Long-working(0.3m) distance microscope

조재영 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내석사

포항공대 아토초 과학 연구실 내 아토초 광 시설의 경우 반경이 25 수준의 진공 챔버 안에 수십 수준의 TMDC 샘플을 활용하는 실험을 진행하고 있다. 진공 밖에서 30~40 수준의 TMDC 샘플에 대한 레이저의 집속위치를 관측하기 위해서 긴 Working distance의 고배율 현미경의 필요성이 대두되었다. 이를 해결하기 위해 Long-working(0.3m) distanace microscope을 제작을 하여 진공 챔버 안의 TMDC샘플을 측정해야 한다. Microscope를 위의 상황을 고려하며, 간단하게 구현하기 위하여 몇 가지 조건과 제약을 두었다. (1) 색수차를 줄이기 위해 532 의 단일 파장에서 작동 (2) 10배 이상의 배율을 구현 (3) 실제 제작을 위해 첫번째 렌즈로부터 detector까지의 거리를 40 이하 제약 (4) 간단한 제작을 위해 최대한의 상용렌즈 사용 (5) 시뮬레이션을 통해 단색수차의 최소화 위의 조건과 제약을 통해 시뮬레이션을 진행하였고, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실험을 진행하였다.시뮬레이션을 기반으로 한 실험 결과 최대 25배의 배율과 8μm 분해능의 이미지를 얻는 데 성공했다. The need for a high magnification microscope with a long-working distance has emerged in order to observe the laser focus position for TMDC sample with a 30~40 μm. To solve this problem, a long-working (0.3m) distance microscope should be manufactured to measure TMDC samples in a vacuum chamber. Some conditions and restrictions were placed for simple implementation. (1) Operates at a single wavelength of 532 to reduce chromatic aberration (2) Realize a magnification of 10 times or more (3) Limit the distance from the first lens to the detector to 40 or less for actual production (4) Use of commercial lenses as much as possible for simple production (5) Minimization of monochromatic aberration through simulation Simulations were conducted through the above conditions and constraints. As a result of the experiment based on the simulation, it succeeded in obtaining an image with a magnification of up to 25 times and a resolution of 8 μm.

인공 포텐샬장을 이용한 원격조종로봇의 접촉힘제어

채종현 포항공과대학교 대학원 1997 국내석사

Investigation on Thermal Stability of Metal-Interlayer-Semiconductor Contacts Using Carbon Implantation

이동훈 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내석사

Effects of carbon implantation (C-imp.) on the thermal stability of MIS (Metal-Interlayer-Semiconductor) contact were investigated. The experiment was conducted on both Si and Ge substrates. To improve the thermal stability in MIS contact, C-imp. into MIS structures was applied. The current density (J) - voltage (V) characteristics showed that C-imp. changed the rectifying behavior to the ohmic-like behavior. The Schottky barrier height (SBH) was also reduced by the C-imp. These improvements can be beneficial to reduce the lower contact resistivity (ρc) with the rapid thermal annealing (RTA) temperatures ranging from 450 to 600 ℃. From the transmission electron microscopy (TEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS) mapping, the MIS contact with C-imp. showed the suppression of oxygen diffusion into Ti layer. From the secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis, the segregation of P dopant at the interface was more facilitated with C-imp.. Thus, the C-imp. is promising to improve the thermal stability and to realize low contact resistivity of MIS contact.

The design of all-dielectric metasurface for selectively blocking Near-Infrared region of solar spectrum

