자기조립 생체소재 구조체 기반 색변환 센서의 제작 및 전기적 특성 분석 = Fabrication of a Colorimetric Sensor Based on Self-Assembled Biomaterial Architectures and Analysis of Its Electrical Properties

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 생체모방 자기조립 기반 공정을 활용하여 Diphenylalanine（FF） 나노구조를 형성하고, 이를 이용한 색변환（colorimetric） 센서 및 선택적 패턴 구조의 응용 가능성을 분석하였다. 생체모방 자기조립은 수소결합, 정전기적 상호작용 및 반데르발스 힘과 같은 비공유 결합 상호작용에 의해 외부 개입 없이도 규칙적인 구조를 형성할 수 있는 공정으로, 공정의 단순성과 높은 에너지 효율성으로 인해 재료과학 및 나노공학 분야에서 주목받고 있다. 특히 용액 기반 자기조립 공정은 대면적 구조 형성이 가능하며 공정 조건에 따른 구조 제어가 용이하다는 장점을 가진다.

Diphenylalanine（FF）은 대표적인 펩타이드 기반 자기조립 물질로, 공정 조건에 따라 나노섬유, 나노튜브 및 선형 구조 등 다양한 형태의 나노구조를 형성할 수 있다. 또한 FF 기반 구조는 우수한 기계적 안정성과 광학적 특성을 동시에 나타내어 바이오 센서, 기능성 소재 및 광학 응용 분야에서 활용 가능성이 높은 소재로 평가되고 있다. 특히 구조색은 나노구조의 두께, 주기성 및 굴절률 변화에 의해 결정되므로, 외부 환경 변화에 민감하게 반응하는 센서 플랫폼으로 응용될 수 있다.

본 연구의 1장에서는 meniscus-driven 풀링 공정을 이용하여 FF 나노구조를 형성하고, 공정 조건 변화에 따른 구조 형성 메커니즘 및 광학적 특성을 분석하였다. Meniscus-driven 공정은 용액의 증발 및 이동 과정에서 형성되는 meniscus 영역을 이용하여 구조를 정렬시키는 방법으로, 비교적 단순한 공정만으로도 균일한 자기조립 구조 형성이 가능하다는 특징을 가진다. 본 연구에서는 용액 농도, 풀링 속도 및 기판 조건에 따른 구조 형성 거동을 비교하였으며, 형성된 FF 구조의 배열 상태와 표면 형상을 분석하였다. 또한 구조색 변화 특성을 관찰하여 공정 조건에 따른 광학적 특성 변화를 정량적으로 평가하였다.

특히 외부 환경 변화에 따라 나타나는 색변환 거동을 분석함으로써 FF 나노구조의 색변환 센서로서의 활용 가능성을 확인하였다. 구조 변화에 따라 반사되는 빛의 파장이 변화하는 특성을 기반으로 시각적 신호 변화를 유도하였으며, 이를 통해 별도의 복잡한 측정 장비 없이도 외부 자극을 직관적으로 감지할 수 있는 가능성을 제시하였다. 이러한 결과는 FF 기반 자기조립 구조가 차세대 저비용 광학 센서 플랫폼으로 활용될 수 있음을 의미한다.

2장에서는 SAM（Self-Assembled Monolayer） 기반 표면 개질 기술과 FF 자기조립 공정을 결합하여 하이드로젤 및 펩타이드 나노구조의 선택적 패턴 형성을 구현하였다. 나노바이오 소재는 생체 적합성과 기능성을 동시에 구현할 수 있어 다양한 바이오 응용 분야에서 활용되고 있으며, 구조의 배열 및 형태에 따라 물리적·화학적 특성이 크게 달라진다. 따라서 원하는 위치에서 선택적으로 구조를 형성하고 미세 패턴을 정밀하게 제어하는 기술이 중요하게 요구된다.

