이달의 과학기술자상 4월 수상자 포항공과대학교 화학과 이문호 교수 선정
방사광 엑스-선 스침각 산란 나노 분석 신기술은 국내 유일의 과학기술 산실로 자리매김하고 있는 포항방사광가속기에서 만들어지는 방사광 엑스-선을 이용하여 0.1나노미터(100억분의 1미터)의 분해능으로 나노 구조 및 특성을 비파괴적으로 분석하는 획기적인 나노 평가기술이다.
초저유전 고분자 절연 신소재 기술은 상용성이 뛰어난 나노 기공 물질을 개발하고 이를 이용하여 분자 크기의 기공을 절연소재에 생성시킴으로써 2.0 이하의 유전율을 가지는 초저유전 나노 소재 제조기술이다.
21세기 우리나라 산업경제의 견인차 역할을 담당하는 주요 첨단산업의 핵심 원천기술로 급부상하는 나노기술을 개발하기 위하여 다양한 기능성의 나노 소재 개발, 나노 공정기술 개발, 그리고 나노 평가기술 개발 등이 필수적이다. 이에 이 교수는 이러한 나노기술의 특성과 필요성에 착안하여 나노 평가기술과 함께 나노 소재 개발에 역점을 두어 연구를 수행하였다.
나노 구조체, 시료 및 제품은 1∼500nm 정도의 크기로 매우 작아서 기존에 널리 사용되고 있는 분석방법으로는 그 구조와 특성을 평가하는 것이 불가능하다. 또한, 기존의 많은 분석기술은 시료나 제품을 작게 잘라내어 분석하는 파괴적인 분석방법이다. 따라서 나노기술 개발에는 나노 시료 및 제품을 분리하거나 파괴하지 않고 비파괴적으로 빠른 시간 내에 나노 구조와 특성을 평가하는 나노 분석기술이 절대적으로 필요하다.
이 교수 연구팀은 엑스-선을 나노 시료 또는 제품 표면에 가까운 각도로 입사시켜 나노 시료 또는 제품 내를 통과한 엑스-선의 양을 획기적으로 증가시켜서 고분해능으로 양질의 엑스-선 산란 데이터를 얻었다. 이를 정량적으로 분석하는 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석기술 개발에 성공하여 비파괴 분석기술일 뿐만 아니라 측정시간이 단축되어 나노 시료나 제품을 만드는 나노 공정 중에도 실시간으로 나노 평가분석이 가능하다.
또한, 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석기술을 새로운 기능의 나노 신소재 개발에 활용하여 차세대 반도체 개발에 필수적인 초저유전 절연소재 개발에 성공하였다. 이 교수팀은 2∼5nm 크기의 축구공 모양의 덴드리머라는 고분자를 제조하고 절연재료에 분자 수준으로 분산시켜 나노 박막을 제조하였다. 열처리를 통하여 덴드리머 분자만을 선택적으로 태워서 제거함으로써 축구공 모양의 나노 기공을 절연박막에 생성시켜 획기적으로 유전율을 2.0 이하로 낮추는 데 성공하였다.
※ 보통의 절연재료의 유전율은 3.0 이상이며, 유전율이 가장 낮은 공기 또는 진공 상태는 유전율이 1.0이다. 절연소재의 유전율이 낮을수록 반도체 칩의 집적도를 높이고 소형화 및 고성능화가 가능하다.
이 연구 결과는 나노기공제 분자 하나에 해당하는 나노기공을 절연재료 내에 만든 최초의 연구 성과로써 나노기공제로는 기공제 분자 크기의 나노기공을 절연소재 내에 구현할 수 없다는 기존의 문제점을 완전히 해결한 것이다.
이 교수 연구팀은 상기의 초저유전 나노 소재 개발연구 외에도 방사광 엑스-선 스침각산란 나노 분석기술을 활용하여 고분자 메모리 반도체 소자, 태양전지, 화학 및 바이오메디컬 센서, 바이오 칩 소자용 나노 신소재 연구개발에 연구력을 집중하고 있다.
동 연구결과는 유명 국제학술지인 네이쳐머터리얼즈(Nature Materials)지와 어드벤스트 머터리얼즈(Advanced Materials)지에 게재되는 등 나노과학기술 및 고분자 분야의 학문적 발전에 크게 기여하였다.
또한, 나노기술을 기반으로 하는 첨단 반도체, 평판디스플레이, 휴대폰, 나노바이오칩, 유비쿼터스 시스템 등 우리나라 첨단 산업 제품 개발을 가능하게 하는 획기적인 나노 원천기술을 제공한다. 이 연구결과가 세계 학계는 물론 산업계로부터 주목을 받는 가운데 이 교수는 많은 초청강연 및 기조강연을 요청받고 있다.
현재 이문호 교수는 과학기술부와 한국과학재단이 지정하는 국가지정 연구실(고분자 합성 및 물리 연구실)사업을 수행하고 있으며 고분자학을 기반으로 하는 나노 소재, 나노 공정 및 나노 평가기술 개발에 집중하고 있다.
