고분자과학과 기술 제 19 권 1 호 2008년 2월 43
초고속 미세인쇄기술
대면적에 걸쳐서 빠른 속도로 매우 섬세한 선을 인쇄할 수 있는 새로운 방법을 개발함으로써 대면적 전자 디스플레이, 의료용 소자, 센서와 다른 기술에 적용이 가능하게 되었다. 미국 프린스톤 대학교 (Princeton University)의 연구원들은 넓은 노즐로부터 전기적으로 전하를 가진 안정한 잉크를 분사하는 방법을 개발하였다. 이는 100 나노미터 두께의 선을 인쇄할 수 있어서 기존의 잉크젯 프린트보다 10배 이상의 해상도를 가지고 빠른 속도로 인쇄할 수 있어 나노 기술분야에 새롭게 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 마이크로 수준에서 액체의 전달을 매우 용이하게 하여 향후 새로운 쓰기 기술 로 자리 잡을 것이라고 일한 아크세이(Ilhan Aksay) 교수는 설명하 였다. 본 연구는 과학 저널 물리학 리뷰 레터스 최근호에 발표되 었다(Phys. Rev. Lett., 100, 034503).
연구진들은 단순히 특별한 기계를 만드는 것이 아니라 숨어 있는 근원적인 개념을 이해하고 발전시켜서 기존의 장비에 비하여 5,000 배나 넓은 폭의 노즐을 만들어 인쇄 속도를 증가시켰다. 기존의 인쇄 방법은 전기유체역학(electrohydrodynamic, EHD) 분사법을 이용 하여 노즐에 강한 전기장을 걸어서 액체에 힘을 가하여 분사하는 방 법으로 1917년에 처음으로 개발되어 현재까지 산업체에서 사용되 고 있는 기술이다. 하지만 이 기술은 액체가 불안정하여 용액 방울을 제어하는 데에 어려움이 있어서 안정한 인쇄를 어렵게 만든다.
이번에 프린스톤 대학교에서 개발된 인쇄법은 가스와 수증기의 양 을 조절하여 안정성을 제어하여 노즐의 크기와 분사 각도등을 제어 할 수 있도록 기술적 발전이 이루어졌다. 이러한 기술은 향후 전도성 고분자를 이용한 전자 소자에 적용되어 대면적 전자 소자의 제조 단 가를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 현재 프린스톤 대학 교는 미국 메릴랜드에 있는 볼벡 머티리얼스(Vorbeck Materials Corp)사와 공동으로 상용화를 시도하고 있다.
(Physical Review Letters, January, 2008) 나노채널을 이용한 탄소 나노튜브의 정렬
탄소 나노튜브(Carbon nanotubes)는 차세대 전자 장치의 요소로 이용될 수 있는 매력적인 후보 물질이다. 하지만, 장치 구성을 위해 선 나노튜브를 정렬해야 하는데 이 과정이 그리 만만한 일이 아니다.
최근까지 보고된 탄소 나노튜브 정렬법의 대부분은 특정 장치에만 적 용될 수 있을 뿐이었고, 또한 나노튜브에 기반한 칩을 대량으로 생산 할 수 있는 규모로 확대되기도 어려웠었다. 이와 같이 겉보기에 다루 기 쉽지 않은 문제가 최근 서울대와 성균관대 연구진에 의해 해결될 수 있었다. 개발된 기술은 대면적에 나노튜브를 정렬하기 위해 나노 튜브 용액을 나노채널(nanochannels)에 흘리는 방법이다. 본 기술 은 간단하기 때문에 특히 매력적이다. 즉, 나노튜브를 정렬하기 위해 전기장 혹은 시린지 펌프와 같은 외부 소스가 필요치 않다.
탄소 나노튜브 정렬을 위한 본 방법은 하전된 고분자 몰드(charged polymeric mold)로 제조된 나노채널에 나노튜브 용액을 흘림으로 써 구성된다. 나노튜브는 채널 내에 존재하는 모세관 힘(capillary
force)의 영향에 의해 채널 내에서 정렬된다. 채널이 적절한 기하 형 태를 갖는다면, 나노튜브 수용액은 채널의 양 말단에서 주입되고, 이 후 용액이 증발되면, 밀집되고 정렬된 나노튜브 어레이가 제조된다.
