KR101106244B1 - 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법 - Google Patents

3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전압 발생기를 통해 실린지의 모세관 팁과 핀 형상의 집전 그라운드 사이에 전압을 인가하여 전기장을 형성하고, 모세관 팁의 말단에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯을 핀의 끝단 상에 수집 및 적층하여 3차원 나노 구조물을 형성한다. 본 발명에 의하면, 기존의 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복하여 3차원 나노 구조물을 형성할 수 있다.
전기 방사, 3차원, 나노 구조물, 폴리머

Description

3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법{ ELECTROSPINNING DEVICE AND METHOD FOR FORMING THREE DIMENSIONAL NANO STRUCTURE }
본 발명은 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핀 형상의 그라운드를 통해 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복한 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법에 관한 것이다.
1960년대 반도체 칩 가공 기술인 리소그래피(Lithography)와 마이크로 가공 기술의 결합으로 시작된 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정은 콤 드라이버(Comb Driver), 자이로스코프(Gyroscope), DMD(Digital Micro-mirror Device) 등 혁신적인 제품들의 개발의 모태가 되었으며, 기계, 화학, 광전 등 다양한 분야에서 초소형 장치를 만드는 기술로 각광을 받고 있다.
MEMS 공정의 장점은 나노미터 스케일까지 정밀하게 가공을 할 수 있다는 것과 공정에서 주형 역할을 하는 마스크를 한번만 만들면 대량 생산이 용이하다는 것이다.
그러나 MEMS 공정은 금속 외의 재료는 가공이 쉽지 않다는 점, 가공을 위해서 복잡한 공정을 거쳐야 한다는 점, 그리고 재료들의 층(Layer)을 쌓고 깎으면서 공정이 진행되기 때문에 자유로운 삼차원 가공이 힘들다는 점 등에서 한계 및 약점이 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 재료를 식각하여 원하는 구조물을 만드는 방식이 아닌, 나노 스케일의 재료를 결합함으로서 구조물을 만드는 방식에 관심을 갖기 시작하였다.
즉, MEMS 공정과 같이 어떤 재료를 나노미터 스케일로 깎아 가며 공정이 진행되는 탑 다운(Top-Down) 방식이 아닌, 나노미터 스케일의 재료를 쌓아 올리면서 구조물을 만드는 바텀 업(Bottom-Up) 방식을 사용하는 공정에 눈을 돌리기 시작하였다.
여기서, 나노 구조물을 만드는 재료로는 전기 방사법(Electrospining)을 통해 뽑아낸 폴리머 나노젯이 사용될 수 있다. 이때 전기 방사법은 폴리머 액적(Polymer Droplet)에 강한 전기장을 걸어줌으로서 나노 스케일의 폴리머 젯(Polymer Jet)을 얻는 공정을 말한다.
도 1은 전기 방사법을 통해 폴리머 나노젯을 뽑아내는 상태를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 폴리머 액적(Polymer Droplet)에 강한 전기장을 걸어주면, 액체 내의 분극 현상으로 인해 액체 내 분자들 사이에 서로를 밀어내는 척력이 발생하고, 결국에는 액적의 끝에서 가느다란 굵기의 폴리머 실이 뽑아지게 된다. 도 1에서, 폴리머 나노젯의 직경은 100nm 정도의 크기를 갖는다.
이러한 전기 방사법에 의하면 지름 1㎛ 이하의 가는 섬유를 손쉽게 얻을 수 있으므로, 전기 방사법은 필터, 약물 전달, 보호복 재질, 세포 증식 등 작은 스케일의 섬유가 필요한 분야에서 새롭게 주목받고 있는 기술이다.
최근 연구 동향을 살펴보면, 생체 공학 분야에서의 응용이 눈에 띄는데, 전기 방사로 얻을 수 있는 섬유의 굵기가 체세포가 성장하는 주위의 환경과 유사한 길이 스케일이기 때문이다.
