국립창원대학교 기계공학부 윤태영 교수 연구팀은 고려대학교, 금오공과대학교, 스티븐스 공과대학교와의 협력 연구를 통해 전기장을 이용한 그래핀 표면 기능화 기술을 개발하고, 이를 통해 그래핀의 친수성 및 소수성 특성을 정밀하게 조절할 수 있음을 규명했다고 18일 밝혔다.

연구팀은 Hydrophobin I (HFBI) 단백질과 그래핀(Graphene)의 상호 작용을 분석하고, 외부 전기장(Electric Field, EF)의 강도 및 방향을 조절해 그래핀의 표면 특성을 선택적으로 변화시키는 메커니즘을 규명했다.

연구팀에 따르면 그래핀은 우수한 전기전도성과 넓은 표면적을 갖고 있지만, 생체적합성이 낮아 바이오메디컬 및 화학 센서 응용에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 친수성과 소수성을 조절할 수 있는 HFBI 단백질을 그래핀 표면에 기능화하는 방식을 제안하고, 전기장을 적용해 단백질의 정렬을 제어하는 연구를 수행했다.

분자동역학(Molecular Dynamics, MD) 시뮬레이션을 활용한 연구 결과, Z축 방향의 전기장이 HFBI 단백질의 정렬을 가장 효과적으로 조절할 수 있는 조건임을 확인했다.

연구팀은 다양한 전기장 조건을 적용한 결과, 특정 전기장 방향에서 HFBI 단백질의 친수성(hydrophilic) 또는 소수성(hydrophobic) 패치가 그래핀 표면에 선택적으로 배향되며 이를 통해 그래핀의 표면 특성을 조절할 수 있음을 밝혀냈다.

또 HFBI 단백질 내 전하를 띠는 아미노산의 전기적 상호 작용이 그래핀 표면에서의 기능화에 중요한 역할을 하며 특정 전기장 조건에서 HFBI-Graphene 복합체의 결합 에너지가 극대화됨을 확인했다.

연구팀이 개발한 전기장을 이용한 그래핀 표면 기능화 기술은 기존의 화학적 변형 없이 그래핀의 친수성 및 소수성을 조절할 수 있다는 점에서 바이오센서, 바이오전극(bioelectrode) 개발, 조직 공학 및 신약 개발, 전자소재 및 친환경 코팅 기술 등 다양한 분야에서 높은 응용 가능성을 가진다.

특히 그래핀 표면의 친수성 및 소수성 조절이 가능해짐에 따라 웨어러블 전자기기, 의료용 나노소재, 에너지 저장 장치 등에서도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 국립창원대 윤태영 교수가 공동 제1저자로 참여하고, 고려대학교, 금오공과대학교, 스티븐스 공과대학교 연구팀과의 협력 연구를 통해 진행됐으며 연구 성과는 재료 과학 Coatings & Films 분야 저명 학술지 'Progress in Organic Coatings(IF 6.5 / JCR 6.5%)' 최신호에 게재됐다.

윤태영 교수 연구팀은 "이번 연구를 통해 전기장을 이용한 그래핀 표면 기능화 전략이 다양한 산업 및 연구 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대하며 앞으로 나노소재 및 바이오융합 기술 발전에 기여할 계획"이라고 설명했다.