카이스트, 세계최소 '인조 곤충눈' 개발성공

▲ 잠자리의 겹눈 구조

곤충 및 갑각류 등의 눈은 포유류의 눈과는 달리 수백에서 수만개의 홑눈이 모여 생긴 겹눈 구조를 갖고 있다. 각각의 홑눈은 투명한 볼록렌즈로서 빛을 모아 명암, 색깔과 같은 빛 정보를 뇌에 전해 주며 뇌에서 전달된 정보를 재조합하여 사물을 감지한다. 

각 홑눈은 육방밀집구조로 서로 빈틈없이 배열되어 돔 형태의 겹눈 표면을 메우고 있다. 파리와 잠자리의 눈이 그 예다.

스스로 조립되는 나노입자로 인조 곤충눈 제조에 성공

KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 양승만 교수가 이끄는 광자유체집적소자 창의연구단은 최근 초소형 인조겹눈구조를 실용적으로 제조할 수 있는 방법을 개발했다. 

다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조해서, 이들 입자들이 스스로 조립되는 자기조립 원리를 규명한 것이다. 인조 곤충눈은 실제 곤충눈 크기의 수백분의 일에 불과하다. 이 연구결과는 최근 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 10월호에 표지논문(cover paper)으로 게재되었으며, 특별히 주목해야할 논문(Advances in Advance)으로도 선정됐다. 

특히 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지는 10월호에서 양 교수팀 연구의 중요성과 응용성에 주목했다. '미세패턴기술-광자돔(Micropatterning–Photonic domes)'이라는 제목으로 '뉴스와 논평(News & Views)'란의 하이라이트로 선정하여 비중있게 게재한 것이다.

 

▲ 양 교수의 연구가 소개된 네이처 포토닉스지의 하이라이트 코너

   

물-유리구슬-기름방울의 혼합물로 돔 모양 만들어

곤충눈, 오팔, 나비날개 등은 자연계에 존재하는 구조 중 빛정보를 처리할 수 있는 구조다. 지난 20여 년 동안 수많은 과학자들이 이를 인공적으로 제조하기 위한 연구를 시도했지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다.

양승만 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부의 ‘창의적 연구진흥 사업’ 지원을 받아 연구를 수행해오다 마침내 초소형 인조곤충눈 구조를 실용적으로 제조할 수 있는 기술을 확보한 것이다.

  

▲ 나노조립기술로 만든 곤충 눈 구조의 전자현미경 사진

양 교수팀의 이번 연구에서는 초소형이면서 균일한 크기와 모양을 갖는 인조곤충눈 구조를 성공적으로 제조하여 규칙적으로 배열하였다. 특히 주목할 것은 제조공정이 손쉽고 빠른 나노구슬의 자기조립 원리와 함께 크기가 수십 마이크로미터인 균일한 기름방울을 이용했다는 점이다.

우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬을 물속에 분산시킨다. 각 구슬은 이후 낱눈렌즈의 역할을 하게 된다. 수십 마이크로미터 크기의 균일한 기름방울을 주입한 후 물-기름-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면, 유리구슬이 물과 기름방울 사이의 경계면으로 이동하게 된다.

그 후 물-유리-기름방울의 혼합물을 기판 위에 뿌리면, 기름방울이 반구의 돔 모양으로 변형된다. 동시에 유리구슬 렌즈는 기름방울 표면 위에 저절로 촘촘히 모여 육방밀집구조로 배열된다. 이때 자외선을 기름방울에 쪼여 고형화시키면, 종래 수십 시간이 소요되던 인조곤충눈 조립공정을 불과 수분 만에 완성할 수 있다. 

물질 감지소자로 활용되어 다양한 분야에 쓰일 터

▲ 연구책임자 KAIST 양승만 교수

수천 개의 미세렌즈가 장착된 돔 모양의 초소형 인조곤충눈은 인간의 눈에 비해 시야각이 넓다. 또한 빛을 모으는 능력도 매우 높아서 환경의 미세한 변화를 감지할 수 있다. 앞으로 극미량의 물질을 인식할 수 있는 초고감도 감지소자로서 다양한 분야에 응용될 수 있다. 

특히 신약개발 등 바이오 산업의 실용화에 사용되고 있는 랩온어칩(Lab on a Chip)에 초소형 인조곤충눈을 도입할 경우, 높은 정밀도를 갖는 물질 감지소자로 활용될 수 있다. 랩온어칩은 극미량의 시료를 처리할 수 있는 반도체칩 규모의 실험실이다.

현재 세계적인 연구그룹들이 인조곤충눈 구조를 활발히 개발 중이며, 최근에는 수밀리미터 크기의 인조곤충눈이 보고된 바 있다. 그러나 양 교수 팀은 이보다 훨씬 작은 초소형 인조 곤충눈 구조를 자기조립법으로 만들었다. 양 교수의 연구는 이 분야의 최초 사례로서, 앞으로 국제경쟁에서 우위를 확보하는 데 있어 핵심적인 역할을 담당할 것으로 평가된다.

 한국과학창의재단  사이언스타임즈