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DMFC 연료전지

요 약환경에 관한 관심이 증가하면서 에너지 효율이 높고 환경오염이 적은 연료전지를 개발 하려는 노력이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 연료전지의 가장 큰 장점은 연료를 직접 산화시켜서 전기를 발생시키기 때문에 에너지 변환 효율이 높고, 운전 과정에서 오염물을 발생시키지 않는 깨끗한 전기를 생산한다는 것이다. 직접 메탄올 연료전지 (Direct methanol fuel cell, DMFC)는 수소를 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 유사한 구조와 작동원리를 갖고 있으나, 연료로써 수소 대신메탄올을 직접 애노드에 공급하여 사용한다. 따라서 연료공급 체계가 단순하고 전체 장치가간단하여 소형화가 가능하다. 그러나 메탄올을 산화시켜야 하기 때문에 고가의 금속촉매 사용량이 증가하고, 전극의 활성이 낮아서 전력 생산밀도가 작아지는 문제점이 있다. 직접 메탄올 연료전지는 다양한 용도로 사용이 가능하며 특히, 1W 정도의 소형 배터리대체용 전원이나 500W 이하의 휴대용 전원으로의 사용 가능성이 매우 높고, 상당한 성능향상이 이루어진다면 자동차용 엔진으로도 사용이 가능할 것이다. 현재 소형 휴대폰용 배터리는 리튬이온 전지나 리튬-고분자 전지가 사용되고 있으나, 이들 전지는 전기용량이 작아서 사용 시간이 짧으며, 재충전을 하는데 상당한 시간이 필요하다. 또한, 배터리는 수명이 2년 이하이기 때문에 비용도 많이 소요된다. 특히, 갈수록 휴대폰의 기능이 증가되면서 전기소모량이 커지게 되면 배터리의 크기가 커짐으로써 전체 부피가 커져야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안으로서 직접 메탄올 연료전지가 대안으로 떠오르고 있다. DMFC는 PEMFC와 동일한 구성요소로 이루어져 있으나, 연료로써 수소 대신 메탄올을 사용하기 때문에 전지의 소형화가 가능하다. 또한, 메탄올만 공급해주면 사용시간을 얼마든지 늘릴 수 있어서 배터리와 같은 용량의 제한이나 충전시간에 따른 불편함이 해소 될 수 있다. 특히 휴대폰 인구의 폭발적인 증가에 따라 이러한 장점을 하다.2.2. 연료전지시스템연료전지시스템은 그림3에 나타낸 것처럼 연료전지의 작동에 필요한 모든 요소들을 포함하며 크게 전기를 생산하는 연료전지스택과 스택의 운전에 필요한 설비를 총칭하는 BOP(Balance of plant)로 나뉘어 진다. BOP는 연료의 운반 및 공급에 필요한 장치와 생성물인 물이나 열전력을 처리하는 장치들로 구성된다.그림 . Typical fuel cell system3. 미래형 연료전지3.1. 기존의 연료전지3.1.1. 연료전지의 현황고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 1963년 General Electric (GM)사에 의해서 처음 개발되었으며, 개발 초기에는 우주선용으로 그리고 1980년대에는 잠수함용으로 개발되었다. 1980년대 중반에는 정치형으로 개발되기 시작하였으며 1989년 캐나다의 발라드사에 의해서 5kW의 PEMFC 스택이 개발되고 1991년에는 발라드사와 GPU와 함께 250kW의 PEMFC를 만들어 인디아나 주에서 가동하였다. 1998년에는 Plug Power사에 의해서 가정용 5kW의 PEMFC가 개발되어 설치되었다.고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 와 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 는 1930년대부터 1950년대 말까지 주로 고성능 전해질을 찾는 연구로부터 시작되었다. 1950년대말 고체 전해질은 높은 내부저항과 반도체적 성질에 의한 short-circuiting의 문제가 대두되었고 그 대안으로 용융된 탄산염이 선택되었다. MCFC 는 1960년대 리튬탄산염과 칼슘탄산염을 섞은 전해질을 다공성 마그네슘산화물 소결체내에 함침 시켜서 만들어졌다. 1964년 Texas Instruments사는 100W ~ 1kW MCFC 를 만들어 성능시험을 행하였다. 그 후 일본에서 문 라이트 계획으로 1MW MCFC 가 개발되어 성능시험이 이루어졌고, 1990년대 초에는 uel Cell, PCFC)수소이온전도성 전해질에서 이온전도는 크게 두 가지의 기구로 일어나다. 첫 번째는 free-proton mechanism으로 전해질의 격자 내에서 음이온들의 사이를 proton이 움직이는 형태이며 두 번째 이온 전도기구는 vehicle mechanism으로 수소이온이 다른 화학종에 의해서 운반 되는 형태로 나타난다. 액체상태의 전해질에서 나타나는 수소 이온의 전도는 대부분 vehicle mechanism에 의해서 나타나는 반면 고체상태의 전해질에서 나타나는 수소이온의 전도는 vehicle mechanism과 free-proton mechanism 두 가지 모두에 의해서 나타날 수 있다. 수소이온 전도성 고체전해질은 크게 세 가지 종류로 나눌 수 있다. 첫 번째는 고체 내부에 액체를 포함하거나 액체와 같은 구조의 부분이 포함되어 있거나 혹은 물로 구성된 층이 존재하는 전해질들이다. 