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서울공대 이야기
 

나노시대 앞당기는 꿈의 입자공장 - 산화물 나노결정 연구단 현택환 교수

 

전자현미경 앞에 선 현택환 교수. 나노입자 생성과정과 결과를 관찰하기 위해 꼭 필요한 장치다.


서울대 화학생물공학부 현택환 교수는 요즘 마음이 가볍다. 지난 4월 13일 연구실적 평가에서 현 교수팀은 최우수 성적을 받았다. 과학기술부 지원을 받아 지난 3년간 수행한 연구 결과가 드디어 결실을 맺는 순간이었다.


그의 논문은 평소 국제 학술지에서 많이 인용되는 것으로 정평이 나있다. 특히 2001년 12월에 미국화학회지에 발표한 크기분리과정 없이 균일한 나노입자를 제조한 연구결과는 올4월까지 인용된 횟수가 113번에 달한다. 현 교수팀의 연구가 그만큼 비중이 크다는 점을 말해주는 대목이다. 나노입자를 연구해온 지난 5년간 국제학술지에 발표한 논문수만 70편, 인용횟수는 1000번을 넘어섰다.


나노입자란 나노전자소자와 테라비트급 저장매체, MRI 조영제 등 나노기술에 사용되는 기본 재료. 나노기술의 상용화를 위해 꼭 필요한 물질이다. 문제는 이들 나노입자의 전자기적 기계적 성질이 크기에 따라 달라진다는 데 있다.


바이오솔라셀은 나노입자의 물리적 성질을 설명하는 대표적 사례다. 나노입자 크기에 따라 나오는 빛의 성질은 달라진다. 입자에 따라 밴드갭도 달라지기 때문이다. 입자의 균일성도 중요한 기준이 된다.


 

투과전자현미경으로 살펴본 각종 나노입자. 값싼 생산방식으로 입자의 균일성을 유지하는 것이 숙제다. 


컴퓨터 하드디스크에도 나노입자가 들어간다. 자기를 띠는 자성체 나노입자를 디스크 원판에 바르면 하드디스크는 고용량 차세대 저장매체로 변신한다. 이를 위해 10nm 크기의 나노입자를 잘 정돈되게 배열해야 한다.


세계 최대의 컴퓨터업체인 IBM도 나노기술을 적용한 차세대 저장매체에 욕심을 내고 있다. 반도체 나노입자는 레이저나 디스플레이에서 쓰인다. 선명한 빛을 만들기 위해선 재료로 쓰는 입자들의 크기는 높은 균일도를 유지해야 한다.


‘값싸고 편리하게 만드는 균일한 나노입자’. 그러나 현 교수의 성과가 발표되기 전만 해도 꿈에서도 생각할 수 없는 일이었다.



값싸고 편리한 나노입자 대량 생산


현 교수가 개발한 ‘대량생산기술’은 크기가 균일한 나노입자를 좀더 값싸고 많이 얻을 수 있는 방법. 지금까지는 원하는 나노입자를 얻기 위해 다양한 크기의 입자들이 뒤섞인 혼합물에서 입자를 추출하는 방법을 사용해왔다. 하지만 이 방식은 생산과정이 복잡하고 까다로워 비용이 만만치 않게 들어갈 수밖에 없었다. 생산 과정에 집어넣는 시료의 강한 독성도 환경운동가들의 비난의 대상이 되기에 충분했다.


현 교수의 착안도 바로 이 부분. 5년전 이 연구는 ‘크기를 분리하지 않고 값싸게 만들자’는 생각에서 시작됐다. 지난 2001년말, 연구팀은 미국 화학회지에 크기를 분리하지 않고 균일한 나노입자를 제조하는 방법을 발표하며 본격적인 연구에 들어갔다.


단순한 우연일까 아니면 오랜 연구가 가져온 필연이었을까. 현 교수팀의 이번 연구 성과는 우연한 기회에 찾아왔다.


 

연구단 실험실 내부. 철과 마그네타이트 등 새로운 재료를 사용해 나노입자를 만드는 방법이 한창 연구중이다. 


실험에 실험을 거듭하고 있던 어느 날, 산화철과 시료를 반응용기에 넣고 실험하던 연구원 한 명이 뜻밖의 실수를 저질렀다. 입자생성을 위해 넣어야 했던 시료 하나를 반응용기에 넣지 않은 것. 하지만 결과는 뜻밖이었다. 반응용기의 온도가 천천히 올라가면서 일정한 크기의 염화철 나노입자들이 생성되기 시작했다. 일정한 온도에 이르자 금속염 착화합물이 열분해되면서 균일한 입자들이 쏟아져 나온 것이다.


