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KAIST 정희태 석좌교수가 교육과학기술부 주관 '이달의 과학기술자상' 7월 수상자로 선정됐습니다.


정 교수는 그래핀 결정면을 간편하면서도 더 넓게 관찰할 수 있는 새로운 기술을 개발해 양질의 그래핀 제조를 가능하게 한 공로를 인정받았습니다.


정 교수는 나노재료를 이용한 광전자소자 응용분야의 세계적인 석학으로, 그래핀과 나노패턴을 이용한 차세대 액정 디스플레이 등의 개발 연구를 지난 10여 년 간 수행하면서 최근 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있는 기법을 개발했습니다.


정 교수의 연구는 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에 새로운 방향을 제시했다는 평가를 받고 있습니다.


이 성과는 2012년 1월 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처'의 자매지인 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재된 바 있습니다.


그래핀은 현존 물질 중 가장 우수한 전기적 특성이 있으면서 투명하고 기계적으로도 안정적이며, 자유자재로 휘어지는 차세대 전자소재이지만, 제조공정을 통해 넓게 제작된 그래핀은 다결정성을 지녀 단결정일때보다 상당히 낮은 전기적,기계적 특성을 보입니다.


이것은 그래핀의 상업화에 최대의 걸림돌로, 그 특성이 결정면의 크기와 경계구조에 큰 영향을 받기 때문인 것으로 알려지고 있습니다.


따라서 우수한 특성을 갖는 그래핀을 제조하기 위해서는 먼저 결정면의 영역(도메인)과 경계를 쉽고 빠르게 관찰하는 것이 필수적입니다.


정 교수는 지난 10여 년 간 유기 나노재료 및 분자제어를 통해 광학적, 전기적 성질을 이용한 소자를 개발하여 과학인용색인(SCI) 등재 국제학술지에 120편의 논문을 게재하였고, 40여개의 국내외 특허를 출원했습니다.


현재까지 발표한 정 교수의 논문들은 Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Asia Materials, 등 나노소재 분야의 권위 있는 학술지에 게재되어 총 피인용 횟수가 2500여 회에 달합니다.


정 교수는 창의적 연구결과와 탁월한 학술활동을 바탕으로 과학기술발전과 인재양성에 크게 기여한 점을 인정받아 2011년 KAIST 석좌교수로 임명됐고, 최근에는 Macromolecular Research 나노분야에서 편집장으로 활동하고 있습니다.

 

<정희태 교수> 

▶소속 : KAIST 생명화학공학과

● 학    력

▶1983 ∼ 1987    학사, 연세대학교, 화학공학과
▶1987 ∼ 1989    석사, KAIST, 생명화학공학과
▶1994 ∼ 1998    박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과

● 경    력

▶1989 ∼ 1994 삼성종합기술원, 선임연구원
▶1998 ∼ 2000 미국 캘리포니아대학, 박사 후 연구원
▶2000 ∼ 현재 KAIST 생명화학공학과, 정교수
▶2003 ∼ 2005 한국생명공학연구원, 초빙교수
▶2007 ∼ 현재 KAIST 화학과, 겸임교수
▶2007 ∼ 현재  KAIST 나노연구소, 겸임교수
▶2009 ∼ 2010 미국 국가표준연구소, 방문교수
▶2010 ∼ 현재 Macromolecular Research 부편집장
▶2011 ∼ 현재 KAIST, 석좌교수

● 주요업적 : 액정의 배향성질을 이용한 그래핀 영역(도메인)의 시각화
  ◇ 최근 가장 활발히 연구하고 있는 꿈의 신소재인 그래핀은 현존하는 물질 중 최고의 전자이동도를 가지고 있는데, 제조과정에서 생기는 그래핀의 면적과 그 경계면 때문에 실제로는 낮게 나온다
  ◇ 본 연구를 통해 그래핀의 결정면을 간편하고 대면적으로 관찰할 수 있는 신기술을 세계최초로 개발하였고, 이는 그래핀의 물성을 크게 향상하고 상업화를 위한 핵심기술을 개발했다고 볼 수 있다.

 

posted by 글쓴이 과학이야기

그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하면서도 구부려도 전기전도성이 유지돼 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자소자는 물론 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 '꿈의 신소재'로 불립니다.

또 강철보다 200배 이상 강한 물성을 갖고 있어 기계 분야에도 응용가능성이 매우 높습니다.

그러나 마찰력과 접착력 등과 같은 기계적 성질이 미해결 과제로 남아있습니다.

■ KAIST EEWS대학원 박정영 교수가 나노과학기술대학원 김용현 교수와 공동으로 하나의 원자층으로 이루어진 그래핀을 불소화해 마찰력과 접착력을 제어하는 데 성공했습니다.

원자단위에서 그래핀에 대한 마찰력의 원리를 규명하고 제어하는 데 성공한 것은 이번이 세계 최초입니다.

이번 연구결과는 앞으로 나노 크기의 로봇 구동부 등 아주 미세한 부분의 윤활에 응용될 전망입니다.

연구팀은 그래핀을 플루오르화크세논(XeF₂) 가스에 넣고 열을 가해 하나의 원자층에 불소 결함을 갖고 있는 불소화된 개질 그래핀을 얻어냈습니다.

개질된 그래핀을 초고진공 원자력현미경에 넣고 마이크로 탐침을 사용해 시료의 표면을 스캔하는 방법으로 마찰력과 접착력 등의 역학적 특성을 측정했습니다.

불소화를 이용한 그래핀의 마찰력 제어를 보여줌

연구팀은 이번 실험 결과를 바탕으로 불소화된 그래핀은 기존보다 6배의 마찰력과 0.7배의 접착력을 나타내는 것을 밝혀냈습니다.

이와 함께 전기적인 측정을 통해 불소화를 확인하고 마찰력과 접착력의 원리를 분석해내 그래핀의 마찰력 변화에 대한 이론을 정립했습니다.

이번 연구결과는 나노과학분야 권위 있는 학술지 '나노레터스(Nano Letters)' 6월 21일자 온라인판에 게재됐습니다.


