우리얘기

'스마트 섬유'나 '웨어러블 전자제품'의 등장으로 인체의 생체신호를 인지하고 이를 데이터화함으로써 질병 예방은 물론 치료까지 할 수 있는 시대가 오고 있습니다.

이에 필수적인 단계가 바로 '전자섬유'(electronic textile)의 개발입니다.

전자섬유란 전원부와 배터리, 센서, 전산기능, 메모리 등이 내장될 수 있는 섬유를 뜻합니다.

전자섬유가 상용화되면 정기적인 치료나 건강검진이 필요한 만성질환자 및 고령자, 혹은 군인이나 우주비행사 등 정밀한 건강관리가 필요한 사람들의 생체정보를 의사에게 실시간 전달함으로써 보다 효율적인 의료서비스를 진행 할 수 있습니다.

한 박사가 개발에 성공한 저항 스위칭 메모리는 재기록과 재복구가 가능하며, 100일 이상의 대용량 데이터를 수록할 수 있습니다.

재질은 구리를 이용했고, 메모리 내부는 구리(Cu)선, 산화구리(CUxO)막, 플래티넘(Pt)선을 직물의 구조와 같은 격자 모양으로 배열해 쉽게 적용 가능하도록 설계했습니다.

한진우 박사는 2010년 KAIST 전기 및 전자공학과에서 박사학위를 받은 후, 현재 미국 나사 에임즈 연구소(NASA Ames Research Center)에서 박사 후 연구원으로 재직하면서 나노기술을 연구하고 있습니다.

한 박사가 이번에 개발한 저항 스위칭 메모리는 지난 9월 21일 미국물리학협회(AIP)에서 발간하는 응용물리과학 학술지인 'AIP Advances'에 하이라이트 논문으로 선정됐습니다.

KAIST와 나사 에임즈 연구소는 2008년 연구협력협정을 맺은 후 '박사 후 연구원제도'를 운영하고 있으며, 매년 KAIST 출신 박사 1~2명이 NASA에 가서 연구를 수행하고 있습니다.

<저항 스위칭 메모리가 적용된 미래의 전자섬유 개념도>
 옷 자체가 성능을 갖춘 컴퓨터로서, 주변 환경을 모니터링 할 수도 있고, 질병을 진단할 수도 있다. 의복 자체가 에너지를 생산하고 언제 어디서든 네트워크에 접속해 원하는 작업을 처리할 수 있다.


 용 어 설 명

스마트 섬유 :
유비쿼터스 시대를 실현할 대표적인 기술로, 정보기술(IT)·나노기술(NT)·바이오기술(BT)·환경기술(ET) 등이 결합된 새로운 개념의 미래형 섬유를 일컫는다. 좁은 의미로 전자섬유라고 할 수 있다.

웨어러블 전자제품 :
스마트 섬유로 만든 옷에 디지털 센서, 초소형 통신기기, 디스플레이, 메모리, 배터리 등이 내장된 제품을 일컫는다.

나노와이어를 선택적 온도조절한 후 반응 이미지를 촬영한 모습

나노크기 공간에서 선택적 온도조절을 통한 화학물질 반응/조작 예시

 용  어  설  명

전자회로 패터닝 :
메모리, 논리소자 등 전자회로를 기능에 맞게 형상을 설계하고 이에 따라 기판위에 형성하는 기술 

다중물질 나노센서 :
검출기능이 있는 다종 나노물질의 배열로 이루어진 센서로 다양한 화학물질을 동시에 측정할 수 있는 기능을 가지는 소자

단백질·유전자 조작 :
DNA, RNA 분자 및 단백질의 결합, 분리, 변환 등을 일으키는 과정 및 기술

나노패터닝 공정 :
나노미터 수준의 분해능 및 선폭을 갖는 패턴 및 구조물을 생성하는 공정

나노와이어 :
선폭이 1-100 나노미터, 길이 수 마이크로 미터를 갖는 가늘고 긴 1차원 나노구조물

얼마전 KAIST 오준호 교수님 인터뷰를 갔다가 누드차림의 휴보를 만났습니다.

자세한 인터뷰 내용은 곧 올릴 예정입니다.

<휴보 2 제원>

사람의 몸 속에 치료기기를 넣어 암세포를 죽일 수 있을까?

LED를 뇌나 혈관, 척추 등에 부착하고, 여기에서 발생되는 빛으로 질병을 진단하거나 치료할 수 있는 것을 가능하게 하는 기반 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

KAIST는 신소재공학과 이건재 교수팀이 최근 질화물 반도체 발광다이오드(GaN-LED)를 휘어지는 기판 위에 구현하고, LED에서 발생되는 빛이 암의 항원-항체반응에 의해 감도 차이가 일어나는 것을 확인했습니다.

