초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
o 수 나노미터에서 수 미터에 이르는 다양한 크기의 인공구조물로 구성된 극한물성시스템을 최적의 소재로 제작할 수 있는 3차원 대면적 멀티스케일 제조 원천기술 및 플랫폼 기술을 개발하는 것을 목표로하며 다음 5개의 핵심기술을 개발한다.
⋅30nm급 3D 나노임프린트공정 메타구조 홀로그램 적용기술(파장 대비 제조크기(≥ 200,000배))
⋅30nm급 금속복합소재 나노구조체 전사공정 편광자 적용기술 (파장대비 제조크기(≥ 200,000배))
⋅200mm 폭 이상 롤 NIL/NT기반 3D 가

□ 연구의 목적 및 내용
o 수 나노미터에서 수 미터에 이르는 다양한 크기의 인공구조물로 구성된 극한물성시스템을 최적의 소재로 제작할 수 있는 3차원 대면적 멀티스케일 제조 원천기술 및 플랫폼 기술을 개발하는 것을 목표로하며 다음 5개의 핵심기술을 개발한다.
⋅30nm급 3D 나노임프린트공정 메타구조 홀로그램 적용기술(파장 대비 제조크기(≥ 200,000배))
⋅30nm급 금속복합소재 나노구조체 전사공정 편광자 적용기술 (파장대비 제조크기(≥ 200,000배))
⋅200mm 폭 이상 롤 NIL/NT기반 3D 가시광 메타구조 제조 장비기술
⋅3D 메타구조체 직접가공공정 THz/IR/초음파 극한물성시스템 적용기술
⋅DNA 3D 나노마이크로 구조체 활용 바이오 기능성 물질 전달기술

□ 연구개발성과
o 나노마이크로 DNA 니들 패치 상용화 – 연구소기업 설립(「에이디엠 바이오사이언스㈜」설립 2018. 7. 17. (대표 윤석민))
- 주요내용:
￭ 나노마이크로 DNA 니들 패치기술은 3차원 나노패터닝기술로 미세 크기의 DNA 니들들을 형성하고 피부에 부착함으로써 통증없이 유효물질을 흡수시키는 기술임
￭ 나노마이크로 DNA 니들 패치를 피부에 부착 시 10분 이내에 피부내 수분에 의해 녹는 용해성 마이크로니들 기술로, 기존의 주사제 방식보다 안전하고 소비자 편의성을 대폭 증가시킬 수 있음
￭ DNA 자체가 세포재생에 관여하는 생리적 활성 물질이므로 피부 재생의 효과를 나타내는 최적의 경피약물전달 시스템이라고 할 수 있음
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 현재 시판되고 있는 마이크로니들의 기본소재는 생분해성 고분자 소재인 히알루론산(hyaluronic acid) 또는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)을 주로 사용하고 있지만, 나노마이크로 DNA 니들 패치는 DNA 소재를 사용함에 따라 인체 내 부작용을 최소화하면서도 동시에 체내 조직회복에 도움을 줄 수 있어 이중 장점을 가짐
￭ 나노마이크로 니들 DNA 패치 제조과정은 상온에서 이루어지고 어떠한 화학적 공정이 포함되지 않아서 니들에 포함시키고자 하는 성분의 변형 또는 손상 가능성이 거의 없음
* 논문, 특허실적 등
• 국내특허등록(1건) : 2017-171319
• 국내특허출원(1건) : 2016-0117332
• 해외특허출원(PCT 1건, 해외출원 6건 진행중) : PCT/KR2017/004084
• 학술지 게재 : Scientific Reports, 7, 9724 (2017), Drug-Delivery system based on salmon DNA nano- and micro-scale structures, one of the top 100 read papers, Nanoscale, 10, 13502 (2018), Microneedles integrated with a triboelectric nanogenerator: an electrically active drug delivery system
• 기술이전 : 연어핵산필름 제조공정 및 약물주입장치기술(기술실시계약명), 기술실시계약금(정액: 143,000,000원, 경상: 매출대비 5%), 징수금(33,000,000원), 연어핵산필름의 제조방법과 연어핵산필름을 이용한 약물주입장치, 핵산필름의 제조방법과 핵산필름을 이용한 약물주입장치(특허양도가치평가금액 : 98,000,000원

