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2012. 1. 10. 12:00 대덕밸리과학소식/KAIST
지금까지 배양된 세포를 관찰하기 위해서는 광학적 회절한계를 극복하는 초고해상도 현미경을 사용했습니다.

그러나 이 경우 매우 복잡하고 거대한 시스템이 필요하기 때문에 생체 내 불투명한 부위에 위치한 세포를 실시간 관찰하기에는 역부족이었습니다. 

□ KAIST 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수팀이 미세한 빛을 주고받을 수 있는 광학 나노와이어를 이용해 세포내에서 나오는 미세한 광학신호를 세계 최초로 검출했습니다.

나노내시경이 단일 암세포내를 탐지하는 사진


이번 연구를 통해 사람의 내장 장기를 직접 관찰하는 내시경처럼 세포의 손상 없이 고해상도로 세포 내부를 관찰할 수 있는 길이 열렸습니다.

이에 따라 세포 내에서 일어나는 미세한 생물학적 현상을 연구해 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 전망입니다.

박 교수팀이 개발한 광학 나노와이어는 지름이 100㎚(나노미터)로, 세포에 삽입해도 손상되지 않을 만큼 작게 만들수 있고, 재료는 빛이 잘 통과하는 주석산화물로 구성된 반도체가 사용됐습니다.

광학 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호도 검출할 수 있습니다.

나노내시경에서 나오는 미세한 가시광선 빛을 통하여 형광염색된 암세포내 단일 미토콘드리아를 관찰하는 사진 (a: 세포내 형광염색된 미토콘드리아들(흰색 점들)을 나타내는 사진, b: 나노내시경이 단일 미토콘드리아 부근에 위치한 사진, c: 나노내시경을 통하여 단일 미토콘드리아(흰색 점)를 형광 영상화하는 사진)

나노내시경 모식도와 사진 (a: 나노내시경 모식도. 식각된 광섬유 끝에 나노와이어를 접합하고 가시광선 빛을 전달하는 그림, b: 제조된 나노내시경 끝에서 빛(노란색 화살표)이 전달되어 나오는 사진, c: 텅스텐 바늘로 나노내시경을 구부려도 전달되는 빛(노란색 화살표)에 손상이 없는 사진. 눈금은 50 μm)


□ 
이와 함께 연구팀은 나노와이어에 세포가 손상되지 않는 것에 착안, 나노와이어의 끝에 빛에 반응하는 물질을 입히고 이를 세포에 삽입했습니다.

그런 다음 빛을 전달하면 그 물질이 빛에 반응해 세포 내로 침투하는 것을 확인함에 따라 약물을 세포 내 특정부위에 효과적으로 전달해 치료목적으로도 이용할 수 있는 가능성을 제시했습니다.


이번 연구는 다학제간 협력에 따라 KAIST 박지호 교수를 비롯해 생명화학공학과 양승만 교수와 허철준 박사, 고려대 생체의공학과 최연호 교수, UC 버클리대 화학과 페이동 양(Peidong Yang) 교수와 류슈에 얀(Ruoxue Yan) 박사, 바이오공학과 루크 리(Luke Lee) 교수 등이 참여했습니다. 

이번 연구 결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 12월 18일자 온라인 판에 게재됐습니다.

 <연 구 개 요>
 
반도체 나노와이어는 그들의 일차원적인 극미세 세계에서 일어나는 특이한 전기적 현상을 이용하여 초미세/고효율 전자기계부품으로 활용하기 위해서 현재 활발히 연구되고 있다. 
이러한 전기적 특성뿐만 아니라 특정 반도체 나노와이어에서는 기존의 일반 광학재료에서 볼 수 없는 특이한 광학적 현상도 일어난다. 
이번 연구에서는 이러한 미세 광학적 신호를 전달할 수 있는 나노와이어를 이용하여 세포 속을 최초로 관찰한 것이다.

