우리얘기

나노선은 수 십~수 백 ㎚(10억 분의 1m)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체입니다.

나노선은 독특한 물리·화학적 특성을 갖고 있어 학문적으로 중요한 연구 대상이 되고 있습니다.

또한 각종 미래 첨단 전자소자 구현을 위한 핵심 재료로서 각광받고 있는 분야입니다.

주요 적용 분야로는 차세대 신재생 에너지로 주목받고 있는 고효율 태양전지, 폐열을 전기에너지로 변환하는 열전소자, 질병 유무를 판별하는 폭발물, 마약 탐지 등이 가능한 분자센서 등이 있습니다.

그러나 나노선들이 기판 면에 평행하게 누워있는 구조로 되어 있어, 단일 나노선의 경우 나노 암페어 정도의 매우 적은 양의 전류만을 발생시킬 수 있었습니다.

나노선 소자의 성능은 단위면적당 집적될 수 있는 나노선 개수와 표면적에 비례하기 때문에 수평배열을 갖는 나노선 소자는 구조적인 특성으로는 얻어낼 수 있는 성능에 한계가 있습니다.

이러한 문제는 나노선을 기판 위에 고밀도로 수직정렬 시키면 해결할 수 있지만, 수직 정렬된 각각의 나노선 끝과 안정적으로 전기적 접촉을 성공시키기 위해서는 기술적 문제가 남아 있어 그동안 나노선 기반 첨단 소자의 상용화에 걸림돌로 작용되었습니다.

■ KRISS(한국표준과학연구원) 나노소재평가센터 이우 박사 연구팀이 대면적의 기판 위에 극미세 가닥 나노선을 수직으로 정렬해 만들고 안정적으로 전기적 접촉이 이루어지도록 하는 기술을 개발했습니다. 
 

연구팀은 수직 정렬된 나노선 상단에 구름다리 형태로 걸쳐진 2차원적 고분자 박막을 입히고, 그 위에 금속을 덧씌워 선택적으로 개별 나노선 사이에 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 했습니다.

이를 통해 기존의 나노선을 수평으로 배열한 소자에 비해 단위면적당 나노선 집적도가 월등한 소자를 구현할 수 있고, 전류의 양 또한 100만 배 이상을 얻을 수 있었습니다. 

안정적으로 나노선 사이의 전기적인 접합을 구현한 이번 연구결과는 지금까지 수직 정렬된 나노선이 실질적으로 다양한 분야에 응용되기 위한 핵심기술로 평가받고 있습니다.

또한 물질의 종류에 상관없이 다양한 분야에 접목이 가능해 상용화를 위한 핵심기술로 평가받고 있습니다. 

연구팀은 열을 가하면 부드럽게 되어 다른 모양으로 바꿀 수 있는 열가소성을 가진 고분자 막이 특정 온도에서 액체형태로 완전히 녹지 않고 어느 정도의 유동성 만을 갖는다는 점에 주목했습니다.

또 개별 나노선 표면이 갖는 본래의 물리·화학적 특성은 변화시키지 않는다는 특징도 이용했습니다.

그 결과 수평정렬 나노선 소자에 비해 탁월한 성능을 갖는 수직정렬 나노선을 기반으로 한 기체분자 센서를 성공적으로 제작했고, 이 기술이 실질적으로 응용될 수 있음을 확인했습니다.

이 기술은 기존 반도체 소자 제작 공정에 비해 비용 및 시간 측면에서 매우 경제적이며, 다양한 나노선 물질에 적용될 수 있습니다.

이 수직 정렬 나노선으로 고효율 태양전지, 열전소자, 압전소자, LED 소자, 분자센서 등 다양한 첨단소자를 구현할 수 있을 전망입니다.

연구팀은 이번 연구결과를 바탕으로 나노선 기반 고효율 에너지수확 장치 개발 및 상용화를 추진 중입니다.

연구팀은  이번 연구개발에 앞서 실리콘 나노선의 결정학적 배향, 크기, 형상을 자유자재로 제어할 수 있는 원천기술을 개발해 세계적 권위의 나노기술 학술지인 나노레터스(Nano Letters), 에이씨에스 나노(ACS Nano) 등에 발표한 바 있습니다.

이번 연구는 세계적 권위의 재료 학술지인 '어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)' 05월 2일자에 게재되었습니다.

수직정렬 나노선 소자의 전기적 특성을 평가하고 있는 모습

한희 박사(왼쪽), 이우 박사(오른쪽)

 용  어  설  명

나노 암페어(nA) :
암페어는 전류의 단위로, 1 나노 암페어는 10억분의 1 암페어

KAIST 생명화학공학과 박현규 교수가 핵산중합효소의 비정상적인 활성을 금속이온을 통해 조절하고, 이를 이용해 바이오 컴퓨터를 포함하는 미래 바이오 전자 분야의 핵심기술인 로직 게이트를 구현하는 기술을 개발했습니다.

