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일반적으로 반도체 소자는 누설전류로 인해 물에 취약하기 때문에 소자를 방수처리하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있습니다.

나노선 구조를 이용해 물속에서도 젖지 않는 차세대 메모리 소자의 원천기술이 개발됐습니다.

이는 방수 컴퓨터나 스마트폰 개발을 가능하게 하는 기술입니다.

■ 포스텍 용기중 교수팀은 생체모방기술 중 연잎효과를 이용해 물속에서도 젖지 않으면서 전원 없이도 저장된 정보를 유지할 수 있는 차세대 비휘발성 저항메모리 소자(RRAM)를 개발했습니다.

연구팀은 물방울이 연잎 표면을 적시지 않으면서 먼지 등을 씻어내는 자가세정, 방수효과, 결빙방지 등의 특성을 갖는 연잎효과(Lotus Effect)를 이용해 텅스텐 산화물 반도체 나노선을 합성한 후, 표면을 단분자막으로 화학코팅하여 물속에서도 젖지 않으면서 자가세정 효과가 있는 초발수(超撥水) 저항메모리 소자를 만들었습니다.

(위) 텅스텐산화물 나노선을 이용한 저항메모리 소자의 모식도, (아래 왼쪽) 소자 저항 변화 특성, (아래 오른쪽) 물에 젖지 않는 초발수 특성 사진.

특히 이번 연구는 기존의 저항메모리 소자 개발에 추가적인 공정 없이도 초발수 특성을 유지하여, 물에 젖지 않으면서도 안정적으로 소자가 작동되는 것이 특징입니다.

이번 연구는 나노소자와 생체모방기술을 접목하여 반도체 소자의 방수특성을 더욱 향상시켰다는데 의미가 있는 것으로, 향후 방수되는 컴퓨터와 스마트폰 개발에 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 신소재분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials'지에 온라인 속보(4월 10일자)로 게재되었습니다.
(논문명: Resistive switching WOx-Au core-shell nanowires with unexpected nonwetting stability even when submerged under water)

(a,b) 물에 넣었을 때 초발수 특성으로 인해서 나노선 표면에 형성된 공기층으로 인해서 전반사가 일어나 거울상의 특성을 보여주는 사진. (c) 초발수 특성을 선택적으로 일부분만 처리하여 물에 넣었을 때 처리한 부분은 표면이 젖지 않고 처리안한 부분은 젖은 사진. 물에서 꺼내어 바로 측정해도 소자의 작동이 정상적으로 이루어지는 결과.

 

제1저자인 이승협 박사 (현재 박사학위 후 삼성종기원 근무)

<연 구 개 요>

초발수 표면은 물의 접촉각이 150도 이상을 갖는 상태를 의미하며 흔히 연잎표면에서 자연적으로 관찰되어 연잎효과(Lotus effect)로 잘 알려져 있다.
이와 같은 초발수 표면은 물방울이 표면을 적시지 않고 먼지 등을 씻어내어 자가세정, 방수효과, 얼음방지 등의 특성을 가지고 있으며 다양한 분야의 활용 가능성으로 인해서 현재 많은 관심 속에 연구가 진행되고 있다.
 
이와 같은 초발수 표면 제작은 기본적으로 연잎의 구조를 모방하는 생체모방기술이라 볼 수 있으며, 접근법에 따라서 top-down 방식과 bottom-up 방식이 있다.
Top-down 방식은 크기를 줄여나가서 연잎의 마이크로 돌기 형태의 구조를 제작하는 방식이며, bottom-up 방식은 분자들의 자기정렬을 통해서 나노 혹은 마이크로 형태의 구조를 제작하는 방식이다.
일반적으로 top-down 방식에 비해서 bottom-up 방식이 상대적으로 공정이 간단하고 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가진다.
 
본 연구팀은 다양한 나노선을 합성하고 나노선의 표면을 단분자막으로 화학코팅하여 bottom-up 방식의 초발수 표면을 구현하였다.
특별히 텅스텐 산화물 반도체 나노선을 기판위에 증착하여 이를 이용하여 차세대 메모리 소자인 저항메모리소자를 구현하였으며, 동시에 나노선의 표면처리를 통해서 초발수 특성을 갖게 하는 다기능성의 소재를 개발하였다는 점에서 기존의 다른 연구들과 차별화 될 수 있다.
 
저항메모리 소자는 차세대 메모리 소자로서 인가된 전압에 따라서 저항상태가 고저항/저저항 상태로 스위칭되는 특성을 가지고 있는 비휘발성의 차세대 메모리 소자로 많은 관심을 받고 있다.
특별히 나노선을 이용하는 경우 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다.
 
대부분의 전자소자가 누설전류로 인해서 물에 취약한 특성을 보이기 때문에 현재 소자의 방수처리를 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
본 연구를 통해서 개발된 나노소자는 추가적인 패키징 없이 물속에서도 초발수 특성을 유지하여 물에 젖지 않음으로써 안정된 소자의 작동을 나타낸다는 특성을 나타내고 있다.
 

