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2011. 12. 22. 15:53 대덕밸리과학소식/KAIST

강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르고(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리 'F램'의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자 'M램'의 필수적인 요소입니다.

KAIST 양찬호 교수와 포스텍 박재훈 교수 연구팀이 상온에서 전기적 성질(강유전성)과 자기적 성질(자성)을 동시에 갖는 새로운 물질인 '다강체'의 물성을 규명했습니다.

이 두가지 이질적인 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생하는 것은 대단히 희귀한 현상이며, 특히 각각의 상전이 온도가 일치한다는 것은 진성(proper) 강유전체에서는 이전까지 발견되지 않았습니다.

이에 따라 현존 저장장치(RAM)의 장점만을 갖는 차세대 비휘발성 메모리 개발에 새로운 가능성을 열었습니다.

연구팀은 다강체(비스무스 철산화물)를 단결정 박막으로 만들 때 발생하는 압축 변형의 결과 강유전 상전이와 자성 상전이가 같은 온도에서 동시에 일어나는 새로운 물질의 상태를 발견했습니다.

T-BFO 박막의 강유전 도메인 구조


전기적으로 자성을 조정하거나 자기장으로 유전 분극을 조정하는 것을 기반으로 한 신개념 비휘발성 메모리 소자 개발에 한걸음 다가선 것입니다.

비스무스 철산화물은 탁월한 상온 강유전성에도 불구하고 자기-전기 상호작용이 명확하지 않았습니다.

그러나 연구팀이 새롭게 발견한 상태는 기존의 물질과는 결정구조가 다른 신물질로, 발현되는 모든 물성이 획기적으로 다르고 전기와 자기 상전이의 일치했습니다.

이번 연구는 전기적, 자기적 질서의 상전이 온도가 같은 유일한 진성 강유전 물질 발견으로, 자기-전기 상호작용을 연구할 새로운 모델 물질을 찾았다는데 의미가 있습니다.

또한 상전이 온도가 상온이라는 점은 응용 가능성이 크다는 것을 보여줍니다.

이번 연구에는 양찬호 교수와 박재훈 교수, 정윤희 교수(포스텍), 김기훈 교수(서울대) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처(Nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 지난 11월 29일자로 게재되었습니다.
(논문명: Concurrent transition of ferroelectric and magnetic ordering near room temperature)

T-BFO 박막을 합성하는데 사용한 증착 챔버와 함께 있는 양찬호 교수

 용  어  설  명

강유전체 (Ferroelectrics) 및 유전 분극 (Electric polarization) :
강유전은 전기장을 가하지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리되는 성질이다.
음이온들의 중심과 양이온들의 중심이 공간적으로 서로 벗어나 있을 때, 쌍극자 모멘트가 생성된다.
쌍극자 모멘트는 고전적으로 음이온 중심점에서 양이온 중심점을 잇는 벡터로 표현된다.
쌍극자 모멘트의 방향과 크기는 벡터에 의해 정의된다.
유전 분극은 거시적인 물성으로서 단위 부피 내에 있는 모든 쌍극자 모멘트의 합으로 표현될 수 있다.
쌍극자 모멘트들이 서로 상호 작용하여 같은 방향을 향하고 있다면 전기장이 없는 상태에서도 유전 분극이 큰 값을 가질 수 있는데, 이러한 현상을 강유전성이라 부르고, 강유전성 현상을 보이는 물질을 강유전체라고 일컫는다.  
 
자성체 (Magnetic materials) :
자성체란 물질의 구성 요소로 자기 이온이 함유되어 있는 물질을 통칭하나, 좁은 의미로는 자기 모멘트가 질서를 이루고 있는 물질을 말한다.
모든 자기 모멘트들이 같은 방향을 향하고 있다면 강자성체라고 부르며, 반대 방향을 향하는 두 모멘트가 질서를 이루는 경우 반강자성체라고 부른다.
 
상전이 온도 (Phase transition temperature) :
물질이 가지는 물성의 상태를 상(phase)이라고 부르고, 이러한 상이 특정 온도에서 바뀌기도 하는데, 이 온도를 상전이 온도라 부른다.