 용  어  설  명

그래핀 (graphene)
그래핀은 흑연의 탄소 원자 배열과 같은 모양(6각형의 벌집모양)을 가지면서 원자 하나 정도의 두께를 가진 2차원 탄소나노 구조체이다.
보통 흑연의 표면층을 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라 생각하면 이해가 쉽다.
그래핀은 실리콘이나 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 강도도 강철보다 200배 이상 강하며 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높다. 게다가 신축성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기전도성이 유지된다.
그래핀의 이러한 특성으로 인해 많은 사람들이 그래핀을 전자소자와 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터에 적용하기 위해 연구를 진행 중에 있고, 산업적으로도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope)
극히 높은 배율의 현미경으로 마이크로 탐침을 사용하여 시료 표면을 스캔한다. 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자들 사이에 작용하는 반발력을 이용하여 나노미터 이하의 표면을 스캔하여 촬영하거나 마찰력, 접착력 등의 역학적 특성을 측정할 수 있다.


 

<박정영 교수> 

1. 인적사항

 
○ 주소: 대전시 유성구 대학로 291 (구성동 373-1)
      한국과학기술원 (KAIST) EEWS 대학원
○ Homepage: http://scale.kaist.ac.kr

2. 학력
 1993  학사, 서울대학교, 물리학과
 1995  석사, 서울대학교, 물리학과
 1999            박사, 서울대학교, 물리학과
 
3. 경력사항 
1999 ~ 2002     미국 메릴랜드대학, 박사후 연구원
2002 ~ 2006    미국 에너지부 산하 로렌스버클리 국립연구소, 박사후 연구원
2006 ~ 2009    미국 에너지부 산하 로렌스버클리 국립연구소, 책임연구원
2009 ~ 현재     KAIST EEWS 대학원, 부교수
2011년          이달의 과학기술인상 (대전시)

<김용현 교수> 

1. 인적사항

 
○ 주소: 대전시 유성구 대학로 291 (구성동 373-1)
      한국과학기술원 (KAIST) 나노과학기술대학원
○ Homepage: http://qnmsg.kaist.ac.kr


2. 학력
 1997  학사, KAIST, 물리학과
 1999  석사, KAIST, 물리학과
 2003            박사, KAIST, 물리학과
 
3. 경력사항 
2003 ~ 2006    미국 에너지부 산하 국립 신재생에너지 연구소, 박사후 연구원
2006 ~ 2009    미국 에너지부 산하 국립 신재생에너지 연구소, 책임연구원
2009 ~ 2011    KAIST 나노과학기술대학원, 조교수
2011 ~ 현재     KAIST 나노과학기술대학원, 부교수

 

관련글 : 그래핀을 역학적으로 제어하는 법 http://daedeokvalley.tistory.com/520
            꿈의 신소재 그래핀 대량 생산의 길 http://daedeokvalley.tistory.com/453
            대면적 그래핀, 저렴한 대량생산 길 열었다 http://daedeokvalley.tistory.com/392
            그래핀 상용화 관건, 단결정 그래핀 관측 기술 http://daedeokvalley.tistory.com/234
            상온 그래핀 직접 합성법 개발 http://daedeokvalley.tistory.com/352

posted by 글쓴이 과학이야기

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형으로 연결된 얇은 막 구조로, 두께는 0.35㎚ 정도로 매우 얇지만 강도와 전기전도성이 매우 뛰어납니다.

최근 터치스크린, 트랜지스터, 광검출기, 화학 생물 검출기, 열전기 장치 등 그래핀의 우수한 물리적 특성을 활용한 다양한 응용연구가 진행되고 있습니다.

또 완벽한 2차원 구조를 구현할 수 있는 그래핀을 이용해 2차원 공간에서 발생하는 새롭고 다양한 물리적 현상을 규명하는 연구도 진행 중입니다.

KRISS(한국표준과학연구원)를 비롯해 미국 표준기관(NIST), 독일 표준기관(PTB) 등 각국의 표준기관에서는 그래핀의 2차원 구조로 인해 발생하는 양자홀 효과를 활용해 양자저항 표준개발을 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 

정수용 박사

KRISS 나노양자연구단 정수용 박사가 포함된 미국 표준기술연구원(NIST) 연구팀이 꿈의 신소재 그래핀의 전기적 성질을 외부 역학적 힘으로 조절하는 연구 결과를 발표했습니다.

이번 연구의 공저자인 정수용 박사는 NIST 객원 연구원 재직 당시 실험 및 데이터 분석 등 관련 연구 성과에 주도적인 역할을 했고, 지난 4월부터 KRISS에서 그래핀 표준연구를 수행 중입니다.

기존 그래핀을 활용한 전자소자는 게이트 전극과 같은 외부 전기적 자극을 활용해 그래핀의 전기적 성질을 제어했습니다.

하지만 연구팀은 기존의 전기적 방법을 활용하지 않고, 역학적 방법으로 그래핀의 육각형 구조를 변형시켜 그래핀의 전기적 성질을 조절할 수 있음을 실험적으로 밝혀냈습니다.

탄소원자 한 층만으로 이뤄진 그래핀은 자체적 혹은 외부적 요인으로 탄소 육각형 구조에 변형이 생길 수 있습니다.

이로 인해 그래핀 격자 탄소 원자들 사이에 거리가 변하게 되고, 변형의 세기와 구조에 따라 다양한 전기적 특성이 나타날 수 있습니다.

이번 연구에서는 주사전자현미경(STM) 탐침과 그래핀 사이의 분자들이 서로 잡아당기는 반데르발스 힘, 기판 전극을 이용한 전기력 등을 이용해 그래핀 격자의 변형을 조절했습니다.

특히 그래핀이 원형 대칭 구조로 변형될 경우, 그래핀 내 전자들이 자유롭게 움직이지 못하고 한 지점에 양자점 형태로 모여 있게 된다는 기존의 이론적 예측을 실험적으로 직접 확인됐습니다.