그 예로는 수화물로 덮여 있는 고체 입자들과 고분자 전해질 phosphonate 등이 있으며 vehicle mechanism에 의해서 수소이온의 전도가 일어난다. 유사액체상을 포함한 고체 전해질의 경우 보통내부에 존재하는 물이 100℃ 이하에서 쉽게 소멸되는 특징이 있다. 두 번째 수소이온전도성 고체전해질의 종류는 물을 포함하고 있지만 수소이온의 위치가 결정학적으로 고정된 전해질이다. 유기 또는 무기수 화물이 이 종류에 속하며 CsHSO4와 같은 고체산 (solid acids)과 (hydroxide, oxyhydroxide, hydroxycarbonates와 같은 염기성 bases) 고체 등이 있다. 이물질들은 격자내부에 존재하는 수소이온vacancy나interstitial 등에 의해서 수소이온이 이동되는 특성을 나타내며 보통 200℃ 이하에서dehydrated 되는 특징을 나타낸다. 그러나 종류에 따라서 200℃ 이상에서도 안정한 고체산 이나 hydroxide 및 oxyhydroxide 등도 있다. 세 번째 수소이온전도성 고체전해질은 본질적으로 내부에 물을 기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막내에서 산소에게 전달하는데 이때 벤젠화합물과 같은 전자 전달매개체를 이용하여 전자를 전극으로 뽑아냄으로써 연료전지를 만들 수 있다. 그러나 벤젠화합물과 같은 전자전달매개체들은 가격이 비싸고 환경적으로 유해한 단점이 있다. “슈와넬라”(Shewanella)라는 미생물은 철 이온을 전자전달자로 이용하기 때문에 철로된 전극을 넣어주면 미생물이 달라붙어 유기물을 분해하고 생성된 전자를 전극으로 보낸다. “로도페락스 페리에두센스”(Rhodoferax Ferrireducens)라는 미생물은 산소를 사용하지 않고 글리코오스를 완전히 분해하며 24개의 수소이온과 전자를 유리하며 전자전달매개체가 없이도 전자를 전극으로 전달한다. 표5는 전자전달매개체가 필요없이 자연발효반응물을 이용하는 MFC들의 예와성능을 보여주고 있으며 표6은 다양한 전자전달매개체를 사용하는 MFC들의 예와성능을 보여주고 있다. 한편 미생물 연료전지의 원리를 이용하여 수소를 값싸게 제조하는 방법이 Penn State대학에서 개발되었다. BEAMR (BioElectrochemically -Assisted Microbial Reactor)로 명명된 이장치는 박테리아를 이용하여 애노드에서 수소이온과 전자를 생성하고 캐소드에서는 수소가스를 생산할 수 있다. MFC와 다른 점은 캐소드 쪽에 산소가 공급되지 않으며 025 V 의약한 전압을 전극사이에 가한다는 점이다. 이러한 반응기기를 하수처리에 이용하면 물을 정화 시킬 뿐만 아니라 수소를 저렴하게 얻을 수 있는 장점이 있다. 즉 물의 전기분해에 필요한전 압의 십분의 일정도의 전압으로 수소를 생산할 수 있으며 발효과정을 이용한 수소의 생산보다도 수소의 발생효율이 더 높다.3.2.4. 급속/공기 연료전지(Metal Air Fuel Cell, MAFC)금속 공기 연료전지는 연료로 반응성이 강한 Zn, Al, Mg, Ca과 같은 금속을 사용하고 전해질로는 수용액을 사용한다. 그리고 캐소드로는 다른 수소연료전지에서와 마찬가지로 공기전극을 이루어지며, 일반적으로는 캐소드의 촉매량을 증가시켜 이 문제를 해결한다. 이에 반해 DMFC에서는 애노드에서의 메탄올 산화반응 속도가 매우 느리고, 또한 반응 생성물인 일산화탄소에 의해 백금 촉매가 피독 되는 현상이 나타나기 때문에 활성이 크고 내피독성이 좋은 촉매가 요구된다. 따라서 DMFC의 애노드에는 일산화탄소에 대한 내피독성이 좋은 Pt-Ru 계통의 이원 촉매(bimetallic catalyst)나 여기에 Os, Ir 등과 같은 조촉매를 첨가하여 사용하기도 한다. 일반적으로 PEMFC에서의 전지 성능은 수소/공기 조건에서 0.6-0.7V에서 500-600 mW/cm2의 높은 값을 보이나 의 경우는 , DMFC 0.2W/cm2 이하의 낮은 성능을 나타낸다. 그러나 DMFC의 경우에는 수소 생산용 개질기가 필요 없기 때문에 메탄올/공기 조건에서 DMFC의 성능이 200-300mW/cm2 @ 0.5 V 정도가 되면 PEMFC와 경쟁이 가능한 것으로 평가 되고 있다.4.2. 직접메탄올 연료전지의 구조직접 메탄올 연료전지의 주요 구성요소는 고분자 전해질 막과 전극 (anode, cathode), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator)으로 이루어져 있다. 특히 anode와 cathode의 두 전극을 고분자 전해질 막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데, 이러한 MEA의 조성과 성능이 DMFC의 핵심이라 할 수 있다. 연료전지 스택은 전기화학반응이 이러나는 단위전지 (single cell)를 수십, 수백 개씩 적층하여 구성하는데, 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판 (end plate)을 tie rod나 공기압으로 압착하게 되어있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구, 냉각수 순환구, electric power output을 위한 단자가 설치되어 있다. 그림 3은 DMFC의 단위전지의 구성도를 나타낸 것이다. .

