국내 연구진, '눈결정' 성장원리에 착안…나노신소재 실용화 기대
물·기름 에멀젼 활용 별도 화학공정 없이 상온서 단기간 대량 합성

 

 

강태욱 서강대 교수팀 등 국내 연구진이 개발한 2차원 가지구조 금 나노입자의 액체와 액체 계면에서 합성 모식도. <이미지=강태욱 서강대 교수팀>

 

 

▲ 강태욱 서강대 교수팀 등 국내 연구진이 개발한 2차원 가지구조 금 나노입자의 액체와 액체 계면에서 합성 모식도. <이미지=강태욱 서강대 교수팀>

 

 

국내연구진이 올리브 오일을 이용해 기름과 물의 경계면에서 눈결정 모양의 금나노입자를 대량으로 합성하는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 강태욱 서강대 화공생명공학과 교수와 신용희 박사과정 연구원(공동 제1저자), 김동철 기계공학과 교수팀이 공동연구를 통해 용액 상에서 금나노입자 대량생산 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

지금까지 2차원 금속나노입자는 고체 기판에서 증착을 통해 제작됐다. 그러나 식각공정은 입자의 수가 제한적이고 고체 기판이 필요해 대량생산에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 용액 상 2차원 금속나노입자 생산 연구가 활발하게 진행 중이지만, 반응온도 등 합성조건을 정밀하게 조절해야 하고 복잡한 공정이 필요해 실험실 수준에 그쳤다.

연구팀은 눈결정이 물 분자가 확산될 때 가지구조로 성장하는 원리에 착안했다. 물과 기름이 섞이지 않고 계면에 에멀젼을 형성하는 점을 이용했다. 기름은 주변에서 흔히 구할 수 있는 올리브오일이 사용됐다.

연구팀은 실험을 통해 금이온과 환원제가 계면에서만 선택적으로 반응이 일어남을 확인했다. 금이온과 환원제가 포함된 수용액 위에 계면을 형성하고 살핀 결과, 약 4분이 경과했을 때 계면 주변에 화학반응이 발생한 반면 금이온과 환원제는 수용액 상에서는 아무런 변화가 없었다.

계면에서 합성된 금나노입자를 주사전자현미경과 원자힘현미경을 이용해 분석한 결과, 2~8nm 정도의 틈이 존재하는 수많은 가지를 갖는 수지상 구조가 확인됐다.

한편 계면에서 반응시간이 증가함에 따라 금나노입자의 가지구조가 사라지고 주변에 잔가지들만 존재하는 성게구조가 만들어지는 것도 확인했다.

연구팀이 개발한 방법은 친환경적이란 점에서도 주목된다. 환경독성을 유발할 수 있는 별도의 화학물질 없이 상온에서 짧은 시간 안에 가지구조의 2차원 금나노입자를 대량으로 합성할 수 있을 뿐만아니라 합성에 사용된 기름도 밀도차를 이용해 쉽게 회수해 다시 사용할 수 있다.

 

국내 연구진이 개발한 2차원 가지구조 금나노입자의 전자기장 강화효과 및 분자 검출 적용표. <이미지=강태욱 서강대 교수팀>

▲ 국내 연구진이 개발한 2차원 가지구조 금나노입자의 전자기장 강화효과 및 분자 검출 적용표. <이미지=강태욱 서강대 교수팀>

 

 

무수히 많은 가지가 뻗어 나오는 2차원 평면구조의 금속나노입자는 높은 표면적 때문에 촉매나 질병진단센서를 위한 소자나 질병치료를 위한 소재로 각광받고 있다. 특히 평면구조 금속나노입자의 경우, 강한 전자기장 강화효과와 더불어 인체에 무해한 근적외선 영역의 빛을 이용할 수 있어 바이오의학 분야에도 폭넓게 응용될 수 있다.

강태욱 교수는 "우수한 특성에도 불구하고 그동안 실험실 수준 연구에 머물던 기존 금속나노소재 합성의 한계점을 극복한 연구결과"라며 "향후 3년 내 실용화 될 수 있을 것으로 기대하며, 금속 나노소재의 실용화에 도움을 줄 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 국가간협력기반조성사업(미공군협력사업)의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트지(Scientific Reports)' 온라인판에 8월 26일 게재됐다.

 

논문제목 : Two-dimensional hyper-branched gold nanoparticles synthesized on a two-dimensional oil/water interface

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국내 연구진, 염(salt)과 물만 활용한 친환경 방법 적용
그래핀 양자점 발광 메커니즘도 규명…그래핀 양자점 LED 개발 상용화도 가능

 

 

그래핀 양자점 합성 과정과 그래핀 양자점 이미지. <자료=KAIST 제공>

▲ 그래핀 양자점 합성 과정과 그래핀 양자점 이미지. <자료=KAIST 제공

 

KAIST(총장 강성모)는 세계 최초로 염(salt)과 물만 이용한 친환경 방법으로 그래핀 양자점을 만들어내고 이를 활용해 LED까지 개발하는데 성공했다고 28일 밝혔다.