이번 연구는 그래핀 성질을 외부적으로 조절 할 수 있는 방법이 전기적 방법만이 아니라 역학적 방법을 통해서도 가능하다는 것을 제시한 것으로, 늘어나는 전자시계, 휘는 가전제품 등 플렉서블 일렉트로닉스(flexible electronics) 등의 역학적 변형이 필요한 장치에 응용이 가능합니다.

그래핀의 모양이 삼변형 대칭으로 변해서 전기적 성질이 바뀌면 양자홀 효과가 발생했을 때와 비슷한 성질을 나타냅니다.

이러한 원리를 이용하면 극저온 냉장고와 고자기장 없이도 양자홀 효과를 발생해 저항표준기를 개발 할 수 있습니다.

향후 정 박사는 그래핀 기반 양자홀 효과를 이용한 새로운 전기저항표준 개발과 그래핀을 이용한 융합연구 및 측정기술 개발에 집중할 예정입니다.


<원자 해상도 그래핀 주사탐침현미경 이미지>
주사탐침현미경(STM)을 활용해 그래핀을 원자 해상도로 관찰한 모습으로 육각형 모양으로 탄소 원자들이 나열되어 있는 것을 볼 수 있다. 외부 역학적 인자가 존재하지 않는 완벽한 그래핀의 경우 탄소 원자들 사이의 거리는 0.142 nm(나노미터) 이다. 하지만 외부 요인에 의하여 탄소-탄소 사이의 거리 값이 변하게 되면 그래핀의 전기적 성질도 바뀌게 된다.


<STM 탐침과 실리콘 게이트 전극을 이용한 그래핀 단일 막 형태 조절 실험에 대한 개요도>
실리콘 옥사이드에 사전에 제작된 나노 사이즈 구멍위에 올려진 그래핀은 기판과 붙어 있지 않아 외부 역학적 힘에 의하여 쉽게 그 형태가 변하게 된다. 따라서 STM 탐침과 그래핀 사이의 반데르발스 힘, 그리고 그래핀과 실리콘 게이트 전극사이의 전기적 힘을 이용하여 그래핀 막의 형태를 조절 할 수 있다(그림 1a).  이들 사이의 상관관계로 변형된 그래핀은 마치 핀셋으로 얇은 막을 잡아 당기는 경우처럼 국부적 변형이 일어나게 된다(그림 1b). 하지만 그래핀 막의 거시적 변형은 그림 2에서 볼 수 있듯이 STM 탐침과 그래핀 사이의 반데르 발스 힘이 우세한 경우 위쪽으로 잡아 당겨진 형태의 변형이 발생하며, 반대로 실리콘 전극과 그래핀 사이의 전기력이 우세하게 되면 나노 구멍쪽으로 다가가는 변형이 발생한다.       

 용  어  설  명

양자홀 효과 :
극저온, 고자기장 하에서 2차원적인 전자 시스템의 홀 저항이 물질에 무관하게 기본 물리상수의 비로 양자화 되는 현상, 전기저항표준으로 사용되고 있다.
 

posted by 글쓴이 과학이야기

현재 미국에는 미래 과학기술이 자신을 살릴 것이라 믿으며 냉동상태로 보관되고 있는 사람(시신)이 100명이 넘는다고 합니다.

냉동인간은 시신의 체내에서 피를 모두 빼고 대신 동결보호제를 주입한 뒤 액체질소를 채운 영하 196℃의 금속용기 안에 보관하는 것입니다.

현재까지는 이 같은 방식으로 보존만 할 뿐 다시 소생시킬 수 있는 기술은 없습니다.

냉동인간의 해동과정에서 얼음이 재결정화면서 세포의 파괴가 진행되는데 현재 기술로는 이를 해결할 방법이 없습니다.

그러나 이 때 진행되는 현상을 분석해 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용하면 한가닥 가능성이 생기는 셈인데, 이를 연구하려면 액체 상태에서 원자분석이 가능해야 합니다.

여기에 이용되는 것이 투과전자현미경인데, 아직까지 액체를 원자단위로 연구할 방법은 없었습니다.

■ 투과전자현미경은 0.004nm에 불과한 아주 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있습니다.

따라서 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능해 최근 다양한 종류의 차세대 신소재 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 투과전자현미경은 0.001~0.00001 기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체를 관찰하려해도 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해되기 때문에 관찰이 불가능합니다.

게다가 투과전자현미경의 원리상 전자빔이 수백 나노미터 이하의 시편을 투과해야 되는데 액체를 그만큼 얇게 만드는 것도 매우 어렵습니다.

KAIST 신소재공학과 이정용 교수팀은 꿈의 신소재인 그래핀을 이용해 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공했습니다

과학계의 오랜 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술이 세계 최초로 개발된 것입니다.

탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 형성된 그래핀은 두께가 0.34nm로, 지금까지 합성할 수 있는 물질 중 가장 얇은 물질입니다.

그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보이며, 또한 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있습니다.

즉 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있는 원리입니다.

그래핀 두 층으로 이루어진 그래핀 액체 용기를 보여주는 모식도이다. 회색으로 보여지는 그래핀이 위아래로 두층이 있고 그 사이에 백금 원자들을 포함한 유기 용액의 액체가 담겨있다.

연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했습니다.

가장 왼쪽의 녹색 모식도는 두 개의 백금 결정들이 서로 결합하는 것을 보여준다. 이것을 실제 투과전자현미경 안에서 두 개의 백금 결정들을 원자 단위에서 관찰한 것이 두 번째 사진이다. 화살표로 표시된 것이 두 개의 백금 결정들이다. 현재 백금 결정들은 액체 안에 담겨 있는 상태이다. 오른쪽으로 갈수록 시간이 지남에 따라 두 개의 백금 결정들이 하나로 합쳐지면서 그 모양이 육각형으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 이 투과전자현미경 사진에서 백금들 안에 하얀 점들은 원자가 아니고 원자의 규칙을 보여주는 격자 사진이다. 이 격자 사진의 하얀 점들은 원자와 1대 1로 매칭할 수 있다. 즉, 이것은 원자 단위에서 관찰된 것이다.


