고분자 과학과 기술 제29권 1호 2018년 2월 49

연구책임자ｌ윤동기 교수

한국과학기술원

나노과학기술대학원,

화학과, KI나노융합연구소

그림 1. 연성소재나노조립 연구실의 단계별 연구 개략도.

산학연 연구실 소개

한국과학기술원 연성소재나노조립 연구실(KAIST, Soft Matter nano-Assembly Group, SMA)주소: 대전광역시 유성구 대학로 291 한국과학기술원 E6-6 빌딩, 214호 (우:34141)

전화: 042-350-1156

E-mail: nandk@kaist.ac.kr, Homepage: http://yoon.kaist.ac.kr

1. 연구실 소개

최근, 자기조립 초분자(self-assembled supramolecular) 기반의 유기 소재는 전자, 정보, 에너

지, 정밀화학 및 차세대 나노기술의 총아로 각광을 받고 있다. 특히, 자기조립 소재의 핵심 특징이

외부의 전자기적 및 물리화학적 환경에 민감하게 반응하는 ‘반응성’이라는 점에서 다양한 전자산

업에서 자기조립 초분자 재료는 핵심소재기술로 여겨져 왔다. 예를 들어, 전기장에 빠르게 반응하

는 액정(liquid crystal)물질을 이용하여 개발된 액정 디스플레이(LCD)는 현재까지도 유례없을

만큼 전자기기의 혁명적 부흥을 일으키며 3차산업 혁명의 주역이 되었다. 이제 앞으로 도래할 4차

산업에서는 초연결(hyperconnectivity)과 초지능(superintelligence)을 기반으로 하여, 원하는 시

공간에서 기대하는 기능을 최대로 발휘하도록 하는 유/무기 재료가 그 기반을 이룰 것이며, 그 중

‘반응성’을 특징으로 하는 자기조립 초분자 물질은 가장 중심에 있는 지능형 소재들 중 하나로 평

가 받고 있다. 따라서 이러한 소재를 이용한 기술혁신을 이루기 위해서 선행적으로 초분자 물질의

설계 및 정밀구조제어 및 제작기술 개발, 그리고 물성 평가 및 원리 규명 등이 이루어져야 한다.

본 연성소재나노조립 연구실(SMA)은 “연성재료(soft material)가 미래의 기술 및 산업혁신을

이끈다”라는 슬로건 아래, 유기 초분자 재료의 자기조립 특성을 이용하여 수 나노미터에서 십 수

마이크론 수준의 구조체의 배향 제어 및 다차원 기능성 구조에 대한 연구 및 기술들을 개발하고 있다.

더 자세히는, 그림 1의 추진전략과 같이 연성재료의 전자기적 특성 및 자기조립 거동을 고려하여

합성을 진행하고, 물리-화학적 표면 개질(surface treatment), 공간적 구속효과(confined geometry),

전기, 자기장, 마찰력 등의 외부장(external stimuli) 인가와 같은 구조 제어 기법을 통해 원하는 구

조를 형성하고 미세하게 조절할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 더 나아가, 제어 된 구조의 평형상

태에 있는 정적인 구조뿐만 아니라 동역학적 제어를 통한 외부환경과 소통(communication) 가능

한 지능형 소재 개발에도 연구를 진행하고 구조체의 물성 평가 및 소자 제작을 통해 유기재료 기반의

트렌지스터(transistor), 고

감도 분자센서, 플라즈모닉

편광판, 발수(hydrophobic)

및 발유(oleophobic) 코팅

막 제작, 광위상제어 등 다

양한 응용들도 보고한 바

있다. 더불어, DNA나 식용

색소등 생체 적합형 재료를

본 연구실에서 개발한 나노제어

학회소식산학연 연구실 소개고분자 관련 학교 및 연구소 소개

50 Polymer Science and Technology Vol. 29, No. 1, February 2018

그림 3. 실리콘 마이크로 채널 안에서의 나선 나노구조체의 배향 연구(a, b)와다공성 양극알루미늄 나노채널 속에 형성된 단일 나선 나노구조체(c, d).

