우리얘기

광학 안테나는 휴대폰의 안테나가 전파를 수신하여 전기신호로 변환하고, 반대로 전기신호를 전파로 변환하여 송신하는 것처럼 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고, 그 반대의 역할도 수행할 수 있는 광학 소자입니다.

전파가 아닌 빛을 송수신하기 위해서는 안테나의 크기를 머리카락의 10만분의 1미터 수준으로 매우 작게 제작해야 합니다.

그러나 기존에 개발된 광학 안테나들은 파장의 범위가 매우 제한적이어서 한 가지 파장의 빛에서만 작동하기 때문에, 다양한 파장에서 송수신기 역할을 수행할 만큼 효율적이 못했습니다.

■ 완전결정(perfect crystal)은 원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)으로, 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태입니다.

완전결정 은(銀) 나노선을 이용해 모든 파장의 빛에 작동하는 광학 나노 안테나가 개발됐습니다.

■ KAIST 김봉수 교수와 서민교 교수, 강태준 박사(제1저자),고려대 박규환 교수팀은  기존 한 가지 파장의 빛에서만 작동하는 광학 나노 안테나의 한계를 극복하고, 모든 파장의 빛에서 반응하는 광학 나노 안테나 개발에 성공했습니다.

연구팀은 지금까지 활용하던 나노입자가 아닌 가시광 전 영역에서 작동하는 은(銀)을 사용해 다양한 파장에서 공명할 수 있는 나노선으로 광학 안테나를 제작, 모든 파장의 빛에서 은 나노선 안테나가 작동한다는 사실을 증명하였습니다.

이번 연구 결과는 태양광 발전 등에 핵심적으로 활용할 수 있는 효율 높은 안테나 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있습니다.  

김 교수팀이 합성한 은 나노선 안테나는 완벽한 결정구조를 가지면서도 결함이 없어 표면이 매끈하기 때문에, 모든 파장의 빛을 어떠한 손실 없이 송신하고 동시에 수신하여 효율을 극대화할 수 있습니다.
 
모든 파장의 빛을 손실 없이 송수신하기 위해서는 나노선 안테나의 표면에 아주 작은 결함도 없어야 합니다.

이에 연구팀은 800℃의 고온에서 아무 결함도 없는 완전결정 은 나노선을 만들었습니다.

은 나노선 안테나에 백색광을 비춰주면 빛을 송신하여 안테나 표면에 집중된 전자기장으로 변환시키고, 이 전자기장을 다시 여러 가지 파장의 빛으로 수신하여 마치 무지개와 같은 화려한 색상을 나타냅니다.

이번 연구성과인 은 나노선 안테나는 실제로 활용할 수 있는 광학 안테나 개발에 한 걸음 다가선 것으로, 태양광 발전 및 극미세 나노센서 등에 핵심기술로 사용될 수 있어 향후 나노-광-바이오산업에 선도적인 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지에 4월 17일자로 게재되었습니다.
(논문명 : Rainbow Radiating Single-Crystal Ag Nanowire Nanoantenna)

 용  어  설  명

광학 나노 안테나
광학 나노 안테나는 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고 반대로 전자기장을 빛으로 변환하여 송신할 수 있는 나노미터 크기의 광학 소자로서, 태양광 발전과 같은 미래 산업 발전에 필수적인 역할을 수행할 것으로 기대되어 최근 주목받고 있다.

표면 플라즈몬 (Surface Plasmon)
표면 플라즈몬이란 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수 없는데, 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역 (나노미터 수준)에서도 빛을 강하게 증폭시켜 집속할 수 있다.

완전결정(perfect crystal) 
원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)이라고도 부름. 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태임

나노선 
수십에서 수백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체

Nano Letters지
나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 나노 과학기술 전반에 걸쳐 최첨단 선도연구과제 중 가장 우수한 결과를 세계 학계에 널리 빠르게 알리기 위한 목적으로 미국 화학회에서 발행하는 학술지이다. (2010년도 SCI 피인용지수 : 12.219)

<김봉수 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 화학과  | 2. 학력   1977 - 1981  서울대학교 화학과 학사   1981 - 1983  서울대학교 화학과 석사     1984 - 1990  미국 University of California, Berkeley 화학과 박사 3. 경력사항   1990 - 1994  일본분자과학연구소 협력연구원   1994 - 1996  경북대학교 화학교육과 조교수   1996 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 조교수, 부교수, 교수 4. 전문 분야 정보 - SCI 논문 130여 편, 국내외 특허 출원/등록 40여건 5. 수상 경력 2011 대한화학회 학술상 2011 올해의 100대 우수과학기술연구 2010 교육과학기술부 우수연구성과 50선 2010 한국과학기술원 (KAIST) 학술상 2008 교육과학기술부 우수연구성과 50선