이 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메카니즘을 확인할 수 있어 나노 크기의 재료 제조나 전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응, 액체 내에서의 각종 촉매 반응, 혈액 속 바이러스 분석, 몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 활용될 전망입니다.

이번 연구는 이정용 교수의 지도아래 육종민 박사(제1저자)가 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 및 제틀 교수와 공동으로 수행됐습니다.

연구결과는 세계적 학술지 '사이언스(Science)' 4월호(6일자)에 게재됐습니다.

 

그래핀 액체 용기 안에서 백금 원자들을 포함한 액체에 투과전자현미경을 이용해 전자 빔을 조사하였을 때 백금 결정들이 자라나는 것을 역동적인 모식도로 표현한 것

 

 용  어  설  명

투과전자현미경 :
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재

광식각 기술 :
빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술

결정구조 :
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 결정을 이루는 구조다.

격자결함 :
결정체 속에서 결정격자가 불완전한 상태인 것을 말한다. 실제로 결정은 여러 이유로 원자가 결여되어 있거나 원자의 배열이 흐트러져 있다. 이는 물질의 열전도도나 전기전도도, 재료의 강도에 큰 영향을 끼친다.

계면 :
기체상, 액체상, 고체상 등의 3상 중 인접한 2개의 상(相)사이의 경계면이다. 흡착이나 분자의 배향 등, 특유한 현상이 나타난다.

재결정 :
온도에 따른 용해도 차이를 이용해 원하는 용질을 다시 결정화시키는 방법.

<보 충 설 명>

그동안 과학자들은 투과전자현미경으로 액체를 관찰하기 위해 산화규소나 질화규소 기판을 광식각 패턴기술을 통해 액체를 담을 수 있는 용기를 만들었다.
그리고 그 용기 안에 결정들이 포함된 액체를 담아 결정들의 성장이나 거동을 관찰하려고 노력해 왔다.

그러나 규소화합물 기판들은 상대적으로 중원소일 뿐만 아니라 그 두께가 두꺼워 투과전자현미경 안에서 전자빔과 기판의 상호작용으로 인해 액체 속 결정들의 원자단위 분석이 어려웠다.

한편 투과전자현미경을 이용한 생물체 연구의 경우에는 살아있는 생물을 그대로 관찰할 수 없었기 때문에 일정한 단계를 거쳐 조직이나 세포의 구조와 내용물을 살아있을 때의 상태대로 보존하면서 죽여 생물 시료를 만들었다.

그러나 이는 죽은 상태이기 때문에 생물체의 메카니즘을 확인할 수는 없었다. 또한 고정->탈수->매몰->절편제작->염색 등의 과정을 거쳐 관찰하는 것은 매우 복잡하다.


<이정용 교수>

1. 인적사항
○ 소  속 : KAIST 공과대학 신소재공학과

2. 학    력
○ 서울대학교 재료공학과 학사 1974
○ KAIST 재료공학과 석사 1976
○ U. C. Berkeley 재료공학과 박사 1986

3. 경력사항
○ 1986. 7.~현재 KAIST 교수
○ 1981. 10.~1986. 7. 미국 Lawrence Berkeley Laboratory 연구조교
○ 1976. 1.~1981. 8. 금성사/금성정밀공업 중앙연구소 사원/과장

4. 주요연구실적
○ 2010 한국물리학회에서 Best Poster Award 수상
○ 2008 교육과학기술부 국가연구개발 우수개발성과패 수상
○ 2008 한국학술진흥재단 학술연구조성사업 우수성과사례 인증패 수상
○ 2001 한국과학기술단체총연합회 과학기술우수논문상 수상
○ 1996 KAIST 학술상 수상
○ 1985 미국전자현미경학회 Presidential Student Award 수상
○ 1985 미국금속학회 Scholastic Achievement Award 수상

5. 출판
○ 국외논문 400여편 게재
○ 저서 7권
○ 13개의 국내 특허 보유 

<육종민 박사>

1. 인적사항
○ 소  속 : KAIST 신소재공학과

2. 학    력
○ KAIST 신소재공학과 학사 2004
○ KAIST 신소재공학과 석사 2007
○ KAIST 신소재공학과 박사 2012

3. 경력사항
○ 2012. 3.~현재 울산 과학기술대학교 방문 연구원
○ 2012. 3.~현재 KAIST 응용과학 연구소 연수 연구원
○ 2010. 2.~2011. 8. 미국 U.C. Berkeley에 방문 연구
○ 2008. 8.~2009. 8. 미국 Lawrence Berkeley National Laboratory의 National Center for Electron Microscopy에 방문 연구

4. 주요수상경력
○ 2010 BK 21 해외 장기 연수 장학금 수상
○ 2008 BK 21 해외 장기 연수 장학금 수상
○ 2007 한국장학재단 대학원생 국가연구장학금 수상

5. 출판
○ 15 편의 국제 학술 논문 출판
○ 8번의 국내 및 국제 학회 발표
○ 3개의 국내 특허 보유


 

posted by 글쓴이 과학이야기

미래 꿈의 신소재로 각광받고 있는 그래핀은 지난 2004년 가임과 노보셀로프 교수 연구팀은 스카치테이프를 이용해 연필심(흑연)으로부터 마이크로미터 크기의 그래핀을 분리해내면서 주목받았습니다.

그래핀은 탁월한 물리적, 전기적 특성을 갖고 있어 현재 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 '꿈의 신소재'로 부각됐습니다.

그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양이 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었습니다.

현재 그래핀 생산은 강산성이나 강한 부식성 산화제 등 독성물질을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하고 있습니다.

그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 흑연을 강산과 산화제로 처리하해 산화흑연을 만든 후, 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것입니다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버리게 됩니다.

이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 발암물질이 포함된 유독성 환원제로 환원시키는 과정을 거치는데, 그럼에도 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남아 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었습니다.

