새물리 HIGHLIGHTS

물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 2015 49

표면가공된 PDMS/PMMA와 LDPE의 소수성 변화와 자가세정

나노과학기술의 발달로 생물의 표면 구

조를 모방하는 생체모방공학이 최근에 많

은 관심을 받고 있다. 연꽃잎을 모방하려

는 연구는 두 가지 방향으로 진행되어왔

다. 첫째는 표면의 자유에너지가 낮은 물

질을 개발하는 것이고, 둘째는 마이크로-

나노 표면구조를 형성하여 물과의 접촉면

을 최적화하는 것이다. 첫 번째 방법은 신

물질을 개발하여 코팅하는 것으로서 일부

상업화 제품이 등장하였으나 박막이 열이

나 산-염기에 약한 단점이 있다. 두 번째

방법으로서 광식각법과 반응성 이온 식각

법 등을 이용한 규칙적인 나노구조를 형성

하여 초소수성 표면을 구현하고 있다.

본 연구에서는 화학적으로나 일상온도에서

안정되고 생활에서 널리 사용하고 있는 PDMS

와 LDPE를 이용하였고, 펨토초레이저를 이

용하여 표면가공을 함으로써 마이크로-나노

구조를 형성하여 초소수성을 구현하였다.

PDMS는 실리콘 성분이 포함된 유기물로서

큰 열팽창계수를 가지며, 생체 조직과 유사한

유연성을 가지고 있어서 바이오 분야에서도

많이 응용이 되고 있다. 그러나 레이저 빔에

노출되면 형태가 쉽게 변형되므로 비교적 단

단한 PMMA 위에 PDMS 박막을 코팅하여

PDMS/PMMA 구조물을 형성하고 열변형이

거의 없는 펨토초레이저 가공법으로 간격과

깊이가 다른 마이크로-나노 구조를 형성하여

초소수성을 구현하였다. 또한 플라스틱 백이

나 식품용기 뚜껑에 사용되는 LDPE 재료를

펨토초 레이저로 가공하여 초소수성을 얻을

수 있었다. 이러한 표면에서는 물방울의 접촉

각은 매우 크고 물방울이 표면과의 접착력이

매우 약하기 때문에 물방울이 움직이면 표면

에 있는 작은 이물질이 물에 들러붙어 자가세

정 효과가 나타나며 제조한 PDMS/PMMA 표

면에서의 자가세정을 관찰할 수 있었다(그림).

이운영, 정홍명, 이진호, 김동선, 임기수, 손익부,

New Physics: Sae Mulli 65, 450 (2015).

근적외선 확산-투과 분광법을 이용한 방울토마토의 비파괴적 당도 분석

물질은 다양한 방법으로 빛과 상호작용을

할 수 있다. 물질-빛 상호작용에 의한 신호를

측정하면 물질의 구조와 조성에 대한 정보를

얻을 수 있다. 이 가운데 근적외선 영역에서

흡수 분광법은 실용적인 측면에서 매우 중요

하다. 과일, 채소, 육류 등 다양한 농ㆍ축산물

의 비파괴적 품질 검사 방법은 이들의 생산,

저장, 유통 과정에서 최적의 수확기를 결정

하고, 빠르고 간편하며 지속적으로 품질을

모니터링하기 위한 효과적인 수단이 될 수

있다. 과일의 당도는 수확기와 저장 기간의

결정에 가장 중요한 인자들 가운데 하나로

흔히 과즙의 굴절율을 측정하는 방법을 통해

서 검사하고 있다. 이 경우 검사대상 과일의

파괴를 피할 수 없다. 과일은 광학적 성질이

다른 세 가지 성분으로 단순화할 수 있다.

