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(A+레포트)[이차전지실험] NCM811 코인셀 제조 실험 레포트

이차전지실험 결과보고서 실험 제목 NCM811 코인셀 제조 실험 담당 교수 실험 조 및 조원 학과 학번 이름 서론 실험 목적 리튬이온 이차전지의 구성 및 원리, 제조 전공정을 학습한다. 이를 바탕으로 파우더 열처리 조건에 따른 리튬이온 NCM811 코인셀의 성능 평가를 목적으로 한다. 실험 이론 전지(battery)란 전기화학반응을 이용하여 전극 물질의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 시스템이다. 전지는 일정 수명기간 동안만 한 번 사용이 가능한 일차전지(primary battery)와 충전하여 장시간 반복 사용이 가능한 이차전지(secondary battery)로 나뉜다. 이차전지 중 현재 가장 상용화되어 있는 리튬이온 전지는 리튬금속산화물을 양극 물질로, 흑연 등의 물질을 음극 물질로 주로 사용한다. 양극재는 배터리의 성능에서 ‘용량’과 ‘전압’을 좌우하는데 리튬의 비중이 높을수록 배터리 용량이 커진다. 리튬이온 전지의 제조 공정은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화성 공정, 팩 공정으로 구분된다. 전극공정 ① 믹싱공정 믹싱(mixing) 공정은 말 그대로 원자재를 혼합하는 공정으로, 바인더를 용매에 분산시켜 바인더 용액을 제조하고 활물질과 도전재를 혼합/분산시켜 슬러리를 제조하는 과정이다. 주요 양극 활물질은 LiCoO2, Li[Ni, Co, Mn]O2, LiFePO4 등이 있으며, 음극 활물질에는 graphite, silicon 또는 silicon oxide, CNTs 등이 있다. 활물질(active material)은 전지 반응에 참여하는 물질이므로 슬러리 내 활물질의 비율이 클수록 좋다(약 90%). 이때 활물질은 높은 이온 전도도를 가지는 반면 전기 전도도는 낮기 때문에 Carbon Black, super P와 같은 도전재(conducting agent)를 함께 넣어 활물질 층에서의 전기적 저항을 낮춘다. 마지막으로 바인더(binder)는 활물질과 도전재 사이, 그리고 슬러리와 전극 사이의 결합력을 높이기 위한 목적으로 사용된다. 일반 지니게 된 배터리들은 셀 단위로 납품하거나 고객의 요구에 맞춰 모듈화 해야 한다. 따라서 팩 공정은 제조된 배터리 셀을 모듈화하고 이를 팩으로 만드는 과정이다. 먼저, 배터리 셀 여러 개를 Cell to Cell 형태로 만들고 레이저를 이용해 버스바(Busvar)와 리더를 접합하여 셀들을 연결한다. 이를 모듈 케이스에 고정하고, 이후 셀들을 연결하여 모듈을 완성한다. 완성된 모듈을 배터리 팩에 넣고 Module to Module로 연결한다. 또한 배터리 팩에는 많은 배터리 셀이 들어가기 때문에 이들 간의 밸런스와 관리를 담당하는 BMS(Battery Management System)를 이용해 배터리의 성능을 최적의 상태로 유지함으로써 전지의 수명을 늘릴 수 있다. 본론 실험 방법 실험 기구 및 시약 실험 기구 알루미늄박, 유리판, 마이크로 피펫, 전자저울, 막자사발 및 막자, 도가니, vortexer, 여과장치, 여과지, 코니컬 튜브, 소니케이터, Doctor blade, 진공 건조 장비, Rolling Press, 에어블로워, Punching machine(12mm, 18mm), weighing paper, 글로브 박스, Crimper, Land Battery Cycler 시약 LiOH·H2O 물질명 Lithium Hydroxide Monohydrate CAS No 1310-66-3 분자량 41.96g/mol 형태 고체(결정성) 성상 백색/무취 그림 문자 위험성 위험성: 피부와 눈에 자극. 흡입 시 호흡기 자극 가능. 취급 주의: 적절한 보호장비 착용. 피부/눈 접촉 및 흡입 피할 것. 저장: 밀폐 용기에 건조하고 서늘한 곳에 보관. [Ni0.8Co0.1Mn0.1]OH2 물질명 수산화 니켈-코발트-망간 성상 고체, 비휘발성, 비가연성 분자량 92.36g/mol 형태 분홍빛을 띠는 회색 가루 위험성 니켈과 코발트는 피부 감작 및 발암 가능성 존재 분진 흡입 주의 Carbon black: Super P 분자량 단량체(C): 12g/mol 용도 전도성 탄소 보조 입자 크기를 감소시키고, 크기 분포를 균일하게 해 슬러리 제조 시 혼합 균일성과 전극 성능을 향상시킬 수 있다. 이때 과도한 힘을 가할 경우 다결정 구조가 깨질 수 있기 때문에 살살 갈아준다. 이후 700℃와 800℃ 로 소성한 시약을 에탄올로 세척 및 여과하며, 그 과정은 [그림2.] 및 [그림3.]과 같다. 그림1. 실험에 사용된 시약 그림2. 소니케이트 중인 시약 그림3. 여과된 시약 믹싱 공정 및 압연 공정 활물질, 도전재, 바인더를 정량(오차 범위 ±0.002g)만큼 넣고 골고루 혼합해 슬러리를 제조했다. 슬러리 또한 과도한 압력을 가하면 활물질의 구조가 붕괴될 수 있으므로 주의한다. 알루미늄 호일은 양극재에 일반적으로 적용되는 집전체로 전자를 주고받는 역할을 하기 때문에 [그림4.]와 같이 들뜨거나 구겨진 부분이 없도록 유리판에 밀착하는 것이 중요하다. 이후 제조한 슬러리를 닥터블레이드를 이용해 집전체 위해 고르게 도포하고[150um], 용매를 증발시키기 위해 진공상태의 오븐에서 건조했다. 건조된 전극을 Rolling pressor로 압연[70um]하였다. 이는 슬러리와 집전체 간의 결착력을 높이고 슬러리 내의 잔류 응력을 제거하기 위한 공정이다. Rolling pressor는 사용할 때마다 에탄올과 에어블로워를 사용해 세척 및 건조를 하여 전극의 손상 및 오염을 방지한다. 압연 공정을 진행한 전극과 분리막은 Punching machine을 이용해 원하는 지름[전극-12mm, 분리막-18mm]으로 재단하고, 각각 전극의 무게를 측정 후 플레이트에 보관하였다[그림6.]. 그림4. 알루미늄 호일 그림5. 집전체에 캐스팅한 슬러리 그림6. 제조된 양극 (위: 700℃, 아래: 800℃) 조립 공정 리튬 금속은 수분 및 산소에 대해 매우 높은 반응성을 보인다. 이로 인한 전지 성능 저하 및 수명 단축 등을 일으킬 수 있으므로 고진공 상태 및 불활성 Ar gas분위기인 글로브 박스에서 조립을 진행했다. 전해질 2방울을 먼저 넣는 이유는 조립 과정에서 구성 NCM 리튬이온 배터리 양극재는 층상구조의 hexagonal phase를 가진다. [Reference]에 따르면 주요 peak에 해당하는 결정면과 peak가 의미하는 것은 아래 [표 3.]과 같다. 2-Theta 결정면 Peak의 의미 18 (003) c-axis (층간 거리) 36 (101) 육방정계(hexagonal) 대칭성 38 (006-012) The clear splitting: Well-ordered, layered structure 44 (104) 주요 peak 48 (015) 육방정계(hexagonal) 대칭성 58 (107) 육방정계(hexagonal) 대칭성 65 (018-110) a-axis, The clear splitting: Well-ordered, layered structure 68 (113) 육방정계(hexagonal) 대칭성 표3. Peak가 나타내는 결정면 우선 (006-012) peak과 (018-110) peak이 각각 splitting이 된 것으로 보아 ordering이 잘 된 rock-salt구조, 즉 층상 구조가 형성되었음을 알 수 있다. Ordering은 리튬 이온 배터리의 성능에 매우 중요하다. 만약 리튬 층에 니켈 이온이 침입하게 될 경우, 리튬 이온 확산 채널이 부분적으로 막혀 확산 속도를 저하시켜 배터리의 고율특성을 떨어뜨리고 용량을 감소시킨다. 또한 이중 (003) peak의 최대 폭이 감소할수록 합성된 물질의 결정 크기(c-axis)가 커지는 것을 의미하는데, 800℃ 전극의 폭이 더 작은 것을 미루어 보아 더 큰 결정이 생성되었음을 알 수 있다. 더불어, I003/I104 값은 결정구조 내 양이온의 mixing 정도를 나타내며, I003/I104>1.2일 때, Li/Ni mixing 정도가 꽤 낮음을 의미한다. 본 실험에서 I003/I104 값은 700℃일 때 대략 1.14, 800℃일 때 대략 1.28이다. 따라서 700℃ 전극보다 800℃ 전극에서 Li/Ni mixing 정도가 더 낮음을 의미하며, C/3 in the voltage range of 2.7~4.5 V. (a) 725 °C, (b) 750 °C, (c) 775 °C, (d) 800 °C, (e) 850 °C, and (f) 900 °C. 또한 두 그래프 모두 충방전 초기에 그래프의 기울기가 완만해지는 구간이 나타나는 것을 아래의 [그림13.]과 같이 확인할 수 있다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 NCM 기반의 리튬 이온 전지의 구조와 충방전 시 발생하는 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 의하여 설명된다. 우선 NCM 양극재는 [그림14.]와 같이 리튬 이온 층과 전이 금속 층이 교대로 존재하는 층상 구조의 육방정계(hexagonal)를 형성한다. 이때 하이니켈 NCM 양극 활물질은 충전 과정에서 리튬의 탈리가 일어나면서 Hexagonal to Monoclinic (H1 + M)으로 상전이가 일어난다. 이후 계속 리튬의 탈리가 발생하면서 또 다른 2개의 Hexagonal phase (H2, H3)로 전환된다. 4.1~4.2V 영역에서 발생하는 H2 to H3 phase transition의 경우 상당량의 리튬이 빠져나간 상태에서 구조 변화가 일어나는데, 특히 c-axis로의 급격한 수축을 유발한다. 이를 통해 실험에서 제작한 양극 활물질에서 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 정상적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 상전이로 인한 구조 붕괴나 비가역적인 상전이가 일어날 경우 구조적 불안정성을 유발해 배터리 수명을 저하시키므로 이를 억제하고 부피 변화를 최소화하기 위해 원소 도핑, 표면 코팅 등의 기술을 개발하고 있다. (a) (b) 그림13. [그래프3~4.] 중 일부 (a) 700℃ and (b) 800℃ 그림14. Atomic models of Ni-rich LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 layered oxide projected onto the (a) bc and (b) ab planes. 마지막으로 고율특성 분석을 진행하였다. 고율특성 분석은 높은 C-rate 조건에서의 전지의 성능을

