튜브의 직경 및 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절하는데 성공하였다. 또한, 질소가 도핑되어 높은 전기 전도도를 보이며, 화학적인 기능화가 용이한 탄소나노튜브를 분당 50마이크로미터의 높은 속도로 성장시키는데 성공하였다.
金 교수 연구팀은 그동안 ‘고분자 자기조립 나노기술’에 관련된 일련의 연구 결과들을 네이처지와 사이언스지 그리고 어드밴스드 머티리얼스지 등에 발표해 왔다. 이번 연구 결과로 고분자소재뿐만 아니라 유/무기 혼성소재공정 분야에서도 우수한 역량을 보여주게 됐다. 이번 연구는 金 교수와 李 교수의 공동 지도하에 박사과정 이덕현 씨가 진행했다.
<용어설명>
- 탄소나노튜브(carbon nanotube): 나노미터 수준의 직경을 가지는 일차원적 구조의 탄소소재로 높은 전하이동도와 전하 축척도를 가지며, 전 세계적으로 초미세/고효율 소자의 부품으로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
- 분자조립(molecular self-assembly): 분자들이 외부의 도움 없이 스스로 정렬되어 정형화된 구조를 형성하는 현상을 의미하며, 초미세 나노패턴구조를 형성시킬 수 있는 원리로 많은 관심을 모으고 있다.
2009.03.17 조회수 19928 -
신소재공학과 김도경교수팀, 리튬이온 이차 전지용 고성능 양극소재 원천기술 확보
- 리튬 망간계 스피넬형 나노막대 물질 합성 성공
- 美 화학회 나노레터스(Nano Letters)11월호 논문발표
하이브리드 자동차와 미래의 전지자동차의 핵심부품인 리튬이온 이차전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 1차원 나노구조 형태의 리튬망간계 스피넬(spinel, 첨정석, 尖晶石)형 양극소재를 합성하는 원천기술이 개발됐다.
KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 김도경(金渡炅, 49세, 입학본부장) 교수가 美 스탠포드대학 이 쿠이(Yi Cui) 교수팀과 공동으로 리튬이차 전지의 충방전 특성과 고온 안정성을 높일 수 있는 리튬망간계 스피넬형의 양극물질을 나노막대 구조로 대량 합성하는 방법을 개발했다. 성능을 확인한 연구결과는 나노과학 분야의 국제적 권위학술지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 11월호에 발표됐다.
저공해 하이브리드 자동차와 무공해 전기자동차의 핵심기술이며, 최근 휴대용 전자기기 전원공급 장치의 주종을 이루는 리튬이온 이차 전지는 전 세계의 연구자들이 뜨거운 개발 경쟁을 벌이는 분야다. 현재 상용화된 리튬전지용 양극인 리튬코발트계 소재는 그 특성이 우수하나 가격이 비싸고, 충방전시 발생하는 열에 취약하여 대량의 전류밀도를 필요로 하는 하이브리드 자동차용 등의 적용에는 그 한계가 있다.
이에 반해 리튬망간계 양극소재는 그 원료가 지구상에 풍부하여 가격이 낮고 친환경적인 소재로 평가되며, 안정된 스피넬형 원자구조를 이룰 경우 고온 안정성이 뛰어나다. 다만 충방전 속도가 느리고, 계속되는 충방전 사이클에 따라 특성이 저하되는 단점이 지적되어 이를 극복하기 위해 나노입자화 또는 나노기공의 도입이 시도되었다. 그러나 이들 나노구조화 방법 또한 양극소재의 적층밀도를 낮추어 단위부피당 생산하는 전류밀도를 낮추는 결과를 나타내기 때문에 적층밀도를 높일 수 있는 1차원 나노구조인 나노와이어 또는 나노막대형 전극소재의 개발이 기대되어 왔다.
최근 金 교수팀은 안정된 스피넬구조의 리튬망간 소재를 100나노미터(1나노미터는 백만분의 1미리미터) 굵기의 나노막대 구조로 대량 합성하는 방법을 개발했으며, 이를 리튬이온전지의 양극에 적용한 결과, 높은 전류밀도 조건에서도 충방전 특성이 크게 개선되었음을 확인하였다. 리튬원자가 스피넬 구조에서 빠져나오는 단계인 충전반응에서 나노막대 양극소재는 원자구조가 크게 바뀌지 않는 특성을 갖고 있었으며, 이것이 많은 횟수의 충방전 시에도 그 특성이 저하되지 않는 원인임을 알아냈다. 이번에 개발된 나노소재 합성법은 수열합성법과 일반 열처리를 결합한 공정으로 대량생산에 비교적 쉽게 적용할 수 있어 산업화 또한 조기에 이뤄질 것으로 전망된다.