이와 같은 초발수 특성은 전자소자의 방수특성을 더욱 향상 시킬 수 있으며 또한 다양한 환경에서도 작동될 수 있는 소자 개발을 위한 원천기술을 개발했다는 데 중요한 의의가 있다.


 용  어  설  명

나노선  :
수 십~수 백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체

누설전류(漏泄電流) :
절연체(열이나 전기의 이동을 방해하는 물질)에 전압을 가했을 때 흐르는 약한 전류

저항 메모리(Resistive RAM: RRAM또는 ReRAM) :
차세대 비휘발성 메모리의 한 종류.
RRAM은 부도체 물질에 충분히 높은 전압을 가하면 전류가 흐르는 통로가 생성되어 저항이 낮아지는 현상을 이용한 것이다.
일단 통로가 생성되면 적당한 전압을 가하여 쉽게 없애거나 다시 생성할 수 있다.
페로브스카이트(perovskite)나 전이금속산화물, 칼코게나이트 등의 다양한 물질을 이용한 RRAM이 개발되고 있다.

연잎효과(Lotus effect) :
연잎 위에 먼지가 떨어져 있을지라도 연잎은 그걸 받아들이지 않고 물과 함께 버린다.
잎이 물방울에 젖지 않는 현상을 일컬어 연잎효과라고 한다.
이러한 원리의 가장 핵심적인 요소는 바로 연잎에 무수히 나있는 나노돌기이다.
나노돌기는 떨어진 물방울을 퍼뜨리는 것이 아니라 맺히게 함으로써 연잎에 떨어진 물 역시 표면에 적셔지지 못하고 서로 합쳐진 것들조차 떨어지게 된다.


 

<용기중 교수>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포스텍 화학공학과 교수

2. 학력
○ 1990 : 연세대학교 화학공학과 학사
○ 1992 : 연세대학교 화학공학과 석사
○ 1997 : Carnegie Mellon University 박사

3. 경력사항
○ 1997년 ~ 2000년 : 텍사스대(Univ. Texas at Austin) Postdoctoral Fellow
○ 2000년 ~ 현재: 포스텍 화학공학과 교수

4. 주요연구업적
1. Seunghyup Lee, Wooseok Kim and Kijung Yong, "Overcoming the water vulnerability of electronic devices: a highly water-resistant ZnO nanodevice with multifunctionality", Advanced Materials, Vol. 23, Issue 38, 4398-4402 (2011)
2. Minsu Seol, Heejin Kim, Youngjo Tak and Kijung Yong, "Novel nanowire array based highly efficient quantum dot sensitized solar cell", Chemical communications, Issue 46, pp. 5521-5523 (2010)
3. Youngjo Tak, Sukjoon Hong, Jaesung Lee and Kijung Yong, "Fabrication of ZnO/CdS core/shell nanowire arrays for efficient solar energy conversion", Journal of Materials Chemistry, Vol. 19, No.33, 5945-5951 (2009)
4. Yunho Baek, Yoonho Song, Kijung Yong, "A novel heteronanostructure system: hierarchical W nanothorn arrays on WO3 nanowhiskers", Advanced Materials, Vol. 18, No. 13, 3105-3110 (2006)
5. Youngjo Tak, Kijung Yong, "Controlled growth of well-aligned ZnO nanorod array using a novel solution method", Journal of Physical Chemistry B, Vol. 109, No. 41, 19263-19269 (2005)

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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흙탕물 속에서도 아름답고 깨끗한 모습을 지키는 연꽃잎, 건조한 사막에서도 물 걱정 안 하는 딱정벌레, 영양분 공급 걱정 안 하는 끈끈이주걱, 물위를 자유자재로 걷는 소금쟁이, 물이 젖지 않는 나비날개...

이들은 모두 나노구조를 지니고 있어서 신기한 생존현상을 만들어 낸다.

육안으로 보면 연꽃잎이 매끈하게만 보이지만 그 표면을 전자현미경으로 보면 마이크로미터 크기의 돌기가 산봉우리처럼 울뚝불뚝 돋아 있고 그 봉우리에는 나노미터 수준의 돌기가 오돌토돌하게 배열되어 있다.

연꽃잎에 맺힌 물방울 사진과 나노구조의 전자현미경 사진과 봉우리의 모식도

이렇게 크기가 다른 미세 구조들이 촘촘하게 배열되어 있는 구조로 인해 연꽃잎은 물을 극도로 싫어하는 초소수성(superhydrophobicity)을 갖게 된다.

따라서 연꽃잎에 물이 닿으면 물이 퍼지지 않고 방울방울 맺혀 그대로 흘러내려 먼지를 쓸어내는 자기 세정 효과를 지닐 수 있다.

연꽃잎이 깨끗하고 아름다운 것은 이러한 소위 연꽃잎효과(Lotus Effect) 때문이다.