그림 2. 물위에서 편광현미경으로 관찰한 위상학적 결함(특이점)의 네마틱에서 스메틱으로의 상전이.

기술을 이용하여 광전자 소자 개발을 위한 원천기술을 확보

하고자 노력하고 있다.

2. 주요 연구분야

2.1 초분자 액정 구조 제어 및 패터닝 기법 개발

2.1.1 액정결함구조의 동력학적 거동 이해

고체와 액체의 중간상태를 띠는 ‘액정물질’의 특이한 결

함구조는 영화 ‘인터스텔라’로 유명해진 특이점(singularity)

이라는 위상학적 결함에 대해서 기존의 어떤 시스템보다 잘

표현할 수 있기에 주목 받고 있다. 특히, 우주학(cosmology)

에서 다루는 블랙홀과 초미세 자기구조체인 ‘스커미온

(skirmion)’의 경우 측정이 가능한 시간과 공간이 너무 크거

나 작은 문제가 있는 반면, 액정 물질이 형성하는 구조체의

경우 위상학적 결함을 표현함에 있어서 마이크론 크기와 수

초~수분에 이르는 형성시간을 필요로 하기에 누구나 시연

이 가능하다는 면에서 각광을 받고 있다. 액정물질 기반의

특이점은 다른 구조체를 제조할 때와 마찬가지로 기판의 표

면에너지와 물질 내부의 탄성에너지의 균형을 맞추기 위해

분자들이 특정방향으로 정렬하며 열역학적으로 안정한 구

조를 형성하며 나타나게 된다. 이 과정에서 벌어짐(splay),

뒤틀림(twist), 휘어짐(bend) 변형 (deformation)에 의해 특

이점들이 필연적으로 형성되며, 액정분자들의 방향자의 장

(director field)은 이러한 특이점을 중심으로 방사형, 원형,

나선형 등의 형태를 나타낸다.

본 연구실에서는 특이점과 관련된 여러 가지 난제의 실마

리를 제공할 수 있는 연구들을 액정결함의 형성 및 전이구간

을 관찰하고 메커니즘을 규명을 통해 진행하고 있다. 특히

특이점의 상전이는 2016년 노벨 물리학상의 주제이기도 했

지만, 그 계가 일반적으로 굉장히 복잡하기 때문에 관찰과

쉬운 설명에 한계가 있었다는 점에서, 본 연구실에서 고안한

액정물질 기반 특이점 플랫폼은 광학현미경으로 관찰이 가

능한 수준의 크기에 시간도 수초에서 수분 단위라 관찰이 용

이하기 때문에 큰 의미를 부여할 수 있다. 구체적으로, 최근

본 연구진은 액정물질의 복굴절(birefringence)에 의한 광

학적 복잡성으로 관찰하기 어려웠던 네마틱(nematic)에서

스멕틱(smectic) 상으로의 상전이(phase transition)를 물

위에서 기름이 뜨는 것처럼 수 마이크론 수준의 얇은 액정

박막을 물 위에 형성시켜 실시간으로 관찰하고 이를 이론적

으로 모델링하는데 성공하였다(그림 2a-d). 또한 네마틱상

에서 형성된 특이점의 액정 방향자의 장의 회전축의 방향에

따라 발산과 수렴의 형태를 띈다는 것을 관찰하였고, 이러한

발산과 수렴의 형태가 상의 구조들이 형성되며 만나는 지점

에서 일정한 규칙을 가지고 형성된다는 것을 밝혀냈다(Nat.

Comm., 8, 15453 (2017). 이러한 전이과정을 면밀히 살피면

중간 상태 특이점 구조를 통해 초기의 특이점 형태와 구성

분자 배열을 정확히 역추적할 수도 있기에 중요한 결과로 여

겨지고 있다.

2.1.2 구속효과를 이용한 초분자 나선 나노구조체 제어

‘한정된 공간(confined geometries)에서의 자기조립’이

란, 아이들의 장난감인 레고블럭 놀이처럼 주위의 환경(온

도, 농도, pH 등)에 따라 물리적으로 조립과 분리가 가능한

다양한 연성재료(고분자, 액정, 생체분자 등)를 수 마이크론

내지는 수십 나노미터의 공간에 구속을 통해 액정 나노구조

체를 제조하고 및 배향을 제어하는 기술이다. 대부분의 연성

물질과 같이, 초분자 액정분자체의 경우, 그 구조가 형성되

는 계면 환경에 따라 분자 배향을 조절하는 것이 가능하므

로, 효과적으로 분자 수준에서의 정교한 제어가 가능하다.

