물리학과 첨단기술 APRIL 201 630

연구실 개요

중앙대학교 물리학과 나노바이오소자 실험실에서는 다양한

나노구조(1차원과 2차원 구조)를 기반으로 한 연구를 진행하여

열전(thermoelectric)과 바이오메디컬 물리(biomedical-physics)

두 분야에서 두각을 나타내고 있다. 1990년대 저차원(low-di-

mension) 형태로 제작된 벌크(bulk) 재료가 양자크기효과

(quantum size effect)에 의해 기존의 벌크에 비해 뛰어난 물

리적 특성을 나타내면서 물리학 분야 전반적으로 나노 구조를

갖는 연구에 관심을 기울이기 시작했다. 이는 열전 분야에서도

마찬가지로 양자크기효과에 따른 2차원 박막(thin film)과 1차

원 나노선(nanowire) 내에서 포논산란(phonon scattering)의

증가로 열전도도 감소에 따른 열전특성(figure-of-merit, ZT)이

향상할 것이라는 이론적 연구발표를 뒷받침하는 실험적인 연구

결과들이 2000년대부터 나타났다. 본 연구실에서는 이와 관련

된 열전재료의 나노선 제작, 나노 다공성을 갖는 박막 제작 및

초격자(superlattice)를 가지는 박막의 열전특성 측정을 통한

열전소재의 특성분석과 함께 나노 구조를 갖는 열전 재료를

실제적으로 응용 및 활용하기 위한 열전소자/모듈 제작을 진

행하고 있으며, 특히 실험으로 측정된 결과를 바탕으로 이론적

인 계산과 해석을 통해 새로운 물질 특성을 연구하고 있다.

COMSOL(multi-physics)을 통한 시뮬레이션을 동시에 진행하

여 열전소자와 모듈을 설계하여 열전효율을 향상시키는데 기초

데이터로 활용하고 있다. 본 연구실의 바이오메디컬 물리 분야

에서는 top-down 방식으로 실리콘 및 석영기판 위에 미세한

나노구조를 형성하여 이를 특정세포(cancer tumor cells) 등의

생체 세포의 포획 및 분리(cell capture/release)하고 이들에

대한 특정 단백질(protein)을 검출 및 분석하여 암의 예후/진

단에 도움이 되는 연구를 진행하고 있다. 본 연구실은 연구 수

행을 위하여 기본적인 반도체 공정장비 contact aligner,

RF-sputter, 급속 열처리 장비, 반도체 특성분석(I-V, C-V) 장

비 등을 갖추고 있다. 15년간의 열전연구를 통해 열전도도

(thermal conductivity) 측정분야에서 국내외적으로 선도적인

역할을 하고 있으며 이를 위해 3- 방식 저온-상온 열전도도

측정 장비를 구축하였고 바이오메디컬분야에 필수적인 형광 스

캐너, 형광 현미경, 세포 배양기 등의 장비를 구축하였다. 현재

구성원은 박사후연구원(연구교수) 1명, 박사과정 2명, 석사과정

6명, 학부연구생 2명이며 관련된 연구를 진행하고 있다.(그림 1,

연구실 홈페이지 참조 http://nbdl.cau.ac.kr)

주요 연구 분야

1. 저차원 나노구조 열전재료의 특성 평가 및 분석 연구

(열전 분야)

열전소자의 에너지 변환 효율은 열전성능지수(thermoelectric

figure of merit, ZT)에 의해 결정된다. 열전성능지수는

로 나타내며, 여기서 는 제백계수(Seebeck coefficient),

는 전기전도도(electrical conductivity), 는 절대온도(K), 그

리고 는 열전도도(thermal conductivity)로 나타낸다. 따라서

높은 열전성능지수를 얻기 위해서는 작동온도에서 높은 제백계

수, 높은 전기전도도, 그리고 낮은 열전도도를 가져야 한다. 하

지만 전기전도도와 제백계수는 소재의 운반자농도에 의존하는

저자약력

이상권 교수는 1998년 스웨덴 Royal Institute of Technology에서 반도

체 전공으로 박사학위를 받았고 미국 University of California, Berkeley

에서 박사후 연구원을 거친 후 2003~2012년 전북대학교 반도체과학기술

학과에서 교수로 재직하였고 2013년부터 중앙대학교 물리학과에서 교수로

재직하고 있다.(sangkwonlee@cau.ac.kr)

그림 1. 중앙대학교 나노바이오소자 연구실 구성원.