특히 마이크로미터 단위의 미세 물방울에 대해서 연꽃잎은 물을 끌어들이는 친수성(hydrophilicity)을 보인다.

아침에 연꽃잎에 맺힌 물방울은 공기 중의 수분을 끌어 모아 큰 방울로 뭉치게 하기 때문이다.

이러한 현상은 수증기의 작은 물방울이 연꽃잎에 존재하는 나노크기 실타래 같은 것 사이에 갇혀 응축되기 때문이다.

이렇게 맺힌 물방울이 구르면서 잎에 묻은 먼지를 씻어내기 때문에 연꽃이 흙탕물에서 자라지만 꽃잎은 항상 깨끗하다.

사막의 딱정벌레는 날개 표면에 있는 연꽃잎과 유사한 나노구조가 공기 중의 수분을 모아 방울로 맺히게 하여 마심으로써 갈증을 해결한다.

사막의 딱정벌레와 나노구조의 전자현미경 사진

이밖에도 끈끈이주걱에 돋아 나있는 섬모의 끝을 전자현미경으로 관찰하면 나노 기둥이 배열되어 있어 끈끈한 방울이 맺히고 여기에 포획된 곤충을 분해하여 영양분을 섭취한다.

끈끈이 주걱과 나노구조의 전자현미경 사진

KAIST 생명화학공학과 양승만 교수팀(광자유체집적소자 창의연구단)은 연꽃잎 나노구조를 표면에 갖고 있는 미세입자를 균일한 크기로 연속적으로 생산하고 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 기술을 개발해 최근 Nature와 Nature Nanotechnology등 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 연구 성과를 거뒀다.

연꽃잎 나노구조로 발생하는 소위 연꽃잎효과(Lotus Effect)의 응용분야는 무궁무진하여 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이나 현재의 기술수준은 연꽃잎 효과를 지니는 실용성 있는 제품을 개발하는 데는 성공하지 못하고 있다.

연꽃잎의 나노구조를 생체 모방한 미세입자제조 공정모식도

양 교수 연구팀은 감광성 액체방울을 이용하여 연꽃잎의 나노구조를 생체에 모방하여 크기가 균일한 미세입자를 대량으로 만들 수 있는 기술을 성공적으로 개발했다.

Nature Nanotechnology에 실린 물 위에 뜬 물방울 사진: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자를 물표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막 위에 물을 뿌리면 방울로 맺히게 된다. 이것은 미세입자를 이용하면 물위로 물체를 띄울 수 있음을 보여준다.

특히 나노구슬이 스스로 구조를 형성하는 자기조립 원리를 이용함으로써 제조공정이 손쉽고 빨라 경제적이다.


우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬을 감광성 액체 속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터로 균일한 액체방울로 만들어 물에 주입하고, 물-감광성 액체-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬은 저절로 감광성 액체방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다.

Nature에 실린 물방울로 만든 구슬을 집게로 잡고 있는 모습: 연꽃잎 나노구조를 갖는 미세입자가 물을 포획하여 물방울 구슬을 만든 모습. 이 물방울구슬은 집게로 찌그러트려도 안 터지며 떨어뜨려도 깨지지 않는다.

이 때 자외선을 감광성 액체방울에 쪼여서 고형화 시킴으로써 수 천 개의 유리 나노구슬이 박혀있는 입자를 얻게 된다.
그 후 유리구슬을 불산으로 녹여내면 마치 골프공 같이 분화구가 촘촘하게 파진 미세입자를 만들 수 있고 여기에 플라즈마(높은 에너지를 갖는 기체이온)를 쪼여주면 분화구가 깊게 깎이면서 연꽃잎과 같은 나노구조가 형성된다.

이러한 연꽃잎 구조는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이며 최근 나노식각공정을 사용해 평판 위에 연꽃잎 효과를 구현한 결과는 보고된 바 있다.

그러나 본 연구의 결과는 머리카락 보다 가는 미세한 입자표면에 연꽃잎 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소다.

연꽃잎의 나노구조를 갖는 미세입자를 물 표면에 뿌리면 막이 형성되고 이 막은 유리 막대를 찔러도 뚫리지 않고 유리막대에 물이 묻지 않는다.

이렇게 제조된 연꽃잎 효과를 나타내는 미세입자의 응용은 다양하다.

세차가 필요 없는 자동차, 김이 서리지 않는 유리, 비에 젖지 않는 섬유, 스스로 세정하는 페인트 그리고 비나 눈물에 얼룩이 지지 않는 화장품 등도 개발할 수 있다.

또 화학 및 바이오센서 등의 마이크로 분석소자, 물위를 걸을 수 있는 마이크로로봇, LCD 차세대 대형 디스플레이에서도 연꽃잎 효과를 이용한 코팅 기술이 사용될 것으로 기대된다. 

<양승만 KAIST 생명화학공학과 교수>

posted by 글쓴이 과학이야기

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