바이오인

핵심내용

바이러스 수직배열로 효율 높인 발전 소자 개발
차세대 생체이식형, 웨어러블 소자의 핵심 물질로 활용 기대 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 압력을 가하면 전기를 생산하는 바이러스인 박테리오파지*를 수직으로 쌓는 방법을 개발해전기 생산 효율을 2배 높인 발전 소자를 개발했다고 밝혔다.

□ 부산대 오진우 교수와 황윤회 교수 공동연구팀은 바이러스의 자기조립 특성과 유전자 조작을 이용한 전자소자 제조 공정 개선 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 미래유망융합기술파이오니어사업을 통해 수행하였으며, 연구결과는 에너지분야의 세계적인 학술지인 에너지엔 인바이로멘털(Energy& Environmental Science) 9월 29일자 온라인판에 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명: Bioinspired Piezoelectric Nanogenerators Based on Vertically Aligned Phage Nanopillars
- 저자 정보: 오진우 교수(교신저자, 부산대), 황윤회 교수(공동 교신저자, 부산대), 신동명 박사과정생(제1저자, 부산대), 한혜지 석사과정생(공동 제1저자 부산대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

   ○ 바이오 물질은 생체 친화적이며 대량생산이 쉬워 차세대 생체 이식형 소자 및 웨어러블 소자의 핵심 물질로 주목받고 있다.

   ○ 바이오 물질 중 하나인 M13박테리오파지*는 표면 단백질의 양 끝단이 각각 +, - 극성을 띄어 압력을 가하면 전기가 생산되는 특성인 ‘압전 효과’가 있다. 이를 이용해 압전 발전 소자로 개발하는 연구가 활발하다.
     * M13박테리오파지 : 섬유 가닥처럼 생긴 바이러스의 일종. 외부 환경 및 분자의 물리적 화학적 특성에 따라 인위적 조작 없이 스스로 형태를 만드는 자기조립 특성이 있다

   ○  M13박테리오파지는 수직방향으로 물리적 자극을 가했을 때 전기적으로 더 크게 반응하며, 여러 개를 수직으로 배열하면 전력 생산을 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 가늘고 긴 형태 때문에 수직 정렬 방법은 개발되지 못했다.

2. 발견 원리

   ○ M13박테리오파지를 완충액*에 푼 후 산화알루미늄 기판*에 뚫려있는 구멍에 밀어 넣는다. 그러면 박테리오파지는 마치 쌓이듯 정공 내벽의 맨 아래쪽부터 위쪽으로 연속적으로 붙으면서 결국 긴 M13박테리오파지 기둥이 형성된다.
      * 완충액 : 바이러스끼리 뭉치는 현상을 완화하기 위한 액체
       * 산화알루미늄 기판 : 양극 산화처리를 통해 표면에 나노미터 크기의 일정한 구멍(정공)이 규칙적으로 만들어진 알루미늄 기판

   ○ M13박테리오파지 기둥을 실리콘 기판에 부착하여 만든 압전나노발전체*는  박테리오파지를 수평배열한 발전체에 비해 약 3배 가량 향상된 에너지 수득률**을 나타내었다.
      * 압전나노발전체 : 나노 단위 구성요소들이 외부 압력에 반응하여 전기를 생산하는 소자
     ** 에너지 수득률(Output voltage) : 압력을 주었을 때 얻을 수 있는 최대 출력 전압

   ○ M13 박테리오파지를 유전자 조작하여 기능성을 높인 후 발전기를 만들면 다시 이보다 2배 더 높은 에너지를 얻을 수 있었다.

3. 연구 성과
   ○ 개발한 M13박테리오파지 기둥은 틀 역할을 하는 산화알루미늄기판의 크기만 조절한다면 대면적 제작이 가능하며, 리튬이온 배터리나 형광염료 태양전지, 생체센서 등 다양한 기기 및 광소자의 기능 물질로 이용될 수 있다.
   ○ 나아가 향후 생체이식형 소자 및 웨어러블 소자의 핵심 기능 물질로 활용될 것으로 기대된다.