o 30 nm급 3D 메타구조 제작을 위한 나노임프린트공정/나노전사 대면 적화기술
- 주요내용:
￭ 나노임프린트공정을 기반으로 제조된 고분자 스탬프 상에 금속, 산화물과 같은 이종물질의 다층복합 박막을 증착하고 기판에 전사하는 나노전사공정을 개발. 30 nm급 3D 메타구조를 대면적, 저가로 제조하는 공정개발
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 메타구조를 구성하는 금속 뿐만 아니라 산화물 (SiO₂)과 같은 무기물을 실리콘 기판뿐만 아니라 glass 기판 상에도 전사공정을 통하여 나노스케일의 메타구조를 대면적으로 제작이 가능함
* 논문, 특허실적 등
• 국내특허출원(3건) : 2017-0059454, 2016-0165806, 2016-0165805
• 국내특허등록(1건) : 1729683
• 국외특허출원(2건) : 15198271.7(EPO), 201510965053.1(중국)
• 국외특허등록(1건) : 9638851(미국 특허등록), 243451/2015(일본 등록결정)
• 학술지 게재 : NANOSCALE, 9, 38, 2017 (front cover), NANOTECHNOLOGY , 29, 41, 2018, SCIENTIFIC REPORTS revision submitted
• 기술이전: 나노마이크로기반 회절광학소자 및 이의 형성방법(기술실시계약명), 기술실시계약금(정액: 33,000,000원, 경상: 매출대비 최대 3%), 징수금(33,000,000원)

o 가시광 메타구조체 제조용 3D 나노적층공정개발
- 주요내용:
￭ 3D 나노복합구조체적용 대면적 광촉매 필름 및 대면적 편광 컬러 필터제조용 나노웰딩/나노전사기반 나노적층공정개발
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 3D 나노구조체를 적용한 광촉매 필름은 월등한 광촉매효율은 물론, 유연한 대면적 박막으로 부착이 편리하고 공간 활용도가 높아 다양한 분야에 활용할 수 있음
￭ 3D나노복합구조체를 적용한 편광컬러필터는 편광각에 따라 다양한 컬러 조절가능하여 보안패턴 및 직사광 차단필름 등에 응용 가능
￭ 기존 컬러 편광자 제작 기술보다 금속 및 산화물 종류 선택의 자유도가 증가하였고 대면적으로 유연 기판 상에 제작 가능하며, 제작공정 및 비용이 간소화됨
￭ 컬러 편광자의 경우 구성 물질과 구조 및 선편광된 광원의 입사 각도에 따라 광학 투과율이 변하기 때문에 원하는 색상의 디자인이 가능하며 보안패턴에 적용 가능할 것으로 기대
￭ 금속의 종류에 따라 녹는점이 다른 특성을 이용하여, 나노임프린트 및 나노전사공정 기술 기반으로 나노 메쉬구조체를 제작
￭ 나노 메쉬구조체의 크기 및 구성물질의 선택이 용이함에 따라 컬러 필터 뿐만 아니라 투명 전극으로 활용 가능 할 것으로 기대
* 논문, 특허실적 등
• 국내특허출원(1건) : 2016-0046280, 2016-0047582
• 국내특허등록(1건) : 10-1827814
• 국외특허출원(2건) : PCT/KR2017/004082, 16/093,655
• 학술지 게재 : Small 1703102, 2017(front cover), Scientific Reports 7, 8915, 2017, ACS applied materials & interface (in submission)

