김신현 교수팀, 배추 절이는 원리로 광결정 미세캡슐 개발

연구결과 고 양승만 KAIST 교수에 헌정

김신현 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 국제공동 연구를 통해 배출 절이는 원리를 활용한 광결정 미세캡슐을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 김신현(32) 생명화학공학과 교수 연구팀이 하버드대와 공동으로 삼투압 원리를 이용해 차세대 광학소재로 주목받는 광결정의 미세캡슐화 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

연구결과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈 7일자 온라인 판에 게재됐다.

남미 열대림에서 서식하는 몰포 나비의 날개가 파란 색으로 보이지만 색소가 없는 것은 날개 표면에 있는 규칙적인 나노 구조로 인해 파란색 파장의 빛만을 반사하기 때문이다.

물질의 광구조가 특정 파장의 빛만 반사하고 나머지는 통과하는 배열을 갖도록 만든 물질을 광결정이라고 한다.

광결정은 빛의 파장 절반 수준에서 굴절률이 주기적으로 변하는데 특정 파장의 빛만을 제어할 수 있는 특성과 다양한 응용가능성을 갖고 있어 빛의 반도체로 불린다.

1987년 미국 벨연구소 이론 물리학자 엘리 야블로노비치와 프린스턴대학 사지브 존이 광결정 개념을 최초로 보고한 이래 지난 27년 동안 많은 과학자들이 광결정을 인공적으로 제조하기 위해 노력해왔지만 반사색이 대부분 고정된 구조에 의해 발현돼 색을 바꾸는 것이 불가능하고 제조 공정이 까다로워 상용화가 어려웠다.

김 교수 연구팀은 액체 상태의 광결정을 잉크처럼 캡슐화하고 광결정을 덩어리 형태가 아닌 100나노미터 머리카락 굵기 수준의 미세캡슐형태로 제조하고 고무재질 캡슐막을 적용해 모양을 자유자재로 바꿀 수 있도록 제작했다.

광결정캡슐의 변색 및 변형을 보여주는 광학현미경 사진

연구팀은 배추를 소금물에 절일 때 발생하는 삼투압현상을 활용했다.

물 분자만을 투과시키는 반투막으로 이뤄져 있는 배춧잎이 소금물에 잠기면 높은 삼투압의 소금물이 내부 물 분자를 반투막 밖으로 꺼내 부피가 줄어드는 원리를 이용했다.

연구팀은 이 현상을 나노입자를 담은 미세 물방울에 적용했다.

삼투압현상에 의해 물방울의 부피가 줄어들어 나노입자가 스스로 규칙적인 구조로 배열돼 캡슐막 내부에 액상의 광결정을 만들고 머리카락 굵기 수준의 작은 통로를 구현한 미세유체소자를 활용해 광결정 미세캡슐을 균일한 크기로 제조하는데 성공했다.

김신현 교수는 “미세 광결정 잉크캡슐은 상용화 가능한 수준으로 향후 구부리거나 접을 수 있는 차세대 반사형 컬러 디스플레이 소자 및 인체 내로 주입 가능한 바이오센서 등을 구성하는 핵심 광학소재로 사용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

KAIST 및 하버드 연구진들은 이번 연구 결과를 지난해 9월 불의의 사고로 고인이 된 콜로이드 및 유체역학 분야의 세계적 대가 고 양승만 교수(전 KAIST 생명화학공학과 교수)에게 헌정했다.

이번 연구는 산업통상자원부에서 지원하는 선진기술국가 국제공동기술개발사업으로 진행됐다.