중앙대학교

물리학과나노바이오소자 연구실 이 상 권

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trade-off의 관계를 가지고 있으며, 열전도도의 경우 운반자에

의한 열전도도와 격자진동에 의한 열전도도의 합으로서 전기전

도도가 증가하면 열전도도가 증가하는 trade-off의 관계를 가진

다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 열전성능이 좋은 열전

소재를 이용하여 나노구조의 소자를 제작하여 벌크 형태의 물

질보다 더 낮은 열전도도를 확보함과 동시에 나노구조의 크기

및 결함 등을 제어하여 전기적 특성이 저하되지 않도록 하는

연구가 중요하다. 이에 따라 본 연구실에서도 나노선과 박막의

열전특성 연구를 진행하고 있다. 먼저 나노선의 직경과 적층결

함밀도를 측정하여 이러한 요인이 열전도도에 어떠한 영향을

주는지 관찰하였으며, 반도체 MEMS(micro-electromechanical

systems) 공정을 이용하여 나노선 측정을 위한 플랫폼을 만들

어 나노선 각각의 열전 특성을 측정하였다. 또한 이론적으로

포논 산란의 증가에 따른 열전도도의 변화도 계산하였다.(그림

2) 이러한 계산에 기반하여 저차원에서 포논의 산란을 증가시

킴에 따라 낮은 열전도도를 얻을 수 있고, 이를 통해 열전성능

지수를 증가시킬 수 있을 것이라 기대한다.[1,2]

최근에는 나노선의 관련된 연구에서 실

제 반도체 공정을 그대로 이어서 사용하

기 용이한 2차원 박막구조에 관한 연구가

재조명 받고 있다. 이를 위해서는 박막의

두께나 입계면의 크기와 같은 박막의 특

성에 따라 포논의 산란을 증가시켜 포논

에 의한 열전도도를 감소시키는 동시에

운반자에 의한 열전도도를 적절하게 조절

해 줄 수 있는 방법에 대한 연구가 요구

된다. 이에 본 연구팀은 3- 방법을 이용

하여 다양한 두께와 나노구조를 갖는 박

막으로 열전재료의 열전도도를 측정하였

고, 이에 따른 특성을 관찰하기 위해 이론

적 모델을 이용하여 벌크 형태의 열전특

성으로부터 두께에 따른 박막의 열전도도

를 계산하였다.(그림 3) 이 결과로부터 단

일 열전재료를 이용한 박막뿐만 아니라

초격자 또는 양자점 결합과 같은 형태의

박막을 성장시키면 격자진동의 산란을 극

대화시켜 열전도도를 낮출 수 있음을 알

수 있다.[3,4]

2. 2차원 박막형 열전소자 특성평가(열

전 분야)

2차원 박막형 열전소자는 초격자, 양자점 등 나노구조화가

용이한 특성을 가지고 있어 열전도도의 감소를 통한 열전성능

지수의 증가를 기대할 수 있다. 또한 2차원 박막형 열전소자는

기존의 반도체 공정을 이용하여 열전소자를 제작할 수 있다는

장점을 가지고 있다. 이렇게 제작한 열전소자는 벌크 형태 소

자에 비하여 단위 면적당 다섯 배 이상의 p-n 열전쌍 정렬이

가능하며 박막의 두께에 의해 크기 및 부피도 소형화할 수 있

다. 이러한 장점을 이용하여 박막형 열전소자는 국소부분의 냉

각장치, 마이크로 스케일 장치의 보조 동력원, 그리고 온도 구

배가 작은 영역에서의 발전 등에 응용이 가능하다. 본 연구실

에서는 상온용 Bi-Sb-Te계 박막 열전소재와 초격자 구조를 이

용한 박막형 열전소자를 제작, 온도차에 의한 발전량의 측정,

그리고 COMSOL multiphysics 소프트웨어를 통한 시뮬레이션

등을 통하여 2차원 박막형 열전소자의 최적화에 관한 연구를

수행하고 있다.(그림 4) 이 연구를 기반으로 다양한 2차원 박막

형 열전소자의 최적화 연구 및 유연한 기판을 사용한 유연 열

전소자로의 응용이 가능할 것이라 생각한다.

