KR101910851B1 - 나노 웹 구조를 갖는 복합 나노구조체를 이용한 병원체의 고정 - Google Patents

나노 웹 구조를 갖는 복합 나노구조체를 이용한 병원체의 고정 Download PDF

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Abstract

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 제1 고분자 재질의 나노 필라(pillar) 어레이의 표면에 제2 고분자 재질의 나노 웹을 형성한 복합 나노구조체를 이용하여 각종 병원체를 고정하고, 후속 절차에서 이를 특이적으로 또는 비특이적으로 검출할 수 있도록 하는 방법 및 검출 시스템이 개시된다.

Description

나노 웹 구조를 갖는 복합 나노구조체를 이용한 병원체의 고정{Immobilization of Pathogens Using Hybrid Nanostructures Having Nanoweb Structure}
본 개시 내용은 나노 웹 구조를 갖는 복합 나노구조체를 이용한 병원체의 고정에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 제1 고분자 재질의 나노 필라(pillar) 어레이의 표면에 제2 고분자 재질의 나노 웹을 형성한 복합 나노구조체를 이용하여 각종 병원체를 고정하고, 후속 절차에서 이를 특이적으로 또는 비특이적으로 검출할 수 있도록 하는 방법 및 검출 시스템에 관한 것이다.
나노구조체 또는 나노 스케일의 구조체는 현재 전자 소재(예를 들면, 전극, 발광 다이오드(LED) 및 태양전지), 반도체 제조 공정, 데이터 저장장치, 웨어러블(wearable) 기기, 각종 센서(예를 들면, 플렉서블 센서, 전기화학 센서 및 바이오 센서) 등, 다양한 기술분야에서 적용되고 있다. 특히, 나노-로드(nano-rod), 나노-필라(nano-pillar) 또는 나노-와이어(nano-wire)와 같은 나노 스케일의 구조체는 고유의 광학적 및 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자 소자 및 광소자로 응용되고 있다. 이러한 나노 스케일의 미세 패턴은 시간 및 공간 효율성을 높이는 것 이외에도 새로운 기능을 부여하는데 중요한 요소로서, 이에 부합되는 나노구조체에 대한 요구가 증가하고 있다.
현재까지는 포토리소그래피 기술을 이용한 나노구조체의 제작 방법이 가장 널리 사용되고 있으나, 최근에는 보다 간편하고 저비용 방식으로 나노 패턴 구조체를 제조하는 기술이 활발히 연구되고 있다. 이와 관련하여, 전자 소자(예를 들면, LED), 반도체 제조 공정 등에서 제조되는 나노 패턴, 특히 나노-필라 구조물의 경우, 일반적으로 무기물(예를 들면, Si, GaN 등) 재료를 이용하여 소위 bottom-up 방식(예를 들면, 국내특허공개번호 제2008-30042호), 또는 top-down 방식(예를 들면, 국내특허공개번호 제2007-63731호)에 의하여 제작된 바 있다.
한편, 나노 패턴 표면을 갖는 구조물을 신규 용도(예를 들면, 생체 모사 분야)에 적용하려는 시도도 이루어지고 있는데, 예를 들면, 병원체는 주변 환경에서 널리 분포되어 있는 바, 구체적으로 박테리아 병원체는 흙, 동물 장기, 동물의 변에 의하여 오염된 물 등에서 발견되고 있다. 인체 역시 평균적으로 인체 내외에 걸쳐 150 타입 이상의 박테리아를 갖고 있으며, 이중 많은 미생물들이 인체에 무해하기는 하나, 몇몇 종류는 식중독(botulism), 콜레라(cholera), 설사(diarrhea), 구토(emesis), 폐렴(pneumonia), 장티푸스(typhoid) 등을 포함하는 다양한 감염성 질환을 유발한다. 특히, 200 종류 이상의 질병이 음식 및 음용수 단독을 통하여 전염될 수 있다. 예를 들면, E.coli 계열은 섭취시 큰 문제를 일으키지 않지만, 이중 몇몇은 설사 등을 유발하는 독소를 생성하는 병원체로 알려져 있다.
특히, 병원성 대장균 O157:H7은 장 출혈성 대장균으로서 식중독의 원인균으로 널리 알려져 있으며, 전세계적으로 문제시되고 있다. 또한, 감염 시 용혈성 요독 증후군, 출혈성 대장염, 설사, 신장부전, 발작 등을 유발하며, 심한 경우에는 사망에 이르도록 한다(Reisner, A. et al., 2006. Journal of Bacteriology. 188, 3572-3581; Barrientos, R. M. et al., 2009. Brain, Behavior, and Immunity. 23, 450-454; Schrag, S. J. et al., 2006. PEDIATRICS. 118, 570-576). 살모넬라속균(Salmonella choleraesuis, Salmonella bongori, Salmonella typhimurium) 역시 식중독을 일으키는 대표적인 병원체로서 장티푸스 및 파라티푸스의 원인균이며, 다양한 가축 및 동물 등에 오염될 수 있다. 또한, 적절한 세척, 가공온도 및 저장조건이 지켜지지 못한다면, 살모넬라균이 번식할 수 있으며, 이렇게 오염된 식품을 통하여 다른 식품과 교차 오염될 수 있다.
이러한 병원체는 오염된 토양, 그리고 수질 환경을 통해 쉽게 인간에게 감염될 수 있다. 적절한 환경에서 병원체의 번식속도는 매우 빠르기 때문에 아무리 적은 수의 병원체라도 일단 인체 내에 침입할 경우, 이의 생장환경에 매우 적합한 장 속에서 빠르게 성장하여 인간의 건강을 위협할 수 있는 수준까지 이르게 된다. 특히, 인체의 피부, 예를 들면 손에는 다수의 병원체가 묻어 있는 바, 인체 간의 접촉 역시 주된 병원체의 전파 또는 감염 경로 중 하나이다.
이러한 병원체를 제거하기 위한 항균 특성을 확보할 목적으로 나노입자를 이용하는 기술이 보고된 바 있다. 구체적으로, 실리카 나노입자의 경우, 세포 내로 질소산화물(NO)을 운반하여 박테리아를 제거하는데 효과적인 방안을 제시할 수 있다. 또한, 은(Ag) 및 구리(Cu) 재질의 나노입자 역시 박테리아와 접촉 시 이에 대한 제거능을 나타낸다. 특히, 은(Ag)의 경우, 박테리아에 대한 산화 및 변성(denaturing) 작용을 이용하는 것으로 알려져 있으며, 은 나노입자는 공기 또는 수분 내에서 반응성 산성기를 생성하여 과산화수소와 유사한 방식으로 박테리아의 세포벽에 영향을 줌으로써 박테리아를 사멸시킨다.
또 다른 항균 방식으로서, 박테리아, 효모(yeast), 바이러스 또는 바이러스 감염 세포, 암세포 및/또는 원생생물(protozoa)의 성장을 억제하거나, 이에 의한 파울링(fouling) 현상을 방해하는 것을 예시할 수 있다. 이와 관련하여, 미국특허공개번호 제2014-0290732호의 경우, 특정 범위의 평형 접촉각을 갖도록 하여 반발 표면을 제공하는 생체모사 기술을 개시하고 있다. 즉, 박테리아와 같은 병원체가 부착되는 것을 억제하기 위하여 공유 결합 방식으로 부착된 항균 및/또는 바이오파울링 억제 고분자의 네트워크를 포함하는 기재를 개시한다. 또한, 미국특허공개번호 제2013-0196365호 역시 금속 및 비금속 표면에 박테리아, 조류, 원생생물 등에 의한 바이오필름으로 인하여 표면 부식 등의 문제점이 야기되는 것을 방지하기 위한 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상술한 종래 기술의 경우, 병원체의 고정 또는 부착을 방지하는 기술이 대부분으로서 후술하는 바와 같이 본 발명에서 채택하는 접근 방법과는 상반된다.
한편, 최근에 연구되고 있는 나노구조체의 경우, 이의 물성 및 거동은 분자 구성 성분 및 정확한 공간 포지셔닝(positioning)에 의존하게 되며, 큰 규모의 디바이스에서 조절된 형태학적 특징(morphology)에 의하여 예상하지 못했던 특성을 제공할 수 있다는 점이 알려지고 있다. 특히, 병원체의 주요 전파 경로가 인체 간의 물리적 접촉, 또는 문지름 또는 러빙(rubbing)으로부터 기인하는 바, 나노구조체를 활용하여 병원체의 효과적인 검출을 위한 보다 근본적인 기술적 해결 방안이 요구되고 있다.
특히, 종래의 항원-항체 및 유전자 증폭 기반의 병원체 검출 방법의 경우, 접촉성/공기 전파성 고위험 병원체의 신속한 검출 및 확산 방지가 곤란한 상황이며, 안정성 면에서도 취약한 바, 인체의 피부 접촉, 기침, 공기 전파 등 직간접적 감염 경로에 대한 유연한 대처가 불가능하다.
본 개시 내용에서는 종래에 알려진 접근 방법과 달리 구조물 표면 상으로 병원체의 물리적 부착(또는 고정)을 촉진하는 방식으로 포획하고, 또한 섬유, 장갑 등의 연성의 물질에 용이하게 적용 가능할 뿐만 아니라, 이를 비특이적으로 검출하거나 적절한 후속 개질에 의하여 특이적으로 검출할 수 있는 등의 다양한 활용도를 제공할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
특히, 본 개시 내용은 인체의 병원체 전파 경로를 모사하고, 비특이적/특이적 방식에 의하여 병원체를 보다 자유롭게 검출 및 분석할 수 있는 근본적인 방안을 제시하고자 한다.
본 개시 내용의 제1 면에 따르면,
병원체를 복합 나노구조체와 접촉시켜 고정하는 방법으로서,
상기 복합 나노구조체는,
(i) 상측에 복수의 나노필라가 형성된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물, (ii) 상기 나노 패턴 구조물의 표면에 부착된 표면 개질용 금속층, 및 (iii) 상기 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 형성된 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조를 포함하는 방법이 제공된다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 고정된 병원체는 비특이적으로 검출되거나, 또는 특정 화학 물질로 복합 나노구조체를 개질함으로써 특이적 검출을 수행할 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 상기 특이적 검출을 위한 특정 화학 물질은 검출하고자 하는 병원체 세포의 표면에 존재하는 특이적 항원에 대응하는 항체일 수 있다.
