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핵심내용

-Advanced Functional Materials 발표,“주름을 제어한 생체모방기술 발전 기여”-

 □ 국내 연구진이 로마신화에 나오는 야누스의 두 얼굴에서 착안한 고분자 나노벽(Janus Nanowalls)을 구현하여 자연계에 존재하는 주름을 모방하는데 성공하였다.

 ○ 서울대 차국헌 교수(54세), 서강대 이원보 교수(39세) 및 서울과학기술대 윤현식 교수(39세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)과 일반연구자지원사업(기본연구)의 지원으로 수행되었고, 재료 및 응용분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’지 최신호(9월 11일자)에 내부표지논문으로 선정되었다.

     (논문명 : Lateral Buckling of High-Aspect-Ratio Janus Nanowalls)

□ 자연계에는 여러 종류의 주름(Wrinkle)이 존재한다. 동·식물은 피부가 노화되면서 주름이 생기는 것이 가장 대표적인 예이다. 피부는 부드러운 내피와 상대적으로 단단한 표피로 구성된 적층구조로 이루어져 있다. 표면주름은 여러 개로 적층된 구조에서 그 중 어느 한 층이 극도로 빠른 팽창(또는 수축)이 일어날 때 그 불안정성으로 나타나는 구조이다.

 ○ 또 다른 원인으로는 필름이 아주 얇을 경우(박막) 표면적이 증가 될 때 주름이 생기기도 한다. 예를 들면, 우리 밥상에 빠지지 않고 등장하는 김치를 유심히 살펴본 적이 있는가? 배춧잎은 가운데 부분이 두껍고 단단하지만, 가장자리 부분은 유연하며, 얇고 많은 주름이 잡혀 있다. 이러한 주름현상은 최근 활발히 연구되고 있는 구겨지는 플렉시블 디스플레이(또는 소자)에서도 흔히 나타난다.

 ○ 지금까지 박막의 주름연구는 막의 두께가 매우 얇은 경우(예, 나노크기) 단단한 기판 위에 붙어있지 않으면 이것을 자유자재로 다루기에 매우 힘들었다.

 ○ 따라서 원하는 조건에서 마음대로 생기는 주름의 크기와 높이를 정확히 측정하는 것은 거의 불가능했고, 주름의 메커니즘도 복잡하여 주름을 직접 만들거나 이론적으로 해석하는 것은 더욱 어려웠다. 
□ 연구팀은 얇은 막 위에 주름을 만들기 위해 반도체 공정으로 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 얇은 벽(Nanowalls)을 제작하고, 이 틀을 이용해 바닥에 고정시킨 고분자 나노벽(100~300나노미터 폭, 1.5마이크로미터 이상 높이)을 구축하였다. 그 후 고분자 나노벽의 한 쪽에만 알루미늄을 코팅하여 ‘야누스 나노벽(Janus Nanowalls)’을 구현하는데 성공하였다.

 ○ 흥미로운 점은 알루미늄과 고분자의 반응으로 부피팽창이 일어나고, 나노벽이 바닥에 붙어있는 상태에서 표면적이 증가되어 얇은 나노벽의 윗부분이 구부러지면서 주름이 만들어지는 것을 확인하였다. 이것은 우리나라의 뛰어난 반도체 기술을 이용해 기존에 할 수 없었던 기판이 없는 얇은 막(Free Standing Film)의 휘어짐(주름)을 직접 구현하였다는 점에서 의미가 크다.

 ○ 또한 연구팀은 나노벽이 두꺼우면 주름의 주기도 그만큼 길어진다는 사실을 발견하고 정량적으로 분석하였다. 그리고 알루미늄처럼 금속이 반응성이 있는 경우 부피팽창에 의해 주름이 생기지만, 금처럼 반응성이 없는 경우 부피수축으로 주름 없이 필름이 휘어진다는 것(Wrinkle이 아닌 Bending)을 밝혀냈다. 이것은 자연계에 존재하는 다양한 구조(주름 등)의 발생 원리를 물리학적·생명공학적 입장에서 이론적으로 밝혀낸 결과이다.

□ 차국헌 교수는 “이번 연구는 전 세계 연구자들이 오랫동안 연구해왔던 자연계에 존재하는 다양한 주름의 구조화, 패턴화를 이해하는데 기여하고, ‘주름’이라는 자연발생적인 구조물을 파악하고 직접 제어하여 연꽃잎의 초소수성(물과 친하지 않는 성질) 등 생체 및 자연계 모방기술 발전에 새로운 가능성을 열었다”고  연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Lateral Buckling of High Aspect Ratio Janus Nanowalls

   Hyunsik Yoon, Abhijit Ghosh, Jung Yeon Han, Seung Hyun Sung, Won Bo Lee, Kookheon Char
(Advanced Functional Materials, Vol 22, Issue 17)