그림 2. (a) micro-device chip 위에 있는 실리콘 나노선의 열저항 측정 모식도 (b) 거친 표면을 가지는 실

리콘 나노선에서의 포논 움직임 모식도 (c) micro-device chip 위에 있는 실리콘 나노선 SEM 이미지와 나

노선의 길이에 따른 열저항 측정 값 (d) 나노선의 길이에 따른 average hexagonality 히트맵 이미지 (e) 거

친 표면 나노선의 단면 TEM 사진 (f) 나노선 측면 TEM 사진.[1,2]

그림 3. (a) 온도에 따른 나노다공을 갖는 Bi 박막의 열전도도 (b) 나노다공성 비스무스 박막의 SEM 사진 및

벌크와 비교된 움클라프 피크 값 나타나는 온도 (c) 열전도도 측정 3-오메가() 방법 모식도.[3,4]

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3. 나노구조 플랫폼을 활용한 세포 분리 연구(바이오메디컬

물리 분야)

실리콘과 석영 기판에 화학적 습식식각 및 물리적 건식식각

방법을 통하여 제작된 나노구조 플랫폼은 기존 평평한 형태의

플랫폼과 비교하여 3D 구조로서 표면적이 증가되어 표적이 되

는 세포와의 항원-항체 반응을 더 많이 일으키게 되어 극미량

의 혈액 내에서의 암세포도 검출할 수 있다. 이 방법으로 본

연구팀은 10∼200개의 암세포주를 분별하여 평평한 기판과

실리콘 나노선이 형성된 기판에 주입하고 분리하였다. 실리콘 나

노선에 의해 분리된 암세포주는 LSC(laser scanning cytometry)

분석법을 이용하여 분석하였으며, 실리콘 나노선 플랫폼에서

∼96.6±6.7% 의 고효율 분리가 가능함을 확인하였다. 이후

2 종류의 암세포주(A549U937, MDA-MB-231U937)를 혼

합한 후 표적으로 삼는 암세포주(A549, U937)만 선택적으로

분리하였으며, ∼8.8배 높은 효율로 표적 암세포를 분리하였

다. 이는 실리콘 나노선 기판이 극미량의 순환종양세포 분리에

적합한 플랫폼임을 입증하는 연구 결과이다.(그림 5)[5,6]

본 연구팀은 나노구조 플랫폼의 고감도 세포 분리효율 기술

을 기반으로 실제 암 치료제 사용에서 앞서서 암 환자 개개인

의 암의 진행 상태 및 체질에 따른 치료제의 효율성이 편차가

있기에 항암제의 환자 투약 전 사전 테스트를 위하여 본 연구

진의 플랫폼에 실제 환자의 혈액을 이용하여 분리된 암세포에

치료제와 반응을 시켜 환자별 치료제의 효율성에 대한 연구를

서울대학병원 암센터와 공동으로 진행하였다. 본 연구에서는

특히 breast carcinoma cell-line(BT20) cells라는 유방암 세포

에 대한 검출 및 치료제에 대한 반응을 확인하고 분석하는 연

구를 진행하였다. 또한 비슷한 플랫폼으로 혈액 내 신경질환

세포의 검출을 확인하여 신경질환 진단 플랫폼 관련 연구를

미국 Yale 대학과 공동으로 진행하였다. 이와 같은 연구들은

기존의 방식보다 극미량의 혈액으로도 추적 세포 검출이 가능

하며 이에 암과 신경질환 등의 진단 시기에 따른 치료제 사용

그림 4. (a) 2차원 박막형태 열전소자 제작공정 모식도 (b) 완성된 2차원 박막

형태 열전소자 모식도 (c) ZnO superlattice를 활용한 2차원 박막형태 열전소

자 특성 측정 결과.