DNA를 새롭게 생성해 증폭시키는 효소인 핵산중합효소는 증폭 대상인 목적 DNA와 프라이머(primer)의 염기쌍이 서로 상보적인 짝(A와 T, C와 G)을 이룰 경우에만 가능하다고 알려졌습니다.

박현규 교수

이는 수은 및 은 이온과의 결합을 통해 안정화 된 비 상보적인 T-T와 C-C 염기쌍을 상보적인 염기쌍으로 인식하는 핵산중합효소의 착각 현상에 기인한 것으로, 박 교수는 이를 '중합효소 활성 착오(Illusionary polymerase activity)'로 묘사했습니다.

연구팀은 이 현상을 기반으로 바이오 컴퓨터 등 초고성능 메모리를 가능하게 하는 미래 바이오전자 구현을 위한 핵심기술인 로직게이트를 구현했습니다.

이번 연구는 기존에 연구되어온 금속 이온과 핵산의 상호작용연구에서 한 걸음 더 나아가 이를 효소활성 유도와 연관시킨 최초의 시도로써, 금속이온의 초고감도 검출 및 새로운 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism) 유전자 분석 기술로 적용할 수 있다는 것이 박 교수의 설명입니다.

특히 기존 핵산 기반 기술들과 비교해 비용이 저렴하고 간단한 시스템 디자인을 통해 정확한 로직 게이트 구현이 가능함으로써 분자 수준의 전자소자 연구에 큰 진보를 가져올 전망입니다.

금속이온에 의한 핵산중합효소 활성 유도 모식도 (앙게반테 케미 표지)

○ 상보성 : 두 가닥의 DNA가 서로 결합하여 이중나선의 DNA 구조를 형성할 때 한쪽 가닥의 A와 G가 다른쪽 가닥의 T와 C에 각각 결합하는 DNA 염기들간의 결합 규칙(A-T & G-C)

○ 핵산 증폭 : 소량의 DNA를 분석 가능한 충분한 양으로 만들기 위한 일련의 과정으로 핵산중합효소를 이용하여 짧은 시간에 10 억배 가량의 증폭된 산물을 생성

○ 핵산중합효소 : 증폭시킬 대상인 목적 DNA를 주형으로 해서 이에 상보적인 DNA 가닥을 생성함으로써 DNA를 증폭시키는 효소

○ 프라이머(primer) : 핵산중합효소가 목적 DNA를 주형으로 해서 새로운 DNA 가닥을 생성할 때 시발점 역할을 하는 짧은 DNA 가닥을 필요로 한다. 이러한 주형 DNA의 한쪽 끝에(3′말단) 상보적인 짧은 길이의 DNA 가닥

○ 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism) : 인종에 상관없이 인간은 99.9%  유전자가 일치하지만 0.1%는 다르다. 이 차이는 인간 게놈 (genome) 의 특정 위치에서 하나의 염기서열(A,T,G,C)의 차이 때문에 일어나며 이를 단일염기다형성이라 한다. 단일염기다형성은 질병의 발병 원인 및 특정 질병에 효과적인 약물이 무엇인지를 판단하는 근거로 사용될 수 있기 때문에 신약개발과 맞춤의약 분야에 있어서 그 중요성이 증대되고 있다.

○ 로직 게이트 : 논리연산을 실행 할 수 있는 디지털 회로의 기본적인 요소

휴대폰이나 심장에 이식한 미세 로봇이 배터리 충전 없이 영구적으로 작동할 수 있을까요?

공상과학 영화에나 나올 법한 이런 일들이 머지않아 가능해 질수도 있습니다.

KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀은 압전특성이 우수한

이건재 교수

구부러지는 유연한 나노박막물질에서 전기가 발생되는 모습.

나노기술과 압전체가 만나서 만들어지는 나노 발전기술은 전선과 배터리 없이도 발전이 가능하기 때문에, 휴대용 전자제품 뿐만 아니라 몸속에 집어넣는 센서나 로봇의 에너지원으로도 사용될 수 있습니다.
게다가 다른 응용기술 여하에 따라 적용 범위가 얼마든지 넓어질 수 있을 전망입니다.

이를 통해 미세한 바람, 진동, 소리와 같이 자연에서 발생되는 에너지원이나 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 수축·이완과 같이 사람 몸에서 발생되는 생체역학적 힘으로 전기에너지를 생산할 수 있습니다.


이번에 개발한 나노 발전기술은 이 교수가 2004년 세계 최초로 공동 발명한 ‘고성능 단결정 휘어지는 전자소자’를 토대로 한 것으로, 세라믹 나노박막물질을 유연한 플라스틱 기판 위에 옮겨서 외적인 힘이 주어질 때마다 신소재 압전물질로부터 전기를 얻는 것입니다.

이 나노 발전기술의 회로구조를 변형하면 LED발광도 가능하다고 합니다.