[기술뉴스] 치료 및 진단을 위한 나노실버

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탄소나노튜브를 이용한 3차원 박막 구조

미국 미네소타 대학(University of Minnesota)의 Tianhong Cui가 이끄는 연구진은 리소그래피와 호환 가능한 적층식 나노 자기 조립을 이 용해서 탄소나노튜브로 2차원 마이크로나노패턴과 3차원 박막 구조를 만들었다. 연구진은 “상향식” 방식을 나노튜브에 적용시켜서 IC 제조 기 술에 사용했고, 마이크로-빔을 제조하는 프로세스를 추가함으로써 마 이크로/나노크기 시스템이 액추에이터를 위한 기본 구조로 사용될 수 있 다는 것을 증명했다.

이번 연구진은 장치의 단계별 특성을 평가함으로써 제조 과정에서 발 생할 수 있는 문제들을 조사했다. 이번 연구진은 박막이 형성될 때 줄무 늬 박막 패턴의 전기 저항이 감소된다는 것을 관찰했다. 더 중요한 사실 은 나노 압입 기술(nanoindentation technique)을 사용해서 관찰한 결 과, 굴곡 탄성률(flexural Young’s modulus)이 500∼800 GPa이라는 것이다. 딱딱한 탄소나노튜브 박막의 마이크로패턴과 매달려 있는 빔 구 조는 새로운 물리 센서, 나노전자기계적 스위치(nanoelectromechanical switch), 기타 M/NEMS 장치 등의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이 다. 음전하로 대전된 단일벽 탄소나노튜브는 양전하로 대전된 PDDA (polydiallyldimethylammonium chloride)로 조립되고 박막은 포토레 지스트의 마스크 층(masking layer)을 이용해서 산소 플라즈마 에칭에 의한 패턴이 형성되었는데, 이것은 2 μm의 최소 배선폭(feature size)을 만들었다. 또한 두 개의 끝단 위에 금속 클램프(metal clamp)를 가진 단일벽 탄소나노튜브 나노복합물 줄무늬 패턴은 플루오르화 수소산 기 체로 실리콘 이산화물의 희생 층을 에칭함으로써 만들어졌다. I-V 측 정으로 단일벽 탄소나노튜브 나노복합물의 저항이 23%까지 감소되었 다는 것을 밝혔다.

연구진은 이 물질이 나노스위치의 다리와 같은 구조에 사용될 수 있다 는 것을 증명했는데, 이것은 이 물질이 가진 뛰어난 기계적 강도와 전기 전도성 때문에 가능했다. 연구진은 리소그래피와 호환 가능한 적층식 나 노 자기조립 프로세스에 대해서 상세하게 조사했고 박막 트랜지스터와 생체 센서에 이 물질을 적용시키는 연구를 수행했다. 이 연구는 미국 미 네소타 대학의 연구진에 의해서 수행되었고, 이 연구의 목적은 MEMS/

NEMS를 위한 새로운 물질과 저렴한 마이크로/나노제조 방법을 연구 하고 기본적인 전기 및 기계적 원리를 조사하는 것이다. 또한 마이크로/

나노시스템의 성능을 효과적으로 향상시키는데 나노기술을 활용하는 것 이다.

그림 1. 2차원 마이크로 패턴과 3차원 박막 구조.

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Nanotechnology, DOI: 10.1088/0957-4484/22/16/165601>

치료 및 진단을 위한 나노실버

요즘은 일상의 생활에 나노기술을 제외하고는 상상을 할 수 없는 시대 이다. 또한 나노기술은 의료기술의 치료 및 진단 모두에서도 항상 사용 되고 있다. 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)의 연구팀은 학제간 연구를 통해 은 나노입자를 이러한 목적으로 개발하였으며, 이 분야에 추가적인 잠재성을 제공해 주고 있다.

매우 작은 은으로 만들어진 나노입자는, 특히 의료기술에의 응용에 유 망한 물질로 특별한 광학적 성질을 가지고 있다. 유일한 문제점은, 나노 실버가 세포에 독성을 갖는 은 이온을 방출한다는 점이다. ETH Zurich 의 Sotiris Pratsinis(Particle Technology Laboratory of the Institute of Process Engineering 소속)가 이끄는 과학자들은 독성 이온의 방 출을 억제하면서 광학적 성질, 즉 플라즈모닉(plasmonic) 특성을 그대 로 유지하는 은 입자를 개발하는데 성공하였다. 이것은 플라즈모닉 센서 를 활용하여 치료목적으로 병원체를 규명하기 위해 의료용으로 사용될 수 있음을 의미한다.

<세포를 보호하는 이산화규소층>

독성 문제를 우회하기 위해, 과학자들은 특별한 공정을 사용하여 나노 입자를 2 nm 두께의 이산화규소(silicon dioxide) 층으로 코팅하였다.

