▲ 양승만 교수

6일 KAIST는 생명화학공학과 양승만 교수의 광자 유체집적소자 창의연구단은 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자가 가스로 조립되는 자기조립 원리를 규명하는 연구를 수행해 실제 곤충 눈의 수백분의 일 크기의 초소형 인조겹눈구조를 실용적으로 제조할 수 있는 방법을 최근 개발했다고 밝혔다.

이 연구결과는 최근 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스지 10월호 표지논문으로 게재됐으며 인조곤충 눈 구조의 실용성을 구현하는데 크게 기여한다고 인정받아 특별히 주목 해야할 논문으로 선정됐다.

특히, 네이처 포토닉스지는 10월호에서 양 교수팀 연구의 중요성과 응용성에 주목하여 이 연구결과를 '미세패턴기술-광자 돔'이라는 제목으로 '뉴스와 논평'란에 하이라이트로 선정해 비중 있게 다뤘다.

지난 20여 년 동안 곤충 눈, 오팔, 나비날개 등 빛 정보를 처리할 수 있는 자연계에 존재하는 구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도됐으나, 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다.

양 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 초소형 인조곤충 눈 구조를 실용적으로 제조하는 기술을 확보하기 위한 연구를 수행해 왔다.

네이처 포토닉스지 10월호가 하이라이트로 선정하여 주목한 양 교수팀의 이번 연구에서는 실제 곤충 눈 크기의 수백분의 일 정도로 초소형이며 균일한 크기와 모양을 갖는 인조곤충 눈 구조를, 크기가 수십 마이크로미터인 균일한 기름방울을 이용하여 성공적으로 제조해 규칙적으로 배열했다.

특히, 주목할 것은 제조공정이 손쉽고 빠른 나노구슬의 자기조립 원리를 이용한 점이다.
 
우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬(낱눈 렌즈)을 물속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터인 균일한 기름방울을 주입하고 물-기름-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지하면 유리구슬이 물과 기름방울 사이의 경계면으로 이동한다.

그 후 물-유리-기름방울의 혼합물을 기판 위에 뿌리면 기름방울이 반구의 돔 모양으로 변형되고 유리구슬렌즈는 저절로 기름방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다.

이때 자외선을 기름방울에 쪼여서 고형화시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 인조곤충 눈 조립공정을 불과 수분 만에 제조할 수 있다.

수천 개의 미세렌즈가 장착된 돔 구조의 초소형 인조곤충 눈은 인간의 눈에 비해 시야각이 넓고 빛을 모으는 능력도 매우 높다.

따라서, 환경의 미세한 변화를 감지할 수 있는 능력을 보유하므로 신약개발을 비롯하여 극미량의 물질을 인식할 수 있는 초고감도 감지소자를 요구하는 다양한 분야에 응용될 수 있다.

특히, 최근에 신약개발 등 바이오산업의 실용화에 사용되고 있는 극미량의 시료를 처리할 수 있는 반도체칩 규모의 실험실인 랩온어칩(Lab on a Chip)에 초소형 인조곤충 눈을 도입할 경우 높은 정밀도를 갖는 물질 감지소자로 활용될 수 있다.

이러한 인조곤충 눈 구조는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이며 최근에 수 밀리미터 크기의 실제 곤충 눈 크기의 인조곤충 눈은 보고된 바 있다.

그러나 본 연구의 결과는 초소형 인공곤충 눈 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데, 필요한 핵심요소다.