김은종 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내석사

Blocking near-infrared region (NIR) is indispensable for saving energy consumed to maintain an interior temperature in buildings. The methods of blocking NIR are divided into two types. One is blocking NIR without visible light for applying to windows. The other is blocking the overall solar spectrum including visible light because the visible light accounts for 45% in the solar spectrum. Thus, we designed the metasurface of two types, respectively. In the transparent metasurface blocking NIR, simultaneously enhancing transmission in visible light and blocking in NIR remains challenging. Here, we demonstrate the trans-parent all-dielectric metasurface selectively blocking the NIR by using TiO2 nanocylinder and ITO layer. The ITO layer is implemented as a back reflector because the ITO is trans-parent in visible light whereas the ITO becomes reflective materials in the long-wavelength region (λ > 1500 nm). The designed metasurface exhibits a high average transmittance of 70% in visible light and high solar energy rejection (SER) of 90% in NIR. Furthermore, the performance of the designed metasurface is maintained over a wide range of an incident angle of light. Therefore, the metasurface gives an advanced guide-line for design energy-saving applications. In the opaque metasurface blocking NIR, the previous all-dielectric metasurfaces have difficulty in reflecting overall NIR because the reflection region is too narrow. Here, we demonstrate the all-dielectric metasurface blocking almost overall NIR by using amor-phous Si (a-Si) and SiO2. Since amorphous Si has a high refractive index (~3.3) and high extinction coefficient in NIR, the designed metasurface exhibits high reflection (1050 nm ≤ λ ≤ 2320 nm) as well as high absorption (λ < 1040 nm), thereby leading to high solar energy rejection (SER) of 94% in NIR. The performance of the designed metasurface is independent over a wide range of incident light. Furthermore, a-Si substrate constituting the metasurface can be readily deposited on other materials such as glass and plastic film, so the proposed metasurface has high applicability for a large-area fabrication rather than crystalline Si and GaAs.