2008.11.20 조회수 17528 -
김도경 교수, 탄화규소 세라믹 신소재의 특성 나타나는 근원 밝혀냈다.
- 美 화학회 나노레터스(Nano Letters)온라인판 최근호 발표- 고성능 세라믹 신소재 개발의 새로운 전기 마련
우리학교 신소재공학과 김도경(金渡炅, 49세, 입학본부장) 교수가 美 UC버클리대 리치(R. O. Ritchie) 교수 연구팀과 공동으로 희토류(비금속 미량원소)가 첨가된 탄화규소 세라믹 신소재에서 나노 스케일(수준, 단위) 인성(靭性, 깨지지 않는 성질)이 나타나는 근본 원인을 밝혀냈다.
金 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 나노분야 최고 권위 국제학술지인 미국화학회 발행 "나노 레터스(Nano Letters)" 온라인판 최근호(9월호)에 발표됐다.
초고온에서 작동 가능한 터빈날개의 개발을 위해서는 기존의 초합금보다 훨씬 높은 온도에서 작동 가능한 신소재가 필수적이다. 이 신소재는 차세대 고효율 발전 및 초고속 비행체에 적용이 기대되고 있는데, 지난 30년 동안 질화규소 및 탄화규소 세라믹 신소재가 각국의 연구자들에 의해 지속적으로 연구 개발되고 있다. 이들 신소재의 제작에는 희토류 산화물의 첨가가 필수적인 것으로 알려져 있다. 희토류는 일반적으로 깨지기 쉬운 성질을 나타내는 세라믹 소재의 단점을 보완하여 특별히 높은 인성을 나타낼 수 있게 하며, 이는 신소재의 신뢰성을 높이는데 결정적 기여를 했다. 그러나, 희토류의 인성강화에 대한 궁극적인 근본 원리는 최근까지 미지수로 남아있어 고성능 세라믹 신소재의 발전을 가로 막고 있었다.
金 교수와 리치 교수 연구팀은 고성능 전자현미경내에서 세라믹 내에 나노스케일의 균열을 생성시키는데 성공했으며, 그 균열의 주위를 원자레벨의 이미징기법을 이용하여 원자들의 배열과 화학성분의 분포를 찾아냈다. 이 결과들을 바탕으로 서로 다른 특성을 가진 소재간의 경계인 나노계면에서 균열의 전파를 예측함으로써 세라믹 신소재의 인성이 나타나는 근본원인을 밝히는 성과를 거뒀다.
이 연구결과를 통해 인성이 나타나는 근본원인을 밝혀냈음은 물론이고, 희토류의 종류에 따라서 세라믹 신소재의 인성특성이 다르게 나타나는 현상을 정확히 예측할 수 있게 됨으로써 고성능 세라믹 신소재를 이용한 터빈 날개 개발에의 적용을 보다 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
<용어설명>희토류(稀土類, Rare Earth): 지구상에 아주 희귀한 원소로, 화학적으로 매우 안정되면서도 열을 잘 전달하는 성질이 있다. 광학유리·전자제품 등 첨단산업의 소재로 활용된다. 주로 디스플레이 원료와 미사일 유도장치, 화학반응 촉매제에 사용된다.
2008.10.08 조회수 17681 -
신소재공학과 김상욱 교수팀, 생체분자 이용한 액정성 펩타이드 나노선 개발
- 어드밴스드 머티리얼즈誌 19일(월)자 발표, 표지 논문으로 선정- 순수 국내연구진에 의해 새로운 개념의 생체 소재 나노소자 개발 가능성을 한 단계 높인 연구 성과
우리 학교 신소재공학과 김상욱(金尙郁, 35) 교수팀이 생체분자(biomolecule)를 이용한 액정성 펩타이드 나노선(nanowire) 개발에 성공했다.
이 연구결과는 재료분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)誌에 19일(월)자로 발표되고 그 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.
金 교수팀은 생체소재 나노제작기술(bionanofabrication)을 이용, 두 개의 아미노산이 연결된 생체 분자인 디펩타이드(dipeptide)로부터 액정성 나노선을 제조하고 그 분자 구조 및 액정상을 규명했다. (그림참조)
환경오염 등의 문제를 극복하기 위해 전 세계적으로 생체물질을 이용한 새로운 나노소재 연구가 큰 관심을 끌고 있다. 이번 액정성 나노선 개발은 새로운 개념의 생체 소재 나노소자 개발 가능성을 한 단계 높인 중요한 연구 성과다. 또한, 이 분야의 연구 기반이 거의 없는 국내에서 순수 국내연구진에 의해 새로운 분야를 개척한 것으로도 큰 의미가 있다.