본 개시 내용의 제2 면에 따르면,
병원체의 분석 시스템으로서,
a) (i) 상측에 복수의 나노필라가 형성된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물, (ii) 상기 나노 패턴 구조물의 표면에 부착된 표면 개질용 금속층, 및 (iii) 상기 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 형성된 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조를 포함하는 복합 나노구조체;
b) 상기 복합 나노구조체에 고정된 병원체의 증폭 장치; 및
c) 상기 증폭된 병원체의 검출 장치;
를 포함하는 분석 시스템이 제공된다.
예시적 구체예에 있어서, 상기 제1 고분자는 폴리우레탄(Poly urethane, PU)계, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)계, NOA(Noland Optical Adhesive)계 및 에폭시(Epoxy)계로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 상기 제2 고분자는 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르에테르케톤케톤(PEEKK), 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리페닐에테르설폰, 폴리페닐렌, 폴리이미다졸, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 및 폴리티오펜(polythiophene)으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 상기 나노 패턴 구조물의 표면 상에 Ti, V, Cr, Sc, Nb, Mo 및 W으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 금속 재질의 중간층(intermediate layer)이 형성되고, 상기 중간층 상에 Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In 및 Au로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 표면 개질용 금속층이 형성될 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 상기 나노 패턴 구조물 상에 Au/Ti의 2층(binary layer) 구조가 형성될 수 있다.
본 개시 내용의 구체예에 따라 제공되는 복합 나노구조체를 이용한 병원체의 고정 방법을 통하여 인체의 피부 접촉, 기침, 공기 전파 등 다양한 직간접적 전파 또는 감염 경로에 대하여 유연한 대처 방안을 제공할 수 있고, 더 나아가 복합 나노구조체의 양호한 물리화학적 안정성을 확보할 수 있는 만큼, 현재 널리 활용되고 있는 면역 검출법 (immunoassay)의 안정성 관련 문제점은 물론, 더 나아가 섬유 등의 연성 소재에 적용 또는 부착하여 일상 생활에서도 널리 활용 가능한 바이오센싱 플랫폼을 구축할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 향후 광범위한 활용이 기대된다.
도 1은 본 개시 내용의 일 구체예에 따라 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체의 제조 과정을 개념적으로 도시하는 도면이고;
도 2는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 제1 고분자 재질의 복수의 나노필라가 형성된 나노 패턴 구조물을 제작하는 일련의 과정을 도시하는 도면이고;
도 3은 본 개시 내용의 일 구체예에 있어서 표면 개질용 금속층이 부착된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물에 형성되어 있는 나노필라에 제2 고분자의 나노 섬유 구조가 성장하여 웹 구조를 형성하는 원리를 도시하는 도면이고;
도 4는 실시예 1에 따라 복합 나노구조체를 제작하는 일련의 순서를 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 5는 실시예 1에서 제작된 나노필라가 형성된 나노 패턴 구조물의 치수 및 표면 상태의 변화를 보여주는 SEM 사진이고;
도 6a는 실시예 1에서 제작된 (a) 나노 스케일의 홀이 형성된 Si 마스터 몰드, (b) PUNO 재질의 나노 패턴 구조물, (c) Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 및 (d) PANI 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체를 각각 보여주는 SEM 사진이고;
도 6b는 실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체의 단면을 보여주는 SEM 사진이고;
도 7은 실시예 1에서 (a) PUNO 재질의 나노 패턴 구조물, (b) Au/Ti 금속층 부착 이후, 그리고 (c) 나노 웹 형성 이후의 SEM 사진 및 표면상 EDS 분석 결과를 각각 나타내는 그래프이고;
도 8은 실시예 1에서 (a) PUNO 재질의 나노 패턴 구조물, (b) Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 및 (c) PANI 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체 각각에서의 수접촉각 테스트 결과를 보여주는 도면이고;
도 9a는 실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체의 수평 방향 외력에 대한 내성 테스트 결과를 보여주는 도면이고;
도 9b는 실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체의 수직 방향 외력에 대한 내성 테스트 결과를 보여주는 도면이고;
도 10은 비교예 1에 따라 표면 개질용 금속층의 개재 없이 나노 패턴 구조물 상에 직접 나노 웹을 형성하여 제조된 복합 나노구조체 및 실시예 1에 따라 제조된 복합 나노구조체의 SEM 사진을 대비한 도면이고;
도 11은 비교예 2에 따라 나노 웹이 형성되지 않은 나노 패턴 구조물에 대하여 가해진 물리적 외력에 따른 나노필라의 형태 변화를 보여주는 SEM 사진이고;
도 12는 실시예 2에 따라 실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체를 이용하여 인체 접촉을 통한 병원체 전파의 모사 실험 결과를 나타내는 SEM 분석 및 복합 나노구조체에 고정 또는 포획된 병원체에 대한 PCR 분석 결과를 나타내는 도면이고; 그리고
도 13은 실시예 3에 따라 실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체에 대하여 다양한 농도의 박테리아 용액을 적용한 검출 한계 실험의 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.
"고분자"는 단일중합체 및 공중합체를 모두 포함하며, 공중합체는 랜덤 공중합체 및 블록 공중합체를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
"나노구조물" 또는 "나노구조체"는 나노 스케일(예를 들면, 약 0.1 내지 1000 nm, 구체적으로는 1 내지 100 nm)의 치수 또는 사이즈를 갖는 특징부(feature) 또는 텍스츄어(texture), 예를 들면 나노필라, 나노로드, 나노 벽(wall), 나노와이어, 나노 웹 등을 구비하는 임의의 나노 스케일의 객체를 의미할 수 있다.
"어레이(array)"는 지지체, 부재(member) 또는 백킹 부재(backing member)로부터 도출되거나 이에 부착(고정)된, 섬유, 컬럼, 필라, 루프, 튜브, 콘, 블록, 큐브, 헤미스페어, 스페어, 벽, 그리드, 홀 또는 이의 조합을 포함하는 형태학적 특징부, 텍스츄어 또는 표면을 의미하는 것으로 폭넓게 해석될 수 있다.
"부착(adhesion)"은 단백질, 세포 또는 기타 물질이 표면에 공유 또는 비공유 방식으로 결합 또는 연결되는 것을 의미할 수 있다.
"고정(immobilization)"은 임의의 물질 또는 생활성제가 기재에 공유적 또는 비공유적으로 직접 또는 간접 방식에 의하여 부착되는 것을 의미할 수 있다.
"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다.
"나노필라(nanopillar)"는 직경이 약 1,000nm 이하, 예를 들면 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위인 막대 형상을 의미할 수 있다.
"수접촉각"은 수분/공기/건조 표면에 대한 3상 접촉선(three phase contact line)에서의 각도를 가리키는 것으로 이해될 수 있다.
"접촉한다"는 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
"폴리아닐린"은 선택적 음이온 투과능을 갖는 고분자 양이온으로서, 산화 상태에서 프로톤화된다.
"친수성"은 고분자, 재료 또는 관능기가 물에 대하여 친화성을 갖는 것을 의미한다.
"증폭(amplification)"은 주형 분자의 적어도 하나의 세그먼트의 복수개 복제물을 형성하기 위하여 반복적으로 일어나는 반응을 의미할 수 있다.
"PCR"은 사이클 프로세스(가열 및 냉각이 교대로 이루어짐)에 의하여 하나의 최초 주형으로부터 다량의 동일한 DNA 스트랜드가 형성되는 반응을 의미하는 바, (i) 증폭하고자 하는 염기서열을 갖는 주형인 이중나선형 DNA 분자, (ii) 프라이머(주형 DNA 내 상보적 DNA 염기서열과 결합할 수 있는 단일 스트랜드 DNA 분자), (iii) dATP, dTTP, dGTP, 및 dCTP의 혼합물(PCR 증폭 과정에서 새로운 DNA 분자를 형성하도록 합쳐지는 뉴클레오티드 서브유닛)인 dNTP, 및 (iv) Taq DNA 폴리머라아제(dNTP)를 사용하여 새로운 DNA 분자를 합성하는 효소)로 이루어질 수 있다.
"상보적"이라는 용어는 뉴클레오티드 또는 핵산 사이의 염기쌍을 혼성화할 수 있는 것을 의미하며, 통상 A와 T(또는 U), 또는 C와 G이다.
전체적인 개시 내용
일 구체예에 따르면, 폴리아닐린 나노 웹 구조가 형성된 복합 나노구조체에 병원체를 접촉시켜 고정시키는 방법이 제공된다. 이때, 복합 나노구조체는, (i) 상측에 복수의 나노필라가 형성된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물, (ii) 상기 나노 패턴 구조물의 표면에 부착된 표면 개질용 금속층, 및 (iii) 상기 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 형성된 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조를 포함한다.
본 명세서에서 적용 가능한 병원체는 동식물의 생체에 침입하여 기생하면서 병을 일으키거나 위해를 주는 모든 미생물로서, 그람 양성균 및 그람 음성균을 포함할 수 있고, 구체적으로 대장균 O157:H7, 살모넬라속균(Salmonella choleraesuis, Salmonella bongori, Salmonella typhimurium), 황색포도상구균, 리스테리아속균(Listeria monocytogenes, Listeria denitrificans, Listeria grayi, Listeria murrayi), 콜레라균, 적리균, 백일해균, 디프테리아균, 장티푸스균, 페스트균, 용혈성 연쇄구균 또는 스타필로코커스 아우레우스일 수 있으며, 보다 구체적으로는 E.coli O157:H7, Salmonella choleraesuis, Salmonella bongori, Salmonella typhimurium, Listeria monocytogenes, Listeria denitrificans, Listeria grayi, Listeria murrayi 등일 수 있다.