이때 나노채널의 제조를 위해선 고분자 몰드의 기계 성질과 표면 성 질이 매우 중요하게 고려된다.
고분자의 경직성(stiffness)이 딱 들어맞아야 하는데, 나노채널의 형태가 유지될 정도로 견고하지만, 대면적에 대해 매질과 결합될 수 있도록 충분히 유연해야 한다. 또한 수용성 나노튜브 용액이 주입될 때 고분자 나노채널이 파손되지 않도록 나노채널과 매질간의 접착성 이 뛰어나야 한다. 연구 결과에 따르면 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴 레이트(polyethylene glycol diacrylate)가 고분자 몰드로서 적합한 성질을 지니는 것으로 확인되었다. 또한 고분자 몰드는 음으로 하전 되어야 하고 매질과 구조적으로 접촉되어야 한다. 또한 고분자 몰드 는 친수성(hydrophilic)이어야 나노튜브 용액이 펌프와 같은 외부 소 스 없이도 유입되어 채널을 흘러갈 수 있게 된다.
본 기술은 마이크로 장치에서 나노튜브의 집적을 위한 꽤 괜찮은 방식이다. 불규칙적으로 묶인 나노튜브를 정렬하기 위해 유체를 이용 하는 방식은 나노튜브 장치의 대량 생산에 걸림돌이 되는 문제를 해 결하는데 기여할 것으로 기대된다.
(Small, January, 2008) 화학 전령사로서의 탄소 나노튜브
최근 탄소 나노튜브(carbon nanotubes) 내에 액체와 나노입자를 트랩하는 새로운 방법이 보고되었다. 개발된 방법을 이용하면 상온 에서 탄소 나노튜브 내부를 액체로 채울 수 있는데, 이러한 재료는 생의료 목적으로 이용될 수 있다. 예를 들면, 100 nm 직경을 갖는 나 노튜브는 약물 운송체(drug carriers)로 이용될 수 있으며, 약제를 종 양 부위 등의 특정 위치에 운송한다.
개발된 기술에서 물은 자체 유지 확산 메커니즘(self-sustained diffusion mechanism)에 의해 나노튜브 내로 끌려 들어간다. 이후 고분자(이 경우엔 폴리카프로락톤(polycaprolactone))가 용해된 톨 루엔 용액을 나노튜브 내로 주입시킨다. 고분자는 튜브 내에 이미 존 재하고 있는 물에 불용성이기 때문에 고분자는 끝으로 모여 모자 형 태를 형성하게 된다. 따라서 물이 나노튜브 내에 갇힌 구조를 이루게 되는 것이다. 이러한 현상은 마일드한 조건에서 발생하는데, 생활성 물질에 치명적인 고압 혹은 고온이 사용되는 기존의 채움 방법과 구 별되는 특징이다. 본 기술을 통해 약물 운송에 있어 나노튜브가 갖고 있는 현재의 문제가 극복될 수도 있을 것이다. 다시 말해, 이 기술은 나노튜브 내부로부터 성질이 조절되지만, 생호환성은 외부 표면의 변 형을 통해 부여될 수 있는 우수한 방법이다.
폴리스티렌 나노구체(polystyrene nanospheres)와 같은 계면활 성제(surfactants) 및 입자들 또한 본 방법을 이용하여 탄소 나노튜 브 내에 트랩될 수 있었다. 이는 본 기술이 촉매, 초냉각제, 광전자소 자, 센서 등의 분야에 복합적으로 활용될 수 있다는 것을 시사한다.