공학/기술| 2026.03.03| 19페이지| 3,000원| 조회(38)

배터리실험, 이차전지실험, 코인셀실험

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(A+만점레포트)[화공생물공학단위조작실험2] 4.PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal)의 제조(예비)

화공생물공학단위조작실험2 예비 보고서실험 제목PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal)의 제조실험 일자실험 조 및 조원학과학번이름실험 목표현재 디스플레이 산업의 핵심 소재인 액정에 대해 알아보고 특히 액정 소자의 특징인 굴절률 이방성을 이용한 PDLC를 제작함으로써 액정의 구동원리를 이해한다. 또한 액정과 고분자의 상분리 시 사용되는 UV 경화성 고분자의 UV에 의한 고분자 중합과정을 살펴본다.실험 원리PDLC두 장의 투명전극이 코팅된 기판 사이에 고분자와 액정이 서로 분산되어 있는 형태의 총체적인 형태를 Polymer Dispersed Liquid Crystal (PDLC)라고 한다. 일반적으로 고분자 전구체인 여러 가지의 monomer와 oligomer 등을 액정과 균일하게 섞어서 경화 과정을 거치면, PDLC는 비정형의 polymer matrix에 무작위로 분산된 액정 droplet으로 구성된 매우 독특한 형태를 이룬다. Polymer matrix에 저분자량의 네마틱 액정(nematic liquid)이 분산되어 micron size의 방울들이 형성된 형태이다. 이 네마틱 방울들은 빛을 강하게 산란시켜 cell을 백탁상태로 만들게 되고 전압을 가했을 경우에는 액정방울의 굴절률이 polymer의 굴절률과 match 되어 방울들의 산란능력이 줄어들게 되고 cell은 투명한 상태로 만들어진다. 즉, 액정의 이방성과 고분자의 등방성을 이용하여 둘 사이의 굴절률 차이를 통한 빛의 분산을 이용, PDLC의 투과도를 조절하여 디스플레이 등으로 사용할 수 있게 하는 기술이다.그림1. PDLC의 전원 On-Off 상태에 따른 빛 투과와 산란 현상복국절굴절률(refractive index)은 투명한 매질로 빛이 진행할 때, 광속이 줄어드는 비율을 가리킨다. 진 공 중에서의 광속을 c라고 하면 굴절률이 n인 매질 내에서 빛의 속도는 c/n으로 줄어든다. 복굴절은 광학적으로 이방성인 매질 내에서 빛의 편광방향에 대한 굴절률이 다른 경우, 입사한 빛의란을 일으키기 위해서 적당한 복 굴절성을 가지고 액정의 ordinary refractive index(no)와 고분자의 굴절률(np)이 비슷해야 한다. PDLC 실험에 주로 사용되는 액정은 Merck 사의 E7으로, 저분자량 cyanobipenyl compounds로 이루어져 있다.그림2. Thermotropic liquid crystal의 온도에 따른 상전이 모식도()PDLC의 제조방법상 분리법상 분리법은 고분자와 액정의 상 분리 성질을 이용한 것으로, 액정과 prepolymer를 섞어서 균 일한(homogeneous) 등방성 액체로 만든 후에 prepolymer를 polymerization 시키면 액정의 용해 도가 감소되어 액정이 상 분리되어서 polymer matrix에 LC droplet을 형성하게 된다. 이 방법은 droplet 크기가 균일하고 droplet size를 쉽게 조절할 수 있다. 이러한 상 분리법은 제조방법에 따 라서 PIPS(Polymerization Induced Phase Separation), TIPS(Thermally Induced Phase Separation), SIPS(Solvent Induced Phase Separation)으로 분류된다.PIPS (Polymerization Induced Phase Separation) (※본 실험에 적용되는 방법)PIPS법은 액정이 prepolymer와 잘 섞이는 경우에 유용하다. 투명 전극이 코팅된 기재에 균일 한 용액상의 prepolymer와 LC 혼합물을 도포하여 UV나 열에 의해 중합을 시킴으로써 PDLC film을 형성하는 방법이다. 중합과정에서 고분자나 액정 간에 상용성이 감소함에 따라 상분리가 진행되어, 고분자 matrix 안에 액정들이 droplet을 형성하고, 고분자 matrix가 완전히 겔화 될 때까지 droplet이 성장한다. 여기서 droplet size는 경화속도, 액정과 고분자의 종류, 경화 온도, 액정과 고분자의 혼화성 등과 같은 물리적 상수에 크게 영향을 받 시 PIPS법이 가장 많이 사용된다. PIPS법을 이용해 액정을 제조하기 위해 아래와 같은 내용을 이해하고 있어야 한다.Thermotropic liquid crystal(온도 전이형 액정)액정은 일반적으로 길쭉한 막대 형태나 얇은 원반 모양의 분자들로 구성될 때 그 특유의 상태가 나타난다. 이러한 비등방성 분자들은 액체 상태에서는 방향성이 없는 등방적인 배열을 보이지만, 온도가 낮아지고 분자 간 거리가 가까워지면서 상호작용이 강해지면 정렬되는 경향을 띠게 된다. 액정은 주로 온도 변화에 따라 구조가 달라지는 온도 전이형과 농도 변화에 따라 달라지는 농도 전이형으로 나뉜다. 이 중 온도 전이형 액정은 열에 의한 변화만으로 구조가 바뀌며, 특정 온도 범위에서만 액체 상태의 특성을 갖는다. 이들은 정렬의 형태에 따라 네마틱(nematic)과 스멕틱(smectic) 상태로, 그리고 분자의 손지성에 따라 카이랄(chiral) 또는 비카이랄(achiral)로 분류된다. 특히, 카이랄 네마틱 액정은 콜레스테릭(cholesteric) 액정이라고도 한다.네마틱과 스멕틱 액정은 모두 막대형 분자들로 구성되어 있으나 구조적 차이를 지닌다. 스멕틱 액정은 분자들이 층을 이루며 배열되어 있어 위치 질서와 방향성을 동시에 가지며, 이로 인해 층 간 결합력이 약한 것이 특징이다. 이들은 분자 정렬 방식에 따라 스멕틱 A상(방향자와 나란한 배열)과 C상(일정 각도로 기울어진 배열)으로 구분된다. 반면, 네마틱 액정은 방향성은 있으나 층을 이루지 않기 때문에 비교적 자유로운 이동성을 가지며, 유동성이 높고 점도가 낮다. 이러한 차이로 인해 스멕틱 액정은 주로 빛의 회절 특성을 활용한 디스플레이에, 네마틱 액정은 전기적 특성을 이용한 광학 장치에 널리 사용된다. 콜레스테릭 액정은 층상 구조를 가지면서도, 그 내부 분자 배열은 네마틱과 유사한 방향성을 가지며, 전체적으로는 나선형 구조를 이룬다. 이 구조는 온도나 압력 변화에 따라 색상이 민감하게 달라지는 특성을 보이며, 나선의 반복 주기인 마이크로 피펫, 저울, magnetic stirring bar, 자외선 보안경, 저울, 가열자력교반기, magnetic stirring bar, 자외선 보안경시약NOA65(Norland Optical Adhesive 65): 금속 마운트에 렌즈를 부탁하거나 플라스틱을 유리에 접착할 때 주로 사용되는 고분자. 자외선에 노출될 경우 경화되며, 경화된 상태에서 차단 효과를 제공하는 무색의 경화 광학 접착제.E7 액정 혼합물분류5CB7CB8OCB5CTIUPAC name4-pentyl-4-biphenylcarbonitrile4-heptyl-4-biphenylcarbonitrile4-oxtyloxy-biphenylcarbonitrile4-cyano-4-n-pentyl-p-terphenyl분율51wt%25wt%16wt%8wt%분자량249.36277.4307.44325.45끓는점140~150℃(0.5mmHg)412.75℃--녹는점23℃30℃51~77℃131℃용해도불용성0.0141(at 25℃)불용성불용성본 실험에서 사용하는 액정은 Merck E7으로, 위 표와 같이 저분자량 cyanobiphenyl compound로 이루어져 있다. LC 모노머는 일반적인 아크릴레이트 모노머보다 낮은 분자량의 네마틱 액정 물질과 높은 사용성을 가지므로, 낮은 분자량의 LC를 높은 농도로 포함하는 고품질 광학적 샘플을 형성할 수 있다. 저분자량의 E7은 63.3℃에서 nematic-isotropic transition, 63.3℃에서 glass transition을 갖는다.4-pentyl-4-biphenylcarbonitriled은 일반적으로 사용되는 nematic 액정으로 유동성이 있으며, 24℃에서 crustal-nematic transition을, 35℃에서 nematic-isotropic transition을 갖는다. 4-heptyl-4-biphenylcarbonitrile은 4,4'-위치에 cyano와 heptyl 그룹이 위치한 1,1'-biphenyl구조를 가지며, cyanobiphylcarbonitrile)300mg × 0.51 = 153mg = 0.153g7CB(4-heptyl-4-biphenylcarbonitrile)300mg × 0.25 = 75mg = 0.075g8OCB(4-oxtyloxy-biphenylcarbonitrile)300mg × 0.16 = 48mg = 0.048g5CT(4-cyano-4-n-pentyl-p-terphenyl)300mg × 0.08 = 24mg = 0.024g② 새로운 바이알에 NOA65를 계량하여 넣는다. 이때 E7과 NOA65의 질량비는 E7 : NOA65 = 6 : 4로 한다. 그 후 NOA65가 든 바이알을 70℃의 가열 자력교반기에 올려놓는다.NOA65300mg × 2/3 = 200mg③ E7액정을 균질혼합물(homogenous mixture)로 만들기 위해 E7이 든 바이알에 magnetic stirring bar를 넣고 뚜껑을 닫은 후 70℃ (E7의 TNI보다 높은 온도)에서 가열 교반한다.④ ③에서 균질혼합물이 된 E7액정을 ②에서 NOA65를 계량한 바이알에 넣는다. Magnetic stirring bar도 같이 옮겨 넣는다.⑤ E7과 NOA65가 같이 든 바이알을 두 물질이 균질혼합물이 되도록 70℃에서 약 10 min간 300rpm 정도로 교반한다.⑥ ITO glass를 wash bottle에 들은 에탄올을 뿌려 세척하고 건조시킨다.⑦ 건조시킨 ITO glass를 digital multimeter를 사용하여 (전도면의 저항 약 20~40 Ω) 전도면을 찾은 후, 전도면이 위로 향하여 테이블 위에 올려놓는다.⑧ spacer로 사용할 film을 얇게 잘라 ITO glass의 양쪽 끝에 올린다.⑨ 균일 혼합물이 된 E7, NOA65혼합물을 마이크로 피펫을 사용하여 spacer가 놓인 ITO glass 위에 적정량 drop한다. 마이크로 피펫으로 혼합물을 분취 시 천천히 빨아들여 기포 가 생기지 않도록 한다.⑩ 혼합물이 drop된 ITO glass 위로 전도면이 서로 마주보도록 다른 하