다강체 (Multiferroics) :
일반적으로 두 가지이상의 강성(ferroic) 질서를 가지는 물질을 일컫는데, 현재는 주로 강유전성과 (반)강자성이 공존하는 물질을 통칭한다.

<연 구 개 요>

 비스무스 철산화물 (BiFeO3; BFO) 물질을 LaAlO3 (001) 단결정 기판 위에 PLD 방법을 이용하여 증착한 결과 기존의 물질과는 15% 이상 격자상수가 다른 새로운 상태의 신물질(T-BFO)이 안정화되었다.
이러한 물질 상태는 준-안정한(meta-stable) 상태로 존재하였다가, LaAlO3 기판에 에피하게 증착되면서 압축변형에 의해 나타난 것으로 이해된다. 새로운 물질을 T-BFO라 부르고 기존의 일반 BFO를 R-BFO로 부르겠다. R-BFO 물질은 반강자성 상전이 온도가 640 K이며, 강유전 상전이 온도가 1100K로 알려져 있는 다강체(multiferroic) 물질이다.
하지만 T-BFO에서는 이러한 모든 물성이 크게 바뀌었다. 본 연구 결과는 T-BFO 물질의 자성, 구조적 성질, 강유전 성질에 관한 기초 연구를 포함하고, 자기전기(magnetoelectric) 효과에 대한 연구 결과도 보고하고 있다.
 우선 반강자성인 물질의 상전이 온도를 알아내기 위하여 본 연구팀은 자기 선평광 이색성 (Magnetic linear dichroism)을 이용하였다.
흥미롭게도 반강자성 상전이 온도는 ~380 K 가까이로 하강하였다.
보다 흥미로운 것은 자성 상전이 온도에서 구조적 상전이가 동반된다는 사실을 엑스선 회절 기법으로 통하여 발견하였으며, 이러한 구조 상전이는 강유전 분극의 방향 전환을 동반함을 주사 현미경 기법을 통한 강유전 도메인 구조 연구를 통하여 최종 결론지었다.
일반적으로 자성과 강유전성은 각기 자기장과 전기장을 통하여 조정되는 질서로서 상호 커플링이 대단히 미약하다.
자성 상전이 온도에서 강유전 분극의 방향이 바뀌는 일은 대단히 희귀한 현상인데, 극히 미약한 유전분극을 가지는 제한된 물질에서 극한 저온 환경에서 발생되는 것으로 알려졌다.
하지만 BFO와 같이 큰 유전분극을 가지는 진성 강유전체(proper ferroelectrics)에서 발견되기는 처음이다. 또한 상온 이상에서 상전이를 가지는 것은 응용적인 측면에서도 많은 이점이 있다.
 이렇게 상온 이상에서 자성과 강유전성이 동반되는 상전이 현상이 나타나는 것은 T-BFO가 강한 자성-격자 상호작용을 가지는 물질임을 시사한다.
전기적으로 자성을 조정하거나 역으로 교차 조정하는 소자의 개발과의 연관성에 주목해야 하는 이유이다.


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2011. 12. 22. 09:03 대덕밸리과학소식/ETRI

금속표면의 산화막을 효과적으로 제거하기 위한 일반적인 방법으로는 솔벤트가 다량 함유된 로진이라 불리우는 플럭스를 사용합니다.

그러나 플럭스는 공정 후 액체 상태로 존재함은 물론 공정상 여러 문제를 발생시킵니다.

ETRI가 모든 방향으로 전기가 통하는 접착제(ICP)의 대표적 소재 '은'을 주성분으로 하는 실버 페이스트를 대체할 수 있는 '하이브리드 구리 페이스트(HCP)'를 개발했습니다.

이번 개발은 구리분말과 솔더분말, 그리고 플라스틱 접착제의 혼합이 적용돼 솔벤트를 다량 포함하고 있는 기존의 플럭스를 사용하지 않고 금속표면에 형성되어 있는 산화막을 제거할 뿐 아니라 동시에 잔여액체가 고체로 변환이 가능한 고분자 소재입니다.

