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Seoul National University
박 영준교수
서울대학교 전기공학부 및
NSI_NCRC, Seoul National University
www. nsi.snu.ac.kr
Where the nanoscience and nanotechnology become reality
사이클, 플럭스 그리고 나노과학기술
진대제 AMP 2013

강의 순서
-사이클(에너지, 물질, 정보) 플럭스
-원자, 분자, 반도체 그리고 나노
-나노과학기술

싸이클(자연의 법칙)
F = E –TS
- Free energy: 쓸 수 있는 에너지
-E: 닫힌 계에서는 전체 에너지는 불변
- S: 엔트로피 최대가 되도록 변화(Uni direction)
지구는 닫힌계가 아님
-태양의 에너지가 공급, F가 증가(생명의 출현)

Energy and Power(에너지 변환싸이클)
Power consumption(전력):
Energy:
전기학자 ; 1eV
화학자: 1 Calorie =4200 J =1.167 W-h
기계, 물리학자 :
1J= 0.000277778 W-h
(1kg을 1m 지구에서 끌어올리는데 필요한 에너지 =9.8J)
1 watt is approximately 3.41214 BTU/h;
4

Human( Life )
Number of Cells: 10 trillion and 100 trillion (10-100조)
Daily calorie consumption per day:1200 calories for women, and
1800 calories for men =2.1kW-h
~0.1kW
1 pW : average power consumption of a human cell
But your brain power =20W/1000cm**2
~2% of weight, consumes 20% of energy
0.4-4 nW :roughly 1010 chemical reactions per second
Pentium =100W /1cm**2
100W/1G ~ 100 nW
5

 10n Prefix
 1024 Yotta
 1021 Zetta
 1018 Exa
 1015 Peta
 1012 Tera
 109 Giga
 106 Mega
 103 Kilo
 102 Hector
 101 Deca, Deka
 100 (none)
• 10−24 Yocto
• 10−21 Zepto
• 10−18 Atto
• 10−15 Femto
• 10−12 Pico
• 10−9 Nano
• 10−6 Micro
• 10−3 Milli
• 10−2 Centi
• 10−1 Deci
• 10−0 (none)
6
10진법의 접두사들
- Magic number 3 vs. 4( 그리고 효율 0.33333)

Energy and Power
태양에서 지구로 오는 에너지: 180,000T W
인간이 사용하는 에너지 (15 TW)
인간의 몸이 사용하는 에너지(0.7TW)
한국의 발전~0.1TW
7
X(1/10000)
X(1/20)
X(1/10)
Human is Energy Amplifier x20

동물과 식물 사이클(물질)
60 GaJ hectare/1 year (600 kJ m)=> 540% energy return
8
(CH2O)
n
CO2
에너지
Fast process
Slow
process

싸이클의 속도를 결정하는 것: 플럭스
- 변환이 얼마나 빨리 일어나는가? : 플럭스에 의해서 결정
-화학, 생명은 : 효소(Enzyme), Catalyst
-정보는 : MOSFET Transistor의 게이트 전압

정보 싸이클
1년에 싸이클 시키는 정보량
• 5 Exabytes (billion gigabytes) to 2000AD + 487 Exabytes 2000-2009AD
+ 2500 Exabytes/yr by 2012
Cycle of the big data is the challenge of the IT industry in 10 years

강의 순서
-사이클
- 원자, 분자, 고체 그리고 나노
-나노과학기술

탄소와 실리콘은 다 같이 가전자 4개
-둘 다 외곽 전자를 4개씩.. 같은 성질의 물질
- 외곽 전자가 아교 역할

탄소는 생명을 실리콘은 정보화를 구현
탄소는 다이아 몬드를 실리콘은 실리콘 웨이퍼를
-실리콘은 단단한 구조, 그리고 전자, 홀로 정보화 사회를 건설
-Carbon은 실리콘 보다 ‘다양한 ‘ 구조를 가진다.
=> 다양한 성질, 생명의 출현(H, N, O, P등과 결합)

반도체는 구조는 실리콘, 기능은 전자/홀
Energy

Seoul National University 15Seoul National University
-친화도: 전자를 좋아하는 정도(혹은 에너지가 낮은 정도)
(H2 와 O: O는 대표적으로 전자를 좋아하는 원자)
-한가지 물질이면 동적(H2, O)
-두 가지 다른 물질이 만나면 동적인 세계(H2, O)를 만듬
동적인 세계: 전자가 물질 사이를 움직임

Recent work from Richard SayKally's laboratory show
s that the hydrogen bonds in liquid water break and r
e-form so rapidly (often in distorted configurations) t
hat the liquid can be regarded as a continuous netw
ork of hydrogen-bonded molecules
물: 산소와 수소의 결합
-
+

물의 다이나미즘은 결국은 수소/산소의 전자 비대칭

금속과 물의 만남: 산화 , 환원
Au
AlZn
Ag
Fe
Workfunction(에너지)
More anodic
Pb
Cu
More cathodic
산화

