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모발 이식에 적용가능한 생체친화적 접착제 개발
우리 대학 화학과 서명은 교수와 이해신 교수가 주도한 공동연구팀이 와인의 떫은맛 성분인 탄닌산(tannic acid)과 생체적합성 고분자를 섞어 생체친화적 접착제를 개발했다고 21일 밝혔다.
탄닌산은 폴리페놀의 일종으로 과일 껍질, 견과류, 카카오 등에 많이 들어 있다. 접착력과 코팅력이 강해 다른 물질과 빠르게 결합하기 때문에, 와인을 마시면 떫은맛을 느끼는 이유는 탄닌산이 혀에 붙기 때문이다. 물에 녹는 고분자와 탄닌산을 섞으면 마치 젤리와 같이 끈적이는 작은 액체 방울을 말하는 코아세르베이트(coacervate)가 가라앉는 경우가 생기는데, 몸에 쓸 수 있는 생체적합성 고분자를 사용하면 독성이 낮은 의료용 접착제로 응용할 수 있다. 그러나 코아세르베이트는 근본적으로 액체에 가까워 큰 힘을 버틸 수 없어 접착력을 향상하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 두 종류의 생체적합성 고분자를 조합해 구조를 설계함으로써 접착력을 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 이하 PEG)과 폴리락틱산(polylactic acid, 이하 PLA)은 모두 미국식품의약국(FDA)에서 인체 사용을 허가받은 물질이다. 안약, 크림 등에 많이 사용되는 PEG가 물에 잘 녹는 반면, 젖산(lactic acid)에서 유래한 바이오플라스틱으로 잘 알려진 PLA는 물에 녹지 않는다. 이들을 서로 연결한 블록 공중합체(block copolymer)를 만들고 물에 넣으면, 물에 녹지 않는 PLA 블록이 뭉쳐 미셀(micelle)을 만들고 PEG 블록이 그 표면을 감싸게 된다. 미셀과 탄닌산이 섞여 만들어지는 코아세르베이트는 단단한 PLA 성분으로 인하여 고체처럼 거동하며, PEG 대비 천 배 넘게 향상된 탄성 계수(elastic modulus)를 보여 접착 시 훨씬 강한 힘도 버틸 수 있다.
연구팀은 나아가 마치 금속을 열처리하듯 온도를 올렸다 내리는 과정을 반복하면 물성이 백 배 이상 더욱 향상되는 것을 관찰했고, 이는 정렬된 미셀들과 탄닌산 사이의 상호작용이 점차 견고해지기 때문임을 알아냈다.
연구팀은 피부 자극이 적고 체내에서 잘 분해되는 소재 특성을 이용, 모발의 끝에 이 접착제를 발라 피부에 심는 동물실험을 통해 모발 이식용 접착제로서 응용 가능성을 보였다. 탄닌산을 비롯한 폴리페놀의 접착력과 저독성에 주목해 의료용 접착제, 지혈제, 갈변 샴푸 등 다양한 응용 분야를 개척해 온 KAIST 이해신 교수는 모낭을 옮겨심는 기존의 모발 이식 방식이 여러 번 시행하기 어려운 한계를 보완하는 새로운 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대했다.
우리 대학 화학과 서명은 교수 연구팀의 박종민 박사(現 한국화학연구원 선임연구원)와 이해신 교수 연구팀의 박은숙 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도하고 우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀과 생명화학공학과 최시영 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지 Au(JACS Au)'에 8월 22일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Biodegradable Block Copolymer–Tannic Acid Glue)
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 보호연구사업과 선도연구센터지원사업(멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터), 산업통상자원부의 생분해성 바이오 플라스틱 제품화 및 실증사업, 한국화학연구원 기관고유사업의 지원을 받아 진행됐다.
2022.09.21 조회수 16387 -
김상욱 교수, 홍합접착제 이용해 성능 높인 그래핀 섬유 개발
〈 김인호 박사과정, 김상욱 교수〉
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 흑연계 그래핀을 이용해 우수한 물성을 갖는 신개념의 탄소섬유를 개발했다.
연구팀이 개발한 탄소섬유는 홍합접착제로 잘 알려진 폴리도파민(poly-dopamine)을 이용해 그래핀 층간 접착력을 높여 고강도, 고전도도를 갖는다. 이 신소재는 직물형태의 다양한 웨어러블 장치용 원천소재로 활용 가능할 것으로 기대된다.