이러한 병원체는 다양한 방식, 즉 각종 기상, 액상 및/또는 고상 매질 또는 매개체(medium)를 통하여 전파될 수 있으며, 특히 인체 접촉(예를 들면, 손 접촉)을 통하여 전파될 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 병원체가 복합 나노구조체와 접촉할 경우, 구조체 내 나노 웹 구조(스파이더 웹 구조와 유사함)에 병원체가 물리적 또는 비특이적 방식으로 고정(또는 부착)되는 방식으로 포획된다. 이와 같이 고정된 병원체는 후속적으로 증폭 반응을 거쳐 검출될 수 있는 바, 이러한 증폭 방식으로서, 예를 들면, PCR 테크닉(DNA를 증폭), NASBA 테크닉(RNA 증폭) 등과 같이 당업계에서 공지된 증폭 기술을 이용할 수 있다.
이하에서는 복합 나노구조체의 제조 및 특성, 그리고 병원체의 포획(및 검출)에 대하여 상세히 기술한다.
나노 패턴 구조물의 제작
도 1은 본 개시 내용의 일 구체예에 따라 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체의 제조 과정을 개념적으로 도시하는 도면이다.
도시된 구체예에 있어서, 복합 나노구조체는 복수의 나노필라가 구비된 고분자 재질의 나노 패턴 구조물 상에 표면 개질용 금속층이 형성되고, 상기 나노 패턴 구조물에 고분자 재질의 웹 구조를 성장시켜 제조된다.
상기 나노 패턴 구조물은 평면에 복수의 나노필라(나노 스케일을 갖는 필라 구조)가 돌출되어 있는 형태로서, 제1 고분자 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 제1 고분자는 최종 목적물인 복합 나노구조체의 적용 분야를 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 특히, 나노 패턴 구조물을 제작하는 과정 중 도포(코팅)가 용이하고, 주형 몰드로부터 비교적 쉽게 분리(탈착) 가능하고, 형성되는 나노필라의 치수 또는 배열을 용이하게 조절할 수 있는 등의 특성을 갖는 고분자를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 제1 고분자는 유연성, 광 감광성, 기계적 안정성, 열적 안정성, 화학적 안정성 등의 물성이 양호한 종류를 선택하여 사용하는 것이 유리할 수 있다.
이를 위하여, 제1 고분자는 나노 패턴 조절의 용이성을 위하여, 상온에서 비경화(유체) 상태의 점도가, 예를 들면 약 300 내지 5000 cps, 구체적으로 약 500 내지 3000 cps, 보다 구체적으로 약 800 내지 2000 cps 범위일 수 있다. 또한, 제1 고분자는 전형적으로 플라스틱 재질에 대한 접착력이 금속에 대한 접착력과 동일하거나, 또는 그 이상인 것이 유리할 수 있다. 이는 후술하는 바와 같이 금속 재질의 마스터 몰드를 사용할하여 나노 패턴을 형성할 경우, 몰딩 및 경화(예를 들면, UV 경화) 이후, 마스터 몰드로부터 나노패턴 구조물을 분리(이형)할 때, 플라스틱보다 금속에 대한 접착력이 강할 경우에는 제1 고분자 층을 마스터 몰드로부터 분리하기 곤란할 수 있기 때문이다.
예시적 구체예에 따르면, 제1 고분자는 폴리우레탄(Poly urethane, PU)계, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)계, NOA(Noland Optical Adhesive)계 및 에폭시(Epoxy)계로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있다. 이와 관련하여, NOA 계 고분자(예를 들면, Norland Products사에서 시판 중이며 상품명 NOA 61, NOA 63, NOA 65, NOA 68 등이 있음)는 다관능성 티올 및 다관능성 알릴(allyl) 모노머를 포함하는 액상 UV 경화성 모노머 혼합물이다.
특정 구체예에 따르면, 폴리우레탄 아크릴레이트(PU)와 상품명 NOA 68과 같은 NOA계 접착제의 블렌드를 사용할 수 있다. 이때, 블렌드 중 폴리우레탄 아크릴레이트(PU) 및 NOA계 접착제 각각의 함량은, 예를 들면 약 20 내지 80 중량%(구체적으로 약 30 내지 70 중량%, 보다 구체적으로 약 40 내지 60 중량%) 및 약 80 내지 20 중량%(구체적으로 약 70 내지 30 중량%, 보다 구체적으로 약 60 내지 40 중량%) 범위일 수 있다. 이하에서는 상기 PU 및 NOA계 접착제의 블렌드로부터 제조되는 고분자를 "PUNO"라고 지칭한다.
이와 관련하여, NOA 63은 NOA 61 약 70 내지 75 중량% 및 우레탄 성분 약 25 내지 30 중량%를 함유하며, NOA 61은 실질적으로 하기 화학식 I로 표시되는 테트라티올 약 55 내지 57 중량% 및 트리알릴 이소시아누레이트 약 43 내지 45 중량%로 이루어진다.
[화학식 1]
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상술한 나노 패턴 구조물은 특정 제조방법으로 한정됨이 없이 당업계에 공지된 방식을 이용할 수 있다.
도 2는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 제1 고분자 재질의 복수의 나노필라가 형성된 나노 패턴 구조물을 제조하는 일련의 과정을 도시하는 도면이다.
먼저, 복수의 나노 스케일의 홀(12)이 형성된 마스터 몰드(11)를 제공한다. 상기 마스터 몰드는, 예를 들면 실리콘(Si) 웨이퍼, PDMS(Polydimethylsiloxane), 글래스(Glass), 석영(Quartz), PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PE(polyethylene), PU(polyurethene), COC(cyclic olefin copolymer) 등과 같이 다양한 재료로부터 선택하여 사용할 수 있다. 이때, 마스터 몰드(11)의 재질과 제1 고분자는 전형적으로는 상이할 것이나, 경우에 따라서는 상이할 수 있다.
이와 관련하여, 마스터 몰드(11) 내에 형성된 나노 스케일의 홀 또는 나노 홀(12)은 추후 형성되는 제1 고분자 재질의 나노필라에 대응되는 형상 및 치수를 갖고 있는 바, 원형, 타원형, 사각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 원형일 수 있다. 이러한 나노 스케일의 홀(12)은 포토리소그래피법, 이온 밀링, e-beam 리소그래피법 등과 같이 당업계에 알려진 가공 기술에 의하여 형성될 수 있다. 본 발명이 특정 가공 기술로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 포토리소그래피법을 이용한 선택적 에칭 공정을 적용할 수 있다. 또한, 포토리소그래피법에서 이용 가능한 에칭 방법으로는 건식 에칭법, 예를 들면 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적 구체예에 따르면, 나노 스케일의 홀(12)의 직경은 약 100 내지 1000 nm(구체적으로 약 300 내지 900 nm, 보다 구체적으로 약 400 내지 700 nm), 그리고 홀(12)의 깊이는 약 100 내지 1500 nm(구체적으로 약 300 내지 1000 nm, 보다 구체적으로 약 500 내지 900 nm) 범위일 수 있다. 또한, 복수의 홀(12) 사이의 간격은 약 100 내지 3500 nm, 구체적으로 약 300 내지 2500 nm 범위, 보다 구체적으로 약 500 내지 150 nm 범위일 수 있다. 본 발명이 전술한 나노 스케일의 홀(12)의 수치 범위로 한정되는 것은 아니며, 고분자(제1 고분자 및 후술하는 제2 고분자)의 재질, 복합 나노구조체의 용도 등을 고려하여 적절하게 조절될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
마스터 몰드(11)가 제공되면, 선택적으로 이물질을 제거하기 위한 세정 단계가 수행될 수 있다. 이러한 세정을 위하여, 예를 들면 아세톤, 메탄올, 이소프로판올 등이 사용 가능하며, 경우에 따라서는 표면에 잔류하는 유기 물질을 제거하기 위하여 플라즈마 처리가 수행될 수도 있다.
상기 마스터 몰드(11) 상에 제1 고분자(또는 제1 고분자 형성용) 용액을 도포하여 고분자 층(13)을 형성한다(일종의 나노 캐스팅 또는 나노 몰딩 방식일 수 있음). 이때 도포 방식은 당업계에서 알려진 도포 방법, 예를 들면 스핀 코팅, 회전 코팅, 스프레이 코팅 등을 적절히 선정하여 적용할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 제1 고분자 층(13)을 도포한 후에 선택적으로 약 1 내지 500 μm(구체적으로 약 5 내지 300 μm, 보다 구체적으로 약 20 내지 200 μm) 두께의 고분자 재질의 연성 지지 필름층(14)을 부착하고 롤링함으로써 제1 고분자가 마스터 몰드 내 나노 스케일의 홀에 충분히 주입되도록 하는 것이 유리할 수 있다. 이때, 지지 필름층의 재질로는 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 사이클로올레핀 고분자(cyclo olefin polymer; COC), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르에틸케톤(PEEK), 폴리아미드(PA), 폴리우레탄(PU) 등을 예시할 수 있다. 이러한 지지 필름층(14)은 유연성이 양호한 것이 바람직하며, 또한 후속 단계에서 이루어질 수 있는 UV 조사를 원활히 수행할 수 있도록 투명성을 갖추는 것도 바람직할 수 있다.
또한, 지지 필름층(14)의 부착(도포) 이후에 수행되는 롤링 과정이, 전형적으로 상온 내지 90 oC의 온도 범위에서 수행될 수 있는 점, 그리고 나노 웹 구조가 비교적 저온(예를 들면, 약 10 oC 이하)에서 합성될 수 있는 점을 고려할 때, 이러한 온도 범위에서 내구성을 유지할 수 있는 종류를 선정하는 것이 유리할 수 있다. 이외에도, 나노 웹 구조가 산성 조건(예를 들면, 산 용액) 내에서 형성될 경우, 사용되는 산 성분을 비롯한 기타 화학 물질(예를 들면, 아세톤 등을 이용한 세척)에 대한 내화학성이 확보하는 것이 유리할 수도 있다.
선택적으로, 후속 과정에서 마스터 몰드(11)로부터 고분자 층(13)이 보다 용이하게 분리될 수 있도록 제1 고분자의 도포에 앞서 이형제(예를 들면, 플루오로알킬실란, 구체적으로 트리데카플루오로-(1,1,2,2)-테트라하이드로옥틸-트리클로로실란과 같은 저에너지 이형제)를 사용할 수도 있을 것이다.