공학/기술| 2009.12.10| 30페이지| 3,000원| 조회(566)

연료전지, 엔진, 배터리, DMFC

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리튬이온전지

목 차1. 서론 ................12. 리튬이온전지의 구성 및 동작원리2-1. 리튬이온전지의 원리 .....22-2. 리튬이온전지의 특성 .....32-3. 리튬이온전지의 구조 .....52-4. 리튬이온전지의 충전 .....92-5. 리튬이온전지의 특징 ....102-6. 리튬이온전지의 사용상 주의사항 ....103. 리튬이온전지 국내 기술개발 및 특허 동향3-1. 기술개발 동향 ............113-2. 특허 동향 .144. 결론 ..............165. 참고문헌 ........17-Ⅰ-FIGURE 목차Fig 1. 리튬이온전지의 원리 .....2Fig 2. 리튬이온 빠른 보급은 소형화, 경량화, 고용량화, 충전시간 단축 등이 요구되는 새로운 전지의 출현을 요구하고 있으며, 또한 세계적으로 환경오염 문제가 심각해지고 있는 시점에서 에너지 절약과 청정에너지의 관점으로부터 전력용 또는 자동차용의 새로운 전지가 강력히 요망되어지고 있다.이차전지는 전기자동차의 상용화를 앞두고 선진국에서는 경쟁적으로 박차를 가하고 있는 제품이며, 또한 환경오염 규제가 심해짐에 따라 현재 많이 사용되고 있는 Ni-Cd전지를 대체할 수 있는 전지로서 개발되고 있다.이차전지로서의 리튬이온전지는 니켈망간전지나 니켈카드뮴전지보다 에너지 밀도가 높고 면적당 용량이 크다. 또한 자기방전율이 낮으며 수명이 길다. 게다가 메모리 효과가 없어서 사용의 편리성과 장수명의 특성을 지닌다.최근의 전자기기에 폭넓게 사용되고 있는 리튬이온전지의 구성 및 동작원리를 살펴보고 국내의 기술개발 및 특허동향에 대하여 알아보고자 한다.2. 리튬이온전지의 구성 및 동작원리2-1. 리튬이온전지의 원리상이한 재료간에 전위가 서로 다름으로 인하여 전위차가 발생하고 이로 인해 전자이동현상이 수반된다. 이를 이용하는 것이 전지의 기본원리이다.리튬이온전지는 전기화학적으로 리튬을 삽입할 수 있는 정극 및 부극 재료와 리튬이온을 이송할 수 있는 매질로서 비양성 자성극성 유기용매를 사용한다.정극에 리튬을 보함하고 있는 화합물을 사용하고 이 정극의 리튬은 충전시 정극으로부터 탈 도프하고 방전시 정극으로 도프된다.이와 같이 리튬의 도프 탈 도프가 가능한 재료로 정극에 사용되는 대표적인 재료가 코발트산 리튬이다.Fig 1. 리튬이온전지의 원리그림 1은 정극에 코발트산 리튬부극에 흑연을 사용한 리튬이온전지의 원리를 나타낸 것이다.충전시는 리튬이온이 정극에서 탈 도프 부극흑연의 층간으로 이동하고 방전시는 흑연층사이에서 리튬이온을 이동시켜 정극층사이로 되돌아온다. 충방전에 따른 변화는 전극이나 전해액은 화학반응을 일으키지 않고 리튬이온이 양극사이를 이동하는 것이다.2-2. 리튬이온 전지의 특성이차전지는 이온화한 전위를 나타냈다. 리튬이온 전지의 특성으로 정극 및 부극의 전위차를 나타내는 전압특성외에 전위 평탄성이 있다. 전위평탄성은 방전 중 전위변화가 적을수록 우수하다.실용적인 전지는 사용 전위구간에서 충전 및 방전 전기량이 큰 재료로 구성되어 용량이 커야한다. 이를 나타내는 것이 용량특성이다.에너지 밀도특성은 전지용량, 평균방전전압, 전지중량, 전지체적으로부터 유도할 수 있는 전지의 기본특성이다.2차전지는 충방전에 따른 가역성이 우수하여야 하고 재료의 디멘션 체인지가 없어야 한다. 리튬이온전지는 충방전에 따른 재료의 디멘션 (dimension)변화가 적은 인터칼레이션(intercalation)재료를 사용하는 전지로써 납이나 카드뮴등을 사용하는 전지에 비하여 현저히 개선된 수명특성을 가진다.2-3. 리튬이온전지의 구조Fig 4. 각형 리튬이온전지의 구조Fig 5. 리튬이온전지의 구조-집전체집전체는 활물질의 전기화학반응에 의해 생성된 전자를 모르거나 전기화학반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 한다. 리튬이온전지의 부극집전체로는 구리박막을 사용하고 정극집전체로는 알루미늄박막을 사용한다.-탄소부극재료부극재료로는 리튬금속이 3,860 mAh/g의 비용량을 가져 에너지 밀도면에서 우수하나 충방전에 따른 결정의 형성으로 수명이 짧고 열폭주등의 안정성의 문제로 인하여 실제로 사용상에 불리하다. 리튬의 전위와 유사한 LIC(Lithium Intercalation Carbon)는 용량면에서 리튬보다 작으나 수명과 안정성면에서 우수하다. LIC재료로서는 흑연이나 탄소가 이용된다.