[기술뉴스] 전극에 폴리머를 고착시키는 전기 접착제

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Polymer Science and Technology Vol. 22, No. 4, August 2011 된 PLEC는 상대적으로 빠른 turn-on 시간과 긴 수명을 가질 수 있음

이 보고된 바 있다. 이 논문은 화학적으로 안정된 PLECs의 자기 전장 발광(MEL)과 자기 전도성(MC) 응답을 조사하고, 보통의 OLED 소자 와 비교, 그 메카니즘을 연구한 결과이다. PLECs는 질소 글로브 박스 내에서 ITO가 패턴된 유리 기판위에 준비되었다. 활성 폴리머를 위해 서, 550에서 650 nm에서 강한 PL밴드를 갖는 alkoxyphenyl sub- stituted poly(1,4-phenylene vynilene)과 dubbed SY-PPV를 사 용하였다. 이온 전달 재료는 TMPTMA와 LiCF3SO3를 사용하였다.

솔류션 혼합물은 ITO 기판위에 직접 스핀 코팅되었고, 소자는 알루미늄 전극으로 cap되었다. MEL과 MC 응답 측정은 광학 cryosta에서 측정 되었다. PLEC소자는 초기 15 V의 전압이 30분간 인가되어, ‘활성’되었 다. 그림

5(a)

는 인가 시간이 30분까지의 함수로 상온에서 전류와 빛의 방출 세기의 변화를 보여준다. 이 시간동안, 전류와 전장발광 세기는 시 간과 함께 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 소자가 활성화됨에 따라, 이 동 양이온, 음이온은 반대의 전극 접합면에 가까운 얇은 이중 레이어를 형성하기 위해 재분포된다(그림

5(a)

내부 그림). 그림

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^{는 전류-전} 압특성과 전장발광 밝기-전압의 상관관계를 상온에서 측정한 결과이다.

소자는 우수한 정류특성을 보이며, 단극 전류와 전장발광 방출 특성을 갖음으로서, 안정적인 p-i-n 접합의 형성을 암시하고 소자의 초기과정 중 전하 분리를 의미한다.

연구진은 낮은 자계에서의 PLEC의 MEL, MC 응답에 대해서도 조사 하였다. 두가지 중요한 발견은 MC 값이 MEL보다 약 10배 정도 작은 값 들을 가진다는 것이다. PP 모델에 따르면, MC는 대부분 서로 반대의 전하로 전하화된 PPs의 분해나 형성에 의해 야기된다고 한다. PLEC 와 같은 불균형 유기다이오드에서는 PP 생성확률은 소수 캐리어에 좌우 되는 반면, 전류는 다수 캐리어에 의해 결정되는 것으로 분석된다. 이 경 우에는 단 몇몇 주입된 다수 캐리어가 PPs를 형성하고, 많은 다수 캐리 어는 유기 접합면을 PP 형성 없이 통과하게 된다. 이들 캐리어는 전체

그림 5. (a) 전류와 빛의 방출 세기, (b) 전류-전압특성과 전장발광 발기- 전압 상관관계

적인 전류 밀도의 향상에 기여하게 되지만, MC에는 기여하지 않는다.

반대로 전장발광은 PP로부터 얻어지고, MEL은 PPs와 직접적 관련이 있다. 두 번째 중요한 점은, MEL, MC, 두 응답 모두 전압과 함께 그 응 답이 약해지기도, 넓어지기도 한다는 것이다.

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Appl. Phys. Lett., 98, 263302 (2011), DOI:10.1063/1.3605251>

전극에 폴리머를 고착시키는 전기 접착제

독일 로드윅 막시밀리안스 대학(Ludwig-Maximilians University) 의 연구진은 새로운 “전기 접착제(electric glue)”를 개발했고, 폴리머와 전극 간의 상호작용을 조사하였다. “전기 접착제”는 나노크기 장치를 만 들기 우해서 전류로 온/오프(on/off)를 전환시켜서 전극 표면에 폴리머 를 가역적으로 고착시키는데 사용될 수 있다. 최근에 전극 표면의 전위를 변화시켜서 DNA(바이오폴리머)를 금 전극에 가역적으로 접합시킬 수 있 다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 폴리머와 전극 간의 비공유 상호작용을 조사함으로써 이 분야를 한 단계 더 나아갈 수 있는 길을 열었다(그림

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^).

이 연구는 바이오센서와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.