본 연구실에서는 일반적인 광리소그래피 방법으로 제조 가

능한 실리콘 기반의 1차원적 채널과 전기화학적 반응을 통

해 만들 수 있는 다공성 양극산화알루미늄(porous anodic

aluminum oxide)막을 이용해 수 마이크론, 혹은 수십 나노

미터 수준의 한정된 공간을 만들고, 여기에 수 나노미터 수

준에서 휘어져 있는 굽은형(bent-shaped) 액정물질을 가두

어 독립적으로 제어된 나선 나노구조체를 구현하는 기술을

확보하였다(Sci. Adv., 3, e1602102 (2017); PNAS, 111(40)

14342, (2014); Sci. Rep., 6, 29111 (2016)) (그림 3). 이렇게

형성된 나선 나노필라멘트구조체(helical nanofilament)는

액정의 자기조립을 기반으로 한 것으로, 정교한 고차원 나노

구조를 자발적으로 형성할 수 있으므로 공정상의 단순함과

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그림 4. (a) 전기장 세기에 따른 액정 마이크로 결함구조제어, (b) 표면개질을 통한 꼬인 굽은형 액정분자 및 마이크로 구조제어.

그림 5. 수평 전기장을 이용한 액정 배열 (a) 실험장치 모델, (b) 전기장에 배향된 액정 마이크로구조체, (c) 전기장 세기에 따른 형광 빛세기, (d) 디바이스의 on/off 반응시간.

저비용 생산의 장점을 갖는다. 단순 공간제어 만으로도 수십

나노미터 두께와 수백 나노미터의 주기를 갖는 정교한 나선

형 나노구조체를 제조할 수 있으며, 이는 여타의 무기물, 또

는 결정질 구조체에 비견할 만큼 매우 견고하고 안정하므로

매우 이상적인 나노패터닝 주형으로 이용될 수 있다. 또한

나노미터 이하(sub-nm) 수준의 정밀한 꼬임주기 조절이 가

능하므로, 카이랄한 광학성질 또한 자유롭게 조절할 수 있기

에, 장차 광대역 편광판 분야에 산업적으로 응용 가능할 것

으로 기대되며, 관련 응용 연구를 진행 중이다.

2.1.3 표면 개질과 전기장 인가를 통한 대면적 초분자 액정

구조 제어

초분자 액정물질의 실용적 응용을 위해서는 대면적에서

고르게 배향된 액정분자 박막 형성이 필수적이다. 이를 위해

일반적 액정영상표시장치(liquid crystal display, LCD)의

제조에 있어, 일반적으로 폴리이미드(polyimide) 고분자막

을 기계적으로 긁어낸 형태의 배향막을 사용하고 있는데, 그

제조 과정에서 액정 분자체들이 고온 어닐링(thermal annealing)

의 조건에 따라 다양한 액정구조체가 형성됨을 관찰할 수 있

다(Soft Matter, 11, 8584 (2015). 즉, 고온의 등방상(isotropic)

온도에서 천천히 액정 샘플을 액정상 온도까지 냉각하였을

때, 배향막의 방향에 따라 액정 분자들이 배향하는 것이 일

반적이나, 샘플을 액정상 온도까지 급속한 냉각을 하고 그

액정상의 온도에서 어닐링을 할 경우 대면적에서 매우 규칙

적인 지그재그 패턴이 나타남을 확인할 수 있고 이는 일종의

이방성(anisotropic) 특이점임을 알아낼 수 있었다(그림 4).

즉, 단순한 열적 성형만으로도 다양한 구조체를 형성시킬 수

있음은 연성물질 기반의 패터닝 응용 분야에서 중요한 시사

점을 제공한다.