<박규환 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과   2. 학력   1978 - 1982  서울대학교 물리학과 학사   1982 - 1987  미국 Brandeis University 물리학과 박사 3. 경력사항   1987 ? 1988  미국 Brandeis University 박사후연구원   1988 ? 1990  미국 University of Maryland 연구원   1990 ? 1992  영국 University of cambridge 연구원   1992 - 2001  경희대학교 물리학과 조교수, 부교수   2002 - 현재  고려대학교 물리학과 교수 4. 수상 경력 2010 올해의 성도광과학상

<서민교 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 2. 학력   1999 - 2003  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 학사   2003 - 2005  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 석사   2005 - 2009  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 박사   3. 경력사항   2009 - 2009  고려대학교 연구교수   2009 - 2010  미국 Stanford University 박사후연구원   2011 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 물리학과 조교수

<강태준 박사> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 한국과학기술원 (KAIST) 화학과 2. 학력   2000 - 2004  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 학사   2004 - 2010  한국과학기술원 (KAIST) 화학과 박사   3. 경력사항   2010 - 현재  한국과학기술원 (KAIST) 박사후연구원 4. 수상 경력 2011 7회 삼성전기 1nside 논문 대상 은상

전기에너지를 회전 운동에너지로 저장하는 초전도 에너지 저장 장치와, 자력을 이용해 자성물질을 분리하는 자기분리기의 핵심 소재인 초전도 단결정 덩어리를 세계 최고의 효율로 대량생산할 수 있는 길이 열렸습니다.

초전도 단결정 덩어리는 한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열한 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)으로 만들어집니다.

■ 한국원자력연구원 중성자과학연구부 김찬중 박사팀은 초전도 단결정 덩어리의 제조 시간과 생산 비용을 각각 4분의 1로 획기적으로 줄일 수 있는 대량생산 일괄공정을 개발했습니다.

김 박사팀은 종자 성장 공정으로 제조되는 초전도 단결정 덩어리를, 기존 한 개의 종자를 사용하던 기존 공정 대신 여러 개의 종자를 사용해 초전도 단결정의 성장이 분말 성형체 표면과 내부에서 동시다발적으로 일어나게 하는 다층 종자 성장 공정을 연구했습니다.

이를 통해 단위 크기(5㎝ x 5㎝)의 초전도체 제조 시간을 기존 400시간에서 100시간으로 단축시켰고, 초전도체의 전자기적 성능 향상을 위해 첨가하는 고가의 백금 산화물을 값 싼 희토류 물질인 세륨 산화물로 대체해 생산 비용을 일본과 독일 대비 4분의 1인 50만 원까지 줄였습니다.

또 영구자석에 대한 자기부상력이 30㎏에 105A(암페어)/㎠의 전류를 통과시키는 등 품질 면에서 전혀 차이가 없는 것으로 평가받고 있습니다.

게다가 초전도 단결정 덩어리 등의 세라믹 계열 제품은 대량생산 시에 품질 불균일이 문제로 지적되어 왔는데, 이번에 개발된 기술을 통해 만들어진 초전도 단결정 덩어리는 대량생산 시에도 각각의 제품이 균일한 품질을 보여 성능 재현성이 매우 높습니다.

초전도 플라이휠 에너지 저장 장치

현재 초전도 단결정 덩어리는 신일본제철과 독일 Theva 사 등에서 제조해  판매하고 있는데, 이번에 개발된 기술은 이들 국가의 기존 생산 방식보다 생산성이 3배 이상 높기 때문에 상용화될 경우 초전도체 생산 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖출 것으로 기대되고 있습니다.

이번에 개발된 기술은 국내외 특허 획득 과정을 거쳐 2015년 경 상용화될 예정이며, 대량생산을 통해 초전도 에너지 저장장치와 초전도 자기분리기 핵심부품 생산에 활용될 전망입니다.

강자장체가 된 초전도 영구자석에 쇠구슬이 달라붙은 사진

초전도 단결정 덩어리

 용  어  설  명

초전도 단결정 덩어리
한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)에 의해 제조된다.

초전도 에너지 저장 장치(SFES; Superconducting Flywheel Energy Storage)
일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 무저항 현상과 완전 반자성 자기부상을 이용해서 중량물을 공중에서 회전시켜 전기에너지를 운동에너지로 저장하는 장치.

초전도 자기분리기(SMS; Superconductor Magnetic separator) 
초전도체 내부에 강한 자장을 주입시킨 초전도 영구자석을 사용하는 기기로 일반 영구자석에 비해 10배 이상의 자력이 발생한다.
초전도 자기분리기의 강한 자력은 산업용 폐수나 방사성 오염수에 포함된 자성물질 분리에 사용된다.

