한국연구재단(이사장 조무제)은 심우영 교수(연세대) 연구팀이 소리(음파)를 이용하여 나노 및 미세물질을 원하는 위치에 정렬할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다.

나노물질은 수나노미터에서 100나노미터 정도 크기의 물질로, 뛰어난 강도, 전기 전도도, 열전도율과 화학적 안정성을 보인다. 이는 전자, 바이오, 의료분야 등 광범위한 연구·산업 분야에서 응용될 수 있다.

나노물질이 각종 소자와 바이오센서 등으로 활용되려면, 대량생산 공정이 적용된 대면적 소자의 형태여야 한다. 대면적 소자의 형태는 직접회로의 반도체 소자와 같이, 개개의 소자들이 규칙적인 배열을 가진다. 이와 같은 형태를 이루기 위해서는 원재료인 나노물질을 실리콘 기판 위 원하는 위치에 배열해야 한다. 

그러나 나노물질을 기판 위에 프린팅 기법으로 직접 전사하는 기술은 공정비용이 많이 소요되고 시간 소모가 커서 산업적 활용에 제한적이었다.

나노물질의 공간적 제어는 보통 전기적 혹은 화학적 기술을 기반으로 하고 있다. 이 기술들은 부식성 화학물질을 사용하는 습식 공정을 필요로 하며 과정 또한 상당히 복잡하다. 또한 실리콘 반도체 공정기술을 이용하므로 대량의 나노물질을 제어하기가 쉽지 않다.

이에 심우영 교수팀은 저주파의 음파를 이용한 센티미터 스케일의 대면적 나노 및 미세물질 정렬 기술을 새롭게 개발하였다.

연구팀은 나노 및 미세입자를 용매에 섞어 기판에 도포한 후 기판에 음파 진동을 가했다. 나노 및 미세입자는 용매 표면에 생기는 물결(파동)을 따라 움직이며 원하는 위치에 정렬된다. 이후 용매를 빠르게 증발시켜 나노 및 미세입자의 위치를 고정시킨다.

용매가 도포된 기판 전체에 나노물질이 정렬되므로 센티미터 이상 대량의 물질을 제어 가능하다. 게다가 음파 진동의 물결을 따라 나노 및 미세물질이 즉시 이동하여 정렬되므로 공정 시간과 비용을 대폭 절감할 수 있다.

또한 위 기술은 유체와 입자간의 역학적 관계를 바탕으로 하였으므로 입자의 전기적· 자기적 특성과 무관한 위치 제어가 가능하다. 따라서 전자 분야와 더불어 비전기적·비전자적 나노물질을 이용하는 바이오, 환경, 에너지 등 광범위한 분야에서도 물질제어 기술로 활용 가능하다.

심우영 교수는 “나노 물질의 다양한 응용 시 큰 장벽이었던 대량 나노물질 정렬의 한계를 극복할 수 있게 되었다”며 “해당 기술은 나노 전자 및 광학 디바이스 제작, 세포 배열을 이용한 질병 진단 키트 개발에 응용될 수 있다. 또한 기하학적 구조, 방향, 배열로  물질의 특성이 조절되는 새로운 특성 물질 제조 등에도 적용 가능한 기술로 자리매김할 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

한국연구재단 연구교류사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 나노분야의 권위있는 학술지인 미국 화학회의 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 10월 12일자에 게재되었으며 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 10월호 연구 하이라이트로 선정되었다.

- 논문명 : Wave-Tunable Lattice Equivalents toward Micro- and Nanomanipulation

   

- 저자 정보 : 김혜온(연세대 신소재공학과), 김태훈(연세대 신소재공학과), 김도헌(서울대 물리천문학부), 심우영(연세대 신소재공학과)

음파 파동(sound wave)을 이용하여 나노 및 미세물질(예, 나노선)을 원하는 크기, 위치에 정렬시키는 기술을 개발하였다. 이차원 용매를 저주파의 음파 파동에 노출시키고 용매의 증발을 제어하여 나노 및 미세물질을 표면에 효과적으로 직접 패터닝 하였다. 최종적으로 센티미터 스케일의 대면적 나노 및 미세물질 패터닝 기술과 삼차원 어레이 제작 기술을 개발하였다. 기존에는 용매 표면에서 파티클의 미소유체역학적 연구에 머물렀던 저주파의 음파 파동을 이용하여 이차원 어레이를 제작하였으며, 더 나아가 transparent spacer layer를 이용하여 삼차원의 미세물질 어레이를 제작하였다.