울산과기대 백종범 교수팀이 꿈의 신소재인 그래핀을 친환경적 방법으로 대량 생산할 수 있는 EFG 기술을 개발했습니다.

백 교수팀이 개발한 방법은 흑연을 드라이아이스와 함께 볼밀(ball mill) 용기에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 기술입니다.

이 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있습니다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그래핀의 탁월한 물리적·전기적 특성들은 이론값으로, 실제 그 특성을 갖춘 그래핀을 생산하기에는 매우 어렵습니다.

그러나 연구팀이 개발한 EFG 방식을 사용하면, 다양한 기능을 갖는 그래핀을 대량으로 생산할 수 있습니다.

특히 이 기술은 간단한 볼밀 방법으로 그래핀을 친환경적이면서도 저렴하게 대량 생산할 수 있음을 보여주는 사례로, 향후 다양한 분야에서 그래핀을 활용할 수 있는 가능성을 획기적인 높였습니다.

이번 연구는 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 Case Western Reserve University 교수 등이 참여햇습니다.

이번 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 '미국립과학원회보(PNAS)'에 3월 27일자로 게재되었다. 
(논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀


 용  어  설  명

그래핀 (Graphene) :
그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로서, 탄소원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조로 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이룬다. 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이, 에너지, 환경, 반소체 소자 등에서 주목받는 꿈의 신소재이다.

산화 흑연 (Graphite Oxide) :
가장 많이 사용되고 있는 그래핀 합성 방법인 화학적 합성법의 중간체로서, 강산과 산화제로 흑연을 산화시켜 강한 친수성을 도입하여 면간 간격이 3.4Å에서 6~12Å으로 넓어진 상태로 있다.

산화 그래핀 (Graphene oxide) :
장시간의 교반이나 초음파 분쇄기를 이용하여 산화 흑연을 박리시킨 것이다. 산화 그래핀은 많은 기능기를 가지고 있기 때문에 그래핀 고유의 우수한 성질을 대부분 상실하고 있으며, 그래핀을 얻기 위해서는 추가적으로 환원 공정이 필요하다.

<연 구 개 요>

Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling In-Yup Jeon et al.
(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)

그래핀 나노시트는 0차원 플러렌, 1차원 탄소나노튜브, 3차원 흑연과 같은 탄소 나노물질의 동소체로서 2차원의 벌집모양의 결정구조가 판형으로 밀집되어 있는 구조를 가지고 있으며, 이 신물질은 다양한 응용 가능성을 지니고 있어 최근 학계로부터 엄청난 관심을 일으키고 있다.
그래핀 나노시트를 제조하기 위해서는 스카치테이프를 이용한 박리법, SiC기판에 성장시키는 에피택시 성장법, 화학 증기 증착법 (CVD), 산화 흑연 (GO)의 용액 박리 등 여러 기술들이 보고되었다.
스카치테이프를 이용한 박리법이 높은 품질을 가지는 그래핀 나노시트를 발견함으로 해서 노벨상을 수상하는 영예를 안았으나 이 방법은 매우 낮은 수율로 인해 대면적의 그래핀 나노시트 필름을 제작 하는 데에는 적합하지 않다.
30 인치 이상의 대면적 그래핀 나노시트 필름이 진공 상태에서 정교하고 세심한 제조 공정인 화학 증기 증착에 의해 제조되었으나, 이 역시 제조과정이 까다롭고 고가이기 때문에 대량생산에는 적합하지 않다.
흑연을 산화하여 산화 흑연으로 제조한 후에 용액상에서 박리하여 환원시키는 제조법은 현재 널리 보고되어 있으며 전 과정이 용액 내에서 진행되며 대량생산이 용이한 장점이 있다.
그러나 흑연 층간의 강한 반데르발스(Van der Waals) 인력으로 인해 용액 박리법은 강한 산화제를 필요로 하며 또한 까다로운 여러 공정이 수반된다.
이러한 부식성의 산화제는 탄소 기저면(basal plane)에 수많은 화학적·물리적 결함을 도입해서 종종 심각한 손상의 원인이 된다.
결과적으로 이 방법은 손상된 기저면을 복구시키기 위해 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀을 만드는 것이 필수적이다.
하지만 안타깝게도 환원 과정에는 위험한 환원제가 사용되지만, 환원이 전부 일어나지도 않는다 (~70%). 환원된 산화 그래핀은 여전히 산화된 기능기와 구조적 결함을 가지고 있으므로, 추가적으로 고온에서 가열냉각 (annealing) 과정을 거쳐야 한다.
 위에 언급된 산화 그래핀 제조법의 한계점을 극복하기 위해, 본 연구팀은 드라이아이스 존재 하에서 볼밀에 의해 간편하지만 효과적·친환경적·가장자리 선택적 기능화로 산화되지 않은 흑연 제조의 새로운 방법을 보고한다.
가장자리가 카르복실화된 흑연 (edge-carboxylated graphite, ECG)은 높은 수율로 제조되며, ECG는 용액 과정에 유용한 그래핀 나노시트로서 자가 박리를 일으켜 다양한 극성 용매에 매우 잘 분산된다.
산화 그래핀과는 달리 가장자리가 선택적으로 기능화된 흑연은 기저면의 높은 결정 구조를 보호할 수 있다.
가장자리에 붙어있는 기능기들은 서로 반발하는 성질을 지니고 있기 때문에 효과적으로 흑연의 가장자리를 벌리게 되며, 이는 용매 내에서 자가 박리를 일으키게 된다.
분산된 용액은 높은 품질의 그래핀 나노시트/필름의 제조를 가능하게 한다.
그 예로 산화 그래핀보다 더 뛰어난 1214 S/cm의 전기 전도도를 가지는 대면적의 그래핀 나노시트 필름은 기판 위에 필름을 형성하고 열로 기능기를 없애므로 해서 쉽게 제조할 수 있는 대면적의 그래핀 나노시트 필름은 또한 볼밀에서 카르복실화를 위해 사용된 반응물인 드라이아이스의 사용은 대기 중의 이산화탄소 배출과 지구에서 악영향을 줄이거나 없애기 위해 이산화탄소를 포획 및 저장하기에 용이할 수 있다.
유해한 화학물질도, 까다로운 공정도 없는 새로 개발된 볼밀 공정은 매우 낮은 제조단가에서 높은 품질의 그래핀 나노시트를 대량생산으로 기존의 제조법을 능가한다. 