진화 프로그래밍 기반의 CLEAN 기법을 이용한 산란점 및 고유주파수 추출

최인식 포항공과대학교 대학원 2003 국내박사

과거의 레이다 시스템은 단순히 표적물을 탐지하고 표적물까지의 거리 및 속도를 측정하는 것이었습니다. 하지만, 오늘날의 레이다는 이러한 속도 및 거리 정보뿐만 아니라,표적물의 종류를 인식하여 아군과 적군을 구별하는 고도의 기술을 요구하고 있습니다.레이다 표적물을 구분하기 위해 사용되는 특성벡터로는 크게 산란점과 공진주파수가 있습니다. 산란점은 표적물에 존재하는 고 에너지 방출점이며, 공진주파수는 표적물의물리적인 크기에 의해 정해지는 고유한 값입니다. 공진주파수는 상대적으로 작은 에너지를 가지고 있으므로 잡음에 매우 민감합니다. 산란점은 상대적으로 큰 에너지를 가지고 있으므로 잡음에는 강한 반면, 각도에 따라서 그 위치와 크기가 변하므로 많은 저장공간을 필요로 합니다. 본인의 연구는 이러한 산란점과 고유주파수를 더욱 정확하게 추출할 뿐만 아니라, 잡음에도 강건한 새로운 기법을 개발하는 것입니다. 먼저, 저는 더욱 정확한 1차원 및 2차원 산란점 추출을 위해서 Evolutionary programming (EP)을 이용한 CLEAN 알고리즘 (EP-based CLEAN)을 개발하였습니다. EP-based CLEAN 기법은 원하는 개수의 산란점을 가장 큰 에너지를 가지는 것부터 차례대로 추출해 내는 방법입니다. 이러한 EP-based CLEAN 기법은 기존의 산란점 추출기법에 비해서 여러가지 장점을 가지고 있습니다. 먼저, 잡음에 강건한 성질을 가지고 있으며, 1 Fbin안에 위치한 산란점들을 구분해 낼 수 있는 해상도를 가지고 있습니다. 둘째, 추출된 파라미터값들이 기존의 CLEAN기법에 비해 매우 정확합니다. 본논문에서는 개발한 알고리즘을 이용하여 포항공대 compact range에서 측정한 데이타에 적용해 보았습니다. 또한, 개발된 새로운 알고리즘의 우수성을 검증하기 위해서 기존의 다른 방법들과 표적인식 성능을 비교해 보았습니다. Multilayer perceptron neural network을 이용한 4개의 서로 다른 표적물에 대한 구분결과로부터 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 Prony 방법이나 FFT-based CLEAN방법보다 더 나은 성능을 보임을 알수 있었습니다. 또한 2차원 산란점 추출에 있어서 도 IFFT를 이용한 ISAR 영상, 2-D MEMP (Matrix Enhancement Matrix Pencil) 방법과 본인의 알고리즘을 비교하여 보았습니다.본인의 알고리즘은 기존의 방법과는 달리 직교좌표계가 아닌 극좌표계에서 구현되는 알고리즘입니다. 또한, 2-D MEMP방법과는 달리 산란점의 갯수를 잘못 예측하더라도 추출한 파라미터값의 정확도에는 영향을 받지 않습니다. 본 논문에서는 여러가지 실험을통하여 본인의 알고리즘이 2차원 산란점 추출에서도 뛰어난 성능을 가짐을 보여주었습니다. 고유주파수는 표적물을 구분하기 위한 또 하나의 특성벡터입니다. 일반적으로 고유주파수는 표적물이 정해지면 각도에 상관없이 그 값이 일정합니다. 따라서, 산란점을 이용한 구분방법보다 간단하며 저장공간도 감소하는 장점을 가지고 있습니다. 하지만, 레이다 신호에 있어서 후기 응답신호는 초기 응답신호보다 그 에너지가 훨씬 작으므로,잡음에 민감합니다. 따라서, 훌륭한 고유주파수 추출법은 잡음에 강건해야하며 또한 고유주파수의 갯수를 몰라도 추출이 가능해야 합니다. 왜냐하면 고유주파수의 갯수는 일반적으로 미리 알수없기 때문입니다. 후기 응답에서의 EP-based CLEAN 알고리즘은 위의 두가지 성질을 만족합니다. 우리는 이러한 특성을 보여주기 위해서 기존의 Prony 방법과 E-pulse 방법을 제안한 알고리즘과 비교해 보았습니다. 다음으로, 저는 초기 응답과 후기 응답신호를 구분하지 않고 동시에 적용할수 있는 일반화된 EP-based CLEAN 방법을 제안하였습니다. 일반화된 EP-based CLEAN 알고리즘을 이용하면 한번의 신호처리를 통하여 산란점과 고유주파수를 동시에 추출할 수 있습니다. 위에서 제안하는 방법들은 앞으로 표적인식기법의 구분성능 향상에 매우 유용하게쓰일 것이라 생각합니다. 마지막으로 본 논문에서는 시간-주파수 영역의 EP-based CLEAN 알고리즘을 이용하여 움직이는 물체에 대한 이동보상기법을 제시하였습니다. 시간-주파수 영역의 EP-based CLEAN 알고리즘을 이용한 ISAR 영상기법은 기존의 Adaptive wavelet transform (AWT)기법을 이용하는 방법보다 계산시간은 다소 많이 걸리지만, 더욱 향상된 영상을 얻을수가 있습니다. 앞으로 컴퓨터 기술이 더욱 발전하여 계산시간을 단축시킬 수만 있다면, 본인의 알고리즘은 레이다 신호처리 분야에 아주 유용하게 사용되어 질 것이라 생각됩니다. 하지만, 여전히 해결해야 할 숙제도 가지고 있습니다. 즉, 해상도가 1차원에서 0.5 Fbin으로 제안되는 문제점과 계산시간이 많이 걸리는 문제점, 본 논문에서 사용한 undapmed exponential model이나 damped exponential model보다 더욱 정확한 모델로 알려진 GTD(Geometrical Theory of Diffraction)모델을 이용한 방법의 개발등은 앞으로 계속 연구가 진행되어야 할 것입니다. When a radar target is illuminated by a short-duration electromagnetic (EM) field, the transient response has an early-time response and a late-time response. The early-time response occurs while the field passes across the target, so provides useful information for the local features (scattering centers) on the target. After the field has completely traversed the target, the late-time response which is related to the global features (natural resonance frequencies) of the target begins to appear. Because the selection of proper feature vectors is crucial to the success of target identification it is recommended that feature vectors contain information on early-time scattering centers and late-time natural frequencies simultaneously. In this dissertation, we propose a