이처럼, 형성된 고분자 층(13)은, 예를 들면 경화 과정을 통하여 일정한 탄성을 갖게 된다. 상기 경화 과정은 자외선(UV) 경화, 열 경화 등의 다양한 방식으로 이루어질 수 있는 바, 예를 들면 제1 고분자로서 실리콘계 탄성 고분자인 PDMS를 사용할 경우, 고분자와 함께 경화제를 함께 사용하여 고분자 용액을 제조하는데, 이때 고분자(PDMS) : 경화제의 중량 비는 당업계에서 통상적으로 사용되는 범위, 예를 들면 약 10 : 1 내지 약 11 : 1 범위일 수 있다. 경화제로서, 대표적으로는 Dow Corning사에 의하여 시판 중인 2액형의 Sylgard 184 키트(Sylgard A : Sylgard B=10:1)가 바람직하게 사용될 수 있다. 이와 같이 제조된 고분자 용액을 마스터 몰드 상에 도포한 후에 가열하여 경화시킴으로써 고분자 층(13)을 형성할 수 있다.
제1 고분자로서 폴리우레탄 아크릴레이트(PU)와 NOA계 접착제(예를 들면, 상품명 NOA 68)의 블렌드를 사용할 경우, 예를 들면, 약 1000 내지 2000 rpm 조건 하에서 마스터 몰드에 스핀코팅하고, 이후 그 위에 지지 필름으로서 예를 들면, PET 필름을 부착한 다음, 롤러를 이용하여 롤링한다. 후속적으로, UV 조사에 의하여 PUNO 고분자를 경화시키는 바, 이때, 자외선의 강도는, 예를 들면 약 100 내지 600 mJ/ cm2, 구체적으로 약 200 내지 500 mJ/ cm2, 보다 구체적으로 약 400 내지 480 mJ/ cm2 범위일 수 있다.
상기와 같이 경화된 제1 고분자 층(13)을 마스터 몰드(11)로부터 분리하여 나노 패턴 구조물(15)을 얻는다. 이러한 분리 방법으로, 예를 들면 용매 사용 방법, 습식 화학 에칭 방법, 박리(peeling) 방법 등 당업계에 알려진 다양한 방식이 채택될 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 나노 패턴 구조물은 전형적으로 소수성(또는 초소수성) 및 항박테리아성을 나타낼 수도 있다.
예시적 구체예에 있어서, 나노 패턴 구조물 중 나노필라의 종횡비(aspect ratio)는 용도, 재질 등을 고려하여 적절한 범위로 조절될 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 10, 구체적으로 약 2 내지 7, 보다 구체적으로 약 3 내지 5의 범위일 수 있다. 이와 관련하여, PDMS의 기계적 물성(E < 10 MPa; σult < 2.4 MPa)은 PUNO의 기계적 물성(E=24 MPa; σult = 11.5 MPa)에 비하여 낮기 때문에 마스터 몰드로부터 분리하는 과정에서 손상될 수 있기 때문에 PUNO 재질의 나노필라에 비하여 낮은 종횡비를 가질 수 있다.
택일적 구체예에 따르면, 본 출원인의 국내특허공개번호 제2015-0053303호에 기재되어 있는 바와 같이 고분자 몰드를 이용하여 나노 패턴 구조물을 제작할 수 있는 바, 상기 특허문헌은 본 명세서의 참고자료로 포함된다. 이외에도, 복수의 나노 스케일의 필라(또는 로드) 형상을 갖는 나노 패턴 구조물을 제공할 수 있는 한, 특정 방법으로 한정됨이 없이 다양한 방식이 채택 가능하다.
표면 개질 금속층의 부착
일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 제작된 나노 패턴 구조물(15) 상에 표면 개질용 금속층을 부착한다. 이러한 표면 개질용 금속층은 후술하는 나노 웹 구조의 형성 과정에서 제2 고분자의 성장을 촉진하는 촉매 역할을 한다. 물론, 이러한 표면 개질용 금속층의 부착 없이도 나노 패턴 구조물 상에 나노 웹 구조가 어느 정도 형성될 수는 있으나, 형성 정도 및 형성 시간 면에서 표면 개질용 금속층을 개재한 경우가 더욱 유리하다. 본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이러한 금속층이 고분자와의 접착력을 향상시킬 뿐만 아니라, 촉매로 작용하여 후술하는 나노 웹 구조의 형성을 촉진시키는 역할을 하기 때문으로 판단된다.
예시적 구체예에 있어서, 상기 표면 개질용 금속층의 예로서 Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In, Au 등, 보다 구체적으로는 Au, Ag 등을 들 수 있으며, 이들 금속을 단독으로 또는 조합하여(또는 합금 형태로) 형성할 수 있다. 특정 구체예에서는 표면 개질용 금속층의 재질로서 Au를 사용할 수 있는데, Au는 양호한 내산화성 및 내부식성, 생물학적 실험에서 사용시 비활성 표면을 제공할 수 있고, 전기전도성 및 열 전도성이 양호하며, 광 반사도(optical reflectivity)가 높고, 평활한 표면을 얻을 수 있는 등의 표면 특성을 갖고 있다. 이러한 특성을 이용하여, 예를 들면 생명과학 분야에서 유용한 기재로 사용되거나, 화학 및 생화학 센서에서 시그널 변환기(transducer)로 적용되고 있다. 또한, Au 박막은 비활성 특성을 이용하여 미세유체 디바이스에서 표면 강화 라만 산란(surface enhanced Raman scattering) 기재로도 사용될 수도 있다.
특정 구체예에 있어서, 표면 개질용 금속층은 당업계에서 알려진 방법, 열 증착(thermal vapor deposition), 스퍼터링, E-beam 증착 등을 이용하여 나노 패턴 구조물 상에 형성될 수 있다. 포면 개질용 금속층의 두께는, 예를 들면 약 1 내지 500 nm, 구체적으로 약 5 내지 300 nm, 보다 구체적으로 약 50 내지 200 nm 범위일 수 있다. 상기 나노 패턴 구조물에 대한 표면 개질용 금속층의 피복율(coverage)는, 예를 들면 적어도 약 70%, 구체적으로 적어도 약 80%, 보다 구체적으로 적어도 약 90%, 더 나아가 실질적으로 100%일 수 있다.
전술한 표면 개질 금속층, 특히 Au 층은 양호한 물리화학적 특성에도 불구하고, 하측의 고분자 기반의 나노 패턴 구조물의 표면과의 부착성이 좋지 않을 수 있다. 이는 고분자 또는 고분자 기반의 표면이 낮은 표면 에너지, 비상용성, 화학적으로 비활성이거나 약한 경계층(boundary layer)의 존재로 인하여 젖음성 및 결합성(bonding)이 낮기 때문이다. 이와 같이 하측의 나노 패턴 구조물의 표면에 대한 부착 곤란성을 완화할 목적으로, 특정 구체예에서는 나노 패턴 구조물과 표면 개질용 금속층 사이에 선택적으로 중간층(intermediate layer)을 개재할 수 있다(예를 들면, 표면 개질용 금속층/중간층의 2층 구조). 이러한 중간층으로서, 접착성이 양호한 금속, 예를 들면 Ti, V, Cr, Sc, Nb, Mo, W 등, 보다 구체적으로 Ti, Cr 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이러한 금속은 나노 패턴 구조물의 표면 상에서 극성 원자와 화학적 결합을 형성할 수 있기 때문에 상면의 표면 개질용 금속층과 하면의 고분자 재질의 나노 패턴 구조물이 견고하게 부착될 수 있도록 하는 것으로 판단된다.
다만, 상기 나열된 중간층 형성용 금속 중 Cr은 Au 층의 접착성을 개선시킬 수는 있으나, Au 표면으로 확산하여 Au 층의 형태학적 특징 또는 전기적 물성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 특정 구체예에서는 중간층으로서 Ti, 그리고 표면 개질용 금속층으로서 Au를 사용한 Au/Ti의 2층(binary layer) 구조를 적용할 수 있다.
상술한 구체예에서, 중간층 역시 열 증착(thermal vapor deposition), 스퍼터링, E-beam 증착 등과 같은 공지의 방법을 이용하여 나노 패턴 구조물 상에 부착될 수 있다. 예를 들면 약 1 내지 500 nm, 구체적으로 약 5 내지 300 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 100 nm 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 표면 개질 금속층/중간층의 두께 비는 전형적으로 약 1 내지 50, 구체적으로 약 3 내지 20, 보다 구체적으로 5 내지 10의 범위로 조절될 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 전술한 표면 개질용 금속층(및 중간층)의 형성 단계는, 예를 들면 50 oC의 챔버 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들면 타겟(Au 등)에만 특이적으로 레이저를 조사하여 타겟의 유리 전이 온도까지 가열, 증착 대상인 나노 패턴 구조물에 증착시킬 수 있고, 이때 증착 두께는 증착 시간에 따라 조절할 수 있을 것이다.
나노 웹 구조의 형성
일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 나노 패턴 구조물 상에 표면 개질용 금속층이 형성되면, 특히 상기 표면 개질용 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물에 대하여 제2 고분자를 성장시켜 나노 웹 구조를 형성한다.
도 3은 본 개시 내용의 일 구체예에 있어서 표면 개질용 금속층이 부착된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물의 나노필라에 제2 고분자의 나노 섬유 구조가 성장하여 웹 구조를 형성하는 원리를 도시하는 도면이다.