  

나노물질의 공간적 제어 기술에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 마이크로 스케일의 전기적 또는 화학적 제어 기술 기반의 연구가 대부분이며, 양산성 및 신뢰성을 보여주는 연구결과는 매우 미비하다.

 

기존의 전기적 또는 화학적 나노 및 미세물질 제어 기술에서 탈피하고, 시장성 및 상용성을 고려한 새로운 패러다임의 나노 및 미세물질 제어기술에 대한 집중적 연구가 필요하다. 

 

음파 진동으로 인한 움직임의 생성과 그 영향에 관련한 대표적인 연구로는 정상파로 소리를 시각화한 클라드니 도형을 들 수 있다. 본 연구는 클라드니 패턴을 미세화하여 나노 및 미세물질 패터닝에 응용하는 것을 목표로 하였다.

유체 매질 이용을 통해 입자간 이차결합 및 입자-기판간 이차결합을 제어하고 파동을 통한 효과적인 나노물질 패터닝을 실현할 수 있다. 이는 유체내에서 파동을 인가하면 입자가 유체의 거동을 따라 유동하기 때문에 입자간 및 입자-기판간 이차결합의 영향이 감소하기 때문이다.

음파 파동(sound wave)을 이용하여 나노(예, 나노선) 및 미세물질을 원하는 크기, 위치에 정렬시키는 기술을 개발하였다.

 

전자, 디스플레이, 바이오, 의료분야 등 광범위한 산학분야에서 나노물질 응용연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 나노물질의 뛰어난 물성에도 불구하고 원하는 위치에 나노물질을 정렬할 수 있는 기술이 없어 산업적 응용이 제한되고 있는 실정이다. 따라서 기존의 전기적 또는 화학적 위치 제어 기술에서 벗어나, 시장성 및 상용성을 고려한 새로운 패러다임의 나노 및 미세물질 제어기술에 대한 집중적 연구가 필요하다.

 

본 연구팀이 음파(sound wave)을 이용하여 나노 및 미세물질을 이차원, 삼차원 어레이로 정렬시키는 기술을 개발했다.  

 

음파 진동과 관련한 대표적인 연구로 정상파로 소리를 시각화한 클라드니 도형을 들 수 있다. 본 연구팀은 클라드니 패턴을 미세화하여 나노 및 마이크로 크기의 물질 패터닝에 응용하였다. 마이크로 및 나노 입자가 분산된 용매를 저주파의 음파 파동에 노출시키고 용매의 증발을 제어하여 기판에 효과적으로 직접 패터닝 하였다. 또한 센티미터 스케일의 대면적 나노 및 미세물질 패터닝 기술과 삼차원 어레이 제작 기술을 개발하였다.

 

본 연구는 나노물질의 다양한 응용에 가장 큰 장벽이었던 대면적 나노물질 정렬의 한계를 극복하고 실제 산업에 응용 가능한 수준의 센티미터 이상의 영역에 나노 및 미세물질을 패터닝하는 기술을 확보하였다.

 

본 연구팀이 개발한 저주파수 음파 파동을 이용한 나노 및 미세물질 패터닝 기술은 신개념 물질제어 기술로, 나노 및 미세물질 위치 제어에 새로운 대안을 제시한다. 공정이 복잡하고 까다롭고, 안정성이 떨어져 대량 생산에 적합하지 않은 기존 유체 내 나노물질 패터닝 기술의 한계를 넘어선 기술로 향후 관련 분야에 응용성이 매우 크다. 