novel method for scattering centers and complex natural resonance (CNR) frequencies extraction. One-dimensional (1-D) and two-dimensional (2-D) scattering centers have been used as important features for automatic target recognition (ATR). There-fore, many researchers have developed various scattering center extraction techniques. The well-known techniques are model-based methods and a FFT (fast Fourier transform)-based CLEAN method. The model-based method has a high resolution, but is not robust to random noise. The FFT-based method has robustness, but does not have high resolution. In this dissertation, we pro-pose a novel method, called evolutionary programming (EP)-based CLEAN, which has high resolution and robustness at the same time. The 1-D and 2-D EP-based CLEAN use the 1-D and 2-D undamped exponential models and EP for an optimization of cost function. The EP-based CLEAN algorithm has many advantages compared to conventional methods. First, it takes advantage of the FFT-based CLEAN method and model-based methods simultaneously. Second, it is very fast compared to the genetic algorithm (GA)-based method since it extracts the parameters of each scattering center step-by-step. Third, false estimation of the number of scattering centers does not affect the accuracy of parameter extraction, as does the model-based methods. Fourth, the extracted parameters of the scattering centers are very accurate since they do not have a bias, as is the case with the model-based methods. Fifth, it does not require transforming of the coordinates of the measured data from polar to Cartesian in 2-D scattering center extraction. For the verification of the proposed algorithm, we use synthesized data composed of several ideal point scatterers and measured data at the compact range of Pohang University of Science and Technology (POSTECH). We will show the high-resolution characteristic and the robustness to random noise through simulations. We will also show the accuracy of extracted parameters compared with the matrix enhancement and matrix pencil (MEMP) method, a high-resolution method. The natural frequencies are also used as efficient features for radar target recognition. For natural frequency extraction, we use a late-time EP-based CLEAN which is a time-domain CLEAN algorithm. The late-time response has small energy compared to the early-time response. Therefore, a good resonance frequency extraction method must be robust to random noise and insensitive to the estimation of model order. Our algorithm meets these requirements. We will show these characteristics using the synthetic data and measured data at the Michigan State University arch range. Finally, we performed a motion compensation using time-frequency EP-based CLEAN. When a target has a complex rotational and translational motion, the radar image by using IFFT can be blurred. The inverse sythetic aperture radar (ISAR) image contains the information of a two-dimensional distribution of scattering centers. Therefore, the motion compensation is needed for obtaining a cleaned ISAR image. Time-frequency motion compensation replacec the Fourier transform with the time-frequency transform. In this dissertation, we use the time-frequency EP-based CLEAN algorithm which is more accurate than the conventional adaptive wavelet transform (AWT). We used the simulated MIG-25 data for the verification of our algorithm.

