- 나노구조물 전사기술 분야의 새로운 패러다임 제시-
국내 연구진이 나노구조물을 다양한 물질 표면에 전사(轉寫)할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다고 발표하였다.
이번 연구는 나노구조물을 일상생활 속에서 사용하는 종이, 플라스틱, 유리, 금속, 천 등 다양한 재료에 전사할 수 있는 기반 기술을 마련한 것으로, 향후 나노구조물의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이번 성과는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(바이오나노헬스가드연구단(단장 정봉현)의 지원으로 나노종합기술원의 이석재 박사팀과 미국 미시간 대학교 니콜라스 코토브 교수팀이 수행한 것으로써, 동 연구 성과는 세계 최고 권위의 논문인 Advanced Materials紙에 8월 6일(수)에 온라인에 소개되었다.
※ 논문명: Scalable Nanopillar Arrays with Layer-by-Layer Patterned Overt and Covert Images
나노구조물은 눈에 보이지 않지만 빛 산란, 물질 반응 촉진 등 다양한 특성을 나타내어 현재 여러 연구 분야에서 수많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 나노구조물을 형성하는 물질과 사용할 물질 사이의 표면 특성으로 인해서 형성된 나노구조물을 다른 물질에 부착하여 활용하는데 크게 제한을 받고 있었다.
이번에 연구된 ‘나노 구조물 전사 기술’은 실리콘에 나노구조물을 가지는 실리콘 주형을 만들고 전사용 고분자 층을 도포한 후, 다른 물질을 고분자 층 위에 부착하여 자외선을 조사해서 나노구조물을 다른 물질에 전사하는 기술이다.
이번 연구는 물질의 종류와 표면의 특성에 대한 제한 없이 전사가 가능하여 웨어러블 바이오 센서, 디스플레이, 차세대 스마트 전자기기 등에서 나노 구조물을 활용할 수 있는 기반을 마련하였다. 또한, 프린팅 방식의 표면 개질(改質)과 높은 표면적으로 인하여 향후 현장 진단형 유해물질 검출 센서로 활용하여 정확도를 크게 높여줄 것으로 기대된다.
연구진은 “이번 연구는 재현성이 높고 물질의 표면 특성의 제한을 받지 않아서 바이오 센싱 및 분자 진단 그리고 차세대 웨어러블 디스플레이, 스마트 전자기기 개발에 응용이 가능하다. 또한, 나노구조물의 구조적 특징을 활용하여 다량의 바이오 물질 검출이 가능하므로, 향후 현장 진단형 웨어러블 바이오센싱 분야의 차세대 핵심 원천기술로 질병·유해물질의 현장 진단 및 고민감도 분석의 가능성을 열 것이다”라고 연구의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
현재 높은 종횡비를 가지는 나노 구조물은 높은 접착력, 전하와 열전달, 빛 산란, 젖음성, 세포와의 반응등과 같은 여러 연구 분야의 적용이 가능한 구조로 수많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 다양한 응용성에도 불구하고, 기존의 방법은 나노 구조물을 형성하는 물질과 표면의 특성적인 제약으로 차세대 웨어러블 디스플레이, 에너지, 바이오 센서와 같은 분야의 적용에 제한을 받고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 개선하고자 종래 플라스틱 기반의 소프트 리소그래피 방식이 개발되었지만 여기에도 역시 몇 가지 문제점이 존재한다. 이 물질은 화학적 안정성과 기계적 물성의 문제로 다양한 물질, 즉, 종이, 플라스틱, 천, 유리, 금속등과 같은 표면에 부착이 어렵다는 단점으로 나노 구조물 제작에 수많은 제한이 있다.
따라서, 높은 표면적과 종횡비, 다종 물질/표면 전사 기술, 저비용, 대면적 기판 제작이 중요한 요인으로 선택되는 만큼, 향후 고감도 센서 구현과 높은 민감성 구현 및 차세대 웨어러블 장치를 위한 기판 제작 및 전사 기술 개발이 필수적으로 추구된다.
