나노센서

글: 이정오 박사 / 한국화학연구원 화학소재단 융합바이오센터www.krict.re.kr축소된 프로테우스호와 승무원들은 의원의 병을 치료하기 위해 그의 혈관으로 긴 여행을 떠난다. 그들 앞에는 거센 혈류와 면역체계의 저항 등 험한 난관이 가로막혀 있다. 과연 그들은 무사히 의원의 병을 치료할 수 있을 것인가?과학기술이 발달하면서 과거 공상과학영화에서 우리가 상상하고 꿈꾸었던 일들이 현실화되고 있다. 영화 속에서나 보던 화상전화가 "쇼를 하라"거나 생활을 생중계한다는 모토를 걸고 고객을 끌고 있다. 그런가 하면 2002년 영화 <마이너리티 리포트>에서 선보인 홍채인식기술은 이미 보안용으로 사용되고 있으며 주인공 존 앤더튼이 소유하고 있던 접는 디스플레이도 개발단계에 있다.그렇다면 과연 인류의 꿈이 이루어져 인체 내를 돌아다니면서 병을 고쳐주는 마이크로 로봇의 개발이 가능할까? 1966년에 만들어진 라는 영화는 축소된 비행선을 타고 인체 내로 들어가 병을 치료하는 프로테우스호 승무원들의 모험을 그리고 있다. 비록 사람이 들어있는 우주선을 축소하여 혈관에 주사기로 주사하는 단계에는 이르지 못했지만 캡슐형으로 만들어져 스스로 인체의 위나 장에서 영상을 전송할 수 있는 내시경 캡슐은 이미 상용화 단계에 있다. 물질을 성질의 변환없이 축소/확대할 수 있는 기술은 당분간은 그저 인류의 환상으로 남아있어야 할 것 같다.그러나 인체 내로 들어가서 병을 치료하기 위해 우리는 축소된 프로테우스호와 승무원 대신 나노기술을 가지고 있다. 나노란 ‘난장이’ 라는 뜻을 가진 nanus에서 기원한 것으로 알려지며 단위로는 10-9, 아주 작다는 의미를 가지고 있다. 혈관 속을 돌아다니며 병을 치료할 수 있는 로봇이라면 그 크기가 1μm 인 적혈구보다 작은 나노로봇이어야 한다는 것을 짐작할 수 있다. 이러한 나노로봇에는 질병이 있는 곳을 스스로 찾아갈 수 있게 하는 센서기능과 질병을 치료할 수 있는 기능이 동시에 포함되어야 한다.이 글에서는 나노센서에 대해서 주로 소개하도록 하겠다. 나노센서는 기존의 센서기술에 나노물질을 이용하여 성능을 향상시킨 센서 또는 나노물질과 나노전자소자를 결합시켜 만든 신개념의 나노센서들이 모두 포함된다.나노센서의 특징 및 시장전망나노센서는 기존에 개발된 다른 센서들에 비해 월등한 감도를 가져 단일 분자의 검출도 가능하다. 따라서 암과 같은 중대 질병에서 발생하는 미량의 표지자 단백질을 검출할 수 있어 질병의 조기진단이 가능하다. 또한 나노센서는 기본적으로 그 크기와 무게가 매우 작고 전력 소모가 낮으며 고밀도로 집적이 가능하므로 낮은 단가에 생산이 가능하다. 저가의 센서 양산이 가능해지면 나노센서를 일회용으로 이용하는 것이 가능해진다. 따라서 2012년이 되면 전체 센서 시장의 22.2%인 171억5100만 달러의 시장을 형성할 것으로 예측된다.그러나 이와 같은 나노센서의 우수한 특징에도 불구하고 대규모의 시장발생은 당분간 쉽지 않을 것이다. 우선 대부분의 나노센서 물질들은 아직 고가이고 나노센서 물질이나 나노센서를 제작하는 공정이 현 단계에서는 아직도 매우 어렵다는 문제점이 있다. 또한 나노센서의 집적기술 및 상용화에 필요한 기반기술을 확보하는데도 더 시간이 필요할 것으로 보인다.