▲부산대 오진우 교수. (사진제공=부산대)

특히 이 기술은 수백 단계의 공정이 필요한 기존 방법과 달리 단일 공정으로도 컬러 픽셀 제작이 가능할 뿐만 아니라, 바이오 물질을 활용한 생체친화형으로서 차세대 전자소자 시장에 큰 변화를 예고하고 있다.

오진우 교수는 부산대 김종만(나노에너지공학과)·김규정(광메카트로닉스공학과) 교수와 함께 수행한 연구에서 마이크로히터 기판 위에 섬유상 바이러스의 일종인 'M13 박테리오파지(Bacteriophage)'를 이용해 다양한 색상을 구현하는 신개념 컬러 픽셀 기술을 개발하고, 관련 연구결과를 지난 4일 세계적인 학술지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'에 게재했다.

이번 연구는 융합원천기술 개발을 통해 미래 새로운 시장을 개척하고자 미래창조과학부가 지원하는 미래유망융합기술파이오니어사업(단장 진성호․부산대 화학교육과 교수)의 일환으로 수행됐다.

칠면조의 화려한 색은 피부 내 색소(色素)가 작용한 것이 아니라, 피부 조직에 있는 '콜라겐'이라는 단백질이 특정 나노구조를 가지면서 상황에 따라 다른 피부색을 만들어내는 것이다. 콜라겐은 나노크기의 섬유 구조들이 무작위로 쌓인 모습으로 가시광선의 특정 파장의 빛만 반사하고 나머지는 통과시킴으로써 색을 다르게 보이도록 한다.

이 점에 착안한 연구팀은 적절한 물리적·화학적 조건이 주어지면 자기조립(self-assembly)에 의해 콜라겐과 같은 주기적인 구조를 형성하는 특성을 가진 'M13 박테리오파지'를 이용해 컬러 픽셀을 만들었다.

▲화살표 왼쪽은 마이크로히터 위에 만들어진 바이러스 'M13 박테리오파지'의 정렬된 모습을 이미지화한 것이며, 화살표 오른쪽으로는 실제 마이크로히터를 연구자가 손으로 들어 보이는 모습과 1V의 전압을 주었을 때 기판 위의 바이러스(M13 박테리오파지) 나노구조체가 작용해 색이 붉은색에서 노란색으로 변하는 모습을 비교한 그림.

M13 박테리오파지는 넓이 6.6nm(나노미터·10억분의 1m), 길이 1㎛(마이크로미터‧100만분의 1m) 정도로 실모양의 길쭉한 형태를 가지고 있어 자기 조립 시 정렬이 잘 되며, 적절한 자기 조립이 이뤄질 경우 가시광선대의 빛 중 특정 영역의 빛만을 산란시켜 색을 띄게 한다.

M13 박테리오파지 구조체는 습기나 기체상 유기용매에 노출시켜 나노구조를 팽창시킴으로써 산란되는 색의 변화를 유도한다. 이 특성을 이용하면 M13 박테리오파지의 나노구조를 조정해 다양한 색을 표현할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

연구팀은 M13 박테리오파지 구조체를 전압에 의해 열을 발생시키는 마이크로히터 기판 위에 만들었다. 마이크로히터에 전압이 흐르면 열이 발생하고, 전압의 양(열의 크기)에 따라 그 위에 형성돼 있던 바이러스 구조체의 수분이 증발해 색이 각각 다르게 변한다(습기에 따른 나노구조 변화가 산란되는 색의 변화를 유도하는 성질을 이용).

이 기판을 디스플레이에 장착하고 부위별로 전압의 양을 다르게 해주면 바이러스(M13 박테리오파지) 구조체가 반응해 각 부위별로 원하는 색상이 구현됨으로써 컬러 화면이 나타나는 방식이다.

오 교수는 “수백 단계의 식각(息角·깎기)과 증착(蒸着·덮기) 공정을 거쳐야 완성되는 기존의 컬러 픽셀과 달리 이번에 개발된 컬러 픽셀은 단일 공정만으로도 충분히 제조가 가능해 비용 면에서 큰 장점이 있다”며 “또한 무기물보다 생체친화적인 바이오물질로 이루어진 전자소자로서 향후 인체에 장착·삽입해 활용할 수 있는 방안을 계속 연구해나갈 계획”이라고 말했다.

(CNB=최원석 기자)