□ 오진우 교수는 “이번 연구를 통해 생체이식과 신체착용(웨어러블)이 가능한 차세대 소자의 핵심 물질 활용 가능성을 규명함으로써 안전하고 경제적인 기능성 소자의 활용에 공헌할 수 있는 토대를 마련하였다”라고 밝히고, “그 동안 진행해 온 생체분자의 자기조립 연구와 같은 학교 황윤회 교수의 압전성 연구 간의 융합연구로 연구성과가 도출되어 더 큰 의미를 지닌다.”라고 연구의 의의를 밝혔다. 

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 최근 들어 뇌 시뮬레이터, 신경세포 시뮬레이터와 같이 신체 내에 이식하는 외과 임플란트 장비들이 늘어남에 따라 비싸지 않고 안전한 전급공급원이 관심을 받고 있다. 생체이식형 임플란트 장비에 전력을 지속해서 제공하기 위하여 유, 무기물로 제작된 압전나노발전기(Piezoelectric nanogenerator)가 관심을 받고 있으며 연구되고 있다.

  ㅇ 특히 무독성과 생체친화성 등을 고려하였을 때 콜라젠 섬유, 펩타이드 섬유, 박테리오파지 등 자연 섬유 물질이 압전소재로써 주목받고 있다. 이러한 소재들은 수직 방향으로 세웠을 때 다양한 물리적 특성을 향상할 수 있지만, 재료 자체의 특성 때문에 수직 정렬이 불가능한 단점이 지적됐다. 그 때문에 1차원 원통 구조를 수직으로 세우는 것은 중요한 과제로 남아 있었다.

  ㅇ 본 연구에서는 M13 박테리오파지(이후 M13파지)를 재료로 이용하여 수직으로 정렬하여 압전나노발전기를 제작하였다. M13파지는 에너지 생산, 저장, 센서 등 다양한 방면에 이용되는 바이오 물질이다. M13파지는 880nm 길이에 6.6nm 지름의 긴 섬유 모양의 바이러스로 2,700쌍의 표면단백질로 구성되어 있고 표면단백질은 쌍극자를 가지고 있어 축 방향으로 분극을 영구적으로 만들어낸다 따라서 M13파지를 수직으로 세운 후 배열한다면 큰 압전효과를 얻을 수 있을 것이라 예상하였다.

 2. 연구내용
  ㅇ 실험에 사용된 M13파지는 TAE Buffer에 풀어 현탁액을 만들어 사용하였다. 이 때 UV-Visible 측정기를 이용하여 269nm, 320nm 파장대의 흡광도를 측정해 M13파지 농도를 맞추었다. 그 후 M13파지를 일렬로 배열하기 위하여 AAO(Anodic aluminum oxide)를 다공성 주형으로 사용하였다.

  ㅇ 주형에 일정한 속도와 압력으로 M13파지 현탁액을 밀어 넣게 되면, 음의 전하를 띄는 바이러스가 양의 전하를 띄는 주형 외벽에 정전기적 힘으로 흡착된다. 그때 현탁액의 흐름 방향과 액정 특성에 의해 주형의 내부 홀표면에서부터 자가조립이 유도된다. 압출이 반복될수록 M13 파지는 주형 내부에 쌓이고 최종적으로 조립되어 세워진 M13파지기둥을 형성한다. 실린지 펌프를 사용하여 70 μL/min 일정한 속도를 유지해 바이러스 용액을 밀어 넣었고 바이러스의 농도는 0.3, 0.1, 0.05 mg/ml 로, 압출횟수는 1, 2, 4, 7, 10회로 나누어 실험을 진행하였다. 연구 결과 현탁액 내 M13파지 농도는 묽어질수록 압출 횟수는 증가할수록 높은 M13파지기둥을 형성하였다. 즉 M13파지기둥의 높이는 현탁액 내 M13파지 농도와 압출 횟수를 달리하여 조절할 수 있다.
 