金 교수팀은 그동안 ‘고분자 자기조립현상을 이용한 수십 나노미터 크기의 패턴 제조 연구’ 논문을 사이언스誌, 네이처誌 등 주요 학술지에 발표해 왔다. 이번 연구 결과로 합성 고분자 소재 뿐 아니라 생체 소재의 자기조립 관련 분야 연구에도 우수한 역량을 보여주었다.
이 연구는 金 교수의 지도하에 박사과정 한태희씨가 진행하고, 화학과 김장배(지도교수 이효철 교수, 박사과정)씨가 엑스선회절을 이용한 분자 구조 규명에 참여했다.
<용어설명>
- 액정상 : 액정은 결정과 액체의 중간 상태로 입자가 갖는 방향성에 따라 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등으로 구분하기도 한다. 네마틱은 일정 방향으로 향하는 성질을 갖는 것으로 액정 표시 장치 (LCD)에 많이 쓰이고 있으며 보통 막대형 (rod/wire) 또는 판형 (disk) 분자로 이루어져 있다. 본 연구에서 개발된 펩타이드 나노선은 네마틱을 나타내고 있다.
- 팹타이드(Peptide) : 펩타이드는 몇 개의 아미노산이 펩타이드 결합을 통해 연결된 형태를 말한다. 많은 아미노산이 연결되면 단백질이 된다. 두 개의 아미노산이 연결된 형태를 디펩타이드라고 하며, 본 연구에서는 두 개의 페닐알라닌이 연결된 디펩타이드가 사용되었다.
- 나노선(nanowire) : 나노미터 단위의 크기를 가지는 일차원적 구조체로 금속성과 반도체, 절연성의 많은 종류의 나노선이 존재한다. 전 세계적으로 초미세/고효율 소자의 부품으로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
2007.11.20 조회수 19227 -
신소재공학과 박종욱 교수팀, 신소재 이용 전기화학식 이산화탄소 계측기 개발
공기중 산화물 이용, 옥외의 열악한 환경에서도 사용 가능
기존 광학방식보다 가격 저렴, 정확한 이산화탄소 농도 측정
습도에 영향 적게 받아 농산물 재배 등에 광범위하게 활용
대덕밸리 창업경진대회 금상, 대한민국창업대전 국무총리상 수상
신소재공학과 박종욱(朴鍾郁, 50) 교수팀이 자체 개발한 신소재를 이용, 전기화학식 이산화탄소 계측기를 개발하는데 성공했다.
이 계측기는 대기 중에 있는 이산화탄소와 선택적으로 반응하는 신소재(전극 보조물질)를 이용, 전기 화학 반응으로 발생하는 전압 상태를 이산화탄소 농도(ppm)로 환산하는 독창적인 원리를 적용했다.
기존의 이산화탄소 계측기는 이산화탄소가 특정 파장(4.26㎛)의 적외선만을 흡수하는 성질을 이용하여 적외선의 흡수 정도를 측정하는 엔디아이알(NDIR / Non-Dispersive Infra red) 광학방식이 주로 사용되었다. 그러나 이 방식은 민감한 광학측정계가 오염에 취약해 옥외의 열악한 환경에서는 사용하기 어려웠으며, 고가로 인하여 대중적인 사용에도 제한이 있었다.
朴 교수팀이 개발한 이 계측기는 공기 중의 산화물을 이용하기 때문에 옥외의 열악한 환경(상대습도 90%)에서도 사용이 가능하며, 광학방식에 비해 가격이 저렴하고, 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 간단한 부품의 교환만으로 측정 센서의 교정이 가능해 기존 계측기의 정기적이고 복잡한 측정 센서 교정과정을 대폭 개선했을 뿐만 아니라 초미세 화학공정, 나노 공정에 활용 가능성을 열었다.
이산화탄소 가스는 지구의 온실효과를 유발하는 주범이기 때문에 교토 의정서를 기초로 최근 세계 각국은 이산화탄소세를 신설하여 이산화탄소 총배출량을 규제하고 있다. 반면, 이산화탄소는 농식물 생식 작용과 밀접한 관계가 있어 이산화탄소의 양을 적절히 조절하면 농작물의 질이나 생산성을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 장점도 가지고 있다. 예로서 버섯재배의 경우 800-1200 ppm의 이산화탄소를 유지시킬 경우 버섯의 질이나 생산성이 좋아지는 것으로 보고되고 있다.
