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교육과학기술부는 2012년 1월 '이달의 과학기술자상' 수상자로 건국대 박배호 교수를 선정했습니다.

박 교수는 지금까지 개념적으로만 알려져 왔던 꿈의 신소재 그래핀(graphene) 표면 주름의 존재와 구조를 세계 최초로 밝히고, 주름 구조를 제어하는 방법을 개발하여 국내 나노물리 연구를 세계적 수준으로 높이는데 기여한 공로를 인정받았습니다.

박 교수는 지난해 7월 그래핀 주름 구조의 특성을 밝혀 세계 최고 권위의 과학전문지 '사이언스(Science)'지에 게재하였고, 특히 연구결과의 중요성을 인정받아 '사이언스 온라인 속보(Science Express)'에 먼저 소개되는 영예를 얻었습니다.
 
박 교수는 다양한 첨단 실험 기법을 이용해 나노 소재와 소자를 직접 제작하고, 새로운 물리적 현상을 측정하고 이해하여 나노 소재와 소자의 특성을 연구했습니다.

특히, 지난해에는 그래핀 주름구조의 특성연구를 통해 동일한 그래핀에서 미세주름의 방향이 다른 구역(domain)이 존재한다는 사실을 밝혀내고, 열처리 공정으로 구역의 구분을 없앨 수 있으며 그래핀 전체가 일정한 마찰력을 지니도록 재구성할 수 있음을 증명하여 자유자재로 휘어지는(flexible) 전자소자 개발에 새로운 가능성을 열었습니다.

SiO2 기판위에 박리법으로 증착된 그래핀의 원자힘 현미경 이미지(좌), 마찰력 도메인 이미지(중앙), 마찰 도메인에서 예측한 잔주름 분포(우).



또 박 교수는 복잡한 공정(패터닝과 식각) 없이도 원자힘 현미경을 이용해 일상적인 환경에서 그래핀을 나노크기로 산화 또는 수소화하는 방법을 개발하여 그래핀 기반 나노 소자 구조 형성과 특성 연구에 다양성을 제공했습니다.

박 교수는 원자힘 현미경에 공급하는 전압을 조절하여 작은 그래핀 조각을 산화 및 수소화하는 방법을 개발하여 지난해 7월 나노화학 분야의 권위지인 'ACS Nano'지에 논문을 발표했습니다.

또 산화물 박막에 펄스 전압을 공급함으로써 산화물 내부의 산소 이온 분포를 변화시켜 산화물의 저항변화 특성을 제어할 수 있음을 발견하고, 이 현상을 이용해 단일물질로 구성된 차세대 저항 변화 메모리를 구현할 수 있음을 증명하여 물리학 분야의 권위지인 응용물리학회지(Applied Physics Letters)에도 논문을 발표했습니다.

이 밖에도 박 교수는 지난 10년간 나노소재 및 나노소자와 관련된 기초와 응용 분야를 접목하는 연구를 꾸준히 진행하면서 120여 편의 SCI 논문을 발표하였고, 인용횟수도 3500번을 넘어 이 분야의 유망한 신진과학자로 인정받고 있습니다.

특히 2007년 이후에는 Science, ACS Nano, Advanced Materials, Applied Physics Letters 등 세계적으로 권위 있는 학술지에 70편의 논문을 발표하였고, 2008년부터는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원을 받고 있으며, 2009년에는 한국물리학회 학술상을 수상하는 등 왕성한 연구 활동을 전개하고 있습니다.

 

<박배호 교수 프로필> 

 

▶성명 : 박배호 (朴培昊)
 ▶소속 : 건국대학교 물리학부 양자 상 및 소자 전공

● 학    력

▶1999. 8, 서울대학교, 응집물질물리학, 박사
▶1995. 2, 서울대학교, 응집물질물리학, 석사
▶1993. 2, 서울대학교, 물리학, 학사

● 경    력

▶1999.11 ~ 2001.8
▶2001.9 ~ 2006.8
▶2006.8 ~ 2010.8
▶2007.1 ~ 2008.12
▶2010.9 ~ 현재
Los Alamos National Lab. 박사후 연구원
건국대학교 조교수
건국대학교 부교수
한국물리학회 물리올림피아드 행사위원장
건국대학교 정교수


● 주요업적 : 그래핀 미세주름 구조 연구
그래핀에 미세주름의 방향이 다른 구역이 존재함을 밝히고, 열처리 공정을 이용한 구역 구조 제어 방법을 개발하여 이 분야의 국내 발전에 기여함.


