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생명화학공학과 양승만교수 광자유체 신기술개발
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 58세, 교육과학기술부 지정 광자유체집적소자 창의연구단 단장) 교수 연구팀이 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 ‘자기조립원리’를 규명하는 연구를 수행하여, 방대한 량의 정보를 처리할 수 있는 프로토타입(prototype)의 광․바이오 기능성 광자결정(photonic crystal)구조체를 개발했다.
자연계에 존재하는 대표적인 광자결정은 오팔보석, 나비의 날개, 공작새의 깃털 등이 있다. 이들 광자결정 물질들이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질들을 이루는 구조 자체가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이다. 즉, 광자결정은 굴절률이 다른 물질들이 규칙적으로 쌓여 조립된 3차원 구조체로 특정한 영역의 파장에 해당하는 빛만 완전히 반사시킨다. 이 성질을 이용하면 반도체가 전자의 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 광자결정의 특수한 기능 때문에 나노레이저, 다중파장의 광 정보를 처리할 수 있는 슈퍼프리즘(superprism), 빛을 원하는 위치로 가이드 할 수 있는 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발 등에 필요한 소재로 주목 받아왔다. 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 지난 20여 년 동안 자연 상태에 존재하는 광자결정의 나노구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 梁 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 최근 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 일련의 연구 성과를 거뒀다.
첫 번째 연구 성과로 굴절률 조절이 가능한 미세입자 대량 생산기술을 개발했다. 지금까지 구현된 3차원 광자결정은 결정을 이루는 물질의 굴절률이 1.5-2.0 정도로 낮고, 굴절률을 다양하게 조절할 수 있는 입자를 제조할 수 없어서 광자결정의 실용성에 한계가 있었다. 최근 梁 교수 연구팀은 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제조할 수 있는 실용적 방법을 개발했다. 제조된 고 굴절률 입자는 나노레이저, 광 공명기, 마이크로렌즈, 디스플레이 등 각종 광학소자와 광촉매 등으로 활용될 수 있다. 이 연구결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스 인터넷판(6. 19)과 제 17호(2008. 9)의 표지논문으로 게재 예정이다. 특히, 이 논문은 저명 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)誌 8월호(8. 1)에 리서치 하이라이트(Research Highlights)로 선정되어 연구의 중요성과 응용성에 대하여 특별기사로 조명했다.
그림 1. 초고굴절률 타이타니아 입자의 전자 현미경 사진
두 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정구 연속생산 기술을 개발했다. 균일한 크기와 모양을 갖는 광자결정구를 빛을 매개로 반응시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 공정을 불과 수십 초 만에 연속적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 이들 광자결정구는 차세대 반사형디스플레이 색소나, 나노바코드, 생물감지소자 등으로 활용될 수 있다. 특히 주목할 것은 몇 개의 다른 색을 반사하는 야누스 광자결정구슬을 제조하였는데 이들은 전자종이와 같은 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 소자에 활용될 수 도 있다. 이러한 광자결정 표시소재는 세계굴지의 화학회사인 독일 머크(Merck)社 등에서도 개발 중이며 이번 연구 결과는 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다. 주요 연구결과는 국제적저명학술지인 미국화학회지(JACS)와 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)誌에 6편의 논문을 최근 4개월(5～8월) 동안 연속 게재하여 광자결정의 실용성을 구현하는데 크게 기여했다고 인정받았다. 특히, 이들 논문들은 해당 학술지 편집인(Editor)과 심사위원들에 의하여 가장 앞선 연구결과로서 주목해야 할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐으며, 9호(5. 5) 표지논문에 게재됐다.
그림 2. 3원광 광자결정구와 다색상 야누스 광자결정구의 현미경사진과 휘어지는 기판 위에 픽셀화된 3원광 광자결정.
세 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정 나노레이저를 개발했다. 현재까지 개발된 나노레이저는 발생하는 고열로 인하여 발진하는 레이저의 파장을 변화시키기 어려운 단점이 있었다. 梁 교수 연구팀은 KAIST 물리학과의 이용희 교수 연구팀과 공동으로 연속가변파장 나노레이저를 최초로 개발했다. 레이저를 발진하는 광자결정과 매우 미세한 유량을 도입할 수 있는 미세유체소자를 결합한 후 물과 같은 액체를 흘려줌으로써 온도를 낮추어 연속파 레이저 발진을 가능케 하였다. 또한 굴절률이 다른 액체를 흘려주어 광밴드갭을 조절함으로써 레이저의 파장을 조절 할 수 있었다. 가변파장 나노레이저는 신약개발 등 생명공학에서 요구되는 극미량의 시료로부터 방대한 량의 바이오정보를 광학적으로 신속하게 처리하는데 필요한 광원으로 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 광물리 분야의 저명학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 게재(4. 9) 됐으며 이 논문의 독창성과 실용성은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 8월호(8. 1)에 해설과 함께 “리서치 하이라이트”로 소개됐다.