단순한 표면 개질 이외에도 초분자 액정 나노구조체를 동

역학적으로 제어하기 위해서 전기장이라는 외력을 이용할

수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 액정물질은 이방적인

(anisotropic) 모양 때문에 전기장 및 자기장과 같은 외력에

의해서 쉽게 그 배향(orientation)이 조절된다. 여기서 표면

개질된 기판 위에서 액정분자들을 1차적으로 배향시킨 후에

수평방향으로 전기장의 세기 및 주기(frequency)를 조절하

면 초분자 액정 구조체의 배열과 모양을 변형시킬 수 있다.

최근 본 연구진은 전기장의 세기에 따라 다양한 배열과 모양

을 갖는 구조체의 대면적 형성에 성공하였다 (ACS AMI, 8,

3143 (2016); ACS AMI, 8, 27942 (2016)) (그림 5). 특히, 본

연구에서는 형광 강유전(ferroelectric) 액정물질을 사용했

기에 전기장의 세기에 따라 선형편광(linear polarization)

을 조절할 수 있었으며(그림 5c) 그 반응시간 또한 기존의

LCD에 비해서 매우 빠름을 알 수 있었다(그림 5d). 이렇게

형성된 마이크로-나노 수준의 대면적인 규칙적인 패턴을 이

용하여 실시간 변화 가능한 패터닝 기판이나 마이크로 렌즈

시스템으로 개발이 가능할 것으로 전망된다.

2.2 자기조립 초분자를 이용한 응용 기술 개발

2.2.1 액정결함구조를 이용한 패터닝 응용 및 광학소자

본 연구실은 앞서 언급한 유기 초분자액정 분자의 자기조

립 현상과 외부장을 통해 다양한 마이크로 및 나노구조체를

제작해왔으며 이를 패터닝 응용, 센서 디스플레이 소자에 이

용하는 것을 주도적으로 진행하고 있다. 최근 본 연구진은

일정 온도의 액정 상에서 분자들의 승화(sublimation) 및 재

조합(recondensation) 하는 재미있는 현상을 발견하였고

이를 통해 수 나노미터 수준의 액정의 판상 구조를 정교하게

한 겹씩 벗겨내는 기술을 개발하는데 성공하였다(PNAS,

110, 19263 (2013)). 이러한 특이한 거동은 비평형상태에서

의 자기조립 현상을 이용한 것으로, 액정 상에서 액체 상을

거치지 않고 바로 대기로 날아가는 액정 분자들 중에서 일부

가 다시 돌아와 남아있는 액정 분자체와 재조합을 하여 세상

에 없던 새로운 형태의 나노구조체를 형성하게 된다(Nat.

Comm., 7, 10236 (2016)). 분자가 날아가고 다시 와서 붙는

조건, 즉, 승화 및 재조합에 가장 큰 영향을 주는 온도 및 어

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그림 6. 열처리 온도와 시간에 따라 형성되는 TFCD의 승화 및 재조합 된액정층상구조체.

그림 7. (a) 전단응력과 탄성력의 균형 조절을 이용한 DNA 분자체의 정밀제어 방법 모식도, (b) 액적의 증발 혹은 붓을 이용한 전단 코팅 방법으로 DNA구조체를 형성시키는 모식도와 그에 따라 형성된 DNA 구조체의 편광 현미경 이미지, (c) DNA 와 금 나노 막대 혼합물의 배향막 이미지 및 편광 방향에따른 플라즈모닉 컬러 변화와 그에 따른 특성의 모식도.

닐링 시간을 조절하여 다양하고 정교한 3차원 나노구조체들

을 제작하는데 성공하였다. 예를 들면, 그림 6에서 보듯이,

toric focal conic domains(TFCD)이라는 전형적인 스멕틱

액정결함 구조에서 승화 및 재조합 과정을 유도하면 그 조건

에 따라서 다양한 마이크로-나노 복합구조체 구현이 가능하

다. 이 기술을 바탕으로 현재 전통적인 광식각 공정에 따라

이뤄지는 2차원 방식의 패터닝 기술의 값비싸고 복잡한 과

정의 한계점을 극복 할 수 있는 3차원 패터닝 기법 개발을

진행하고 있다.