또 연구팀은 이를 이용해 전립선암의 항체를 검출하는 실험에도 성공했습니다.

Flexible GaN LED

이건재 교수

이번 연구결과는 나노분야 세계 최고 소식지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 9월호 온라인 판에 게재됐습니다.

일반적으로 물질은 압력이 높아지면 더욱 빽빽하고 규칙적인 고체 결정질이 됩니다.

그런데 리튬은 초고온, 초고압 같은 극한 환경에서 기존에 알려지지 않았던 새로운 비결정질로 상전이(phase transition) 현상을 일으킬 수 있다는 새로운 사실이 규명됐습니다.
 
상전이는 물질의 상태가 온도, 압력, 전자기장 같은 외부 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 변하는 현상을 의미합니다.

김형준 박사

초고온, 초고압 조건 내에서 형성되는 리튬의 비결정질 구조의 원자 수준 구조 모형

 용 어 설 명

상전이(phase transition) :
물질의 상태가 온도, 압력, 혹은 전기장/자기장과 같은 외부 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상(phase)으로 변하는 현상을 말한다. 흔한 예로는 온도가 높아짐에 따라 얼음에서 물로(기체가 액체로 변하는 액화), 물에서 수증기로(액체가 기체로 변하는 기화) 변하는 현상을 들 수 있으며, 드라이아이스에서 일어나는 고체가 액체 과정을 거치지 않고 기체로 변하거나 기체가 바로 고체가 되는 승화도 상변이의 한 형태이다.

비결정질 고체(amorphous solid) :
원자들의 위치에 장거리 질서가 존재하지 않는 고체를 뜻한다. 액체와 고체의 중간적인 형태를 띠고 있으며, 비결정질 고체에 속하지 않는 고체를 결정질이라 한다. 일반적으로 대부분의 고체는 결정질 고체이지만, 비결정질 고체도 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 가장 흔한 예로는 유리창을 들 수 있고, 폴리스틸렌 등의 중합체도 이에 속한다.

전자전이 (electron excitation) :
원자와 분자에서, 전자가 가장 안정한 상태인 바닥 배치상태에서 에너지가 높은 들뜬 전자 배치상태로 변이하는 것을 일컫는다. 이러한 전이는 외부에서 에너지가 주어지는 경우에 일어나게 되는데, 주로 빛의 흡수에 따른 빛에너지의 주입이 한 예이고, 본 연구의 경우에는 고온/고압에 의해서 전자전이가 일어나게 되는 것이다. 물질 특성, 특히나 금속의 물질 특성은 전자에 의해서 좌우되는데, 전이 후에 들뜬 상태의 전자는 바닥상태의 전자와는 그 성격에 매우 다르기 때문에 특이한 성질을 보이는 주원인이 된다.

지금까지는 신약 후보물질을 몸속으로 투여하고 세포를 추출한 후 효과를 분석했습니다.

그러나 세포를 용해한 후 세포의 기능이 정지된 상태에서 분석하기 때문에 예상치 못했던 부작용으로 대부분의 후보물질이 탈락하게 되는 단점이 있습니다.

이 때문에 엄청난 비용과 노력을 들이더라도 신약개발을 성공하기가 매우 어려웠습니다.

신약 효능을 분석하는 새로운 기법의 기술을 개발됐습니다.

KAIST 생명과학과 이상규 교수는 생체나노입자를 사람세포에 적용해 살아있는 세포에서 신약의 효능을 실시간으로 모니터링 하는 기술을 개발했습니다.

이 기술을 이용하면 사람 몸속에서도 신약의 효능을 보다 정확하게 파악할 수 있을 것으로 기대됩니다.

약물타겟 A 또는 B가 발현되어 있는 사람세포에 약물을 처리하면 세포 내에서 약물과 약물타겟이 서서히 결합되면서 스마트 나노센서에 의해 이러한 스팟 (같은 나노클러스터) 형태로 실시간으로 센싱-감지된다. 따라서 살아 있는 사람세포 안에서 신약의 효능작용을 실시간으로 마치 비디오를 보는 것처럼 라이브로 모니터링 할 수 있는 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합된 차세대 원천기술이다

형성된 복합체는 나노센서 역할을 하게 돼 약물이 세포 내에 투여되는 과정에서 약물 타겟과의 결합을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

연구팀은 이 나노센서 기술을 '스마트한 눈(InCell SMART-i)'이라고 명명했습니다.

살아있는 세포 안에서 일어나는 신약의 효능작용을 한 눈에 볼 수 있기 때문입니다.

이 기술은 나노-바이오-영상-분자화학 등이 융합된 차세대 원천기술로 신약개발에 효과적으로 적용 가능한 매우 중요한 기술로 평가받고 있습니다.