An ontology model and reasoner to build an autonomic system for U-Health smart home

김진 포항공과대학교 정보통신대학원 2010 국내석사

과학 기술이 발전하고 컴퓨터가 사람의 생활에 필수적인 요소로 들어오게 된 이후, 그 활용에 대한 연구가 끊임없이 진행되어왔다. 그 중, 건강한 삶을 영위하고자 하는 사람들을 도와주기 위한 연구들이 진행되어왔다. 왜냐하면 나이가 들어가면서 건강을 지키고 질병에 걸리지 않는 데 많은 노력을 아끼지 않기 때문이다. 이런 건강에 대한 우려에 대해 스마트 홈 시스템이 그 대한으로 제시될 수 있다. 하지만 효율적이고 지능적인 스마트 홈 시스템을 구축하기 위해서는 많은 고려할 점이 존재한다. 나이든 사람들이 지닐 수 있는 질병의 다양성과, 질병에 의한 진단의 복잡함에 따른 어려움, 스마트 홈 내부에 존재하는 다양한 종류의 기기들에 대한 관리와 네트워킹 등, 많은 문제점들이 풀어야 할 문제로 제기되고 있다. 본 연구는 포항공대 U-health 스마트 홈 프로젝트의 일부분으로써, 앞서 언급한 문제들을 해결할 수 있는 시스템 구축의 초기 단계의 수행결과이다. 연구의 목적은 시멘틱 웹 기술들을 이용하며 구축한 온톨로지와 리즈너를 만드는 것이며, 이는 U-health 스마트 홈을 위한 자율 컴퓨팅 환경 구축의 기본이 되는 것이다. 스마트 홈에 관련한 많은 온톨로지들이 이미 구현이 되어있지만, 해당 온톨로지에 대한 정당성과 타당성을 언급하기는 어렵다. 온톨로지 구현의 목적은 해당 시스템에 최적화되어 만들어지기 때문이다. 이러한 이유로 본 연구에서 제안하는 모델은 이와 같은 단점을 극복하고 모델에 합리성을 부가하기 위해 국제 표준인 CIM 모델을 변형하여 구축함으로써 스마트 홈 내부에 있는 다양한 기기들에 대한 관리를 효율적이고 합리적으로 수행할 수 있게 하였고, 추가로 다양한 클래스와 프로퍼티들를 생성함으로써 의사 결정 시스템이 상황을 인지하여 정확한 결정을 내릴 수 있게 하는 기반을 제공한다. 또한 다양한 SWRL로 작성된 규칙을 제공함으로써 시스템의 영리한 판단을 내릴 수 있고, 정확한 의사 결정을 가능하게 하는 논리적인 의사 결정 흐름을 생성하여 시스템의 동작에 대한 자율화를 가능하게 한다. 기존의 연구들과 구분이 되는 있는 점은 다양한 분야를 위한 온톨로지 모델 구축이라는 것이다. 단순히 상황을 인지하기 위함이 아닌, 인지 후 시스템에 의한 효율적이고 지능적인 의사결정, 스마트 홈 시스템 내부의 기기들에 대한 합리적인 관리가 가능하게 하기 위함이 본 연구에서 제시하는 모델의 목적이기 때문이다. 논문의 구성은 다음과 같다. 1장에서는 문제 상황에 대한 제기와 파악, 연구의 목적이 기술되어 있다. 2장에서는 U-health 스마트 홈에 대한 관련 연구들과 본 연구에서 사용되는 기술이나 개념에 대한 전반적인 정의들이 설명되었고, 연구에서 해당 기술들이 어떻게 사용되면 기존의 연구들과 어떠한 점이 다른 지에 대한 설명이 되었다. 3장에서는 본 연구에서 제안하는 모델이 사용될 스마트 홈을 위한 자율 컴퓨팅 환경에 대한 설명이 기술되었다. 이 자율 컴퓨팅 환경은 분산된 모듈에 의한 프레임워크로 되어 있으며, 각 모듈의 역할과 의사결정에 의해 필요한 흐름에 대해서 설명한다. 4장에서는 제시된 모델의 구현 목표와 방법이 제시되었으며, 본 모델을 이용한 리즈너의 역할과 구현에 대한 방법이 예시와 함께 기술되었다. 또한, 국제 표준인 CIM에 대한 설명과 온톨로지로 사용하기 위해서 사용된 요소와 시멘틱 웹 기술을 사용하기 위한 CIM 요소의 변환방법과 활용에 대한 설명이 되었다. 추가로 의사결정 시스템이 효율적으로 의사결정을 하기 위해 추가적으로 생성된 요소에 대한 설명이 되어 있으며, 의사 결정의 논리적인 흐름에 대한 검증과 모델의 무결성 보장을 위한 리즈너의 설명이 되어있다. 5장에서는 온톨로지 모델과 리즈너의 구현환경과 사용가능한 시나리오가 기술되고, 해당 시나리오를 지지할 수 있는 의사 결정을 위한 SWRL 규칙 생성을 위한 구현 방법이 기술되었다. 마지막 6장에서는 본 논문에 대한 요약과 공헌, 앞으로 개선해야 할 사항이 기술되었다. 본 모델은 U-health 스마트 홈 시스템에서 사용될 모델이기 때문에 해당 시스템이 어떻게 구성이 되어야 할지에 대한 언급과 데이터 흐름에 대한 시퀀스 다이어 그램이 설명되었다. Two primary concerns for our aging society are preserving good health and avoiding disease. A Smart Home system is one possible way to solve this complex problem. However, it is very complex to build a smart home system for several reasons. First, it is hard to track the behavior of elderly people at home, because each person has unique needs and behavior. In addition, it is very difficult for a system to know whether a given behavior is normal or not. Second, medical symptoms are very complex. Current medical treatment uses various disease symptoms to choose one or more appropriate medical specialists. Third, there can be many heterogeneous technologies at home that use different transport protocols, management data, command languages and specifications. These technologies are a mix of standard and proprietary solutions, making it difficult to build a universal system. To solve these problems, this research which is a part of POSTECH U-Health smart home project, was started. This thesis, is the result of the research, makes two significant contributions to the area. The first contribution is general architecture for the U-Health smart home project at POSTECH. The requirements are introduced and proposed in this thesis. The second contribution is a semantic model that can be used by an autonomic system to make intelligent decisions in a smart home environment. To create the appropriate model, various semantic technologies, which use OWL as the programming language, Prot?g? 3.4.2 as a tool for ontology creation and SWRL as a language for reasoning, were used. Furthermore, for reasonable ontology, open standard CIM version 2.22, which is defined and published by DMTF, was used as a framework.