(J. Mat. Chem.,January, 2008)
기술뉴스
44 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 1, February 2008
유연성을 가지면서 인쇄 가능한 탄소 나노튜브 트랜지스터
미국 메사추세츠 대학교 로웰(University of Massachusetts Lowell)과 브리월 사이언스(Brewer Science, Inc.)의 과학자들은 탄소 나노튜브를 이용하여 유연성을 가지는 플라스틱 기판위에 인 쇄가 가능한 고속 박막 트랜지스터를 개발하였다. 이러한 방법은 향 후 대면적 전자 회로를 인쇄 기법으로 유연한 기판위에 제조할 수 있 어서 경제적으로 대량생산이 가능하다. 이를 통해 나노튜브(nano- tubes) 트랜지스터가 투명하고 유연한 장치의 핵심 부품으로 이용될 수 있게 되었다. 전자 종이, RFID를 포함한 유연성을 가지는 전자 소자의 응용은 다양한 표면위에 회로를 집적할 수 있어서 온도나 압 력의 변화를 감지할 수 있다. 또한 이러한 것을 이용하여 우주 산업 이나 항공 산업에도 적용이 가능하다.
전자 회로를 플라스틱 기판위에 인쇄하는 것은 특별한 것이 아니 다. 이는 상온에서 다양한 반도체 고분자를 이용하여 인쇄하는 방법 으로 현재 많은 연구 그룹에서 전기적 성능을 향상시키고자 노력하고 있다. 또한 유연하면서 투명한 트랜지스터의 요구는 현재까지 많 은 주목할 만한 연구 성과를 불러왔다. 투명한 트랜지스터는 현재 고분자와 무기계 산화물을 이용하여 제조되어 왔다. 이러한 발전된 기술은 소위 플라스틱 전자소자라고 불리며, 현재 많은 연구소와 학 교에서 연구되고 있다. 그럼에도 불구하고 많은 문제점이 있는 실정 이다. 특히 낮은 이동도와 유연성, 제조의 어려움 등이 잔존하고 있 다. 또한, 고분자는 전하 이동도가 매우 낮아서 소자의 동작 속도가 매우 느리다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 수엔 준 루(Xuejun Lu) 교수는 탄소 나노튜브를 이용한 인쇄 기법을 개 발하였다.
현재 인쇄된 탄소 나노튜브 소자는 고속의 트랜지스터 성능을 보 이고 있어서 기존의 고온 성장법에 의한 기술보다 훨씬 저렴하게 고 성능 소자를 제조할 수 있게 만들었다. 또한 탄소 나노튜브의 농도를 조절하여 전류의 양을 제어할 수 있는 장점이 있다. 이는 탄소 나노 튜브가 함유된 고품질 용액을 잉크 젯 카트리지에 넣고 인쇄 기법을 이용하여 소자를 아주 쉽게 만들 수 있다. 이는 유연하고 투명한 전 자소자를 제조함으로써 전자 신문, 자동차 전면 유리의 영상 디스플 레이와 같은 새로운 응용 분야가 도출될 수 있음을 의미한다.
(Micro & Nano Lett., December, 2007) 자유자재로 변화되는 표면 젖음성
전기를 통해 반발에서 젖음(Wettability)으로 변화되는 표면. 나노크 기의 못이 밀집된 표면은 어떠한 액체라도 반발시킨다는 보고가 최 근 있었다. 액체는 초기에 못의 머리에 머무르는 방울을 형성한다.
하지만, 전기가 가해지면 액체는 못 머리 아래로 미끄러져 못 몸통 사이로 퍼져, 표면 전체를 적힌다(Langmuir, 24, 9 (2008)). 이러한 재료는 자체 세정 표면(self-cleaning surfaces) 혹은 전기 배터 리에 사용될 것으로 전망되고 있다. 특히 자체 세정 표면은 청소 및 세척에 드는 시간과 비용을 절감하고 궁극적으로 환경친화적인 세척 을 가능케 하는 새로운 기술 분야의 도화선이 될 수 있다.
최근 위스콘신대(University of Wisconsin, Madison)와 벨 연 구소(Bell Laboratories) 과학자들에 의해 “초소유성(superlyo- phobic)” 재료가 개발되었다. 전도성 실리콘 몸체와 유전체성의 머
리를 형성하기 위해 실리콘 웨이퍼를 에칭한 후 소수성 불소고분자 (hydrophobic fluoropolymer)로 제조된 구조를 코팅하여 나노크기 의 못이 제조되었다. 표면의 액체 반발 성질은 화학 조성이라기 보단 형태에 의해 작동하며, 본질적으로 못 머리에 매달릴 수 있는 어떠한 기하 형태의 액체라도 동일한 결과가 형성된다.