이 기술은 최근 세계적인 화학지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 지 9월호에 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정됐습니다.

사람 세포 내에 도입된 스마트 나노 센서가 약물과 약물 타겟 간의 결합에 따라 세포 내에 스팟(같은 나노클러스터)을 형성하고 이를 실시간으로 탐지해 낼 수 있는 원천기술의 모식도

일반적으로 집적도가 높은 전자소자 제작을 위해서는 고비용의 노광 혹은 광식각 공정이나 고진공 전자빔 공정을 통한 금속 패턴의 제작이 필수적입니다.

최근에는 잉크젯 및 롤투롤(Roll to Roll) 프린팅 기술을 이용해 직접 금속 패턴 제작이 시도되기도 합니다.
그러나 공정 특성상 1㎛(100만 분의 1미터) 이하의 정밀도 달성에는 한계가 있어 고집적·소형화는 여전히 불리했습니다.

KAIST는 기계공학과 고승환·양동열 교수팀이 플렉시블 디스플레이 전자소자 제작을 위한 차세대 금속 나노패터닝 기술개발에 최근 성공했습니다.

연구팀은 펨토초 레이저 소결공정을 이용해 수백나노의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작하는 기술을 개발했는데요.

이 기술을 이용하면 다양한 기판에서 고정밀 패터닝이 가능하기 때문에 이를 유기 전자소자 기술 등과 결합하게 되면 성능과 집적도가 우수하면서도 자유자재로 휘어질 수 있는 고성능 플렉시블 전자소자나 디스플레이 등이 실현될 수 있을 전망입니다.

연구팀은 3~6nm(10억분의 1미터) 크기의 녹는점이 낮은 은 나노 입자와 열확산을 최소화할 수 있는 금속 나노입자의 펨토초 레이저 소결공정(Femtosecond laser selective nanoparticle sintering, FLSNS)을 개발했습니다.

더불어 유리, 웨이퍼, 고분자 필름 등 다양한 기판위에 1㎛이하의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작할 수 있는 기술도 개발했고, 이 기술을 이용해 최소 정밀도 380nm 선폭의 극미세 금속패턴 제작에도 성공했습니다.

선택적 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정

극미세 금속 패턴

연구팀은 개발된 금속 패터닝 기술을 KAIST 전기 및 전자공학과 유승협 교수팀과의 협력을 통해 유기 전계효과 트랜지스터 제작공정에 적용하면서 차세대 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 수 있는 가능성을 제시했습니다.

고승환 교수는 고가의 진공 전자빔 공정을 통해서만 제작 가능했던 기존의 디지털 직접 나노패터닝 기술을 비진공, 저온 환경에서 구현함으로써 전자빔 공정을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 향후 다양한 플렉시블 전자소자 제작에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이번 연구결과는 재료과학기술 분야의 세계적 권위의  학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 7월호에 게재됐습니다.

고승환 교수

양동열 교수

플렉시블 필름에 제조된 미세 은 금속배선

플렉시블 디스플레이 제조에는 필름 사이에 10μm 이하의 미세한 금속배선을 형성하는 것이 핵심기술 중 하나입니다.

KAIST 기계공학과 양민양 교수팀은 대기 중에서 고품질 고전도성을 갖는 미세 금속배선을 플렉시블 디스플레이용 필름에 저렴하게 제조하는 기술을 개발하는 데 성공했습니다.

양민양 교수

KAIST 연구팀은 이러한 문제를 광촉매 자가 생성을 이용한 광열화학 반응과 새로운 패턴전사 방식으로 해결했습니다.

연구팀은 고가의 금속 나노입자 잉크를 대신해 금속원자가 녹아있는 유기물로부터 2~3nm의 극미세 은 나노입자 광촉매를 자가 생성 시킨 후 레이저를 사용한 광화학반응을 유도함으로써 유연한 금속배선을 제조했습니다.

또한 레이저를 이용해 고체상태의 패턴을 고분자 필름에 전사하는 방법인 레이저유도 패턴접착전사법(Laser Induced Pattern Adhesive Transfer, LIPAT)을 개발해 PET(폴리에스터)와 같이 열에 약한 유연한 필름에도 적용할 수 있도록 했습니다.

이 방법으로 10μm이하의 미세한 은 금속배선을 비저항 3.6μΩ·cm의 높은 전도도로 PET, PI, PEN등 다양한 재질의 고분자 필름에 성공적으로 형성했으며 높은 신뢰성도 검증했습니다.