이러한 성질을 이용하여 생체 공학 분야에서는 체세포의 증식을 위한 환경을 만드는데 전기 방사법으로 만든 섬유를 사용하기도 한다. 그러나 현재까지의 연구는 2차원의 평면 조직 위에서 세포를 증식하는데 그치고 있으며, 이는 세포가 자랄 수 있는 한 단면만을 제공하기 때문에 체내 환경을 똑같이 모사하기에는 한계가 있는 구조라고 할 수 있다.
따라서 세포가 성장할 때의 주위 환경을 보다 정밀하게 모사하기 위해, 나노 스케일의 섬유로 만든 3차원 구조물의 필요성이 대두되고 있다. 그러나, 전기 방사법에 의한 폴리머 나노 젯은 자체 내의 불안정성으로 인해 안정적인 공급이 어렵다는 문제점이 있다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 전기 방사로 뽑아낸 섬유는 같은 극성을 가져서 서로 밀어내기 때문에 작은 간섭에도 큰 불안정성을 보이며, 예측할 수 없는 움직임을 보인다. 더구나 이런 불안정성은 폴리머 나노젯이 진행함에 따라 급격하게 증가하며 무질서한 움직임을 보이기 때문에, 3차원의 안정적인 구조물을 형성하는데 큰 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복하여, 안정적인 3차원 나노 구조물을 제작할 수 있는 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치의 실시예는, 폴리머 용액을 담지하며, 상기 폴리머 용액을 폴리머 나노젯의 형태로 전기 방사하는 모세관 팁을 구비한 실린지와, 상기 모세관 팁에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯을 수집하여 3차원 나노 구조물을 형성하는 핀 형상의 집전 그라운드와, 상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이에 전기 방사가 일어나도록 전압을 인가하는 전압 발생기를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 집전 그라운드는, 원추 또는 다각뿔의 핀 형상으로 이루어지며, 상기 핀의 말단은 상기 전기 방사되는 폴리머 나노젯이 적층될 수 있도록 평평한 면을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 나노젯은, 상기 핀의 말단에서 코일(Coil)을 형성하며 적 층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이의 거리는 1mm ~ 10mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이에 인가되는 전압은 0.7KV ~ 3KV 인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법의 실시예는, 전압 발생기를 통해 실린지의 모세관 팁과 핀 형상의 집전 그라운드 사이에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 단계와, 상기 모세관 팁의 말단에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯을 상기 핀의 끝단 상에 수집하는 단계와, 상기 핀의 끝단 상에서 상기 폴리머 나노젯을 적층하여 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계는, 상기 핀의 끝단 상에 상기 폴리머 나노젯을 코일링(Coiling)하여 적층하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 핀 형태의 그라운드를 이용하여 전기장의 방향을 한 방향으로 집중시킴으로써, 전기 방사법에 의한 폴리머 나노젯의 불안정성을 극복할 수 있으며, 이를 통해 안정적인 3차원 나노 구조물을 만들 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면 기존의 2차원에만 국한되어 있던 전기 방사의 활용 방안을 3차원으로 확장시킬 수 있으며, 구체적으로 3차원 나노 구조물을 통해 실제 세포가 자라나는 체내 상태에 대한 정밀 모사가 가능해져 생체 공학 분야에서 다양한 응용이 가능해진다.
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치 및 방법의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 3은 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장 치(100)는 실린지 펌프(Syringe Pump)(110), 실린지(Syringe)(120), 집전 그라운드(130) 및 전압 발생기(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 실린지 펌프(110)는 실린지(120) 내의 폴리머 용액(170)의 유량을 정밀하게 제어한다. 즉, 상기 실린지 펌프(110)는 실린지(120) 내의 압력을 정밀하게 조절하여, 상기 실린지(120) 말단의 모세관 팁(127)에 폴리머 액적(Polymer Droplet)이 맺혀지도록 한다.
상기 실린지(120)는 상기 폴리머 용액(170)을 담는 용기부(124)와, 상기 용기부(124)의 말단에 형성되고, 상기 폴리머 용액(170)이 전기 방사되는 모세관 팁(Capillary Tip)(127)을 포함하여 이루어진다. 상기 모세관 팁(127)의 말단에는 반구 형상의 폴리머 액적이 맺히게 된다.