그전까지만 해도 나노입자는 주원료와 계면활성제, 각종 시료를 반응용기에 넣고 순간적으로 짧은 시간에 분해시켜 만들었다. 하지만 균일한 입자를 얻는 추출 방법이 까다롭고 계면활성제로 사용되는 물질의 독성이 강해 지금까지는 1g 미만으로 생산해왔다.


물론 처음에는 원인을 찾을 수 없었다. 시료 하나가 빠졌다는 사실이 분석과정에서 밝혀졌다. 결국 현 교수팀은 1리터 반응용기에서 균일한 자성체 나노입자 40g을 얻는데 성공했다. 제조시간도 줄이고 생산량도 1000배 이상 늘어난 결과에 연구진은 입을 다물지 못했다. 나노입자 1g을 얻는데 불과 250원이 든 셈이다. 균일하지 않은 산화철로 만들었을 때 제조원가의 1000분의 1 수준이다. 연이어 철과 마그네타이트, 망간페라이트, 니켈페라이트, 산화아연 등을 이 방식으로 대량 생산할 수 있다는 사실까지 밝혀냈다.


연구 결과는 곧 논문과 입소문을 타고 전세계에 전파됐다. 서로 경쟁 관계에 있던 세계적인 컴퓨터업체 IBM 연구진도 그 결과에 놀라움을 표시했다.


 

자성을 띤 자성체 나노입자에 자석을 갖다 대면 입자들이 끌려올라가는 현상을 볼 수 있다.

결과도 결과지만 개발 과정에서 남은 성과는 꽤 컸다. 현재 나노입자 합성연구를 주도하고 있는 연구팀은 미국 버클리소재 캘리포니아대학과 매사추세츠공대, 민간업체인 알칸사그룹 등 3~4군데 정도. 현 교수팀의 연구 결과는 이들이 주도하고 있는 국제 학회에서 주목을 끌고 있다.


연구과정에서 정리된 논문 42편 가운데 8편은 이미 화학 화공학 분야 국제 학술지에서 인용도 순위 상위 1%에 포함됐을 정도. 또한 2003년 영국화학회지에 연구 성과가 실린 데 이어 지난해 미국 CNN가 연구팀의 연구결과를 상세히 보도하기도 했다.


현 교수의 다음 계획은 새 합성법으로 생산한 나노입자의 품질을 좀더 높이는 것이다. 또 현재 입자 모양에서 벗어나 막대나 다른 형태로 된 재료를 개발할 계획이다. 이 중 특히 쓸모가 많은 나노막대에 거는 기대가 크다.


산화물 나노결정 연구단은?


 

서울대 신공학관 내부에 들어선 연구단 앞에 서있는 현택환 교수. 


현택환 교수가 이끄는 산화물 나노결정 연구단은 지난 2002년 창의적연구진흥사업으로 지정됐다. 모두 3단계, 총 9년에 이르는 연구기간 동안 연구단은 나노기술의 밑거름이 될 나노입자와 막대 등 나노재료를 개발하는 것은 물론 이를 값싸고 손쉽게 대량생산하는 방법을 연구하게 된다. 지난 4월초 열린 1단계 연구 업적 평가에서 연구단이 받은 점수는 일단 ‘합격점’. 이번 2단계 연구가 끝나는 2008년경 연구단은 나노입자를 확장한 나노막대 등 좀더 다양한 모델들을 선보일 예정이다.


현재 현 교수를 포함해 박사후과정, 박사과정, 석사 명 등 총 25명의 연구원들이 이 독특한 연구에 깊숙이 빠져 있다.


현 교수는 “연구단이 얻은 연구 결과는 미국 버클리소재 캘리포니아대나 매사추세츠공대와 어깨를 겨눌만하다”이며 “산화물 뿐만 아니라 자성체나 다른 형태의 나노재료 개발에서도 선두를 유지하고 싶다”고 밝혔다.


 ● 현택환 교수 약력


1987년 서울대학교 화학과 학사

1989년 서울대학교 화학과 석사

1996년 미국 일리노이대 무기화학 박사

1996년-1997년 미국 노스웨스턴대 촉매연구소 박사후 연구원

1997년-현재 서울대학교 화학공학공학과 부교수

2002년 과학기술부 이달의 과학자상 수상

2003년-현재 산화물 나노결정 연구단장, 국제학술지 ‘나노테크놀로지’ 편집위원, 나노기술전문지 ‘스몰’(Small) 편집위원.

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