전석우 신소재공학과 교수와 조용훈 물리학과 교수, 유승협 전기및전자공학과 교수 연구팀이 개발한 양자점은 지름이 5nm(나노미터·10억분의 1미터)로 매우 작고, 균일하면서도 높은 효율을 보였다.

기존 양자점과 달리 납이나 카드뮴 등의 독성물질도 없었고, 쉽게 구할 수 있는 물과 흑연, 염 등으로 만들 수 있어 비용지 적고 대량생산이 가능하다는 것이 연구진의 설명이다.

연구팀에 그래핀 양자점의 발광 메커니즘도 규명했는데, 이번에 개발된 그래핀 양자점을 소자로 한 LED의 상용화 가능성도 기대하고 있다.

그래핀 양자점 LED는 휴대폰 디스플레이의 최대 밝기(수백 cd/㎡)보다 높은 1000 cd/m2 이상의 고휘도를 나타냈다.

전석우 교수는 "아직은 기존 LED 발광효율에는 못 미치지만 발광 특성은 앞으로 더욱 발전 될 것"이라며 "특히 그래픽 양자점을 확용하면 종잇장처럼 얇은 디스플레이는 물론 커트너럼 유연한 소재에도 원하는 정보가 표시되는 기술도 가능하다"고 기대했다.

이번 연구는 KAIST 나노융합연구소 그래핀 연구센터의 지원을 받아 수행됐고, 연구 결과는 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials) 20일자 온라인판에 게재됐다.

 

그래핀 양자점 적용 LED 구조와 발광 이미지. <자료=KAIST 제공>

▲ 그래핀 양자점 적용 LED 구조와 발광 이미지. <자료=KAIST 제공>

 

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국내 연구진, 두께 0.1마이크로미터 금 나노선 개발
쥐 신경신호 측정 성공…뇌신경 3차원 지도 작성에 활용

 

세계에서 가장 가는 나노탐침을 국내 연구진이 개발했다.

KAIST(총장 강성모)는 김봉수 화학과 교수 연구팀이 단결정 금 나노선을 이용해 만든 나노탐침으로 쥐의 신경신호를 측정하는데 성공했다고 27일 밝혔다.

이번에 개발된 나노탐침은 굵기가 100nm(나노미터, 10억분의 1미터)에 불과하고 기존 탐침보다 1000배 이상 뛰어난 감도를 나타냈다. 이 탐침으로 1nm 이하의 정밀한 간격으로 신경 신호를 측정할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

뇌에서 발생하는 전기적 신경신호를 정확하게 수집·분석하는 신경탐침은 뇌 연구에서 가장 핵심적인 요소다. 신경탐침은 조직손상을 최소화해야하며 우수한 전기적 감도를 가져야한다.

기존 신경탐침은 신호 측정을 위해 삽입하다가 조직에 손상이 생겨 검출 신호가 약하다는 단점이 있었다.

연구팀은 탐침의 재료인 금을 가열해 증기상태로 만든 다음 온도가 낮은 기판으로 옮겨 기판 위에서 응결되면서 단결정 금 나노구조가 생성되는 원리를 이용해 금 나노선을 개발했다.

금 나노선은 결함이 없는 단결정구조이기 때문에 전기전도성이 높으면서도 강하고 유연한 특성을 보였다.

김 교수 연구팀은 개발된 나노탐침을 간질을 유발하는 약물을 투여한 쥐의 뇌에 삽입해 신경신호를 측정한 결과 간질을 일으키는 뇌의 특정 영역을 정확히 찾을 수 있었다. 또 낯선 쥐의 침입에 의한 신경신호의 변화도 탐지해냈다.

김봉수 교수는 "뇌 신경 세포를 손상시키지 않으면서 단일 신경세포로부터의 신호를 높은 감도로 포착할 수 있다"며 "정밀한 뇌신경 3차원 지도 작성에 유용할 뿐 아니라 치매, 파킨슨병 등의 전기치료에도 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 'ACS Nano' 12일자 온라인 판에 게재됐다.

 

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홍지상 부경대 교수, 나노튜브 구조 화합물 연구
스핀트로닉스 연구와 디스플레이 광소자 응용가능

 

홍지상 교수(가운데)와 타오 후 박사(왼쪽), 아큄 하쉬미 박사과정 등 연구진.<사진=한국연구재단 제공>

▲ 홍지상 교수(가운데)와 타오 후 박사(왼쪽), 아큄 하쉬미 박사과정 등 연구진.<사진=한국연구재단 제공>


 

 국내 연구진이 비금속물질인 탄소와 질소로 된 나노튜브구조 화합물이 투명자석의 성질을 보일 수 있음을 발견했다. 투명하면서 자성을 띠는 물질은 스핀트로닉스 연구와 디스플레이를 위한 광소자로서 응용될 수 있어 주목된다.

홍지상 부경대 물리학과 교수(교신저자)와 타오 후 박사, 아큄 하쉬미 박사과정 연구원은 탄소와 질소로 된 카본나이트라이드 나노튜브가 팔걸이 의자 또는 지그재그 모양일때 자기저항소자와 자기장 센서와 같이 반쪽금속성을 가질 수 있다는 사실을 확인했다.