전기 접착제는 인가 전압을 사용해서 활성화되거나 비활성화될 수 있고 본딩(bonding)은 반대 방향에서도 작동하도록 설계될 수 있다. 예 를 들어, 분리시켜서 표면 간의 상호 작용을 약화시키는데 인가 전압을 실제로 사용할 수 있다. Hermann Gaub와 연구진은 금 작업 전극을 만 들기 위해서 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)을 사용 했다. 연구진은 AFM 팁에서 서로 다른 폴리머를 공유결합으로 부착시 켰고 이것을 금 전극 표면에 접촉시켰다. 그 후에 연구진은 폴리머를 전 극에서 떨어진 곳으로 이동시켰고 10 mV의 단위로 전극의 전위를 변화 시켰을 때 발생된 힘을 측정했다. 전극의 전위는 전극 표면의 산화와 환 원 반응을 조절했다. 폴리머-표면 상호작용은 이런 길이 척도에서 일반 화학과 물리학을 이해하는데 도움을 주고 나노크기 설계를 위한 기준을 제공한다. 이런 상호작용을 조절하는 것은 단일 분자 프로세스의 측정 과 제어를 위한 기초를 제공할 것이다. 전기 접착제에서 표면과 단일 분 자 간의 접착은 외부에서 제어된 전위를 기반으로 조절된다.

연구진은 3개의 서로 다른 종류의 폴리머를 조사했다: 중성 폴리에틸 렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG), 2,2-이오닌(ionene)(양으로 대전된 백본을 가짐), 음으로 대전된 바이오폴리머(4개의 염기 중에 3 개가 일차 아민을 포함하는 이중 사슬 DNA). 연구진은 “로보로그램 (roburogram)”으로 얻어진 데이터를 토대로 그래프를 만들었는데, 여 기서 파열 힘(rupture force)은 전위에 따른 값으로 정해졌다. 그래프 의 y축이 전류가 아니라 파열 힘이라는 것을 제외하고는 순환 전압 전 류법(cyclic voltammogram)과 유사하였다. 1 V 근처의 높은 인가 전압 (전극 산화 때문)로 인해서 폴리머와 전극 간의 상호작용이 거의 없었지 만 이런 부착은 전위가 감소되었기 때문에 증가했다. 실제로 상호작용반 응들은 PEG와 2,2-이오닌의 경우에 약 0.3 V의 전위에서 시작되는 것

그림 6. 전기 접착제의 작동 모식도

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고분자 과학과 기술 제 22 권 4 호 2011년 8월 361

으로 발견되었다. 그러나 DNA의 경우에 전위는 음으로 대전된 DNA 백

본과 음의 전위를 가진 전극 간의 상호작용을 전달하기 위해서 전극 표면 위에 대전된 이온의 빌드-업(build-up)이 가능하도록 더 낮아져야 했다.

접착제는 물리적 또는 화학적 상호작용의 크기에 의해서 고체 물질에 부착된다. 이 연구에서 연구진은 쿨롱 힘(Coulomb force)과 표면의 산 화/환원 등이 포함된 수많은 인자들을 기반으로 하여 인가 전위에 따른 표면과 폴리머의 상호작용을 조절할 수 있는 방법을 설명했다. 이런 상호 작용은 표면의 인가 전위에 의해서 조절될 수 있기 때문에, 전극 표면에 폴리머의 부착을 외부적으로 조절하는 것이 가능했다.

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Nano Lett., 11, 1993 (2011), DOI: 10.1021/nl200353h>

블록 공중합체의 새로운 자기 조립 방법

이탈리아 Laboratorio MDM의 연구진은 새로운 종류의 나노전자 장 치와 광전자장치의 빌딩 블록으로 사용될 수 있는 블록 공중합체(block copolymer)의 자기 조립 방법을 개발했다. 이번 연구에 사용된 PS-

b

-PMMA(polystyrene-

b

-poly(methyl methacrylate)) 공중합체 는 유리전이온도(glass transition temperature) 이상으로 가열되면 폴리스티렌의 기질 속에 삽입된 육각 조밀 PMMA가 잘 정렬된 어레이 로 자기 조립되었다. 적절한 처리 조건 하에서, 어레이는 기질과 직각 방향으로 형성되었고 PMMA 실린더의 선택적 제거로 잘 정의된 기공 크기를 가진 나노다공성 폴리스티렌 기질을 얻을 수 있었다(그림

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^).