2. 연구내용
이에 이석재 박사를 필두로 한 연구팀은 나노종합기술원 나노 인프라를 활용하여 대면적 고 종횡비 나노 구조물을 실리콘 표면에 형성하였다. 이후 실리콘 주형을 산화 시킨 후 선택적으로 제거하여 나노 구조물의 종횡비와 모양, 크기를 조정하였다. 이후 본 실리콘 주형, 자외선에 반응하는 고분자와 여러 종류의 기판, 즉, 종이, 필름, 유리, 금속, 천 등 다양한 물질을 결합한 후 자외선을 조사하여 다종의 기판 표면에 나노 구조물을 제작하였다.
상기 방식을 통하여 만들어진 나노 구조는 50~500 nm의 광범위한 크기가 가능하며 몰드의 종류에 따라 나노, 마이크로 수준의 구조물도 형성이 가능하다는 장점을 가진다. 이는 기존에 사용되는 방식의 한계를 벗어나 고 종횡비를 제한적인 물질에 형성이 불가능한 단점을 극복한 연구 사례이다.
또한, 프린팅 적층형 방식을 이용하여 나노 구조물 표면의 특정 영역에친수성/소수성으로 2차 코팅 물질의 물리적, 화학적 결합을 유도하여 선택적 모양을 형성한다. 이런 현상을 이용하여 바이오 센서 및 유해물질 검출의 가능성을 확인하였다.
3. 기대효과
본 연구에서 개발한 대면적 나노 구조물 전사 및 표면 개질 기술 개발로 구현된 기술은 다양한 물질의 표면에 나노 구조물을 전사하고 구조물의 표면에 프린팅 방식으로 친수성과 소수성을 가지는 물질을 도포하여 손쉬운 표면 개질의 가능성을 보여주었다. 이렇게 형성한 나노 구조물은 사람의 눈에는 보이지 않지만 표면적을 넓혀주고 물질과 공간의 제약 없이 바이오 센서등에 활용되며 차세대 웨어러블 디스플레이, 에너지 저장 장치 등 국민의 삶의 질적 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
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이번 성과 뭐가 다른가 |
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본 연구성과는 실리콘 기판을 이용하여 높은 종횡비를 가지는 나노 구조물을 형성과 동시에 다물질 표면에 전사하여 차세대 바이오 센서 플랫폼으로 사용이 가능한 전사기술을 개발하였음. |
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어디에 쓸 수 있나 |
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질병 및 유해물질의 현장 진단 및 고민감도 분석 (Point of Care Test)용 기판에 활용 될 수 있음. 이를 통해 국가재난형 유해 바이오 물질의 조기 검출시스템 개발로 응용 가능함. |
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실용화까지 필요한 시간은 |
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간단한 고민감도 센싱 및 정성 분석 기술은 바로 적용 가능함. 또한 바이러스, 병원균 등 바이오 물질에 대한 초고감도 분석에 대한 실용화를 위한 원천기술 확보는 늦어도 약 4-5년 정도 예상. |
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실용화를 위한 과제는 |
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연속 공정과 기술 개발을 통한 대량 생산화 기반 실용화 연구 개발이 필수적이며 연구비와 연구 인력 확보가 필수적임. |
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연구를 시작한 계기는 |
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나노종합기술원의 우수한 나노 인프라를 활용하여 차세대 바이오센서를 다양한 기판에 형성하는 연구로 출발하여 보다 감도가 높고 검출시간을 줄일 수 있는 연구를 진행하던 중 나노바이오 융합 연구를 통하여 나노 구조물 전사 기술 개발을 진행하였음. |
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에피소드가 있다면 |