공학/기술| 2025.06.24| 9페이지| 2,000원| 조회(73)

A+레포트, 화공생물공학, 화공생물공학단위조작실험2

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(A+만점레포트)[화공생물공학단위조작실험2] 4.PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal)의 제조(결과)

화공생물공학단위조작실험2 결과 보고서 실험 제목 PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal)의 제조 실험 일자 실험 조 및 조원 학과 학번 이름 시약 세부 시약 NOA65(Norland Optical Adhesive 65): 금속 마운트에 렌즈를 부탁하거나 플라스틱을 유리에 접착할 때 주로 사용되는 고분자. 자외선에 노출될 경우 경화되며, 경화된 상태에서 차단 효과를 제공하는 무색의 경화 광학 접착제. E7 액정 혼합물 분류 5CB 7CB 8OCB 5CT IUPAC name 4-pentyl-4-biphenylcarbonitrile 4-heptyl-4-biphenylcarbonitrile 4-oxtyloxy-biphenylcarbonitrile 4-cyano-4-n-pentyl-p-terphenyl 분율 51wt% 25wt% 16wt% 8wt% 분자량 249.36 277.4 307.44 325.45 끓는점 140~150℃ (0.5mmHg) 412.75℃ - - 녹는점 23℃ 30℃ 51~77℃ 131℃ 용해도 불용성 0.0141(at 25℃) 불용성 불용성 그림4. E7 화합물 분자구조 결과 실험 과정 그림1. 제조한 PDLC(경화 전) 그림2. 제조한 PDLC(경화 후) 그림3. 전류가 흐르지 않을 때의 PDLC 그림4. 전류가 흐를 때의 PDLC 그림5. 전압 측정 결과; 투과율=0% 그림6. 전압 측정 결과; 투과율=100% 결과 분석 PDLC의 투명도 그림 1은 UV 경화 전 PDLC 모습이다. 이후 이를 UV를 조사했을 때 반투명색이 되었으며, 이는 그림 2와 같다. 혼합물에 UV를 조사하면 중합이 시작되고, 비정형 고분자 매트릭스에 무작위로 분산된 액적으로 구성되게 된다. 고분자 매트릭스에 저분자량의 네마틱 액정이 micron 크기로 분산되는데, 이 방울들이 빛을 강하게 산란시켜 cell을 백탁상태로 만들게 된다. 특히 본 실험에서 사용한 PIPS(중합 유도 상분리) 방식은 중합이 진행되는 동안 고분자와 액정 사 PDLC는 그림 3과 같이 반투명하였고, PDLC에 전류를 흘려 주었을 때는 그림 4와 같이 투명해지는 것을 확인할 수 있다. 이는 액정 방울의 굴절률이 고분자의 굴절률과 일치하게 되어 방울들의 산란 능력이 줄어들며 투명한 상태가 되는 것이다. PDLC cell에서 사용되는 액정은 일반적으로 바이폴라(bipolar) 구조를 갖는다. 이 구조는 액정 분자들이 액적의 표면을 따라 접선 방향으로 정렬되어 있으며, 이러한 배열은 액적의 길이 방향과 평행하게 배향될 경우 내부의 변형 에너지를 최소화할 수 있다. 이러한 이유로 바이폴라 배열은 PDLC 시스템에서 가장 널리 활용되는 구조 중 하나이다. 전압이 인가되지 않은 상태에서는 고분자 매트릭스와 액정 방울 간의 굴절률이 달라 산란이 잘 되며, 두 개의 투명전극 사이에서 전기장이 만들어지면 그림 8과 같이 액정의 방향자가 전기장 방향으로 배치된다. 이는 positive type의 경우이며 반대의 성질을 보이는 negative type도 존재한다. 고분자 매트릭스의 굴절률()과 LC의 굴절률()의 차인 와 고분자의 가 일치하지 않으면 계면 광산란이 발생하여 불투명해지고, 이 차이가 클수록 넓은 각도에 걸쳐 산란이 일어나 더욱 불투명해진다. 이때 일 때 최대 투과도를 얻을 수 있다. 그림8. PDLC의 작동 원리 (좌) off-state (우) on-state 다음으로 투과율이 0일 때와 100일 때 전압을 측정하였다. 이는 각각 PDLC의 최소투과율과 최대투과율을 나타낸다. 그 결과를 표 1에 정리하였으며 투과율에 따른 전압 그래프로 나타내면 그림 9와 같다. 투과율(%) 0 100 전압(V) 0.042 9.788 표1. 투과율에 따른 전압 그림9. 투과율에 따른 전압 그래프 위 그래프를 이용하면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다. 해당 식의 x값에 투과율 10%와 90%를 대입하면 각 투과율에 해당하는 전압을 구할 수 있다. 투과율(%) 10 90 전압(V) 1.017 8.817 표2. 투과율에 따른 전압 그림10 완전히 신뢰하기 어려우며 실제 문턱 전압과 인가 전압도 계산한 값과는 차이가 있었을 것이다. 그림11. Typical Transmittance against Applied Voltage curve 다음으로 오실로스코프 결과를 통해 전압 증가를 구할 수 있다. 오실로스코프는 그래프 디스플레이 장치로, 전기적 신호가 시간에 따라 변화하는 그래프를 볼 수 있는 장치이다. 이때 Pk-Pk는 파형 그래프의 최대 피크와 피스 사이의 전압을 나타낸다. 아래의 그림 12는 투과율이 100%일 때의 오실로스코프 결과 사진이다. 그림12. 오실로스코프 측정 결과; 투과율=100% 위 사진에서 Pk-Pk 값을 읽으면 2.5V이며 이를 투과율이 90%일 때의 구동 전압이라 가정하고, 문턱 전압을 0.5V라 하면 전압 증가는 임을 알 수 있다. 