NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 26, No. 4, 2008…457
신진연구자 컬럼-유필진
서론
1990년대 이후 나노기술의 혁명적인 진보와 더불어 다양한 종류의 나노물질들이 개발되었다. 특히 각종 무기물의 나노선 재료들은 우수한 전기적, 광학적, 기 계적 특성으로 인해 여러 분야의 나노 소자의 개발에 활발히 이용되어 왔다. 이러한 나노선들을 효과적으 로 소자에 활용하기 위해서는 나노선의 위치 및 집적 구조를 원하는 대로 제어할 수 있는 기술이 필연적으 로 요구되는데, 이를 위하여 기존에는 합성된 나노선 의 표면을 적절한 화학작용기로 기능화시키고 이를 바탕으로 집적구조체의 형성을 유도하는 방법을 주로 사용하여 왔다. 하지만 표면 기능화의 방법 및 형성된
집적구조체의 구조제어 기술이 상당부분 제한된다는 한계성을 가지고 있었다.
본 연구진에서는 이러한 단점의 극복을 위하여, 원 하는 재료의 나노선을 먼저 합성하고 이를 제어하는 기존 방식과는 달리 우선적으로 고차원의 집적구조체 를 형성시킨 후 이를 템플레이트로 활용하여 원하는 나노선을 합성하는 역발상의 기술을 제시하고자 한다 [그림 1].
본 컬럼에서는 나노선을 대체하는 템플레이트 물질 로써 M13 바이러스라는 기능성 생체재료를 사용하 고, 이를 고분자 전해질을 이용한 자기조립 공정을 이 용하여 고밀도의 고차원 집적구조체로 유도시킨 후,
생체 재료의 고차원 나노구조체를 이용한 차세대 에너지·바이오 소자에의 활용 연구
1998 서울대학교 화학공학과 학사 2000 서울대학교 화학공학과 석사 2004 서울대학교 응용화학부 박사
2007 미국 MIT 화학공학과 Postdoctoral Associate 현 재 성균관대학교 화학공학과 조교수
유 필 진
성균관대학교 화학공학과 [email protected]
그림 1. 새로운 개념의 나노선 집적공정 모식도.
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458…NICE, 제26권 제4호, 2008
바이러스 표면 단백질의 선택적 반응특성을 이용하여 다양한 종류의 나노선을 합성함으로써 각종 소자에 활용하는 방안에 대해서 살펴보고자 한다.
고분자 전해질을 활용한 바이러스의 집적 구조체 제작1)
본 연구에서 활용하는 M13 바이러스는 길이 1µm, 폭 10nm 수준의 semi-flexible 나노선의 구조를 가지 고 있다. 바이러스의 표면은 특정 무기물 이온과 선택 적으로 결합하여 이를 환원시킴으로써 원하는 종류의 나노선으로 변환될 수 있는 단백질을 가지고 있는데, 이들 단백질은 수용액 상태에서 적절하게 이온화되어 바이러스의 표면이 대전된 상태를 유지할 수 있도록 한다. 실제 분자량이 14,000,000 정도에 이르는 M13 바이러스는 초거대 분자에 속하기 때문에 일반적인 화학 작용기의 미약한 결합특성을 이용해서는 구조체 형성을 위한 제어나 개별적인 조작이 불가능하다. 이 러한 한계성을 극복하기 위해 본 연구에서 활용한 방 법은 특정 고분자 전해질 쌍의 정전기적 인력에 의한 결합특성에서 유도되는 강력한 분자 확산현상을 기반 으로 하여 바이러스의 집적 구조체를 형성하는 방법 이다[그림 2].
여기서 사용된 고분자 전해질 쌍은 용액 내의 pH
조건에 따라서 대전 특성을 변화시킬 수 있는 약전하 고분자전해질(weakly charged polyelectrolytes)인 양이온의 linear poly-ethylenimine(LPEI)와 음이온 의 poly(acrylic acid)(PAA)이다. 이중 양전하로 대 전된 LPEI는 음전하로 대전된 PAA와의 정전기적 상호인력에 의한 이온결합체를 형성하면서도, 특정 pH 구간 내에서 이온결합체 내부에 상당량의 자유이 온을 포함할 수 있어, 이를 이용한 고분자 박막 내 분 자들의 상호확산 현상을 유도하는데 이용될 수 있다.
