스스로 조립되는 볼록렌즈 형태 입자 구현

[산업일보]
국내 연구팀이 금 나노입자를 이용해 볼록렌즈 형태의 비구형 입자를 간단한 자기조립 방식으로 만들었다. 독특한 구조 때문에 디스플레이용 광 결정 물질이나 광화학 센서, 코팅필름 등 다양한 분야에 응용될 수 있지만 복잡한 식각공정이나 가압공정으로 비구형 입자를 제작하는 것은 매우 어려웠다.

비구형 입자는 지름이 일정한 구 모양이 아닌 형태의 입자를 일컫는 말로 예를 들면 바둑알, 럭비공, 아령, 도넛 형태 등이 있다. 광결정 물질은 특정 색이 물질 내부에 존재하지 못하고 밖으로 반사되는 소재를 말하며, 이를 반도체 발광소자(LED) 등에 사용하면 훨씬 밝은 빛을 낼 수 있다.

KAIST 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀 구강희 박사과정 연구원의 주도로, 장세규 박사(KEPRI, 공동교신저자), 이기라 교수(성균관대), 서민교 교수(KAIST) 등이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(전략)과 글로벌프론티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 화학분야 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 최신호에 게재됐다.

나노입자는 물과 기름처럼 성질이 다른 물질의 경계면에서 융화를 돕는 계면활성제로 작용할 수 있다.

나노입자 계면활성제는 상용 유기 계면활성제 보다 높은 준가역 흡착 에너지를 가지기 때문에 안정한 에멀젼을 형성할 수 있고, 표면 개질 등을 통해 나노스케일에서 위치조절을 하는 것이 매우 용이하다는 장점을 가지고 있지만, 이를 3차원 입자 내부 또는 외부에 도입시키는 연구는 많이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

크기를 조절할 수 있는 금 나노입자를 3차원 블록공중합체 입자 내부에 계면활성제로 도입시켜 블록공중합체 입자의 계면장력을 나노스케일에서 선택적으로 조절하고, 이를 통해 외부 및 내부 구조를 조절하고자 한다. 특히 만들어진 입자 내부에 다른 기능성 무기물질을 도입시킴으로써 독특한 광학적 특성을 가지는 입자를 개발하고자 했다.

계면활성제는 친수성 부분과 소수성 부분을 가지고 있는 화합물로서 서로 다른 두 상의 계면에 위치해 계면장력을 감소시키는 역할을 한다. 이를테면 우리가 흔히 쓰는 세제 등이 계면활성제의 대표적인 예다.

연구팀은 블록공중합체가 포함된 기름방울 표면에 크기가 조절된 금 나노입자의 나노배열을 선택적으로 위치시키는 방식으로 구가 아닌 독특한 구조의 볼록렌즈 형태로 만드는 자기조립 방법을 개발했다. 블록공중합체는 두 종류 이상의 서로 다른 고분자가 블록 형태로 공유 결합한 고분자로, 스스로 조립돼 다양한 나노구조를 형성한다.

이번 연구에서는 크기를 조절할 수 있는 금 나노입자(지름: 2~8 nm)를 합성하고, 이를 PS-b-P4VP(PDP)0.5 용액에 첨가해 에멀젼을 만든 후 내부의 유기용매를 증발시켜 블록공중합체 입자를 제조했다.

일반적으로 물속에 기름을 떨어뜨리면 기름은 가장 안정된 형태인 구형을 띠게 된다. 때문에 상대적으로 불안정한 비구형으로 만들려면 원하는 모양으로 깎아 내거나 압력을 가하는 등의 다소 복잡한 공정이 필요했다.

연구팀이 개발한 방법은 간단히 스스로 조립되는 과정으로 계면의 성질을 제어하는 것이 가능하기 때문에, 볼록렌즈 이외에도 럭비공, 아령 모양 등 다양한 모양과 구조의 3차원 입자를 제작하는데 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구 결과로 나노입자 계면활성제를 이용해 3차원 블록공중합체 입자를 개발하는 플랫폼을 제시하고, 나아가 다양한 기능성 입자를 도입시켜 광학적 전기적 특성이 우수한 마이크로입자를 개발하기 위한 토대를 마련할 것이다.

김 교수는 “본 연구에서 개발된 나노입자 플랫폼을 이용하여 새로운 전기적, 광학적 기능성 및 구조를 지니는 3차원 형태의 마이크로 입자의 개발이 가능할 것”이라고 밝혔다.