하이브리드 구리 페이스트용 고분자 소재는 공정 중 금속표면에 산화막을 효과적으로 제거함과 동시에 공정 후에는 고체 상태로 변화되어 오염물질이 발생하지 않고 금속 주위를 효과적으로 보호하여 고신뢰성을 보여줍니다.

이번 연구를 통해 개발된 저가형 ICP인 하이브리드 구리 페이스트(HCP)는 PCB 기판의 핵심재료로 활용될 뿐만이 아니라 전 산업영역에 적용이 가능할 전망입니다.

ETRI는 이번 개발로 수백 억 원의 수입대체 효과와 함께 소재 기술 독립을 이루는 계기가 될 것으로 보고 있습니다.

이와 과련해 국내 및 국제특허 3건이 출원됐습니다.


 용  어  설  명

ICP :
Isotropic Conductive Paste, 모든 방향으로 전기가 통하는 접착제

HCP :
Hybrid Cu Paste, 하이브리드 구리 페이스트

다이 본딩용 :
반도체 칩 접착제용

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2011. 12. 22. 03:00 대덕밸리과학소식/KAIST

빛의 혁명을 주도하고 있는 LED는 반도체에 전류를 흘려주면 빛을 내는 성질을 이용한 반도체 발광 소자로 조명, TV, 각종 표시장치 등에 널리 활용되고 있습니다.

일반적으로 조명에 주로 사용되는 백색 LED는 청색 LED칩 위에 노란색 형광체를 도포하거나 또는 복잡한 회로를 이용해 여러 개의 LED칩을 동시에 구동해야 백색 빛을 낼 수 있습니다.

KAIST 물리학과 조용훈 교수팀이 나노미터 크기의 육각 피라미드 구조를 적용한 LED 소자에서 다양한 색깔의 빛을 낼 수 있는 현상을 규명했습니다.

조용훈 교수팀은 반도체에 매우 작은 육각 피라미드 구조를 만들고 LED 소자를 구현해 전류를 흘려주면 육각 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 다른 에너지 크기를 갖는 복합구조가 형성된다는 현상을 발견했습니다.

위치에 따른 에너지 차이로 인해 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 청녹색, 노란색, 주황색의 빛이 발생했는데 이러한 특성은 백색 LED 뿐만 아니라 다양한 빛을 낼 수 있는 가능성을 보여준 것입니다.

조용훈 교수팀은 하나의 작은 피라미드 구조의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 청녹색, 노란색, 주황색의 빛이 발생함을 직접적으로 보였는데, 이는 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에 서로 다른 차원의 양자역학적인 구조인 양자우물, 양자선, 양자점이 각각 형성되기 때문입니다.

양자우물, 양자선, 양자점은 각각 2차원, 1차원, 0차원 양자구조로서 서로 다른 파장을 갖는 가시광 대역의 빛을 방출하게 되고, 이들 양자구조의 차원이 낮아질수록 높은 발광효율을 보이는 특성이 있습니다.

(상) 전류 구동에 의해 발광하는 나노 피라미드 LED 개념도 및 LED 발광 사진. (하) 나노 피라미드의 위치에 따라 서로 다른 차원을 갖는 양자 구조에서 다른 파장의 빛이 방출됨을 보이는 고해상도 발광 이미지.


따라서 LED에 나노 피라미드 구조를 적용하면 일반적인 넓은 파장대역을 갖는 발광이 전류 구동만을 통해서도 가능해지기 때문에 형광체를 사용하지 않으면서도 단일 LED칩에서 다양한 색상의 빛을 낼 수 있는 새로운 개념의 발광소자 개발이 가능할 전망입니다.

또 기존 LED는 다양한 색을 내기 위해 형광체를 칩 위에 도포하는 구조적 특성으로 인해 빛의 에너지 효율에 제약이 있었으나, 형광체가 필요 없는 나노 피라미드구조는 이러한 단점을 극복해 더욱 밝은 빛을 낼 수 있을 것으로 예상됩니다.

