• Proceeding of EDISON Challenge
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• 2014.03a
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• pp.75-88
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• 2014

본 연구에서는 비선형 Poisson-Boltzmann 식의 해를 구할 수 있는 웹 기반 EPBS를 이용하여 이온채널의 전하 분포와 유전률이 이온채널의 이온선택성에 미치는 영향에 대해 알아본다. 모델로 사용한 이온채널은 이온채널과 유사한 구조를 갖는 합성 단백질인 고리형 펩타이드 나노튜브와 자연계에 존재하는 Gramicidin A 이다. 계산 결과로부터 용매인 물과 단백질의 유전율 차이에 의해 이온이 이온채널을 통과할 때 반응장이 생성되며, 이는 이온과 상호작용을 통해 이온 종류에 관계없이 이온 통과를 방해하는 에너지 장벽을 형성함을 알 수 있다. 한편, 두 이온채널 부분 전하, 특히 골격에 존재하는 카르보닐기의 쌍극자 모멘트에 의해 이온채널 내부에는 0 보다 작은 정전기 퍼텐셜이 형성된다. 이온채널 내부의 총 정전기 퍼텐셜은 이온채널의 부분 전하에 의한 정전기 퍼텐셜과 유전률 차이에 의한 반응장의 합으로 나타나며, 계산 결과 0 보다 작은 값을 갖는다. 이로부터 본 연구에서 사용된 두 종류의 이온채널이 양이온에 선택성이 있음을 알 수 있다.

• Proceeding of EDISON Challenge
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• 2017.03a
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• pp.64-74
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• 2017

본 연구에서는 동역학 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법과 Poisson-Nernst-Planck (PNP) 계산 방법을 이용하여 이온채널의 전하분포, 채널 반지름, 그리고 이온의 농도와 이온의 크기가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향과, 이온 간 상관관계 (correlation)가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향을 조사하였다. 이로부터 이온 간 상호작용에 의해 이온 이동에 제약이 가해지는 이온 간 상관관계 효과는 채널 내 이온 수가 증가할수록 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 평균장 이론에 기반한 PNP 이론은 이온 간 상관관계 효과를 적절하게 기술하지 못하며, 이온 간 상관관계 효과가 중요해지는 이온 채널 관련 결맞음 공명 (coherence resonance) 등 특이 현상을 연구하기 위해서는 이온 간 상관관계를 기술할 수 있는 KLGCMC 모의실험 방법이 필요함을 알 수 있었다.

• Proceeding of EDISON Challenge
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• 2016.03a
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• pp.135-139
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• 2016

본 연구에서는 동역학적 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법을 이용하여 모델 이온채널 내에서 KCl과 HCl의 이온 전류를 시간의 함수로 구하였다. KLGCMC 모의실험 계산 결과로부터 이온채널의 양이온 선택성이 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 또한 모의실험 결과를 통해 각 이온의 확산계수가 전류에 미치는 영향을 확인 할 수 있었다. $H^+$ 이온은 농도가 매우 작음에도 확산계수가 커 전체 전류에 큰 영향을 미쳤다. 반면에 확산계수가 작은 $K^+$ 이온은 이온채널 안에서 쉽게 흐르지 못하고 정체 되며, $H^+$ 이온의 전류흐름을 방해하는 것을 확인 할 수 있었고, 이로 인해 이온전류의 패턴이 시간에 따라 변화함을 알 수 있었다.

• Proceeding of EDISON Challenge
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• 2016.03a
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• pp.102-107
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• 2016

본 연구에서는 동역학적 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법을 이용하여 비정상 몰분율 효과 (Anomalous mole fraction effect)에 대해서 알아보고자 하였다. 이를 위해 양이온 선택성을 가진 이온채널 모델에서 $NH_4{^+}$와 $Rb^+$의 혼합물에 대하여 몰분율의 변화에 따른 이온전도도를 KLGCMC 모의실험을 이용하여 계산하고, 이를 평균장 이론인 Poisson-Nernst-Planck (PNP)의 결과와 비교해 봄으로써 비정상 몰분율 효과에 대하여 심도 있게 이해하고자 하였다. 본 연구 결과로부터 비정상 몰분율 효과는 이온채널의 이온 선택성에 의해서 발생함을 확인할 수 있었다. 즉, 두 종류 이상의 이온들이 채널 내부로 이동할 때, 이온채널의 이온 선택성에 의해서 각 이온들과 채널 간에 서로 상이한 상호작용을 하게 되고, 이로 인해서 이온 혼합물 조성의 변화, 즉 몰분율의 변화에 대해서 이온 전류가 선형적이 아닌 비선형적으로 변하게 됨을 알 수 있었다.