상기 도면에 도시된 바에 따르면, 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 중 나노필라의 표면은 제2 고분자의 성장 면으로 작용한다. 구체적으로, 나노필라의 측면의 적어도 일 지점(구체적으로 복수의 지점)으로부터 횡 방향(나노필라 측면 기준으로, 예를 들면 약 10 내지 170 ° 방향, 구체적으로는 약 30 내지 150 ° 방향, 보다 구체적으로는 약 60 내지 120 ° 방향, 특히 실질적으로는 약 90 ° 방향)으로 성장한 제2 고분자의 나노 섬유(예를 들면, 성장하는 섬유 스트랜드의 단부가 쐐기 또는 ?지 형상을 가짐)는 인접하는 나노필라의 적어도 일 지점(구체적으로 복수의 지점)으로부터 횡 방향으로 성장된 제2 고분자의 나노 섬유와 합쳐쳐 상호 연결됨으로써 웹(web) 또는 메쉬 구조와 유사한 네트워크(network)를 형성하게 된다. 또한, 제2 고분자의 섬유 구조는 나노필라의 상면에서도 성장할 수 있는 바, 이때 상면에서의 성장 방향은 배향 또는 비배향(예를 들면, 섬유 스트랜드가 상호 간에 랜덤 방향 또는 방사형으로 배열됨)일 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 복수의 나노필라 사이를 상호 연결하도록 성장하는 제2 고분자 섬유(스트랜드)의 직경은 약 10 내지 200 nm, 구체적으로 약 30 내지 100 nm, 보다 구체적으로 약 50 내지 80 nm 범위일 수 있다. 또한, 나노 웹의 평균 메쉬 사이즈는 약 1 내지 1,500 nm, 구체적으로 약 50 내지 1,200 nm, 보다 구체적으로 약 100 내지 1,000 nm 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 제2 고분자는 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르에테르케톤-케톤(PEEKK), 폴리설폰(PSU; 예를 들면 상품명 Udel®), 폴리에테르 설폰, 폴리페닐에테르설폰, 폴리페닐렌, 폴리이미다졸, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아닐린(polyaniline; PANI), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 등을 예시할 수 있으며, 이를 단독으로 또는 조합하여 선택할 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 나노 웹 형성을 위한 제2 고분자의 중합 반응은 주형을 이용한 방법, 또는 계면 방식, 시딩(seeding) 방식 및 미셀(micellar) 방식과 같은 주형을 이용하지 않는 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 제2 고분자로서 폴리아닐린을 사용할 수 있는 바, 이때 사용 가능한 아닐린 모노머의 경우, 예를 들면 치환되거나(예를 들면, p-CH3, p-OCH3, o-CF3, m-CF3, p-COOH, o-NH2, p-NH2 등으로 치환 가능함), 치환되지 않은 아닐린, 구체적으로 치환되지 않은 아닐린일 수 있다.
특정 구체예에서 상기 제2 고분자로서 하기 일반식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 폴리아닐린이 사용될 수 있다.
[일반식 1]
Figure 112016080977462-pat00002
상기 구체예에 있어서, 폴리아닐린은 전도성 고분자로서 제조 및 도핑이 용이하고 환경적으로도 안정하기 때문에 센서, 태양전지, 디스플레이, 배터리 전극, 내부식성 코팅 등에 적용하는데 적합하며, 예를 들면 약 1,000 내지 100,000, 구체적으로 약 5,000 내지 90,000, 보다 구체적으로 약 10,000 내지 6,5000의 중량평균분자량(Mw)을 가질 수 있다.
폴리아닐린은 전형적으로는 산성 매질 내에서 아닐린 모노머를 화학적으로 중합하는 방식(교반 또는 비교반 조건 하에서)으로 합성될 수 있다. 대표적으로, 아닐린 모노머를 함유하는 산성 수용액 매질 내에서 산화제(oxidant)를 사용한 화학적 산화 방식을 채택할 수 있다. 이와 관련하여, 폴리아닐린의 중합 반응 및 최종 생성물의 특성에 영향을 미치는 파라미터로서, 전형적으로 반응 매질, 산화제의 사용량(농도), 반응 시간, 반응 매질의 온도 등을 예시할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 산성 수용액 매질 내에 사용되는 산의 종류로서, 예를 들면, 염산, 황산, 질산, 과염소산, β-나프탈렌설폰산(β-naphtalenesulfonic acid), 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설폰산(poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid), 폴리(스티렌설폰산) 등의 다양한 무기산 및/또는 유기산(고분자산)을 사용할 수 있다. 예시적으로, 아닐린 모노머는 수용액 매질 내에, 예를 들면 약 0.1 내지 3 중량%, 구체적으로 약 0.9 내지 3 중량%, 보다 구체적으로 약 0.9 내지 1 중량%의 범위로 함유될 수 있다.
특정 구체예에 있어서, 산성 매질 내 산 : 아닐린 모노머의 몰 비는, 예를 들면 약 1 : 0.001 내지 1 : 0.1, 구체적으로 약 1 : 0.01 내지 1 : 0.05, 보다 구체적으로 약 1 : 0.01 내지 1 : 0.02 범위일 수 있다. 상기 산성 매질의 pH 범위는, 예를 들면 약 -1 내지 7, 구체적으로 약 -1 내지 2, 보다 구체적으로 약 1 내지 2 범위일 수 있다. 상술한 수치 범위는 예시적인 것으로서, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것이 아님을 주목해야 한다.
또한, 산화제로서, 예를 들면 암모늄 퍼설페이트, 암모늄 퍼옥시디설페이트, 소디움 퍼설페이트, 포타슘 퍼설페이트, FeCl3, CuCl2, 과산화수소, 과망간산칼륨 등을 사용할 수 있다. 상술한 산화제의 사용량은 아닐린 모노머의 중량 기준으로, 예를 들면 약 1 내지 100 중량%, 구체적으로 약 30 내지 60 중량%, 보다 구체적으로 약 40 내지 50 중량% 범위일 수 있다. 이외에도, 중합 반응 시간은, 예를 들면 약 1 내지 60 시간, 구체적으로 약 12 내지 60 시간, 보다 구체적으로 약 15 내지 24 시간 범위일 수 있다.
상술한 구체예에 있어서, 폴리아닐린은 수불용성이므로 중합이 진행됨에 따라 고분자의 침전물이 형성된다. 본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 모노머 분자들이 먼저 특정 과포화 레벨로 축적된 후에 핵 형성 및 성장 과정을 거치는 것으로 볼 수 있는 바, 여기서 핵은 모상(parental phase) 내에서 순간적으로(균일한 방식으로) 형성되거나, 또는 용액 내의 다른 종류의 표면(구체적으로, 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물) 상에서 불균일한 방식으로 성장하게 된다.
이와 관련하여, 중합 반응은, 예를 들면 약 0 내지 10 ℃, 구체적으로 약 2 내지 7 ℃, 보다 구체적으로 약 3 내지 5 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 이와 같이, 비교적 낮은 온도 범위에서 중합 반응을 수행함으로써 생성된 폴리아닐린은 불균한 방식으로 핵 형성이 이루어지는 경향을 갖게 되는 바, 핵과 기재와의 계면 에너지를 최소화할 수 있기 때문에 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 보다 견고한 결합이 이루어질 수 있는 것으로 판단된다.
또한, 폴리아닐린 중합 반응을 보다 높은 온도, 예를 들면 상온에서 수행할 경우, 폴리아닐린 섬유(fiber)의 성장 속도가 빨라지기는 하나, 이 경우 형성되는 고분자 간의 응집 경향 역시 증가할 수 있다. 이 때문에 전술한 바와 같이 비교적 저온에서 중합반응을 수행할 경우, 반응 속도를 늦추도록 하여 나노 구조물 전체에 걸쳐 효과적인 중합 반응이 일어날 수 있고, 특히 폴리아닐린 섬유를 나노 패턴 구조물 내 나노필라 사이에 나노 웹 구조가 균일하게 성장할 수 있는 것으로 판단된다.
전술한 바와 같이, 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물에 나노 웹이 형성된 복합 나노 구조체는 나노 웹의 형성 전의 표면과 상이한 특성을 갖게 된다. 구체적으로, 제2 고분자로서 폴리아닐린 재질의 나노 웹이 형성될 경우, 소수성을 나타내는 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물이 친수성을 나타내도록 특성이 변화한다. 예를 들면, 나노 웹 형성 전 나노 구조물의 수접촉각은, 예를 들면 약 80 내지 150 °(구체적으로 약 90 내지 130 °)인 반면, 나노 웹 형성 후에는 예를 들면 약 5 내지 50 °(구체적으로 약 10 내지 30 °)으로 감소할 수 있다.
또한, 나노 웹 형성 전의 나노 패턴 구조물의 나노필라는 상호 간격이 좁고 외부에서 작용하는 물리적인 힘에 의하여 쉽게 변형이 될 수 있는데, 이는 연성 구조물의 경우 외부에서 가해주는 힘에 따라 변형된 이후 근접 거리가 가까워지며 이후 반데르발스 힘에 의하여 상호 엉겨붙게 되면 보다 강력한 결합력으로 원래의 구조를 유지하기 곤란하기 때문이다. 그러나, 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체의 경우, 나노필라 사이에 형성된 구조의 강성이 증가하게 되고 일종의 중간 범퍼층으로 작용하여 외부에서 가해주는 힘(수평 및/또는 수직 힘)의 크기가 증가하더라도 나노필라의 구조 일부가 변형이 될 수 있다 해도 전체적인 구조를 일정 수준으로 지지할 수 있다. 또한, 중간에 형성된 복합 나노구조체의 형상 또는 모양은 일정하게 유지할 수 있다.
상기와 같이 제조된 복합 나노구조체는 유연성을 갖는 물품(예를 들면, 장갑, 섬유 등)의 표면에 부착할 수 있다. 특히, 제조 과정 중 나노구조체 내 나노필라의 길이, 직경, 나노필라 사이의 간격 등을 용이하게 조절할 수 있는 바, 특히 나노필라 사이의 간격을 조절함으로써 궁극적으로 이의 형태, 특성 등을 제어할 수 있다.
복합 나노구조체를 이용한 병원체의 고정(포획)
일 구체예에 따르면, 상술한 바와 같이 제작된 복합 나노구조체, 특히 구조체 내 나노 웹 구조에 병원체를 접촉시켜 고정하는 방법이 제공된다. 종래 기술 대부분은 표면 상에 병원체의 고정 또는 부착을 억제하는 방식을 통하여 항균 효과를 도출하는 방식인 반면, 본 구체예에서는 오히려 병원체를 표면에 고정시키는 작용을 증가시킴으로써 병원체를 정성적 및/또는 정량적 방식으로 검출하는 방안을 제공한다.