o 디스플레이 소자 적용을 위한 비주기 구조체 설계 기술 및 극한물성 구조체적용 백색광 OLED 광추출기술
- 주요내용 :
￭ 주기 구조로 인한 회절 무늬 및 시야각 의존성 등을 해결하기 위한 비주기 구조 설계 기술 개발
￭ 간섭 길이를 정의하고 간섭 길이에 따라 나노구조체 배열의 비주기성을 조절할 수 있으며 이를 푸리어 변환을 통해 확인하고 FDTD를 통해 발광 패턴을 예측
￭ 비주기 나노구조체를 사용함으로써 발광 파장 및 시야각에 관계없이 고르게 추출 효율이 향상됨
￭ 굴절률 대비가 최대화된 나노구조체를 이용하여 OLED의 추출효율을 크게 향상시킬 뿐 아니라 모든 파장의 빛이 발광되는 백색광 OLED에서도 파장선택성 없이 고르게 추출 효율이 향상됨을 보임
￭ 적용된 나노구조체로 인한 다른 부작용, 즉 스펙트럼의 각도 의존성, 색좌표 변화, 전기적 특성 변화 같은 불리한 특성 변화를 배제하고 추출 효율 향상을 높여 일반 조명 등에 응용가능성을 높임
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 일반 유리기판에 제작한 백색광 OLED는 효율이 20% 내외인 것에 비해 비주기 진공나노구조체가 삽입된 소자는 44%의 절대발광효율을 보임
￭ 비주기 진공나노구조체가 적용된 백색광 OLED에 반구렌즈 부착시에는 1000cd/m²의 밝기에서 78%의 외부양자효율과 164 lm/W의 발광효율을 보임
￭ 이는 현재까지 보고된 OLED 중 (단색광 및 백색광, 광추출 장치 적용된 경우 포함) 최고의 효율을 기록함*
* 기타 최고 수준 효율:
- 54 %, 123.4 lm/W at 1000cd/m², Soochow University (China), Advanced Functional Materals, 24, 46, 2014
- 27.3%, 74.5 lm/W at 1000cd/m², Durham University (UK),Advanced Materials, 28, 5963, 2016
- 46%, 124 lm/W (Max), Institut fu¨r Angewandte Photophysik(Germany), Nature, 459, 234, 2009
* 논문, 특허실적 등
• 학술지 게재 : Advanced optical materials, 6(8), 2018

o 기계가공을 이용한 메타표면 제조기술
- 초음파 집속렌즈 메타구조체 제조용 금형 제작 및 렌즈 성형
- 주요내용:
￭ 초정밀 선삭기술을 활용한 초음파 (5MHz, 10MHz) 집속렌즈 메타구조체 제조용 금형 제작
￭ 제작된 금형을 이용한 초음파 집속렌즈 제작
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 대량생산에 최적화된 금형을 이용하여 초음파 집속렌즈 메타구조체 제조함으로써 실용화 가능성이 높음
￭ 우수한 표면 품질 획득
* 논문, 특허실적 등
• 학술지 게재 : Scientific Reports (2017) (세부 III-1 공동실적)