리튬이온전지의 부극용 카본으로서는 흑연, CVD에 의한 열분해 흑연, PAN계, 핏치계, 레욘계, 페놀계등의 탄소섬유, 코크스, 유리상 카본, 폴리머의 저온탄화물등의 탄소질재료가 사용된다. 이것들을 대별하면 흑연계, 코크스계의 소프트카본계, 하드카본계로 나눌 수 있다.-부극 및 부극합제합제는 활물질 및 결합제로 구성된 합성체이다.부극은 부극집전체와 부극합제로 구성되며 기능적으로는 전기화학적인 반응에 의해 한다.-전해액리튬이온전지는 통상 4.1 - 4.2V를 상한으로서 설계되어 있다. 이와 같이 높은 전압에서는 수용액이 전기분해를 일으키기 때문에 전해액으로서 사용하는 것이 불가능하다. 이 때문에 높은 전압에서 견딜 수 있는 전해액으로서 유기용매를 사용한다. 즉, 비수전해액이 사용된다.비수전해액으로 중요한 용매는 고유전율 용매이다. 고유전율 용매 중에서는 이온의 해리도가 크기 때문에 많은 리튬이온이 존재하는 것이 가능하다. 또, 유전율이 높은 용매는 리튬이온을 용매화하는 힘이 크기 때문에 리튬이온은 용매에 쌓여있는 상태로 존재하기 때문에 음이온에 의한 간섭이 작게 되고 리튬이온이 안정적으로 존재가능하다.전해액은 정극 및 부극에서 리튬이온을 운송하는 매질의 역할을 하며 유기용매에 리튬염이 용해된 전해질을 사용한다. 전해액은 전극재료에 따라 조성을 최적화하여야 하며 용질의 종류와 농도 그리고 용매의 종류와 혼합비율에 따라 각기 다른 특성의 전해액을 얻을 수 있다.-격리막격리막은 정극과 부극이 직접 접촉하여 쇼트되는 일이 없도록 분리하는 부자재이다. 리튬이온전지에서는 격리막이 간단히 정극, 부극을 분리하는 것만이 아니라 안정성향상에 중요한 역할을 한다.리튬이온전지는 금속리튬을 사용하지 않고 안전성이 높은 전지이지만 구성 재료에 Li-ClC, 전해액등의 많은 가연성물질을 사용하고 있기 때문에 발화가 일어나지 않도록 여러 가지 대책이 필요하다. 전지에서 쇼트되면 수십 A에 달하는 큰 쇼트 전압이 순간적으로 흘러 주울열에 의해 전지온도가 급상승한다.열가소성수지제의 다공막을 격리막으로서 사용할 경우 그 수지의 융점에 전지온도가 도달하면 격리막이 용융하여 공공이 막혀 절연필름으로 바뀐다. 이것을 격리막의 봉공 또는 셧다운이라고 부르고 이와 같은 상태가 되면 이온이 격리막을 통과하는 것이 불가능하여 그 이후로 쇼트전류가 흐르지 않게 되어 전지온도의 상승은 중지한다.폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계수지의 미다공막이 격리막으로서 사용되고 재질에 의한 셧다운온도의 차이가 전이 가능하다. 따라서 간단한 회로로 잔존 용량의 검출, 표시가 가능하다.(7) 니켈 카드뮴 전지나 니켈 수소 전지에서 볼 수 있는 메모리 효과 가 없다.(8) 충전방식은 정전압, 정전류 충전으로 행하고 충전회로가 간단하다.(9) 코크스계나 하드카본을 부극으로 하는 리튬이온전지는 병열접속사 용이 용이하다.(10) 동작전압이 평행 3.6V에서 니켈 카드뮴 전지나 니켈 수소 전지의 3배에 달하기 때문에 필요한 전압을 얻기 위해 이들 전지의 1/3만 있으면 된다. 동일체적, 무게일 때 용량은 3배이다.2-6. 리튬이온전지의 사용상 주의사항리튬이온전지의 사용상 주의 점은 다음과 같다.(1) 유기 전해액을 사용하고 있기 때문에 전지의 내부 임피던스가 수 용액계의 전지와 비교하면 높고 2C정도의 방전까지는 견딜 수 있 지만 전동공구와 같은 대전류방전의 용도로는 부적합하다.(2) 충전전압에 제한을 주지 않고 충전하면 전압이 계속 상승한다. 전 지자체에 여러 가지 과충전대책을 해 놓고 있지만 안전을 위해 과 충전제어회로의 부가가 필요하다.(3) 과방전에 의해 전압이 0V부근까지 도달하면 부극의 집전체인 구리 의 용출이 시작되어 전지용량이 급격히 노화한다. 따라서 과방전제 어회로가 필요하다.(4) 만충전상태의 전지를 고온에서 보관하면 노화가 크다.3. 리튬이온전지 국내 기술개발 및 특허 동향3-1 기술개발 동향한국은 1999년 리튬 이차전지를 생산하기 시작하여 2004년 세계시장 점유율 18%를 달성하였고, 현재 일본, 한국, 중국 순이며 지속적인 점유율 증가가 예상되고 있다. 양산기술은 일본에 근접하나 부품, 소재, 장비 기술을 아직 미흡한 실정이다. 그러나 부품, 소재, 장비분야에서 경제규모의 성장 가능성이 가시화됨에 따라 신규업체가 점차 증가하고 있는 추세이다.Table 1에 주요 전극재료와 그 특성을 나타내었다. Table 1에 보인 바와 같이 양극소재 개발 동향은 Co, Ni, Mn, V 등의 금속산물의 리튬합금이다. V 산화물이 우수하나 경제성 문제로 군수용과 같은 된다.