여기서, 폴리머로는 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐리덴플루오로-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리아닐린(PANi), 폴리비닐클로라이드(PVDC), 폴리부타디엔(PB), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이소부틸(PIB), 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 그 이외의 다양한 고분자 물질을 사용할 수 있다.
상기 집전 그라운드(130)는 상기 모세관 팁(127)에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯이 수집되는 수거부(Collector)이다. 즉, 상기 모세관 팁(127)에서 전기 방사된 폴리머 나노젯이 상기 집전 그라운드(130)에서 코일 형상으로 적층되어 3차원 나노 구조물을 이루게 된다.
상기 집전 그라운드(130)는 끝이 뾰족한 핀 형상으로 이루어진다. 예를 들어, 상기 집전 그라운드(130)는 원추(원뿔) 또는 다각뿔(삼각뿔, 사각뿔, 오각뿔 등)의 핀 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 핀의 말단은 상기 폴리머 나노젯이 적층될 수 있도록 평평한 면을 갖는다.
본 발명에서는 평판 형상의 그라운드를 사용하는 것이 아니라, 끝이 뾰족한 핀 형상의 그라운드를 사용하는데, 이 경우, 전기장을 한 방향으로 집중시킬 수 있어 불안정한 폴리머 나노젯의 움직임을 제어할 수 있게 된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
여기서, 상기 모세관 팁(127)과 상기 집전 그라운드(130) 사이의 거리는 1mm ~ 10mm 가 되도록 한다. 상기 모세관 팁(127)과 상기 집전 그라운드(130) 사이의 거리가 1mm 이하가 되면, 폴리머 나노젯이 액체에서 고체화되는 시간이 부족하여 코일링(Coiling)이 형성되지 못하고, 마치 꿀이 코일링 되었다가 뭉쳐지는 것과 같은 현상이 발생한다.
그리고, 상기 모세관 팁(127)과 상기 집전 그라운드(130) 사이의 거리가 10mm 이상이 되면, 전기적 벤딩 불안정성(Electrical Bending Instability) 즉, 폴리머 나노젯이 집전 그라운드(130)에 도달하는 동안 불안정하게 떨리면서 휘는 현상이 발생하여 불규칙한 적층이 발생하게 된다. 따라서, 상기 모세관 팁(127)과 상기 집전 그라운드(130) 사이의 거리가 1mm ~ 10mm 가 되도록 조절한다.
상기 전압 발생기(140)는 상기 모세관 팁(127)과 집전 그라운드(130) 사이에 전압을 인가하여 강한 전기장을 발생시킨다.
여기서, 상기 모세관 팁(127) 및 집전 그라운드(130) 사이에 너무 낮은 전압이 인가되는 경우, 상기 모세관 팁(127)에 테일러 콘(Taylor Cone)이 발생하지 않으며, 상기 모세관 팁(127) 및 집전 그라운드(130) 사이에 너무 높은 전압이 인가되는 경우, 멀티 젯(Multi-Jet)이 발생하거나 전자들이 방출되는 방전 현상이 일어나게 된다. 따라서, 상기 전압 발생기(140)를 통해 적정 전압을 상기 모세관 팁(127) 및 집전 그라운드(130) 사이에 인가하여야 한다.
즉, 상기 전압 발생기(140)를 통해 상기 모세관 팁(127)에서 방사되는 폴리머 나노젯이 상기 집전 그라운드(130) 상에서 코일링을 형성하기 위한 적정 전압을 인가하여야 한다. 이때, 상기 코일링 형성을 위한 적정 전압의 범위는 0.7KV ~ 3KV로 할 수 있다.
그런데, 상기 적정 전압은 상기 모세관 팁(127)과 집전 그라운드(130) 사이의 거리에 따라 달라지게 된다. 따라서 전압과 거리의 작용을 동시에 표현할 수 있는 적정 전기장(E=V/m)으로 나타내도록 한다.