사실 젖음성과 초소유성이 가역적으로 변환될 수 있는 전기 조절 표면이 이미 제조된 적이 있었다. 그러나 이러한 형태의 표면은 물과 같이 표면 장력(surface tension)이 큰 액체에서만 작동되는 단점이 있어, 피부기름, 가솔린, 유기 용매와 같이 낮은 표면장력을 갖는 액 체는 전압에 관계없이 표면을 젖게 만드는 문제가 있었다. 이러한 오 염물은 도처에 존재하며 이로부터 표면을 보호하기도 어렵기 때문에, 어떠한 액체에도 반발하는 표면을 디자인한다는 것은 전략적인 아이 디어라 볼 수 있다. 제조된 나노못 표면은 유기 용매를 이용하는 랩- 온-어-칩(lab-on-a-chip) 분야에 응용될 수 있다. 또한 사용이 필요치 않을 때 꺼놓음으로써 배터리 수명을 향상시키는 멤브레인 에도 이용될 수 있다. 사실 액체 반발 표면을 개발하는 연구진은 많 이 있으며, 한 예로 MIT 연구진은 연 잎에서 영감을 얻어 새로운 표 면을 개발하기도 하였다.
(Langmuir, October, 2007) 나노기공을 이용한 DNA 관찰
DNA 폴리머레이즈의 반응을 하나의 분자 나노기공 소자를 이용 하여 관찰이 가능하게 되었다. DNA 형성의 촉매가 되는 효소인 DNA 폴리머레이즈는 현재 첨단 기술을 이용하여 나노미터 이하의 분해능을 가진 기구를 이용하여 연구되고 있다. 하지만 지금까지 아 주 작은 기반의 활동도를 관찰하지는 못하였다. 이번에 미국 캘리포 니아의 스크립스 연구소(the Scripps Research Institute)에서는 나노기공을 이용한 소자를 사용하여 효소에 의하여 DNA 프라이머 가 촉매화되는 과정을 관찰하였다.
레자 가디리(Reza Ghadiri) 박사와 공동 연구원들은 하나의 가지 를 가진 DNA에 고분자 고리를 부착하여 알파-헤모니신 단백질 기 공(alpha-haemolysin protein pore)을 통하여 관찰하였다. DNA 는 4가지의 염기로 구성되어 있고 서로 다른 염기의 조합에 의하여 DNA 서열이 결정되며 따라서 DNA의 기능 또한 결정지어지게 된 다. 아주 작은 DNA 프라이머를 DNA의 끝에 부착하였다. 또한 DNA 폴리메라이제를 이용하여 첨가한 프라이머는 새로운 염기성을 보이고, 분자 고리가 기공을 통하여 이동하고 이중 나선 구조로 성장하기 위 하여 축적되는 것을 관찰하였다. 또한 알파-헤모리신 기공을 통하여 통과할 때 전압을 가하면, 전류가 생성되고, 기공 내에 분자의 지속 시 간을 제어할 수 있다. 더욱이 염기성을 첨가하면, 기공 내에서의 DNA 길이를 줄일 수 있고, 여기에 고분자 사슬로 대체가 가능하며, 이를 통하여 전류를 증가시킬 수 있다.
이러한 새로운 기술은 바이오 고분자를 고해상도 분해능으로 관찰 하여 향후 DNA 염기 서열 분석이나 정밀한 반응을 연구하는 데에 많 은 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 이를 바탕으로 기공의 크기를 줄 여 단백질과 바이러스는 물론이고 DNA보다 더 작은 분자들의 검출 과 크기 측정도 가능한 것으로 보여진다. 또한 기공의 벽에 특정의 관 심 분자를 부착시켜, 이 고정된 분자들과 상호작용을 하는 분자들의 부착 정도를 측정하여 화학적 특이성을 측정할 수도 있을 것으로 기
고분자과학과 기술 제 19 권 1 호 2008년 2월 45 대되고 있다.