음파 파동을 이용한 나노 및 미세물질 제어 기술은 다량의 물질을 고속으로 제어할 수 있는 장점이 있고, 대면적으로 제어할 수 있으며, 유체와 입자의 역학적 물성과 관련한 기술로 입자의 전기적·자기적 특징과 무관하기 때문에 광범위한 분야에서 기반 기술 확립에 기여할 수 있다. 때문에 전자소자 분야뿐만 아니라 바이오, 환경, 에너지 분야 등 광범위한 분야에서 물질제어 기술로써 활용될 수 있다.

나노 물질 어레이 기술은 지난 20여 년간 활발히 진행되어 왔으나 소자의 소면적화로 인해 상용화되기에는 기술적 한계를 지닌다. 또한 초음파를 이용하여 미세물질을 유체 내에서 분리하고 응집하는 연구가 활발히 진행 중에 있으나 대부분의 연구가 미소유체역학적 이해에만 국한되어 있고 건조 상태의 미세물질 패턴을 획득하는 연구는 부재하다고 생각되어 유체 내에서 음파 진동을 이용한 패터닝 기술을 개발하여 나노 물질 위치제어에 새로운 가능성을 제시하고자 연구를 시작하였다.

이차원 액체 매질에 저주파의 파동을 인가하는 기술 개발을 개발하여 유체 내의 입자를 효과적으로 제어하고 정밀하고 제현 가능한 패턴을 구현하였다. 액체 매질 증발의 역학적 메커니즘 규명을 통해 이차적인 입자의 유동을 제어하고 효과적인 패턴형성 기구를 도출하였다.

클라드니 도형의 미세화를 통해 파동 기반의 나노 및 미세물질 패터닝을 실현하고자 하였다. 그러나 입자의 크기가 작아질수록 입자간 이차 결합이 입자의 거동에 미치는 영향이 커지므로 입자의 유동이 제한적이게 되어 효과적인 패턴형성에 제약이 생겼다. 따라서 유체 매질 이용을 통해 입자간 이차결합 및 입자-입자간 이차결합을 제어하여 파동을 통한 효과적인 나노물질 패터닝을 실현할 수 있었다.

저주파수의 음파 진동을 이용하고 커피링 효과의 강화를 통한 대면적 나노 및 미세물질 어레이 제작 기술은 저렴한 공정비용과 공정시간으로 대면적 나노 및 미세물질 패턴을 제작할 수 있는 새로운 위치제어 기술이다.

본 연구결과를 토대로 박막 패턴 형성, 제품 표면 형성, 임상실험을 위한 세포 배열 등 다양한 산업분야에 적용을 통한 상용화의 가능성을 확인하고자 한다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

파동을 이용한 나노 및 미세물질 제어 시스템의 구현을 위해 물질의 분산력, 물질과 기판의 접착력, 유체의 증발을 제어하는 것이 필수적이다. 따라서 본 실험을 위해 기판 및 물질의 극성 조사 및 액체매질의 표면에너지 분석을 통해 효과적인 음파 진동을 이용한 패터닝 시스템을 설계하였다. 본 연구에서는 친수성을 가지는 SiO₂ 미세 입자를 에탄올 용매에 분산시켜 친수성을 띄는 실리콘 웨이퍼 기판에 패터닝하였다.

○ 크기가 나노 스케일인 재료의 총칭으로 3차원적으로 볼 때 적어도 한 변의 길이가 100나노미터 이하 크기의 물질이다.

○ 되풀이되는 모양이나 원하는 형태를 만드는 작업이다. 반도체공정에서는 웨이퍼 위에 식각(ethc)을 통하여 회로를 제작하는 과정을 말한다.

                

그림 1. 액체 매질에 분산된 나노 및 미세 입자는 저주파수의 음파 진동 하에서 유체 역학적 집중 현상(hydrodynamic focusing)에 의해 격자 형태의 패턴을 형성한다.