광주과학기술원(GIST)은 전기전자컴퓨터공학부 정현호 교수 연구팀이 홍합의 수산기 분리 메커니즘에 착안해 나노입자의 조립 기술을 고안했다고 30일 밝혔다.

GIST에 따르면 홍합은 물속 환경에서 ‘족사’라는 단백질을 방출하는데, 마치 털처럼 생긴 다리 모양의 ‘족사’는 홍합이 바위에 잘 붙어 있을 수 있도록 접착제 역할을 한다. 이때 단백질과 함께 분비된 지방산이 표면의 수산기를 분리시켜 순식간에 물리적으로 접착될 수 있다.

연구진은 홍합의 ‘족사’에서 영감을 받아 나노입자 초고속 정전기적 조립 기술을 개발하는 데 성공했다.

크기가 100nm 이하인 나노입자는 종전에 사용되던 고전적인 재료와 달리 새로운 성질을 나타낸다. 최근 이러한 나노입자를 실용화하기 위해 원하는 크기, 모양, 성질을 조절해 대량으로 생산할 수 있는 콜로이드 기반 용액 공정이 개발되고 있다.

그러나 이러한 엄청난 잠재력에도 불구하고 100nm 미만의 콜로이드 기능성 나노입자를 2인치 웨이퍼 기판 전면에 단 한 번의 코팅 방법으로 10초 안에 신속하고 균일하게 전달하는 기술이 부족해 상용화의 어려움이 있었다.

연구팀은 양성자를 추가해 수산기를 제거하고 표면전위를 조정해 나노입자 표면으로의 정전기적 인력을 강화했다.

이 방법을 통해 10초 안에 웨이퍼 전면의 입자 조립이 가능, 결과적으로 기존 방법보다 최대 1000배 빠른 속도로 나노입자를 표면에 고밀도로 조립할 수 있어 사업적으로 응용될 수 있는 상용화의 가능성을 높였다.

양성자 보조 정전기적 조립 방법은 절연 특성이 있는 유전체나 고분자 재료를 포함하여 재료 선택의 다양성을 높였으며, 마이크로 패턴에서 2인치 웨이퍼에 이르는 대면적 조립, 단단한 유리에서부터 유연한 3D 형상 플라스틱까지 다양한 기하학적 플랫폼에도 나노입자를 몇 초 안에 조립할 수 있다.

또 이 방법은 전체 웨이퍼에 걸쳐 선택적으로 나노입자를 조립할 수 있고 균일성과 일정한 정전기적 성능을 유지할 수 있기 때문에 공정상 발생할 수 있는 부분 결함인 불균일 코팅 영역만 재코팅이 가능한 ‘결함 치유’ 성능과 원하는 공간에 입자를 가져다 놓아 특정 패턴 제작이 가능한 ‘픽 앤 플레이스’ 등의 다양한 광학 효과 구현이 가능하다.

정현호 교수는 “이번 연구 성과는 빠르고 쉬운 나노입자 조립을 통해 고성능 나노소자의 산업 생산 간의 격차를 줄이는 효율적인 솔루션이 될 것으로 기대된다”며 “특히 광학 의료 진단기기, AR/VR 기술, 광통신 시스템과 같은 첨단 장치 및 기술이 실제의 삶에 적용될 수 있는 새로운 돌파구가 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

정 교수가 지도하고 김도은 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 나노 및 소재기술개발사업 및 박사과정생연구장려금지원사업, GIST-MIT 공동연구사업, 과학기술원공동사무국의 공동연구 프로젝트의 지원을 받았으며, 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 권두삽화 (Frontispiece)로 선정돼 지난 4월 18일 출판됐다.