o 플라즈모닉 표면 분광특성 측정 및 휘어지는 고효율 포토다이오드개발
- 주요내용 :
￭ 플라즈모닉 표면을 이용한 극미세 양의 분광 특성 측정 향상 기술
￭ 0차원 양자점과 2차원 시트 물질로 이루어진 휘어지는 고 효율 포토다이오드 개발
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 형광체가 포함된 10 μL의 용액을 이용하여 10-7M의 R6G의 형광 특성을 측정함.
￭ 나노스케일을 포스트를 구조를 bull-eye 구조를 제작하여 표면장력으로 중앙부에 유체가 집중되도록 하여 측정시 surface plasmon에 의한 분광 스펙트럼의 크기신호를 증폭함
￭ 기존의 포토다이오드 및 포토트랜지스터와 같은 광 센서는 실리콘 및 III-V 족 화합물 반도체 기반 결정 박막 형태로 이루어져 있기 때문에 소자에 물리적인 힘이 가해졌을 때 휘어지지 않고 쪼개지는 특성을 가지고 있음.
￭ 저 차원 나노 물질로 (0, 1, 2 차원 나노 물질) 이루어진 소자의 경우, 휘어지고 자유롭게 형상을 변화 시킬 수 있기 때문에 3차원 결정에 비해 응용 가능한 범위가 상대적으로 넓음.
￭ 저 차원 나노 물질 중에서도 0차원 양자점과 2차원 시트 물질은 각각 수 나노미터 크기 및 두께를 가지고 있기 때문에 휘어지는 소자 응용에 더욱 적합함.
￭ 이러한 이유 때문에, 최근 0차원 양자점 혹은 2차원 시트 물질로 이루어진 소자 개발이 보고되고 있지만 기존의 0차원 양자점으로 이루어진 포토다이오드의 경우 양자효율은 높지만 캐리어 운송 과정에서 캐리어가 개별의 양자점을 뛰어 넘어야 하기 때문에 전기적 특성이 1, 2, 3차원 물질에 비해서 떨어지는 단점이 있는 반면 2차원 시트 물질로만 이루어진 광 센서의 경우 캐리어 운송 원리를 예측할 수 있고 제어가 가능하지만 0차원 양자점에 비해 양자효율이 상대적으로 낮다는 단점을 가지고 있음.
￭ 각 물질이 갖고 있는 장점을 유지하며 단점을 상호 보완하여 고효율 광 센서 상용화를 실현하기 위해서는 0차원 양자점과 2차원 시트 물질의 장점을 결합한 복합 구조 포토다이오드 개발이 요구됨.
￭ 유연기판 등에 전도성 패턴을 생성하기 위한 레이저 전사 시스템으로 액체금속 등의 전도성 물질을 도너와 억셉터를 이용한 방법으로 광전자소자의 효율을 향상 시키기 위한 시스템과 공정기술을 제안함
* 논문, 특허실적 등
• 국내특허출원 : 2017-0092075, 2018-0063573
• 국내특허등록 : 1801312, 1877452
• 학술지 게재 : ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 37201 (2017)

o THz/IR/초음파 대응 3D 메타구조체 직접가공기술
- 주요내용 :
￭ 적외선 파장대역에서는 특정 분자가 적외선에너지를 흡수하므로 흡수되는 파장정보로 어떤 분자인지를 확인할 수 있음. 하지만 기본적으로 단분자층의 아주 얇은 두께 때문에 적외선의 흡수량은 아주 적어 정확한 정보를 획득할 수 없음. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 적외선 메타표면 흡수구조를 적용하여 분자가 적외선을 흡수하는 것을 극대화하였음.
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 기존의 메타표면 적외선 흡수구조는 분자와 결합하는 센싱 영역이 작아 분자가 적외선 에너지를 흡수하는 것을 극대화 하지 못하여 분자의 적외선 흡수율이 1% 미만으로 센서의 성능이 제한되었음.
￭ 유전체 nanopedestal 구조를 메타표면 흡수구조에 적용하여 분자와 결합되는 센싱 영역을 증가 시켜 2.8 nm 두께의 단분자의 적외선 흡수율을 5% (세계 최고 수준) 이상 증가 시켰음.
* 논문, 특허실적 등
• 학술지 게재 : ACS Photonics, 5, 9, 3492-3498 (2018)

o 50nm급 나노입자 전사를 이용한 선택반사형 투명스크린 제작기술
- 주요내용 :
￭ 50nm급 나노입자 배치를 통해 RGB 특정파장대역의 파장만 강하게 반사하는 구조를 나노전사기술을 이용하여 제작함. 전체투과도와 특정파장대역 파장의 반사도를 동시에 향상시킬 수 있는 기술을 다양한 나노입자를 전사함으로써 확보함.
- 기존 기술대비 우수성(세계최고수준 성과와 비교)
￭ 단파장에서만 구현된 반사형 투명스크린에서 불가능하였던 여러 파장대에서의 동시구현이 가능한 기술을 확보.
￭ 가시광선대역에서의 평균 투과도와 특정 파장대역의 반사도를 동시에 높일 수 있고, 이를 정량적으로 높이는 방법을 대면적 나노전사 기술을 통해 최초로 제시함.
￭ 대면적화 용이성, 양산성 등에서 우수함.
* 논문, 특허실적 등
• 국내특허출원 : 국내특허출원 1건 준비중
• 학술지 게재 : SCI 논문 1건 준비중