또한 최근 실내 공기의 질에 대한 인식이 점차 높아지면서 올해부터 우리나라도 빌딩 관리법에 의한 빌딩 내 이산화탄소 양을 1000ppm 이하로 낮추도록 규제하고 있다. 그러나 과도한 환기는 에너지의 낭비를 가져오기 때문에 여러 사람들이 모이는 공공장소나 학교 교실에 이산화탄소 계측기를 설치하여 실내 환기시스템을 효율적으로 운영하는 것이 필요하다.
朴 교수는 “대기오염감시나 실내공기청정화, 농작물 관리 등을 위하여 이산화탄소 계측기 수요가 급속하게 늘고 있으나 수입에만 의존하고 있어 국산화가 시급하다.”며 “이번에 개발한 전기화학식 이산화탄소 계측기는 기존 광방식에 비해 습도에 영향을 거의 받지 않아 농산물 재배 등에 광범위하게 활용될 수 있을 것이다.”고 말했다.
이 이산화탄소 계측기는 대덕 밸리 창업경진대회에서 금상을, 2005 대한민국 창업대전에서 국무총리상을 수상한 바 있다. 현재 국내 특허를 출원한 이 제품의 양산을 위한 실험실 창업을 추진 중에 있다.
2006.01.06 조회수 20719
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전기화학식 이산화탄소 센서 개발
신소재공학과 박종욱(朴鍾郁, 49) 교수팀은 일본이나 독일제품보다 월등히 우수한 특성을 지닌 전기화학식 이산화탄소 센서 개발에 성공했다.
2001년부터 농림부 기술개발과제의 일환으로 시작된 센서 연구는 자체 개발한 전극 보조물질을 채용한 새로운 구조로, 수 ppm에서 수십% 범위의 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있다. 초기 동작시간도 10분 이내로 빠르고 보정 없이 2년 이상 사용할 수 있어, 일본(Figaro사)과 독일(Zirox사) 제품의 초기 동작시간이 각각 7일과 30분인데 비하면 월등히 우수하다.
공기 중 이산화탄소 양을 측정하는 방법은 광학적 방법과 전기화학적 방법이 있다.
현재 가장 많이 사용 중인 광학적 방법은 이산화탄소가 특정 파장(4.26 um)의 적외선(NDIR) 만을 흡수하는 성질을 이용, 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소의 양을 계산한다.
정교한 광학계를 사용해야 하기 때문에 가격이 비싸고 열악한 환경에서는 광학계가 쉽게 더러워져 사용이 어렵다는 단점이 있다.
산화물 전해질을 사용하는 전기화학식 센서는 값이 싸고 더러운 환경에서도 안정적으로 작동하지만, 광학식에 비해 초기 동작시간이 길고 자주 보정해 주어야 하는 단점 때문에 사용이 제한적이었다.
이번에 개발된 朴 교수팀의 전기화학식 센서는 이러한 단점들을 극복하여 이산화탄소 센서 기술의 새로운 표준을 제시, 제품의 흐름을 바꿀 수 있는 혁신적 연구 성과로 평가할 수 있다.
한편, 이산화탄소는 물 햇빛과 함께 식물 발육을 좌우하는 3대 요소 중 하나. 선진국에서는 이산화탄소 양을 조절하여 농식물의 생산성을 높이고 보관기간을 늘리는 기술이 다양하게 개발되고 있다. 특히 심야의 악조건에서도 신뢰성 있게 작동되는 저렴한 이산화탄소 측정기의 필요성이 점점 증대되고 있다. 우리나라에서는 최근 "빌딩 증후군(sick building syndrome)" 방지를 위해 건물 내 이산화탄소 양을 1000ppm 이하로 낮추도록 관련 법령을 개정했다. 도심의 빌딩에서도 이산화탄소 양을 정확히 측정하여 과도한 환기를 줄이고 에너지 효율을 높이는 기술이 절실해지게 된 것이다.
박종욱 교수는 화학 센서 분야의 세계적인 권위자로, 2000년에는 산화물 반도체식 센서를 이용한 음주 측정기를 개발, 실험실 벤처회사 (주)CAOS를 설립했고, 음주측정기는 현재 세계 최대의 시장점유율을 갖는 명품이 됐다. 또한 작년에는 2편의 해외 저명 학술지(J. Materials Science)에 화학센서 특별기획을 편집하기도 했다.
2004.09.22 조회수 25307