 

<백종범 교수> 

1. 인적사항                          

 ○ 성 명 : 백종범(46세)
 ○ 생년월일 : 1967.03.17.
 ○ 소 속 : UNIST 친환경에너지공학부

2. 학력
  1984.3 - 1991.2  경북대학교 공업화학과 학사   
  1991.3 - 1993.2 경북대학교 고분자공학과 석사  
  1994.8 - 1998.8 University of Akron, Department of Polymer Science 박사   
  
3. 경력사항 
  1993.07 - 1998.08   국비장학생 
  1998.12 - 1999.10   Liquid Crystal Institute, Kent State University 박사후 연구원
  1999.11 - 2003.08   US Air Force Research Lab/UDRI 선임연구원
  2003.09 - 2008.08  충북대학교 부교수
  2008.08 - 2009.08   Georgia Institute of Technology 방문교수
  2010.04 - 현재     UNIST 저차원 탄소소재 연구센터장
  2008.11 - 현재     UNIST 친환경에너지공학부 부교수

<전인엽 연구원> 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 전인엽 (34세)
 ○ 소 속 : UNIST 친환경에너지공학부
 
2. 학력
  1998.03 - 2004.02     충북학교 공업화학과 학사   
  2005.09 - 2007.08      충북대학교 공업화학과 석사  
  2008.03 - 2009.02     충북대학교 공업화학과 박사과정
  2009.03 - 현재        UNIST 친환경에너지공학부 박사과정 


 


 

posted by 글쓴이 과학이야기

촉매금속 위에서 합성된 대면적 그래핀은 디스플레이, 태양전지 등에 다각적으로 활용될 수 있어, 이에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

그러나 이 대면적 그래핀을 실제 전자기기에 응용하기 위해서는 단원자 층인 그래핀을 촉매금속으로부터 손상 없이 떼 내는 것이 무엇보다도 중요합니다.

지금까지는 화학약품을 이용해 금속을 녹여 제거함으로써 그래핀을 촉매금속으로부터 분리했습니다.

그러나 이 방법은 금속을 재활용할 수 없을 뿐만 아니라 생산단가도 높아 경쟁력이 없고, 특히 금속을 녹이는 과정에서 많은 양의 폐기물이 발생하여 환경문제를 일으킬 수 있습니다.

또 공정 단계도 매우 복잡해 그래핀의 양산화에 큰 장벽으로 작용했습니다.

□ KAIST 김택수, 조병진 교수팀은 금속위에서 합성된 그래핀의 접합에너지를 정밀측정한 후 이를 이용하면 그래핀을 금속으로부터 쉽게 분리할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다.

이번 연구는 그동안 어떠한 연구팀도 정확히 측정할 수 없었던 그래핀과 촉매금속간의 접합에너지를 처음으로 정밀히 측정하는데 성공한 것입니다.

금속 재활용이 가능한 친환경, 저가 기반의 그래핀 양산 기술과 이를 이용하여 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터


이를 이용해 촉매금속을 기존처럼 일회용으로 사용하는 것이 아니라, 무한대로 재활용할 수 있게 돼 친환경적이면서도 저렴한 고품질 대면적 그래핀 생산의 원천기술을 마련했습니다.
    
또한 이 방법을 사용해 기계적으로 분리된 그래핀을 다른 기판에 전사하지 않고 곧바로 그 위에 전자소자를 제작하는데 성공해 기존의 복잡한 그래핀 생산단계를 획기적으로 줄였습니다.

특히 그래핀을 떼어낸 후에도 그 금속기판을 수차례 재활용하여 그래핀을 반복적으로 합성해 처음과 같은 양질의 그래핀을 합성할 수 있어 친환경, 저비용 그래핀 양산기술에 새로운 길을 열었습니다.
 
이번 연구결과를 통해 매우 간단한 단일 공정만으로 그래핀을 금속으로부터 손쉽게 떼 내어 그래핀 응용소자를 제작할 수 있게 됐습니다.

연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(2월 29일자)로 게재되었다. 
(논문명 : Direct Measurement of Adhesion Energy of Monolayer Graphene As-Grown on Copper and Its Application to Renewable Transfer Process)  



(왼쪽부터) 신우철 박사과정생, 윤태식 석사과정생, 김택수 교수, 조병진 교수.

 용  어  설  명

그래핀 분리기술 :
금속위에서 성장된 대면적의 그래핀을 활용하기 위해 원하는 기판위에 그래핀을 전사시키는 기술.
기존에는 화학 약품을 이용한 식각 공정으로 금속을 제거하여 그래핀을 분리하였으나, 식각 공정 중에 그래핀의 손상과 환경오염, 높은 제작비용 등의 문제로 인해 그래핀 상용화에 큰 걸림돌이 되어왔다.

접합에너지 :
이종 고체간의 상호작용으로 인하여 서로 점착하려는 경향을 나타내는 값으로서 금속위에서 성장된 원자 한층 수준의 얇은 그래핀을 금속으로부터 분리해 내기 위해서는 접합에너지에 대한 규명이 필수다. 

 

<연 구 개 요>

그래핀은 우수한 전기적, 기계적 특성으로 인해 다양한 분야의 핵심 소재로서 각광 받고 있다. 현재까지 고품질의 대면적 그래핀은  촉매 금속위에서 Chemical Vapor Deposition (CVD) 방법을 통해 성장되어 왔다. 
금속위에서 성장된 그래핀을 전자 응용소자 제작에 이용하기 위해서는 금속으로부터 그래핀을 분리해내는 그래핀 분리 과정이 필수적인데, 현재까지는 화학적 식각 방법을 통해 금속을 제거하는 금속 식각 공정이 이용되었다.
그러나 이러한 과정은 그래핀에 손상을 줄 수 있고 대면적의 금속 식각으로 인한 상당한 양의 폐기 물량을 유발할 뿐만 아니라, 금속 기판을 일회성으로 밖에 이용할 수 없어 그래핀 상용화에 커다란 장벽으로 작용해왔다.

