나노로 만들어가는 신세계, 연성물질을 연구하는 SNM 연구실!

안녕하세요 ? 서울대학교 융합과학기술대학원 뉴스레터 기자 김민곤입니다.

   

사람들의 눈에 보이지 않는 미지의 영역을 탐구하는 사람들이 있습니다.

바로 물질의 구조를 변형하여 새로운 물질을 만드는 나노융합전공의

Soft Nano- and Microstructures Lab(이하 SNM) 을 소개합니다.

 

SNM 그룹은 지도교수님이신 Jan Lagerwall 교수님과 2012년 9월 현재,

박사과정 1명, 석박사 통합과정 2명, 석사과정 1명의 학생으로 구성되어 있습니다.

 

 



* 연구실 소개

SNM 연구실에서는 부드럽고 무른 연성 물질(soft matter)을 바탕으로 물질 스스로 정렬하려는 자기 조립(self-assembly) 과정에 의해 형성된 나노 및 마이크로 구조를 연구하고 있습니다. 고체와 액체의 중간상태인 액정, 우유 또는 혈액과 같이 작은 입자들이 액체나 기체 속에 분산된 콜로이드, 그리고 고분자를 포함한 연성물질을 이용하여 1밀리미터 이하의 유체의 움직임을 다루는 미세유체시스템(microfluidics), 전기장을 이용하여 나노 및 마이크로 두께의 섬유를 만들어 내는 전기방사(electrospinning) 시스템의 응용과 나노 셀룰로오즈 기반의 복합체들을 이용한 자기 조립 공정을 연구하고 있습니다. 특히 액정은 최근 LCD 산업으로 상업적으로 성공을 거두고 있으며, 본 연구실에서는 display로써의 액정 기술뿐 만 아니라 학문적으로 흥미가 증가하고 있는 액정 본연의 다양한 특성에도 관심을 두고 있습니다. 온도에 의해서 정렬 방식이 달라지는 열방향성(thermotropic) 액정 뿐 만 아니라 온도 및 농도에 의해 정렬이 가능한 농도전이형(lyotropic) 액정을 함께 연구하고 있으며 이를 통해 새로운 복합 구조를 생산하고 그 특성을 실제 소자 및 물질에 적용할 수 있도록 연구 중에 있습니다.

* What is Soft Matter? 연성 물질(soft matter) 이란?

우리는 일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체 그리고 기체가 있다고 흔히 알고 있습니다. 하지만 실제로는 고체와 액체의 중간 상인 액정 상태, 제 4의 상태라고 불리는 이온화 된 기체의 상태인 플라즈마 등의 단순히 고체, 액체, 기체만으로는 정의하기 어려운 상태가 존재합니다. 가장 가까운 예로 우리의 피부를 생각해 볼 수 있습니다. 우리 몸에 존재하는 대부분의 조직들이 그러하듯 피부는 분명 액체는 아니지만 단단한 고체도 아니며 부드러운 성질을 갖습니다. 오늘날 활발히 연구되는 연성 물질(soft matter)에는 액정(liquid crystals) 및 생체물질(biomaterials)이 있으며 이는 국제과학연구사회에서 강력히 주목을 끌고 있는 연구주제로 자리 잡고 있습니다.



그림2. Research

(A) : 미세유체시스템을 이용한 콜로이드 액정 껍질(shell) 제작

(B) : (A)를 통해 만들어진 다양한 액정 껍질(shell)

(C) : 전기방사로 제작된 섬유

(D) : 나노 셀룰로오스의 원자현미경 사진



* SNM 연구실의 주요 연구주제

연구주제는 크게 3가지로 이루어져 있습니다.

1) 먼저 미세유체시스템을 바탕으로 서로 녹지 않는 두 가지 액체의 한편이 다른 쪽에 작은 입자 상태로 분산된 에멀젼을 이용하여 액정 껍질(shell)을 제작하고 새로운 형태의 콜로이드 액정 메타물질을 연구하고 있습니다[그림2-(A)(B)].

2) 또한 전기방사(electrospinning)기법은 고분자 용액에 전기장을 가하여 연속적이고 얇은 섬유를 생산할 수 있는 흥미로운 기술로써, 최근 몇 년간 급부상한 기술 중 하나입니다. 현재 액정이나 콜로이드 입자를 이용하여 나노 또는 마이크로 굵기의 섬유로 제작하고 이를 웨어러블 기술 및 가스 센서에 응용하는 연구를 수행하고 있습니다[그림2-(C)].