이에 의하면, 상기 모세관 팁(127)과 집전 그라운드(130) 사이의 적정 전기장은 앞에서 언급한 전압을 거리로 나누었을 때 300 KV/m ~ 700 KV/m이 된다. 즉, 상기 모세관 팁(127)과 집전 그라운드(130) 사이에 300 KV/m ~ 700 KV/m 에 해당하는 전기장이 발생하였을 때, 코일링을 형성할 수 있게 된다.
상기 전압 발생기(140)를 통해 상기 모세관 팁(127) 및 집전 그라운드(130) 사이에 전압을 인가하면, 전기장이 증가할수록 모세관 팁(127)에 맺혀진 폴리머 액적이 반구형에서 원뿔 형태로 바뀌게 된다.
그리고 전기장이 더 증가하게 되면, 반발력이 표면 장력보다 커지게 되어 상기 모세관 팁(127)에서 얇은 섬유 형태로 폴리머 나노젯이 방사되게 된다. 이때, 폴리머 나노젯이 집전 그라운드(130)를 향하여 진행하는 동안 용매가 증발하게 되고, 폴리머 섬유가 상기 집전 그라운드(130) 상에 코일을 형성하며 적층되게 된다.
본 발명에 의하면, 핀 형상의 집전 그라운드를 통해 전기장의 방향을 한 방향으로 집중시켜, 전기 방사법에 내재된 불안정성을 극복함으로써, 안정적인 3차원 나노 구조물을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 전압 발생기(140)를 통해 모세관 팁(127)과 핀 형상의 집전 그라운드(130) 사이에 적당한 전압을 인가하여 전기장을 형성한다(S 100).
즉, 상기 모세관 팁(127)에 맺혀진 폴리머 액적이 전기 방사되기에 적합한 전기장이 형성되도록, 상기 모세관 팁(127)과 핀 형상의 집전 그라운드(130) 사이에 적당한 전압을 인가한다.
다음으로, 상기 모세관 팁(127)에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯을 상기 핀 형상의 집전 그라운드(130)에 수집한다(S 110).
이를 위해, 상기 모세관 팁(127)과 상기 핀 형상의 집전 그라운드(130) 사이의 거리를 조절하여, 상기 전기 방사되는 폴리머 나노젯의 불안정성을 최소화하여야 한다. 또한, 본 발명에서는 상기 전기 방사되는 폴리머 나노젯의 불안정성을 극 복하기 위해, 핀 형상의 집전 그라운드(130)를 사용하여 전기장이 한 방향으로 형성되도록 유인하였다.
이어서, 상기 집전 그라운드(130)의 핀의 끝단 상에 상기 폴리머 나노젯을 코일링(Coiling)하여 적층시킨다(S 120). 이때, 상기 코일의 버클링(Buckling)을 고려하여, 상기 코일링되는 3차원 나노 구조물의 높이를 설정해야 한다.
도 5는 집전 그라운드의 형태에 따른 전기장의 상태를 나타낸 도면으로 도 5a는 평판 형태의 집전 그라운드를 이용했을 경우의 전기장의 상태를 나타낸 도면이고, 도 5b는 핀 형태의 집전 그라운드를 이용했을 경우의 전기장의 상태를 나타낸 도면이다. 여기서는 전기장 방정식을 사용하여 전기장의 진행 방향을 수치적으로 계산하여 도식화 하였으며, 등전위 영역은 같은 색깔로 표시하였다.
도 5a와 같이 평판 형태의 집전 그라운드를 이용하는 경우, 전기장의 형태가 방사형으로 펼쳐지게 되기 때문에, 폴리머 나노젯 불안정성의 주된 원인이 된다. 즉, 전기장은 등전위선과 직각인 방향으로 진행하기 때문에, 평판을 그라운드로 사용할 경우 전기장이 방사형으로 펼쳐지는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 도 5b와 같이 끝이 뾰족한 핀 형태의 집전 그라운드를 이용하는 경우, 전기장을 한 쪽으로 집중시킬 수 있으며, 따라서 폴리머 나노젯의 불안정성을 극복할 수 있게 된다.