본 연구진은 세계 최초로 금속위에서 성장된 그래핀이 금속과 이루는 접합에너지를(0.75±0.07 J/m2) 실험적으로 정확하게 밝혀내었다. 그림 1. 은 Double Cantilever Beam (DCB) testing을 이용한 그래핀과 구리 사이의 접합에너지 측정을 보여준다.  이것은 그래핀을 금속으로부터 기계적으로 분리해내는데 가장 중요한 정보라고 할 수 있는 접합에너지의 구체적인 값을 규명하였다는 면에서 상당한 의미를 가진다고 할 수 있다.

그림 1. DCB fracture mechanics testing을 이용한 그래핀과 구리 금속 사이의 접합에너지 측정. Loading/crack-growth/unloading cycle을 반복해서 수행하면서 crack length (a) 및 접합에너지를 추출하였다.       


그림 2. (a) 촉매 금속 기판의 재활용이 가능한 친환경, 저가 비용의 그래핀 양산 기술의 모식도
        (b) 하나의 금속 기판에서 반복적으로 그래핀을 성장 및 분리시킨 후 측정한 라만 결과.
            고품질의 그래핀을 하나의 금속 기판위에서 반복적으로 성장시킬 수 있다.

그래핀이 금속과 이루는 접합에너지는 그래핀 분리 기술의 핵심적인 정보를 지니고 있음에도 불구하고, 원자 한 층으로 이루어진 그래핀을 대면적의 금속으로부터 정확하게 박리해 내기가 매우 어려워 지금까지 어떠한 연구진에 의해서도 규명되지 못하고 있었다. 
또한 본 연구진은 규명한 접합에너지를 이용하여 하나의 금속 기판을 무한대로 재활용하여 그래핀을 양산할 수 있는 친환경, 저가 비용의 그래핀 분리 기술을 개발하였다.
그림 2. a 는 하나의 구리 기판에서의 그래핀의 성장과 분리가 반복적으로 가능하다는 것을 보여주며, 그림 2. b 는 반복 성장된 그래핀의 라만 결과로서 하나의 금속기판 위에서도 고품질의 그래핀을 계속해서 무한대로 양산할 수 있다는 것을 보여준다.
본 연구에서 개발한 그래핀 분리 기술을 이용할 경우 기존의 기술 대비 생산 비용을 상당히 낮출 수 있을 뿐만 아니라 간단한 기계적 박리 기술로 쉽게 그래핀을 얻어 낼 수 있으므로 현재의 복잡한 그래핀 양산 과정을 오직 하나의 단일 단계만으로 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다.
실제로 본 연구진은 이러한 기계적 박리 기반의 그래핀 분리기술을 이용하여 양산시킨 그래핀을 소자의 채널물질로 이용하여 전계 효과 트랜지스터를 유연기판위에 제작하는데 성공하였다.
그림 3. (a) 은 본 연구에서의 개발된 그래핀 분리기술을 이용하여 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET) 의 사진 및 모식도를 보여준다.  그림 3. (b),  (c), (d) 는 제작된 그래핀 FET 소자의 전류-전압 특성과 Bending Stability를 나타낸다.  본 연구진은 기계적 박리를 통해 그래핀을 원하는 기판에 전사시켜 응용소자의 제작이 가능하다는 것을 밝혀내었으며 이것은 본 연구에서 개발한 그래핀 분리기술이 그래핀 응용 소자 제작에 바로 이용가능하다는 것을 보여주는 결과로서 그래핀 상용화 크게 앞당길 것으로 기대한다.

그림 3. (a) 기계적 박리를 통해 단일 공정만으로 분리된 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터의 모식도 및 사진.
       (b) 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 Output 특성. (c 유연성 기판에 전사되어 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 Transfer 특성 및 Bending Stability.
       (d) 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 bending 조건에 따른 이동도 변화. 이동도 특성 변화는 10 %로서 매우 안정된 소자의 구동이 가능함을 알 수 있다. 


<조병진 교수>

1. 인적사항        
 ○ 소 속 : 카이스트 전기 및 전자공학과   
 
2. 학력
  1981 - 1985    고려대학교 전기공학과 졸업
  1985 - 1987    카이스트 전기 및 전자공학과 석사 졸업
  1987 - 1991    카이스트 전기 및 전자공학과 박사 졸업
 
3. 경력사항
2007 - 현재   카이스트, 전기 및 전자공학과 교수
1997 - 2007    싱가포르 국립대학교, 전기 및 컴퓨터 공학과 교수
1993 - 1997   하이닉스 반도체, 메모리 연구소 책임연구원
1991 - 1993    벨기에 IMEC 연구원
<김택수 교수>

1. 인적사항    
 ○ 소 속 : 카이스트 기계공학과                
 
2. 학력
  2001    연세대학교 기계공학과 학사 졸업
  2006    스탠포드 대학교 기계공학과 석사 졸업
  2010    스탠포드 대학교 기계공학과 박사 졸업
 
3. 경력사항
2010.12 ~ 현재      카이스트, 기계공학과 조교수
2010.1 ~ 2011.11 스탠포드 대학교 재료공학과 박사 후 과정(Postdoctoral Scholar)
 

posted by 글쓴이 과학이야기

그래핀은 탄소원자가 2차원 평면상에서 벌집모양의 공유결합구조를 이루는 탄소나노소재로 높은 전기전도성과 유연한 성질 등을 갖고 있어 꿈의 소재로 각광받고 있습니다.

