KR101729409B1 - 기능성 박테리오파지를 이용한 섬유상 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 박테리오파지를 이용하여 섬유상 발광소자를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, 박테리오파지 용액에 실버 아세테이트를 혼합하여 빛을 조사하여 광 반응을 통해 박테리오파지에 Ag를 전기영동으로 흡착시켜 은 나노와이어를 만들고, 은 나노와이어를 전극으로 하여 여기에 전자수송층/발광층/정공수송층/상부전극을 형성하여 섬유상 발광소자를 제작하며, 상기 발광층 또한 박테리오파지를 이용하여 코팅한다. 즉, 박테리오파지 용액에 전자수송층이 형성된 전극을 침지하여 당겨 올리면 박테리오파지의 자기 조립 특성에 의해 전자수송층을 박테리오파지가 둘러싸며, 박테리오파지가 (-) 전하를 띤다는 점을 이용하여 (+) 전하를 띠는 인광물질에 다시 전극을 침지하여 발광층을 효율적으로 제조할 수 있다.

Description

기능성 박테리오파지를 이용한 섬유상 발광소자{FIBER LIGHT EMITTING DEVICE USING FUNCTIONALLY CHARACTERIZED BACTERIOPHAGE}

본 발명은 박테리오파지를 이용한 발광소자에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 박테리오파지에 대해 특정 기능을 부여하여 이를 이용한 섬유상 발광소자를 제작하는 기술에 관한 것이다.

M13 박테리오파지(이하, M13 파지)는 길이 880nm, 폭 6.6nm 의 입자이며, 일반적인 유기 및 무기합성을 통해 만들어진 나노입자와 다르게 일정한 유전자를 통해 발현되는 단백질체로써, 모든 입자들이 완벽하게 동일한 모양을 가지게 된다. 이로 인해 물질의 준비과정에서 큰 이점을 가진다. 또한 높은 표면지(surface to volume ratio)를 가지는 나노입자로써, 한 입자당 표면에 약 2700쌍의 단백질(pVIII protein)과 양 말단에 각 4~5쌍의 단백질(pIII, pVI, pVII, pIX)을 가지고 있다. 특히 2700쌍의 동일한 펩타이드를 발현하는 8번 단백질(pVIII)의 경우, 약 3.3 nm 간격을 두고 쌍을 이루는 단백질 분자가 나선형으로 매우 조밀하게 배열되어 있다. 박테리오파지 내의 유전자를 적절히 재조합하여 각 해당하는 표면 단백질에 원하는 형태의 펩타이드(peptide)를 발현시킬 수 있어 목적에 맞는 고효율의 기능성 나노입자를 효과적으로 생산하는데 용이하다.

또한 M13 파지는 다른 합성 나노입자와 다르게 단백질로 이루어진 물질로 평범한 자연환경에서 흔히 존재하는 바이러스지만 특정 형질(strain)을 가진 대장균(E.coli)만 감염시키는 물질이며, 돌연변이를 일으켜 인체에 위해를 가한 사례가 아직까지 보고된 적이 없다. 실제로 박테리오파지는 2006년 FDA의 승인을 얻어 인스턴트식품의 세균 오염 방지용 첨가물로 활용되고 있으며 항생제 내성 문제를 극복할 수 있는 항생제 대체재로써도 부각될 정도로 인체에 무해한 생체 친화적 물질이다. 이러한 특성 덕분에 최근 생체 조직공학 분야에서도 각광을 받고 있다. 나아가 박테리오파지는 압전 특성을 나타내어 발전소자에 적용되고 있으며, 유전자 조작을 이용하여 압전소자 외에 다양한 전자소자에 응용될 수 있다.

한편, 최근 디스플레이 소자로서 널리 적용되고 있는 OLED의 경우, 섬유상으로 만들어 웨어러블 기기 등에 응용하고자 하는 시도가 있다. 예를 들면, 대한민국 등록실용 제20-0330895호, 대한민국 등록특허 제10-1161174호 등이 섬유상 OLED를 제안하고 있다. 그러나 아직까지 섬유상 OLED의 상용화가 활발하게 이루어지고 있지는 않다.