  ㅇ 다공성 주형 내에 형성된 M13파지기둥의 압전반응을 확인하기 위해서 본 연구진은 압전감응 힘 현미경 (Piezoresponse force micros;PFM)을 이용하였다. PFM은 원자 힘 현미경 (Atomic force micros;AFM)의 종류로 측정샘플의 표면형태데이터와 압전데이터를 동시에 얻을 수 있는 장비이다. PFM을 사용하여 표면을 측정하였을 때 비교적 움푹 들어간 부분이 M13파지기둥이 채워진 부분이고 반대로 압전신호는 M13파지기둥 부분이 산처럼 튀어나와 있다. 그리고 두 신호의 위치는 정확히 반대로 일치하여 M13파지기둥이 있는 부분에서 압전신호가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

 ㅇ 더 정확한 압전반응 분석을 위해 M13파지기둥에 열증착기를 이용해 150nm 두께의 금 전극을 양면증착하여 압전나노소자를 제작하였다. PDMS 탄성물질로 덮어 씌워 구조적 안정성을 가지고 지속성을 가지도록 하였다. 그 후 모터, 오실로스코프 등을 프로그램화 시켜 압전나노소자에 일정한 압력을 주고 전기적 특성을 측정할 수 있도록 하였다. 30N 하중을 가해주었을 때, ~50.1μm M13파지 기둥의 경우 발생 전압이 ~200mV까지 도달하였고 전류는 ~13 nA까지 나타났다. 이 때 전기특성은 M13파지기둥의 높이와 비례하여 나타났다.이는 M13파지기둥을 통해 전기적 특성이 나타났음을 확인할 수 있었으며 앞선 방법으로 M13파지기둥 높이를 조절한다면 전기적 특성도 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 0.05mg/ml M13파지 농도를 이용해 실험했을 경우 압출 횟수를 1회에서 7회까지 나누어 확인하였 때 전압과 전류는 ~140.8mV, 9.5nA까지 증가시킬 수 있었다.

  ㅇ 수직정렬한 M13파지기둥의 성능을 확인하기 위해 M13파지를 실리콘 기판에 떨어뜨려 파지가 수평정렬한 압전나노소자를 제작하여 압전전기특성을 분석해 본 결과 본 연구에서 개발한 수직정렬한 M13파지기둥을 이용한 압전나노소자가 파지 수평정렬  소자보다 3배 이상 향상된 전력을 보이는 것을 확인하였다. 실험설계 단계에서 M13파지를 세워 조립할 수 있다면 향상된 압전특성을 가질 것이라고 예상한 것과 동일한 결과였다.

  ㅇ 본 연구진은 추가로 압전효과를 더 증가시키기 위해 M13파지를 유전자 조작하는 방법을 이용하였다. M13파지는 유전자 조작을 이용해 표면단백질을 특성을 바꿀 수 있는 특징이 있는 물질로 M13파지 표면단백질의 말단 부위를 4개 글루타메이트(4E)로 치환함으로서 쌍극자모멘트를 증가시켰다. 유전자 조작된 M13파지를 앞선 압출방식을 이용해 M13파지 농도 0.05mg/ml, 7번의 압출 횟수를 조건으로 두고 수직배열된 M13파지기둥 압전나노소자를 제작하였다. 그 결과 전압값이 조작되지 않은(유전자가 조작되지 않은) 압전나노소자에 비해 약 2배가량 증가하였고 전류 역시 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 또 완성된 압전나노소자를 직렬연결하였을 때 전압은 각각 압전나노소자 전압(0.3±0.1V, 0.5±0.1V)을 합친 값(0.7±0.2V)과 유사하게 나타나 여러개의 압전나노소자를 사용한다면 더 큰 전압을 만들어낼 수 있음을 확인하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 수직으로 세워져 배열된 M13파지기둥은 높은 압전반응을 보였고 다양한 기능성 재료에 장점을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 먼저 우리는 압전나노발전기 제작 시 가압하여 넣는 압출 방식을 이용하였기 때문에 높이를 조절할 수 있으며 쉽게 제작할 수 있다. 두 번째로 우리는 더 큰 다공성 주형을 이용한다면 쉽게 대면적 제작이 가능하다. 알루미늄을 두 번 양극산화 하는 과정을 거쳐 간단히 넓은 면적의 다공성 주형을 제작할 수 있다.