또한 투과율 0%와 100%일 때의 결과를 포함하여 standard curve를 그려보면 그림 13과 같다. 그림13. Standard curve 고찰 본 실험은 액정 소자의 특징인 굴절률 이방성을 이용한 PDLC를 제작하고 액정의 구동원리를 이해하는 실험이었다. 실험 결과 전압을 반투명한 PDLC에 전압을 인가하면 투명해지는 것을 확인할 수 있었으며, 투과율을 10%에서 90%로 변화시키는데 필요한 전압은 추세선으로 구했을 때는 7.8V, 오실로스코프를 이용해 구했을 때는 2.0V임을 알 수 있었다. PDLC의 전압 증가가 작을수록 효율이 좋음을 의미한다. PDLC 효율에 영향을 미치는 요인 2.2.에서 언급한 바와 같이 값이 작을수록 더 적은 전압으로 PDLC를 원활히 작동시킬 수 있다. PDLC의 구동 전압은 아래 식에 따라 계산된다. (식 1) 위 식에서 볼 수 있듯 구동전압은 Droplet 내에서 액정의 방향, droplet size, 고분자의 계면장력에 의존한다. 여기서 은 droplet 직경, 는 필름두께, 은 droplet anisotropy, 는 액정의 유전율, 는 액정의 유전이방성, 는 탄성 계수이다. 따라서 이번 절에서는께 구동 전압은 액정의 두께에 비례하는 특징을 가지므로 cell 간의 간격을 줄이면 전압 증가를 줄여 PDLC의 효과를 증가시킬 수 있다. 본 실험에서는 10μm 두께의 스페이서를 사용하여 PDLC 복합막의 전체 두께를 10μm로 설정하였다. 스페이서는 ITO glass사이의 용액이 일정한 두께로 도포될 수 있도록 하는 역할을 한다. 액정의 두께가 일정하지 않으면 각 지점의 전기광학적 특징이 달라지므로 일정한 두께를 유지하는 것이 중요하다. 일반적으로 필름의 두께가 얇아지면 빛의 투과율은 증가하고, 구동 전압은 낮아지는 경향이 있다. 그러나 이러한 변화는 항상 정비례하지는 않는데, 이상적인 PDLC 두께를 결정하기 위해서는 초기 상태에서의 투명도가 낮고, 구동 전압이 낮아야 한다. 이때 스페이서 위에 PDLC가 올라갈 경우 필름이 두껍고 불균일해질 수 있다. 이로 인해 초기 투과도가 떨어지고 구동 전압이 높아질 수 있어 목표로 한 특성을 얻기 어렵다. 따라서 액정을 ITO glass 위에 도포할 때 스페이서를 넘지 않도록 주의해야 한다. 고분자 계면장력 Anchoring strength의 감소는 PDLC film내의 LC를 배열시키는데 필요한 전기장의 크기를 감소시키고 고분자 매트릭스와 LC간의 친화력을 감소시켜 구동 전압을 효과적으로 줄일 수 있다. 논문에 따르면 고분자와 계면활성제가 혼합된 용액에서, 계면활성제의 농도가 임계 미셀 농도(CMC)를 초과하게 되면 계면활성제의 미셀이 고분자와 상호작용하여 고분자 사슬의 관성반경이 커지게 된다. 이와 같은 반경 증가 현상은 고분자 사슬 간의 정전기적 반발력에 기인한다. 계면활성제 농도가 포화 상태에 이르기 전까지는 점도가 점차 증가하지만, 포화 농도를 넘어서면 자유 이온에 의한 전하 차폐 효과로 인해 고분자 사슬의 크기는 오히려 감소하게 된다. 또한, 점도의 최대치는 고분자의 분자량이 클수록 더 크게 나타난다. 한편, PDLC 필름에 계면활성제를 첨가하면 액정과 고분자 사이의 마찰 저항이 줄어들게 되며, 이는 결재 내부를 통과할 때 그 재료의 특성에 따라 광선이 산란되어 투명하지 않고 흐릿하게 보이게 되는 것이다. 하지만, 중합 과정에서의 수축이 적은 반응성 액정(reactive mesogens, RM)을 매트릭스로 활용하면 이러한 흐림 현상을 어느 정도 억제할 수 있다. 또한, PDLC가 갖는 또 다른 상업적 한계는 투명한 상태를 유지하기 위해 지속적인 전압 인가가 필요하다는 점이다. 이는 PDLC의 작동 메커니즘과 연관이 있는데, 전압이 인가되지 않으면 액정 분자들이 무질서하게 배열되어 있어 빛이 산란되며 불투명하게 보인다. 반면, 전압이 가해지면 액정 분자들이 일정한 방향으로 정렬되어, 고분자와 액정 사이의 굴절률이 일치하게 되고 이로 인해 빛이 직진하면서 투명한 상태가 된다. 따라서 PDLC 기반의 스마트 윈도우를 사용할 경우, 투명함을 유지하기 위해 지속적인 전력 공급이 요구된다는 것이 상업적 제약으로 작용할 수 있다. 추가 실험 방안 본 실험은 4가지 시약을 혼합해 만든 E7과 NOA65를 사용하여 액정 용액을 제조하였다. 위 시약의 혼합비를 바꾸거나 계면활성제 등의 추가적인 물질을 첨가하여 이들이 PDLC 성능에 미치는 영향을 알아보면 좋을 것이다. 또한 혼합 온도에 따라서도 복굴절률이 달라지는 특성을 보인다. Off 상태에서 온도가 증가할수록 투과도가 증가하는데, 이는 온도가 증가할수록 고분자 매트릭스의 굴절률()은 감소하고 LC의 굴절률()은 증가해 복굴절률이 감소하게 되며, 이는 위 식과 같은 온도의존성을 보인다. 또한 온도의 증가는 용해도의 증가시키고 상 분리 속도를 감소시켜 중합 후 저분자 액정을 증가시킨다. 따라서 이러한 점을 고려하였을 때, 온도나 교본 속도 등의 교반 조건을 달리해 PDLC의 성능을 평가하면 좋을 것이다. 결론 본 실험은 PDLC를 제작하고 UV에 의한 고분자 중합과정과 액정의 구동원리를 이해하는 실험이었다. 실험에서 제작한 액정은 전기장이 가해졌을 때 투명한 상태로 변하며 이는 고분자 매트릭스와 액적 방울 간의 굴절률 차이