그래핀은 탄소원자 6개가 만든 6각형 모양이 종이처럼 넓게 이어진 구조로, 두께가 0.34㎚로 매우 얇고 투명하며 강도와 열전도성, 탄성 등이 뛰어나 물리적, 화학적 안전성이 매우 높은 특징이 있습니다. 

유연 투명 디스플레이나 터치패널, 유연 태양전지 등 차세대 IT 제품에는 전기전자 소자의 보호필름 역할을 하는 유연한 소재의 투명전극이 필수적이지만 기존 그래핀 유연투명전극은 고온 다습하거나 가벼운 마찰에 의해 쉽게 파괴돼 상용화에 어려움을 겪어왔습니다.

□ 한국기계연구원 이학주 박사팀은 성균관대 안종현 교수팀과 함께 그래핀 전극의 전기전도도를 일정하게 유지하면서 A4 용지 크기의 그래핀 표면에 30㎚ 두께로 균일하게 폴리머 박막을 연속 코팅하는 데 성공했습니다.

연구팀이 개발한 그래핀 유연투명전극 보호용 폴리머 박막은 그래핀 표면 위에 약 30㎚ 두께로 코팅되어 환경적, 기계적 마찰로부터 그래핀을 보호함으로써 가혹한 환경에서도 그래핀의 전기적 특성을 유지할 수 있도록 해줍니다.

이번 기술은 환경적, 기계적 요인에 의해 그래핀의 전기적 특성이 저하되는 문제를 해결함으로써 그래핀 유연투명전극을 활용한 제품의 상용화를 앞당길 전망입니다.

이번 연구결과는 2011년 12월 12일 나노소재 분야의 저명한 국제학술지인 'ASC Nano'에 게재됐습니다.

한편 그래핀 관련 시장은 2015년부터 본격 상용화가 시작돼 2030년에는 6000억 달러 규모로 형성될 전망이며, 이 중에서 그래핀 투명전극 관련 시장은 1200억 달러로 예상됩니다.

posted by 글쓴이 과학이야기


반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 갈수록 치열해지고 있습니다.


그러나 현존 최첨단 반도체 기술로도 10㎚(나노미터) 이하의 반도체 제작은 불가능한데요.

기존 실리콘을 대체할 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제입니다.

특히 최근 광식각 패턴기술이 적용되던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달하면서 이런 요구는 더욱 높아지고 있습니다.

이에 따라 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있습니다.

이 중 DNA는 2㎚(나노미터)까지 정교한 미세패턴이 구현 가능해 차세대 신소재로 각광받고 있습니다.

2나노급 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 1만 편을 저장하는 등 현재 상용중인 20나노급 반도체보다 약 100배나 많은 용량을 담을 수 있습니다.

□ KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 신기술 개발을 통해 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단 기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2 ㎚(나노미터)급의 선폭을 갖는 반도체 개발이 가능해질 전망입니다.

연구팀은 'DNA 사슬접기'라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용해 금속 나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2㎚(나노미터) 까지 정밀하게 조절할 수 있는 점을 발견했습니다.

그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성되기 때문에 반도체칩에는 적용이 불가능했습니다.

이에 김 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었습니다.

DNA 들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.

개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖고 있습니다.

이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화할 경우 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 전망입니다.

화학적으로 개질된 그래핀 위에서 형성된 직사각형 모형의 DNA 사슬접기 모양과 측정 사진



다양한 기능을 발휘하는 그래핀 소재 위에 2나노 급의 초미세 패턴을 구현할 수 있는 DNA 사슬접기를 배치시키는 기술은 기계적으로 유연한 나노반도체나 바이오센서 등 다양한 분야에 원천기술로 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤습니다.

 

 용  어  설  명

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재

광식각 기술 :
빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술

DNA 사슬접기 :
긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재. 
DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.

탄소나노튜브 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재

나노 기술 :
1나노미터는 10억분의 1m다.
즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다

 

 <보 충 설 명>

플레시 메모리의 회로 선폭에 대한 로드맵

2013년도에 10nm급 패턴 (16nm) 개발예정으로 되어 있고, 2011년 이후 현재 양산은 22nm 회로선폭으로 제작되고 있음을 나타냄

DNA사슬 형성과정

DNA 오리가미가 형성되는 과정을 모식도로 표현한 것이며 실제로 형성된 DNA 오리가미를 AFM 장비를 이용하여 그래핀 산화물 위에 잘 흡착되어 있는 것을 측정한 것임.


DNA 사슬접기가 그래핀에 흡착된 상태를 측정

DNA 사슬접기가 화학적으로 개질된 여러 종류의 그래핀에 따라 흡착된 상태를 AFM 장비를 이용하여 측정한 것이며 그것을 증명하기 위해서 XPS 장비를 사용하여 마그네슘 이온이 존재함을 확인한 자료 

A) 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인

B) 질소도핑/환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 선택적으로 흡착됨을 AFM 분석과 흡착된 영역에 마그네슘 이온이 존재함을 XPS 분석으로 확인

C) 환원 그래핀 산화물에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인

D) 그래핀에 DNA 오리가미가 흡착되지 않음을 AFM 분석과 마그네슘 이온이 적게 분포함을 XPS 분석으로 확인


화학적으로 개질된 그래핀 위에 DNA 사슬접기를 흡착시킨 후에 DNA 사슬접기 내에 특정 위치의 DNA 사슬 단일 가닥과 CNT와 결합된 다른 DNA사슬 단일 가닥과 결합하면서 CNT의 흡착 위치를 제어하는 것을 표현

DNA 사슬접기는 긴 원형의 단일 DNA 사슬에 수백개의 짧은 DNA 단일 사슬들과 이중나선 구조를 형성하면서 긴 원형의 단일 DNA사슬이 포개지면서 형성하는 것으로 짧은 DNA 단일 사슬들 중에 CNT에 결합되어 있는 DNA사슬과 결합할 수 있는 특정 단일 DNA 사슬을 사용하므로써 CNT의 위치를 제어 할 수 있습니다.


posted by 글쓴이 과학이야기
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