여백
HOME Latest News Latest left
갈라진 DNA 박막 공간에 채워넣는 패터닝 원천기술 개발

 

KAIST-미국 코넬대, 배향된 DNA 박막에 미세 크랙 패턴을 제작하는 전략 개발

향후 채워넣는 공정에 따라 기능성 바이오 소재 및 헬스케어 분야에 활용 가능

 

(왼쪽부터) 이소은 학생 (KAIST 화학과), 문현빈 학생 (KAIST 기계공학과), 김주리 학생 (KAIST 화학과), 박순모 박사 (코넬대학교 화학공학과), 유승화 교수 (KAIST 기계공학과), 윤동기 교수 (KAIST 화학과)

일상적인 재료에서 흔히 볼 수 있는 균열(크랙)은 온도나 습도 변화로 인해 발생하는 해로운 결함으로 여겨져 왔다. 하지만 우리 주변에서 코끼리의 피부에서 체온을 조절하는데 결정적인 역할을 하거나 식물이 자라는 토양에 수분 흡수를 돕는 등 역으로 많은 이점을 제공해오고 있음을 발견했다. 이에 착안하여 재료과학 분야에선 콜로이드 젤이나 고분자 필름을 사용하고 물질의 부피 수축을 유발하는 용매 건조와 같은 방법을 사용하여 과학적으로 균열 형성을 모사해왔다. 하지만 대부분 균열을 형성하는데 그쳤을 뿐 이들을 마이크로 미터 규모 내 균열의 배향 양상을 제어하는데 성공한 연구는 거의 보고되지 못했다

한미 공동연구진이 가뭄이 들면 논바닥이 쩍쩍 갈라지는 현상에 착안해서 물을 품고 있는 DNA 박막 위에 탈수 반응을 일으킬 수 있는 유기 용매를 뿌려 DNA 균열을 원하는 대로 만들어 낼 수 있는 기술을 개발했다. 이를 통해 만들어진 균열 구조 안에 친환경 온열소재, 적외선 발광체 등을 넣어 기능성 바이오 소재를 제작, 스마트 헬스케어 분야에 활용할 수 있을 것으로 보인다.

 

사본 -그림 1. DNA 박막 위 균열 형성 및 제어 메커니즘 모식도

KAIST 화학과 윤동기 교수, 기계공학과 유승화 교수, 미국 코넬대 화학공학과 박순모 박사 연구팀이 DNA 박막의 탈수 현상에 기반한 미세구조 균열을 제작했다고 밝혔다.

본래 유전 정보를 저장하는 기능을 하는 DNA는 두 가닥이 서로 꼬여있는 이중나선 사슬 구조, 사슬과 사슬 사이는 2~4 나노미터*(1나노미터는 10억분의 1미터) 주기의 규칙적인 모양을 갖는 등 일반적인 합성 방법으로는 구현하기 힘든 정밀한 구조재료로 구성되어 있다. 이 구조를 변경하기 위해서 DNA를 빌딩블록으로 사용하여 정밀하게 합성하거나 오리가미(종이접기) 기술을 이용해 구현해 왔지만 매우 복잡한 설계과정이 필요하고, 특히 염기서열이 조절된 값비싼 DNA를 이용해야 하는 단점이 있었다.

*수분이 있으면 DNA 사슬 지름이 2 나노미터, 수분이 없으면 4 나노미터가 됨.

 

사본 -그림 2. 균열 위상 시뮬레이션 기반 물질의 정렬 상태에 따른 균열 분포도 (1)

연구팀은 이를 극복하기 위해, 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 천 배 이상 저렴한 비용으로 화장용 붓을 이용해 마치 DNA를 수채화 물감과 같이 사용해 그림을 그리듯이 정렬시켰다. 그리고 3D 프린터를 이용해 지름이 2나노미터인 DNA 분자들을 원하는 방향으로 정렬시키면서 말려 얇은 막을 만들었다.