공학/기술| 2025.06.24| 11페이지| 2,500원| 조회(97)

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(A+만점레포트)[화공생물공학단위조작실험2] 5.PCR을 활용한 유전자 증폭(예비)

화공생물공학단위조작실험2 예비 보고서 실험 제목 PCR을 활용한 유전자 증폭 실험 일자 실험 조 및 조원 학과 학번 이름 실험 목표 구강 내 상피세포로부터 DNA를 추출 및 정제하고, polymerase chain reaction (PCR) 기법을 활 용하여 acetaldehyde dehydrogenase의 mutation 여부를 확인한다. 실험 원리 Polymerase Chain Reaction (PCR) 중합효소 연쇄 반응 (Polymerase Chain Reaction, PCR)은 DNA의 원하는 부분을 복제·증폭시키는 분자생물학적 실험기법이다. 이 기술은 사람의 Genome과 같이 매우 복잡하며 양이 미량인 DNA 용액 내에서 실험자가 원하는 특정 DNA 단편만을 선택적으로 증폭시킬 수 있다. PCR의 과정은 다음과 같다. Denaturation 일반적으로 두 가닥 DNA (dsDNA)를 94-98℃에서 15-30 초간 처리하여 한 가닥의 DNA (ssDNA)로 분리시킨다. 과하게 온도를 높이거나 처리시간을 늘리면 내열성 DNA polymerase 라 하더라도 활성을 잃게 되므로 주의가 필요하다. Annealing 열처리를 통해 한 가닥으로 변성한 DNA와 primer를 공존시킨 후 온도를 낮추면 2종류의 primer (forward and reverse primer)는 각각 상보적인 한 가닥 주형 DNA에 annealing한다. Annealing에 가장 적합한 온도와 시간은 primer의 염기서열과 그 길이에 따라 결정되지만, 일반적으로 약 55℃에서 30-60초간 annealing한다. Extension 4종류의 기질(dNTP)이 공존하는 상태에서, DNA polymerase를 작용시켜 primer를 신장시킨다. 신장반응에 필요한 시간은 주형 DNA의 농도, 증폭단편의 크기, 반응온도에 따라 좌우된다. Taq polymerase를 사용할 경우 약 60 nucleotides/sec, 70℃를 고려하여 시간을 설정하며, 일반 적으로 72℃에서 dNTP의 최적농도가 달라지므로 주의가 필요하다. 주형 DNA, RNA PCR은 여러 가지 형태의 DNA와 RNA를 주형으로 하여 사용할 수 있다. 주형 DNA의 양으로는 1단계 PCR에서 105-106 분자의 양이 있으면 양호한 결과를 얻을 수 있고, 3x105개의 분자는 human genome DNA에서는 1μg, 효모 DNA에서는 10ng, 대장균 DNA에서는 1ng에 상당한다. 전기영동 (Electrophoresis) 전기영동은 주로 생체 고분자들의 성질을 연구하고, 그것들을 분석, 분리, 정제하는 중요한 방 법 중 하나이다. 전기영동은 DNA, RNA나 단백질 같은 것들이 고유의 전하를 띠고 있고, 그것들 이 어떤 전기장에 놓이게 되면 이동할 수 있다는 사실을 기본으로 하고 있다. DNA 전기영동은 크기, 전하 또는 구조가 다른 DNA 조각을 분리하는 기본적인 방법이다. DNA는 구조 상 Backbone의 Phosphate group을 가지고 있어 전기영동에 사용되는 Buffer안에서 음전하를 띄고 있으며 두 전극 사이에 위치했을 때 (+)극으로 움직이는 기본적인 원리를 따른다[그림 2]. 이때, Agarose나 Polyacrylamide와 같은 Gel Matrix 사이를 DNA 분자가 통과하는 속도는 분자량이 커질수록, Gel의 농도가 높을수록 늦어지게 된다. 그림2. DNA 전기영동 추가 이론 DNA DNA란 디옥시리보핵산(Deoxyribo nucleic acid)의 약칭으로 대부분의 생명체의 유전 정보를 담고 있는 화학 물질의 일종이다. 뉴클레오타이드의 중합체인 두 개의 긴 가닥이 서로 꼬여 있는 이중나선 구조로 되어 있는 고분자화합물이다. 디옥시리보스를 중심으로 한 쪽에는 인산염이, 다른 한 쪽에는 4종류의 핵염기 가운에 하나가 결합되어 있으며, 각각 사이토신, 구아닌, 아데닌, 티민이라는 DNA 염기서열로 불린다. 각 염기쌍들의 거리는 대략 0.34nm이고 사람의 유전정보를 담고 있는 DNA 1개의 길이는 2m에 달한다고 알려져 있다. DNA 큰 분자, 특히 DNA를 분리하는데 사용된다. 아가로스 겔은 굳은 상태에서 수소 결합을 통한 3차원 구조로 큰 기공이 고르게 형성된 겔 매트릭스 형태를 형성한다. 또한 겔에 전기장이 걸리면 음전하를 띠는 DNA가 아가로스 겔을 통하하며 양극으로 이동한다. 아가로스 겔은 해상도는 낮지만 DNA 단편을 30bp부터 50kb까지 분리할 수 있다. 일반적으로 0.7~2% 농도의 아가로스 겔을 사용하며 겔 농도가 커질수록 3차원 그물망이 더 촘촘하게 형성되므로 DNA 분자의 이동 속도는 느려지고 더 작은 크기의 DNA를 분리할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 분리하고자 하는 DNA의 크기에 따라 적절한 겔 농도를 선정하여야 한다. 