이와 같이 양이온 고분자인 LPEI에 의해 고분자 상 호확산 현상이 발생할 경우, 표면 전하 밀도나 분자의 유연성 측면에서 LPEI에 비해 훨씬 불리한 초거대 분자인 바이러스의 운동은 상대적으로 현격히 제한되 어, 결국 바이러스는 고분자 박막 표면상으로 배제되 어 집결된다. 이 결과로 고분자전해질의 박막에 결집 된 바이러스들은 비등방성의 분자형태에서 발생하는 엔트로피 효과에 의하여 분자 상호간의 겹침이 없는 밀집구조의 단층막을 형성하게 된다.
최종적으로 구현된 바이러스 단층막의 조립구조체 는, 이를 템플레이트로 활용한 각종 무기물 나노선의 제작에 직접적으로 활용될 수 있다. 일례로 양전하를 띤 금나노입자를 바이러스 구조체의 템플레이트에 가 해줄 경우 음으로 대전된 바이러스와의 결합을 통해
(A) (B)
그림 2. (A) M13 바이러스와 고분자 전해질을 이용한 바이러스의 집적공정 및 이를 통해 구현된 (B) 고밀도, 고집적의 바 이러스 구조체의 원자탐침현미경 사진.
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 26, No. 4, 2008…459 금나노선의 2차원 정렬구조를 제작할 수 있다. 또 다
른 방법은 바이러스 표면 단백질이 기본적으로 가지 는 선택적 환원특성을 이용하는 것인데, 코발트 이온 을 선택적으로 환원시키는 tetraglutamate 발현 단백 질을 이용하여 바이러스의 집적 구조체를 코발트 나 노선의 집적구조체로 간단하게 변환시킬 수 있다. 이 러한 과정은 별도의 화학처리 과정이나 생물학적 작 용기의 도움 없이도 수용액 상에서 간단하게 유도시 킬 수 있기 때문에 매우 효율적이여서, 이를 활용한 각종 소자의 제작에 손쉽게 이용할 수 있다.
바이러스 기반 산화코발트 집적 나노선의 리튬이온전지 음극재료로의 활용2)
앞에서 소개된 공정에 의해 구현된 나노선의 집적 구조체는 우수한 구조정렬도 및 조립도로 인해서 높 은 수준의 단위부피 당 비표면적 특성을 가지게 되는 데, 이를 각종 차세대 에너지소자의 효율 및 용량 향 상에 적극적으로 활용할 수 있다. 본 연구진에서는 조 립된 코발트 나노선의 집적구조체를 상온의 수용액 조건에서 산화코발트로 산화시킨 후, 이를 리튬이온 전지의 음극재료로 활용하는 방안에 대해서 연구하였 다[그림 3].
그림에서도 나타나 있듯이 미세한 산화코발트의 나 노입자들은 1차원의 구조체인 바이러스 표면에 균일 하게 결합하고 있으며, 더 나아가 1차원의 산화코발트 나노선들이 다시 고분자 전해질의 박막상에서 밀집구
조의 2차원 정렬막을 형성함으로써, 리튬이온 전지 내 에서 리튬이온들이 효과적으로 intercalation을 이룰 수 있는 이상적인 고효율 구조를 제공해 준다. 더 나 아가 산화코발트 나노선의 하부에 결합된 고분자 전 해질 층은 구조적인 안정성을 유지하면서도 높은 이 온전도도를 제공해 줌으로써 유연소재의 고체상 리튬 이온전지의 개발을 위한 기본적 특성을 제공해 줄 수 있다. 이를 통해 개발된 신규 음극소재의 경우, 기존에 활용되는 탄소 기반의 음극재료에 비해 2~2.5배 수 준의 전기용량 향상을 가져올 수 있어서, 차세대 휴대 용 기기의 고용량 전원 개발이나 생체소자 구동을 위 한 극소형 전지의 개발에 향후 활용될 수 있다.