공학/기술| 2009.12.10| 20페이지| 3,000원| 조회(1,435)

리튬이온, 리튬이온전지, 이온전지, 충전

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OLED

형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계 발광현상을 이용하여 스스로 빛을 내는 자체 발광형 유기물질을 이용한 디스플레이인 OLED(Organic Light Emitting Diodes)는 낮은 전압에서 구동이 가능하고 얇은 박형으로 만들 수 있다. 넓은 시야각과 빠른 응답속도를 갖고 있어 일반 LCD(Liquid Crystal Dispaly)와 달리 바로 옆에서 보아도 화질이 변하지 않으며 화면에 잔상이 남지 않는 특징이 있다. 또한 현재 평면 디스플레이 시장을 양분하고 있는 LCD와 PDP(Plasma Display Panel)를 대체할 제품으로써 꾸준한 관심을 받고 있다. 현 시점에는 LCD와 PDP에 비해 그 시장규모는 작은 편이지만 OLED가 가지고 있는 많은 장점으로 인해 소형 뿐만 아니라 대형에서도 꾸준한 연구개발이 되고 있어 OLED는 향후 평면 디스플레이 분야에서 많은 발전이 예상된다.이러한 상황에서 이 논문은 현재 OLED가 가지는 디스플레이 시장에서의 위치와 향후 발전방향을 알아보고 최신의 연구개발 동향에 대해 점검해 보고자 한다.1. OLED의 현재 11.1 LCD/PDP/OLED의 비교 11.1.1 LCD의 구동원리 및 장단점 11.1.2 PDP의 구동원리 및 장단점 41.1.3 OLED의 구동원리 및 장단점 51.2 OLED의 시장규모 81.3 전세계 OLED Maker 현황 92. OLED의 발전방향과 최신 연구개발 동향 92.1 OLED의 역사 92.2 OLED의 발전방향과 과제 102.2.1 OLED의 응용분야 102.2.2 OLED가 해결해야 할 과제 112.3 최신 연구개발 동향 122.3.1 해외 동향 122.3.2 국내 동향 143. 결론 164. Reference 17Figure 1.1 1Figure 1.2 2Figure 1.3 2Figure 1.4 3Figure 1.5 4Figure 1.6 6Figure 1.7 6Figure 1.8 7Figure 1.9 8Figure 1.10 9Figure 2.1 10Figure 위치하고 있다. 액정 셀들은 내부 액정분자들의 방향자(director)가 공통 전극 기판과 TFT 기판 사이에서 90°틀어져 있는 TN(twisted nematic)타입이다. 전기적 구동방식은 화소전극 구동시 능동소자의 유무에 따라 TFT-LCD로 대표되는 AMLCD(active matrix LCD)와 PMLCD(Passive matrix LCD)로 구분된다. PMLCD는 주로 초기의 LCD제품(시계, 계산기 등)에 많이 이용되었는데, 사용하는 액정의 종류에 따라 TN((Twisted Nematics) LCD, STN(Super Twisted Nematics) LCD, F(ferroelctric) LCD, PD(Polymer Dispersed) LCD등으로 분류된다.- LCD 구동원리: 액정의 방향을 유도하기 위해 배향 처리된 면과 액정이 접촉하면 액정분자들이 배향막골과 평행하게 배열된다. 모든 액정 분자가 양쪽의 기판면 가까이에서는 평행하게 배열되어 있고 양쪽 기판은 서로 배열방위가 90도 비틀어져 있다.(이것을 twisted 분자배열이라 부른다.) 따라서 액정분자는 양기판 사이에서 배열방위가 연속적으로 90도 비틀어져 있게 되고 빛은 액정을 통해 분자들의 방향을 따라서 진행한다. 분자들이 90도 비틀어져 있으면 그림과 같이 빛도 90도 틀어져 통과한다. 액정분자들이 배향막골과 평행하게 정렬된 상태 액정분자들이 양 기판사이에 90도 비틀어져 있다.TFT를 이용하여 전압이나 외부에서 힘이 인가되면 액의 방향은 꼬임(90도 비틀어져 있는 상태)이 풀려서 한 방향으로 panel면에 수직하게 정렬되고 빛은 직진하게 된다. 결국 입사한 빛을 통과시키느냐 마느냐는 액정의 꼬임과 풀림으로 결정하고 양쪽유리판에 편광판을 부착하여 액정을 통과한 빛을 다시 한 방향으로 모아주어 화소에 빛을 입사시켜 최종적으로 화면에 나타나게 된다 좌: 전압 On시 액정분자들의 정렬 상태, 우: 전압 Off 시 액정분자들의 정렬상태 전압 On, Off 시 빛이 통과하는 모습- 액정 디스플레이m정도의 얇은 두 장의 유리기판 사이에 격벽으로 셀(cell)을 만들고 그 안을 아르곤이나 네온과 같은 비활성 기체로 채운 다음, 거기에 높은 전압을 가하면 플라즈마 방전을 하게 되는데, 이때 발생하는 자외선이 유리기판의 형광물질을 자극하여 화상을 표시하게 하는 것이다. 구동방식에 따라 AC PDP와 DC PDP로 구분되는데 현재는 AC PDP가 주류를 이루고 있다.- PDP 구동원리: 플라즈마 디스플레이는 그림과 같이 Xe, Ne등의 불활성 가스로 채워진 밀폐공간에 외부에서 높은 전압을 인가하여 글로우방전(Glow discharge)을 유도하면, 고밀도의 플라즈마가 생성되고 이때 플라즈마에서 방출되어 나오는 진공 자외선(VUV : Vacuum Ultra Violet Ray)을 내는데, 이빛을 형광체가 흡수한 다음 가시광선으로 바꾸어 내는것을 이용한다. He, Ne, Xe, Ar, Kr등의 불활성 가스를 쓰는데, 특히 Xe가스에서 방출하는 파장대역 140~180nm의 자외선은 형광체의 휘도 및 효율등의 발광특성의 최적 조건을 만족시키기 때문에 널리 쓰이고 있다. 