3) 그리고 SNM 연구실에서는 스웨덴과 공동 연구 사업으로 Nanocrytalline cellulose(NCC)를 이용한 연구를 활발히 수행 중입니다. 셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 재료로써 나무, 코튼, 해조류, 박테리아 등에서 얻을 수 있으며 저렴한 비용으로 재생 자원으로 쓰일 수 있다는 점에서 매력을 지니고 있습니다. NCC는 약 10 나노미터에서 마이크론 범위에 이르는 직경으로 투명하고, 물에 잘 녹는다는 장점을 가지고 있으며 이를 바탕으로 나노 구조의 기능 복합 재료로써 다양한 분야에 응용하는 데에 초점을 두고 있습니다[그림2-(D)].

* SNM 연구실 구성원

 

SNM 연구실을 이끌고 계시는 Jan Lagerwall 교수님께서는 스웨덴 Chalmers University에서 박사학위를 받으시고 University of Colorado at Boulder, Technical University Berlin 등에서 다양한 연구 활동을 하셨으며 2010년 9월, 서울대학교 조교수로 임용되시기 전까지 독일의 Martin-Luther-Universität, Halle-Wittenberg에서 조교수로 학생들을 지도하셨습니다. 현재 International Liquid Crystal Society(ILCS)의 조직위원으로 계시며 최근 국제액정학회에서 Tutorial을 하시는 등 연구 활동 뿐 만 아니라 국제적으로도 활발한 교육 활동을 하고 계십니다.

(Tutorial 참고자료 : www.lcsoftmatter.com/page29/styled-7/page49/index.html)

그림3. 교수님과 함께 SNM Group

SNM 연구실 구성원으로는 전기방사로 얻은 섬유로 가스 센서 및 웨어러블 기술을 연구하는 김대겸 학생[그림4-(D)]과 황민식 학생[그림4-(E)]이 있으며 미세섬유를 이용하여 배터리로의 응용 연구를 맡고 있는 이종환 학생[그림4-(C)]이 있습니다. 그리고 미세유체시스템을 이용한 액정 콜로이드 및 껍질(shells)의 연구와 나노 셀룰로오즈를 연구하는 노정현 학생[그림4-(B)]으로 구성되어 있습니다. 그 외에도 해외연구기관과의 협력 사업으로부터 매년 교류하는 2~3명의 외국 학생 및 연구원들이 있습니다.

    

그림4. SNM Group Member

[(A) 교수님, (B) 노정현학생, (C) 이종환학생, (D) 김대겸학생, (E) 황민식학생]

 

* 교수님 인터뷰

우리 SNM 연구실의 비전은 어디서나 쉽게 얻을 수 있는 간단한 물질을 이용하여 나노스케일에 적용함으로서 그 물질이 보이는 새로운 특성과 함께 새로운 구조를 얻는 데에 있습니다. 미시세계의 나노- 마이크로 단위의 콜로이드, 액정 그리고 고분자들이 상호작용하여 보이는 거시적인 특성을 이해하는 것은 화학뿐 아니라 물리적인 지식이 필요하며 또한 생물학에 있어서도 매우 흥미로운 연구입니다. 따라서 연성 물질을 이해하는 것은 하나의 학문에 국한되지 않고 다양한 학문의 지식을 넘나들며 융합적인 연구를 가능하게 하는 가장 탁월한 연구 분야 중 하나입니다.

 

SNM 연구실의 향후 계획은 이러한 융합지식을 통해 근본적인 과학 세계를 탐구하는 것과 실생활에 적용 가능한 웨어러블(wearable) 기술을 실현하는 것입니다. 한 예로, 유해 가스 누출의 위험이 있는 환경에서 작업하는 사람들에게 전기방사로 얻은 섬유를 옷에 적용한다면 일정 농도이상의 가스 유출이 발생했을 때 옷의 색깔의 변화를 통해 위험을 경고할 수 있다는 재미있고 기발한 아이디어를 실현하고자 합니다. 현대적인 기술을 이용한 접근 방식으로 액정과 더불어 다른 연성 물질들을 연구함으로써 새로운 기능화 된 물질 및 시스템을 창조할 수 있는 방향을 제시하고 있습니다.

(교수님의 영어 원문 글 : http://aict.snu.ac.kr/_File/download/interview.pdf)