김인호 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료과학분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 10월 4일자 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Mussel-Inspired Defect Engineering of Graphene Liquid Crystalline Fibers for Synergistic Enhancement of Mechanical Strength and Electrical Conductivity, 홍합접착제를 이용한 구조적 결함 제어를 통한 고강도/고전도도의 그래핀 액정 섬유 제조)
김상욱 교수 연구팀은 그래핀이 액체에 분산됐을 때 액정을 형성하는 새로운 현상을 최초로 밝히고 관련 원천특허를 보유하고 있다. 이후 그래핀 액정을 기반으로 하는 다양한 신소재 관련 후속연구를 통해 해당 분야를 선도하고 있다.
최근에는 그래핀 액정을 이용한 값싼 습식 섬유공정을 통해 기존 탄소섬유보다 훨씬 저렴한 탄소섬유의 제조가 가능한 것으로 규명됐다.
그러나 현재까지의 공정으로는 섬유 형성 과정에서 그래핀 층의 접힘 현상이 발생해 공극이 발생한다는 고질적인 문제점이 있다. 이러한 구조적 결함은 탄소섬유의 기계적 물성 뿐 아니라 전기전도성도 취약하게 만든다.
김 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 자연계의 홍합에서 영감을 얻어 개발된 고분자인 도파민의 접착 성질에 주목했다. 다양한 분야에서 연구되는 이 도파민을 이용하면 그래핀 층간의 접착력을 증가시켜 구조적 결함을 방지하는 효과를 기대할 수 있다.
연구팀은 이를 통해 구조적 결함이 제어된 고강도의 탄소섬유 제작에 성공했다. 또한 폴리도파민의 탄화과정을 통해 전기전도도 역시 향상된 섬유를 제조하는 데 성공했다.
연구팀은 도파민에 열처리를 가하면 그래핀과 유사한 구조를 갖는다는 이론을 바탕으로 그래핀 액정 상에서 도파민의 고분자화 조건을 최적화시켰고, 이를 섬유화해 기존 그래핀 섬유의 본질적인 결함 제어 문제를 해결했다.
또한 도파민의 구조 변환을 통해 기존 고분자의 근본적 한계인 전도도 측면에서 손해를 보지 않으면서, 도파민 분자에 존재하는 질소의 영향으로 전기전도도 측면에서도 물성이 향상됨을 확인했다.
연구를 주도한 김상욱 교수는 “그래핀 액정을 이용한 탄소섬유는 기술적 잠재성에도 불구하고 구조적 한계를 극복해야 하는 한계가 있었다”며 “이번 기술은 추후 복합섬유 제조 및 다양한 웨어러블 직물기반 응용소자에 활용 가능할 것이다”고 말했다.
신소재공학과 박정영 교수, KIST 정현수 박사의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 글로벌프론티어사업(하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단), 나노․소재원천기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 머티리얼즈 표지
그림2. (좌) 일반적인 그래핀 섬유의 단면과 (중), (우) 도파민을 이용하여 두단계로 결함 제어된 후의 그래핀 섬유의 단면의 전자현미경 이미지
2018.10.17 조회수 20669 -
이현주 교수, 생체 친화적 전도성 실크 접착제 개발
〈 (왼쪽부터)서지원 박사, 이현주 교수, 김효중 박사과정 〉
우리 대학 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 생체 친화적 실크 고분자를 이용해 생체적합 전도성 접착제를 개발하고 이를 통해 인간 피부에 잘 부착되는 경피형 전자소자를 개발했다.
이번에 개발된 실크 전도성 접착제 필름은 생체친화적 실크 고분자에 금속이온을 도입해 접착성을 갖도록 만든 기술로 접착성이 높은 경피형 전자소자의 구현이 가능해 장기간 모니터링 및 약물 투여가 필요한 환자에게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
서지원 박사, 김효중 박사과정이 주도하고 생명화학공학과 최시영 교수, 김기한 박사가 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 9월 5일자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : 피부부착형 전자소자를 위한 생체적합 및 고접착성을 지닌 칼슘이 도입된 실크 접착제, Calcium-modified silk as a biocompatible and strong adhesive for epidermal electronics)
최근 생체친화성 실크 고분자는 구조의 변형 및 생분해성이 가능해 유연기판 및 희생층으로 적용하는 사례가 늘어나고 있다. 연구팀은 지난 2년 간의 연구로 칼슘금속이온에 의한 실크 고분자의 접착 특성을 발견했다.
