초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 오랜 역사를 가진 고급 섬유 재질이자 생체 친화적 물질이기도 한 실크피브로인 섬유에 나노 금속구조를 집적시켜 초고감도 나노 플라스모닉 바이오 센서가 내장된 스마트 섬유를 구현하는 것을 목표로 한다. 최근 IT, NT, BT 분야의 연구 패러다임은 ‘입을 수 있는 (wearable) 소자’로 급속도로 이동하고 있다. 이에 섬유는 가장 일반적인 휴면 인터페이스를 가지는 소재로 패러다임의 변화에 맞추어 첨단기술과의 융합이 많은 관심을 받고 있다. 본 제안 시스템은 친환경/친생체적 나노 바이오센서로

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 오랜 역사를 가진 고급 섬유 재질이자 생체 친화적 물질이기도 한 실크피브로인 섬유에 나노 금속구조를 집적시켜 초고감도 나노 플라스모닉 바이오 센서가 내장된 스마트 섬유를 구현하는 것을 목표로 한다. 최근 IT, NT, BT 분야의 연구 패러다임은 ‘입을 수 있는 (wearable) 소자’로 급속도로 이동하고 있다. 이에 섬유는 가장 일반적인 휴면 인터페이스를 가지는 소재로 패러다임의 변화에 맞추어 첨단기술과의 융합이 많은 관심을 받고 있다. 본 제안 시스템은 친환경/친생체적 나노 바이오센서로 인체 내외에서 다양한 바이오 기능성을 수행하며, 금속-절연갭-금속 구조(MIM)의 나노 플라스모닉 공진기 바이오 센서는 중간 실크 절연체가 외부 자극에 감응하여 물리량을 조율함으로써 기존의 플라스모닉 센서에서 얻을 수 없었던 매우 큰 감도를 보여주리라 기대한다.

연구결과
본 신진연구를 수행하여 실크 단백질을 안정적으로 추출하는 시스템을 구축하였으며, 이를 활용 리소그래피, 금속박막 증착 등 다양한 나노공정 기술을 개발하였다. 구축한 나노공정 기술을 기반으로 제안한 금속-절연갭-금속 구조의 나노 플라스모닉 공진기를 구현할 수 있었다. 구현한 플라스모닉 공진기는 두 가지 측면에서 기존 연구와 차별점을 가진다. 첫 번째로는 소자 구성이 단백질과 금 박막으로 생체 친화적 물질로만 이루어져있다는 점이다. 기존에 경질의 반도체나 유전체 기반 소자는 습윤하고 변형이 심한 생체조직에 적용이 부적합하고 생체에 집적 시 유독성이 우려된다. 역으로 생체 적합한 소재로 플라스모닉 공진기를 구현함은 공정 측면에서 어려움이 있어왔으나 본 연구팀은 이를 해결하여 성공적으로 생체 적합형 플라스모닉 소자를 구현하였다. 두 번째로는 기존 공진기는 그 물리적 형태가 고정이 되어있었지만 본 연구팀이 구현한 소자는 수분을 머금어 외부 자극에 의해 공진기의 부피가 변하여 공진모드의 큰 변화를 유도할 수 있다. 이는 바이오 센서로 적용 시 굴절률 기반 센서에 비해 큰 민감도를 얻을 수 있음을 의미한다.
이 외에도 같은 개념을 활용, 대면적의 외부 자극 감응형 컬러필터도 구현에 성공하였다. 더불어 기본에 구현하기 어려웠던 수 nm 수준의 균일한 얇은 금 박막을 실크 단백질을 활용하여 구현하였다. 상기 연구결과는 실크 단백질이 첨단 나노광학 소재로서도 높은 가치를 지님을 보여주는 중요한 사례들이다.

연구결과의 활용계획
연구결과의 활용계획은 다음과 같다.
⦁ 실크 단백질과 금 박막의 생체적합성으로 생체 조직에 직접 붙일 수 있는 센서의 구현 및 활용이 가능하다.
⦁ 기존 공정에서 구현하지 못하는 균일한 나노 금박막 형성이 가능하기에 고품위 전자회로나 광학소자 구현에 요긴하게 활용이 가능하다.
⦁ 실크 단백질에 어떤 바이오 물질을 주입하느냐에 따라 기능성 부여가 가능하다. 따라서 광학적, 전기적으로 능동적인 소자 구현이 가능하여, 그 응용 범위를 확대할 수 있다.
⦁ 수화젤 특성을 조절할 수 있는 외부 자극 감응 고분자를 결합하여 특정 외부 자극에 크게 감응하는 환경, 바이오 센서로의 활용이 가능하다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
Here we propose the demonstration of the supersensitive nanoplasmonic biosensor embedded smart textile that is utilized by integrating nanometallic structures with the silk fibroin fiber, long historical and biocompatible material. The proposed system would perform various in-viv

Purpose&contents
Here we propose the demonstration of the supersensitive nanoplasmonic biosensor embedded smart textile that is utilized by integrating nanometallic structures with the silk fibroin fiber, long historical and biocompatible material. The proposed system would perform various in-vivo and in-vitro biofunctions as a bio- and eco-friendly nano-biosensor. Stimuli-responsive tuning of the silk insulating gap of the metal-insulator-metal nanoplasmonic resonator affect its physical variable, thereby inducing supersensitivity of the biosensor.

Result
We established a system to extract silk fibroin solution from the silk cocoon and demonstrated lots of nanofabrication techniques such as lithography and metallization using silk fibroin. Based on the techniques developed by us, we achieved the silk-based metal-insulator-metal (MIM) nanoplasmonic resonators. Our achievements have the uniqueness in the plasmonics research. First, our MIM resonator was composed of biocompatible silk fibroin and gold. Other rigid plasmonic devices were not suitable for application to tissues due to a scarcity of the biocompatibility and the flexibility. Second, we could induce a drastic tune of a resonance mode by changing the thickness of the silk insulator gap. Since the crosslinked silk protein layer could be a hydrogel layer, a stimulus could also affect the swelling of the silk layer. When we applied this scheme to a biosensor, high sensitivity could be obtained.
In addition, using the same scheme, we could achieve a stimuli-responsive and highly tunable color filter. And very thin and smooth gold layers could be obtained on a silk layer. Note that getting a gold layer with a few nm thick has been challenging due to low adhesion between substrate and gold.
Our achievements would be important progresses to apply a natural protein to high technological optics.

Expected Contribution
⦁ Based on the biocompatibility of silk protein and gold, one can demonstrate a attachable biosensor to human tissues.
⦁ Optical and electrical devices with high quality can be achieved because very smooth, uniform, and ultrathin gold layers can de deposited onto a silk layer.
⦁ We can expand the sphere of applications by functionalizing the MIM resonator. Silk protein can be easily functionalized by tagging other biomaterials and then be optically and electrically active.
⦁ By tagging a stimuli-responsive material to show a specific response, we can demonstrate a high sensitive environmental and bio-sensor.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 9
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 10
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 10
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 11
• 8. 참고문헌 ... 11
• 9. 연구성과 ... 12
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 21
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 21
• 12. 기타사항 ... 21
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 22
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 37
• 끝페이지 ... 47