노전자소자 개발 및 세포 배열 통한 질병 진단 기술에 응용

한국연구재단은 심우영 교수(연세대) 연구팀이 소리(음파)를 이용하여 나노 및 미세물질을 원하는 위치에 정렬할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

나노물질은 수나노미터에서 100나노미터 정도 크기의 물질로, 뛰어난 강도, 전기 전도도, 열전도율과 화학적 안정성을 보인다. 이는 전자, 바이오, 의료분야 등 광범위한 연구·산업 분야에서 응용될 수 있다.

나노물질이 각종 소자와 바이오센서 등으로 활용되려면, 대량생산 공정이 적용된 대면적 소자의 형태여야 한다. 대면적 소자의 형태는 직접회로의 반도체 소자와 같이, 개개의 소자들이 규칙적인 배열을 가진다. 이와 같은 형태를 이루기 위해서는 원재료인 나노물질을 실리콘 기판 위 원하는 위치에 배열해야 한다. 

그러나 나노물질을 기판 위에 프린팅 기법으로 직접 전사하는 기술은 공정비용이 많이 소요되고 시간 소모가 커서 산업적 활용에 제한적이었다.

나노물질의 공간적 제어는 보통 전기적 혹은 화학적 기술을 기반으로 하고 있다. 이 기술들은 부식성 화학물질을 사용하는 습식 공정을 필요로 하며 과정 또한 상당히 복잡하다. 또한 실리콘 반도체 공정기술을 이용하므로 대량의 나노물질을 제어하기가 쉽지 않다.

이에 심우영 교수팀은 저주파의 음파를 이용한 센티미터 스케일의 대면적 나노 및 미세물질 정렬 기술을 새롭게 개발하였다.

▲ 액체 매질에 분산된 나노 및 미세 입자는 저주파수의 음파 진동 하에서
유체 역학적 집중 현상(hydrodynamic focusing)에 의해 격자 형태의 패널을 형성한다. 

연구팀은 나노 및 미세입자를 용매에 섞어 기판에 도포한 후 기판에 음파 진동을 가했다. 나노 및 미세입자는 용매 표면에 생기는 물결(파동)을 따라 움직이며 원하는 위치에 정렬된다. 이후 용매를 빠르게 증발시켜 나노 및 미세입자의 위치를 고정시킨다. 

용매가 도포된 기판 전체에 나노물질이 정렬되므로 센티미터 이상 대량의 물질을 제어 가능하다. 게다가 음파 진동의 물결을 따라 나노 및 미세물질이 즉시 이동하여 정렬되므로 공정 시간과 비용을 대폭 절감할 수 있다.

또한 위 기술은 유체와 입자간의 역학적 관계를 바탕으로 하였으므로 입자의 전기적· 자기적 특성과 무관한 위치 제어가 가능하다. 따라서 전자 분야와 더불어 비전기적·비전자적 나노물질을 이용하는 바이오, 환경, 에너지 등 광범위한 분야에서도 물질제어 기술로 활용 가능하다.

심우영 교수는 “나노 물질의 다양한 응용 시 큰 장벽이었던 대량 나노물질 정렬의 한계를 극복할 수 있게 되었다”며 “해당 기술은 나노 전자 및 광학 디바이스 제작, 세포 배열을 이용한 질병 진단 키트 개발에 응용될 수 있다. 또한 기하학적 구조, 방향, 배열로  물질의 특성이 조절되는 새로운 특성 물질 제조 등에도 적용 가능한 기술로 자리매김할 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.