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처음 나노 구조물을 형성하고 전사하는 과정에서 물질간 결합력 차이에 따른 전사 실패를 경험하였음. 하지만 지속적인 실험조건 최적화를 통하여 이전에 제한적인 물질에 나노 구조물을 형성하는 기술보다 진보된 연구결과를 얻음. 꾸준한 노력과 다양한 학제간 융합 연구로 좋은 결과로 이어져 융합연구의 필요성이 중요함. |
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꼭 이루고 싶은 목표는 |
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국가재난형 유해 바이오 물질에 대한 현장 조기 검출시스템에 적용이 가능한 다물질 전사 기술과 이를 이용한 차세대 웨어러블 장치와 나노바이오 융합형 플랫폼의 상용화를 목표로 함. |
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신진연구자를 위한 한마디 |
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본 연구 분야는 나노와 반도체 공정 그리고 향후 바이오기술의 융합이 가능한 학문임과 동시에 원천기술이 상용화까지 연결될 수 있는 실현가능한 기술임. 특히 대한민국의 경우 관련 분야에 대한 기술수준은 세계적이라고 할 수 있음. 따라서 본 연구분야에 대한 꾸준한 관심과 학제간 융합적 열린 사고방식이 따라 준다면 우수한 연구 결과와 업적을 기대할 수 있음. |
그림 및 주요사진 설명
그림 1. 나노 구조물 모양 및 크기 조절
상기 그림은 본 연구의 실험 방법을 모식화한 그림이다. 일반 실리콘 웨이퍼 표면에 특정 모양을 형성한다. 이후, 그 외 물질을 제거하고 자외선에 반응하는 고분자와 전사하고자 하는 물질을 반응한다.
그림 2. 나노 기둥을 다양한 기판 (유리, 플라스틱, 필름, 천)에 전사한 그림. 대면적의 균일한 나노 구조물을 다종의 물질에 전사 가능성과 나노 구조의 유연성을 보여주고 있다.
본 연구에서는 다양한 물질의 표면에 나노 구조물을 형성할 수 없는 단점을 극복하는 방법을 제시하여 유리, 플라스틱, 금속, 종이, 천에 나노 구조물을 형성하는 실험을 진행하였다.
완성된 샘플의 경우 다양한 물질의 표면에 얇은 나노 구조물이 형성되어 있으며 나노 구조물이 유연하여 쉽게 구부릴 수 있는 특징을 가지고 있다.
그림 3. 선택적 표면 개질을 통한 친수성/소수성 표면 특성 제어.
나노 구조물이 전사된 표면에 선택적으로 친수성과 소수성 특성을 조절한 후 잉크에 노출시키면, 친수성인 글자 부분만 염색이 되어 글자가 보인다. 일반 물질의 표면의 경우 염색이 되지 않거나 전체가 염색이 된다.
그림 4. 나노 구조물의 표면 특성에 따른 친수성/소수성 그림. (논문 뒷표지 그림)
본 연구를 기반으로 넓은 면적의 표면에 나노 구조물을 형성한 후 적층형 프린팅 방식으로 물질의 표면을 선택적으로 친수성/소수성 조절이 가능 하다.
그림 5. 일반 환경에서 나노 글자가 숨겨진 필름 사진 (좌), 사람의 입김(수분)에 의해서 노출된 나노 글자 사진 (우).
나노 구조물의 표면에 선택적으로 친수성과 소수성 표면이 형성되어 있다. 이 물질은 기판과 같은 광학적 특성으로 일반 환경에서는 글자 또는 그림이 숨겨져 있지만 수분에 노출되면 선택적으로 반응하여 숨겨진 글자가 노출되는 특징을 보인다.
그림 6. 일상 생활 용품에 나노 구조물 전사한 모습.
일상생활에서 사용하는 안경, 장갑, 티셔츠, 물병 등의 표면에 나노 구조물제작이 가능하다. 물질의 곡면, 재질에 상관없이 나노 구조물을 직접적으로 만들 수 있다.
용 어 설 명
1. 실리콘 주형 (Silicone-based master mold)
나노 구조물을 다양한 물질의 표면에 전사하기 위한 기판으로 나노 구조물의 반대상이 기판에 전사된다. 종래의 반도체 제조 공정을 기반으로 실리콘 표면에 자외선 반응형 고분자를 도포한 후 선택적으로 제거하여 나노 구조물의 형성과 크기를 제어하여 2차 전사하기 위한 원형 기판을 지칭한다.