전술한 방식은 나노 웹에 의한 물리적 또는 비특이적 고정 또는 포획 원리, 구체적으로 화학적 방식 또는 항원-항체의 생화학적 방식을 이용하는 대신에, 나노 웹 구조 표면의 나노 섬모 구조와 병원체 표면의 섬모 구조와의 상호 작용을 이용하여 물리적으로 병원체를 고정하는 원리를 이용한다. 더 나아가, 복합 나노구조체의 제작 과정 중 나노필라의 길이, 직경 및 필라 사이의 간격을 자유롭게 조절할 수 있기 때문에, 박테리아뿐만 아니라, 보다 작은 사이즈의 바이러스까지도 포획 및 검출하는데 적용 가능성이 있다.
예시적 구체예에 따르면, 병원체는 다양한 방식으로 또는 다양한 매개체를 통하여, 예를 들면 인체(예를 들면, 피부) 접촉, 액상(예를 들면, 기침 중 타액) 및/또는 기상(예를 들면, 공기)를 통하여 복합 나노구조체와 접촉하여 고정될 수 있다. 특히, 피부 전염으로 전파는 병원체의 경우, 손 접촉만으로도 용이하게 고정시킬 수 있다.
이와 같이 고정된 병원체는 증폭 반응을 거쳐 검출될 수 있으며, 이때 PCR 테크닉(DNA 증폭 방식), NASBA(Nucleic Acid Sequence Based Amplification) 테크닉(RNA를 이용한 등온 조건 하에서의 증폭 방식) 등과 같이 당업계에서 공지된 임의의 증폭 기술을 활용할 수 있다. 예를 들면, PCR 방식은 국내특허번호 제 593687호 등에 기재되어 있고, NASBA 방식은 EP 0 329 822 B1, 미국특허번호 제6,110,681호 등에 예시되어 있는 바, 전술한 선행문헌들은 본 발명의 참고자료로 포함된다. 또한, PCR 방식으로서, 어셈블리-PCR, 비대칭(asymmetric) PCR, 디지털(digital) PCR, 종점(endpoint) PCR, 인버스(inverse) PCR, 메틸화-특이성 PCR, 정성(qualitiative) PCR, 정량(quantitative) PCR, 실시간(real-time) PCR, RT(reverse transcription)-PCR 등을 예시할 수 있다.
상술한 바와 같이 증폭된 생성물은 당업계에서 알려진 방법에 의하여 검출(detection)될 수 있는 바, 예를 들면 겔 전기영동(gel electrophoresis), ELGA(enzyme-linked gel assay), ECL(electrochemiluminescent) 등을 이용할 수 있다. 다만, 상기 방식은 증폭 반응의 결과를 확인하기 위하여 각 샘플에 대하여 검출 단계를 별도로 수행해야 하는 불편한 점이 있기 때문에 택일적으로 형광을 이용한 검출 방법을 이용할 수도 있다.
예시적 구체예에 따르면, 증폭된 생성물은 라벨화된 프로브, 구체적으로는 형광 라벨화된 프로브를 이용하여 검출될 수 있다. 이러한 형광 라벨화된 프로브의 대표적인 예로서, 엄벨리페론(umbelliferone), 플루오레신(fluorescein), 플루오레신이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate; FITC), 로다민(rhodamine), 탐라(TAMRA), 디클로로트리아지닐아민플루오레신(dichlorotriazinylamine fluorescein), 단실클로라이드(dansyl chloride), 양자점(quantum dots), 피코에리스린(phycoerythrin), FAM(fluorecein amidite) 등을 포함하는 플루오세인계(fluorescein), 알 렉사플로어계 (alexa fluor) 및 Cy3, Cy5, Cy7, 인도시아닌그린을 포함하는 시아닌계(cyanine) 등의 형광 물질 등을 들 수 있으며, 이중 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명이 상기 예시된 형광 물질로 한정되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 형광 물질은 특정 파장의 광에 의하여 여기된 후, 또 다른 파장의 광을 방출하여 잉여 에너지를 배출하는 바, FITC와 같은 형광 물질은 550 nm 파장의 광을 방출한다
또 다른 구체예에서는 분자 비콘 프로브 또는 TaqMan 프로브 등의 형광을 이용한 검출 방법을 이용할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 바이오 칩을 사용할 경우에는 분자 비콘 또는 TaqMan 프로브를 이용한 형광 검출 방식이 특히 유리한 바, 이는 단일 바이오 칩 내에서 샘플의 농축, 증폭 및 검출을 모두 수행할 수 있기 때문이다.
분자 비콘 프로브는 올리고뉴클레오타이드의 5' 말단을 형광체(fluorescent dye)로, 3' 말단을 소광제(quencher)로 결합시킨 것이다. 올리고뉴클레오타이드 스트랜드는 타겟서열에 상보적인 루프형 프로브 부분과 그 양쪽 끝에 5 내지 6개의 뉴클레오타이드의 자기상보(Self-complementary) 영역으로 구성되는데, 타겟이 없을 경우에는 프로브의 상보부분이 인접된 머리핀 형태로 형광체와 소광제가 인접하여 강한 소광 효과를 나타낸다. 반면, 타겟과 반응하면 루프형의 배열이 펴지며 직선으로 되어 형광체와 소광제의 거리가 멀어지게 되어 형광이 관찰된다.
TaqMan 프로브의 경우, 5' 말단을 형광체(FAM 등)로, 3' 말단을 소광제(TAMRA 등)로 수식한 올리고뉴클레오타이드를 증폭 용액에 첨가하는 방법으로서, TaqMan 프로브는 어닐링 단계에서는 주형 핵산에 특이적으로 혼성화되지만 프로브 상의 소광제에 의하여 형광 발색이 억제된다. 연장 반응 시에 Taq DNA 중합효소가 갖는 5'→3' 핵산말단분해효소(exonuclease)의 활성으로 주형에 혼성화된 TaqMan 프로브가 분해됨에 따라 형광 색소가 프로브로부터 유리되면서 소광제에 의한 억제가 해제되어 형광을 나타낸다. 다만, 검출 특이성 면에서 분자 비콘을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
전술한 프로브는 증폭 용액에 첨가하여 사용하는데, 이와 같이 증폭에 앞서 첨가할 경우에는 프라이머가 핵산과 결합함에 있어서 프로브와 경쟁적 관계를 형성한다. 즉, 프로브와 타겟 핵산의 혼성화에 의하여 비특이적(non-specific) 결합이 증가한다. 따라서, 과량을 사용할 경우에는 증폭 반응의 저해제로 작용할 수 있다. 반면, 프로브의 량이 일정 수준 미만인 경우에는 증폭된 핵산에 비하여 불충분한 형광 특성으로 인하여 원하는 검출 효과를 기대하기 어렵게 된다. 결국, 증폭 방식을 고려하여 프로브의 사용량, 기타 반응 조건을 실험적으로 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 이러한 문제 가능성을 해소하기 위하여, 예를 들면 증폭 반응 시간을 증가시킴으로써 프로브 첨가가 증폭 반응에 미치는 영향을 억제하면서 프로브의 최대 한계 사용량을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 폴리아닐린의 나노 웹 구조가 형성된 복합 나노구조체에 대한 병원체의 고정시켜 포획하는 작용을 강화함으로써 포획된 병원체를 저감 또는 사멸시키는 방법(즉, 접촉 제거)이 제공된다. 이러한 구체예에서, 나노 웹 구조의 표면에 병원체가 안정적으로 고정되면, 생화학적으로 사멸을 유도하는 메커니즘을 이용한다. 본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 폴리아닐린의 양의 전하가 세포막을 침투하거나, 또는 양이온 교환을 유도하여 세포막의 완전성(integrity)을 교란시켜 세포용해를 유도하는 것으로 추측된다.
추가적인 구체예에 따르면, 복합 나노구조체 내에 형성된 나노 웹을 특정 화학 물질(구체적으로 생화학 물질)로 표면 개질함으로써 병원체를 복합 나노구조체 상에 특이적으로 고정시킬 수 있다. 이러한 화학 물질로서 검출하고자 하는 특정 병원체의 항원에 대응되는(특이적인) 항체, 특정 병원체로부터 유래된 유전자 등을 예시할 수 있다. 예를 들면, 나노 웹 표면을 항체로 개질시킬 경우, 항원-항체 반응을 통하여 특정 병원체를 선택적으로 고정할 수 있고, 후속적으로 이를 검출할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예에서는 도 4에 도시된 순서에 따라 복합 나노 구조체를 제작하였다. 본 실시예에서 사용된 물질 및 장치는 하기와 같다:
- UV-경화성 접착제: NOA 63(Norland Optical Adhesives)
- PET 필름: 일본 Mitsubishi사 (두께: 50 μm)
- 폴리우레탄 아크릴레이트(PU): 일본 Minuta Tech사의 제품명 MINS-311RM
- 과염소산(Perchloric acid; HClO4): 한국, OCI사(농도: 70%)
- 아닐린 모노머: Sigma-Aldrich(99.5%)
- 암모늄 퍼설페이트(Ammonium Persulfate): Sigma-Aldrich (98%)
- 반응기: Neo 60 폴리프로필렌 박스(KOMAX, Korea)
- Si 웨이퍼: LG 실트론사의 제품명 8인치 웨이퍼 (두께: 0.7 mm)
- E-beam evaporator: Evatac Process System사의 제품명 BAK641
마스터 몰드의 제작
Si 웨이퍼를 퍼니스(Centrotherm사의 제품명 Furnace E1200)에 넣고 1500 nm 두께의 SiO2 층을 형성하였다. 이후, 0.7 ㎛ 두께에 상당하는 량의 포토레지스트로서 (Dongjin Semichem 사의 제품명 SKKA-8670)을 Si 웨이퍼 상에 스핀코터(SEMES 사의 제품명 Kspin 8)로 3000 rpm에서 60 초 동안 도포하였다. 그 다음, 마스크(mask)를 사용하여 포토레지스트가 도포된 Si 웨이퍼 표면에 UV 광(세기: 30 mJ / cm2)을 조사하여 노광하였다. 이후, 현상액(developer)을 이용하여 포토레지스트를 제거하고, 그 다음 ICP(Lam Research사의 제품명 TCP9400 SE) 및 가스 혼합물(Cl2, HBr 및 O2)을 이용하여 에칭하였다. 그 결과, Si 웨이퍼에 복수의 나노 홀이 형성되었으며, 이때 나노 홀의 직경, 깊이 및 나노 홀 사이의 간격은 각각 500 nm, 1500 nm 및 500 nm이었다.