Design and Fabrication of Nanoscale Metal Interconnections for Transparent Deformable Electronic Devices

김동욱 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

As transparent displays and touch screens begin to be introduced to the public, the technology for transparent deformable electronic devices is attracting enormous attention as a next-generation electronic technology. Deformable optoelectronic devices, such as displays, solar cells, touch screens, and smart windows that maintain their functions under mechanical deformations have been developed, and various approaches to transparent deformable electrodes have been studied intensively. Despite these interests, transparent deformable nano- and micro-scale integrated interconnections that are easy to be patterned and positioned are receiving somewhat less attention. Since the most successful and feasible concept leading to deformable devices is linking rigid islands of active device components (transistor, light-emitting devices, photovoltaics, etc.) with deformable interconnections, developing transparent interconnections that can retain good electrical performance under high mechanical strain is highly required. In this work, I designed and fabricated three different types of transparent deformable nanoscale metal interconnections; (i) One-dimensional (1D) metal nanolines which were deposited on the flexible substrates by simple and reliable nanofiber (NF) photolithography, (ii) 1D wavy stretchable single metal NF which were individually positioned by the electrohydrodynamic (EHD) printing and metallized through room-temperature electroless plating, and (iii) Two-dimensional (2D) foldable and stretchable gold (Au) film hybrid electrodes which were composed of the anisotropic conductive ultrathin films (ACUFs) and the ultrathin Au film electrodes. These fabricated metal interconnections were not only electrically deformable but also optically transparent due to their nanoscale dimensions, and were able to be individually positioned and patterned in desired positions, shapes, and alignments. Also, all three deformable interconnections are fabricated by low-temperature processes and can easily expanded to large-scale production. The fabricated nanoscale metal interconnections were used as the interconnecting electrodes in the transparent and deformable field-effect transistors (FETs) array and the transparent electrodes of the deformable light-emitting devices.

Characterization of phospholipase C-β1 subtypes : Phospholipase c-β1 subtypes의 특성규명에 대한 연구

Park, Young Gil 포항공과대학교 대학원 1995 국내박사

Study on Metal-Ceramic Composite and Bonding using Powder Injection Molding Technology