• Journal of Life Science
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• v.14 no.5
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• pp.882-890
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• 2004

Gap junction is a membrane structure facilitating the direct transmission of several ions and small molecules between two cells. It is also called an 'intercellular channel' to distinguish it from other well-known cellular channels (e.g. sodium and potassium channels). Gap junction channels are not passive conduits, rather the ion channels modulated by several stimuli including pH, calcium ion, voltage, and a chemical modification (mainly known as phosphorylation). Among them, the effects of voltage on the gating of gap junction channels have been well studied. Gap junction channels are more sensitive to the transjunctional potential ($V_j$) between two cells rather than the membrane potential($V_m$) between inside and outside the cell. In this review, I will summarize the general properties of gap junction channel and discuss the gating mechanism for the gap channels.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.245.2-245.2
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• 2014

홀 방식 이온빔 소스는 방전 채널 내부에 중성기체 및 전자를 주입하여 플라즈마를 생성하며, 생성된 이온들은 자기장에 의해 구속된 전자들과 양극이 만드는 전기장에 의해 가속되어 이온 빔을 발생시킨다. 홀 방식 이온빔 소스에는 고리형 소스와 원통형 소스가 있으며, 기하학적 구조 및 자기장 구조가 달라 발생되는 이온전류, 가속효율, 연료효율, 이온화 비율 등 플라즈마 특성이 다르다. 특히, 플라즈마의 이온화 비율은 이온빔 소스의 방전 전류 및 연료효율에 영향을 미치며, 다중전하를 띤 이온의 높은 에너지는 채널벽의 침식 문제를 야기하는 등 이온빔의 전하량 분석 연구는 물리적 연구측면 뿐만 아니라 실용적인 측면에서도 매우 중요하다. 원통형 소스의 경우 연료효율이 100% 이상으로, 이온화 효율이 매우 높아 발생되는 이온의 가속효율도 높게 나타난다. 본 연구에서는, 이를 통해 다중이온을 진단할 수 있는 ExB 탐침을 개발하여, 다중이온의 생성 비율과 연료 효율과의 관계를 살펴보았다. 이온전위지연 탐침과 패러데이 탐침을 이용하여 채널 및 자기장 구조에 따른 전류 분포 및 이온에너지분포를 측정하였으며, 이온 빔의 효율 및 플라즈마 특성을 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.109-109
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• 2017

알지네이트 하이드로 젤은 해조류에서 추출되는 천연 고분자인 알지네이트가 칼슘 또는 마그네슘 양이온과 이온가교(Ioninc cross linking)를 형성할 때 알지네이트의 고분자 구조가 칼슘, 마그네슘 양이온을 감싸면서 형성되는 고분자이다. 알지네이트 하이드로 젤은 높은 생체적합성(Biocompatibility)으로 인해 세포 재생을 위한 조직공학 및 재생의학, 약물전달 등의 제약 관련 분야에 광범위하게 적용될 수 있는 물질로 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 마이크로 플루이딕 칩을 이용하여 알지네이트 튜브를 제조하였다. 먼저 유동 포커싱 방식(flow focussing)을 유도할 수 있는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 마이크로 플루이딕 칩을 제조하였다. 마이크로 플루이딕 칩은 CNC(Computer Numeric Control) milling machine을 이용한 template를 만들고 NOA mold를 이용하여 최종 PDMS 칩을 제작하였다. 튜브를 만들기 위한 마이크로 채널은 내부 채널 ($200{\times}200um$), 중간 채널 ($200{\times}200um$) 및 외부 채널 ($200{\times}200um$)로 구성되며 내부, 중간, 외부의 유체가 합류하는 수집채널은 폭 500 um, 깊이 200 um로 구성되었다. 운반체로는 5%의 acetic acid를 함유한 mineral oil를 이용하였으며 내부의 core flow는 $H_2O$로 하였다. 중간 유체인 2% 알지네이트 프리폴리머는 칼슘 이온의 존재 하에서 젤화 과정이 매우 빠르기 때문에 마이크로 채널 내부에서의 반응을 제어하고 막힘을 방지하기 위해 수용성 복합 칼슘-에틸렌 디아민 테트라 아세트산 (EDTA)을 사용하였다. 본 마이크로 플루이딕 칩에 각각의 유체를 이동시켰을 때, 운반체인 oil phase의 수소이온은 중간 유체인 알지네이트 프리폴리머와의 계면을 통해 확산되어 Ca-EDTA 복합체로부터 칼슘 양이온의 방출을 유발하게 된다. 방출된 칼슘 양이온은 알지네이트 고분자와의 이온 가교를 통해 알지네이트 하이드로 젤을 형성하여, 각 유체의 flow에 따라 알지네이트 튜브를 쉽고 빠르게 제조 가능하였다. 본 연구에서 제조된 알지네이트 튜브는 인체 내 장기간 약물 전달을 위한 나노섬유로 활용하거나 인공혈관을 구성하는 extracellular matrix로 활용될 잠재력을 가지고 있어 추후 활발한 연구개발이 진행될 예정이다.