그림 3. 나노레이저 발진모드
2008.08.19 조회수 22782 -
생명화공 정희태교수, 세계최초 액정 초미세 나노패턴소자 개발
- 15일자 네이처 머티리얼스誌 온라인판 게재- 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 기대우리 학교 생명화학공학과 정희태(鄭喜台, 42) 교수 연구팀이 액정 디스플레이 (LCD)의 핵심소재로 잘 알려져 있는 액정물질을 이용, 나노기술의 핵심인 차세대 초미세 나노패턴소자를 세계최초로 개발했다. 관련 연구논문은 15일자 네이처 머티리얼스(Nature Materials)誌 온라인판에 게재된다. 나노패턴 제작은 차세대 초고밀도 반도체 메모리기술과 바이오칩 등 나노기술의 핵심분야다. 특히, 鄭 교수팀의 액정을 이용한 패턴구현은 기존의 패턴 방식에 비해 대면적을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 바이오 특성을 가지는 나노물질도 액정 패턴 내에 배열할 수 있다는 것이 큰 장점이다.
LCD를 구동하는 물질인 네마틱 액정과 달리 鄭 교수가 사용한 스메틱 액정은 LCD 응답특성이 매우 우수함에도 불구하고 자연적으로 존재하는 결함구조 때문에 LCD 구동물질로 사용하지 못하고 있다. 이러한 스메틱 액정은 기판의 표면특성에 따라서 무질서한 형태의 회오리 형 결함구조를 가진다. 이번 연구에서는 마이크로미터 수준의 직선이 새겨진 표면 처리된 실리콘 기판을 사용함으로써 무질서한 회오리 형태의 액정 결함구조를 규칙적으로 제어하였다(첨부 자료그림 참조). 특히 이 공정은 기존의 나노패턴에 적용하는 방식과 비교하여 제작시간을 수십 배 이상 줄일 수 있으며, 결함구조 내에 다른 형태의 기능성 물질도 규칙적으로 배열 할 수 있음을 확인하였다. 이는 다양한 형태의 패턴이 필요한 실제 반도체와 단백질 칩 등의 바이오 소자에 적용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다 (자료그림 중 삽입사진 참조).
이번 연구결과로 LCD의 세계적 강국인 우리나라가 액정을 이용한 나노분야에서도 세계 최고의 원천기술을 갖게 되었다. 향후 액정을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 나노-바이오 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연성재료(Soft Materials)를 이용하여 나노패턴을 제조하는 기술은 전 세계적으로 나노-바이오 분야에서 큰 이슈가 되는 연구로써, 연구의 핵심은 바이오 및 광전자소자 응용을 위하여 대면적에서 결함이 없는 소재의 개발에 있다. 이번 鄭 교수팀이 적용한 액정은 결함구조를 가지는 대표적인 물질로서 지금까지 학계에서는 대면적 나노패턴이 불가능하다고 인식돼 왔다.
鄭 교수는 “이번 연구결과는 연성소재를 이용한 나노패턴소자 제작방식의 기존 개념을 완전히 뒤엎는 것이다. 결함을 없애야만 한다는 기존의 생각에서 탈피하여 결함을 규칙적으로 구현하면 패턴에 이용할 수 있다는 발상의 전환으로 대면적 나노패턴을 개발했다는데 의미가 있으며, 향후 나노분야 전반에 걸쳐 영향이 클 것” 이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 鄭 교수(교신저자)의 주도 하에 KAIST 물리학과 김만원 교수팀과 미국 캔트 주립대학의 액정센터 올래그 라브랜토비치(Oleg Lavrentovich)교수가 함께 일궈낸 성과다. 鄭 교수는 나노물질분야에서 사이언스, PNAS, Advanced Materials에 최정상급 논문을 다수 발표하는 등 나노물질 분야에서 차세대 주자로서 두각을 나타내고 있는 젊은 과학자다.
<해설>
액정: 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다. 현재 LCD에 사용하는 액정은 네마틱 액정이며 콜레스테릭 액정은 반사거울과 초정밀 온도계에 사용된다. 鄭 교수팀이 사용한 액정은 스메틱 액정으로서 네마틱 액정보다 자연계와 합성물질에서 더욱 많이 존재하고, 산업체와 학계에서 오랜기간 동안 연구해 왔음에도 불구하고 결함구조 등의 문제점으로 인하여 산업에 적용하지 못하고 있는 물질이다.