진공 자외선의 파장과 세기의 측면에서는 Xe가 적합하지만 Xe가스만을 쓰면 구동전압이 높고 동시에 전극 수명이 짧아지는 단점이 있어, 닫른 가스를 소량 첨가하여 2원또는 3원계의 혼합가스를 사용하고 있다. 예를 들면 He 또는 Ne가스에 Xe가스를 첨가하여 구동 전압을 낮추고 진공자외선의 최대세기를 얻을 수 있다. PDP의 구조- PDP 종류: 전극에 흐르는 전류에 따라서 AC형과 DC형으로 나눌 수 있다.- DC형 : 전극이 플라즈마에 직접 노출되어 전도 전류가 전극을 통하여 직접흐르는 것- AC형 : 전극이 유전체로 보호되어 직접 노출되지 않아 변위 전류가 흐르는 것- PDP의 특징 및 장단점: PDP는 형광체, 유전체, 보호막 등의 주요 구성재료를 Screen Printing과 같은 후막(기판위에 잉크상태의 페이스트 등을 칠하거나 뿜거나 인쇄한 후에 처리하여 얻는 표면막) 제작공정을 이용하여 소자자발광 특성을 살린 박형 디스플레이를 제조할 수 있다. 기술에 따라 PM방식과 AM방식으로 나뉘며 PM방식의 제품은 이미 휴대폰 외부창에 적용이 되고 있고 AM방식의 full color제품이 휴대폰 내부창과, 차량용 디스플레이에 채용될 것으로 전망된다.- PMOLED(Passive Matrix Organic Light Emitting Diodes)방식이란 짧은 시간동안 선택된 OLED화소를 높은 휘도로 발광하도록 하므로 해상도가 높아지면 순간 발광휘도가 더욱 높아쟈여 하기 때문에 소자의 열화 및 전력 소모 등의 단점이 있다.- AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes)는 낮은 전류로 구동이 가능하여 소비전력 및 표시해상도 측면에서 유리하나, 폴리 실리콘 TFT의 불균일성에 의한 휘도 불균일성이 문제점으로 대두, 앞으로 균일한 대면적 폴리실리콘 박막을 형성시키는 공정을 개발해야 한다.- OLED의 구조 단층(a) 및 다층(b) 구조를 갖는 유기 EL 구조: 전하의 주입을 더욱 활성화시키기 위해 유기 발광층의 상부와 하부에 각각 전자 수송층(electron transport layer), 정공 수송층(hole transport layer), 정공 주입층(hole-injection layer) 등을 적층한 구조이다. 전압이 가해지면, 음극과 양극에서 각각 전자와 정공이 유기층 내로 주입되고 유기층 내에서 전자-정공의 재결합 과정을 거쳐 광이 생성된다. 에 보인 구조는 한 개의 유기층이 존재한다고 하여 단층 구조라 하며, 는 전하의 주입을 더욱 활성화시키기 위해 발광층의 상부 및 하부에 각각 전자 수송층, 정공 수송층, 정공 주입층 등을 적층화한 구조를 가져 다층 구조라 한다.Polymer ELD일례로, 에 투명 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)와 전도성 polymer로 이루어진 양극, phenylene vinylene(혹은 PPV) 발광층, 그리고 칼슘 음극으로 구성된 polymer ELD를 나타내었다.야 함을 쉽게 추론할 수 있다. 그리고 고효율 유기 EL 소자의 제작을 위해선 주입된 전자와 정공이 재결합될 확률을 증가시키며, 광자효율이 높은 물질을 발광층으로 사용하고, 소자 내부에서 생성된 빛을 소자 바깥으로 효율적으로 빠져 나올 수 있도록 소자를 디자인하는 것이 중요하다.- OLED의 장단점: 종합적으로 유기EL은 15볼트 이하로 구동이 가능하고 발광 효율이 높아 전력소모가 적으며 TFT-LCD의 박막트랜지스터 공정이 필요 없기 때문에 생산원가를 LCD의 절반 이하로 줄일 수 있는 것이 장점이다. 또 자체발광 타입이라 다른 디스플래이보다 시야각이 넓을 뿐 아니라 얇고 가벼우며 응답속도가 빠르다. 다른 디스플레이애 비해 중형이하에서는 TFT-LCD와 동등하거나 그 이상의 화질을 가질 수 있다는 점과 제조공정이 단순하여 향후 가격경쟁이 유리하다는 점으로 차세대 꿈의 디스플레이로 주목받고 있다. 하지만 기술적 취약성 때문에 화면 크기가 20인치 안팎에 머물고 있다. 대형화에만 성공하면 디스플레이 소재로서 탁월한 장점을 앞세어 PDP나 LCD시장을 빠른 속도로 잠식할 것이라는 관련업계의 전망이다.1.2 OLED의 시장규모: 아래 표에서 알 수 있듯이 향후 OLED의 시장규모는 다양한 분야에서 크게 성장할 것으로 판단된다. 그중에서도 Cell Phone분야에서의 성장이 가장 크게 나타날 것이다. 그 밖에서 다양한 신규분야에서 OLED가 쓰이게 됨으로써 꾸준한 성장이 예상된다. 또한 올해의 시장규모는 전세계적으로 약 4.7억$의 가 될 것으로 예상되고 있다. 하지만 앞으로 그 규모는 기하급수적으로 늘어나서 2009년에는 51.9억$에 이를 것이라는 전망이 제기되고 있다.OLED의 시장규모1.3 전세계 OLED Maker 현황OLED Maker 현황: 2006년 3분기 현재 전세계 주요 OLED Maker의 출하 및 매출 실적을 보면 우리나라의 삼성SDI와 LG전자가 매출액 기준 시장점유율 1,2위를 기록하고 있다. 이는 지난해에 비해 LG전자의 두드러진 약진으로 .