그림 5. (a~f) 석영 나노기둥을 가진 플랫폼의 공정제작 방법 모식도 (g) 순환 종

양세포 분리를 위한 나노기둥에 기능화 형성 및 세포 분리 모식도. (h~k) 2종류의

암세포주 혼합한 후 표적 암세포주 선택적 분리 결과.[5,6]

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의 적합성을 판단할 수 있다.(그림 6과 그림7)[7,8] 이를 통한 추가

적인 연구로 치료제로 사용되는 tamoxifen과 docetaxel을 농

도 및 반응 시간에 따른 암환자 혈액간의 유방암 세포에 대한

변화 분석을 진행하였다.[9]

향후 전망

현재 열전소자는 휴대용 스마트 기기, 사물인터넷, 폐열에너

지활용 같은 독립된 전원이 필요한 분야에 적용하기 위하여

열전소자의 성능지수 향상과 함께 실제 생산 전력을 증가시키

기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이를 위하여 본 연구실

에서도 국내외 연구 그

룹과 공동 연구를 공동

연구를 진행하고 있다.

최근에 벌크 재료로 높

은 성능지수를 기록한

SnSe(그림 8) (ZT 2.6

at 923 K)[10] 재료에 도

핑을 통한 P형과 N형

이 형성된 단결정 박막

과 초격자 구조를 갖는

박막을 제작하여 열전

특성 측정 및 분석 등

의 연구를 진행할 예정

이다. 또한 공동연구를

통해 FET(field effect

transistor)를 기반으로

센서 제작과 함께 유연

한 폴리머 재료를 활용

하여 최종적으로 활용도

가 매우 높은 유연한 열

전소자(flexible and wearable thermoelectric devices)를 제작함

으로써 열전발전 분야의 산업화를 한걸음 앞당기는데 우리의 연구

가 도움이 되길 바란다. 또한 본 연구팀이 보유한 나노구조 플

랫폼의 생체세포 분리 기술을 기반으로 극미량의 혈액에서 고

감도로 특정 세포를 분리 및 박리하여 암세포를 포함한 대장

균과 바이러스 등의 표적이 되는 단일 세포를 포획하여 각 질

병에 대한 병의 진행시기에 따라서 단일 세포에서 분비되는

단백질에 대한 검출 및 분석을 할 수 있는 진단 플랫폼을 개

발한다. 세계적으로도 아직은 도입기인 바이오메디컬 물리 분

야에서 세계 시장을 선점할 수 있을 것으로 사료된다.

그림 8. ZT = 2.6 at 293 K.[10]

그림 6. 세포분리 기술에 따른 혈액 내 신경질환 세포 검출 및 분석 모식도와

실제 세포 분리 SEM 사진.[7]

그림 9. 향후 진행 예정인 유연한 열전소자 개

념 모식도.

그림 7. 나노홀 구조의 석영 플랫폼을 활용한 순환종양세포의 나노홀 기판에 따

른 세포의 성장 방향 분석하는 형광 맵핑 사진과 실제 SEM 사진.[8]

참고문헌

[1] S.-Y. Lee et al., Nanotechnology 27, 115402 (2016).

[2] S.-Y. Lee et al., Acta Materialia 64, 62 (2014).

[3] N.-W. Park et al., Journal of Alloys and Compounds 639,

289 (2015).

[4] N.-W. Park et al., Science of Advanced Materials 7, 2373

(2015).

[5] S.-K. Lee et al., Nano Letters 12, 2697 (2012).

[6] S.-K. Lee et al., Biosensors and Bioelectronics 54, 181 (2014).

[7] Front page, Nanoscale 6, 6189 (2014).

[8] D.-J. Kim et al., Journal of Biomedical Nanotechnology 10,

1030 (2014).

[9] D.-J. Kim et al., Biosensors and Bioelectronics 67, 370 (2015).

[10] L.-D. Zhao et al., Nature 508, 373 (2014).