재현성 
동일한 제품을 생산방법, 수량 등 다른 조건에서 생산했을 때 개개의 성능이 일치하는 정도

<김찬중 박사>   ○ 소속기관 : 한국원자력연구원 중성자과학연구부     학력   ○ 1977 - 1984  성균관대 공과대학 금속공학과 학사   ○ 1984 - 1986  한국과학기술원 재료공학과 석사   ○ 1987 - 1990  한국과학기술원 재료공학과 박사   주요 경력   ○ 1984 - 현재  한국원자력연구원, 책임연구원   ○ 1992 - 1993  미국 Univ. of Notre Dame 교환연구원   ○ 2005 - 2010  한국원자력연구원, 초전도 연구실장   ○ 2008         한국원자력연구원 신지식인상 수상   ○ 2010 - 2011  일본 시바우라 공과대학교 교환 교수   ○ 2005 - 2011  성균관대학교 신소재공학과 겸임교수   ○ 2007 - 현재  한국초전도학회 이사   ○ 2008 - 현재  한국세라믹학회 편집위원   주요 연구 업적 <연구 주제>     - 에너지 저장용 초전도 베어링 소재 개발     - 희토류 초전도 물질 전류밀도 향상기술 개발 <연구 성과>     - 국제 SCI 학술 잡지 연구 논문 110편      - 특허 출원 및 등록  6건 등

첨단기술이 집약된 '바이오칩'은 혈액 몇 방울로 집에서도 암을 포함한 모든 질환을 진단할 수 있는 기반이 됩니다.

나노플라즈모닉스는 금속나노구조표면에 빛을 집광시켜 특정파장의 세기를 크게 향상 시킬 수 있는 나노광학 분야로, 최근 DNA, 단백질, 항체 또는 세포 등을 감지하는 위한 바이오칩 개발에 필수적인 기술입니다.

그러나 사람 머리카락의 1/1000의 크기를 갖는 금속나노구조를 넓은 면적의 유리기판에 균일하게 제작하는 것이 어려워 바이오칩 상용화에 걸림돌이 되어왔습니다.

■ KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수와 오영재 박사과정생(제1저자)은 3차원 나노플라즈모닉스 구조를 이용해 검출가능 한계를 수십 배 이상 향상시킨 초고감도 바이오칩 양산기술 개발에 성공했습니다.

유리기판에 넓은 면적으로 제작된 나노플라즈모닉 기판

정 교수팀은 유리기판 위에 은나노 필름을 입히고 열을 가해 은나노섬을 만들었습니다.

그리고 반도체에 적용되는 식각공정을 이용해 3차원 금속나노구조를 유리기판에 균일하게 형성하고 나서 은나노 입자를 증착시켰습니다.

나노플라즈모닉 기판의 전자현미경 사진(단면도) 및 전자기장 시뮬레이션. 전자현미경 사진은 3차원적인 금속나노구조가 형성된 것을 보여주고 있으며 이를 통해 나노미터 수준의 갭(gap)을 가진 구조를 설계해 국소 전자기장 극대화를 통해 라만분광 신호 증가를 유도하였음. 시뮬레이션은 나노갭에서 강화된 전자기장을 나타냄.

초고감도 나노플라즈모닉 기판의 대면적(직경4인치) 나노공정 순서도.a) 은나노섬을 증착해 식각과정의 마스크로 사용. b) 식각과정을 통한 유리 나노필라어레이(glass nanopillar arrays) 형성c) 증착을 통한 다수의 나노갭을 가지는 나노플라즈모닉 구조 형성.

이 구조는 나노플라즈모닉 현상을 유발하는 다수의 나노갭을 갖고 있어 입사되는 빛의 세기를 수십배 향상시킬 수 있습니다.

또한 상용화중인 반도체 증착공정을 그대로 사용 가능하기 때문에 즉시 양산기술에 적용할 수 있습니다.

정 교수팀은 유리기판위에 표면강화라만분광기술을 접목해 별도의 형광물질 없이 나노몰 수준의 DNA 염기 4종류를 1초 안에 구분했습니다.

이번에 개발된 기술은 향후 실시간 초고감도 DNA 분석은 물론, 신약개발용 약물 스크리닝 등 다양한 질환의 조기진단기술에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 재료 및 나노분야 세계적 학술지인 '어드밴드스 머터리얼스(Advanced Materials)' 5월호(2일자) 표지논문으로 선정됐습니다.

좌측 : 정기훈 교수, 우측 : 오영재 박사과정(제1저자)

 용  어  설  명

라만 분광 (Raman Spectroscopy)
빛(광자)이 입자에 의해 산란될 때 발생하는 비탄성 산란 현상. 이 과정에서 빛의 에너지가 변화하며 생체분자(biomolecules) 또한 산란과정에서 고유의 라만산란(에너지 변화)을 나타내므로 이를 분광학적으로 분석하여 분자 검출 및 분석에 응용이 가능. 

