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2016.03.23 14:35

나노화학 실험실 연구 소개

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도대체 나노화학연구실에서는 무슨 연구를 하세요?” 간혹 가다 받는 질문입니다. 그 때마다 길게 설명하곤 했는데 홈페이지에 그 대답을 게시하는 편이 좋겠다는 판단이 들었습니다.

 

나노과학 또는 나노기술은 아주 오래전부터 우리 곁에 있었습니다. 매미가 날개가 투명하여 잘 보이지 않아 포식자로부터 안전한 이유는 매미 날개에 50~100 nm 의 직경을 가지는 작은 기둥들이 무수히 많고 이러한 구조는 빛 반사가 잘 되지 않기 때문입니다. Gecko 라는 도마뱀은 아무 벽이나 잘 기어오르는데 도마뱀 발바닥을 보면 아주 가느다란 (100 nm 미만의 직경을 가지는) 털이 나 있고 이 털이 벽과 Van der Waals Interaction 을 하기 때문에 강한 접착력을 가지기 때문입니다. 연 잎이 늘 깨끗한 이유도 나노 돌기가 있어 먼지가 쌓이지 못하는 구조이기 때문입니다. 오래된 성당의 Stained Glass 의 붉은 색은 금 나노입자 때문에 나오는 색깔이지요. 다만 이러한 현상들이 나노미터 (0.000000001 m) 근처의 크기를 가지는 물질에서 유래된다는 것이 비교적 최근에서야 밝혀지게 되었고 나노미터 크기를 가지는 물질들은 대체 무슨 성질을 가지게 될까에 지대한 관심이 생겨나게 된 것입니다.

 

수많은 과학자들의 연구 결과 다음과 같은 분야가 나노기술의 직접적 영향을 받는다는 것을 알게 되었습니다,

 

-      배터리: 전극 물질로 쓰이는 재료들은 기본적으로 나노구조를 가집니다.

-      연료전지: 연료전지의 전극을 이루는 촉매는 귀금속의 나노입자입니다. 이 나노입자의 조성, 크기, 분산 정도가 연료전지의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다.

-      태양전지: 나노돌기를 가지는 빛 반사 방지막이나 TiO2 나노입자 같은 것들이 중요한 요소입니다.

-      화학 공정: 많은 화학 반응이 소위 불균질 촉매반응을 요구합니다. 이 때 쓰이는 촉매가 바로 나노입자입니다. 위와 마찬가지로 조성, 크기, 모양 등이 반응의 효율성에 중요한 인자로 작용합니다.

-      조직 공학: 치과에 가면 임플란트 시술을 합니다. 임플란트 되는 가짜 이빨의 표면에 적절한 크기의 나노 돌기들이 형성되는 것이 임플란트 시술의 성공 여부에 중요합니다. 또한 세포의 생장에 나노크기의 물질의 존재가 아주 중요한 역할을 한다는 것이 속속 밝혀지고 있습니다.

-      메모리 자기 소자: 1 nm 미만의 박막 두께의 성장을 제어하는 기술이 필요합니다.

-      반도체 소자: 20 nm 미만의 나노 패턴 형성 제어 기술 및 이의 양산 기술이 필요합니다.

-      미래 소자: Graphene 과 같이 미래의 반도체 소재는 나노구조를 가집니다. 이의 형성 및 구조 제어 등은 미래 기술의 핵심입니다.

-      의생명 기술: 치료를 위한 약물은 많은 경우에 독성을 가지고 있습니다. 이러한 약물을 싣고 원하는 생체 내 부위에만 전달하는 기술이 필요한데 나노미터 크기의 배가 이 일을 가장 잘 할 수 있습니다. 또한 암은 조기에 발견하면 치료가 좀 더 용이한데 암을 조기에 발견하는데 소위 나노조영제가 큰 역할을 합니다. 그리고 사람마다 병의 명칭은 같아도 치료법은 다를 수 있습니다. 예를 들어 어떤 사람은 위암이 걸렸을 때 수술 후 약 A 를 먹어야 하고 어떤 사람은 위암이 걸렸을 때 수술 후 약 B 를 먹어야 합니다. 이러한 것을 개인별 맞춤치료 (Personalized Cancer Therapy) 라 하는데 나노기술로 어떠한 치료를 하여야 하는지 진단을 합니다.

-      질병 예방 및 확산 속도 제어: 이번 신종 플루 발병 같이 특정 병원균의 역학조사를 나노기술의 도움으로 빠른 시간 내에 신속하게 진단하고 처리할 수 있습니다.