공학/기술| 2009.12.10| 20페이지| 3,000원| 조회(523)

LED, LCD, OLED, 구동원리, 액정분자

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DNA CHIP

목 차Ⅰ. DNA chip의 정의 11. DNA chip의 정의 11. 1 capture probe와 target probe 22. DNA chip의 종류 3Ⅱ. DNA chip의 원리 41. Oligonucleotide chip 41. 1 Affymetrix의 photolithography를 이용한 DNA chip 41. 2 Nanogen의 전기적 DNA chip 61. 2. 1 Electronic addressing / Hybridization 71. 2. 2 Electronic stringency control / Permeation layer 92. cDNA chip 112. 1 Pin spotting 112. 2 Pin spottingInkjet 방식 133. DNA chip 감지기술 153. 1 레이저 유발 형광법 153. 2 전기신호를 이용한 방법 16Ⅲ. DNA chip의 응용 191. DNA chip의 응용가능 분야 191. 1 염기서열 해석 201. 2 돌연변이 및 다형의 검출 201. 3 유전자 발현의 해석 211. 4 질병의 진단 211. 5 질환의 예방 및 신약개발 231. 6 효능 및 독성 검사 241. 7 법의학적 활용 ? 친자 확인, 범인 검출 241. 8 고고학 ? 유전자 연관성 24Ⅳ. CONCLUSION 25REFERENCE 27그림 목차Figure Ⅰ.1.1.1 3Figure Ⅱ.1.1.1 4Figure Ⅱ.1.1.2 5Figure Ⅱ.1.1.3 5Figure Ⅱ.1.2.1 6Figure Ⅱ.1.2.2 7Figure Ⅱ.1.2.1.1 8Figure Ⅱ.1.2.1.2 8Figure Ⅱ.1.2.1.3 9Figure Ⅱ.1.2.2.1 10Figure Ⅱ.1.2.2.2 10Figure Ⅱ.2.1.1 12Figure Ⅱ.2.1.2 12Figure Ⅱ.2.1.3 13Figure Ⅱ.2.2.1 14Figure Ⅱ.3.1.1 16Figure Ⅱ.3.2.1 17Figure Ⅱ.3.2.2 17Figure Ⅱ.3.2.3 18Figure Ⅲ.1.고 접하게 되는 용어들이 hybridization partner를 언급하는데 자주 쓰이는probes와 targets이다. 사람에 따라 많이 혼동되어 쓰이기 때문에 명확히 정의하기는 힘들다. 여기서는 DNA chip위에 sequence를 알고 있는 고정된 oligonucleotides를 capture probe라 하고 smaple로부터 들어와서 이 capture probe에 hybridization하는 partner를 target probe라 한다.figⅠ.1.1.1 target과 probe2. DNA chip의 종류DNA chip은 붙이는 유전물의 크기에 따라 oligonucleotide chip과 cDNA chip으로 구분할 수 있다. cDNA chip에는 최소한 500bp이상의 유전자가 붙여져 있고 oligonucleotide chip에는 15~25개의 염기들로 이루어진 oligonucleotide가 놓여있다. 각chip에 장단점이 있는데 우선 oligonucleotide chip은 정확한 염기 서열을 알고 있기 때문에 하나의 염기 변화에 의한 다양성에 대한 연구(SNPs, single nucleotide polymorphisms)도 가능하다. 그러나 실제로 몇 kb나 되는 gene에서 극히 일부인 25개 정도의 염기만을 살피는 것이므로 어느 부분을 선택하느냐가 문제가 된다. cDNA chip의 경우에는 염기 자체가 크기 때문에 전반적인 gene expression 연구에 쓰는데는 문제가 없지만 SNPs을 볼 수는 없다. 특히 cDNA chip은 두 가지의 다른 환경에서 유전자의 발현정도를 비교하는데 유리하다. Oligonucelotide chip은 미국의 Affymetrix와 Nanogen과 같은 회사에서 제작하고 있다. Affymetrix에서는 photosynthesis를 통해 DNA chip substrate 위에 직접 oligonucleotide를 합성하고 있으며, Nanogen에서는 oligonucleotide 합성하고 전기장을 이용해서 chip probe(노란색)들을 위치시켰고, 가운데 그림은 그 다음 열을 같은 방법으로 다른 probe(빨간색)들을 위치하도록 하였다. 이런 식으로 하면 오른쪽 그림과 같이 probe들을 위치시킬 수 있게 된다.figⅡ.1.2.1.1 DNA chipfigⅡ.1.2.1.2 Electronic addressingCapture probes를 생성한 후에 target probes를 흘려서 hybridization을 시킬 때도 potential이 중요한 역할을 한다. DNA single strand도 바깥의 phosphate group 때문에 negative charge를 띠게 되며, capture probe와 target probe가 hybridization을 할 때 이들 사이의 정전기적 반발력이 문제가 된다. 일반적인 경우 이를 안정화시키기 위해 salt를 많이 첨가한다. Nanogen chip에서는 positive potential을 이용하여 특정 capture probe로 target probes들이 집중될 수 있도록 할 수 있다(figⅡ.1.2.1.3). 따라서, 그곳에 sample이 농축되고 상대적으로 hybridization을 촉진시켜 기존의 수동적 hybridization과정이 수시간이 필요한 것에 비해 수분 내에 일어나게 된다. 또한 시료를 시험위치에 농축시킬 수 있기 때문에 농도가 낮아도 문제없다. 이로인해 기존의 방법에 비해 시료 전처리에 드는 시간과 비용을 줄일 수 있다. 그러나 역시 hybridization 된 것들을 안정화 시켜주기 위해 약 250mM의 NaCl 같은 salt를 넣어준다.figⅡ.1.2.1.3 target probes의 concentration1.2.2 Electronic stringency control / Permeation layerElectronic stringency control은 반대되는 전극 potential을 걸어주어 hybridization 과정 중에 생길 수 있는 mismatching을 쉽고 빠르게 제거할 수 있다. 과 image2.2 Inkjet 방식Pin microarray와 비슷한데 pin 대신에 inkjet printer처럼 cartidge를 쓴다. 각 cartidge에 유전자가 들어 있어서 전기적인 힘으로 유전자를 고형체 위에 분사하게 된다. Inkjet은 열을 이용해 분사하는 thermal 방식, 압력을 이용하는 solenoid 방식, 그리고 압전현상을 이용해 분사하는 piezoelectric 방식이 있다. 다음 그림은 micro-solenoid 방식의 개관도이다. Syringe pump를 이용해서 유체의 정량을 대체함으로 분사한다. 이로 인해 닫혀있는 micro-solenoid valve가 순간적으로 작동하게 된다. 가해진 압력은 tip에 있는 orifice를 통해 나가는데 압력에 속도가 비례하게 되며, 속도가 용액의 표면장력보다 커지면 drop이 tip에서 분사하게 된다. Inkjet 방식의 장점은 유전자를 chip 표면에 닿지 않고 분사할 수 있어서 nanoliter 수준으로 정량의 유전자를 붙일 수 있고 분사량의 dynamic range도 크다는데 있다. 그러나, 많은 종류의 다른 유전자를 붙이기 위해서 cartridge 안의 유전물질 교환과 같은 기술적 문제가 남아있다.figⅡ.2.2.1 Micro-solenoid 방식의 개관도3. DNA chip 감지기술DNA chip은 하나의 chip으로 가능한 많은 정보를 다루기 위해 좁은 면적에 고밀도로 여러 probes들이 놓여있다. 또한 DNA sequence 정보가 늘어남에따라 그 집적도가 더욱 높아질 추세다. 따라서 이를 정량적으로 빠르고 정확하게 검출하는 새로운 방법이 요구되어 진다. 현재까지 검출방법은 주로 레이저 유발 형광법(laser induced fluorescence)이 많이 쓰이고 있다. 또다른 방법으로는 전기화학적 검출 방법이 있다. CMS(clinical microsensors)에서 개발한 이 방법은 전이금속착물을 이용한 것으로 probe나 target에 별도의 fluor tag 없이 검출활용인데, DNA chip으로 수많은 유전자를 빠른 시간내에 정확하게 분석함으로 유전자 변형에 의해 생기는 유전병을 진단하는데 쓰일 수 있기 때문이다. 실제로 많은 DNA chip 회사들이 의약용 진단시약분야에서 연간 수백억 달러의 시장 규모를 기대하고 집중적으로 지원하고 있다. 이와관련 Affymetrix에서는 제한적이지만 BRCA1과 같은 암관련 유전자진단 chip을 개발하여 선보였다. 이렇게 유전병 진단용 DNA chip이 각광을 받는 이유는 앞으로 다가올 예방의학시대에 주춧돌이 될 것이기 때문이다. 기타 다른 응용분야로는 화생방 오염감지기 등의 군사적 용도, 초고속 신약 검색 및 독성 검사, 아울러 각개인에 맞는 약 개발 등에 활용될 것으로 기대되어지고 있다. DNA chip의 응용분야는 생물공학, 환경, 농업, 화학공학분야 등 산업 전반에 걸쳐 나날이 확대되어가고 있다.1.1 염기서열 해석 (Genotyping)Sequencing level에서의 DNA를 조사하는 것이라고 할 수 있다. 예를 들어 oligos는 알려진 모든 염기의 배열을 chip위에 배열하고 있으므로 알려지지 않은 target gene의 sequence의 결손 및 염기변화를 매우 빠른 시간내에 스크린 할 수 있다.Sapolsky등은 STS(sequence-tagged site) marker의 chip으로 cosmid clone의 mapping을 실시하였고, 최근 Wang등은 2.3Mb에 이르는 human genome DNA의 SNP(single nucleotide polymorphism; 1염기 다형)를 조사하여 3.241의 SNP의 후보를 동정하고 이중 2.227의 SNP의 유전자지도를 작성하였으며, Drmanac등은 SBH에 의해 p53의 exon 5-8 (약 1kb)의 염기서열을 12검체에 대하여 정확하게 결정하였다.염기서열의 해석을 통해 유전자간의 연관성(linkage analysis)을 알아볼 수 있다.1.2 돌연변이 및 다형의 검출 (Detection of mutation/다.