2.2.2 바이오 소재 기반의 구조체 제어와 고기능 복합재료 개발

고분자분야에서 바이오소재라고 하면 대부분 값이 비싸

다라는 인식이 강하다. 하지만 일반적으로 바이오 소재는 다

양한 동식물에서 채취를 쉽게 할 수 있기에, 자연계에 풍부

하게 존재하며 생체 적합한 경우가 많아 저렴하게 추출한 다

음 화장품, 의약품 분야에 널리 사용되고 있다. 또한 고분자

나 무기 나노 소재 등과의 혼합을 통해 소재의 특성을 생체

친화적인 방향으로 개선시킬 수 있어 최근 차세대 전자 및

광전자 소자의 핵심소재로 많은 관심을 받고 있다. 대표적인

바이오 소재인 DNA는 염기로 이루어진 이중 나선의 미세

구조를 지니며, 염기서열을 배열하면 정밀한 구조로 자기조

립이 가능하여 다양한 분야의 나노 기술에 응용되고 있다.

이러한 응용을 위해서는 DNA 분자의 구조 제어가 필수적

이며, 이를 위하여 DNA 가닥을 빌딩 블록으로 이용하여 종

이 접기 하듯 2차, 3차원의 나노 구조물을 만드는 ‘DNA 오

리가미’ 방식이 개발되었다. 이러한 방식을 통해 매우 흥미

롭고 정교한 DNA 나노 구조물을 형성시킬 수 있지만 구조

체의 설계과정이 복잡하고, 설계에 따라 DNA를 인공적으

로 합성하는 비용이 많이 드는 단점이 있다.

본 연구실에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 연어에서

추출한 저렴한 DNA 분자체의 정밀 구조 제어 방법을 개발

하였다. 방법은 매우 간단한 기계적 힘을 가하는 방법으로,

이 방법에 의하여 DNA 분자체는 전단 속도에 따른 전단응

력과 탄성력의 균형조절 및 전단 응력을 가하는 방식에 따라

수평, 수직, 지그재그와 같이 다양한 형태로 배향된다(ACS

AMI, 9, 18355 (2017); Adv. Mater. 29, 1604247 (2016)) (그

림 7a,b). 제작된 구조체는 DNA의 정교한 구조적 특징에 의

하여 LCD 에 사용되는 액정물질이나 금속 나노 입자, 반도

체 물질과 같은 기능성 물질들의 배향을 유도시킬 수 있어

나노 물질의 배향을 위한 템플릿으로 응용이 가능하다. 따라

서 본 연구실에서는 DNA를 매개체로 하여 표면 플라즈모

닉 공명 현상과 같은 특이한 전기 광학적 특성을 나타내는

금 나노 막대 입자의 구조체를 대면적에서 패터닝 하였고,

이는 컬러 필터막 등 광전자 소자의 부품으로 응용이 가능하

다(Adv. Funct. Mater., 27, 1703790 (2017))(그림 7c). 본 연

구실에서는 후속 연구를 통하여 이러한 DNA 템플릿을 차

세대 광전자 소자 응용27뿐만 아니라 다양한 나노 기술 분야

에 적용할 수 있는 연구를 진행하고 있다.

2.2.3 액정재료 기반의 광학적 센서 및 위상제어 시스템 연구

생체 분자에 부착된 형광 물질로부터 발생되는 신호를 이

용하여 생화학 분석을 수행하는 전통적인 방법을 개선하기

위해서 본 연구실에서는 레이저와 생체 분자의 비선형성을

이용하여 디지털방식으로 생체 분자를 검지하는 기술을 개

발하였다. 특정 염기서열을 갖는 DNA 분자를 레이저 발진

고분자 과학과 기술 제29권 1호 2018년 2월 53

<왼쪽부터 양민용 박사과정 학생, 서아람 박사과정 학생, 차윤정 박사과정 학생, 윤동기 교수, 유라 박사과정 학생, 류성호 박사, 신민정 박사과정 학생,이원석 박사, 박순모 석박사통합과정 학생, 한문종 박사과정 학생, 김대석 박사, 박원기 박사과정 학생>

그림 8. (a) DNA 염기서열에 따른 결합/비결합 감지를 위한 비선형 레이져센서. (b) 플라즈모닉 다공성 양극알루미늄 기판에서 액정의 유효굴절률을이용한 가시광 영역대의 위상제어 모식도.

