인공시각기관 모형을 위한 생체분자막과 인공신경망으로 구성된 색채인식기능의 생물전자소자 개발 서강대학교 화학공학과 최 정우

연구 개발 목표 생체기관의 기능을 모방한 인공감각기관 개발 시각계의 색채인식기능 구현을 위한 생물분자로 구성된 생물전자소자 시각기관/신경세포/뇌의 정보전달 및 처리기능을 모방한 생물전자소자 개발

현기술상태의 취약성 제안된 감광기능의 생물전자소자 생체분자의 박막화 기술 부족 생물전자소자 구성기술 부족 하드웨어(생물전자소자)와 소프트웨어(신경망)의 인터페이스 기술의 미비 제안된 감광기능의 생물전자소자 감광단백질과 감광유기분자 이용 가시광선 영역의 광원에 대한 광전류 응답특성 파장대에 따른 각 분자의 응답신호 특성 차별화 인공신경망과 결합시켜 색채인식을 위한 기초적인 시각기능 실현

화상정보전달 체계 + 안구 (광신호 감지) 신경세포 (정보전달) 뇌 (형상/색채 인식) 감광기능의 생물전자소자 정보전달/추출을 위한 인공신경망 색채인식기능의 생물전자소자 +

제안된 생물전자소자의 색채인식 원리 B G R 광전류 제안된 감광소자의 예상 응답 파장대 flavin의 응답 파장대 bR/flavin bR Light ON Light OFF Light ON Light OFF Light ON Light OFF 시간 광전류 광전류 제안된 감광소자의 예상 응답 파장대 B G R flavin의 응답 파장대 bR의 응답 파장대 400 500 600 700 파장 (nm)

색채인식기능 검증 bR/flavin광응답 신호 인공신경망을 이용한 광응답 신호 (정보) 처리 출력 : 색채 or 3 10 11 12 1 2 4 6 5 7 8 9 or bR/flavin광응답 신호 인공신경망을 이용한 광응답 신호 (정보) 처리 출력 : 색채 1. 광원; 2. 광학필터; 3. Shield box; 4. 인공감광소자; 5. Glass; 6. ITO;7. bR LB막; 8. Flavin LB막; 9. 기준전극; 10. Low-Noise Current Preamplifier; 11. Amplifier; 12. Oscilloscope 색채인식기능 검증

1차년도 연구내용 가시광선 영역에 대해 광전특성을 지닌 생체분자의 선택 - Bacteriorhodopsin(bR), Flavin 선택된 생체분자(flavin)의 합성 - 생체분자막 제작을 위한 flavin 유도체 합성 - 합성된 flavin의 분광학적 특성 검증 생체분자의 박막제조 공정 확립 - LB 기법 (또는 SA 기법) 적용 - 박막제조를 위한 공정변수 선택 (pH, 농도, 누적압력 등) - 공정변수에 따른 박막의 누적형태 및 박막특성 분석 - SPM(Scanning Probe Microscope)을 이용한 박막표면 특성 분석 : 최적조건 확립

생체분자의 구조 (Bacteriorhodopsin) 7 helix bundle cytoplasmic side lys 216 extracellular side retinal A C D E F G - 빛 에너지를 전환시킬 수 있는 단백질 - Halobacterium salinarium의 세포막에 존재하는 막단백질 - 양자수율이 매우 높음 - 가시광선 영역의 빛에 대해 반응함 (최대흡수 파장 : 568 nm 부근)

생체분자의 구조 (Flavin) - 빛 에너지를 전환시킬 수 있는 유기분자 - 빛 에너지를 전환시킬 수 있는 유기분자 - Flavin mononucleotide(FMN)의 구성성분 - 가시광선과 자외선 영역의 빛에 대해 반응함 (최대흡수 파장 : 450 nm 부근) R : Saturated alkane (or Carboxylic acid-terminated alkane)

Flavin의 합성 Flavin (7,8-dimethyl-10-dodecyl isoalloxazine)

Flavin의 1H NMR Spectra

Flavin의 Elemental analysis 결과 원소 이론치 실험치 C 70.21 % 69.30 % H 8.35 % 8.14 % N 13.65 % 13.51 %

생체분자의 UV/VIS absorption spectra Bacteriorhodopsin Flavin

연구진도 (계획 대 진행상황 대비) 추진일정 연구내용 1 2 3 4 5 6 7 8 9 국내외 관련자료 분석 1 2 3 4 5 6 7 8 9 국내외 관련자료 분석 Flavin 유도체 합성 Bacteriorhodopsin과 flavin의 분광학적 특성 검증 Bacteriorhodopsin과 flavin의 LB막 제작 LB막의 흡광특성 및 표면특성 분석 1차 중간 보고서 연구계획 진행상황

향후 연구진행 계획 생체분자의 박막제조 공정 확립 - LB 기법 (또는 SA 기법) 적용 - 박막제조를 위한 공정변수 선택 (pH, 농도, 누적압력 등) - 공정변수에 따른 박막의 누적형태 및 박막특성 분석 - SPM(Scanning Probe Microscope)을 이용한 박막표면 특성 분석

Langmuir-Blodgett(LB) Film 제작과정 movable barrier Subphase Dipper Substrate LB trough Syringe compress upstroke downstroke Spreading Compressing

생체분자박막의 구조 (Bacteriorhodopsin) Cytoplasmic side B Extracellular side Bacteriorhodopsin embedded purple membrane Cytoplasmic side Extracellular side ITO Glass

생체분자박막의 구조 (Flavin) Hydrophobic (tail) group Hydrophilic (head) group ITO Glass

연구평가의 착안점 및 척도 구 분 평가의 착안점 및 척도 - 생체분자의 특성분석 / 유기분자의 합성 구 분 평가의 착안점 및 척도 1차년도 (1998.11~1999.7) - 생체분자의 특성분석 / 유기분자의 합성 - 생체분자의 분광학적 특성 및 박막 특성 - 각 생체박막의 광응답 특성 - 복합박막의 제조 및 가시광선 영역에서의 광응답 특성 2차년도 (1999.8~2000.7) 최종평가 (2000.8~2001.7) -제작된 생물전자소자의 파장대별 광(색채) 인식 기능

인공시각기관 구현을 위한 향후 연구 및 응용 방향 색채인식기능의 생물전자소자 개발 반복(적응)학습을 통한 인공시신경망 구성 인터페이스 시스템 구성 및 신호추출에 대한 DB 구축 응용기술의 연계/확장을 통해 정보처리가 동시에 수행되는 인공시각기관 개발 생체분자의 선택, 합성 및 치환 가시광선 영역의 분광학적 특성 분석 광원에 대한 생체분자 박막 공정 개발 광응답 특성 측정 복합 박막의 광전특성 검증 생물전자소자의 설계 및 제작 → 박막제조 공정의 최적화 색채 인식기능 검증 기초적인 인공신경망 구성 인공시각기관 구현을 위한 향후 연구 및 응용 방향