 ㅇ 게다가 M13파지를 유전자조작 함으로써 추가적인 기능을 부가할 수 있으므로 수직으로 세워져 배열된 M13파지기둥은 리튬 이온 배터리나 형광염료 태양전지, 생체센서 등 수많은 전자기기 및 광 전기기기의 기능 물질로 이용될 수 있다.

 ㅇ 더 나아가 추가적 개발과 M13파지 내 구조적 단백질 쌍극자를 조정할 수 있다면 차세대 생체이식형 소자와 웨어러블 소자의 핵심 물질이 될 수 있을 것이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 들어 사물인터넷(internet of things,IoT)가 생활화되면서 웨어러블 및 생체이식형 소자에 큰 관심을 받고 있고, 사물인터넷이 더욱 보편화되기 위해서는 생체친화적인 전력공급 장치의 개발이 필수적이다. 생체 내의 바이오 물질인 뼈, 단백질 및 콜라겐 등이 압전 특성을 나타내는 것으로 알려져 있어, 이를 생체 모방하여 M13 박테리오파지를 이용해 압전 소자를 만들게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

M13 박테리오파지는 표면에 한 방향으로 정렬되어있는 단백질로 덮여있는데, 높은 압전 특성을 얻기 위해서는 M13 박테리오파지를 한 방향으로 정렬시키는 것이 중요하다. 따라서, 본 연구진은 높은 압전 특성을 얻기 위해 M13 박테리오파지를 수직으로 정렬하였고, 이를 통해 LCD를 구동시킬 수 있을 만큼의 높은 압전 특성을 구현하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복하였는지?

이 연구는 M13 박테리오파지를 수직으로 정렬한다는 아이디어에서 시작되었다. 하지만, 박테리오파지가 매우 유연하여 실험이 쉽지 않았고, 다양한 방법을 시도해 본 결과 porous 템플릿을 이용해 지지대로 활용하여 M13 박테리오파지를 성공적으로 수직 정렬할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 연구는 생체 모방 물질인 M13 박테리오파지를 이용하여 생체친화적인 전력공급 장치를 개발한 것이다. UC버클리대학의 이승욱 교수 연구팀이 2012년에 M13 박테리오파지의 압전 특성을 최초로 발견하였고, 본 연구진은 M13 박테리오파지를 수직으로 정렬함으로써 바이오 물질의 압전 특성 향상을 위한 방법을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

M13 박테리오파지로만 구성되어 있는 전자기기를 구현하는 것이 장기적인 목표이다. 압전 특성은 에너지수확뿐만 아니라 바이오센서 및 piezotronic 등 다양한 전자기기에도 응용될 수 있어, M13 박테리오파지를 이용하면 self-powered 전자기기를 구현해 낼 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 수직으로 정렬된 M13 박테리오파지는 유전자조작을 통해 표면의 특성을 자유자재로 변화가능해 염료감응형 태양전지, 리튬이온전지 및 후각센서 등에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구를 한창 진행 중이던 때에 한국에서 ‘메르스 바이러스’가 유행하여, 주변 연구자들로부터 바이러스를 이용해 연구를 진행한다고 따가운 눈총을 받은 적이 있다. 바이러스는 성장 환경이 잘 맞아야 숙주로 침투해 번식이 가능하며, 특히, M13 바이러스는 인체에는 무해한 바이러스이다. 주변의 연구진들이 M13 바이러스를 하나의 유기물 기능 물질로 받아들여 줬으면 좋겠다.

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