연구팀은 이를 이용해 인간의 피부에 고 접착으로 붙어 장기간 모니터링 및 재사용이 가능한 경피형 전자소자를 개발하기 위한 연구를 해 왔다. 연구팀은 기존 실크 고분자의 한계와 제한을 극복하기 위해 칼슘이온을 도입을 통해 생체 적합하고 고접착력을 갖는 실크 접착제를 개발했다.
실크 고분자에 도입된 칼슘이온은 물을 흡수하는 능력과 고분자를 결합해주는 능력을 갖고 있어 단단한 실크 고분자에 점탄성특성을 부여해준다. 강한 점탄성특성을 갖는 실크 고분자는 인체 피부 및 다양한 고분자 기판의 계면에서 물리적으로 결합해 강한 접착특성을 갖는다.
고접착 특성과 더불어 실크 고분자의 칼슘이온은 실크 접착제가 이온전도성을 갖게 도와주며, 원래의 실크 고분자가 갖고 있는 생분해특성에 의해 특정 조건에서 쉽게 접착력이 사라지는 특성을 보인다.
연구팀은 이 특성을 통해 실크접착제를 경피형 전자소자와 인체피부사이에 삽입해 고접착을 가지는 유연성 캐패시터 터치센서를 제작하고 장기간 부착이 가능하고 쉽게 탈부착 및 재사용 할 수 있는 터치센서를 개발했다.
또한 인체 장기의 조직 중 신축성이 강한 방광 조직에 고 접착성을 가지는 변형센서를 집적해 방광 조직의 변형률에 따른 저항변화를 이용한 변형정도를 확인했다.
연구팀의 기술은 생체적합성과 접착력이 높아 체내 이식용 전자소자에도 활용돼 장기간 모니터링 및 치료에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이 교수는 “생체친화적인 실크고분자를 이용해 재사용이 가능하며 쉽게 생분해가 되는 고접착 접착제를 개발했다는 점에서 실크 물질에 대한 새로운 가능성을 제시했다”며 “바이오공학 분야에서 경피형 및 체내이식형 전자소자에 적용할 수 있고 장기간 모니터링 및 약물전달 시스템을 구현할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 보건복지부 한국보건산업진흥원의 보건의료기술연구개발사업 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지
2018.09.17 조회수 16010 -
백경욱 교수, 범태평양 마이크로일렉트로닉 심포지엄 최우수논문상 수상
KAIST(총장 강성모) 신소재공학과 백경욱(58) 교수가 지난달 11일~13일 미국 하와이에서 열린 세계 표면실장 기술협회(SMTA, Surface Mount Technology Association) 주관 ‘2014 범태평양 마이크로일렉트로닉 심포지엄(2014 Pan Pacific Microelectronic Symposium)’에서 최우수논문상 수상자로 선정됐다.
백 교수는 ‘극미세간격 패키징을 위한 새로운 나노 섬유 이방성(특정 방향에 따라 물성이 달라지는 재료) 전도접착제’에 대한 연구결과를 발표해 우수성과 독창성을 인정받았다.
이 기술은 디스플레이 반도체 패키징의 극미세피치 기술적 한계를 성공적으로 해결한 획기적인 연구결과를 담고 있어, 향후 UHD(Ultra High Definition) TV 상용화 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
2014.03.17 조회수 15028 -
백경욱 교수, '2012 범태평양 마이크로일렉트로닉 심포지움' 최우수논문상 수상
- 이방성전도접착제 재료와 공정기술에 대한 연구결과 발표해 -
우리 학교 신소재공학과 백경욱 교수(연구부총장)가 지난달 21~23일까지 미국 하와이에서 열린 ‘2012 범태평양 마이크로일렉트로닉 심포지움(2012 Pan Pacific Microelectronic Symposium)’에서 최우수논문상을 수상했다.