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□ 표면주름은 여러 개로 적층된 구조에서 어느 한 층이 극도로 빠른 팽창이나 수축할 때 그 불안정성으로 나타나는 구조입니다.

이러한 불안정성을 갖는 적층구조는 동식물의 표피와 같은 생물의 조직뿐만 아니라, 최근 활발히 연구되고 있는 휘어지는 플렉시블 디스플레이나 소자에서도 흔하게 나타나고 있습니다.

특히 생체조직은 주름이 지속적으로 성장하는 과정을 겪는데, 지금까지 이러한 이차원적인 표면에서 잔주름의 성장이 만들어내는 삼차원적인 구조의 변형에 대해서는 밝혀진 바가 없었습니다

□KAIST 김필남 연구교수가 스트레스로 생긴 잔주름이 성장하면서 깊은 주름으로 발전하는 모든 과정을 가시화하고 그 원인을 규명했습니다.


연구팀은 얇은 박막이 극심한 스트레스를 받으면서 생기는 잔주름이 깊은 골짜기 형태의 접힌 구조물로 변형해가는 일련의 과정을 밝히고, 이를 통해 자연계에서 나타날 수 있는 다양한 복합 구조물을 모방해내는 기반기술을 개발했습니다.

이번 연구를 통해서 김 박사팀은 주름(wrinkle)이 곡률이 극심한 접힘(fold)이라는 구조로 변형되어가는 메커니즘을 규명했습니다.

또 연구팀은 실시간 분석을 통해 잔주름 구조물이 일련의 자기조직화 과정을 거쳐 궁극적으로 그물망 형태의 접힘 구조물로 변형된다는 사실을 밝혀냈습니다. 

흥미로운 것은 이 과정을 통해 만들어진 구조는 건조한 땅이 갈라지면서 만들어내는 균열구조와 매우 흡사하고, 나뭇잎에서 볼 수 있는 맥관구조 뿐만 아니라 인체에서 볼 수 있는 혈관 네트워크와도 매우 흡사한 구조를 가지고 있다는  것입니다.

(왼쪽) 고분자로 모방된 나뭇잎맥 패턴 (오른쪽) 실제 나뭇잎의 패턴

이는 무생물뿐만 아니라 생물계에서 보여주는 다양하지만 일관된 구조(그물망 구조 등)의 발생 원리를 기계적 물리학적 입장에서 재해석할 수 있음을 보여주는 결과입니다.

이번 연구 결과는 모든 발생과정을 볼 수 없는 생물계에서의 구조화, 패턴화를 이해하는데 크게 기여할 전망입니다.

이번 연구결과는 '네이처(Nature)'의 대표적인 자매지인 'Nature Materials' 12월호(12월 1일자) 표지논문으로 선정됐습니다.


 용  어  설  명

표면주름 제어기술 :
일반적으로 얇은 필름은 주름이 생기기 쉽다.
특히 박막에 기계적 물리적인 스트레스(수축)가 가하게 되면 주기성을 가지는 주름이 만들어진다.
이러한 주름은 가깝게는 피부 표면, 또는 손가락에 있는 지문 무늬가  대표적이다.
이러한 주름구조물은 고분자 박막을 수축 또는 팽창을 가하는 공정을 통해서 수십 나노에서 수백 마이크로 사이즈의 주기성을 가질 수 있도록 제작할 수 있고, 이러한 미세 구조물은 현재 광학적, 전기적 특성을 제어하는 연구에서 응용되고 있다.