연구팀은 백 나노미터 정도의 지름을 가지고 수십 마이크로 길이의 주석산화물 나노와이어를 합성하고 이를 식각(etching)된 광섬유 끝에 연결하여 광섬유로부터 나오는 가시광선 빛이 서브파장정도로 나노와이어를 통하여 전달되는 "나노와이어기반 세포내시경(나노내시경)"을 개발하였다. 
이러한 나노내시경은 미세한 지름 및 높은 종횡비에도 불구하고 유연하면서 튼튼하다. 
또한 일반적인 실리콘 나노와이어에 비교하여 본 연구에서 사용한 주석산화물 나노와이어는 그들의 높은 굴절률(refractive index) 때문에 공기 중뿐만 아니라 수용액 내에서 자외선 및 가시광선 빛을 나노와이어를 통하여 전달하는 능력이 훨씬 뛰어나다.

이번 연구에서는 이러한 나노내시경을 이용하여 세포내 특정부위로 빠르게 형광나노물질인 양자점(quantum dot)을 전달하고 이렇게 전달된 양자점을 나노내시경으로 전달되는 미세한 빛으로 고해상도로 영상화할 수 있었다. 
또한 세포내에 위치한 양자점에서 나오는 미세한 형광신호를 세포내 삽입된 나노내시경을 통하여 실시간 정밀하게 검출할 수 있었다.
또 나노내시경을 이용하여 세포내 중요한 소기관인 단일 미토콘드리아를 영상화하는데 성공하였다.
이러한 나노내시경은 세포내 삽입 및 조명시 세포막 및 세포기능에 손상을 주지 않는 것으로 밝혀졌다.


 <박지호 교수 프로필>

1. 인적사항
○ 소  속 : 카이스트 생명과학기술대학 바이오및뇌공학과
 http://biomaterial.kaist.ac.kr

2. 학    력
○ 연세대학교 금속공학과 학사 2002
○ 연세대학교 의과학과 석사 2004
○ UC San Diego 재료공학과 박사 2009

3. 경력사항
○ 2009. 11. ~ 현재 카이스트 이원조교수
○ 2009. 10. ~ 현재 카이스트 조교수
○ 2009. 8. ~ 2010. 8. UC Berkeley 화학과 박사후과정 연구원

4. 주요연구실적 (최근 3년간)

○ "Nanowire-Based Single Cell Endoscopy" Ji-Ho Park*, Ruoxue Yan*, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang, Luke P. Lee, and Peidong Yang. Nature Nanotech. in press (*equal contribution).
○ "Nanoparticles that Communicate In Vivo to Amplify Tumour Targeting" Geoffrey von Maltzahn, Ji-Ho Park, Kevin Y. Lin, Neetu Singh, Christian Schw?ppe, Rolf Mesters, Wolfgang E. Berdel, Erkki Ruoslahti, Michael J. Sailor, and Sangeeta N. Bhatia, Nature Mater. 10 (2011) 545-552.
○ "Cooperative Nanoparticles for Tumor Detection and Photothermally Triggered Drug Delivery" Ji-Ho Park, Geoffrey von Maltzahn, Luvena Ong, Andrea Centrone, T. Alan Hatton, Erkki Ruoslahti, Sangeeta N. Bhatia, and Michael J. Sailor. Adv. Mater. 22 (2010) 880-885.
○ "Cooperative Nanomaterial System to Sensitize, Target, and Treat Tumors" Ji-Ho Park, Geoffrey von Maltzahn, Mary Jue Xu, Valentina Fogal, Venkata Ramana Kotamraju, Erkki Ruoslahti, Sangeeta N. Bhatia, & Michael J. Sailor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107 (2010) 981-986.
○ "Biodegradable Luminescent Porous Silicon Nanoparticles for in vivo Applications" Ji-Ho Park, Luo Gu, Geoffrey von Maltzahn, Erkki Ruoslahti, Sangeeta N. Bhatia, and Michael J. Sailor, Nature Mater. 8 (2009) 331-336.
○ "Systematic Surface Engineering of Magnetic Nanoworms for in vivo Tumor Targeting" Ji-Ho Park, Geoffrey von Maltzahn, Lianglin Zhang, Austin M. Derfus, Dmitri Simberg, Todd J. Harris, Sangeeta N. Bhatia, Erkki Ruoslahti, and Michael J. Sailor, Small, 5 (2009) 694-700.
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2011. 10. 22. 06:00 대덕밸리과학소식/KAIST

KAIST 기계공학과 박인규 교수팀이 최근 나노미터(10억분의 1미터) 크기 공간에서 전기제어와 온도차를 이용해 나노분자를 제어하는 원천기술 개발에 성공했습니다.