Cu+
ZnCu
금속과 물의 만남: 산화 , 환원 그리고 배터리의 시작
Cu Zn
Mesophase carbon
microbeads (MCMB)

60년 전 처음으로 ‘홀’을 이해

-도핑을 해서, 전자의 친화도를 다르게 만든다.
N region P region
N형은 전자를 많이, P형은 홀을 많이

Seoul National University 22
-PN diode
N region P region
다른 두 물질(P, N)을 이용, 전자친화도 다르게

Solar Cell and LED
Efficiency
=Light observed
* # of e h pairs
* e h to electrodes safely
Efficiency
=e h from electrodes
* # of e h pairs
recombined
* light safely out

강의 순서
-사이클
- 원자, 분자, 고체 그리고 나노
-나노과학기술과 바이오

Red blood cells
(~7-8 mm)
Head of a pin
1-2 mm
Human hair
~ 60-120 mm wide
Ant
~ 5 mm
Dust mite
200 mm
~10 nm diameter
Nanotube electrode
Carbon nanotube
~1.3 nm diameter
Microworld
0.1 nm
1 nanometer (nm)
0.01 mm
10 nm
0.1 mm
100 nm
1 micrometer (mm)
0.01 mm
10 mm
0.1 mm
100 mm
1 millimeter
(mm)
1 cm
10 mm
10-2
m
10-3
m
10-4
m
10-5
m
10-6
m
10-7
m
10-8
m
10-9
m
10-10
m
Visible
Nanoworld 1,000 nanometers =
InfraredUltravioletMicrowaveSoftx-ray
1,000,000 nanometers =
Zone plate x-ray “lens”
Outer ring spacing ~35 nm
MicroElectroMechanica
l (MEMS) devices
10 -100 mm wide
Red blood
cells
Pollen grain
Carbon
buckyball
~1 nm
diameter
DNA
~2-1/2 nm diameter
Modified from Source: DOE, USA
Top
Down
Bottom
up
25
자연은 탄소를 이용; m 부터 nano까지를 구현

CELL은 C를 이용해서 자연이 만든 마이크로 세계

생명의 기원은 Junction를 만든 자연의 기술

Central Dogma

-세포막에는 Antenna와 Radar가 달려있다.
- Receptor라고 불리는 (주로 단백질) 안테나가 외부 분자를 인식
Molecular Antenna

DNA ( Deoxyribonucleic acid)
Rosalind Franklin
(25 July 1920 – 16 April 1958) was a British
biophysicist

DNA는 구조와 기능

Seoul National University 32
생명의 신비: 수소 결합(Hydrogen bonding)
A hydrogen bond is the electromagnetic attractive interaction between polar molecules in
which hydrogen (H) is bound to a highly electronegative atom, such as nitrogen (N), oxygen
(O) or fluorine (F). The name hydrogen bond is something of a misnomer, as it should not be
confused with a covalent bond. It is not a true bond but a particularly strong dipole-dipole
force.(Wikipedia)

아미노산을 어떻게 결합하는가에 따라서, 단백질이 만들어진다
Protein(단백질)은 싸이클 제어기

단백질은 신호 전달 마법사
The α-Subunit of the Stimulatory G-Protein (Gs) Activates Adenylate
Cyclase
Neurotransmitter,Response,Sleep,Pain/Addiction,Reward

단백질은 신호 전달 마법사
Adenylate Cyclase가 G-Protein Subunits에서 온 신호를 이용해서
흥분, 제어 물질을 변환함
Cyclase
β α

자연이 만드는
나노 구조
단백질은 나노구조물 만들기 마법사

단백질은 나노 구조 마법사

사람이 만드는 구조물:CNT(탄소 나노튜브)와 그래핀
CNT(탄소 나노튜브) 그래핀

나노 파티클/나노와이어/나노 필름/나노 구조체
현택환교수, 서울대

새로운 바이오 반도체 플래트 폼(박영준교수)
-반도체 칩위에 쉽게 바이오 센서 플래트 폼을 형성
- 바이오 시그날을 IT 인프라로 쉽게=> 새로운 지평

Wafer
Suspension Solution :
1,2-Dichlorobenzene
Stage
■ Wafer Level Dip Coating
Dip
Coater
ELP for ‘Self Aligned Contact’

새로운 바이오 반도체 플래트 폼(박영준교수)
-바이오 분자 개발자, 장비 개발자 , 연구자에게 제공하는 비즈니스
플래트 폼

자연이 만드는 나노 구조
를 모사하거나
인간이 만든 나노구조와
융합해서
인간의 경제, 리스크 프리, 새로운
세계를 만드는 원동력
나노 과학 기술의 비전
-힌트: 컴퓨터 => 인터넷=>게임=> 모빌리티
-힌트: 증기기관 => 철도 => 유통
- CO2 싸이클

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