자기조직화 과정 :
자기 조직화 과정은 시스템의 내/외적 환경에 의해서 자발적으로 안정한 상태, 균형 있는 상태로 나아가는 과정에서 만들어지는 구조화 과정을 의미 한다.
자기 조직화 과정에는 계층적 방식(Hierarchical process), 자발적 제어과정 (Self-regulation process), 연속적인 구획화(Subdivision process) 및 분지화(Branching process) 등이 있다.
이러한 구조화 또는 조직화 과정은 주어진 조건이 만들어낼 특정 패턴이 정해져 있지 않는 상황에서 시스템 자체의 동적작용을 통해서 최적화된 패턴을 만들어내는 것이다.
이는 자연계의 대부분의 패턴에서 볼 수 있는 구조화 과정으로 자연 발생적, 환경에 적응하는 과정에 기인한다.
이러한 자기조직화 과정은 최적화된 시스템을 만들어내고자 하는 자연모방연구에서 요구하는 다양한 삼차원적 복합 구조물을 제작할 수 있는 새로운 접근 방법으로 앞으로 많은 기대 가치가 있는 분야이다.


<연 구 개 요>

Hierarchical patterns of localized folds show intriguing resemblance to fracture patterns in drying pastes and to venation networks in leaves.
접힘으로 인해 만들어지는 계층적 패턴은 젖은 분말의 건조과정에서 나타나는 균열패턴 그리고 나뭇잎에 있는 그물망 맥관구조와 흡사하다.
 
적층된 구조물에서의 내외부 스트레스 주입을 통해서 발생되는 주기성을 가진 주름구조는 휘어지는 디바이스(stretchable electronics), 미세구조제작공정(microfabrication) 등에 다양하게 이용되고 있지만, 다양한 형태의 균열과 같은 기계물리적인 변형 (mechanical failure)으로 인해서 그 응용성에 제한이 있다. 특히 주름의 극심한 스트레스는 높은 곡률을 가진 접힘(folding) 구조로의 변형을 유발한다.  
이러한 주름-접힘현상(wrinkle-to-fold transition)과 관련하여 현재까지는 1차원적인 접근 (unidirectional system)과 해석만이 이루어지고 있는 실정이었다.
즉, 보편적인 시스템에서 흔히 일어나는 2차원적인 평판에서의 양방향 스트레스(Biaxial stress)에 의한 접힘구조의 생성, 진화, 변형 등과 같은 현상의 가시화 및 메커니즘 분석은 풀어야 할 중요한 과제였다. 

 
 본 연구를 통해 적층된 박막구조물이 2차원적인 시스템에서 양방향 압축스트레스 (Biaxial compressive stress)를 받게 되면 연속적인 주름-접힘 전환(Wrinkle-to-fold transition)을 거치게 되고 이러한 과정에서 스트레스의 재정립화/재조직화(Stress re-organization)를 통해서 접힘구조로 이루어진 계층적인 네트워크 구조물(Hierarchical network of folds)이 형성됨을 밝혔다. 이러한 박막에서의 기계/물리적 스트레스의 재정렬 및 재조직화는 자기조립화 과정에 의해서 구조를 형성하는 자연계에서 볼 수 있는 중요한 메커니즘으로 자발적 패턴화의 본질을 말해준다. 특히 이러한 자발적 패턴화 과정을 실시간으로 가시적 분석을 함으로써, Branching process(분기화), Subdivision process(구획화), Self-regulation process(자발적 제어과정), Spatial-temporal process(시공간 동시 변형 과정) 등과 같은 특징을 밝혀냈다.
흥미롭게도, 이러한 일련의 과정들은 식물 또는 동물에서 볼 수 있는 맥과 또는 혈관 구조물의 형성과정과 맥락을 같이 하고 있을 뿐만 아니라, 그 최종적인 구조 역시 비슷한 형태를 가지고 있음을 확인하였다.
이는 동/식물의 성장과정에서 만들어지는 여러 가지 형태들이 생물학적/화학적 작용만이 아니라, 기계/물리학적 변형들도 동반되어서 만들어졌을 가능성을 제시하였다는데 그 의의가 있다. 

 이러한 연구결과는 자연계의 패턴화 연구뿐만 아니라, 적층된 박막을 사용해서 구김, 휨 등을 제어하고자 하는 플렉시블 디바이스, 디스플레이 연구에서 중요한 소자의 내구성 평가, 향상 등과도 밀접한 관계가 있기 때문에 실질적 응용가치가 있을 것으로 기대된다.
현재 박막의 자발적 패턴화를 통한 다양한 응용연구는 대통령 Post.Doc. 지원과제를 통해서 활발하게 진행하고 있다. 

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