  
 자연을 살펴보면 배춧잎 및 피부에서 많은 주름들(Wrinkles)을 발견할 수 있다. 피부의 경우에는 단단한 외피와 부드러운 내피의 차이로 인해서 주름이 형성되며 배춧잎의 경우에는 얇은 박막이 성장하는 과정에서 표면적이 늘어나면서 주름이 형성이 된다. 이러한 주름의 연구는 자연의 해석과 모방에서부터 시작하여 그 방향과 크기를 제어함으로써 디스플레이, 마이크로 유체등 첨단 산업과 연구에 응용이 되고 있다. 이 중에서 기판에 붙어있지 않는 얇은 박막 (Free-Standing Film)의 주름형성에 대한 연구는 주름과 접힘과 같은 여러 가지 현상들이 공존하여 이론적인 해석에 관한 연구가 최근 주목되고 있지만 나노미터 크기의 두께를 가지는 필름의 경우 다루는 것이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

 본 연구에서는 반도체 공정을 이용하여 고분자로 이루어진 나노미터 두께의 얇은 벽 (Nanowall)을 형성하고 이를 똑바로 세우는 방식으로 얇은 박막을 형성하였다. 우선 국내의 뛰어난 반도체 공정 기술을 이용하여 실리콘 기판에 100 ~ 300 나노미터의 폭을 갖고 1.5 마이크로 미터 이상의 높이를 가지는 라인패턴을 형성하였다. 이후 이 라인패턴을 틀로써 사용하여 자외선에서 경화가 되는 저분자 물질을 채운 후 경화시키고 떼어내는 방식으로 고분자로 이루어진 나노 벽을 형성하였다. 이렇게 똑바로 세워진 얇은 벽의 한 쪽 면에만 알루미늄 금속을 코팅하는 방식(사선 금속증착)으로 한 쪽 면은 금속, 다른 쪽 면은 고분자 표면으로 이루어진 야누스적인 나노 벽(Janus Nanowalls)를 형성할 수 있었다. 흥미로운 것은 알루미늄을 코팅할 때 알루미늄과 고분자 사이에서 부피팽창이 일어나며 이로 인해 표면적이 증가하여 주름이 형성되는 것을 발견할 수 있었다.

 본 연구는 이를 이론적으로 해석하기 위하여 단순화한 Scaling 이론을 사용하였으며 이러한 주름의 주기와 나노 벽의 두께의 상관성에 대하여 정량적으로 분석하는데 성공하였다. 또한 금속의 종류에 따라 주름이 생기거나 주름이 없이 필름이 휘어지거나 할 수 있다는 것에 대해서 금속의 코팅에서 생기는 잔류응력을 통하여 해석하였다.

 이러한 주름에 관한 연구는 피부 및 필름에 대한 해석뿐만 아니라 향후 생체 및 자연계의 모방기술을 통한 자연의 우수한 성질 (예를 들어 연꽃잎과 같은 초소수성, 나비의 날개에서 발견되는 광학적 성질)들을 실생활에 응용하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

용   어   설   명

1. Advanced Functional Materials지
○ 재료과학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받는  저널로 피인용지수 (Impact Factor)가 10.179이다.

2. 나노 벽(Nanowall)
○ 나노미터 크기(10억분의 수 미터)를 가지는 얇은 필름이며 벽과 같이 바닥으로부터 수직으로 형성되어 자유롭게 움직일 수 있는 필름을 형성할 수 있다. 본 연구에서는 반도체 공정의 광학노광공정과 건식식각 공정을 이용하여 좁은 폭의 라인을 깊게 판 실리콘 재질의 틀을 이용하여 고분자 나노 벽을 형성하였다.

3. 야누스 (Janus)
○ 야누스는 로마신화에 나오는 신의 이름으로 앞뒤로 서로 다른 두 개의 얼굴을 가지고 있다. 최근 재료과학에서 두 면에 서로 다른 두 가지 화학적 성질을 가지는 재료들을 야누스 재료라고 한다. 야누스 나노기둥 (Janus Nanopillar), 야누스 나노파티클 (Janus Nanoparticle) 등이 대표적이다.

4. 사선 금속증착
○ 반도체 산업이나 디스플레이 산업에서 고품질의 박막을 형성할 때 사용되는 증착법인 물리적 증착방법을 사용함에 있어 기판을 기울여서 한 쪽 면에만 금속이 증착되도록 하는 방식을 뜻한다.
 

사   진   설   명

(위) 반도체 공정을 이용한 틀을 이용하여 고분자로 이루어진 나노 벽을 형성하고
(아래) 알루미늄 금속을 왼쪽 면에만 증착시켜 나노 벽에 주름을 형성시켰다.

어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈의 최신호 (인쇄판 9월 11일) 내부표지
똑바로 서 있는 고분자 나노 벽이 금속 코팅에 의해
야누스 형태를 가지면서 주름이 생기는 것에 대한 모식도