나노미터 크기의 피라미드 반도체 안에서 위치에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 흥미로운 현상을 이용하면, 형광체를 사용하지 않는 단일 칩 백색 LED와 함께 신개념의 나노 광원을 개발하는데 응용될 수 있을 전망입니다.

이번 연구결과는 재료 분야의 세계적 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 12월호 표지 논문으로 선정됐습니다.

복합 양자구조를 가지고 있는 나노 피라미드 LED가 전류 구동으로 발광되는 개념도. (12월 1일자 Advanced Materials 표지 논문 그림)

이번 연구에는 KAIST 물리학과의 고영호(1저자) 및 김제형(2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 참여했습니다.


 용  어  설  명

나노미터(Nano meter) :
10억분의 1 미터를 나타내는 단위로 1 나노미터는 대략 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당된다.

파장(Wavelength) :
전자기파나 음파 등의 파동에 있어서 1주기 길이를 말하는 것으로, 빛의 색상은 파장에 의해서 결정된다.
청색은 440~500 nm, 청녹색은 500~520 nm, 녹색은 520~565 nm, 노란색은 565~590 nm, 주황색은 590~625 nm, 빨간색은 625~740 nm의 파장에 해당한다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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2011. 12. 22. 02:00 대덕밸리과학소식/UST

UST 한국해양연구원 캠퍼스 강성균 교수팀의  '해양 초고온 고세균(NA1 ; 써모코커스 온누리누스) 이용 바이오수소 생산기술 개발' 연구가 '2011 국가연구개발 우수성과 100선' 생명 해양 분야에서 최우수 성과로 선정됐습니다.

이 연구는 단일 미생물이 수소를 생성함과 동시에 생체에너지를 만들어 증식하는 것이 가능하다는 사실을 세계 최초로 밝혀낸 것으로, 지난 해 9월 네이처지에 게재됐습니다.

이와 관련해 현재 실용화 기술을 개발 중이며, 높은 효율로 수소를 생산해 경제성이 높고 고세균이 먹이로 하는 일산화탄소의 저감을 이끌어내어 환경문제 해결에도 기여할 것으로 평가받고 있습니다.

이 연구팀에는 UST 교수 6명, 박사과정 학생 2명이 참여했는데, 이중 배승섭 학생이 공동 1저자로 참여해 주목받았습니다.

이와 함께 UST(과학기술연합대학원대학교) 소속 교수와 학생들이 이룬 연구성과 7건이 국가과학기술위원회와 한국과학기술기획평가원이 발표한 '2011국가연구개발 우수성과 100선'에 선정됐습니다.


<UST 우수성과>

▲ 지상시설물용 USN 패키지 : UST 한국건설기술연구원 캠퍼스 / 류승기 교수

▲ 항암성 인자 TGFβ에 의한 간암촉진의 작용원리 규명 : UST 한국생명공학연구원 캠퍼스 / 염영일 교수

▲ 사용후핵연료의 환경친화적 처리를 통한 우라늄 및 초우라늄 회수 전해제련장치 개발 : UST 한국원자력연구원 캠퍼스 / 안도희 교수

▲ 안경 없이 편안하게 입체 영상 및 음향을 즐길 수 있는 3D DMB 방송 : UST 한국전자통신연구원 캠퍼스 / 김진웅 교수

▲ 분자기계인 론 단백질 작동 기작 규명 : UST 한국해양연구원 캠퍼스 / 차선신 교수

▲ 에너지 절약형 초다공성 하이브리드 나노세공체 개발 : UST 한국화학연구원 캠퍼스 / 장종산 교수

posted by 글쓴이 과학이야기

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지난해 말 백두산에서 화산가스가 분출되는 장면이 인공위성 영상에 포착된 이후 백두산 화산 폭발 임박설이 확산되고 있습니다.

학계은 화산재 탄소연대측정 등을 통해 백두산의 마지막 분출이 929~945년 즈음 있었던 것으로 추정하고 있는데, 당시와 같은 규모의 화산 폭발이 일어나면 70만㎢에 이르는 면적에 피해를 줄 것으로 예측하고 있습니다.