따라서 본 발명의 목적은 박테리오파지를 이용하여 섬유상 발광소자를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 박테리오파지 용액에 실버 아세테이트를 혼합하여 빛을 조사하여 광 반응을 통해 박테리오파지에 Ag 이온을 전기 화학적 방법으로 환원시켜 은 나노와이어를 만들고, 은 나노와이어를 전기영동의 원리로 파이버 형태로 제조하고 이를 전극으로 하여 여기에 전자수송층/발광층/정공수송층/상부전극을 형성하여 섬유상 발광소자를 제작하며, 상기 발광층 또한 박테리오파지를 이용하여 코팅한다. 즉, 박테리오파지 용액에 전자수송층이 형성된 전극을 침지하여 당겨 올리면 박테리오파지의 자기 조립 특성에 의해 전자수송층을 박테리오파지가 둘러싸며, 박테리오파지가 (-) 전하를 띤다는 점을 이용하여 (+) 전하를 띠는 인광물질에 다시 전극을 침지하여 발광층을 효율적으로 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면 섬유상 발광소자를 박테리오파지의 전기적 특성 및 자가 조립성을 이용하여 제조할 수 있어, 전체공정을 용액기반 공정으로 실시할 수 있다. 기존의 발광소자 제조공정이 진공장비를 비롯한 많은 고가 설비를 요하고, 공정 실시상 여러 가지 위험한 환경적 요소를 지니고 있는데 비해, 본 발명은 고가의 설비 없이 제조될 수 있다.

또한, 본 발명은 생체를 이용하여 발광소자를 구현한다는 점에서 새로운 대체재를 제안한다는 의미가 있다.

한편, 본 발명에서 적용한 박테리오파지가 갖는 자가조립특성으로 인해, 발광층의 제작시 인광물질 코팅층이 균일하게 이루어지며, 박테리오파지와 인광물질이 전기적으로 결합하기 때문에 기존의 발광층 형성 공정에 비해 매우 효율적이다.

도 1은 본 발명의 섬유상 발광소자의 구성을 보여주는 모식적인 사시도 이다.
도 2는 본 발명에서 박테리오파지를 이용하여 Ag 나노와이어를 제작하는 방법을 설명하기 위한 모식적인 그림이다.
도 3은 본 발명에서 박테리오파지 기반 은 나노와이어를 이용해 전극을 제작하는 원리를 설명하기 위한 모식적인 그림이다.
도 4는 본 발명에서 전자수송층을 이루는 물질의 화학구조식을 보여준다.
도 5는 종래 일반적인 용액공정에 따라 형성된 인광물질의 흡착 상태와 본 발명에 따라 박테리오파지에 인광물질을 흡착시킨 경우를 대비하여 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명에서 정공수송층을 이루는 물질의 화학구조식을 보여준다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유상 발광소자의 구성을 모식적으로 보여준다. 일반적인 섬유상 발광소자와 같이 전극(100)/전자수송층(200)/발광층(300)/정공수공층(400)/상부전극(500)을 갖는다. 전극(100)은 Ag 나노와이어로 구성되며, 이는 박테리오파지를 이용하여 제조된다. 전자수송층(200)은 가장 널리 사용되는 TPBi(2,2,2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole) )가 사용된다. 발광층(300)은 박테리오파지를 이용하여 제조되며, 고밀도로 균일하게 인광물질이 흡착된 상태를 SEM 사진으로 도시하였다. 정공수송층(400)에 사용되는 물질은 최근 널리 사용되는 TCTA(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine)이고, 상부전극(500)으로는 CNT 시이트(carbon nanotube sheet)를 사용하였다.

이와 같은 섬유상 발광소자의 구체적인 제조방법은 도 2의 모식도를 참조하여 설명한다.

전극(100)의 제조는 박테리오파지의 광 환원반응과 전기영동법을 이용한다.