따라서 당분간 나노센서 시장은 국방용이나 테러방지용과 같은 정부기관을 고객으로 감도가 우수한 고가의 센서가 주류를 이룰 것으로 예상할 수 있다. 나노센서의 응용분야는 옆의 패널에서 언급한 것과 마찬가지로 다양한 분야를 들 수 있다. 흥미로운 점은 시장 전망에서 2008년 까지는 의료용 센서가 가장 큰 시장을 차지할 것으로 예측되는 반면, 2012년이 되면 화학/에너지 관련센서와 공정관리용 센서의 시장이 각각 32억 5천만 달러와 24억 달러로 의료센서의 12억 달러를 크게 압도할 것으로 예상되고 있다는 점이다. 이는 또한 나노센서의 제반 기술 개발이 이루어지면서 고가의 고성능 센서에서 양산형 일회용 센서로 옮겨가기 때문이라고 할 수 있다.나노센서의 종류는 측정량에 따라 물리량 센서(무게, 압력, 휘어짐 등), 열 센서, 광학센서, 전자기센서, 방사선 센서, 생분자 센서, 가스/액체 센서 등으로 나눌 수 있다. 이중 가스/액체 센서의 비중이 2010년을 지나면서 가장 큰 시장을 형성할 것으로 생각되고 그 뒤를 물리량 센서, 광학센서, 전자기 센서, 생분자 센서, 방사선 센서 등이 따를 것이라고 한다.주요 나노센서 플랫폼나노센서의 플랫폼으로는 탄소 나노튜브 , 반도체 나노와이어, 스핀트로닉스, 분자소자, 플라스틱 일렉트로닉스, 나노점 및 양자점, NEMS 등등 다양한 플랫폼이 존재한다. 이 중 나노점이 전체 시장에서 가장 큰 비중을 차지(2012년 기준 69억 6400만 달러)하고 그 뒤를 플라스틱 일렉트로닉스(20억 7500만 달러), 나노선(16억 3200만 달러), 나노튜브(14억 2백만 달러) 등이 따르고 있다.전기적 방식의 나노센서전기적 방식의 센서는 복잡하거나 고가의 장비를 필요로 하지 않으며 상대적으로 짧은 시간 내에 결과를 얻을 수 있어 경제성과 휴대성이라는 면에서 큰 장점을 가지고 있다. 현재 의료센서 시장(전체 시장으로 보아서도 가장 큰 시장을 차지하고 있다)을 차지하고 있는 당뇨병 환자용 글루코즈 센서가 바로 이 전기적 센서방식 중의 하나인 전기화학방식을 채택하고 있으며 미량의 혈액을 이용, 개인용 소형 검출기에서 신속하게 결과를 얻을 수 있다.매년 증가하는 당뇨병 환자로 인해 글루코즈 센서의 시장은 지속적으로 증가할 것으로 예상되며 앞으로의 개발방향은 인슐린 펌프와 연동하여 혈당을 실시간으로 측정하고 조절할 수 있는 부착형(삽입형) 센서나 고통스러운 채혈 과정을 생략할 수 있는 센서가 될 것으로 보인다. 그 밖에 전기적 방식의 나노센서로는 나노 전계효과 트랜지스터(nano-FET) 를 들 수 있다.이미 정립된 실리콘 공정을 이용하여 센서를 개발하고자 하는 개념 자체는 이미 1970년대에 대두되었고 항원-항체 반응을 이용하는 Immuno-FET 또는 ISFET(Ion Selective FET) 등이 센서로 개발되었다. 그러나 전기화학적 센서와는 달리, FET 방식의 센서는 높은 이온 농도에서는 작동이 불가능하고, 감도가 충분하지 못하여 상용화되지 못하였다.이와 같은 FET 방식의 센서는 2000년과 2001년, 스탠포드와 하버드 대학에서 각각 탄소 나노튜브와 실리콘 나노와이어를 이용하여 가스센서와 바이오센서를 개발하면서 다시 주목을 끌기 시작했다. 기존의 필름 트랜지스터(Film transistor)로는 상상할 수 없는 감도를 이 작은 나노 FET 들이 가질 수 있음을 보인 것이다. 