12월 13일 대전컨벤션센터(DCC)에서 개최된 한국항공우주연구원 주최 국제우주연맹(IAF) 아시아-태평양 지역 총회에서 백두산 분출에 대한 분석 보고서가 발표되 눈길을 끌었습니다.

이번 총회 중 마련된 특별 컨퍼런스에서 윤성효 부산대 교수는 ‘백두산 화산의 불안정 상태’를 주제로 최근들어 활발해지고 있는 백두산의 이상 활동을 분석 내용과 분화 가능성에 대해 발표했습니다.

윤 교수는 “우리 민족의 영산인 백두산 천지 일원에서 2002년에서 2005년까지 지하 마그마의 관입에 의한 화산성 지진의 급증 및 비정상적인 지표 변형이 발생했다”고 발표했습니다.

중국 지진국 자료를 분석한 결과 백두산의 화산구조성 지진 규모가 2002년 7월부터 갑자기 급증하고 지진발생 빈도도 한 달에 수십 회에서 수백 회로 증가했으며, 하루에 백 여 회의 지진이 발생하기도 했다고 설명했습니다.

◆잦은 지진, 마그마 이동 추정

백두산 지진 빈도수는 2003년 2100여 건, 2004년에는 2600여 건, 2005년에는 540여 건이나 됩니다.

특히 이 기간에 발생한 지진은 백두산 천지 지하부에서 발생한 화산구조성 지진으로, 주파수 대역이 대체로 5Hz 또는 5~10Hz의 범위에 속합니다.

이 같은 지진 특성은 화산구조성(VT-B) 지진과 장주기(LP) 지진으로, 지하 3~5km에 위치한 마그마방 상부의 균열과 마그마의 관입에 기인하는 것으로 해석됩니다.

실제 화산에서 미진(微震)과 함께 나타나는 장주기의 지진은 마그마나 고온의 열수의 이동과 연관돼 있고, 그 주파수는 1-5Hz로 보고되고 있습니다.

GPS 관측자료에서도 화산 폭발 징후가 나타나고 있습니다.

2002년~2009년 GPS관측 결과 백두산 천지 칼데라 정상부를 중심으로 화산체가 팽창하는 것이 감지됐습니다.

◆백두산 팽창 감지, 화산가스에 나무 고사하기도

백두산 화산체 사면에서의 정밀수준 측량에 의한 경사각의 변화로부터 수직적 팽창 또한 최대 10㎝ 이상의 변위를 보였고, 수직변위와 수평 변위 모두 2006년도 이후 변화율은 다소 감소하는 추세를 보이나, 여전히 불안정한 상태라는 것이 윤 교수의 설명입니다.

또 온천에서 채취된 화산가스로부터 분석된 헬륨 동위원소비(3He/4He)의 높은 값은 이들 가스들이 맨틀로부터 유래된 것임을 나타냅니다.

천지 주변의 온천수 온도가 69℃에서 점진적으로 증가해 최대 83℃까지 오르기도 했습니다.
 
윤 교수는 “그간 비교적 큰 규모의 지진에 의한 산사태, 암벽붕괴, 화산가스에 의한 나무의 고사 등이 관찰됐고, 올해 여름 천지 칼데라 외륜산의 절벽으로부터 수차례의 암벽붕괴도 발생했다”며 “이런 모든 현상들이 백두산 천지화산이 불안정한 상태에 있으며, 잠재적으로는 충분하게 분화 가능성이 있다는 것을 보여주는 것”이라고 설명했습니다.

윤 교수는 이에 대비해 강력한 화산 감시 모니터링과 화산재해 경감을 위한 사전 방재대책이 필요한 단계라고 지적했습니다.

이와 관련해 기상청은 지난해부터 백두산 분화에 대비한 선제적 대응전략을 수립하는 한편 기상청-소방방재청-교육과학기술부에서 각각 화산분화 감시 및 예보, 화산재해 방재 대책 수립, 그리고 거대화산에 대한 학술적 연구 및 인력 양성을 위한 연구에 들어간 상태입니다.