1) 나노기술 : 1000 nm (1 nm는 10억분의 1 m) 이하 크기의 구조물, 시료, 시작품, 제품 등을 만들고 구조적, 물리적, 그리고 화학적 특성을 활용하는 기술이다. 나노기술은 나노소재, 나노가공 및 나노분석 요소기술을 포함한다.
2) 유전율과 절연물질 : 물질의 절연성(전기를 통하지 않게 하는 성질)을 나타내는 것으로 진공상태가 가장 낮은 유전율 값을 가진다. 일반적인 절연물질은 모두 약 3.0 이상의 유전율을 나타낸다. 일반적으로 유전율이 2.0 이하인 절연물질을 초저유전체라고 한다.
2) 고분자 : 분자량이 20000 이상인 물질로서 일반인에 널리 알려져 있는 플라스틱, 비닐, 단백질, 핵산(DNA, RNA), 전분(starch) 등이 모두 고분자 물질의 일종이다.
4) 나노기공제와 덴드리머: 나노미터 크기의 기공을 만들 수 있는 물질이다. 덴드리머는 축구공 모양을 가지는 고분자로서 보통 1∼10 nm 크기를 가지며, 나노기공제, 약물전달 매체, 분산재 등 다양한 응용성을 가진다.
5) 방사광 : 전자 뭉치를 진공관에서 자석의 자기장을 이용하여 거의 빛의 속도로 가속시키고, 가속된 전자 뭉치가 진행을 방향을 바꿀 때 마다 발생하는 빛을 말하는 것으로 태양과 같이 모든 파장을 빛으로 구성되어 있다. 그러므로, 단색광장치를 이용하여 필요한 파장의 빛을 골라서 선별적으로 활용하는 것이 일반이다. 엑스-선의 빛만을 선별한 경우를 방사광 엑스-선이라고 한다.
6) 엑스-선 산란과 스침각 엑스-선 산란 : 엑스-선을 물질 또는 시료에 입사시키면 물질과의 상호작용에 의하여 엑스-선이 산란하는데, 이와 같이 산란된 엑스-선을 분석하면 엑스-선과 상호작용을 한 물질의 구조와 특성에 대한 정보를 얻을 수 있다. 스침각 엑스-선 산란분석법이란 분석하고자 하는 시료나 물질의 표면에 가까운 각도로 엑스-선을 주입시켜 산란을 일으켜 분석하는 방법이다.
이문호 교수 이력사항
성 명(한문) : 이문호 (李文浩)
생년월일 : 1958. 08. 17(만 52세)
직 위 : 교수
□ 학 력
1977. 2 : 고려대학교 화학과, 학사
1979. 2 : KAIST, 석사
1987. 5 : University of Massachusetts at Amherst(미국), 이학박사
□ 경 력
1978.06 - 1982.07SKC, 연구원
1987.04 - 1988.08IBM, 박사후연구원
1988.09 - 1993.07IBM, Staff Scientist/Advisory Scientist
1993.08 - 현재포항공과대학교, 교수
2004.09 - 현재포항가속기연구소, 부소장
2005.04 - 현재과학기술부 과학재단, 국가지정연구실 연구책임자
□ 수 상
1987 : Best Ph.D. Thesis Award : University of Massachusetts at Amherst
1989 : Patent Application Award : IBM
1992 : Patent Application Award : IBM
1992 : Best of the Best Award : IBM
2000 : 과학기술 우수논문상 : 한국과학기술총연합회
2004 : 우수논문상 : 한국고분자학회
2006 : Sigma-Aldrich 화학자상 : 대한화학회
2007 : 이달(4월)의 과학기술자상 : 과학기술부/한국과학재단
수 상 업 적
□ 수상업적 : 초저유전 고분자 나노소재 및 방사광 엑스-선 나노분석기술 개발
□ 업적요지
이문호 교수는 우리나라 유일의 범국가적 과학기술 거대시설인 포항방사광가속기에서 만들어지는 방사광 엑스-선을 이용하는 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석 신기술”을“개발하였다. 이 방사광 엑스-선 나노분석 신기술은 나노소재와 나노기술 개발에 필수적인 나노평가기술로서 21세기 우리나라 나노기술 발전과 나노기술을 기반으로 하는 차세대 반도체, 디스플레이, 휴대폰, 나노바이오칩, 유비쿼터스 시스템 등 첨단 산업 제품 개발을 가능하게 하는 획기적인 나노 원천기술이다. 이 교수는 방사광 엑스-선 나노분석 신기술을 활용하여 50나노급 이하의 차세대 반도체 개발을 가능케 하는“초저유전 고분자 절연 신소재 개발”에 성공하였다. 이 교수 연구팀이 개발한 나노소재기술은 상용성이 뛰어난 덴드리머 나노기공제를 개발하고 이를 이용하여 분자 크기의 기공을 절연소재에 생성시킴으로서 그 동안 세계 반도체 분야의 숙원이었던 분자 수준의 기공을 가지는 초저유전 절연소재 제조에 성공한 것이다. 이 연구결과로 차세대 반도체를 비롯한 전자산업 분야 전반에 필요한 초저유전 나노소재 분야의 새로운 길이 열렸다.