• Applied Biological Chemistry
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• v.47 no.4
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• pp.390-395
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• 2004

In order to characterize ion channels present in tomato roots, microsomes were incorporated into an artificial lipid bilayer arranged for electrophysiological analysis. Of the five different ion channels that could be found, a channel of 450 pS conductance was found most frequently. This channel displayed subconductance states of 450, 257 and 105 pS. All subconductance states showed linear current-voltage relationships. At positive holding potentials, high frequency of transient channel openings was observed; however, at negative potentials, the open times were long and open probability high. Po was 0.83 at -40 mV. When an additional 50 mM $K^+\;or\;Na^+$ was added to the cis side of bilayer, the reversal potentials shifted in the negative direction to near -10 mV. Thus, the 450 pS cation channel selects poorly between $K^+\;and\;Na^+$. In the presence of $100\;{\mu}M$ metal ions, the channel activity was severely inhibited by $La^{3+},\;Ba^{2+},\;and\;Zn^{2+}$, and Po was decreased to 0.2 or even less. However, $Al^{3+}\;and\;Cd^{2+}$ decreased the activity by only 20%. Interestingly, each metal ion showed different kinetics of channel inhibition. While $500\;{\mu}M\;La^{3+}$ inhibited the activities of all subconductance state, 1 mM $Zn^{2+}$ inhibited all except the 105 pS state. $Cd^{2+}$ changed the gating of the channel from a long-opening state to brief transient openings even at negative holding potentials. These data represent that the metal ions may have different binding sites on the channel protein and could be useful modulators and probes to investigate structural characteristics as well as the functional roles of the 450 pS channel on the root physiology.

• Transactions of the KSME C: Technology and Education
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• v.3 no.4
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• pp.249-255
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• 2015

Functional nanochannels were fabricated in order to control selective ion transportation with high permeability and low energy consumption. In this research, nanochannel platform fabrication process and surface functionalization process were developed. In addition, selective ion transportation and concentration measurement system was also set-up. By using fabricated multilayer metal membrane with electrical bias, 95% of ion ($Cl^-$) was blocked. This developed process is new-conceptional membrane fabrication technology and is expected to be applied to next-generation water purification/desalination, portable artifical kidney, and artificial sense organ.

• Journal of Life Science
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• v.17 no.11
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• pp.1517-1522
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• 2007

Gap junction channels formed by two adjacent cells allow the passage of small molecules up to ${\sim}\;1\;kDa$ between them. Hemichannel (connexon or half of gap junction) also behaves as a membrane channel like sodium or potassium channels in a single cell membrane. Among 26 types of connexin (Cx), $Cx32^*43E1$ (a chimera in which the first extracellular loop of Cx32 has been replaced with that of Cx43), Cx38, Cx46, and Cx50 form functional hemichannels as well as gap junction channels. Although it is known that Xenopus oocytes express endogenous connexin 38 (Cx38), its biophysical characteristics at single channel level are poorly understood. In this study, we performed single channel recordings from single Xenopus oocytes to acquire the biophysical properties of Cx38 including voltage-dependent gating and permeation (conductance and selectivity). The voltage-dependent fast and slow gatings of Cx38 hemichannel are distinct. Fast gating events occur at positive potentials and their open probabilities are low. In contrast, slow gatings dominate at negative potentials with high open probabilites. Based on hi-ionic experiments, Cx38 hemichannel is anion-selective. It will be interesting to test whether charged amino acid residues in the amino terminus of Cx38 are responsible for voltage gatings and permeation.