<윤성효 교수 발표문 요약>

제목 : 백두산 화산의 불안정 상태
윤 성효(부산대학교 지구과학교육과 교수)

우리 민족의 영산인 백두산 천지 일원에서는 2002년에서 2005년까지 지하 마그마의 관입에 의한 화산성 지진의 급증 및 비정상적인 지표 변형이 발생하였다.
중국지진국 자료에 의하면, 1999년도부터 천지화산관측소에서 지진을 감시한 이래 화산구조성 지진의 규모가 2002년 7월부터 갑자기 급증하였으며, 지진발생 빈도도 한 달에 수십 회에서 수백 회로 증가하였으며, 2002-2003년도에는 하루에 백 여 회의 지진이 떼(群)를 지어 발생하였으며, 2003년에는 연간 2,100여건, 2004년도에는 규모 M3.7을 포함하여 2600여회, 2005년도에는 540여회 발생하였다.
2006년도부터는 감소하는 추세로 보여 현재에는 1999년-2001년의 수준을 유지하고 있다.
이러한 지질학적 불안정 현상이 언제 다시 나타날 것인가?
2002년도에서 2005년 사이에 천지 지하에서 발생한 화산구조성 지진은 그 주파수가 대체로 5 Hz 또는 5-10 Hz의 범위에 속한다.
이러한 지진들은 화산구조성(VT-B) 지진과 장주기(LP) 지진으로 지하 3~5 km 천부에 위치한 마그마방 상부의 균열과 마그마의 관입에 기인하는 것이다.
화산에서 미진(微震: tremor)과 함께 나타나는 장주기의 지진은 마그마나 고온의 열수의 이동과 연관되어 있으며, 그 주파수는 1-5 Hz로 알려져 있다.

2002년도부터 2009년도까지의 GPS관측에 의한 지표면의 수평변위는 2002년 이후 천지 칼데라 정상부를 중심으로 화산체가 팽창하는 것이 감지되었다.
2002년도 대비 2003년도에는 약 4cm 이상이었고 2003년도 이후에 그 변화율은 감소하는 경향으로 보였다.
백두산 화산체 사면에서의 정밀수준 측량에 의한 경사각의 변화로부터 수직적 팽창 또한 최대 10cm 이상의 변위를 보였으며, 수직변위와 수평 변위 모두 2006년도 이후 변화율은 다소 감소하는 추세를 보이나, 여전히 불안정한 상태를 보이고 있다.

온천에서 채취된 화산가스로부터 분석된 헬륨 동위원소비(3He/4He)의 높은 값은 이들 가스들이 맨틀로부터 유래된 것임을 증명하고 있다.
천지 주변의 온천수의 온도도 69℃에서 점진적으로 증가하여 최대 83℃에 이르고 있다. 그간 비교적 큰 규모의 지진에 의한 산사태, 암벽붕괴, 화산가스에 의한 나무의 고사 등이 관찰되었고, 올해 여름 천지 칼데라 외륜산의 절벽으로부터 수차례의 암벽붕괴도 발생하였다.

이런 모든 현상들이 백두산 천지화산이 불안정한 상태에 있으며, 잠재적으로는 충분하게 분화 가능성이 있다는 것을 지시하는 것이다.
강력한 화산 감시 모니터링과 화산재해 경감을 위한 사전 방재대책이 필요한 단계라고 평가된다.
백두산 화산에 대한 정밀 감시를 위하여 관측 장비의 보강 및 모니터링 네트워크의 구축이 필요하다.
가장 효율적인 방법은 북한과 중국을 포함하는 동북아 국제공동연구라고 판단된다.

이미 2010년 기상청에서 백두산 화산분화에 대비한 선제적 대응전략을 수립하였으며, 기상청-소방방재청-교육과학기술부에서 각각 화산분화 감시 및 예보, 화산재해 방재 대책 수립 그리고 거대화산에 대한 학술적 연구 및 인력 양성을 위한 연구에 들어가 있으며, 통일부에 따르면 북한도 지진·화산 피해 방지 및 구조법을 제정하였다고 한다.  


posted by 글쓴이 과학이야기

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□ 나노물질은 크기가 10억 분의 1m로 너무 자기때문에 위치를 옮기거나 제어하는 것이 쉽지 않습니다.