(J. Am. Chem. Soc., January, 2008)
나노물질을 이용한 선택적 약물 전달
나노기술을 이용하여 미국 UCLA와 노스웨스턴 대학교(Nor- thwestern University)의 연구진들은 국부적이고 제어 가능한 약물 전달 방법을 개발하였다. 이는 인체에 보이지 않는 면역 시스템에 적 용되어 암치료나 다른 질병 치료에 매우 효과적인 새로운 방법을 제 공할 것으로 기대된다. 연구원들은 아주 얇은 박막의 고분자 층을 코 팅하여 생체 적합성을 최대한 높혔다. 또한 동물 실험을 통하여 약물 전달의 효능을 검증하였다. 이 약물 전달 메커니즘은 나노물질을 이 용하여 많은 약물을 효율적을 전달하는 것이다. 나노물질에 첨가된 약물은 약물의 체류 시간을 늘려주는 효과가 있다. 따라서 나노 물질 은 많은 양의 약물을 전달하거나, 특정하게 목적하는 세포의 질병 진 단 및 치료에 응용될 수 있다.
본 연구는 과학 저널 미국 화학협회 나노(ACS Nano)지 최근호에 발표되었으며, 이를 통하여 다양한 응용 가능성과 임상에서의 나노 물질을 적용할 수 있는 기대감을 높혀주었다.
연구진은 나노수준의 고분자 박막을 이용하여 약물을 천천히 방 출시킬 수 있는 시스템을 개발하였다. 이러한 것은 약물의 방출을 제 어하여 1주일이나 그보다 더 오랜기간 약물을 방출할 수 있게 해 주 었다. 또한 국부적으로 약물의 투여 부위를 제어하여 부작용을 최대 한 줄 일 수 있게 하였다.
현재 효과적인 약물 전달 시스템을 개발하기 위하여 나노 기술을 응용하여 생체 적합성을 더욱 향상시키고, 원하는 부위, 즉 종양이나 암세포 등에 침투하여 부작용을 최대한 줄이며 치료하는 새로운 치료 영역을 개척하고 있다. 나노물질 기술은 비파괴적인 방법으로 생체 적합성이 우수한 약물 전달을 개발할 수 있다는 것이 가장 큰 장점 이라고 노스웨스턴 대학교의 딘 호(Dean Ho) 교수가 설명하였다.
특히 나노 재료를 이용하여 목적하는 부분에서만 약물을 선택적으로 주입하여 치료할 수 있는 매우 우수한 기술을 직접 상업화에 적용하 는 것은 매우 의미있는 일이다. 이 기술의 상업화는 향후 질병의 진 단과 치료에 새로운 장을 열 것으로 기대된다.
(ACS Nano, January, 2008) 세포를 치료하는 자기 나노입자
미국 필라델피아의 어린이 병원(Children’s Hospital of Phila- delphia)의 연구진은 철을 포함하는 나노입자와 자기장을 사용해서 혈관을 통해 건강한 세포를 목표한 곳을 향해서 옮길 수 있는 기술 을 개발하였다. 동물 연구로 이미 증명된 이 새로운 방법을 사용하면 사람의 병든 기관을 고치도록 세포나 유전자를 옮길 수 있을 것이다.
고분자 나노입자는 약물 전달에 있어서 매우 좋은 전달체이다.