아가로스 겔 농도 (%, w/v) 분리 가능한 DNA 분리 범위 (kb) 0.3 50-60 0.5 10-20 0.7 0.8-10 0.9 0.5-0.7 1.2 0.4-0.6 1.5 0.2-0.3 2.0 0.1-0.2 표1. 겔 농도에 따른 DNA 분리범위 (출처: Molecular cloning) DNA의 크기와 형태에 따른 이동 속도 동일한 전기영동 조건에서도 DNA의 크기와 형태에 따라 이동하는 속도가 달라진다. 크기가 큰 DNA는 아가로스 겔을 통과하기 어려워 이동 거리가 상대적으로 짧다. 즉 DNA의 크기와 이동 속도는 반비례한다. 또 같은 크기의 DNA라 할지라도 DNA의 형태에 따라 이동 속도가 달라진다. Supercoiled DNA의 이동 속도가 가장 빠르며, Linear DNA 또는 Open circular DNA와 같은 Double strand DNA의 순으로 이동하게 된다. 분자의 이동 속도는 아래와 같은 식을 따른다. : 이동 속도 : 전기장의 세기 : 분자의 전하량 : 마찰계수 분자의 크기가 클수록 마찰계수 값이 커지므로 전기영동 속도는 느려진다. 따라서 이러한 점을 이용하면 DNA 밴드의 형태를 보고 DNA 크기를 유추할 수 있다. 이 외에도 DNA 분자는 전체적으로 음전하를 띠므로 버퍼 용액의 pH 값은 값에 영향을 결합을 가수분해하여 아미노산이나 펩타이드 혼합물을 만드는 효소를 말한다. 펩신, 펩티데이스, 트립신 등이 있다. 본 실험에서는 구강 내 상피세포로부터 DNA를 추출하기 위해 사용된다. Ethanol의 분자량은 46.0684, 녹는점은 -114.1 ℃, 끓는점은 78.5 ℃로 비슷한 분자량을 갖는 탄화수소들과 비교하여 녹는점과 끓는점이 높다. 또한 에탄올은 휘발성이 있기 때문에 쉽게 기화되고, 물과 알코올 등의 용매와 잘 섞인다. 이러한 특징으로 본 실험에서 에탄올은 단백질을 응고시켜 소독, 살균하고 남아 있는 염을 제거하는 역할을 하며 70%일 때 최대 살균력을 가진다. DNA marker와 agarose gel는 전기 영동 시 사용된다. DNA marker는 DNA 샘플의 크기를 추정하기 위해 사용하며 그 종류는 다양하다. 분석하고자 하는 DNA 크기에 따라 범위를 적당한 범위를 선정하는 것이 필요하다. DNA marker를 첨가한 시료는 agarose gel을 통해 loading한다. Agarose는 파우더 형태의 다공성 구조이며, DNA분자를 크기에 따라 분류하는데 사용된다. 일반적으로 아가로스의 농도가 높을수록 구멍의 크기는 작아지므로 적절한 아가로스 농도를 선택한다. 마지막으로 DNA를 침전시키기 위해서는Na+가 필요하다. 1가 양이온은 DNA의 인산 디에스테르결합에서 음전하를 띠는 인산에 결합하여 DNA의 charge를 blocking 한다. Sodium acetate를 이용하여 DNA 사슬 간의 반발력을 감소시킴으로써 DNA가 잘 뭉치고 침전되도록 하며, 무색인 DNA가 흰색을 띠도록 한다. 실험 방법 DNA extraction ① 1 mL의 protease solution (1/1000로 희석된)을 E.P tube에 넣는다. ② 면봉을 사용해 구강 천장을 긁어 세포를 모은다. ③ 면봉 끝에 모아진 세포를 protease solution에 넣는다. (면봉을 우측 그림과 같이 짜서 용액을 최대한 모아준다.) ④ Solution을 37℃에서 30분간erse ② 1㎕ DNA Solution (20 fold dilution) 2㎕ DNA Solution (20 fold dilution) 2㎕ DNA Polymerase 0.5㎕ DNA Polymerase 0.5㎕ Water 11.9㎕ Water 11.9㎕ Total 20㎕ Total 20㎕ DNA Sequences DNA Primer Forward: CAA ATT ACA GGG TCA ACT GGT DNA Primer Reverse (wild type) ①: CCA CAC TCA CAG TTT TCT CTT C DNA Primer Reverse (mutated type) ②: CCA CAC TCA CAG TTT TCT CTT T Electrophoresis ① 50x TAE buffer를 1x TAE buffer 1L가 되도록 dilution한다. ② 1x TAE buffer 50mL에 Agarose 질량이 2.5%(w/v)가 되도록 넣어준다. ③ 뚜껑을 살짝 닫은 후 충분히 녹을 때까지 전자레인지로 가열한다. (30-60초마다 확인) ④ 만졌을 때 따뜻한 정도가 되면 Redsafe를 전체의 1/20000이 되도록 넣는다. ⑤ 녹은 agarose를 틀에 천천히 붓고 comb를 꽂은 후 굳을 때까지 기다린다. ⑥ 각각의 sample에 6x loading buffer가 1x가 되도록 넣어준다. ⑦ 전기영동기에 gel이 1x TAE buffer에 잠길 정도로 넣어준다. ⑧ Agarose gel의 한 well에 DNA marker 5 μL를 넣는다. ⑨ 남은 well에 sample을 10 μL + sample buffer 2μL mixture를 넣어준다. ⑨ 전기영동기를 스위치를 누른 후 (100V, 20 min), Gel의 3/4 정도에 bromophenol blue가 오면 멈추고 gel을 uv-transilluminator로 관찰한다. ⑩ ImageJ software를 활용한 전기영동 결과 정량분석 실험 시 주의사항 - 침에는 DNAase 등이 존재하기 때문에002