2. 친수성/소수성
친수성: 물질의 성질로 물과 강하게 상호작용하여 물과의 강한 친화력을 가지고 물에 용해하는 것을 말한다. 또한, 물에 젖기 쉬운 성질을 나타내는 말로도 사용한다.
소수성: 친수성과 반대되는 말로써 물에 대하여 친화력이 부족한 성질을 말한다. 소수성의 경우 기름과의 친화력이 크며 방수제, 유리 코팅제 등으로 많이 사용한다.
3. 소프트리소그래피 (soft lithography)
소프트리소그래피는 일종의 리소그래피 종류의 하나이다. 기존의 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, X선 리소그래피, 이온빔 리소그래피와는 다르게 연한 재질의 탄성중합체 재료를 사용하여 이를 소프트리소그래피라고 부른다. 이는 물질과 구조 내에서 물리적인 접촉과 물질간의 표면에너지 또는 계면에너지 차이를 조절하여 그 구조재료를 쉽게 복제, 성형 제조 할 수 있는 기술을 지칭한다.
4. 적층형 (layer-by-layer) 프린팅
수 나노에서 수십 마이크로 미터 크기의 미세한 층을 프린팅 방식을 이용하여 한층 한층씩 적층하는 방식으로 원하는 특정한 부분에 재료를 도포하는 방식이다. 표면에 도포된 재료의 물리적, 화학적 특성을 활용하여 표면 특성을 변화시키는 기술을 지칭한다.
이석재 박사 이력사항
1. 인적사항
○ 소 속 : 나노종합기술원 나노바이오연구실
○ 전 화 : 042-366-1522
○ 메 일 : sjlee@nnfc.re.kr
2. 학력
○ 1990 - 1997 한양대학교 화학공학 (학사)
○ 1997 - 1999 한양대학교 화학공학 (석사)
○ 2001 - 2004 KAIST 생명화학공학 (박사)
3. 경력사항
○ 1998-2001: (주)녹십자 라이프사이언스 종합연구소 연구원
○ 2004-2007: (주)삼성엔지니어링 기술연구소 책임연구원
○ 2006-현재: (사)한국바이오칩학회 운영위원
○ 2013-2014: (사)한국바이오칩학회 사무총장/대전-충청분회장
○ 2007-현재: 나노종합기술원 선임연구원
○ 2013-현재: 나노종합기술원 나노바이오연구실 실장
4. 주요업적
○ 2004: 한국생물공학회 최우수 포스터상
○ 2009-2011: 나노종합기술원 우수연구상
○ 2011년 IEEE 최우수 포스터 상
○ 2014: (사)한국바이오칩학회 공로상
○ 2014: 올해의 과학기술인상 (미래부장관상)
○ 2014: 우수논문상 (한국과학기술총연합회)
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이경균 박사 이력사항 |
1. 인적사항
○ 소 속 : 나노종합기술원 나노바이오연구실
○ 전 화 : 042-366-1914
○ 메 일 : kglee@nnfc.re.kr
2. 학력
○ 2001 - 2005 UNIVERSITY OF LOUISVILLE 화학공학 (학사)
○ 2005 - 2006 UNIVERSITY OF LOUISVILLE 화학공학 (석사)
○ 2006 - 2010 KAIST 생명화학공학 (박사)
3. 경력사항
○ 2010-2011: KAIST 박사후 연구원
○ 2011-2012: 나노종합기술원 박사후 연구원
○ 2012-2014: UNIVERSITY OF MICHIGAN 박사후 연구원
○ 2014-현재: 나노종합기술원 박사후 연구원
4. 주요업적
○ 2008: 대한민국 보안기술 논문 최우수상
○ 2011년 IEEE 최우수 포스터 상
전재표 기자 su1359m@hanmail.net
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