박막이나 벌크 상태의 트랜지스터와 비교하여 탄소 나노튜브, 또는 나노선의 경우에는 표면적/부피의 비율이 매우 크다. 따라서 미세한 표면 상호작용이 신호로 나타날 수 있어 단일 분자의 검출도 가능하다.실제로 하버드대학의 C. Lieber 그룹에서는 실리콘 나노와이어 FET를 이용해서 미세한 종양 표지자 단백질 및 단일 바이러스의 검출이 가능함을 보였다. 또한 필자의 그룹 및 많은 연구그룹에서 고감도의 탄소 나노튜브 단백질 센서 또는 가스/액체 센서 결과를 보고한 바 있다.FET 방식 센서의 작동원리는 ‘Chemical gating effect’ 또는 ‘Chemically Modified Field Effect Transistor (CHEMFET)’ 로 설명할 수 있다. 그림 5와 같이 분자인식물질로 표면개질된 실리콘 나노와이어 트랜지스터에 타깃 물질이 반응하게 되면 타깃 물질이 가지고 있는 전하에 따라 실리콘 나노선에서 전하의 고갈이나 축적이 일어나게 되고 이는 소자의 전도도의 변화로 나타나게 된다. 적은 양의 시료로 효과적인 검출을 위해서 나노센서 위에는 시료전달의 역할을 수행하는 Microfluidic channel이 결합되어 시료를 센서 표면에 전달한다.나노선/나노튜브 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 아직까지 연구수준에 그치고 있다. 그러나 나노튜브를 이용한 가스센서는 이미 상용화 되어있다. 미국의 나노믹스 사에서는 나노튜브 네트워크로 이루어진 센서 플랫폼을 사용한다. 탄소 나노튜브는 우수한 전기적/기계적/화학적 특징을 가지고 있지만 성장단계에서 금속성을 띠는 나노튜브와 반도체성을 띠는 나노튜브가 무작위로 생산되기 때문에 소자의 전기적 특성이 균일하지 않은 문제를 가지고 있다. 이와 같은 문제를 나노믹스에서는 탄소 나노튜브의 네트워크를 이용함으로서 어느 정도 해결하여 상용화에 성공하였다. 최근의 연구동향은 균일한 나노튜브를 성장시키는 대신, 나노튜브의 앙상블을 만들어 이 중 원하지 않는 나노튜브를 제거함으로서 성능과 균일성을 향상시키고 있다.나노믹스에서는 현재 Nano TectTM이라고 불리우는 환경센서를 시판하고 있고 환자의 CO2 농도를 측정할 수 있는 센서로 CaPLiteTM과 천식환자를 모니터링할 수 있는 센서로 FDA 승인을 기다리고 있다.최근에는 기존에 레이저 및 광학 시스템을 이용하여 신호를 얻어내는 MEMS, NEMS 캔틸레버의 신호도 전기적인 방식으로 전환되는 추세로 보인다. 즉 표적 물질의 결합에 의해 캔틸레버가 휘어지는 정도를 캔틸레버 위에 레이저가 반사되는 정도를 측정하는 대신 캔틸레버위에 MOSFET 을 결합시키거나 금 나노박막을 캔틸레버위에 결합하여 전기 전도도의 변화를 측정하는 방식으로 발전하고 있다.센서에 있어 가장 중요한 요소는 감도, 선택성, 재현성이라고 볼 수 있다. 감도는 센서의 한계를 알 수 있는, 측정 가능한 범위를 나타내므로 특히 미량의 단백질이나 저분자의 검출이 요구될 경우 그 중요성이 커진다. 선택성은 센서가 측정하고자 하는 물질에만 반응을 보이고 그 외의 물질에는 거의 반응을 보이지 않아야 한다는 것으로 센서가 오작동하지 않도록 하는 큰 역할을 한다. 센서에 선택성을 부여하기 위해서는 센서 플랫폼을 개발한 후 거기에 선택성을 줄 수 있는 분자인식 물질을 고정화한다. 