여기에 유기 용매(예: 테트라하이드로퓨란, THF) 방울을 떨어뜨리면 끓는점이 낮은 유기 용매가 DNA내의 수분을 빼앗아 가면서 크랙이 형성되는 현상을 연구팀은 관찰했다. 이때 DNA의 사슬 옆면이 사슬 끝부분에 비해, 물을 상대적으로 많이 포함하고 있어 더 많은 수축이 일어나 결국 DNA 사슬 방향으로 크랙이 형성됐고, DNA 사슬 방향을 원하는 방향으로 조절할 수 있기에 연구팀은 이 크랙도 원하는 방향으로 조절할 수 있는 결과를 얻었다.

연구팀이 개발한 DNA 기반 미세 균열(크랙) 구조 형성 및 제어 기술은 생체 친화적 소재인 DNA로 이루어진 수십-수백 나노미터의 박막에 DNA 사슬방향으로 생긴 크랙(균열)에 다양한 기능성 소재를 채워 넣는 공정이 가능하다. 예로, 온열 소재의 경우 겨울에 따뜻하게 하고 적외선 발광체를 넣으면 탈모나 피부케어 등에 응용되는 등, 생체친화적인 패턴을 바탕으로 기능성을 부여함으로써, 향후 다양한 기능성 바이오 소재 및 헬스케어 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

윤동기 교수는 “DNA 미세 크랙 패터닝은 코끼리 피부가 갈라지는 현상이 체온을 유지하기 위한 한 방법이고, 극심한 가뭄에, 땅이 갈라지는 일은 비가 많이 올 때 더 많은 물을 흡수하기 위함이라는 자연의 현상을 그대로 따라 구현했다”며, “이번 연구는 반도체 패턴만큼이나 작은 DNA 빌딩블록 기반의 미세구조 패턴을 제조한 것으로 환경친화적인 면을 고려할 때 그 의의가 더 크다고 할 수 있다”라고 언급했다.

 

사본 -그림 3. 코팅 및 프린팅 기법에 따른 박막 내 DNA 배향과 탈수 반응 후 박막 위 균열 형태 (1)

한편 유승화 교수는 “이번 연구를 통해 DNA 필름의 수축 과정에서 발생하는 균열과 DNA의 배열 패턴 사이의 관계를 고체역학 이론에 기반한 시뮬레이션으로 명확하게 분석하고 예측할 수 있었다”며, “DNA 필름에 국한되지 않은 다양한 이방성 소재에서의 균열 제어와 패터닝 기술 발전에 기여할 수 있는 토대를 마련했다고 생각한다”고 의견을 덧붙였다.

KAIST 화학과 이소은 석사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)’ 3월 15일 자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : On-demand Crack Formation on DNA Film via Organic Solvent-induced Dehydration) 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 중견연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.

□연구개요

연구진은 DNA는 고분자로써 다양한 기능성을 보유할 뿐만 아니라 일정 농도 이상에서 스스로 자기조립할 수 있기 때문에 균열 형성을 제어할 수 있는 후보로 선정했다. 특히, 1차원 정렬 및 2차원 구조체를 제작할 수 있는 이전 공정 기술들을 바탕으로 탈수 반응을 일으킬 수 있는 유기 용매를 활용하여 DNA 박막 위 균열 또한 다양한 형태로 제어해보고자 하였다. 본 공정 기술은 추가적인 리소그래피 기술 없이도 균열의 크기와 방향을 정밀하게 제어할 수 있으며 접근 방식은 제작의 단순성, 비용 효율성, 유연성 측면에서 이점을 제공하고 재료 과학 및 나노 기술 분야에서 잠재적으로 응용될 수 있을 것이라 기대했다.

□ 연구내용

가뭄 시 토양이 갈라지는 자연 현상에서 영감을 얻어 극심한 탈수 반응을 유발할 수 있는 유기 용매를 사용해 DNA 박막에 해당 현상을 재현하고자 했다. DNA 박막 제작 시, 사슬의 배향을 일렬 정렬시킬 수 있는 닥터 블레이드 코팅 공법과 지그재그 구조체를 유도할 수 있는 브러싱 코팅 공법을 활용했고 해당 박막들에 탈수 반응을 유도하자 DNA 사슬들의 배향을 따라 주기적으로 균열이 발생함을 확인할 수 있었다. (그림 1)