박테리오파지 용액에 실버아세테이트(silver acetate)를 혼합하고 빛을 조사하면 박테리오파지에 Ag가 흡착된다. 일정 시간 동안 용액을 교반 하여 Ag 나노와이어를 얻은 후, 전기영동을 이용하여 전극을 제조한다.

먼저, M13 파아지 용액을 제조한다. 본 실시예에서 4E-타입 M13 파아지는 TBS(tris buffered saline) 버퍼(12.5mM 및 37.5mM NaCl, pH7.5)에 0.005 내지 0.05mg/ml, 바람직하게는, 0.01mg/ml 농도로 제조되었다. M13 박테리오파지 용액 1ml를 취하고, 여기에 0.1M의 실버 아세테이트(silver acetate) 100μl를 첨가한다. 용액과 실버 아세테이트의 부피는 M13 박테리오파지와 실버 아세테이트의 중량비를 유지하면서 변경될 수 있다.

혼합용액을 백색광 하에 1 내지 3시간, 바람직하게는 2 시간 정도 교반 한다. M13 박테리오파지가 Ag를 환원시켜 M13 박테리오파지 표면에 Ag가 흡착된다. 도 2에 도시된 바와 같이 M13 박테리오파지를 Ag가 둘러싸 Ag 나노와이어가 형성된다. 완성된 Ag 나노와이어(silver nanowire)는 용액 상에 분산되어 있는 상태이므로 전기영동을 이용하여 섬유(Fiber)형 전극을 수득한다. 도 3은 전기영동으로 전극을 수득하는 과정을 나타낸다. 실버 나노와이어가 분산된 용액에 양전압을 인가한 양전극과 음전압을 인가한 음전극을 넣고 양전극을 서서히 당겨 올리면, 음전하로 하전 되어 있는 실버 나노와이어가 양전극을 따라 올라오면서 서로 응집되어 섬유 형태로 제조된다. 양전극은 서서히 당겨 올려야 하며, 당기는 속도는 100 내지 500μm/min 정도이며, 본 실시예에서는 200μm/min으로 실시하였다. 도 3에 전기영동으로 실버 나노와이어로 이루어진 전극을 제조하는 과정을 모식도와 함께 사진으로도 나타내었다.

인가전압은 5V로 하였고, 전극의 직경은 대략 500μm 였다.

이와 같이 하여 Ag 나노와이어로 된 전극(100)을 얻어 여기에 전자수송층(200)을 코팅한다. 전자수송층(200)은 TPBi(2,2,2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole) )(도 4 참조)를 용액으로 제조하여 스프레이 코팅한다. TPBi 용액을 이용하여 전자수송층을 코팅하는 것은 널리 알려진 기술이며, 그에 따라 용액을 제조하고 코팅한다.

전자수송층(200)을 코팅하고 건조한 다음, 발광층(300)을 형성한다.

발광층(300)은 전자수송층(200)이 형성된 전극을 박테리오파지 용액에 침지한 다음 인광물질에 다시 침지하여 제조한다.

전자수송층(200)이 형성된 전극을 박테리오파지 용액에 침지하면 박테리오파지의 자가조립 특성으로 인해 매우 균일하게 박테리오파지가 전자수송층(200) 위에 코팅된다. 박테리오파지는 (-) 전하를 띠기 때문에 (+) 전하를 띠는 인광물질을 용액과 전기적으로 결합하므로 발광층의 형성이 매우 균일하게 된다. 발광층에는 M13 박테리오파지가 도입되어 기존 액상공정에서는 얻을 수 없었던 균일하고 효율적인 발광물질의 코팅이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, M13 파지 표면에 8번 단백질(pVIII)이 나선형으로 약 3.3 nm 간격을 띄며 매우 조밀하게 형성되어있다. 유전자 조작기술을 이용하여 이 표면단백질을 개질하여, 파지 표면에 선택적 화학반응 작용기를 조밀하게 발현시킬 수 있다.