강봉철 박사과정

레이저유도 패턴접착전사법(Laser Induced Pattern Adhesive Transfer, LIPAT)공정

        (a) 광촉매 자가생성을 통한 금속배선 형성
        (b) 레이저를 이용한 광학적 접착 패턴 전사 
        (c) 저내열성 플렉시블 기판에 형성된 고전도성 미세 금속배선

용 어 설 명 노광 : 기판 재료에 감광액을 바르고 패턴이 있는 필름에 자외선을 조사하면 패턴부분 만 감광액이 경화되어 세척 후 패턴 부분 만 남게 되는 패턴 제조 방법.   진공증착 : 금속이나 비금속의 물질을 진공 속에서 가열해 그 기체 입자를 물체 표면에 매우 얇은 두께로 코팅시키는 방법.   광촉매 : 광 흡수율을 향상시키기 위한 고상의 광흡수체   비저항 : 단위 부피당 전기저항을 나타내는 전도성 측정 지표로서 이 값이 낮을 수록 저항이 적음을 의미함. 단위는 μΩ·cm 광열화학 반응 : 유기금속 화학물에 광에너지를 주사해 화학반응을 일으켜 순간적으로 금속나노입자로 변환하고 동시에 광에너지 흡수에 의한 열에너지 증가로 나노입자를 응집시키는 반응. 패턴전사 방식 : 재료의 코팅/열처리가 용이한 기판에서 원하는 형상의 패턴만 선택적으로 플렉시블기판으로 패턴을 전사하는 방식. 레이저유도 패턴접착전사법 (LIPAT)은 레이저를 이용하여 유연기판과 전극 사이의 접착력을 순간적으로 증가시켜 고전도성 미세 패턴을 내열성이 낮은 유연기판으로 전사하는 방법.

신속하고 간편한 신개념 심혈관질환 진단시스템이 개발됐습니다.

박현규 교수

연구팀은 유전자 재조합을 통해 서로 다른 두 개의 생물발광 대장균 영양요구주를 만들어 호모시스테인에 대한 두 균주의 성장차이를 생물발광 신호로 분석했습니다.

이 기술은 많은 수의 혈액 샘플을 대량으로 동시에 분석할 수 있어 매우 경제적이기 때문에 최근 급성장하는 호모시스테인 정량검사 분야의 상업화에 커다란 진보를 일궈낸 것으로 평가받고 있습니다.

우민아 박사과정

연구팀은 이를 극복해 아무런 추가 조작 없이 유전자 재조합 대장균을 배양하고, 이에 따라 자동적으로 생성되는 발광신호를 측정함으로써 호모시스테인을 매우 신속하고 간편하게 측정했습니다.

박 교수는 이 기술이 심혈관질환을 유발하는 호모시스테인을 유전자 재조합 대장균을 이용해 정확하게 분석하는 신개념 분석법으로 학계에서 최초로 발표된 신기술이다라고 평가하고 있습니다.

이번 연구는 그 중요성을 인정받아 분석화학 분야의 세계적인 학술지인 '어낼리티컬 케미스트리(Analytical Chemistry)' 4월호(4월 15일자) 표지논문으로 선정됐습니다.

박 교수팀은 아미노산의 일종인 메싸이오닌(Methionine)에만 의존해 성장하는 영양요구주(Auxotroph)와 메싸이오닌과 호모시스테인(Homocysteine) 모두에 의존해 성장하는 영양요구주를 각각 유전자 조작법을 통해 만들었다. 이후 균주 속에 생물발광(Bioluminescent)을 유도할 수 있는 표지유전자를 주입함으로써 두 균주의 성장차이를 생물발광 신호차이로 인식해 호모시스테인 농도를 측정하는 방법을 개발했다. 또한 이 두 균주를 아가로스(Agarose) 용액과 혼합된 고형 상태로 96-홈판 (96-well plate)에 배열하고 각각의 홈에 혈액 샘플을 넣어서 4시간 가량 배양한 후 발광신호(Luminescence)를 측정함으로써 매우 간편하고 빠르게 호모시스테인을 분석하여 심혈관질환을 진단하는 기술을 구현했다.

영양요구주(Auxotroph): 식물 세포계나 미생물 등에 있어서 무기염류와 탄소원으로만 이루어진 합성배지로는 증식할 수 없고 1종 또는 그 이상의 영양소를 보충하여 비로소 생육하는 균주

생물발광(Bioluminescent): 생물이 스스로 또는 공생 생물의 작용에 의해 발광하는 현상

아가로스(Agarose): 해초에서 분리한 갈락토오스가 주성분인 다당류로써 점성을 갖고 있기 때문에 세포를 고정해서 배양하는 고형배지의 조제용으로 사용됨.

발광신호(Luminescence): 루미네선스, 형광이나 인광처럼 열을 동반하지 않는 발광현상으로써 물질이 흡수한 에너지를 빛으로 방출하는 현상

생물발광 영양요구주를 이용한 심혈관질환 유발 요소인 혈액 속 호모시스테인 분석 모식도(어낼리티컬 케미스트리 표지)