나노플라즈모닉스 
금속나노구조는 빛이 입사될 때 표면의 자유전자가 광자(photons)에 반응하여 진동하고, 입사되는 빛 중 특정파장의 세기를 크게 향상 시킬 수 있다.
이러한 물리적 현상은 다루는 나노광학분야를 나노플라즈모닉스라고 불리우며, 금속나노구조를 이용한 국부적으로 강화된 빛의 세기를 이용한 다양한  응용분야가 최근 활발히 개발 중이다.

표면증강라만분광 (Surface-enhanced Raman Spectroscopy)
라만 분광은 일반적으로 신호가 작아 생체분자 검출이 어렵다는 단점이 있다.
이를 나노플라즈모닉스 기술을 이용하여 금속나노구조 근처에서 강화된 빛의 세기를 통해 라만산란 신호를 극대화하여 검출능을 향상시키는 기술을 표면증강라만분광기술이라고 한다.

형상기억합금(SMA)을 이용한 스마트 공구 클램핑 시스템

형상기억합금(shape memory alloy, SMA)는 일정한 온도가 되면 본래의 형상으로  되돌아가는 성질이 있어, 고온에서 기억된 형상을 저온에서 변형시켜 가열하면 본래의 형상으로 되돌아가는 특수금속입니다.

공작기계 공구를 정확하고 빠르게 교환 장착할 수 있는 '형상기억합금  이용 공구 클램핑 시스템'이 국내 최초로 개발됐습니다.

■ 한국기계연구원 초정밀시스템연구실 박종권 박사팀은 링 형상의 형상기억합금(SMA Ring)을 초소형 공구 클램핑 장치에 적용해 공구를 매우 정밀하고 견고하게 장착하고 교환할 수 있는 스마트 공구 클램핑 시스템을 개발했습니다.
 
이번 기술 개발로 공구를 장착하는 구성 요소와 시스템이 단순해지면서 공구를 5초 안에 교환할 수 있게 됐습니다.

기존 공구를 탈착하기 위해 200℃ 이상 가열하는 데에 1분 이상의 시간이 걸렸고, 콜렛(collet)이나 바이스(vice) 등의 부가적 작동부품 뿐만 아니라 고가의 클램핑-언클램핑 시스템도 필요했습니다.

SMA 클램핑 장치 가열 냉각

클램핑 힘 실험 결과

이번에 개발된 클램핑 시스템은 공구의 직경이 최소 0.5㎜로, 30만 rpm에 이르는 고속회전에서도 안정된 가공 상태를 보여 고속회전이 필요한 소형 마이크로 가공 분야에 응용될 수 있습니다.

또한 밀링이나 드릴링 등의 가공 시에 탈착 반복 정밀도가 기존보다 3배 이상 향상됐습니다.

또 기존 방식과 달리 가공에 따라 온도가 높아질수록 파악력이 더욱 커지는 장점도 있습니다.

이번 기술개발 성과는 기술가치 23억 원, 연매출 200억 원, 세후 영업이익 20억 원에 이를 것으로 추정됩니다.

박종권 박사는 이번에 개발된 시스템을 기반으로 단시간 내에 공구 교환이 가능한 ATC(자동 공구 교환장치)도 개발 중입니다.

SMA 공구 클램핑 시스템 프로토 타입

<형상기억합금(SMA)을 이용한 스마트 공구 클램핑 시스템> SMA 클램핑 원리(SMA; Shape Memory Alloys) 단일방향성 형상기억합금을 통해 클램핑 및 언클램핑의 양방향성 동작을 구현하기 위해서 상대적으로 외경이 큰 공구홀더와 내경이 작은 형상기억합금 링 사이의 직경 차이를 이용한 끼워 맞춤 구조가 핵심이 된다. 저온에서 확대 소성변형된 형상기억합금이 공구홀더에 끼워진 뒤 고온의 오스테나이트 상이 되면 형상기억합금 링의 원형 내경보다 큰 직경의 공구홀더로 인해 형상 복원이 제지되고 그 결과 복원응력이 발생하게 된다. 이 복원응력에 의해 공구홀더는 수축되는 탄성변형이 이루어져 삽입된 공구를 클램핑하게 된다. 반대로 형상기억합금이 다시 냉각되어 마르텐사이트 상으로 변해가면 복원응력은 줄어들고 자체 탄성도 떨어지게 된다. 그 결과 형상기억합금의 복원력이 공구홀더 자체의 탄성력보다 작게 되어 공구홀더는 초기 형상으로 점점 회복되고 삽입된 공구는 언클램핑 상태가 된다.