본 연구에서는 SAM을 이용하여 기판 표면의 친수성 및 소수성을 조절하였으며, 이를 통해 특정 영역에서만 하이드로젤 및 FF 구조가 성장하도록 유도하였다. 또한 공정 조건 변화에 따른 구조 성장 특성과 배열 거동을 비교 분석하였다. 형성된 패턴 구조는 균일한 배열 특성을 나타내었으며, 표면 특성에 따라 구조의 성장 방향성과 밀도가 달라지는 것을 확인하였다. 이를 통해 SAM 기반 표면 제어 기술이 자기조립 구조의 선택적 성장과 패턴 형성에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.

결과적으로 본 연구에서는 생체모방 자기조립 기반 공정을 이용하여 FF 나노구조의 구조적 및 광학적 특성을 체계적으로 분석하였으며, 이를 기반으로 색변환 센서 및 선택적 패턴 기반 바이오 소재로의 응용 가능성을 제시하였다. 또한 meniscus-driven 공정과 SAM 기반 표면 개질 기술을 결합함으로써 자기조립 구조의 배열 및 성장 위치를 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 결과는 기능성 바이오 소재, 광학 센서 및 패턴 기반 나노구조 제작 기술 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, Diphenylalanine （FF） nanostructures were fabricated using a biomimetic self-assembly-based process, and their applicability to colorimetric sensors and selective patterned structures was investigated. Biomimetic self-assembly is a process in which highly ordered structures are spontaneously formed without external intervention through non-covalent interactions such as hydrogen bonding, electrostatic interactions, and van der Waals forces. Owing to its simplicity and high energy efficiency, this process has attracted significant attention in the fields of materials science and nanoengineering. In particular, solution-based self-assembly processes offer advantages such as the ability to form large-area structures and facile control of structural properties through process parameters.

Diphenylalanine （FF） is a representative peptide-based self-assembling material capable of forming various nanostructures, including nanofibers, nanotubes, and linear structures, depending on the fabrication conditions. FF-based structures exhibit excellent mechanical stability and optical properties simultaneously, making them promising candidates for applications in biosensors, functional materials, and optical devices. In particular, structural color is determined by variations in the thickness, periodicity, and refractive index of nanostructures, enabling their application as sensor platforms that are highly responsive to environmental changes.

In Chapter 1, FF nanostructures were fabricated using a meniscus-driven pulling process, and the structural formation mechanisms and optical properties under different processing conditions were analyzed. The meniscus-driven process aligns structures through the meniscus region formed during solution evaporation and movement, enabling the fabrication of uniform self-assembled structures through a relatively simple process. In this study, the structural formation behavior was compared according to solution concentration, pulling speed, and substrate conditions, while the alignment state and surface morphology of the fabricated FF structures were systematically analyzed. In addition, structural color changes were observed to quantitatively evaluate the optical property variations induced by different processing conditions.

Furthermore, by analyzing the color-changing behavior in response to external environmental stimuli, the potential of FF nanostructures as colorimetric sensors was demonstrated. Based on the characteristic that the wavelength of reflected light changes according to structural variations, visual signal changes were induced, suggesting the possibility of intuitively detecting external stimuli without the need for complex measurement equipment. These results indicate that FF-based self-assembled structures can serve as next-generation low-cost optical sensor platforms.

In Chapter 2, selective pattern formation of hydrogels and peptide nanostructures was achieved by combining SAM （Self-Assembled Monolayer）-based surface modification technology with the FF self-assembly process. Nanobio materials can simultaneously provide biocompatibility and functionality, making them attractive for various bio-related applications. Since the physical and chemical properties of these materials strongly depend on their structural arrangement and morphology, technologies capable of selectively forming structures at desired locations and precisely controlling micro-patterns are critically important.

