2011 KAIST를 빛낸 연구성과를 소개합니다(3)
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2011 KAIST를 빛낸 연구성과를 소개합니다(3)
  • 정진훈 기자, 장다현 기자, 박소연 기자
  • 승인 2011.12.05 01:49
  • 댓글 0
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[기계공학전공] 미세 구조 제작 가능한 나노패터닝 기술 개발 성공해

고가의 진공 전자빔 대체할 펨토초 레이저 기술 개발

 기계공학전공 고승환 교수와 양동열 교수 공동연구팀이 펨토(femto, 10-15)초 레이저를 이용한 나노금속패터닝 기술을 개발했다. 이 연구 결과는 신소재 분야 권위지인 <어드밴스드 머티리얼즈> 7월호에 게재되었다.
고승환 교수는 “고가의 진공 전자빔 공정을 통해서만 제작 가능했던 기존의 나노패터닝 기술을 비진공, 저온 환경에서 구현함으로써 전자빔 공정을 대체하고 향후 다양한 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 것이다”라고 전망했다.

펨토 주기 펄스파 레이저의 다광자효과로 정밀도 높여

 금속 나노입자에 레이저를 쏘면 금속이 가지고 있던 전자가 들떠 내부 에너지가 높아진다. 전자가 전이되는 데 걸리는 시간은 수 피코(pico, 10-12)초인데, 전자가 안정궤도로 전이되는 도중에 레이저의 에너지를 받으면 다시 바닥상태로 떨어지는 현상이 일어난다. 반면 또 다른 레이저를 근처에 쏘아주면 전이 중인 전자가 레이저의 광자 에너지를 받아 안정궤도로 전이된다. 이 현상을 다광자효과라고 부른다.

 다광자효과를 이용하면 레이저를 딱 한 점에 모으지 않아도 광자 에너지가 한 점에 모이는 효과를 얻을 수 있다. 레이저를 한 점에 모으는 정밀도가 떨어져도 나노패터닝의 정밀도를 높일 수 있는 것이다. 연구팀은 이러한 다광자효과를 이용해 레이저의 강도와 비추는 시간을 조절해 380nm의 너비의 금속 나노패터닝에 성공했다.

▲ 펨토초 레이저로 페터닝한 결과 (좌)클로버 모양처럼 다양한 모양을 그릴 수 있다. (우)나노 스케일의 작업이 가능한 펨토초 레이저
 

 

[생명화학공학과] 액정 코팅으로 넓은 면적의 그래핀을 관찰하다 단결정성 그래핀 연구에 새 장 열어

 생명화학공학과 정희태 교수팀이 그래핀의 결정면을 광범위하게 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 연구 결과는 이 분야의 저명한 학술지 <네이처 나노테크놀로지> 11월 20일자 온라인 속보에 게재되었다.

물성이 떨어지는 다결정 그래핀

 그래핀은 흑연의 한 층 한 층을 이루는 얇은 막으로, 탄소 원자가 육각형의 규칙적 구조를 이루는 물질이다. 최근에서야 활발히 연구가 진행되고 있는 그래핀은 ‘꿈의 신소재’라고도 잘 알려져 있는데, 이론적으로 높은 전도성과 탄성력 등의 우수한 성질을 띠기 때문이다. 하지만 현재 생산되는 그래핀은 이론적 예상치보다 전기적, 기계적인 물성이 낮다. 이는 그래핀의 결정 방향이 서로 달라 다결정성을 띄기 때문으로 예상된다. 따라서, 양질의 그래핀을 생산하기 위해서는 현재의 다결정성 문제를 해결해야 한다. 이로 인해 그래핀의 결정 영역과 경계를 광범위하게 관찰할 수 있는 기술 연구는 학계의 중요한 현안이었다.

액정 코팅으로 그래핀의 방향을 관찰

 정 교수팀은 전혀 새로운 방법으로 그래핀의 결정 영역을 관측하는 방법을 개발했다. 그래핀에 액정을 코팅한 것이다. 네마틱 액정의 분자구조는 그래핀의 육각 구조와 같은 간격으로 결합하기 때문에 액정 분자는 그래핀의 배향 방향과 같은 방향으로 배열된다. 이때 코팅된 그래핀을 편광 현미경으로 관찰하면 복굴절 현상에 의해 액정 분자체의 배향 방향에 따라 다른 색이 나타난다. 이를 이용하면 그래핀의 결정 방향에 따른 영역을 관찰할 수 있다.

 기존에는 그래핀의 결정 영역을 관찰하기 위해 TEM(투과전자현미경, Transmittance Electron Mi-croscopy), 라만 2D 맵핑(Raman 2D mapping), 저 에너지 전자 회절(Low Energy Microscopy) 등의 방법을 이용해 왔는데, 이러한 방법으로는 극히 좁은 영역의 배향 방향밖에 알아낼 수 없어 연구에 어려움이 컸다. 그러나 이번 연구를 통해 손쉽고 빠르게 결정면을 관찰할 수 있게 되어, 그래핀 연구에 커다란 난점을 넘은 것으로 평가된다.

 정 교수는 “이 연구는 우연찮은 계기로 랩 내의 학생들의 분야가 융합된 결과”라며 연구자 간의 긴밀한 소통이 새로운 연구 성과를 창출할 수 있다고 강조했다.

▲ (좌) 그래핀 결정 위에 같은 방향으로 배향된 액정 분자 (우) 그래핀에 코팅된 액정 분자를 편광 현미경으로 관찰하면 같은 단결정 영역끼리 같은 색으로 관찰할 수 있다
 

 

[신소재공학과] 휘어지는 메모리 상용화의 길을 열다

 신소재공학과 이건재 교수팀이 휘어지는 비휘발성 메모리를 개발하는데 성공했다. 이 연구 성과는 나노 분야의 저명한 학술지 <나노 레터스> 10월 온라인 판에 게재되었다.

저항 메모리를 이용해 휘어지는 메모리를 집적해

 지금까지 휘어지는 메모리의 후보로 거론되는 물질이 몇 가지 있었다. 하지만 메모리 셀 간의 간섭현상을 극복하지 못해 실패해 왔었다.

 이 교수팀은 저항 메모리를 유연한 기판에 집적시키는 방법으로 이 문제를 해결했다. 이를 통해 기존의 휘어지는 메모리가 처리할 수 없었던 많은 양의 데이터를 한꺼번에 처리할 수 있게 되었다. 휘어지는 메모리 상용화의 길이 열린 것이다. 저항 메모리는 전원이 꺼져도 전류의 흐름과 양을 기억하는 비활성 메모리다.

입을 수 있는 컴퓨터 실현 성큼

 휘어지는 메모리가 상용화되면 다양한 분야에서 응용할 수 있다. 특히 ‘입을 수 있는 컴퓨터’ 와 같은 새로운 전자제품 개발에 새 장을 열 것으로 평가되는데, 휘어지는 전자제품 개발에 휘어지는 메모리가 필수적인 역할을 하기 때문이다. 이 교수팀은 메모리 외에도 휘어지는 압전기, LED 등을 개발해, 휘어지는 신소재 개발에 앞장서고 있다.

▲ 이 교수팀이 설계한 메모리의 모식도. 기판이 휘어지더라도 정상적으로 작동한다

 



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