홍종일 교수 연구팀, 고유 수소 플라즈마 처리 이용한 

그래핀의 습윤성 제어 및 이를 이용한 비파괴 패터닝 기술 개발

나노 레터스 발표, 꿈의 소재 ‘그래핀’의 우수한 특성 효과로 바이오 응용 분야에 큰 파급효과 기대

우리 대학교 홍종일 교수 연구팀은 자체 개발한 저에너지 수소 플라즈마를 이용해 소수성의 그래핀을 구조적 손상 없이 초친수성의 수소화그래핀으로 점진적으로 변형시키는 데 성공했다.

꿈의 소재로 알려진 그래핀은 전기적 특성이 우수하고, 얇고 유연한 구조적 특성으로 인해 차세대 전자소자의 핵심물질로 주목받고 있다. 특히 세포에 무해한 생화학적 특성으로 바이오 응용으로의 시너지가 큰 소재다. 하지만 그래핀은 물이 머무를 수 없고(소수성), 전기적으로 전도성을 보이기 때문에 실제 바이오 응용은 요원한 상태였다. 그래핀 표면을 물에 친화적으로(친수성) 만들고, 세포들을 물리적으로 분리할 수 있으며(패터닝), 전기적으로 자극할 수 있다면, 그래핀의 우수한 특성은 큰 시너지 효과를 일으켜 바이오 응용 분야에 엄청난 파급효과를 기대할 수 있다. 이에 홍종일 교수 연구팀이 그래핀 습윤성의 체계적인 제어와 습윤성 기반의 혁신적 비파괴 나노패터닝 기술을 개발한 것이다. 

 그림. 수소 플라즈마 처리 시간 증가에 따른 그래핀의 습윤성 변화 그림이다. 물의 접촉각이 90° 보다 큰 소수성의 그래핀이 수소 플라즈마 처리에 따라 친수성(물의 접촉각이 90° 이하)으로 변하는 것이 관찰된다.

미국화학회(American Chemical Society, ACS)에서 발행하는 세계적인 영향력을 지닌 논문집 나노 레터스(Nano Letters) 최신호에 홍종일-이관형-유경화 교수 연구팀의 이번 연구가 온라인 게재됐다(4월 10일자). 서플리멘터리 커버에 선정되기도 했다(논문명: Tunable wettability of graphene through nondestructive hydrogenation and wettability-based patterning for bioapplications).

연구 내용은 소수성(疏水性) 그래핀 표면을 자체 개발한 수소 플라즈마를 조사(照射)해 구조적 손상 없이 습윤성을 제어하고, 원하는 영역만을 친수성(親水性)으로 패터닝할 수 있는 기술이다. 그래핀 표면을 물에 전혀 젖지 않는 상태에서 완전히 젖는 상태까지 점진적으로 변화시킬 수 있는 습윤성 제어와 이를 기반으로 한 패터닝 기술은 그래핀을 이용한 표면코팅뿐만이 아니라 세포의 선택적 필터링, 이종 세포 간의 분리 및 세포 상호작용, 줄기세포의 분화과정 등의 연구에 이르는 틀을 제공한다. 향후 이들 분야의 연구를 진전시키는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 특히 수소화그래핀은 반도체 특성을 보여 국부적으로 세포의 전기적 자극이 가능할 것으로 평가된다. 개발된 기술은 기존의 복잡한 패터닝 공정단계를 획기적으로 줄이는 기술로써 대량생산 공정에 적합해 코팅, 바이오 응용 및 관련 산업계에 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대된다.

그림. 소수성의 그래핀(Gr)과 친수성의 수소화 그래핀(H-Gr)을 마이크로 패터닝해, 친수성 영역에만 선택적으로 물이 맺히는 현상을 관찰한 그림이다.

홍종일 교수는 “전기적, 광학적, 기계적 특성이 뛰어난 그래핀을 손상 없는 표면처리를 통해 생화학적 우수성을 확보함으로써 차세대 전자소자와 바이오소자가 그래핀 자체에 구현될 수 있는 결과로 여러 분야에서 큰 시너지를 일으킬 것”이라며, “암 치료를 비롯해 최근 코로나 사태로 화두인 바이러스 등 미생물 감지 및 관찰 연구를 위한 선택적 생물세포 배양 틀로 활용이 가능해 관련 산업 전반에 걸쳐 상당한 파급효과를 가져올 것”이라고 설명했다.

그림. 수소 플라즈마 처리 시간 증가에 따른, 즉 친수성이 강해짐에 따른 수소화 그래핀 표면 위 암세포의 증식량을 관찰한 그림이다. 친수성이 강함에 따라 암세포가 증식하는 양이 증가하는 것을 볼 수 있다.

그림. 국부적으로 패터닝된 수소화 그래핀 위 암세포의 선택적 흡착을 보여주는 모식도와 광학 현미경 사진이다. 본 결과는 연구 성과의 우수성과 응용성이 높게 평가되어, 나노 레터스의 시플리멘터리 표지로 선정됐다.

용어 설명

간접식 수소 플라즈마(indirect hydrogen plasma)

원격 플라즈마(remote plasma)라고도 한다. 수소 플라즈마를 발생시키는 공간과 샘플이 놓인 공간이 서로 분리된 방법을 지칭한다. 통상적인 직접식 플라즈마(direct plasma) 방식은 플라즈마 발생 시의 고에너지로 인해 샘플이 손상되지만, 간접식 플라즈마처리는 샘플이 놓인 공간으로 플라즈마가 흐르도록 해 표면을 처리하는 방식으로, 샘플의 손상을 최소화할 수 있는 비파괴적 플라즈마 처리 방법이다.

초친수성(superhydrophilic)

표면과 물방울의 외면이 이루는 각이 10° 이하일 때를 초친수성, 혹은 극친수성이라고 한다.

저자 소개

 홍종일 교수(공동 교신저자)                                                                                    이관형 교수(공동 교신저자)

손장엽 박사(공동 제1저자)                                                                                            이종영 교수(공동 제1저자)