바이러스 패터닝을 이용한 바이오센서로의 활용3)
본 연구에서 활용되는 바이러스 재료는 표면 단백 질의 자유로운 조절에 의해 특정 무기물을 환원시킬 수 있는 나노선 제조용 템플레이트로도 활용됨과 동 시에, 표면의 생물화학적 작용특성의 제어를 통해 차 세대 바이오센서의 제작에도 이용될 수 있다. 바이오 센서로의 활용을 위해서는 높은 선택도와 민감도를 가져야 하는데, 특정 단백질 및 biomolecules에 대한 선택 특성은 바이러스 표면의 단백질의 발현특성 제 어를 통해서 원천적으로 제어가 가능하다. 이와 동시 에 높은 검지 민감도를 확보하기 위해서는 이들 바이 러스를 특정한 패턴에 고집적 구조로 결합시킬 수 있
그림 3. 바이러스에 기반한 산화코발트 나노선의 정렬구조체 및 이를 활용한 리튬이온전지의 음극재료와 그 구동특성.
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어야 하는데, 집적구조체의 바이러스 패턴 제작을 위 해 본 연구진에서는 물리적 접촉법에 기인한 모세관 력 리소그라피 기술을 이용하여 바이러스가 자기조립 될 수 있는 고분자 박막의 기본 패턴을 제작하였다.
이 과정에서 일반적인 열가소성의 고분자와는 달리 고분자 전해질의 경우에는 건조상태에서의 열처리 과 정으로 인해 열경화 특성이 발생하기 때문에, 온도 가 열 대신 수분 증기압의 조절을 통해 고분자 박막의 유 동성을 확보하고, 이를 활용하여 마이크로 패턴을 성 형하는 기법을 적용하였다[그림 4]. 마이크로 크기의 고분자 패턴 위에서 자기조립을 일으키는 바이러스들 의 경우, 구속환경의 형태적 특성에서 발생하는 제한 조건에 의해 패턴 내에서 방향성을 가지고 정렬되는 특성을 보여주었으며, 이후 순차적인 표면 기능화를 통해 높은 민감도의 단백질 검지용 바이오센서의 구 현에 이용될 수 있었다.
결론 및 전망
지금까지 바이러스 재료로 대표되는 생체재료를 이 용하여, 고차원, 고집적의 나노구조체를 형성하고, 이 를 이용하여 차세대 에너지 및 바이오 소자의 개발에 활용하는 방안에 대하여 살펴 보았다. 기본적으로 본 연구에서 활용되는 바이러스는 인체 감염의 우려가 전혀 없으면서도 기능조절 및 대량생산이 매우 용이 하고, 이의 구조체 집적을 위해 사용되는 고분자전해 질의 증착 및 확산유도 정렬과정 또한, 값싼 고분자 전해질 수용액의 함침 공정에 기반하여 진행되기 때 문에 경제성이 확보된 대면적의 나노구조체 제작에 매우 유용하게 적용할 수 있다. 또한 기존의‘선합성 후정렬’의 나노물질 소자적용화 기술 대신, 본 연구에 서는‘선정렬 후합성’의 역기법을 이용함으로써 보다 우수한 정렬구조를 통한 높은 소자용량을 확보하면서 도 전체 공정을 단순화시킬 수 있는 기술적 이점을 확 보하였다. 향후 본 기술은 생체재료/고분자재료/무기 재료의 혼성 복합구조 형성을 통한 고강성 나노재료 의 개발이나, 정렬 나노구조의 3차원 집적을 통한 초 고용량화를 통해 차세대 태양전지 및 슈퍼캐퍼시터 개발에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
1) Nature Materials, Vol. 5, p. 234 (2006) 2) Science, Vol. 312, p. 885 (2006) 3) Nano Letters, Vol. 8, p. 1081 (2008)
그림 4. 고분자 마이크로 패턴위에 정렬한 바이러스의 집적구조체 및 이를 이용한 단백질 검지용 바이오센서.