즉, 핀 형태의 그라운드를 이용하는 경우, 전기장이 처음에는 퍼지다가 끝에는 핀의 끝으로 모이는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서는 이와 같이 핀 형태의 집전 그라운드를 이용하여, 폴리머 나노젯이 핀 끝에 모여들게 함으로써 안정적인 3차원 나노 구조물을 만들 수 있다.
기존의 전기 방사법은 나노 섬유 한 가닥을 따로 추출하여 관련 분야에 사용하거나, 평판 위에 무작위로 적층된 구조물을 사용하는데 그치고 있다. 그러나 본 발명에 의하면 기존의 2차원에만 국한되어 있던 전기 방사의 응용 사례를 3차원으로 확장시킬 수 있게 된다.
구체적인 예로서, 콜라겐을 전기 방사하여 세포증식의 스캐폴드(Scaffold)를 만드는 경우, 본 발명을 통해 형성된 나노 코일링을 사용하면, 실제 세포가 자라나는 체내 상태에 대한 정밀한 모사가 가능하게 된다. 따라서, 나노 코일링은 향후 생체 공학 분야로의 보다 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.
* 실시예
본 실험에 사용한 폴리머 용액은 PEO(Poly Ethylene Oxide)(Mv=300,000) 5 wt % 이며, 실린지 펌프는 Picoplus, Harvard Apparatus 제품을 사용하였고, 전압 발생기로는 최고 10kV 까지 출력을 낼 수 있는 파워 서플라이를 사용하였다.
그리고, 모세관 팁은 외경 200㎛, 내경 100㎛의 초소형 팁을 사용하여 팁 끝에 반구 모양의 폴리머 액적이 맺히도록 하였다. 집전 그라운드는 특수 가공을 통하해 윗면의 직경이 25㎛, 50㎛, 100㎛, 250㎛인 금속 원추(Metal Cone) 형상의 핀을 각각 사용하였다.
또한, 본 실험에서는 2000V의 전압과 1.5mm의 팁과 핀 사이 거리를 사용하여 전기 방사를 수행하였다.
도 6은 본 발명의 핀 형태의 집전 그라운드 상에서 폴리머 섬유가 코일을 형성하며 적층되는 상태를 나타낸 도면이다. 여기서, 초당 5000 프레임을 찍을 수 있는 초고속 카메라를 사용하여 폴리머 섬유의 코일링(Coiling)되는 상태를 촬영하였다.
도 6을 참조하면, 시간이 지남에 따라, 폴리머 섬유(175)가 집전 그라운드(130) 상에 코일을 형성하며 말아 올라가는 것을 볼 수 있다.
여기서, 폴리머 섬유(175)가 마치 높은 곳에서 떨어뜨린 점성 유체처럼 동심원을 그리며 말아 올라 가는 움직임을 보이는 것을 발견할 수 있으며, 이를 통해 전기 방사된 폴리머 섬유(175) 또한 점성 유체의 특성을 가진다고 유추할 수 있다.
상기 초고속 카메라를 통해 촬영한 영상을 분석하여 측정한 결과, 폴리머 섬유(175)의 직경은 379nm 이고, 최종 코일링된 높이는 64㎛이며, 폴리머 나노젯이 내려오는 속도는 3.48mm/s로 측정되었다.
도 7은 본 발명에 의해 형성된 3차원 나노 구조물의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다. 여기서, 끝단의 지름이 50㎛인 핀 형태의 집전 그라운드 상에 직경이 약 500nm 인 폴리머 나노젯이 나선형으로 층층이 쌓여 기둥 모양으로 적층되어 있는 것을 볼 수 있다. 이때, 코일의 버클링(Buckling)을 고려하여 적당한 높이로 형성하여야 한다.
* 실험 결과 분석
1. 유체 코일링 이론의 적용
(1) 유체 코일링 이론
본 실험에서 나타난 현상은 점성이 큰 액체를 일정 높이 이상에서 부었을 때 나타나는 현상과 유사하다. 점성 유체가 코일 모양으로 말아 올라가는 현상에 대한 이론은 다음과 같다.