In this study, SAMs were utilized to control the hydrophilic and hydrophobic properties of substrate surfaces, thereby inducing the selective growth of hydrogels and FF structures only in designated regions. In addition, the structural growth characteristics and alignment behavior under varying process conditions were comparatively analyzed. The fabricated patterned structures exhibited uniform alignment characteristics, while the growth directionality and density of the structures varied depending on the surface properties. These results confirm that SAM-based surface control technology can be effectively utilized for the selective growth and pattern formation of self-assembled structures.

In conclusion, this study systematically analyzed the structural and optical properties of FF nanostructures fabricated through biomimetic self-assembly-based processes and demonstrated their potential applications in colorimetric sensors and selective patterned bio-materials. Furthermore, by combining the meniscus-driven process with SAM-based surface modification technology, effective control over the alignment and growth location of self-assembled structures was achieved. The findings of this study are expected to provide fundamental insights for the development of functional biomaterials, optical sensors, and pattern-based nanostructure fabrication technologies.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 1장 펩타이드 소재를 이용한 구조체 형성 및 색변환 센서 연구 6
• 2.1. 서론 6
• 2.2. 이론적 배경 8
• 2.2.1. 생체모방 자기조립 8
• 2.2.2. 풀링 공정 9
• 2.2.3. Diphenylalanine （FF） 11
• 2.2.4. Meniscus-driven self-assembly 15
• 2.2.5. 나노구조의 광학 특성 이론 17
• 2.2.6. Colorimetric sensing 메커니즘 17
• 2.3. 공정 20
• 2.3.1. Meniscus-driven self-assembly 공정 원리 20
• 2.3.2. 풀링 방법을 이용한 구조 형성 21
• 2.3.3. 공정 변수 27
• 2.4. 구조 형성 29
• 2.4.1. 자기조립 메커니즘 29
• 2.4.2. 공정 조건에 따른 구조 변화 30
• 2.4.3. 구조 정렬 및 방향성 31
• 2.5. 광학 특성 33
• 2.5.1. 색변환 33
• 2.5.2. 반사율 분석 39
• 2.5.3. 구조–광학 특성 상관관계 44
• 2.5.4. FDTD 시뮬레이션 50
• 2.6. 센서 응용 54
• 2.6.1. 열 센서 54
• 2.6.2. 화학 센서 62
• 2.7. 결론 67
• 3. 2장 하이드로젤을 이용한 패턴 구조 형성 및 전기적 물성 연구 69
• 3.1. 서론 69
• 3.2. 이론적 배경 71
• 3.2.1. 하이드로젤 71
• 3.2.2. 자기조립 단분자막 72
• 3.2.3. 표면 에너지 및 표면 개질 기술 74
• 3.2.4. Diphenylalanine 기반 자기조립 구조 75
• 3.2.5. 나노/마이크로 패터닝 기술 76
• 3.3. 표면 특성 분석 78
• 3.3.1. SAM 표면 형성 및 특성 분석 78
• 3.3.2. 표면 에너지 및 구조 분석 80
• 3.3.3. 접촉각 측정 81
• 3.3.4. AFM 분석 83
• 3.4. 하이드로젤 기반 패턴 형성 및 구조 분석 86
• 3.4.1. 하이드로젤 및 Diphenylalanine 패턴 형성 공정 86
• 3.4.2. 표면 제어 기반 패턴 형성 결과 88
• 3.4.3. 패턴 구조 분석 90
• 3.5. 하이드로젤 및 Diphenylalanine 패턴의 거동 및 전기적 물성 분석 92
• 3.5.1. Diphenylalanine 자기조립 거동 및 형성 메커니즘 92
• 3.5.2. 표면과의 상호작용 및 패턴 안정성 95
• 3.5.3. FF 기반 하이드로젤의 전기적 특성 분석 97
• 3.5.4. 패턴 구조에 따른 전기적 물성 분석 98
• 3.5.5. 하이드로젤–펩타이드 복합 구조의 전기적 거동 비교 100
• 3.5.6. 응용 가능성 평가 105
• 3.6. 결론 108
• 4. 결론 111
• 5. 참고 문헌 114