물, 당 분자, 덩어리 물질이 그것들인데, 물은

근적외선 영역에서 빛을 가장 강하게 흡수하

며, 당 분자들 또한 근적외선 영역에서 빛을

흡수하나 그 세기는 물 분자에 미치지 못한

다. 껍질, 씨앗, 섬유질과 같은 과일에 포함된

1080 1120 1160

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Wavelength (nm)

9.3 °Brix 9.3 9.1 8.9 8.7 8.5 8.4 8.1 8.1 8.1

Low sugar content

High sugar content

덩어리 물질들은 빛을 산란시킨다. 방울토마

토는 비교적 크기가 작고 투명도가 좋은 과일

로 할로겐램프 등을 이용하여 근적외선 광을

주입하고 반대편으로 빠져나오는 빛의 세기

를 측정하는 확산-투과 분광법을 효과적으로

적용할 수 있는 대상이다. 방울토마토의 내

부를 확산하여 반대편으로 투과되는 빛의

세기는 덩어리 물질에 의한 산란과 물-당

혼합물의 흡수에 의해 줄어들 것이다. 이

가운데 덩어리 물질에 의한 산란 효과를 적절

한 방법으로 보정하여 물-당 혼합물에서 당

분자의 농도에 강한 상관성을 보이는 근적외

선 스펙트럼을 얻을 수 있다. 근적외선 영역

에서 지역적으로 물의 흡광도가 최소가 되는

1065 nm 부근의 투과광 세기를 이용하여

방울토마토의 확산-투과 스펙트럼의 세기를

보정하면 그림과 같이 당도가 증가함에 따라

투과광 세기가 증가하는 스펙트럼을 얻을

수 있다. 이 당도와 투과광 세기의 양의 상관

성은 근적외선 영역에서 물보다 당분자의

몰흡광계수가 더 작은 현상을 잘 반영한다.

몇 가지 당분자의 C-H, O-H 결합의 고차

진동 및 조합 밴드들의 중첩에 의해 근적외선

흡수 스펙트럼은 거의 연속적인 형태로 얻어

지며, 이 결과를 충분히 활용하기 위해서

다변량 분석법을 이용하여 근적외선 스펙트

럼의 세기 값들을 당도로 회귀시키는 농도

검정 모델을 만들 수 있다. 이 모델을 이용하

여 0.089°Brix의 정확도를 갖는 비파괴적

농도 분석이 가능하다.

이용훈, 장산하, 한송희, New Physics: Sae Mulli

65, 508 (2015).

새물리 HIGHLIGHTS

물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 201550

전구물질 (Se2-, Te2-)의 투여 순서에 따른 CdSe0.6Te0.4 나노 구조의 광학적 특성

무기반도체 물질들은 크기가 수십 나노

미터 이하로 작아지면 크기의 변화에 따

라 흡수 및 발광의 파장이 변하는 특성을

보이는데 이 중 가장 대표적인 것이 양자

점(quantum dot)이라 불리는 구형의 반

도체 나노구조이다. 크기를 조절하여 발광

파장을 조율할 수 있다는 장점 때문에 이

들은 광전자, 고밀도 메모리, 양자점 레이

저, 바이오-인·표식, 태양 전지 등과 같은

응용분야에 널리 응용되고 있다. 여러 반

도체물질 중 CdS, CdSe, CdTe 등과 같은

Ⅱ-Ⅵ족, 2종 결합 반도체 양자점들은 흡

수 및 발광의 파장이 가시광선 영역에 속

하기 때문에 특히 주목을 받고 있다.

대부분의 양자점들은 교상체(colloid)의

형태로 이용되며, 구성 원자의 종류 및 크

기에 따라 응용 분야가 결정된다. 그러나

크기를 변화시켜 흡수 및 발광 파장을 조

율하는 방법은 응용분야에 따라 때로 문제

점으로 작용하기도 한다. 왜냐하면 장파장

인 적색, 혹은 적외선 영역의 흡수 및 발광

을 위해서는 양자점의 크기가 특정 크기

이상이 되어야 하지만 작은 크기의 양자점

이 필요한 분야도 있기 때문이다.