-      센서: 나노선 센서나 금 나노입자의 색변화 등을 이용한 센서 기술은 다양한 응용을 가집니다. 병원균 진단 및 유독성 기체나 생화학 무기의 감지에도 쓰입니다.    

 

 

더 많은 예들이 있지만 여기서 생략하고 이제 본론으로 접어들어 나노화학이란 무엇인가에 대해 설명하겠습니다.

 

나노화학이란 위에서 열거되고 있는 나노소재들을 주로 화학적인 방법을 통하여 형성하고 이들의 물성을 제어하는 방법을 개발하는 학문분야입니다. 대부분의 소재가 무기물질 (여기에는 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소도 포함됩니다) 로 이루어져 있고 따라서 전통적인 무기화학자들이 나노화학을 시작하였습니다. 나노화학이란 분야를 시작한 현재 가장 유명한 나노화학자들은 Harvard Charles Lieber 교수, UC Berkeley 대의 Peidong Yang 교수, UC Berkeley 대의 Paul Alivisatos 교수, UC Santa Barbara G. Stucky 교수, Northwestern Chad Mirkin 교수 등인데 대부분이 무기화학의 백그라운드를 가지고 있습니다. 우리나라의 현택환, 천진우 교수 같은 선두주자들도 무기화학을 전공한 무기화학자입니다. 그러므로 나노화학의 초기 정의는 무기화학자들이 무기물을 나노미터 수준에서 형성 제어하는 학문정도가 되겠지요. 그러나 나노물질의 성질을 요하는 학문 분야가 많아지면서 현재는 학문간 경계도 많이 허물어지고 있는 실정입니다. 나노연구를 하는 과들도 화학과뿐만 아니라 재료, 물리, 기계, 의학 등 아주 다변화되고 있습니다. 그리고 무기나노물질과 고분자 또는 유기, 생분자 들과의 Hybrid 연구도 가속화 되고 있습니다.

 

우리 실험실은 기본적으로 무기화학실험실입니다. 그리고 2010년부터 2020 년 정도까지 중점적으로 생각하는 핵심 응용분야는 의생명 (개인별 맞춤치료 및 조직공학), 배터리, 연료전지, 친환경기술, 탄소소자 기술 정도로 생각하고 있습니다. 그러므로 우리 실험실에서 하는 연구는 한마디로 요약하라면 이러한 분야에서 요구되는 최적의 성능을 지니는 무기나노구조체를 합성하는 방법론을 개발하는 것입니다. 또한 새로운 나노구조체에서 도출되는 새로운 화학, 물리 현상의 근원을 규명하는 연구도 아울러 진행하고 있습니다.

 

학문연구에는 최종 응용에의 근접 정도에 따라 뿌리 연구, 줄기 연구, 가지 연구 등으로 개략적으로 분류할 수 있겠지요. 우리 실험실의 연구는 뿌리에서 시작하여 응용의 끝까지 가보는 종합 연구를 지향합니다. 이러한 종합연구는 많은 재원을 필요로 하고 훌륭한 연구시설을 필요로 합니다. 오래 걸렸지만 나노연구에 가장 핵심 요소인 실험실 연구 전용 TEM (전자현미경) 2009 년부터 가동하기 시작하였습니다. 다른 필수 기자재 예를 들어 E-beam Lithography, CVD 기기 등도 재원을 마련하여 최대한 빨리 구비할 생각입니다. 2009년부터 본격적으로 연구한 주요발견에 대한 논문들이 앞으로 지속적으로 발표되기 시작할 텐데 이 논문들에서 우리 실험실이 추구하는 나노 연구에 대한 방향과 연구에 대한 열의를 좀 더 구체적으로 확인하실 수 있을 것입니다.

 

저는 굳이 우리 실험실의 연구를 특정 응용 방향으로 국한 시킬 필요는 없다고 생각합니다. 위에서 말한 주요 응용 분야에서 가장 핵심적인 도전들에 대하여 나노화학이라는 도구로 돌파하는 그런 연구를 하는 실험실을 만들 겁니다. 이는 저의 학생 교육 철학과도 맞물려 있습니다. 학생은 대학원 과정에서 문제해결 능력을 극대화하여야 한다고 생각하는데 위와 같은 도전 파악, 창의적인 해법 개발, 성공적인 연구 수행이라는 반복학습을 성실이 한 학생은 사회에 나가서 어떤 응용 분야에서도 훌륭한 결과를 얻을 것이기 때문입니다.  

 

이상으로 긴 소개를 마치겠습니다. 연구 주제에 대한 더 상세한 정보가 필요한 학생은 언제라도 제 방문을 열고 들어오시길 바랍니다.

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