자기 조립된 단일층을 가진 랜덤 공중합체(random copolymer)의 기판 중화(substrate neutralization)는 PMMA 실린더가 직각 방향으 로 형성되는데 일반적으로 사용된다. 이번 연구에서는 서로 다른 랜덤 공중합체를 사용했는데, 이로 인해서 폴리머 마스크(polymer mask)가 폴리스티렌 기질에 서로 다른 크기의 나노 기공을 가지게 했다. 결과적으 로 랜덤 공중합체는 나노-다공성 템플릿의 크기를 정밀하게 제어하는데 필요했다. 가까운 미래에, 이런 나노 구조가 형성된 폴리스티렌 박막이 새로운 리소그래피 프로세스를 위한 소프트 마스크(soft mask)로서 사 용될 수 있을 것이다. 이 나노다공성 템플릿은 새로운 에칭 기술에 의해 서 기저의 SiO₂ 기판으로 이동될 수 있다. 실리콘 점(silicon dot)의 정렬 된 2차원 어레이는 폴리스티렌 마스크와 연속적인 리프트-오프(lift- off) 프로세스를 통한 전자빔 증착 또는 저에너지 이온빔 합성에 의해서 제조될 수 있을 것이다. 즉, 이것은 실리콘 이온 주입법과 순차적인 고온 열처리를 사용한다.

기존의 리소그래피에 의해서 달성될 수 있는 “상향식(bottom-up)”

패턴 형성 템플릿에 “하향식(top-down)” 자기 조립 방법의 결합은 잘 정의된 위치로 단일 나노점과 나노점 어레이의 평면 내 위치 지정을 정 확하게 제어하는데 이용될 수 있을 것이다.

그림 7. PMMA 실린더의 제거 후의 나노다공성 폴리스티렌 마스크.

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Nanotechnology, DOI: 10.1088/0957-4484/22/18/185304>

나노약물을 위한 분무

약물의 용해도 혹은 생체이용률(bioavailability)을 증가시키기 위해 100 nm보다 작은 의약품을 제조하는 분무건조(spray drying)기술이 미국 및 독일 연구팀에 의해 개발되었다. 지난 10년 동안, 약물 분자의 복잡성은 상당히 증가하여 왔으며 이로 인해 용해도의 감소로 이어졌 다. 즉, 이 화합물이 인체 내에서 이용될 수 없는 상황에 직면하게 됨을 의미한다. 새로운 약물의 포뮬레이션(formulation)이 성공적으로 약물 의 역할을 수행할 수 있는지를 결정하기 위해, 용해도 검사는 개발의 초 기 단계에서 이루어지고 있다. 그러나 이런 실험에 사용될 수 있는 약물 의 양은 보통 매우 소량이다.

이 문제를 우회하기 위한 한 가지 방법은 화합물의 입자 크기를 줄이 는 것이다. 하버드대학의 David Weitz 등은 poly(dimethylsiloxane) 로 만든 미세유체 장치를 개발함으로써 이를 실현하였다. 두 개의 flow- focusing stream과 스프레이를 형성하기 위한 압축공기를 함께 사용함 으로써 100 nm 이하의 입자 크기를 형성할 수 있다(그림

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^{) 연구팀은} 생체이용률을 증가시키기 위해 약물 나노입자를 제조하는 손쉬운 방법을 찾고 있다. Weitz에 따르면, 빈용매(poor solvent)를 첨가함으로써 용액 에서 빠른 침전을 유도하는 것을 자그마한 입자를 만드는 간단한 방법이 지만, 원하는 나노미터 크기보다 더 크게 되거나 거칠게 형성되는 경향이 있다고 한다. 이를 방지하기 위해, 가능한 빨리 용매에서 입자를 빨리 분 리할 필요성이 있었으며, 용매를 건조시키는 것이 그 방법 중 하나라는 결론에 도달하게 되었다. 연구팀은 약물인 다나졸(danazol)을 이용해 개 발한 기기를 실험하였다. 연구팀은 유기 용매에 다나졸을 용해시키고 첫 번째 스트림(stream)에 주입하고 두 번째 스트림에 다른 용매를 주입하 였다. 이 두 가지 용매는 십자형 구간에서 두 가지 용매는 압축공기와 합 류하면서 분무를 형성하게 된다. 이를 통해 용매는 증발하게 되고 화합 물은 미세한 파우더 형태로 형성된다. 제품의 수거영역(collection area) 으로부터 분무노즐 간의 거리 및 공기 압력과 같은 조건을 변화시킴으로 써, 나노입자의 크기를 조절할 수 있었다.

펜실베니아 대학 고분자 생체물질 연구소의 Jason Burdick은 본 기 술은 오직 소량만 가능한 신약 개발에 큰 영향을 줄 것으로 기대되며, 매 우 흥미롭고 상대적으로 저렴한 공정이라고 평가하였다. 나노입자뿐만 아니라 본 디자인은 용해도를 향상시키는 나노서스펜션(nanosus- pension) 및 두 가지 물질의 공동분무를 통해 공동 침전약물(drug-

co

-precipitate)의 생산도 가능하게 한다.

그림 8. 나노약물 입자 형성 모식도.

본 기술 뉴스는 KISTI 미리안의 글로벌동향브리핑(GTB)에서 발췌 하였습니다.

<아주대학교 김문석, e-mail: [email protected]>