의 게인(gain) 물질로 이용하여 레이저 소자를 구현하였고,

동시에 목적 DNA와 다른 염기서열을 가진 생체 시료로부

터는 레이저 발진이 억제되는 것을 확인하였다(Lab on a

Chip, 16, 4770 (2016); OPEX, 25, 874 (2017)) (그림 8a). 이

기술은 복잡하고 오랜 시간이 걸리는 기존 형광 기반 분석방

법과 달리 단 한 번의 레이저 펄스로 DNA 분자 검지가 가능

한 초고속 바이오 센서 플랫폼이다. 또한 DNA 뿐만 아니라

레이저 캐비티(cavity)에 기능화할 수 있는 어떠한 형태의

생체 물질도 같은 방식으로 검지가 가능하게 하는 원천기술

로서, 조류독감 바이러스를 비롯한 각종 병원체, 암세포로부

터 발생하는 바이오 마커 분자 등 수많은 광학 바이오 센서

에 적용될 수 있어 큰 파급효과를 기대할 수 있다.

광학 공진기를 이용한 굴절률 기반 광학 센서는 대단히

높은 민감도를 가지고 있고 전자 센서로 구현할 수 없는 주

파수 영역을 담당할 수 있어서 연구 단계에서 다방면에 활용

되고 있고 수많은 학문적인 발견을 이끌었지만 실생활에서

활용할 수 있는 센서 기술로 발전시키기 위해서는 낮은 기계

적 신뢰도와 굴절률을 변화시키는 물질, 상황 등의 한계와

같은 많은 장벽이 존재한다. 본 연구실에서는 액정 물질을

광학 센서 소자에 도입하여 이러한 문제점들을 해결하는 시

도를 하고 있다. 이방성 액정 분자가 가지고 있는 복굴절

(birefringence)은 외부 상황의 변화로 인한 액정 분자들의

거동을 유효굴절률의 변화로 이끌고 이를 굴절률 기반 센서

에 활용하는 기법을 이용하여 실제로 초음파 센서 등에 활용

하는 연구 등을 수행하고 있다. 예를 들어, 앞서 언급한 다공

성 양극알루미늄 나노채널 기판 속에 액정물질을 넣었을 때

단순히 온도조절을 함으로써 변화되는 유효굴절률에 따라

기판표면에 도포된 금 박막의 플라즈모닉 가시광선 영역대

의 수십나노미터 크기의 위상제어가 가능하였다(ACS AMI,

9, 3186 (2017); ACS AMI, 9, 25057 (2017)) (그림 8b). 이러

한 기술은 액정물질에 따라 다양한 유효굴절률을 확보할 수

있고 이에 따라 수나노 미터에서부터 수백 나노미터의 초정

밀 위상제어 시스템에 적용될 수 있다.

3. 연구실 현황

한국과학기술원 연성소재나노조립 연구실은 윤동기 교

수의 지도하에 박사 후 연구원 1명(이원석), 박사과정 7명

(차윤정, 서아람, 유라, 양민용, 박원기, 신민정, 한문종), 석

사과정 1명(박순모)으로 구성되어 초분자 액정 나노구조제

어, 자기조립기반 리소그래피 개발, 위상제어 기반 광학소자

및 센서, 바이오 나노소재, 전도성 액정 기반의 광-전소자 등

다양한 범위의 연성소재에 대한 연구를 진행하고 있다. 2011

년, 연구실 출범 이래로 Nature Communications, Science

Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials,

Proceeding of the National Academy of Sciences, ACS Applied

Materials & Interfaces 등 세계적으로 권위있는 국제학술지

를 포함하여 50여 편의 SCI논문 출판, 16건의 국내/외 특허

출원 및 등록과 더불어 국내외 유수의 연구진들과 협력적 연

구를 통해 재료분야 및 기초과학 분야의 다양한 연구과제를

활발하게 진행하고 있다.