점성 유체의 코일링은 유체가 돌면서 생기는 원심력과 그에 저항하는 유체의 점성력이 균형을 이루면서 발생한다. 원심력은 반지름과 각속도의 제곱의 곱이므로 단위 부피당 원심력은 다음 수학식 1과 같이 스케일링 할 수 있다.
Figure 112009026644588-pat00001
여기서, f는 단위 부피당 원심력, ρ는 밀도, Ω는 각속도, R은 코일의 직경을 나타낸다.
이때, 유체 젯의 단위 부피는 a2R(여기서, a는 유체 젯의 반지름)로 스케일링을 할 수 있으며, 수학식 1에서 구한 원심력에 거리를 곱해주면 수학식 2에서와 같이, 원심력이 유체에 가하는 모멘트를 구할 수 있다.
Figure 112009026644588-pat00002
여기서, MI는 관성에 의한 모멘트를 나타낸다.
수학식 2에서 구한 모멘트와 균형을 이루는 힘은 점성력으로 인해 발생하는 모멘트이다. 유체 젯의 단면에서 발생하는 점성력은 수학식 3과 같이 스케일을 할 수 있다.
Figure 112009026644588-pat00003
여기서, σ는 점성력,μ는 점성계수, U는 유체 젯의 속도를 나타낸다.
점성에 의한 모멘트(Mv)는 점성력에 단면의 중심으로부터 거리를 곱해주고 면적으로 적분을 하여 구할 수 있다. 즉, 점성에 의한 모멘트(Mv)는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009026644588-pat00004
여기서, d는 단면의 중심으로부터의 거리, A는 단면적을 나타낸다.
수학식 2와 수학식 4에서 구한 두 모멘트 즉, 관성에 의한 모멘트와 점성에 의한 모멘트가 균형을 이룬다고 가정하였을 때(MI~Mv), 외부 조건에 따른 코일의 직경을 예측하는 모델을 다음 수학식 5에서와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009026644588-pat00005
여기서, υ는 유체의 동점성계수를 나타낸다.
즉, 코일의 반지름 R은 실험 초기 조건들의 조합인 υa2/U의 1/3 제곱과 비례하는 것을 알 수 있다.
(2) 실험 결과를 유체 코일링 이론에 대입
표 1은 3차원 나노 구조물이 쌓일 당시의 실험 파라미터들을 나타낸 것이다. 실험 결과들은 모두 동일한 실험 조건 하에서 얻었다. 즉, 모세관 팁과 집전 그라운드 사이는 1.5mm로 일정하게 유지하였고, 인가해준 전압 또한 2000V로 일정하였다. 그러나 동일한 실험 조건에서도 전기 방사된 폴리머 나노젯의 직경과 속도가 조금씩 다르며, 그에 따라 형성되는 코일의 직경도 조금씩 달라지는 것을 발견할 수 있다.
No 나노 젯의 직경(nm) 나노 젯이 내려오는 속도(mm/s) 코일의 직경(㎛)
1 628 0.931 14.3
2 379 3.48 7.39
3 476 4.22 8.57
4 397 8.19 6.43
5 694 2.38 12.5
6 549 4.77 9.34
외부 변수들의 변화에 따라 최종 코일의 지름을 예측하기 위해, 표 1의 실험 결과 값들을 수학식 5에서 유도한 스케일링 식에 대입한 결과를 도 8의 그래프로 나타내었다.
이를 통해 각각의 실험 조건의 변화에 따른 코일의 지름 변화를 확인할 수 있다. 가로축에 스케일 해석으로 구한 υa2/U을 대입하였고, 세로축에 코일의 지름을 대입하였다.
이 결과를 분석해보면, 실험 결과들이 스케일 해석을 통해 구한 υa2/U의 1/3 제곱에 근접한 값들을 보임을 알 수 있다. 즉, 전기 방사로 얻은 코일이 점성 유체의 코일링 이론과 유사한 경향성을 띄는 것을 확인 할 수 있다.
이러한 결과는, 또한 원하는 크기의 코일을 얻기 위해서 실험 조건을 얼마만큼 변화시켜야 하는 지에 대한 근거를 제공할 수 있을 것이다.
