고분자 과학과 기술 제 22 권 6 호 2011년 12월 585 생체모사학(biomimetics)은 자연에 존재하는 생체물질의 독특한 형
상 및 내부구조를 인위적으로 모방하여 생체물질이 지닌 다양한 기능성 을 모사하고자 하는 것으로, 최근 이에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
최근 급격히 발전한 나노과학과 이에 기반한 새로운 분석방법을 토대로, 생체 시스템을 나노미터 수준에서 이해하고, 이를 모사하려는 접근은 기존 상상력의 틀을 벗어나 나노바이오 및 에너지, 환경 분야의 연구에 새로운 가능성을 제시하고 있다. 예를 들면, 연꽃잎은 마이크로 및 나노미터의 계 층적 표면 거칠기를 통해 초소수성 및 자정작용(self-cleaning)을 보이 며, 전복껍질 진주층은 탄산칼슘 무기물질 층과 단백질 유기 박막층이 나 노미터 수준에서 교대로 적층된 구조를 이루어 그 균열 저항성이 단순 무기 물 대비 3000배 이상 높아짐이 알려져 있다(그림 1). 현재 전세계의 많은 연구자들은 생물체 내의 유기/무기 조합체(hybrid) 및 계층적 구조를 밝혀 내는 단계에서 나아가, 계층적 구조와 독특한 기능 간의 상관관계를 이해하 고 그 생성 기작으로부터 신물질의 단서를 얻기 위해 노력하고 있다. 나노입 자, 그래핀, 콜라겐 및 양친성 물질 미셀 등 기능성 물질 간의 조합화(hy- bridization)를 통해 기존의 기술과 접근법으로는 불가능했던 혁신적인 구 조 및 새로운 조합체 소재를 개발함으로써 인류가 당면한 문제점인 생명공 학 및 에너지, 환경 문제 등을 해결하는 돌파구를 제시할 것으로 기대된다.
그림 1. 생체구조를 모사하여 구현한 지능형 유도조합체 창의연구단의 계층적 구조에 대한 예시.
본 연구단은 2010년 교육과학기술부에서 지정한 창의적 연구사업의 일환으로 연구를 수행 중에 있다. 자연이나 생체의 다양한 기능 및 특성 에 대한 재료화학적인 이해를 기반으로, 본 연구단은 다양한 기능성 물 질을 체계적으로 조합(hybridization)하고, 이를 원하는 형태로 유도조립 (directed assembly)하여, 최종적으로 계층적인 구조(hierarchical structure)를 지닌 지능형 유도조합체(intelligent hybrids)를 구현하고 자 하며, 이를 바이오 메디컬 및 에너지/환경 분야에 적용할 수 있는 능 동적, 다기능의 지능형 유도조합체 시스템을 제시하고자 한다.
본 창의연구단이 수행중인 연구를 세 가지의 기초개념을 바탕으로 아 래에 요약하였다.
1. 유기/무기 기능성 소재의 조합화
나노입자는 작은 크기에서 비롯되는 독특한 광학적, 기계적, 전기적 특 성으로 인해 신개념의 유도조합체를 구현함에 있어 핵심 구성요소의 하 나로 주목받고 있다. 따라서 본 연구단은 0차원의 양자점(quantum dot), 1차원의 나노막대(nanorod), 3차원의 사지상형(tetrapods) 등 다양한 형태와 크기의 무기 나노입자를 합성하고 있으며(그림 2(a)), 이들 나노
그림 2. (a)나노물질의 합성, (b)유기/무기 조합화를 통한 나노물질의 상호작 용 제어의 예.
지능형 유도조합체 창의연구단
주 소：서울시 관악구 관악로 1 서울대학교 302동 616호 (우: 151-742) 전 화：02) 880-1877, Fax: 02) 873-7523
E-mail: [email protected], Homepage: http://plaza.snu.ac.kr/~smrtfilm/
단 장：지능형 유도조합체 창의연구단 차국헌 교수
산학연 연구실 소개
586 Polymer Science and Technology Vol. 22, No. 6, December 2011 입자에 고분자 브러쉬를 도입하여 나노물질간의 상호인력을 제어할 수
있는 유기/무기 조합체를 구현하는 연구를 체계적으로 수행하고 있다. 그 림 2(b)는 고분자/양자점 단순 혼합물과 조합체간의 분산 특성을 비교한 것으로, 양자점과 고분자 브러쉬간의 화학적 결합을 통해 이들을 조합화 하고 고분자 매트릭스간의 상호작용을 제어한 결과이다. 유기/무기 조합 체는 단순 혼합물에 비해 분산성이 현저하게 향상됨을 확인할 수 있으며, 이는 조합체와 주변 환경간의 상호작용이 증가되었기 때문으로 해석된 다. 이상의 접근 방법은 유기물과 나노입자의 기능적 융합만이 아닌, 각 조합체간의 상호작용 제어를 통해 보다 정밀하고 고차원적인 유도조립 이 가능함을 암시한다.