□ 업적내용
나노구조체 또는 나노제품은 대개 500 nm 이하의 크기로 아주 작기 때문에 기존에 널리 사용되고 있는 분석방법으로는 그 구조와 특성을 평가하는 것이 불가능하다. 또한 기존의 많은 분석기술은 시료나 제품을 작게 잘라내어 분석하는 파괴적인 분석방법이기 때문에 개발에 성공하여 만든 나노구조체 또는 나노제품을 다시 분리 또는 파괴하여 분석해야 하는 문제점을 가지고 있다. 그러므로, 나노기술 개발에는 나노구조체 및 나노제품을 분리하거나 파괴하지 않고 비파괴적으로 빠른 시간 내에 나노 구조와 특성을 평가하는 나노분석기술이 절대적으로 필요하다.
이 교수 연구팀은 엑스-선을 나노구조체 또는 나노제품의 표면에 가까운 각도로 입사시켜서 아주 작은 나노 시료 또는 제품 내를 통과한 엑스-선의 양을 획기적으로 증가시켜서 고분해능으로 양질의 엑스-선 산란 데이터를 얻고 이를 정량적으로 분석하는 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석기술 개발에 성공하였다. 이 기술은 비파괴 분석기술일 뿐만 아니라 측정시간이 단 몇 초 이내에 불과하여 나노 시료나 제품을 만드는 나노공정 중에도 실시간으로 나노평가분석이 가능하다.
또한, 이 교수 연구팀은 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석기술을 새로운 기능의 나노 신소재 개발에 활용하여 차세대 반도체 개발에 필수적인 초저유전 절연소재 개발에 성공하였다. 이 교수팀은 2∼5 nm 크기의 축구공 모양의 덴드리머라는 고분자를 제조하고 이들을 절연재료에 분자 수준으로 분산시켜 나노박막을 제조하고 열처리를 통하여 덴드리머 분자만을 선택적으로 태워서 제거함으로써 축구공 모양의 나노기공을 절연박막에 생성시켜 획기적으로 유전율을 2.0 이하로 낮추는데 성공하였다. 이 연구 결과는 나노기공제 분자 하나에 해당하는 나노기공을 절연재료 내에 만든 최초의 연구 성과로써 나노기공제로는 기공제 분자 크기의 나노기공을 절연소재 내에 구현할 수 없다는 기존의 문제점을 완전히 해결한 것이다.
□ 파급효과
이문호 교수 연구팀이 개발한 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석 신기술은 나노소재와 나노기술 개발에 필수적인 나노평가 원천기술이다. 또한 이 분석 신기술을 활용하여 개발한 초저유전 고분자 나노소재는 반도체, 평판디스플레이 등 첨단 전자제품 개발에 필수적인 고성능 나노절연재료의 제조를 가능하게 하는 나노소재 원천기술이다. 그러므로, 이 나노소재 신기술과 나노평가분석 신기술은 21세기 나노과학기술 분야와 고분자 분야의 학문적 발전은 물론, 우리나라 나노기술 발전과 나노기술을 기반으로 하는 차세대 반도체, 디스플레이, 휴대폰, 나노바이오칩, 유비쿼터스 시스템 등 첨단 산업 제품 개발을 크게 가속화시킬 것으로 전망된다. 특히, 방사광 엑스-선 스침각산란 나노분석 신기술은 이미 국내외의 산업계, 연구소 및 학계에서 나노소재, 나노공정 및 나노기반 제품 개발에 널리 활용되고 있다.
□ 기타사항
이 교수는 국내에서 지난 14년간 고분자과학 및 고분자 응용 나노과학 분야를 연구해오고 있는 우수 과학자로 Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Macromolecules 등의 유명 국제학술지에 180 여편의 수준 높은 논문을 발표하였고, 80건의 국내외 특허를 출원하였으며 개발한 기술의 활용연구도 적극적으로 추진하고 있으며, 고분자과학 및 나노과학 분야에서 세계 최고수준의 학자로서 평가받고 있다. 논문수준의 실질적 잣대라고 할 수 있는 피인용지수가 2,000여회에 이르고 있다는 사실은 이 교수 연구팀의 질적 연구수준을 단적으로 보여주고 있다.
현재 이문호 교수는 과학기술부와 한국과학재단이 지정하는 국가지정연구실(고분자 합성 및 물리 연구실)을 이끌며 고분자과학을 기반으로 하는 나노소재, 나노공정 및 나노평가기술 개발에 집중하고 있다.
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연락처
과학기술부 과학기술문화과 박노재 사무관 031-436-8614