갈창우 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

Multi-material components have an economic advantage as well as allowing the combination of properties of two materials compared to single material components. Therefore, the need for dissimilar materials bonding is more increasing. In the recent industry, small and complex-shaped multifunctional components have been increasingly demanded. Thus, in an effort to achieve these needs, metal/ceramic bonding using powder injection molding technology was studied in this thesis. Here, mixtures of metal and ceramic powder were also introduced to present the enhancement of bonding. In this regard, powder injection molding of metal/ceramic composite was first investigated by examining the properties of each material on the entire PIM process. The feedstocks and composites showed their unique characteristics, and no particular trend was observed with vol% of ceramic powder. As a result, the metal/ceramic composites can be applied to the parts with the required properties. Thereafter, the systematic experimental study for metal/ceramic bonding was established. In each PIM process, the factors that make the bonding difficult, and solutions were addressed in detail. Based on the optimized process, 17-4PH SS/3MYSZ bonding and 17-4PH SS/composite bonding were accomplished. After that, for 17-4PH SS/3MYSZ bonding, the interlock of two materials and interdiffusion of Cr and Zr at the interface were confirmed as the main mechanisms. In 17-4PH SS/composite bonding, it was the crucial reason to combine 17-4PH SS particles and 17-4PH SS particles in the composite. With the established process, 17-4PH SS/3MYSZ surgical forceps were successfully fabricated as a new application. It achieved the desired performance showing that no damage from the zirconia side at tissues. In addition, a finite element analysis platform was built for co-sintering simulation. The experiment and simulation results agreed well. Therefore, it can be utilized to determine the co-sintering temperature and optimal heating cycle to minimize the time-consuming sintering experiment.