2. 조합체의 유도조립화
나노물질의 조합체를 토대로 각각의 기능이 융합된 지능형 유도조합 체를 구현하기 위해서는, 조합체간의 상호작용을 제어하여 목적에 부합 하는 구조 및 배열을 갖추는 것이 요구된다. 일반적으로 자연에서 관측되 는 유도조립현상은 그 효율성에도 불구하고 많은 구조적 결함을 가지고 있 다. 본 연구단은 나노수준에서 나타나는 상호작용(전기적, 자기적 상호작 용, 반데르발스 상호작용 등)을 정밀히 제어하여, 결함이 최소화된 높은 완 성도의 조합체 플랫폼을 구현하고자 한다. 유도조립에 대한 예로, 본 연구 단은 기판의 표면에너지와 나노물질 간의 상호작용 제어를 통해 이들간 의 자기조립 현상을 제어하는 연구를 수행하고 있다. 유기실리케이트기 판 및 이를 이용한 템플레이트는 처리조건에 따라 표면에너지를 정밀히 제어할 수 있으며, 이러한 기판 상에서 블록 공중합체 박막의 자기조립을 유도할 경우 블록 공중합체 나노구조의 수평 및 수직 배향을 원하는 대로 손쉽게 유도할 수 있음을 밝혀내었다(그림 3(a)). 또한, 그림 3(b)에서 보 이는 바와 같이 자기조립된 고분자 블록을 용매처리하여 나노수준의 높낮 이 차이를 지니는 템플레이트를 구현한 후, 표면상에 서로 다른 크기나 형 상을 지닌 두 가지 다른 나노입자를 선택적으로 배열할 수 있었다. 이상 언 급한 예 외에도, 양/음이온성 물질의 정전기유도 조합기술(electrostatic directed assembly) 및 자장유도 조합기술(magnetic directed assem- bly) 개념을 응용한다면, 다기능성 조합체들을 기판상에 유도조립 및 배 열할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 3. (a) 기판의 표면에너지 조절을 통한 블록공중합체 박막의 유도조립, (b) 블록 공중합체의 높낮이 차이로 유도된 두 가지 다른 나노입자의 선택적 배열.
3. 조합체의 계층화를 통한 신개념의 지능형 유도조합체 시스템 제시
기능성 조합체의 특성이 상호보완적으로 융복합화된 새로운 지능형 유 도조합체 시스템을 구현하기 위해서는, 유도조립을 통해 나노미터 수준으 로 구현된 유도조합체를 다시 거시적 수준에서 패턴화 또는 2차 유도조립 화를 통해 계층화하여야 한다. 자연에서 확인할 수 있는 다양한 계층적 구조와 발현되는 기능간의 상관관계를 분석하고, 조합체를 기본 구성요소 로 활용하여 이를 모사함으로써, 기존 과학기술 혹은 자연물에서 구현되 지 못한 혁신적인 기능을 지닌 지능형 유도조합체 시스템을 제시하고자 한 다. 본 연구단에서는 비전통적인 패터닝을 이용하여 유기 나노기둥을 형성 하고 사선 증착법(oblique deposition)을 이용하여 한쪽 방향으로 휘어지 는 유기/무기 복합 구조물을 제조하였다. 이는 수많은 돌기를 지닌 Gecko 도마뱀의 발바닥 구조를 모사한 것으로, 나노기둥의 단면적에 증가에 의 한 접착력 증가를 유도할 뿐만 아니라, 당김 방향에 따른 접착력의 방 향성을 효과적으로 제어한 예를 보여준다(그림 4(a)). 또한, 프리즘 패 턴의 한쪽 면에 금속박막을 선택적으로 도입한 유도조합체를 설계함으 로써, 3D 디스플레이 구현에 핵심적인 광투과 및 반사를 제어하는 유도 조합체 시스템을 제시하였다(그림 4(b)).
그림 4. (a) 고분자 나노기둥의 한 편에 선택적인 금속적층을 통한 Gecko 도 마뱀 모사, (b) 프리즘 패턴을 이용한 광투과 및 반사 제어기술.
본 연구단은 자연에서 얻은 과학적 교훈을 기반으로, 활용목적에 부합 하는 다양한 기능성 나노물질을 조합화하고 이들의 다차원 유도조립 및 계층화를 통하여 복합적 기능을 효율적으로 발현하고 제어할 수 있는 플 랫폼을 개발하고 있다. 이러한 플랫폼을 통하여 나노의학(nanomedicine) 에 중요한 진단 및 치료 플랫폼, 고효율의 광전변환소자, 인공광합성 박 막, 또는 기름이나 지문이 묻지 않는 특수코팅 등 다양한 분야에 핵심적 인 기반기술을 제시할 수 있을 것이라 생각한다.
※ 본 창의연구단은 위에서 언급한 연구와 관련된 전공을 한 유 능한 박사급 연구원(Post Doc)을 모집합니다. 많은 지원 부탁드립 니다(전화: 02-880-1877, 팩스: 02-873-7523, 이메일:
khchar@ plaza.snu. ac.kr).
