이정철 교수, 국소 가열, 온도 측정 등 다기능 원자현미경 개발

바이오·환경 등 다양한 분야 활용 기대

미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 이정철 교수 연구팀(서강대)이 국소 가열, 국소 온도 측정, 곡률 조정 등 다양한 기능을 동시에 가진 원자현미경 캔틸레버 제작 기술을 최초로 개발하였다. 원자현미경 캔틸레버는 광학현미경으로 측정하기 어려운 빛의 회절 한계 이하 나노 스케일 구조 분석이 가능한 기계식 현미경에 사용되는 뾰족한 탐침이 통합된 외팔보 구조물을 뜻한다.

이정철 | 서강대 교수

연구의 필요성 
원자현미경은 빛의 회절한계(diffraction limit)보다 훨씬 더 작은 구조의 크기와 물성을 측정할 수 있는 기계적인 현미경이다. 주로 실리콘 소재를 이용하여 마이크로 공정을 거쳐 제작된 원자현미경 캔틸레버의 뾰족한 탐침과 시료 표면의 상호 작용 힘을 제어하여 이미지를 얻게 되며, 나노 분야의 필수 장비이다.
최근 원자현미경의 응용 범위가 물리학, 재료과학에서 생물학, 생명공학 분야로 확대되고 있으나 여전히 기존의 실리콘 기반 소재로 제작된 캔틸레버가 사용되고 있다. 실리콘으로 제작된 기존의 캔틸레버는 공정비용이 많이 들고, 제작이 어렵다는 문제점이 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 다양한 기존 하이드로젤 캔틸레버에 나노 입자를 첨가시켜 기능성 캔틸레버를 구현하였다.
부드러운 세포와 같은 생물학 시료의 이미징이나 기계적 물성 측정 시 시료의 파손을 방지하고 동시에 정밀도를 높이기 위해서는 사용되는 원자현미경 캔틸레버의 강성(强性)이 시료의 유효 강성과 유사해야 한다. 따라서 부드러운 소재로 원자현미경 캔틸레버를 구현할 수 있는 기술을 확보하는 것이 필요하다.

발견 원리
광개시제가 섞인 하이드로젤은 자외선을 조사하여 경화된다. 이 때 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane; PDMS)으로 만든 몰드 위에서 경화할 경우 투과된 산소가 PDMS 표면에서의 경화를 억제하여 손쉽게 몰드에서 분리해 낼 수 있다. 따라서 캔틸레버 빔과 탐침 구조를 각각 PDMS 재질의 몰드로 만든 후 주입된 하이드로젤을 자외선으로 경화시켜 분리하여 고속으로 하이드로젤 원자현미경 캔틸레버를 제작할 수 있음을 발견하였다.

PDMS 탐침 몰드를 압축하여 경화하면 탐침의 곡률 반경을 20 나노 이하(최소 15㎚)로 달성할 수 있고 동시에 압축 방향에 따라 탐침의 종횡비도 조절할 수 있음을 실험적으로 규명했다. 하이드로젤 경화 시 하이드로젤의 분자량과 자외선 노광 정도에 따라 제작된 하이드로젤 캔틸레버의 탄성 계수를 조절하고, 이를 구조적인 변형과 통합하여 10의 8승 범위의 폭 넓은 강성 범위로 튜닝 가능함을 보였다.
연구팀이 개발한 것은 기존 원자현미경과 달리 재료의 물성치(특정 재료가 갖는 고유한 물리적인 특성의 수치)와 형상을 조절하여 캔틸레버의 부드러운 정도를 폭 넓게 조절할 수 있다. 재료의 물성치를 조절할 수 있게 됨으로써 기존 실리콘으로 측정하기 어렵던 세포 시료 측정이 가능해졌다.
기능성 나노물질(플라즈모닉 골드 나노입자, 자성 나노입자, 양자점, 형광 분자 등)을 하이드로젤과 혼합하여 캔틸레버와 탐침을 제작하면 첨가된 나노 물질이 갖는 고유한 특성을 이용한 다양한 기능성 원자현미경 응용이 가능함을 규명하였다. 그리고 개발한 원자현미경은 기존 실리콘 원자현미경에서 한 걸음 더 나아가 철 나노입자로 유도 가열하면서 동시에 양자점으로 온도 측정이 가능하다. 이로써 온도조절이 가능한 원자현미경을 이용해 국소적인 약물 전달 조절이나 암세포 파괴 등의 연구가 가능하게 될 것으로 기대된다.

연구 성과
하이드로젤 원자현미경 캔틸레버를 이용하여 세포의 기계적 물성 측정 시, 기존 실리콘 기반 캔틸레버보다 더 정밀한 측정이 가능하므로 생물학 시스템에서 유의미한 기계적인 신호 획득을 통해 미증유의 질환 및 질병 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이정철 교수는 “이번 연구는 물질전달, 온도 측정, 바이오시료 측정 등 다양한 기능을 가진 원자현미경을 개발한 것이다. 보다 정밀한 측정이 가능해짐으로써 미증유의 질환 및 질병연구, 압력·산성도 등 환경 인자 측정, 연구실·실험실에서의 연구 등에서 저렴하면서 간편하게 활용할 수 있을 것이다.” 라고 연구의 의의를 설명했다.

자료제공 | 한국연구재단(www.nrf.re.kr)