DNA 박막 위 정렬된 균열의 형성 메커니즘을 탐구하기 위해 원자힘 현미경(Atomic force microscope, AFM)을 사용하여 박막의 표면 구조 변화 분석을 수행했다. 먼저, 유기 용매 처리 양에 따른 박막의 두께 변화를 측정 했고 유기 용매 도포양의 특정 임계점을 넘어서자 박막의 두께가 더 이상 변화하지 않고 균열이 형성함을 관찰했다. 이를 통해 탈수로 인한 DNA 박막의 부피 수축이 표면의 기계적 손상을 유발했음을 규명할 수 있었다. 그리고 AFM을 통해 DNA 박막 내 정렬된 DNA 사슬들의 부피 변화를 분석한 결과 단축 방향으로 15%, 장축 방향으로 4% 감소한 것으로 나타났다. (그림 1) 이를 통해 DNA 사슬의 방향에 따라 달라지는 부피 수축률이 크랙의 형태를 제어하는데 결정적인 요소가 되었음을 규명할 수 있었다.

또한, DNA 박막 내 발생하는 수축력이 균열 형성에 미치는 영향을 이해하기 위해 시뮬레이션 상에서 2차원 균열 위상 필드 (Crack phase field) 모델을 도입하였을 때 나타난 이론적 결과값과 비교했다. 가상 공간 내 균열의 정도를 색상 지도로 표시했을 때, DNA 박막 내 분자의 배향 양상에 따라 나타나는 균열 형태는 실험적 분석 결과와 시뮬레이션 양상이 일관된 추세를 보임을 확인했다. (그림 2)

현상에 대한 이해를 바탕으로 균열 패턴을 디자인하기 위해 3D 프린터를 도입하고 DNA 수용액을 노즐을 통해 압출하여 다양한 형태를 가진 DNA박막을 제작했다. 그리고 탈수 반응을 유도하자 균열 패턴 또한 3D 프린터를 통해 디자인한 형태를 따라 형성됨을 확인하였다. 본 공정 법을 통해 제시된 예시들은 DNA 사슬을 따라 배향된 균열을 체계적으로 설계할 수 있는 가능성을 보여준다. (그림 3)

□ 기대효과

이번 연구를 통해 유기 용매가 DNA 사슬의 이방성 수축을 유도하여 균열을 발생시키는 이방성 균열 발생 메커니즘을 규명했을 뿐만 아니라 이론적 계산과의 비교를 통해 DNA 정렬과 균열 형성 사이의 관계를 탐구하여 균열 정렬을 위한 근본적인 메커니즘에 대한 이해를 제공할 수 있다. 그리고 3D 프린팅 기술을 통해 자유자재로 균열을 디자인할 수 있는 방법론의 자유도는 생체 친화적인 물질을 기반으로 한 기능성 바이오 소재 및 헬스케어 분야에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것이다.

□ 용어설명

○닥터 블레이트 코팅 (Doctor blade coating)

날카로운 날을 활용해 용액을 균일하게 펴 바를 수 있는 코팅 기법

기판의 이동속도 및 간격을 제어할 수 있어 박막의 두께 조절에 용이

○브러싱 코팅 (Brushing coating)

붓을 활용해 용액을 펴 바를 수 있는 코팅 기법

용액을 펴 바름과 동시에 표면에 굴곡이 발생

○ 원자 힘 현미경 (Atomic force microscope, AFM)

탐침과 압전 센서, 레이저 굴절 정도를 활용해 박막의 표면 굴곡 및 물리화학적 성질을 나노미터 수준으로 분석 가능한 현미경

광학 회절 한계보다 1000배 이상 뛰어난 1나노미터 단위의 분해능 보유

○균열 위상 필드 (Crack phase field)

물질의 탄성 및 파단 한계점을 기반으로 한 균열 시뮬레이션 모델

KAIST 홍보실 제공 

 

 

노벨사이언스  science@nobelscience.co.kr

<저작권자 © 노벨사이언스, 무단 전재 및 재배포 금지>

노벨사이언스의 다른기사 보기
icon인기기사
기사 댓글 0
전체보기
첫번째 댓글을 남겨주세요.
여백
여백
여백
Back to Top