항원-항체 반응이 그 좋은 예로서 센서 표면에 항체 또는 항원을 고정화하면 서로 짝이 되는 항원 또는 항체만 결합 가능하므로 기타 방해물질에 의한 오작동을 줄일 수 있다.최근까지는 이 항원-항체 반응이 선택성을 부여하는데 대부분 사용되어왔지만 생명공학 기술이 발달하면서 새로운 인공항체 즉 인공 분자인식 물질들이 개발되고 있다. 한 예로 압타머를 들 수 있다. 압타머는 라틴어의 Aptus(adapt)와 mer가 결합된 용어로 짧은 단일 가닥 DNA 또는 RNA 사슬로 이루어진 물질로 그 자체가 독특한 3차원 구조를 가져서 단백질, 펩타이드, 유기 저분자등에 높은 친화력을 가질 수 있는 물질이다.다음 페이지의 표에서 간단하게 압타머와 항체의 차이점을 비교하였다. 단백질 기반의 항체와는 달리 DNA 또는 RNA 로 이루어진 압타머는 열이나 주변 환경에 대해 안정하기 때문에 바이오센서에 이용될 경우 기존의 항체 기반 바이오센서에 비해 유통기한이나 보존 조건 등이 훨씬 유리할 수 있다.또한 주변 환경에 따라 가역적으로 구조가 변하는 압타머의 특징을 이용하면 반복사용이 가능한 센서를 개발할 수 있고 또 구조적 특징을 이용하여 기존 센서에 비해 월등한 감도를 갖도록 변형시키는 연구결과도 많이 보고되고 있다. 항체에 비해 압타머는 선택성도 우수하면서 일단 서열을 알아내면 대량 합성이 가능하기 때문에 단가 면에서도 우수하다. 또한 동물세포 내에서 길러지는 항체와는 달리 독성물질인 경우에도 자유롭게 생산이 가능하다는 장점도 갖는다.항체와 마찬가지로, 압타머의 경우에도 그 표적분자와 반응하여 표적분자를 무력화 할 수 있기 때문에 바이오센서의 인식물질로서 뿐만이 아니라 약으로서의 시장 개척 가능성도 크다. HIV 바이러스의 복제를 저해하는 TAR 압타머가 1980년대 말에 개발되었고 노안치료에 사용되는 압타머는 이미 Macugen 이라는 이름으로 Pfizer에서 시판되고 있으며 그 밖에도 임상시험단계에 들어간 다양한 압타머 기반의 신약들이 존재한다.압타머와 유사하게 펩타이드 체인이나 PNA(peptide nucleic acid; 일반 nucleic acid와 유사하나 펩타이드로 이루어진 백본을 가지고 있다)들도 우수한 분자인식 물질로서의 가능성을 보여주고 있다.또 하나의 인공항체로 많이 연구되고 있는 물질은 고분자 기반의 분자각인 고분자 (MIP; Moleculary Imprinted Polymer)를 들 수 있다. MIP는 인식하고자 하는 물질 주위에 고분자를 가교시켜 ‘틀’을 만든 후 내부의 타깃 물질을 없애 포켓을 형성하는 방식으로 만들어진다. MIP는 고분자 기반의 물질이므로 안정성이나 단가에서 매우 우수할 것으로 예상되지만 MIP를 제작하는 과정에서 대부분 유기용매를 사용하므로 단백질 MIP를 만드는 데는 어려움이 있을 수 있다.미래의 전망지금까지 나노센서의 시장전망 및 전기적 방식의 나노센서의 연구동향, 새로운 분자인식물질이 갖는 중요성 등에 대해 간략하게 소개하였다. 본 글의 목적은 비록 간략하게나마 나노센서가 갖는 가능성을 독자들에게 소개하고 그 필요성을 공유하는데 있다.생활수준이 높아지면서 건강한 삶, 더 나은 삶에 대한 관심이 높아지고 있고 급속한 노령화는 이에 대한 대책, 즉 노년을 건강하고 행복하게 보낼 수 있는 기술을 요구하고 있다. 