최근 강한 레이저 빛을 쏘면 나노물질이 레이저 빛에 달라 붙어 레이저 빛과 함께 움직일 수 있는 광포획 원리가 밝혀지면서 나노물질을 제어할 수 있는 가능성을 열었습니다.

그러나 레이저 광포획은 나노물질을 제어하기 위해서는 매우 강한 레이저 빛이 필요한데, 강한 레이저 빛 때문에 나노물질이 쉽게 부서지거나 손상을 입는 문제가 있습니다.

이를 해결하기 위해 금속 나노구조체를 이용해 나노물질을 이동하는 방법이 고안됐지만, 여전히 나노물질에 손상을 입힐 뿐만 아니라 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질은 제어할 수 없는 한계에 봉착했습니다.

□ 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수 등이 주도한 연구팀이 빛을 이용해 나노-바이오 물질을 자유자재로 집어 원하는 곳으로 옮길 수 있는 나노 광(光)집게를 개발했습니다.
 
이번 신기술은 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질을 제어할 수 없었던 기존의 나노 광집게의 한계를 극복해 모든 나노-바이오 물질을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 나노 광집게입니다. 

연구팀은 적외선 영역의 빛을 강하게 한 점으로 모아 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 새로운 나노안테나를 개발했습니다.

나노안테나는 금속 나노구조의 가장자리에 빛을 강하게 집속할 수 있는데, 이 특성을 이용하면 굴절률이 높은 나노물질은 금속 나노구조의 가장자리로, 굴절률이 낮은 나노물질은 금속 나노구조의 중앙으로 포획할 수 있는 원리입니다.

(위) 나노 광집게 장치를 보여주는 모식도. 구슬 모양의 나노 물질이 노란색의 금속 나노안테나 주위로 모이고 있다. (아래) 실제 금으로 제작된 나노안테나(왼쪽)와 나노안테나 주위로 빛이 집속되는 형태를 보여주는 계산 결과(오른쪽).


이 새로운 나노 광집게를 이용하면 수 백 분의 일 수준의 약한 세기 레이저 빛으로도 작동할 수 있어, 쉽게 손상될 수 있는 나노-바이오 물질도 자유롭게 효과적으로 이동시킬 수 있습니다.
  
특히 새로운 나노 광집게를 이용하면 유체 내에서 떠돌아다니는 DNA와 같은 나노-바이오 물질을 전혀 손상 없이, 원하는 곳으로 옮기는 등 자유자재로 제어할 수 있습니다.

이를 통해 기존에 실험실 수준에서 수행할 수밖에 없었던 연구를 손톱만한 크기의 작은 칩 위에서 간단히 구현할 수 있어 차세대 나노-광-바이오산업의 핵심기술이 될 전망입니다.

이번 연구에는 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수, KAIST 윤태영 교수와 이용희 교수 등 7명이 참여했습니다.

연구 결과는 '네이처(Nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 12월 13일자로 게재됐습니다.
(논문명: Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas)

박홍규 교수(앞줄 가운데)와 고려대 극미세 나노선 광소자 연구단의 멤버들.

 용  어  설  명

표면 플라즈몬(surface plasmon) :  
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수가 없다.
하지만 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역에서도 빛을 집속할 수 있다.
표면 플라즈몬이란, 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
표면 플라즈몬을 이용하면 나노미터 수준의 미세한 영역에서 빛을 강하게 증폭시킬 수 있다.