Pratsinis의 지도하에 준비한 박사 논문에서, Georgios Sotiriou는 처리 되지 않은 은 나노입자, 부분적으로 처리된 나노입자 그리고 완전히 코팅 된 나노입자의 영향을 일련의 실험을 통해 비교하였다. 완전히 코팅된 입자의 경우, 투명한 쉘(shell)은 이들 바이오센서의 특별한 광학적 성질 에 영향을 미치지 않는다. 그리고 은 이온이 이 쉘을 통과할 수 없기 때문 에 세포에 유해하지도 않다. 이를 보여주기 위해 과학자들은 ETH Zurich 바이오시스템공학과 교수인 Sven Panke와 함께 팀을 이뤄 대장균 박테 리아와 혼합하였으며, 박테리아는 어떤 손상도 받지 않고 번식을 지속하 였다.

<양자효과(quantum effect)의 사용>

이 특별한 플라즈모닉 성질은 은 나노입자 내 전자의 양자효과로부터 기인한다: 빛은 플라즈모닉 센서의 표면에서 전자와 상호작용을 하여 전 자들의 진동을 일으킨다. 따라서 유입되는 빛은 상당부분 흡수되고 산란 된다. 그러므로 플라즈모닉 센서는 암시야 조명(dark-field illumination) 에서 빛을 발한다. 결과적으로, 예를 들어 바이러스, 박테리아 혹은 암세 포를 검출하는데 사용될 수 있기도 하고, 인체의 특정한 목표점에 도달 하기 위해 센서를 이용해 약품을 운송하는 데에도 사용할 수 있다.

항체를 보유한 입자는 미리 결정된 생체분자에 부착될 수 있다. 게다 가 ETH Zurich 산하 의공학연구소(Institute for Biomedical Engi- neering)의 Janos Voros와 협력하여, 소위 비표지형 센서(label-free sensor)로써의 가능성도 확인할 수 있었다. 즉, 혈류 내 어떤 단백질 분 자가 분자와 센서 표면 사이의 물리적 흡착을 통해 센서에 부착됨으로 써 검출되는 것을 의미한다. 이것은 모델 단백질 분자로써 소혈청 알부 민(bovine serum albumin)을 사용한 실험에서 밝혀졌다. 센서에 부착 된 단백질 분자는 플라즈모닉 센서의 굴절률의 국소적인 변화를 일으키 게 된다. 용액의 높아진 굴절률(refractive index)은 더 긴 파장의 빛을 센서가 흡수하도록 해 준다. 따라서 이런 원리를 통해 생체분자를 가시 화할 수 있어서 손쉽게 검출하는 것이 가능해진다. 그러나 개발된 은 나

기술뉴스

고분자과학과 기술 제 22 권 3 호 2011년 6월 277

는 혈청 현탁액(serum suspension)에서 안정하기 때문에 실험을 방해 할 수 있는 물질의 투입 필요성도 없어진다.

<가능해진 유도능력>

최근 Chemistry of Materials지에 게재된 후속연구 결과에서, Pratsinis의 연구팀은 산화규소로 코팅된 은 나노입자의 기능성이 어떻 게 더 증진될 수 있는지를 보여주고 있다. ETH Zurich 산하 지구물리 연구소(Institute of Geophysics)의 Ann Hirt 교수와 공동연구를 통해, 연구팀은 산화철(iron oxide)과 은 입자를 함께 코팅함으로써 바이오센 서에 자기성질을 부여하였다.

이런 다기능성 입자는 특별한 세포(예를 들면 HeLa 세포와 같은 암세 포)에 부착할 수 있어서 감지가 가능하다. 또한 입자의 자기적 성질은, 입 자를 특정 위치로 유도할 수 있음을 의미하는 것이다. 나노실버 입자는 암세포에 단단히 부착하게 하여, 고에너지 자기장 혹은 적외선의 열을 사용하여 국소적으로 암세포를 제거할 수도 있다. 이번 발견은 종양의 비침습적 파괴를 위한 매우 흥미로운 대체방법이라고 강조하고 있다.

그림 2. 나노두께의 얇은 실리카 쉘로 코팅된 비독성 나노실버 입자.

<http://www.nanowerk.com/news/newsid=21324.php>

OLED의 성능을 향상시키는 탄소나노튜브

미국 플로리다 대학(University of Florida)의 연구진은 유기 에미터 (emitter)의 어레이를 형성시키는 기술을 사용해서 광발광 트랜지스터로 부터 디스플레이 픽셀을 만들었다. 매우 얇은 탄소나노튜브는 유기 광- 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED)를 기반으로 하는 텔레비전 스크린의 성능과 크기에 큰 영향을 끼칠 수 있다. 이번 연구진은 나노튜브와 광 발광 유기 물질을 결합시켜서 트랜지스터에 적색, 녹색, 청색 픽셀을 만들었다. OLED를 기반으로 하는 디스플레이는 높은 픽셀 밝기, 광시야각, 매우 높은 명암 대조비, 빠른 응답 시간, 낮은 전원 소모 등을 제공하기 때문에 상업적으로 매우 유망하다는 것이 증명되었다. 그 러나 디스플레이 크기가 제한적이기 때문에, LG와 소니 등에 의해서 제 조된 오늘날의 OLED TV는 단지 11-15 인치의 스크린을 가진다.