나노 패턴 구조물의 제작
복수의 나노홀이 형성된 Si 웨이퍼를 주형으로 하여 대면적 나노필라 어레이(나노 패턴 구조물)를 제작하였다. 구체적으로, 폴리우레탄 아크릴레이트(PU) 및 NOA 68 을 3 : 7(중량 기준)의 비율로 교반 하에서 혼합하여 액상의 고분자 블렌드(PUNO)를 제조하였다. 상기 고분자 블렌드를 앞서 제작된 마스터 몰드 상에 스핀 코팅(조건: 30초 간 1200 rpm)에 의하여 도포하여 마스터 몰드 상에 약 100 ㎛의 두께를 갖는 필름을 형성시켰고, 이에 진공을 가하여 기포를 충분히 제거하였다. 상기 스핀코팅된 PUNO 고분자 필름의 표면 상에 PET 필름을 덮어주고 롤러를 이용하여 충분히 롤링시킴으로써 PET 필름과 PUNO 필름 사이의 기포를 제거하였다. 상기 얻어진 필름 복합체(PET 필름/PUNO 필름/마스터 몰드)에 480 mJ/cm2 강도의 UV를 1분 동안 조사하여 PUNO 필름을 경화시켰다. 이후, 형성된 PUNO 고분자 층을 마스터 몰드로부터 박리하여 나노 패턴 구조물을 얻었으며, 추가적으로 자외선(UV)을 5분 동안 조사하였다. 상기와 같이 제작된 나노 패턴 구조물에 대한 SEM 사진을 도 5에 나타내었다. 분석 결과, 나노 패턴 구조물에 형성되어 있는 나노필라의 직경, 높이, 그리고 복수의 나노필라 사이의 간격은 각각 500 nm, 1500 nm 및 500 nm이었다 (종횡비: 1:3).
표면 개질용 금속층의 부착
상술한 바와 같이 제작된 나노 패턴 구조물 상에 E-beam evaporator를 사용하여 Ti를 20 nm 두께로 증착하였고, 이후 Au를 100 nm 두께로 순차적으로 증착하여 나노 패턴 구조물 상에 Au/Ti 금속층을 형성하였다. E-beam evaporator는 50 oC로 조절된 챔버 내에서 작동되었으며, 각각의 타겟 금속(Ti 및 Au)에 특이적으로 레이저를 조사하여 해당 금속의 유리전이온도까지 가열하여 증착시켰다(증착 조건: 2000 Å, 10초 당 1 nm 두께로 증착). 이때, Ti는 200 초, 그리고 Au는 1000 초 동안 증착시켰다.
나노 웹의 형성
Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물을 기재로 하여 하기의 절차에 의하여 폴리아닐린(PANI) 재질의 나노 웹을 형성하였다. 상기 나노 웹의 형성에 수반되는 혼합 및 중합 반응은 모두 3℃의 냉장고 내에서 수행하였다.
6L 용량의 폴리프로필렌 박스에 940 mL 의 탈이온수(DI water) 및 60.16 mL 의 과염소산 (1 M) 을 투입하여 혼합하였으며, 추가적으로 1.53 g 의 암모늄 퍼설페이트 (0.0067 M) 을 투입하여 혼합하였다. 그 다음, 중합 반응 직전에 아닐린 모노머 900 μL (0.001 M)를 투입한 합성 용액을 제조하고, 이에 Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물을 함침시켜 24 시간 동안 중합 반응을 수행하였다. 중합 반응이 종료된 후, 복합 나노구조체를 꺼내고 잔여 미반응물을 탈이온수로 세척하여 제거하였다.
본 실시예에서 제작된 (a) 나노 홀이 형성된 Si 마스터 몰드, (b) PUNO 재질의 나노 패턴 구조물, (c) Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 및 (d) PANI 재질의 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체 각각에 대한 SEM 사진을 도 6a에 나타내었다.
상기 도면에 나타낸 바와 같이, PUNO 재질의 나노 패턴 구조물 중 나노필라가 Si 마스터 몰드의 나노 홀에 대응하여 형성되었고, 나노 패턴 구조물의 표면에 Au/Ti 금속층을 부착한 후 중합 반응에 의하여 폴리아닐린(PANI) 재질의 나노 웹 구조가 이의 표면에 형성되었다. 특히, 복합 나노구조체 중 나노필라의 측면으로부터 폴리아닐린 섬유(또는 스트랜드)가 성장하여 인접하는 나노필라의 측면으로부터 성장된 폴리아닐린 섬유(또는 스트랜드)와 합쳐져 메쉬 구조와 유사한 네크워크를 형성함을 확인할 수 있다.
한편, 상기와 같이 제작된 복합 나노구조체의 두께 방향에서 촬영한 SEM 사진을 도 6b에 나타내었다. 상기 도면에 따르면, 폴리아닐린 재질의 나노 웹 구조의 형성 전 나노필라 자체의 직경은 약 500 nm이었고, 폴리아닐린으로 피복된 나노필라의 직경은 약 800 nm이었다. 또한, 폴리아닐린의 형성 과정을 거친 후, 나노필라의 깊이(복수의 나노필라 사이의 바닥면 상에 폴리아닐린이 성장한 상태에서의 깊이)는 약 1200 nm이었다. 또한, 나노필라 사이에 형성된 폴리아닐린 나노 웹의 두께는 약 150 nm이었다.
복합 나노구조체의 분석
- 표면 상 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometry) 분석
EDS 장비를 이용하여 (a) PUNO 재질의 나노 패턴 구조물, (b) Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물, 및 (c) PANI 재질의 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체 각각에 대한 표면 상 EDS 분석 결과를 SEM 사진과 함께 도 7에 나타내었다.
검출된 특성 X-선을 분석한 결과, (a) 나노 패턴 구조물의 경우에는 PUNO 고분자를 구성하는 C, O 및 S의 특성 피크가 주로 검출되었고, 마스터 몰드로부터 기인하는 Si의 특성 피크가 미량 검출되었다. (b) Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물의 경우에는 Au에 상당하는 특성 피크가 두드러짐을 알 수 있는 바, 이는 구조물의 표면 상에 Au가 치밀하게 존재함을 의미한다. 한편, (c) PANI 재질의 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체의 경우에는 부착된 Au 이외에 나노 웹을 구성하는 폴리아닐린으로부터 기인하는 질소(N)에 대응하는 특성 피크가 검출되었다. 상술한 SEM 사진 및 EDS 분석 결과로부터 표면 개질용 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물에 나노 웹 구조의 폴리아닐린이 형성되었음을 확인할 수 있다.
- 수접촉각의 변화 측정
접촉각 측정기를 이용하여 (a) 나노 패턴 구조물, (b) Au/Ti 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물, 및 (c) PANI 나노 웹이 형성된 복합 나노구조체 각각에 대한 수접촉각을 측정하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, PUNO로 이루어진 나노 패턴 구조물 및 표면 개질용 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 모두 수접촉각이 130°로서 물에 대한 젖음성이 낮았다(즉, 높은 소수성). 반면, 폴리아닐린 나노 웹 구조가 형성됨에 따라 수접촉각이 20°로 급격히 감소하였는 바, 이는 물에 대한 젖음성이 현저히 증가하였음을 의미한다(즉, 친수성의 증가). 이러한 결과로부터 나노 웹을 통하여 나노 패턴 구조물의 표면 특성을 변화시킬 수 있음이 확인되었다.
- 복합 나노구조체의 수평 방향 외력에 대한 내성 테스트
본 실시예에서 제작된 복합 나노구조체의 강성을 평가하기 위하여, 수평 방향으로 힘을 가하여 발생하는 나노구조의 변형 정도를 SEM으로 관찰하였고, 가한 수평 압력에 대한 복합 나노구조체 내 나노필라의 각도 변화 정도를 도 9a에 나타내었다.
내성 테스트 결과, 수평 방향 외력의 크기가 증가함에 따라 수직 방향으로 배열된 나노필라가 점차 기울어졌으나, 복수의 나노필라 측면에서 성장하여 서로 연결되어 웹을 형성한 섬유 구조가 상호 완충 작용을 하기 때문에 상당한 외력이 가해짐에도 불구하고 기본 구조가 쉽게 붕괴되지 않음을 확인할 수 있다.
- 복합 나노구조체의 수직 방향 외력에 대한 내성 테스트
본 실시예에서 제작된 복합 나노구조체의 강성을 평가하기 위하여, 수직 방향으로 힘을 가하여 발생하는 나노구조의 변형 정도를 SEM으로 관찰하여 그 결과를 도 9b에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 588 kPa의 수직 압력까지는 복합 나노구조체 내의 기본 나노필라 어레이의 형태가 유지되었으며, 보다 높은 1961 kPa의 압력에서는 전체적으로 복합 나노구조체의 구조가 붕괴되었음을 확인할 수 있다. 이와 같이, 수직 방향으로 588 kPa까지의 높은 압력(외력)에 대하여도 나노필라의 기본 형태가 유지되는, 양호한 내성을 나타내는 이유는 나노필라 측면에 형성된 나노 섬유 구조들이 나노필라와 나노필라를 연결하고 있어 상호 완충 작용을 하기 때문으로 판단된다.
비교예 1
나노 패턴 구조물의 제작 후 Au/Ti 금속층의 개재 없이 직접 나노 웹을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 복합 나노구조체를 제작하였다.
비교를 위하여, 상기와 같이 제작된 복합 나노구조체 및 실시예 1에 따라 제작된 복합 나노구조체 각각에 대한 SEM 사진을 도 10에 나타내었다.
상기 도면에 나타낸 바와 같이, 나노 패턴 구조물의 표면에 금속층의 부착 여부에 관계없이 복합 나노구조체를 형성할 수 있었다. 그러나, 표면 개질용 금속층이 부착된 경우에는 금속층이 일종의 촉매 역할을 수행하여 동일 시간 대비 웹 구조의 형성 속도가 빠르게 진행되는 반면, 금속층이 부착되지 않는 경우에는 폴리아닐린의 성장 속도가 현저히 감소하기 때문에 웹 구조를 형성하는데 상당히 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다.