논문 제목은 ‘이방성전도접착제 기술의 재료와 공정 측면에서의 발전(Recent Advances in Anisotropic Conductive Adhesives Technology : Materials and Processes)’으로 백 교수는 이번 심포지엄에서 동 논문을 발표해 최우수 논문으로 선정되는 영예를 차지했다.
백경욱 교수가 발표한 이 논문에는 지난 15년 간 연구한 디스플레이, 반도체 전자 패키징 기술의 핵심재료인 이방성전도접착제(ACAs) 재료와 공정기술에 대한 연구결과가 집대성돼있다.
백 교수의 이 같은 연구결과는 새로운 이방성전도접착제 재료와 초음파 접속장비 분야에서 매우 혁신적인 기술로 평가를 받았고 또 상용화를 위한 초석을 다진 연구논문으로 이번 학회에 참가한 전 세계 전문가로부터 호평을 받았다.
백 교수는 이번 심포지엄에서 새로운 이방성전도접착제의 재료분야에 대한 두 가지의 혁신적인 기술을 발표했다.
그중 하나는 나노파이버 기술을 이방성전도접착제에 접목한 것이다. 이 기술은 기존 디스플레이용 극미세피치 반도체 전기 접속의 한계를 극복하고, 나노기술을 성공적으로 전자패키징 재료에 적용한 것이 높은 평가를 받았다.
현재 이 분야 원천특허를 바탕으로 상용화가 진행 중으로 상용화에 성공하면 일본 제품이 주도하는 세계시장을 석권할 수 있을 것으로 기대된다.
또 다른 하나는 솔더 입자를 사용해 기존 이방성전도접착제의 기술적 한계였던 전류 흐름성에 대한 한계와 신뢰성을 대폭 개선한 것으로 이 또한 휴대전자제품용으로 상용화를 추진 중이다.
이와 함께 기존 열 압착 공정을 새로운 초음파공정으로 성공적으로 대체하는 공정 분야의 혁신적인 사례를 함께 보고해, 앞으로 모든 열 압착 장비를 대체할 수 있는 파급 효과가 매우 큰 연구 성과로 인정받았다. 초음파 공정개발도 역시 곧 상용화 될 전망이다.
백경욱 교수는 지난 10여 년 동안 이방성전도접착제 분야에서 최다 논문을 게재하는 등 국내외적으로 전자패키징 재료 및 공정기술 개발에 핵심적 역할을 하고 있으며, 이번 수상으로 이 분야 세계 최고의 석학임을 다시 한 번 보여줬다.
2012.03.13 조회수 18382 -
KAIST, NOKIA社와 산학공동연구
- 백경욱 교수팀의 초음파 접합공정기술 활용- 휴대폰 소형화, 경량화, 제조 생산성 크게 향상 기대 우리 학교 신소재공학과 백경욱(白京煜, 51)교수 연구팀이 노키아(NOKIA)社와 산학공동연구를 시작한다.
세계적인 휴대폰 제조사인 NOKIA社가 국내 대학, 연구소와 산학공동연구를 진행하기는 이번이 처음이다. 연구기간은 6개월, 연구비는 3만5천유로(한화 약 4천8백만원)다.
白 교수팀은 휴대폰 제조시 다양한 모듈들을 상온에서 고속으로 접합하기 위한 이방성(異方性) 전도성 접착제의 초음파 접합 공정을 개발하게 된다. 이 기술은 향후 휴대폰 소형화, 경량화 뿐만 아니라 제조 생산성까지 크게 향상시킬 수 있는 첨단 기술이다.
이 초음파 접합 공정은 白 교수팀이 세계 최초로 개발하여 특허를 받은 원천기술이다. 이 기술은 기존에 10초 이상 걸리던 고온 열압착 공정을 상온에서 초음파 진동을 이용, 공정 시간을 3초까지 줄일 수 있다. 향후 휴대폰, LCD TV 등 전자제품 조립 분야에서 광범위한 활용이 기대된다.
<용어설명>◦ 이방성(異方性) 전도성 접착제 : 전자 부품과 기판 사이에 도포하고 열을 가해 단단하게 경화시켜 접합시키는 접착 소재다. 접착시 내부에 포함된 금속 입자에 의해 한쪽 방향으로만 전기를 통하게 하는 특성을 지닌다.
2008.01.24 조회수 19839