의료용 나노센서는 질병을 초기에 진단한다거나 질병의 가능성을 미리 찾아내어 치료효과 및 생존율을 높이는데 기여할 수 있다.IT와 융합된 나노센서는 언제 어디에서나 주변 환경 및 개인에 대한 정보를 제공하여 보다 안전하고 편안한 삶을 누릴 수 있게 해준다. 또한 화학/에너지/산업용 나노센서도 인간의 일을 더 안전하고 편하게 도와줄 것이다이와 같은 나노센서의 전성기를 맞이하기 위해서 해결해야할 몇 가지 일들이 있다. 우선 아직까지 생산량이 작고 고가인 나노센서 재료들의 대량 생산 및 생산 단가를 낮추는 노력이 필요하다. 또 센서의 오작동을 막을 수 있는 각종 처리기술이 먼저 확립되어야만 하고 거기에 더불어 나노센서의 장점을 최대한 누릴 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어의 연구가 뒷받침되어야 한다.쮂 주요 나노센서 플랫폼1. 탄소 나노튜브우수한 전기적/기계적 특성 및 안정성이 뛰어나 동작/압력 센서 등의 기계적 센서와 화학적 센서로 개발될 수 있음. 나노튜브 기반의 센서를 상용화하는 대표적인 그룹은 미국의 나노믹스와 어플라이드 나노테크놀로지임2. 반도체 나노선금속선 및 반도체 나노선을 이용한 센서 개발이 가능함. 하버드대학에서 설립한 나노시스 및 스웨덴의 나노센스가 있음3. 스핀드로닉스NVE 사에서 로보틱스 및 청각장애인용 센서를 시판하고 있음4. Moletronics분자소자 자체는 우수한 센서물질이 될 수 있으나 아직 실용화된 예는 없음5. Plastic electronics저가의 대면적 센서를 개발하는데 이용됨6. Quantum dots초고감도 센서에 이용됨7. Nanoparticles약물전달 및 화학/생물학 센서에서 다양하게 이용됨8. NEMS기존의 MEMS 시스템의 성공을 바탕으로 고감도 센서로 이용될 수 있을 것으로 예상됨9. 기타기타 nanocrystalline diamond 등의 박막류, Ion channel, Dendrimer, Nanoporous material, single electron transistor 등등.쮂 저자소개저자인 이정오 박사는 한국화학연구원 화학소재단 융합바이오센터 소속의 선임연구원으로 고체물리학을 전공했으며 현재 나노구조체를 이용한 센서 개발을 연구하고 있다.NBALinKNBALinK(NanoBio Application Lab in KRICT)는 한국화학연구원에 소속된 전문랩으로 “분자제어에 의한 나노바이오 프로브 개발” 이라는 제목으로 나노기술과 바이오기술을 융합한 차세대 프로브 개발을 수행하고 있다. 팀에서는 전자구조계산, 나노소자 개발 및 이를 이용한 화학/생물학 센서 개발에 힘쓰고 있다. 자세한 정보는 그룹 홈페이지 http://nbalink.krict.re.kr 에서 확인할 수 있다.한국화학연구원 (KRICT)한국화학연구원은 1976년에 설립된 화학 전문연구기관으로 대덕 연구단지 내에 위치하고 있다. 설립 이래 국내 화학사업의 성장을 이끌어 왔으며 현재는 “푸른 미래 화학과 함께”라는 슬로건을 걸고 국민 삶의 질 향상을 위한 기술의 질적 성장에 역점을 두고 핵심원천기술 개발에 집중하고 있다
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