비교예 2
나노 웹의 형성 없이 실시예 1에서 제작된 나노 패턴 구조물에 대하여만 수직 및 수평 방향으로 힘을 가하여 발생하는 나노구조의 변형 정도를 SEM으로 관찰하였는 바, 외력을 가하기 전 및 외력(각각 160 kPa 및 1,200 kPa)을 가한 이후, 나노 패턴 구조물 내 나노필라 어레이의 형태 변화를 각각 도 11에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 나노 웹이 형성되지 않은 나노 패턴 구조물에 있어서 수직 방향으로 배열되어 있는 나노필라가 외부의 물리적 힘에 의하여 비교적 용이하게 변형되는 현상이 관찰되었다. 특히, 나노필라 간 거리가 근접하도록 변형된 이후에는 PUNO 고분자의 탄성 특성에도 불구하고 반데르발스 힘에 의하여 본래 구조를 유지하기 곤란한 것으로 판단되었다.
실시예 2
병원체에 대한 복합 나노구조체의 고정 테스트
실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체를 이용하여 인체 접촉을 통한 병원체 전파의 모사 실험을 수행하였다. 이를 위하여, 모델 병원체로서 E.coli O157:H7 ((ATCC 43895): American Type Culture Collection (Washington DC, USA))를 선택하였으며, 병원체를 튜브에 넣고 15mL의 Luria-Bertani (LB) 배지와 함께 250 rpm으로 37?에서 교반하면서 24 시간 동안 배양하였다. 이때, UV 흡광도 측정법(600 nm)에 의한 광학 밀도(optical density; OD) 값이 1이 되었을때 배양을 종료하여 배양물을 회수하였다.
이후, 손끝에 병원체 배양물을 묻혀 복합 나노 구조물의 표면에 수직 방향으로 프레싱하여 접촉을 모사하고, 또한 수평 방향으로 러빙하여 문지름을 모사하였다. 이로부터 복합 나노구조체의 표면에 병원체가 고정 및 포획되는지 여부를 SEM 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 복합 나노구조체에 수평 및 수직 방향으로 접촉을 모사하는 경우 모두 손에 묻힌 병원체 다수가 복합 나노구조체 표면에 고정되어 있음을 확인할 수 있다.
복합 나노구조체에 고정된 병원체에 대한 증폭 반응 및 검출 테스트
전술한 바와 같이 병원체가 포획된 복합 나노구조체에 대한 PCR 분석을 통하여 특정 병원체가 존재하는지 여부를 확인하였다. 이때, PCR 분석은 하기의 절차를 통하여 수행하였다.
복합 나노구조체에 수평 및 수직 방향으로 접촉을 모사하여 병원체로서 E.coli O157:H7이 고정된 복합 나노구조체를 3 mm-2의 크기로 절단하여 PCR에 적용하였다. Primer3 프로그램을 통해 E.coli O157:H7의 yliE gene을 표적하여 PCR 프라이머(forward primer: 5'-TCA AAT AAA TTG CTC TCA CTG AT-3'; reverse primer: 5'-AC AGCC AGA TAC TGA TTA TTG T-3')를 제조한 다음, SpeedSTARTM HS DNA Polymerase (Takara Bio INC., Shiga, Japan) 제품을 사용하여 PCR을 수행하였다.
PCR은 총 25 μL의 부피에서 수행되었으며 반응 용액에는 10μL의 Fast Buffer I (20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 100 mM KCl, 0.1 mM EDTA, 1 mM DTT, 0.5% Tween20, 0.5% Nonidet P-40, 50% Glycerol), 3.0 μL 의 2.5 mM dNTP 혼합액, 2.0 μL 프라이머, 0.25 μL의 Speed STAR HS (5 units/μL), 그리고 1.0 μL의 0.7 mg/mL 농도의 bovine serum albumin(BSA) 용액이 포함되었다.
PCR 온도 사이클링 조건은 먼저 초기 활성화(initial activation) 및 대장균의 용해(lysis)를 위하여 95 ℃에서 5분 동안 유지시킨 후, 95 ℃에서 5초, 58 ℃에서 15초, 그리고 72 ℃에서 10초의 열적 순환을 40회 반복한 다음, 72 ℃로 3분 동안 최종 연장 반응(final extension)을 수행하여 유전자 증폭을 완료하였다.
그 다음, 전기 영동 장치(Mupid2plus)를 이용하여, PCR 증폭 생성물의 전기 영동 패턴을 분석하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
상기 도면에 나타난 바와 같이, 증폭된 E.coli O157:H7에 상당하는 밴드가 선명하게 존재한 점을 고려할 때, 향후 복합 나노구조체를 이용하여 병원체의 진단 또는 검출 플랫폼으로의 활용 가능성을 확인할 수 있다.
실시예 3
실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체에 고정되어 포획된 병원체(E.coli O157:H7)에 대한 PCR 분석 시 중요 고려사항 중 하나는 검출 한계 농도이다. 이를 검증하기 위하여 순차적으로 107개의 세포부터 101개의 세포까지 10배씩 희석하여 총 7개의 농도별 병원체(E.coli O157:H7) 용액을 제조하였고, 각각의 병원체 용액을 10 mm2 면적의 복합 나노구조체 표면에 떨어뜨려 30분 동안 공기 중에 방치한 후, 잔류물을 탈이온수(DI water)로 세척하였다.
이후, 실시예 2와 동일한 방식으로 PCR 증폭 후 전기 영동 패턴을 분석하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다.
상기 도면에 나타난 바와 같이, 107 내지 103 cell number/3 mm2의 조건 하에서 유의미한 밴드가 관찰되었다. 이는 3 mm2의 크기의 복합 나노구조체에서 103 개의 세포가 존재하는 경우까지 PCR을 통하여 신호를 검출할 수 있음을 의미한다.
이처럼, 실시예 1에서 제작된 복합 나노구조체를 이용하여 대장균을 포획할 수 있고, 이에 기반하여 직접적으로 유전자 기반의 병원균 검출법에 응용할 수 있는 것으로 판단되었다. 상기 결과를 통하여, 복합 나노구조체가 공기 중이나 사람에 의하여 접촉될 수 있는 물질의 표면에 존재하는 병원균을 효과적으로 고정(부착)할 수 있고, 이를 통하여 종래의 병원균 포집 방법의 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라 이를 직접적으로 PCR에 이용하여 병원균을 검출 또는 진단할 수 있음을 확인하였다.
또한, 넓은 비표면적을 갖는 복합 나노구조체의 표면에 특정 병원균 및/또는 바이러스의 항체를 고정하여 공기 중에 노출시키거나 인체가 접촉될 수 있는 물질의 표면에 접촉할 경우, 복합 나노구조체의 표면에 고정된 항체에 상보적인 병원균을 높은 효율로 선택적으로 포획할 수 있으며, 이와 같이 포획된(고정된) 병원균 또는 바이러스를 직접 유전자 진단을 통하여 특정 미생물의 존재 여부 및 이의 개체 수를 진단할 수 있는 가능성 역시 확인하였다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (20)

  1. 병원체를 복합 나노구조체와 접촉시켜 고정하는 방법으로서,
    상기 복합 나노구조체는,
    (i) 상측에 복수의 나노필라가 형성된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물, (ii) 상기 나노 패턴 구조물의 표면에 부착된 표면 개질용 금속층, 및 (iii) 상기 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 형성된 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조를 포함하는 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 고분자는 폴리우레탄(Poly urethane, PU)계, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)계, NOA(Noland Optical Adhesive)계 및 에폭시(Epoxy)계로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 고분자는 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르에테르케톤-케톤(PEEKK), 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리페닐에테르설폰, 폴리페닐렌, 폴리이미다졸, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 및 폴리티오펜(polythiophene)으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 고분자는 폴리우레탄 아크릴레이트(PU)와 NOA계 접착제의 블렌드인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 블렌드 내 폴리우레탄 아크릴레이트 및 NOA계 접착제 각각의 함량은 20 내지 80 중량% 및 80 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 나노필라의 직경 및 높이는 각각 100 내지 1000 nm 및 100 내지 1500 nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 나노필라 사이의 간격은 100 내지 3500 nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 표면 개질용 금속층은 Ni, Zn, Pd, Ag, Cd, Pt, Ga, In 및 Au로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 표면 개질용 금속층과 상기 나노 패턴 구조물 사이에 Ti, V, Cr, Sc, Nb, Mo 및 W으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 표면 개질용 금속층 및 중간층은 각각의 재질은 Au 및 Ti인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 삭제
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 고분자는 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조 내 섬유 스트랜드의 직경은 10 내지 200 nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조의 평균 메쉬 사이즈는 1 내지 1,500 nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 고정된 병원체를 비특이적으로 검출하거나, 또는 화학 물질로 복합 나노구조체를 개질함으로써 특정 병원체를 특이적으로 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 화학 물질은 검출하고자 하는 특정 병원체 세포의 표면에 존재하는 특이적 항원에 대응하는 항체인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 병원체를 복합 나노구조체와 접촉시켜 고정함으로써 사멸시키는 방법으로서,
    상기 복합 나노구조체는,
    (i) 상측에 복수의 나노필라가 형성된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물, (ii) 상기 나노 패턴 구조물의 표면에 부착된 표면 개질용 금속층, 및 (iii) 상기 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 형성된 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조를 포함하는 방법.
  18. 병원체의 분석 시스템으로서,
    a) (i) 상측에 복수의 나노필라가 형성된 제1 고분자 재질의 나노 패턴 구조물, (ii) 상기 나노 패턴 구조물의 표면에 부착된 표면 개질용 금속층, 및 (iii) 상기 금속층이 부착된 나노 패턴 구조물 상에 형성된 제2 고분자 재질의 나노 웹 구조를 포함하는 복합 나노구조체;
    b) 상기 복합 나노구조체에 고정된 병원체의 증폭 장치; 및
    c) 상기 증폭된 병원체의 검출 장치;
    를 포함하는 분석 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 증폭 장치는 PCR 장치인 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 검출 장치는 겔 전기영동 장치(gel electrophoresis), ELGA 장치(enzyme-linked gel assay), ECL 장치(electrochemiluminescent) 및 라벨화된 프로브를 이용한 형광 검출 장치 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 분석 시스템.
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