<첨부. 수 밀리미터 크기의 대면적 액정물질 나노패턴 현미경 사진>우측상단 삽입사진은 액정나노패턴내에 형광나노입자를 규칙적으로 포집한 리소그라피 제작사진
2007.10.15 조회수 23383 -
윤춘섭 교수, 世界 最高 출력 청색 고체레이저 개발
- 레이저 디스플레이 실용화 난제 해결, 가정용 TV에서 대형전광판까지 화질의 혁명 열날 머지않아
디스플레이 기술의 완결판으로 일컬어지는 차세대 레이저 디스플레이의 핵심광원인 청색 고체레이저가 世界 最高 출력으로 개발되었다.
KAIST(한국과학기술원) 물리학과 윤춘섭(尹椿燮, 54) 교수팀이 LG전자와 공동으로 개발한 청색 레이저는 청색의 색감도가 가장 높은 456nm(나노미터) 파장에서 cw(연속파) 1.7W(와트)의 세계 최고출력을 달성하였다. 지금까지 개발된 456nm 파장의 청색 레이저는 2002년 독일 함부르크(Hamburg)대학에서 달성한 0.84W가 최고 출력이었지만 레이저 디스플레이의 실용화에 필요한 2W 수준에는 미치지 못하였다. 이번에 개발된 청색 레이저는 TEMoo(횡모드oo, Transverse Electro Magnetic)의 단일 모드이고, 레이저 헤드의 크기가 4×4×10 cm3의 소형이며 출력 안정도가 ±1% 이내의 매우 우수한 특성을 보유하고 있다.
레이저 디스플레이는 빛의 삼원색인 청, 녹, 적색의 레이저를 광원으로 사용하여 이들 세 가지 색을 주사방식에 의해 적절한 비율로 혼합함으로써 모든 종류의 자연광을 낼 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 레이저 디스플레이는 선명도, 색구현, 색대비, 휘도, 화면크기에서 픽셀(화소, Pixel) 방식을 사용하는 CRT, LCD, PDP 등 타 디스플레이 기술의 추종을 불허하는 차세대의 궁극적인 디스플레이 기술로 인식되고 있으며, 일본의 Sony, 미국의 Laser Power Corporation, 독일의 Laser Display Technologie 등 선진 디스플레이 강국이 수면 하에서 치열하게 기술 개발을 진행시키고 있다.
고휘도, 대화면 레이저 디스플레이의 실용화를 위해서는 레이저의 출력이 청색 2W, 녹색과 적색이 3W 이상 이고, 출력 안정도가 ±3% 이내 이어야 한다. 삼원색 광원 중 적색은 적색 고출력 레이저 다이오드를 사용하고, 녹색은 기존 네오디뮴 레이저의 1064 nm 파장을 2차 조화파인 532 nm 파장으로 변환시켜 고출력으로 얻는데 별 문제가 없다. 그러나 청색 파장의 기본파 레이저는 3준위(레벨) 레이저로서 4준위 녹색 레이저와는 달리 상온에서 첫 번째 들뜬 상태 에너지 준위에서의 밀도 분포와 재흡수로 인해 2W급의 고출력을 내는 것이 어려웠다. 이는 레이저 디스플레이의 실용화를 가로막는 가장 큰 장애 요인이 되어 왔는데, 尹교수팀의 2W급 고출력 청색 레이저 개발의 의미는 이러한 장애 요인을 제거하여 레이저 디스플레이의 실용화를 가능케 한다는데 있다. 금번 개발된 2W 급 고출력 청색 레이저 기술은 차세대, 고화질, 대화면 레이저 디스플레이에서 국제적으로 월등히 유리한 위치를 점할 것으로 예상 된다.
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* 고출력 청색 레이저 개발의 의미
디스플레이 기술의 완결판으로 일컬어지는 고선명도, 고색감도, 고휘도, 대화면 레이저 디스플레이는 빛의 삼원색인 청, 녹, 적색의 고출력 레이저 광원이 필수적인데, 이를 위한 cw(연속파) 고출력 녹색 및 적색 레이저는 이미 개발되었으나, 고출력 청색 레이저가 개발되지 못해 레이저 디스플레이 실용화에 가장 큰 장애 요인이 되어 왔다. 최근까지 청색의 색감도가 가장 높은 456 nm 파장의 청색 레이저는 0.84W가 세계 최고 출력이었고, 이는 레이저 디스플레이의 실용화에 요구되는 2W급에 훨씬 못 미치는 수준이다. 따라서 이번 KAIST 물리학과 윤춘섭 교수팀의 2W급 고출력 청색 레이저 개발의 의미는 이러한 장애 요인을 제거하고 레이저 디스플레이의 실용화를 가능케 한다는데 있다.
2004.03.04 조회수 21804