본 실시예에서는, 8번 단백질(pVIII)에 방향족 성질을 가지는 티로신(Tyrosine(Y))을 발현시켜 선택적인 화학적 작용기를 만들어주어, 발광물질을 표면에 동기화시킨다. 이러한 기술은 이미 널리 알려져 있으므로 그에 따른다.

Tyrosine(Y)의 방향족 화합물은 para-, meta-, ortho- 등 선택적인 반응을 유도할 수 있는 작용기를 구비하는 구조이므로 발광물질 동기화에 사용될 작용기로 이용된다. 유전자 조작기술을 이용하여 파지의 8번 단백질 유전자에 Tyrosin(Y)를 내포하는 펩타이드를 발현시킨다. 이와 같이 발현된 M13 박테리오파지를 상술한 바와 같이 TBS(tris buffered saline) 버퍼(12.5mM 및 37.5mM NaCl, pH7.5)에 3 내지 7mg/ml, 바람직하게는, 5mg/ml 농도로 제조하고, 전자 수송층(200)이 코팅된 전극을 M13 박테리오파지 용액에 담그고 100 내지 500μm/min로 당겨 올린다. 본 실시예에서는 200μm/min의 속도로 서서히 당겨 올렸다. M13 박테리오파지는 표면에 (-)전하를 나타내므로 (+)전하를 나타내도록 합성된 인광물질을 전기적 인력으로 흡착하여 코팅될 수 있다. 전자 수송층(200)을 둘러싸 M13 박테리오파지가 코팅된 전극을 다시 인광물질을 포함한 용액에 침지하여 인광물질이 M13 박테리오파지에 결합 되게 한다. 인광물질이 박테리오파지에 의해 흡착된 다음 선형 전극을 용액에서 꺼낸다.

인광물질을 포함한 용액의 제조시, 친수성을 띄는 바이러스 필름의 손상을 최소화하기 위해 아세톤에 (+) 전하를 나타내도록 합성된 인광물질을 2mg/ml의 농도로 분산시켜 제조한다.

M13 박테리오파지의 자기 조립을 통한 흡착과 규칙적이고도 고밀도로 분포된 Tyrosin(Y)와 인광물질 간의 전기적 인력은 매우 균일한 인광물질층 코팅을 가능하게 한다. 도 5에는 M13 박테리오파지를 사용하지 않고 일반적인 증발법으로 섬유상 전극에 발광층을 형성한 경우와 본 실시예에 따라 M13 박테리오파지에 인광물질을 전기적인력으로 결합시킨 경우를 SEM 사진으로 대비시켰다. 본 실시예에 의한 경우, 발광층이 밀도가 더 높고 균일하다는 것을 확인할 수 있다.

정공수송층(400)의 제조는 전자 수송층(200)의 제조 공정과 동일하게 진행된다. 정공수송층(400)에 사용되는 물질은 최근 널리 사용되는 TCTA(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine)이다. TCTA를 용액으로 제조하여 스프레이로 발광층(300) 위에 코팅한다. TCTA용액을 이용하여 정공수송층을 코팅하는 것은 널리 알려진 기술이며, 그에 따라 용액을 제조하고 코팅한다.

상부전극(500)으로는 CNT 시이트(carbon nanotube sheet)를 사용한다. CNT 시이트의 제조는 롤투롤(roll to roll) 공정을 기반으로 하는 널리 알려진 방법이 적용된다. CNT 시이트는 상용화된 것을 구입할 수도 있으며, CNT 시이트로 정공수송층(400)을 감싸 상부전극(500)으로 적용할 수 있다. 탄소나노튜브와 용매, 결합제(바인더), 안정제, 균일제 등을 혼합하여 하나의 코팅액을 만들고, 이것을 정공수송층(400) 위에 도포하여 상부전극(500)을 만든다. 그외에도 용액 공정에 기반한 PEDOT:PSS 등으로도 상부전극(500)을 만들 수 있다.

한편, 상기에서 전극(100)은 일반적인 금속 선을 적용하고 나머지는 상기 실시예에 따라 섬유상 발광소자를 제조할 수도 있다. 기존의 섬유상 발광소자에 대해 M13 박테리오파지에 인광물질을 흡착시킨 발광층이 적용되는 것만 달라지나, 이 경우도 발광효율이 기존의 것보다 더 향상될 수 있다.