CdSexTe1-x 등과 같은 3종 결합 양자점

들은 같은 크기라 할지라도 구조 및 구성

물질들의 조성비에 의해 흡수 및 발광파장

을 조율할 수 있는데 이들은 같은 크기의

2종 결합 양자점에 비해 훨씬 장파장 영역

에 치우친 광학적 특성을 보인다. 3종 결

합 양자점의 구조 중 가장 장파장 영역의

광학적 특성을 보이는 것은 비탈구조

(gradient structure)로서 최근 양질의 비

탈구조를 얻기 위한 합성법에 관한 연구가

보고되고 있다.

본 연구에서는 조성비 등 다른 조건은

고정시킨 상태에서 Cd2+ 용액에 먼저 Te2-

를 반응시키고, 약 10초 후 Se2-를 반응시

키는 매우 단순한 합성 방법을 통해, 직경

이 3 nm 이하임에도 불구하고 700 nm

근처에서 흡수 및 발광 피크를 보이는 매

우 안정적인 CdSe0.6Te0.4 비탈구조의 교

상체 양자점을 합성할 수 있었다.

박성욱, 김일곤, 유동선, New Physics: Sae Mulli

65, 560 (2015).

고분자 탐침 리소그래피 가능 대면적 자동화 마이크로공정 장비 개발

나노 공정 기술이 연구, 산업 분야 등에

실제로 이용되기 위해서 고려해야 할 사항

들을 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어 광

리소그래피와 전자빔리소그래피의 경우,

시료물질을 직접 전달하는 방식이 아니며

대면적 공정에 제약을 갖는다. 시료직접전

달방식 공정기법인 잉크젯 프린팅, 마이크

로 콘택트 프린팅, 마이크로어래이들의 경

우 정확도와 분해능이 다른 공정기법들에

비해 다소 떨어진다는 단점이 있다. 이에

비해 나노 스케일 크기의 끝단을 지닌 탐

침을 이용하는 탐침기반리소그래피(scan-

ning probe lithography, SPL)의 경우 시

료 직접 전달 방식이며 분해능과 정확도

역시 기대되어지는 기법이라 할 수 있다.

탐침기반리소그래피 기법에는 몇 가지

종류가 있다. 주사터널링현미경(scanning

tunneling microscopy, STM) 기법에서 탐

침으로 원자의 위치를 제어하는 기술을 예

로 들 수 있으며, 또 다른 예로는 원자간

힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)

의 탐침에 공정하려는 분자 물질을 용액에

담근(dipping-in) 뒤 글씨를 써내려 나가는

것처럼 패턴을 수행하는 딥펜나노리소그래

피(dip-pen nanolithography, DPN) 기법

이 있다. 하지만 이러한 기법들은 단일 탐

침을 사용하여 패턴 공정을 수행하기 때문

에 수 mm 크기의 면적 위에 공정을 수행하

기에는 많은 시간이 걸린다는 단점이 있다.

상기한 단점을 극복한 대면적의 기판 위

에 패턴을 만들어 내는 기법으로 poly-

dimethysioxane(PDMS) 재질의 2차원 탐

침 배열을 제작하여 대면적의 기판에 mm

내에서 크기 조절이 가능한 패턴공정인 고

분자-탐침-리소그래피(polymer pen lith-

ography, PPL)가 2008년 8월에 소개된

바 있다.

본 연구에서는 PPL 기법을 통해 수 cm

단위로 면적이 넓은 기판 위에 mm 크기의

패턴구조를 균일하게 구현할 수 있는 자동

화 장비 개발을 진행하였다. 우선 4인치 웨

이퍼를 이용하여 탐침 배열을 만들 주형틀

제작을 위해 리소그래피 공정을 진행하였

다 (그림). 패턴을 실시한 결과, 평균 9.5

mm의 균일한 60,000개 이상의 금 마이크

로 패턴 구조가 기판 위 10 mm×10 mm

이상의 영역에 형성된 것을 확인하였다.

이승훈, 양미선, 민치홍, 김용균, 장재원, New

Physics: Sae Mulli 65, 615 (2015).