박 교수가 이번에 개발한 기술은 ▲고밀도 전자회로 패터닝 ▲고성능 다중물질 나노센서 개발 ▲단백질·유전자 조작 ▲ 세포조작 및 자극 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대받고 있습니다.

특히 기술적 한계로 나노미터 크기의 섬세한 분자제어가 어려워 개발이 더뎠던 초소형-휴대형 센서 개발에도 커다란 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.

연구팀은 나노패터닝 공정으로 고밀도·고정렬 나노와이어를 만들고, 각각의 와이어에 전기를 제어하고 빠르게 온도를 조절해 화학반응 제어를 실현해 나노분자를 정밀하고 신속하게 조절가능하다는 것을 실험으로 입증했습니다.

이 기술은 나노공간에서 선택적이고 개별적인 온도조절로 바이오 분자조작, 선택적 회로집적 등에 응용돼 화학센서의 성능향상이나 초소형 센서 개발 등 IT/ET 융합기술 발전에 크게 기여할 수 있을 전망입니다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 10월 3일자 온라인 판에 게재됐습니다.

이번 연구에는 KAIST 박 교수를 비롯해 김춘연 기계공학과 박사과정 학생, 한국표준연구원 이광철 박사, HP의 지용 리(Zhiyong Li), 스탠 윌리암스(Stan Williams) 박사 등이 참여했습니다.

나노와이어를 선택적 온도조절한 후 반응 이미지를 촬영한 모습


나노크기 공간에서 선택적 온도조절을 통한 화학물질 반응/조작 예시

 

 용  어  설  명

전자회로 패터닝 :
메모리, 논리소자 등 전자회로를 기능에 맞게 형상을 설계하고 이에 따라 기판위에 형성하는 기술 


다중물질 나노센서 :
검출기능이 있는 다종 나노물질의 배열로 이루어진 센서로 다양한 화학물질을 동시에 측정할 수 있는 기능을 가지는 소자


단백질·유전자 조작 :
DNA, RNA 분자 및 단백질의 결합, 분리, 변환 등을 일으키는 과정 및 기술


나노패터닝 공정 :
나노미터 수준의 분해능 및 선폭을 갖는 패턴 및 구조물을 생성하는 공정


나노와이어 :
선폭이 1-100 나노미터, 길이 수 마이크로 미터를 갖는 가늘고 긴 1차원 나노구조물

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2010. 12. 10. 03:00 대덕밸리과학소식/KAIST

유기태양전지는 반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하면서도 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴합니다.
또 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원입니다.

유기태양전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.

그런데 효율이 문제였습니다.

유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮기 때문에 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송 특성을 향상시키려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔습니다.

이 가운데 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구됐는데요.

그러나 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했습니다.

이 같은 문제를 포함해 유기태양전지의 낮은 광변환 효율 등이 상용화에 걸림돌이 돼 이에 대한 성능향상이 시급히 요구돼 왔습니다.

이 같은 문제점을 우리나라 KAIST에서 해결했습니다.

김상욱 교수


KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했습니다.

 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써, 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%나 향상시켰습니다.

도핑된 탄소나노튜브가 적용된 유기태양전지의 구조 도식.(탄소나노튜브(까만 실같은 것)가 적용된 빨간 부분에서 광반응이 일어나서 전기에너지를 생산 할 수 있습니다.)

또 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여, 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했습니다.

이번 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대되고 있습니다.

이주민 연구원

유승협 교수













 용어설명

도핑 : 고순도로 된 물질의 전기적인 특성을 변화시키기 위해서 강제적으로 불순물을 고순도 물질내에 넣어주는 것. 이때 넣는 불순물을 도펀트라고  한다.

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