강력하고 선택적인 인공 결합 쌍을 이용한 생체 이미징

김성완 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

Supramolecular chemistry has contributed significantly to the development of bioimaging tools for the visualization of locations and behavior of biomolecules. For example, protein-based noncovalent tool anchors a functionality to the other materials, providing new functional materials and tools for bioapplications, however; its large size (> 100 kDa), enzymatic degradation and difficulty in chemical modifications limit their uses for broad applications. Although synthetic binding pair systems can be alternatives for noncovalent anchoring because they are typically small (~ 1 kDa), chemically tractable and scalable, and resistant to enzymatic degradation, they have an intrinsic limitation for in vivo applications because of their low binding affinity (K < 104 M-1) in physiological environments. Cucurbit[n]urils (CB[n], n = 5-8, 10, 13-15), a family of synthetic receptors, exhibit remarkable guest recognition properties: they bind specific guest molecules with high binding affinity and specificity under physiological conditions and the resulting host-guest complexes are not easily dissociated. While the high-affinity synthetic binding pairs have been exploited for various biological applications, their applications in in vivo bioimaging have not been studied much. This thesis describes how the high–affinity synthetic binding pairs can be used for bioimaging in live animals. Chapter 2 describes the use of CB[6]-based polymer nanocapsules (CB[6]PNs) as an in vivo multimodal bioimaging platform. The surface of CB[6]PNs was easily functionalized with various spermidine (spmd)-conjugated functional tags (spmd-tags) for multimodalities in a non-covalent and modular manner by simple mixing of spmd-tags with CB[6]PNs. Dye-release assays using a dialysis method revealed the anchoring stability of spmd-tags to CB[6]PNs under serum condition, proving its suitability for bioimaging. Treatment of CB[6]PNs with Cyanine7 (Cy7)-spmd, 64Cu-labeled 1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-trisacetic acid (NOTA)-spmd or Arginylglycylaspartic acid (RGD)-spmd for near infra-red (NIR), positron emission tomography (PET), or cancer targeting, respectively, produced materials for multimodal imaging. CB[6]PNs with three different modalities showed successful cancer-targeted multimodal imaging of tumors in cancer-bearing mice, demonstrating the potential use of strong and stable CB[6]-spmd binding pair as a platform for in vivo bioimaging. Chapter 3 describes the development of supramolecular tools for molecular recognition in in vitro & in vivo environments using CB[7] conjugated Erbitux (Erbitux-CB[7]) and Cyanine 5 conjugated adamantylammonium (Cy5-AdA). For active localization of CB[7] units on a cancer site, monocarboxylic acid-hexaethylene glycol-CB[7] was conjugated to Erbitux to afford Erbitux-CB[7]. Cy5-AdA was synthesized for tracking the occurrence of host-guest interaction through fluorescence signals. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) and flow cytometry revealed that Erbitux-CB[7] retains its cancer-targeting ability after the conjugation. Supramolecular latching of Cy5-AdA to Erbitux-CB[7] on the cancer cells analyzed by CLSM and flow cytometry additionally supports not only conjugation of CB[7] units on Erbitux again, but also accessibility of the portal of CB[7] units on Erbitux to AdA using ultrastable and bioorthogonal host-guest chemistry under in vitro environment. In in vivo assessments with cancer-bearing mice, only the mouse pretreated with Erbitux-CB[7] showed selective accumulation of Cy5-AdA on the cancer site after intravenous injection of Cy5-AdA. It demonstrates that Cy5-AdA can be noncovalently anchored on Erbitux-CB[7] that is prelocalized in a cancer site in a live mouse. These findings may further provide insight into the development of new chemical, biological tools, and medical therapeutic systems for live animals. Chapter 4 describes our efforts to develop an efficient in vivo immuno-pretargeted PET imaging system via high binding affinity, specificity, and small size of CB[7]-AdA pairs. For efficient binding of 18F-labeled AdA to Erbitux-CB[7] prelocalized in the tumor site, three AdA-containing materials were synthesized. CB[7]-AdA pairs are anticipated to show great potential in fast and precise cancer-targeted PET imaging through both its rapid kinetics and bio-orthogonality in in vivo environments. These supramolecular tools could be a good candidate for the development of in vivo immuno-pretargeted PET imaging system that can reduce radiation exposure, and broaden the scope of supramolecular chemistry into practical applications. 생체 이미징은 비외과적인 방법으로 생체 과정들을 실시간으로 볼 수 있는 방법이다. 정확하고 효율적인 생체 이미징을 하기 위해서 여러 물질들을 이용하고 있다. 초분자는 두 개 이상의 분자를 비공유결합으로 결합하여 만든 또 다른 분자 (특정한 구조와 성질을 갖는 분자의 집합체)를 말한다. 최근, 초분자 화학의 중요한 핵심 개념인 분자 인식과 자기 조립 원리를 이용하여, 목적에 맞는 화학적 물리적 성질을 가지는 기능성 나노 재료를 구현하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 쿠커비투[n]릴 (cucurbit[n]uril, CB[n])은 반복단위체인 글리콜우릴로 형성된 거대 고리분자로, 소수성을 지닌 동공내부와 부분적으로 음전하를 띄는 입구를 가지고 있어, 소수성 상호작용과 쌍극자 이온상호작용을 통해 방향족 아민이나 알킬아민 화합물을 선택적으로 인지하고 동공 내부에 담지 할 수 있다. 이렇게 특정 손님 분자와 특이적 상호작용이 가능한 인공 수용체로 많은 관심을 받고 있으나, 유기 용매에서의 낮은 용해도와 추가적인 화학 작용기 도입의 어려움으로, 그 용도가 제한적이었다. 그러나 최근 CB[n]에 다양한 작용기 리간드를 도입하는 기술 개발로 용해도 문제를 극복했을 뿐만 아니라, CB[n] 유도체를 이용한 다양한 응용이 가능하게 되었다. 본 연구단은 12개의 알릴기가 도입된 CB[6]를 합성하였고, dithiol과 광축합 반응을 통해 고분자 나노캡슐을 성공적으로 합성하였다. 고분자 나노캡슐은 표면이 CB[6]로 되어있어, 손님 분자를 이용한 손쉬운 표면 개질로 다양한 생의료분야에 적용 가능성을 보였다. 또한, 동족체 중 하나인 CB[7]은 아민기가 도입된 아다만텐 유도체와 매우 강한 상호 작용을 보이며, 그 결합력이 자연계에서 가장 강한 비공유 결합으로 알려진 단백질 결합 쌍, 스트렙타아비딘-바이오틴 결합력 (K ~ 1015 M-1)에 상응하는 강력한 결합력을 보여준다. 강력하고 선택적인 주인-손님 결합의 장점을 이용하면 새로운 분자 인식 도구로 사용가능할 것이라 예상된다. 본 논문에서는 강력하고 선택적인 인공 결합 쌍을 이용한 생체 이미징에 대해 보고하고자 한다.