기존에는 물질이 자성을 띠기 위해서는 주기율표에서 금속원소인 타이타늄부터 니켈까지  3d 전이금속 원소가 포함돼야 한다고 알려져 왔다.

연구팀은 전이금속 원소가 없는 실린더 모양의 1차원 카본나이트라이드 나노튜브구조에서 다양한 크기와 기하학적 구조를 가지는 경우에 나타나는 자기적, 광학적 성질을 제일원리 계산방법을 이용해 연구를 수행했다.

연구를 통해 기하학적 모양에 따라 자기적 성질이 달라진다는 사실을 발견했으며, 팔걸이 의자 구조에서는 크기에 상관없이 한쪽 전자의 스핀성분이 반쪽금속성을 보인다는 결과를 얻었다.

반쪽 금속성을 지닌 물질은 전원이 꺼져 있어도 정보가 그대로 저장되는 비휘발성 메모리 소자로 활용이 가능하다. 이런 반쪽금속성은 주로 호이즐러 합금계열, 페로브스카이트 산화물처럼 특수한 경우 3d 전이금속에서 나타나는 것으로 알려져 있다.

이번 연구 결과로 스핀트로닉스 연구를 위한 새로운 접근방법을 제시할 것이라는게 연구진의 설명이다. 또 투명한 성질을 이용해 디스플레이 소자로의 응용연구로 이어질 전망이다.

홍 교수는 "한가지 물질에서 자기적 특성과 광학적 특성을 동시에 보일 수 있는 구조에 대한 이론을 제시한 것"이라고 의미를 부여하며 "연구가 시작단계로 추가연구를 진행해 선도적인 결과를 지속 발표하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하는 일반연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며 연구결과는 네이처출판그룹이 발생하는 국제학술지 사이언티픽 리포트지 온라인판 8월 14일자에 게재됐다.

 

원통형 모양 나노튜브의 구조 모식도.<이미지=한국연구재단 제공>

▲ 원통형 모양 나노튜브의 구조 모식도.<이미지=한국연구재단 제공>


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ETRI, 라닉스와 공동으로 무선통신 핵심 칩 개발
급정거 시 1.5km 범위 내 차량끼리 위험경보…200km속도에서도 작동

 

ETRI가 개발에 성공한 웨이브(WAVE) 칩을 사용해 RF 2채널을 지원하는 통신 플랫폼 보드의 모습. 사진중앙의 칩이 이번에 개발한 웨이브 칩. <사진=ETRI 제공>

▲ ETRI가 개발에 성공한 웨이브(WAVE) 칩을 사용해 RF 2채널을 지원하는 통신 플랫폼 보드의 모습. 사진중앙의 칩이 이번에 개발한 웨이브 칩. <사진=ETRI 제공>


 

앞차의 사고상황을 미리 알려 연쇄 추돌을 막을 수 있는 통신 기술을 국내 연구진이 개발했다.

ETRI(한국전자통신연구원·원장 김흥남)는 반도체 설계회사 라닉스와 공동으로 무선통신을 이용해 사고를 예방할 수 있는 핵심칩을 개발했다고 26일 밝혔다.

이번에 개발된 장치는 차량통신의 표준규격인 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)의 통신용 칩으로 앞차가 급정거를 하면 1.5km 범위 안의 차량에 자동으로 경고해주는 기술이다. 이번 기술은 시속 200km의 고속 이동 중에도 연락이 가능하다.

이번 기술로 운전 시 돌발상황에 대비하고 스마트폰, 내비게이션과 연동할 경우 교통정체가 없는 빠른 길 안내도 보다 정교해질 것으로 기대된다.

가로 세로 18mm 크기의 칩은 어디든 설치가 가능하며 기존 샤크 안테나 등에 통합될 수도 있다. 또 암호화 기능도 내장 돼 보안도 강화했다. 따라서 사고 예방뿐만 아니라 주유소나 주차요금 등의 과금, 하이패스와 연동할 수 있다는 것이 연구소의 설명이다.

 

ETRI가 개발한 반도체 공정을 이용한 가로세로 18mm 크기의 통신 칩 패키지. <사진=ETRI 제공>

▲ ETRI가 개발한 반도체 공정을 이용한 가로세로 18mm 크기의 통신 칩 패키지. <사진=ETRI 제공>

 

ETRI가  라닉스와 4년여에 걸쳐 개발 이번 기술은 차세대 지능형교통시스템(C-ITS) 시범사업을 통해 내년부터 상용화 될 계획이며, 스스로 정지할 수 있는 능동제어 기능도 추가할 예정이다.

오현서 ETRI 자동차IT융합연구실 책임연구원은 "이번에 개발된 WAE 통신 칩은 고속 인증 및 암호화 기술이 탁월하고 도심환경에서의 통신 성능이 우수한 차별화된 통신 기술"이라고 설명했다.

최승욱 라닉스 대표이사는 "국내 차세대 지능형교통시스템 사업 추진 일정에 맞춰 WAVE 통신 칩을 성공적으로 개발해 기쁘다"며 "단말기와 기지국 개발에 힘쓰겠다"고 전했다.

 

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