나노 광(光)집게 :  
나노 광소자를 이용하여 빛을 강하게 구속시켜서 나노물질을 광포획하는 장치.
기존 광집게에 비하여 약한 빛으로도 나노물질을 포획할 수 있어 높은 효율을 가진다.
또한 기존의 광집게는 빛을 렌즈로 모아서 나노물질을 포획하는 방식이므로 집적화 및 바이오-유체 칩에 사용하기에는 한계가 있다.
그러나 나노 광집게의 경우에는 나노미터 크기의 작은 소자 자체가 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하므로 외부에 렌즈나 빛을 모아주는 장치가 따로 필요하지 않고 바이오-유체 칩에 바로 집적화가 가능하기 때문에, 앞으로 많은 기대 가치가 있는 분야이다.

<연 구 개 요>

Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas
J.-H. Kang et al. (Nature Communications - 2011. 12.13. 출판)

 일반적으로 굴절률이 높은 물질은 빛의 세기가 센 쪽으로 힘을 받는다.
이를 이용하여 빛으로 물질을 제어하는 광집게 기술이 개발되면서 유체 속에서 떠다니는 세포, 박테리아의 제어 등 바이오 실험에 혁신이 일어났다.
하지만 기존 광집게 기술의 경우에는 렌즈를 통해 빛을 집속하기 때문에 회절 한계에 의해 파장보다 작은 크기로 빛을 집속할 수 없다.
이 때문에 포획하고자 하는 물질의 크기가 파장보다 작은 나노물질이 되면 제어하는 데에 한계가 있다. 특히, DNA와 같은 작은 크기의 바이오 물질은 손상 없이 제어하기가 어려워 마이크로 입자에 붙여서 간접적으로 실험을 수행해 왔다.
이를 해결하기 위해 최근 표면 플라즈몬을 이용한 나노 광집게가 개발되었다. 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장보다 작은 나노미터 수준의 공간에 빛을 집속하고 또한 증폭할 수 있기 때문에, 약한 세기의 빛을 증폭하여 나노물질을 포획할 수가 있게 된다.
하지만 지금까지 개발된 나노 광집게는 굴절률이 물보다 작은 물질은 포획할 수 없다는 한계가 있었다.

본 연구팀은 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 독특한 나노 안테나를 설계 및 제작하였다.
이 나노 안테나는 구조 주변에 빛이 강하게 증폭되기 때문에 굴절률이 큰 물질은 안테나 주변에 포획하고, 굴절률이 작은 물질은 안테나 중심부에 포획할 수 있다.
기존의 나노 안테나가 굴절률이 작은 물질은 포획할 수 없다는 단점을 혁신적으로 극복한 것이다.

 본 연구팀은 광포획 실험을 위해 물에서 흡수가 적은 근적외선 영역인 980nm 레이저 빛을 사용하였고, 이 레이저 파장에 표면 플라즈몬 공명이 있는 나노 안테나를 금을 이용하여 제작하였다.
이 때 제작된 나노 안테나의 장축 길이는 500nm이다.
우선, 제작된 나노 안테나를 이용하여 물속에 떠다니는 지름이 300nm인 폴리스티렌 나노 구슬의 포획에 성공하였다. 폴리스티렌의 경우 굴절률이 물 보다 크기 때문에 나노 안테나 주변에 포획되는 것을 관찰하였다.
그 다음, 오일 속에 떠다니는 지름이 300nm인 실리카 나노 구슬의 포획에도 성공하였다. 이 때, 실리카의 굴절률은 오일보다 작아 기존 나노 안테나의 경우 척력(밀어내는 힘)을 받기 때문에 포획될 수 없었던 것과는 달리, 본 연구에서 제작된 나노 안테나에서는 안테나 중심부에 포획되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 3차원 시뮬레이션을 통해서도 그대로 재현되었다.

 실험에서 나노 물질을 제어하기 위해 사용된 레이저의 파워는 수백 마이크로 와트 수준으로, 기존 광집게에 비해서 수 백 분의 일 정도밖에 되지 않는다.
또한 나노 안테나가 직접 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하기 때문에 외부에 특별한 광학 장치가 필요 없다.
 따라서 광-바이오 유체 칩에 바로 결합할 수가 있어, 실험실 수준에서 진행되는 나노-바이오 물질 제어의 실험이 칩 수준에서 높은 효율로 구현될 수 있다.


posted by 글쓴이 과학이야기

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