공학/기술| 2009.12.10| 33페이지| 3,000원| 조회(414)

DNA, dna chip, DNA 칩, 유전자 서열

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나노 바이오센서

Abstract바이오센서란 유전자, 암세포, 환경호르몬 등 특정물질의 존재 여부를 확인하기 위하여, 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 생체감지 물질(bioreceptor)과 신호변환기(signal transducer)로 구성되어 있는 장치를 말하며, 나노바이오센서는 나노기술을 이용하여 바이오센서의 성능을 개선하거나 나노 구조체를 이용하여 분자수준에서 물질을 검출하는 센서이다. 이 센서는 기존의 바이오센서가 가지고 있는 기술적 한계를 극복하여 단일세포 검출(single-molecule detection : SMD), 최소 침습진단, 현장진단(Point of Care), 질병 조기진단이 가능한 초고감도, 초소형 센서를 말한다.나노구조체 제작기술을 이용하여 휴대용 나노바이오센서로 응용 가능한 대표적 센서는 광섬유 나노바이오센서, 나노입자 바이오센서, 캔틸레버 나노바이오센서, 나노와이어/탄소나노튜브 나노바이오센서 및 전자 코/전자혀 나노바이오센서가 있으며, 최근 국내외에서 다양한 방법의 연구가 수행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 바이오 센서에 대한 이해와 휴대용 나노바이오센서에 대한 연구개발 동향을 분석하였다.차 례1. 서 론 .....12. 본 론 .....32.1 이론적 배경 .........32.1.1 Bio-sensor ..32.1.1.1 Bio-sensor 원리 ...32.1.1.2 Bio-sensor 활용분야 .............캔틸레버 말단의 모습과 바이러스 항체와 결합하는 모습 ..18Fig.11.캔틸레버를 이용한 바이러스의 검출 ..............19Fig.12.나노-기계적 바이오센서의 작동원리 .............20Fig.13.실리콘 나노와이어에서 바이오물질 검출 ........23Fig.14.나노와이어를 이용한 생체물질의 검출 ...........24Fig.15.탄소나노튜브 나노바이오센서의 개략도 .........25Fig.16.탄소나노튜브 나노전극어레이 기반 초고감도 바이오센서 ..26Fig.17.센서어레이를 사용하여 얻은 특징적 패턴 ......28Fig.18.산화아연계 나노막대를 이용한 바이오센서 .....30Fig.19.휴대용 바이오칩 스캐너 .............31Fig.20.휴대용 고속 질병진단 단백질 감지 칩 ...........32Fig.21.기능성 실리카 나노입자 .............331. 서 론통신매체의 발달과 다양한 바이오센서가 개발되면서 NT, BT, IT 기술융합을 통해 언제, 어느 곳에서나 개인질병을 조기에 진단하고, 지능형 치료를 할 수 있는 유비쿼터스 의료시스템이 대두되고 있다.품질 의료서비스를 제공할 수 있는 휴대용 나노바이오센서 기술은 현재 의료용 진단분야에서 응용성이 가장 크지만 식품 안정성 분석분야, 환경 계측분야 등에서도 유용하게 쓰일 수 있어 개발 필요성이 크게 증대되고 있다.이를 위해 나노기술을 이용해 기존 바이오센서의 한계를 극복하고 고안정화, 신속성, 초고감도성, 고선택성 등의 동작특성이 향상된 극소형 나노바이오센서를 개발하고자 하는 연구는 전 세계적으과정이 간단하여 현재 다국적 업체들을 중심으로 전 세계적으로 경쟁력 확보와 세계 시장 점유율 향상을 위하여 센서의 소형화, 다중 센서 등 여러 분야를 연구, 개발 중에 있다. 또한, 바이오산업은 전자공학, 화학, 생물학 등 과학 전반에 걸친 기술을 융합할 수 있는 미래형 융합산업으로 높은 성장성이 전망되고 있으며, 미래의 유망 산업 중 하나로 각광받고 있다.바이오센서란 생체감지물질(bio receptor)과 신호 변환기(signal transducer)로 구성되어 인식 가능한 신호로 변환하여 분석하고자하는 물질을 선택적으로 감지하는 장치이다. 생체감지물질로는 특정 물질과 선택적으로 반응 및 결합할 수 있는 효소, 항체, 항원, 호르몬 수요체(hormone-receptor) 등이 있으며, 신호 변환 방법으로는 전기화학(electrochemical), 형광, 발색, SPR(surface plasmon resonance), FET(fieldeffecttransistor), QCM(quartz crystal microbalance), 열센서 등 다양한 물리화학적 방법을 사용한다.바이오센서의 장점은 다른 분석방법과는 달리 측정하고자 하는 시료와 반응하여 신속하고 정확하게 물질을 분석하는 데 있다. 즉, 의료분야에서는 바이오센서를 통해 질병의 진단과 관련된 감지의 한계를 줄이는 것이 가능하다는 설명이다. 또한 바이오 분자를 인식할 수 있는 항체(antibody)나 DNA를 이용하여 복잡한 물질의 분석을 용이하게 하고, 분석하고자 하는 물질만 선택적으로 검출할 수 있게 한다. 따라서 전달된 신호를 이용하여 결합 반응과 사용자에 대한 최종 정보를 제공하게 되는 것이다.Figure.1. Bio-sensor 원리2.1.1.2 Bio-sensor 활용분야바이오센서의 활용 분야는 그 특성상 조금씩 차이가 있으나, 본 논문에서는 크게 의료(임상적 진단), 제약, 환경, 식품, 군사 및 연구용으로 나눠 살펴보고자 한다.바이오센서에 대한 수요가 가장 많은 분야는 의료부문으로, 90%의 가하여 원하는 두께로 만드는 heat and pull 방법으로 50㎚직경의 광섬유 팁을 만들고, 팁 위에 100~200㎚ 두께로 알루미늄, 은 혹은 금을 증착한 후, 생체 인식 분자를 고정화할 수 있도록 화학처리를 하는 3단계 방법으로 제작된다.(Figure.3.)이 나노스케일의 광섬유 바이오센서는 극미량 물질의 선택적 분석에 유용한 도구가 될 수 있다. 한 예로 단일세포내에 있는 carcinogen인 benzo(a)pyrene의 대사물질인 benzo(a)pyrene tetrol (BPT)를 항체 나노센서를 이용하여 분석하였다. Figure.4.는 나노광섬유를 이용한 바이오센서가 크기 10nm인 동물세포에 침투하여 분석하는 장면을 보여주고 있다.Figure.3. 나노스케일 광섬유a) 50㎚직경 광섬유 팁.b)은으로 코팅한 후의 250㎚ 직경 광섬유 팁.Figure.4. 나노광섬유를 이용한 바이오센서가 크기10㎛인 동물세포에 침투하여 분석하는 사진2.2.2 나노입자 nano Bio-sensorNorthwestern 대학의 Mirkin 그룹은 DNA와 단백질 검출 과정에서 기존에 주로 사용해 오던 형광이나 전기화학적 방법이 아닌 나노입자를 바이오센서에 응용하는 새로운 기술을 선보였다. 개발한 기술은 전극 위에 금 나노입자를 도입하고, 다시 은입자로 증강시켜서 전류를 흐르게 한 후, 혼성화 유무에 따라 달라지게 되는 양 전극 사이의 저항값을 측정하여 염기한 개 차이로 타겟 올리고(oligonucleotide)를 분리·검출하는 것이다.(Figure.5.)또한, 이 연구팀은 DNA 바코드(barcodes)를 갖는 금 나노입자(30nm)를 개발하여 한 번에 한 개의 돌연변이만 탐지할 수 있던 기술적 한계를 뛰어넘어 네 개의 돌연변이를 동시에 탐지할 수 있는 혁신적인 DNA 서열 탐지 기술을 개발하였다.이 기술은 향후 복합 시스템 (multiplexed system)으로 응용할 수 있는 차세대 핵심기술이며, 이 방법을 사용하면 DNA는 수 백 zM(zetomole, 10따라 공명주파수 변위가 증가하는 것을 확인하여 바이러스 1개의 입자를 측정하였다.(Figure.11.)스페인 Spanish Microelectronics National Center의 Lechuga 연구진은 마이크로 플루이딕스 소자 내에 타겟 유전자에 상보적인 헥산시퀀스로 코팅된 나노캔틸레버 20개. 발광 레이저 20개. 경량센싱회로(light-sensing circuitry)가 집적된 새로운 센서를 개발하였다. 이 소자는 환자 침상 옆이나 진료실에서 암과 관련된 유전적 변화를 검출할 수 있다.(Figure.12.)Figure.8. 캔틸레버 어레이를 이용한 바이오 센서.Figure.9. 기능화한 캔틸레버에서 엔도뉴클레아제를 감지하는 자기기계적 검출.A. 기기셋업.B. 특이 엔도뉴클레아제 활동에 대한 자기기계적 검출.Figure.10. 캔틸레버 말단으로 갈수록 항체의 도포 밀도가 증가하는 모습과 바이러스 항체와 강한상호작용을 통해 선택적으로 결합하는 모습.Figure.11. 캔틸레버를 이용한 바이러스의 검출.Figure.12. 나노-기계적 바이오센서의 작동 원리2.2.4 나노와이어/탄소나노튜브 nano Bio-sensor나노와이어를 이용한 나노바이오센서는 미국 하버드 대학의 Lieber 연구그룹에서 처음 발표하였고, 현재 이 분야에서 최고 수준의 기술을 보유하고 있다.(Figure.13.)이 연구그룹에서는 음전하를 띤 스트랍트아비딘(straptavidin)을 나노와이어 표면에 고정하고, 나노와이어 표면에 스트랍트아비딘이 붙으면 p-type Si 나노와이어의 전기전도도가 증가하는 반면, 양전하를 띤 안티바이오틴(antibiotin)이 나노선 표면에 붙은 경우에는 나노와이어의 전기전도도가 감소한다는 연구결과를 발표하였다.또한 Lieber 연구그룹에서는 Si 나노와이어 바이오센서를 이용하여 나노미터까지 측정할 수 있는 센서를 만들었는데, 이 센서는 부피 대 표면적이 크기 때문에 선택성이 매우 우수하다.(Figure.14.)한편 Lieber 연구그룹은 전립선암을 진단하

공학/기술| 2009.12.10| 38페이지| 3,000원| 조회(985)

나노기술, 나노구조체, nanobiosensor, 나노바이오센서

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