공학/기술| 2025.06.24| 9페이지| 2,000원| 조회(118)

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(A+만점레포트)[화공생물공학단위조작실험2] 5.PCR을 활용한 유전자 증폭(결과)

화공생물공학단위조작실험2 결과 보고서 실험 제목 PCR을 활용한 유전자 증폭 실험 일자 실험 조 및 조원 학과 학번 이름 시약 세부 시약 Protease solution, 100% and 70% Ethanol, DNA marker, Redsafe, TAE buffer Agarose gel 분자량 630.5452 증기밀도 21.8 녹는점 60~90℃ 3M Sodium Acetate (pH 5.2) 분자량 82.04 비중 1.528 끓는점/녹는점 881.4℃/324℃ 용해도 465g/L Protease(프로테아제)란 단백질 분해효소로, 단백질을 구성하는 아미노산 간의 펩티드 결합을 가수분해하여 아미노산이나 펩타이드 혼합물을 만드는 효소를 말한다. 펩신, 펩티데이스, 트립신 등이 있다. 본 실험에서는 구강 내 상피세포로부터 DNA를 추출하기 위해 사용된다. Ethanol의 분자량은 46.0684, 녹는점은 -114.1 ℃, 끓는점은 78.5 ℃로 비슷한 분자량을 갖는 탄화수소들과 비교하여 녹는점과 끓는점이 높다. 또한 에탄올은 휘발성이 있기 때문에 쉽게 기화되고, 물과 알코올 등의 용매와 잘 섞인다. 이러한 특징으로 본 실험에서 에탄올은 단백질을 응고시켜 소독, 살균하고 남아 있는 염을 제거하는 역할을 하며 70%일 때 최대 살균력을 가진다. DNA marker와 agarose gel는 전기 영동 시 사용된다. DNA marker는 DNA 샘플의 크기를 추정하기 위해 사용하며 그 종류는 다양하다. 분석하고자 하는 DNA 크기에 따라 범위를 적당한 범위를 선정하는 것이 필요하다. DNA marker를 첨가한 시료는 agarose gel을 통해 loading한다. Agarose는 파우더 형태의 다공성 구조이며, DNA분자를 크기에 따라 분류하는데 사용된다. 일반적으로 아가로스의 농도가 높을수록 구멍의 크기는 작아지므로 적절한 아가로스 농도를 선택한다. 마지막으로 DNA를 침전시키기 위해서는Na+가 필요하다. 1가 양이온은 DNA의 인산 디에스테르결합에서 음구강 상피세포로부터 제조한 시약이다. 그림 4는 Agarose gel에서 전기 영동 결과를 나타낸 사진이다. 그림3. 1kb DNA ladder 그림4. 전기영동 결과 INDEX SAMPLE INDEX SAMPLE [1] SPECIMEN-1 [5] specimen-1-M [2] SPECIMEN-2 [6] specimen-2-M [3] SPECIMEN-3 [7] specimen-3-M [4] SPECIMEN-4 [8] specimen-4-M 실험 결과 그림 4에서 DNA marker를 넣은 가장 왼쪽 well과 blank인 세 번째 well을 제외하고 왼쪽에서 두 번째 well부터 각각 SAMPLE [1]~[8]이다. DNA marker가 전기영동에 의해 이동한 형태를 그림 3과 비교해 보았을 때 전기영동이 정상적으로 진행되었음을 알 수 있다. 다음으로 각 SAMPLE의 이동 거리를 관찰하였다. SAMPLE [3]~[4]가 가장 멀리 이동하였고, 그 뒤로 [6]~[7]과 [5], [8] 순으로 멀리 이동하였으며 [1]과 [2]에서는 밝기 변화가 거의 관찰되지 않았다. 그러나 육안으로는 정확한 밝기 변화를 파악하기에는 어려움이 있다. 따라서 정확한 실험 결과 분석을 위해 image j 프로그램을 사용하여 정량적인 그래프로 나타내었다. 그래프는 그림 5와 같으며, 각 band가 차지하는 면적을 구한 결과를 그림 6과 같이 얻었다. 그림 4와 6을 비교하였을 때, 육안으로 보이는 것과 비슷하게 SAMPLE [3], [4]에서 가장 넓은 면적, 즉 가장 높은 밝기를 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 그 다음으로는 [6], [7]의 면적이 넓은 것을 알 수 있다. 다만 blank인 well의 밝기가 밝지 않음에도 불구하고 [1]과 [5]보다 면적이 넓은 것으로 보아 프로그램으로 얻은 그래프를 완전히 신뢰할 수는 없다. 그림4. Image j 프로그램을 통해 변환한 밝기 그래프 그림5. 각 그래프의 면적 그림6. 표본 및 Reaction Mixture에 따른 Area 다음결과 분석 본 실험은 구강 상피세포로부터 DNA를 추출하여 acetaldehyde dehydrogenase(ALDH)의 mutation 여부를 확인하는 실험이다. DNA 전기영동 분석 결과 wild solution의 면적이 더 넓게 나타난다는 것은 알코올이 대사될 때 아세트알데하이드가 체내에 축적되지 않고 효과적으로 분해되는 것을 나타낸다. 반면, mutant solution에서 면적이 더 크게 나타나는 경우는 아세트알데하이드가 분해되지 못하고 체내에 축적된다. 이때 ALDH는 Acetaldehyde dehydrogenase의 약자로, 일반적으로 알코올 분해 효소로 알려져 있다. 아세트알데하이드는 알코올이 체내에서 대사되는 과정에서 생성되는 중간 산물이며, ALDH는 이 독성 물질을 분해하는 데 중요한 역할을 한다. ALDH는 주요 이성질 효소인 ALDH1과 ALDH2를 포함하고 있다. 