이와 같이하여, 발광효율이 우수한 섬유상 발광소자를 용액공정으로 제조할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 전극
200: 전자수송층
300: 발광층
400: 정공수송층
500: 상부전극

Claims (8)

1. 선형 전극;
   상기 선형 전극을 둘러싸도록 형성되는 전자수송층;
   상기 전자수송층을 둘러싸도록 형성되는 발광층;
   상기 발광층을 둘러싸도록 형성되는 정공수송층;및
   상기 정공수송층을 둘러싸도록 형성되는 상부전극;을 포함하며,
   상기 발광층은 표면에 (-)전하를 나타내는 박테리오파지와 (+)전하를 나타내는 인광물질이 결합 되어 형성된 것이고,
   상기 선형 전극은 박테리오파지에 Ag가 흡착되어 형성된 Ag 나노 와이어들이 결합 되어 이루어진 것임을 특징으로 하는 섬유상 발광소자.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 전자수송층은 TPBi(2,2,2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole))가 사용되고, 정공수송층은 TCTA(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine)이고, 상부전극은 CNT(carbon nanotube sheet)인 것을 특징으로 하는 섬유상 발광소자.
4. 섬유상 발광소자를 제조하는 방법으로서,
   선형 전극을 전자수송층으로 코팅하고,
   상기 전자수송층이 코팅된 선형 전극을 박테리오파지 용액에 침지 한 후 끌어올려 박테리오파지가 전자수송층을 둘러싸 자기 조립으로 코팅하게 하고,
   박테리오파지가 코팅된 전극을 (+)전하를 나타내는 인광물질을 포함한 용액에 침지 하여 표면에 (-)전하를 나타내는 박테리오파지에 (+)전하를 나타내는 인광물질이 코팅되어 발광층을 형성하게 한 다음 용액에서 꺼내고,
   발광층을 둘러싸도록 정공수송층을 코팅하고,
   상기 정공수송층을 둘러싸는 상부전극을 형성하며,
   상기 선형 전극의 제조는,
   박테리오파지 용액에 실버 아세테이트(silver acetate)를 첨가하고,
   실버 아세테이트가 첨가된 혼합 용액에 빛을 조사하여 박테리오파지가 Ag을 환원시켜 용액 속에 박테리오파지 표면을 Ag가 둘러싼 Ag 나노와이어를 만들고,
   상기 용액 속에 양전압이 인가된 양전극과 음전압이 인가된 음전극을 넣고 양전극을 당겨 올림으로써 Ag 나노와이어들이 전기영동에 의해 양전극 쪽으로 이동되고 응집되어 선형전극으로 인출되며,
   발광층 형성을 위해 사용된 박테리오파지는 8번 단백질(pVIII)에 방향족 성질을 가지는 티로신(Tyrosine(Y))을 발현시켜 선택적인 화학적 작용기를 만들어주어, 발광물질을 표면에 동기화시킬 수 있게 조작된 것임을 특징으로 하는 섬유상 발광소자의 제조방법.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제4항에 있어서, 선형 전극을 제조하기 위해 실버아세테이트가 첨가되는 박테리오파지 용액은 TBS(tris buffered saline) 버퍼용액에 박테리오파지의 농도를 0.005 내지 0.05mg/ml로 하여 제조되고,
   전자수송층이 코팅된 선형 전극을 침지하는 박테리오파지 용액은 TBS(tris buffered saline) 버퍼용액에 박테리오파지의 농도를 3 내지 7mg/ml로 하여 제조되는 것을 특징으로 하는 섬유상 발광소자의 제조방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 전자수송층이 코팅된 선형 전극을 박테리오파지 용액에 침지 한 후 끌어올려는 속도는 100 내지 500μm/min 인 것을 특징으로 하는 섬유상 발광소자의 제조방법.
   
   
   
   

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