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
￭ 의약품 백신/바이오의약품/기능성화장품 나노마이크로 DNA 니들패치 제품화
￭ 메타구조를 이용하여 구현하는 홀로그램 광학소자를 나노임프린트/나노전사공정을 이용하여 저가 제조할 수 있는 기술 확보
￭ 세계 홀로그램 시장은 2020년 416억 달러, 2025년 1162억 달러 규모로 점차 확대될 것임. 개발기술은 보안/인증 분야에 적용될 것으로 기대되며 스마트폰과 같은 디바이스에 응용가능
￭ 나노회절광학소자, 대면적 편광자, 대면적 홀로그램필름, 메타구조 기반 광학소자 등과 같은 어플리케이션을 저가, 대면적으로 제조 할 수 있는 장비에 응용가능
￭ 광촉매 필름, 컬러 편광자, 나노여과막 등에 요구되는 3D 금속 나노메시구조체를 저가 대면적으로 제작 할 수 있는 3D 나노전사 공정/장비기술 확보. 광촉매 시장은 2015년부터 12.6%의 연평균 성장률로 성장하여 2020년 29억불 규모에 이를 것으로 예측. 나노여과막 시장은 2014년부터 15.6%로 연평균 성장률로 성장하여 2019년 4.5억불 규모에 달할 것으로 예측
￭ 적용분야는 광촉매 박막, 컬러 편광자, 나노여과막 및 필름기반 3D 금속 나노메시구조체 제조 장비임
￭ 대량생산은 현재의 공정에서 더 확대하여 연속 저가로 제조할 수 있는 Roll-to-Roll 공정으로 가능하다는 것으로 기대됨
￭ 회절 무늬, 시야각 의존성 등을 해결함으로써 OLED 일반조명 적용 가능성을 높일 수 있을 것으로 예상됨
￭ Perovskite LED, Quantum dot LED 등 적층박막형 디스플레이 소자에 모두 적용이 가능하고 우수한 성능이 예상되므로 이에 대한 연구를 진행할 예정임
￭ 고가의 직가공 장비를 대체하여 마스터, 메타구조체 제작 비용 회기적 절감
￭ 초음파 집속 렌즈기술를 나노마이크로 DNA 니들 패치기반 약물 전달기술에 융합하여 상용화 추진
￭ 빛 에너지를 흡수하여 전기 신호를 만드는 포토다이오드의 경우, 나노미터 스케일의 얇은 두께와 휘어지는 특성이 적용된 소자를 구현한다면 피부나 섬유에 붙여서 사용할 수 있는 초 박막 태양전지, 바이오센서 응용으로도 확장 할 수 있을 것으로 전망
￭ 0차원 양자점과 2차원 시트 물질로 이루어진 광 센서는 넓은 스펙트럼 영역의 빛을 흡수 할 수 있기 때문에 차세대 대체 에너지원인 태양 광 에너지 응용에도 크게 기여할 수 있음
￭ 민감도가 아주 높은 바이오분자 및 가스 센서 개발 가능
￭ 반사형 투명디스플레이 패널 대면적 제조 및 실용화 추진

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 보고서 요약서 ... 2
• 요약문 ... 3
• 목차 ... 9
• 제1장. 연구개발과제의 개요 ... 10
• 1. 연구개발의 목적 ... 10
• 2. 연구개발의 필요성 ... 13
• 3. 연구개발 범위 ... 15
• 제2장. 연구 수행 내용 및 성과 ... 19
• 1. 연구수행 내용 및 결과 ... 19
• 2. 주요연구성과 ... 32
• 제3장. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 43
• 3-1. 목표 ... 43
• 3-2. 목표 달성 여부 ... 43
• 3-3. 목표 미 달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 46
• 3-4. 관련 분야 기여도 ... 46
• 제4장. 연구개발성과의 활용계획 등 ... 48
• 붙임. 참고 문헌 ... 52
• 끝페이지 ... 53