알데하이드 탈수소효소는 알데하이드를 산화시켜 이를 카복실산으로 전환시키는 반응을 촉매하며, 이를 통해 체내의 유해 물질을 무독성 물질로 전환하는 해독 기능을 수행한다. 현재까지 인간 유전체에서는 총 19종의 알데하이드 탈수소효소 관련 유전자가 존재하는 것으로 확인되고 있다. 소량의 알코올 섭취만으로 얼굴이 붉어지는 사람의 경우, 이러한 효소를 생성하는 유전자에 변이가 있을 가능성이 높다. 아래의 그림은 아세트알데하이드의 탈수소화 반응식이다. 그림8. Acetaldehyde dehydrogenase reaction 실험 결과에서 SPECIMEN-3과 SPECIMEN-4은 wild의 면적이 크므로 아세트알데하이드 분해 능력이 좋으며, 이와 달리 SPECIMEN-1과 SPECIMEN-2는 mutant의 면적이 크므로 ALDH 효소의 유전자가 변형되거나 손상되어 효소 기능을 정상적으로 수행하지 못한다고 추측할 수 있다. 즉, SPECIMEN-4의 wild의 발현량이 mutant의 2.414배 커 4개의 SPECIMEN 중 가장 알코올 분해 능력이 좋으며, SPECIMEN-3, 1, 2가 이상적인 두께보다 두꺼웠기 때문이라 추측할 수 있다. 넷째, 결과분석 과정에서 발생한 오차이다. 본 실험의 결과를 분석할 때 image j 프로그램을 이용하여 그래프를 그렸다. 보정 전후 결과에서도 볼 수 있듯이 baseline을 어떻게 그리느냐에 따라 결과값이 크게 달라지는 것을 알 수 있었다. 즉, 임의로 지정한 범위에 따라 결과값이 영향을 받으므로 결과 예측에는 이용할 수 있으나 그 값 자체를 신뢰하기는 어렵다. 이때 Image j를 사용하기 위해서는 reference로 사용할 수 있는 척도가 필요하다. 일반적으로는 β-actin과 같은 housekeeping gene이 이러한 기준으로 사용된다. 단순히 시료만으로 DNA 농도를 평가하는 것은 신뢰도가 떨어질 수 있는데, 이는 각 well에 주입된 시료의 양이 일정하지 않을 수 있기 때문이다. 따라서 housekeeping gene은 실험 조건에 관계없이 일정한 발현량을 유지하기 때문에 정확한 분석을 위해서는 band에 나타난 농도를 표준화된 reference를 이용해 보정하는 과정이 필요하다. 다만 본 실험에서는 모든 시료의 loading 양이 동일하다는 가정 하에 결과를 분석하였으나 실제로 파라필름 위에서 피펫팅이 원활히 이루어지지 않았다면 loading된 시약 내 DNA의 양도 달랐을 것이다. 추가 이론 알코올 대사 알코올의 대사는 주로 산화계에 의해서 이루어진다. 이 과정에서 체내에 흡수된 알코올은 탈수소효소(ADH)에 의해 일차산물인 아세트알데히드로 대사되며, 이후 알데하이드 탈수소효소(ALDH)가 아세트알데히드를 초산으로 산화시킨다. 아세트알데히드는 독성이 강한 물질로 체내에 축적될 경우 얼굴이 붉어지거나 메스꺼움, 심박수 증가 등의 불쾌한 반응을 유발한다. ALDH 효소는 총 517개의 아미노산으로 구성되며, 이 중 504번째 아미노산인 글루탐산(Glu)은 GAA라는 코돈에 의해 지정된다. 그런데 이 코돈의 첫 번째 염기인 G(구아닌)가 A(아데닌)으로 치환되는 점돌연변이가 발생하면, 해당DNA 조각을 분리 및 정제 가능하다. 이 기술은 hybridization probe 제작, DNA 클로닝뿐만 아니라, 백혈병이나 림프종과 같은 질병 진단에도 활용된다. 특히 유전체 샘플을 직접 분석하여 악성 세포의 위치를 정밀하게 파악할 수 있다는 장점이 있다. 정량적 PCR(qPCR)은 특정 DNA 서열의 양을 정밀하게 측정할 수 있어 유전자 발현 수준 분석에도 효과적으로 사용된다. 최근에는 코로나 19와 같은 감염병 진단에 널리 활용되며, 환자로부터 채취한 샘플에서 바이러스 특이적 염기서열을 증폭하여 감염 여부를 판단하는 데 사용된다. 이처럼 PCR은 목적에 따라 DNA의 양을 조절하고 증폭할 수 있어, 다양한 생명과학 및 의학 분야에서 매우 실용적이고 필수적인 기술로 자리잡고 있다. EtBr이 아닌 Redsafe를 사용한 이유 Redsafe는 DNA 및 RNA의 시각화를 위한 형광성 염색 시약으로 전기영동 후 핵산의 위치를 확인하는 데 사용된다. 이 물질은 DNA와 결합하여 형광체 역할을 수행하며, UV-transilluminator를 통해 자외선을 조사할 경우, 자외선을 흡수한 뒤 형광 반응을 통해 빛을 방출한다. 이때 방출된 형광 신호를 통해 agarose gel 상에서 DNA의 존재 여부 및 위치를 확인할 수 있다. Redsafe는 기존에 널리 사용되던 Ethidium bromide(EtBr)의 대체제로 개발되었다. EtBr은 강력한 발암성이 있는 물질로 실험실 내에서 취급에 주의가 필요한 반면, Redsafe는 비교적 안전성이 높아 동일한 목적의 실험에서 보다 안전하게 사용할 수 있다. 또한 Redsafe는 EtBr과 유사한 감도로 염색이 가능하여, 실험 결과의 신뢰성을 유지하면서도 실험자의 건강과 안전을 고려한 대안으로 적합하다. 6x DNA loading buffer를 넣는 이유 DNA에 별도의 처리를 하지 않고 전기영동을 진행할 경우, DNA는 매우 가볍기 때문에 buffer 위로 떠올라 겔 내부로 침투하지 못할 수 있다. 이러한 문제를 방32.

공학/기술| 2025.06.24| 11페이지| 2,500원| 조회(110)

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