이는 약물이 원하는 위치까지 도달하도록 약물을 지속시켜준다. 하 지만 기존의 약물 전달에 있어서 혈액에 의하여 아주 쉽게 제거되 어서 약물을 효과적으로 전달하지 못하는 문제점이 있었다. 필라델 피아의 어린이 병원의 의사인 로버트 레비(Robert J. Levy), 윌리암 라쉬킨드(William J. Rashkind)로 구성된 연구진은 매우 작은 크 기의 구체로 되어 있는 나노입자를 혈관 속으로 보내서 내피 세포
(endothelial cell)로 이끌 수 있었다. 이 나노입자는 철산화물을 함 유한다. 외부의 균일한 자기장을 사용해서 연구진은 쥐의 경동맥 (carotid arteries) 속으로 삽입되어진 작은 금속 뼈대인 강철 스텐 트(steel stent) 속으로 세포를 이끌었다. 이 균일한 자기장은 입자 와 표적 사이의 인력을 증가하기 위해서 나노입자와 스텐트를 자기 화시키는 높은 자기력의 지역적 영역인 자기적 경사도(magnetic gradient)가 발생했다. 이것이 몸 속으로 목적물을 세포로 이동시키 는 새로운 비결이라고 연구진은 말했다.
이 연구진은 생물분해성 폴리머(biodegradable polymer), 폴리 유산수지(polyactic acid) 그리고 철산화물을 가지고 평균적으로 290 나노미터 크기를 가지는 나노입자를 만들었다. 폴리유산수지는 옥수수 등의 식물로부터 만들 수 있는 재생 가능한 자원이며 전기 기기 케이스, 필름, 섬유로 일부 사용되고 있다. 연구진은 이 나노입 자를 내피세포 속으로 인도했다. 이 나노입자는 동물이 살아 있는 동 안 화상 진찰 시스템으로 검출될 수 있도록 특별한 색깔을 생성하도 록 하였다. 쥐의 경동맥 속으로 스테인리스 스틸 스텐트를 주입한 후 에 연구진은 이 스텐트 속으로 세포를 주입하기 위해서 자기장을 사 용하였다. 심장병을 가진 환자는 혈관을 넓히고 약물을 전달하기 위 해서 혈관내 흐름을 향상시키도록 부분적으로 막힌 혈관에 금속 스 텐트를 시술받는다. 그러나 많은 스텐트는 부드러운 근육이 표면 위 에 과도하게 축적되고 새로운 방해물이 생성되기 때문에 시간이 지 나면 실패로 판정이 난다. 세포 치료요법의 목적 중 하나는 새로운 내 피세포로 부드러운 표면을 가진 스텐트를 다시 입히도록 하는 것이 다. 더 나아가, 약물이 투여된 스텐트는 병든 관상 동맥을 치료하는 데 이점을 가지지만 당뇨병을 가진 환자에게 발생하는 말초혈관질환 (peripheral vascular disease)을 치료하는데 훨씬 덜 효율적이라 는 것이 증명되었다. 이러한 경우에, 혈액 순환으로 인해서 다리를 절단하도록 하는 심각한 문제를 일으킨다. 그래서 곧 시행될 동물 연 구에서 연구진은 자기 나노입자를 주위 동맥으로 이동시키는 방법을 사용하려고 하고 있다.
현재 연구는 작년 이 연구진의 연구를 바탕으로 하여 만들어졌다.
이전 연구는 작은 철 성분을 포함하는 나노입자를 DNA와 결합한 후에 자기장을 이용하여 동맥 근육 세포 속으로 이동시키는 것이다.
이 연구는 유전자 치료를 위한 전달 시스템이고 이번 연구는 세포 치 료에 대한 내용이다. 이 전달 시스템은 의사가 식도(esophagus)나 담관(bile duct)이나 폐 같은 곳에 약물을 전달하기 위해서 사용하 는 철 스텐트를 몸 속으로 삽입하는 방법에도 적용될 수 있을 것이 라고 연구진은 말했다. 또 이 방법은 정형외과 시술에도 사용될 수 있을 것이라고 연구진은 말했다. 외과의사는 골절된 뼈를 안정화하 기 위해서 쇠못을 심거나 척추 이상을 올바르게 하기 위해서 철 나 사를 사용한다. 이 경우에 자기 나노입자는 뼈 구조를 강하게 하기 위해서 뼈 줄기 세포를 전달할 수 있다.
(Proc. of the National Academy of Sciences, January, 2008)
본 기술 뉴스는 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 글로벌동향 브리핑(GTB)에서 발췌, 정리하였습니다.
<한국과학기술연구원 진병두, e-mail: [email protected]>