디스플레이의 OLED 픽셀로부터 광 발광을 구동시키기 위해서는 높 은 구동 전류를 제공하는 다결정 실리콘 트랜지스터가 필요한데, 이번 기 술은 이 트랜지스터를 대체할 수 있다. 이런 실리콘 트랜지스터는 전기적 인 큰 변화로 인해서 몇 가지 문제가 발생하고 더 큰 스크린에 배치시키 기가 적합하지 않다고 이번 연구진은 말했다. 이것은 상업적 산출량에 영 향을 끼친다. 심지어 3인치 휴대용 디스플레이의 경우에도, 조립 라인의

수율은 약 70%이다. 이것은 그들의 낮은 전자 이동도 때문에 액정 디스 플레이의 픽셀을 제어하는 무정형 실리콘 트랜지스터는 더 이상 사용할 수 없다는 것을 보여준다. OLED가 구동되도록 트랜지스터에 충분한 전 류를 제공하기 위해서는 구동 전압이 매우 높은 전원 소모를 이끌면서 높 아져야 한다. 무정형 실리콘 트랜지스터는 이런 방식으로 구동될 때 허 용할 수 없을 정도로 높은 수준의 불안정성을 가지는데, 이것은 디스플레 이에 적용하기가 적합하지 않다. TV 스크린의 디스플레이 밝기에 상당 하는 500 cd/m²의 디스플레이 밝기에서, 녹색 픽셀의 트랜지스터 요 소는 총 전원 소모가 단지 6%이었다. OLED를 만들기 위해서 동일한 유기 물질을 사용한 다른 디스플레이는 트랜지스터 영역에서 이번 연 구진의 개발한 것보다 반 이상 더 많은 전원을 소모했다.

이번 연구진은 탄소 나노튜브가 수직 전계효과 트랜지스터로 제조될 수 있다는 것을 보여주었다. 이것은 트랜지스터 게이트를 만드는데 사 용되는 인듐 주석 산화물로 코팅된 유기 기판 위에서 조립되었다. 플루 오르화 리튬(lithium fluoride)과 알루미윰 합금은 OLED속에 전자를 주입하는 드레인 접촉을 형성한다. 홀(hole)로 알려진 양전하 캐리어 는 단일벽 탄소나노튜브에서 제공되고 이런 두 종류의 전하 캐리어가 유기 층에서 동시에 나왔을 때, 그들은 광을 생성하기 위해서 상호작용한 다. 새로운 장치는 “접촉 장벽(contact barrier)”을 가지고 있는데, 이것 은 나노튜브와 매우 높은 전도성을 가진 유기층사이에서 형성된다. 게이 트 전압을 조절함으로써 접촉 장벽이 변화되는데, 이것은 홀의 이동과 OLED가 광을 방출할 때를 결정한다.

연구진에 의해서 만들어진 적색, 녹색, 청색 픽셀은 싱글-디짓 (single-digit) 전압에 의해서 구동될 때 500 cd/m²의 값을 생성한다.

트랜지스터를 구동하는 적색 및 청색 픽셀은 녹색 픽셀을 구동할 때 소모되는 전원에 비해서 더 많은 전원이 소모된다. 즉, 적색과 청색 픽셀 은 각각 총 전원의 19%와 15%를 소모한다. 이번 연구진에 의해서 만들 어진 픽셀은 구동되지 않을 때 거의 전원을 소모하지 않는다. 연구진은 모든 픽셀이 “오프” 상태이라면 50 인치 스크린에서 단지 67 mW의 전 원을 소모한다는 것을 계산을 통해서 알 수 있었다. 다른 것과 비교해 보 면, 동일한 크기의 LCD 디스플레이는 픽셀이 “온” 또는 “오프” 일지라도 100∼200 W의 전원을 소모한다.

그림 3. 청색 OLED가 발광하는 것을 도와주는 나노튜브 기반의 트랜지스터.

<Science, DOI: 10.1126/science.1203052>

나노 백팩을 이용한 약물 전달 시스템

대식세포는 여러 기관과 조직에 넓게 분포되어 있는 백혈구 등을 가리 킨다. 이러한 세포는 질병 요인과 세포 부스러기를 청소하여 유기체를 건 강하게 유지시키는 데에 필수적인 역할을 수행한다. 대식세포가 대부분 의 병적인 상태에서 필수불가결한 역할을 하기 때문에 이러한 세포는 치 료적 이용에 이상적인 목표 값으로 표시된다.