2. 유체 코일링의 범위
(1) 점성 유체 코일링의 범위
점성 유체의 코일링은 유체의 점성과 반지름, 그리고 속도가 어느 특정 범위 안에 있을 때만 발생하는 현상이다. 즉, 점성 유체의 코일링은 특정 레이놀즈 범위 내에서만 발생하는 현상이다. 이는 직관적으로도 쉽게 알 수 있는데 레이놀즈 수에서 관성항이 지나치게 큰 경우, 즉 속도가 너무 빠른 경우에는 코일이 발생하기도 전에 구조물이 뒤따라오는 유체 젯에 짓눌릴 것이다.
반면 관성항이 너무 작은 경우, 즉 속도가 너무 느린 경우에는 코일을 발생시킬 만큼 충분한 관성력을 확보하지 못하기 때문에 코일이 발생하지 못할 것이다. 앞에서 살펴본 코일링 이론을 사용하면 코일의 형성 범위가 레이놀즈 수의 함수라는 것 또한 이론적으로 유도가 가능하다.
코일의 반지름(R)이 유체 젯의 반지름(a)보다 커야하는 것(R 〉a)은 코일 형성의 필요 조건이다. 앞에서 구한 스케일링 법칙을 적용하면 이 관계를 다음 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009026644588-pat00006
여기서, C는 비례 상수이다.
수학식 6의 변수들을 우변에 모아서 정리하면 수학식 7과 같다.
Figure 112009026644588-pat00007
수학식 7에서 우변은 유체 젯의 레이놀즈 수(Re)와 같은 차원이기 때문에 다시 정리를 하면 수학식 8과 같은 결론에 도달한다.
Figure 112009026644588-pat00008
즉, 유체 젯의 레이놀즈 수가 어느 특정한 값 이하일 경우에만 코일링이 발 생하는 것을 이론적으로도 확인할 수 있다.
(2) 점성 유체 코일링과 전기 방사 코일링 범위의 차이
앞에서 점성 유체가 특정 레이놀즈 범위에서만 코일링이 발생하는 것을 확인하였다. 그러나 본 발명에서 발견되는 폴리머 섬유의 코일링 현상은 점성 유체의 그것과 유사하지만, 작용하는 주된 힘이 다르다.
점성 유체 코일링의 경우 중력이 주된 힘으로 작용하여 유체를 움직이게 하는 반면에, 폴리머 섬유의 경우 주변에 펼쳐진 전기장에 의해 작용하는 전기력이 주된 힘으로 작용하여 나노 젯을 발생시킨다.
그런데 항상 일정한 방향으로 작용하는 중력과는 달리 전기장의 형태 및 크기는 고압부에 걸어주는 전압의 크기나 주변 환경의 기하학적 구조에 큰 영향을 받는다.
전기장의 변화가 코일 형성에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위하여 본 연구에서는 전기장의 영향을 나타낼 수 있는 새로운 무차원수를 도입하였다.
전기장에 영향을 주는 변수들은 전기장의 크기 E, 폴리머 용액의 유전율 ε, 금속 원추(핀 형상의 집전 그라운드) 끝단의 지름 dtip, 폴리머 용액의 점성 μ, 그리고 폴리머 나노 젯의 속도 U이다. 이 변수들의 차원 해석을 통해 얻은 무차원수(Π)는 다음 수학식 9와 같다.
Figure 112009026644588-pat00009
레이놀즈 수를 통해 폴리머 젯의 관성으로 인한 효과를 살펴볼 수 있는 반면, 새로 구한 무차원수(Π)로는 전기장의 분포에 따른 효과를 살펴볼 수 있다. 두 무차원수를 사용하여 실험 조건에 따른 코일의 발생여부를 도 9의 그래프로 나타내었다.
도 9를 참조하면, 점성 유체와 마찬가지로 폴리머 섬유의 코일링도 어느 특정 레이놀즈 수(Re) 이하에서만 발생하는 것을 발견할 수 있다. 여기서, ○는 코일링이 형성된 경우를 나타내고, ×는 무작위적인 적층이 일어난 경우를 나타낸다.
즉, 도 9를 참조하면, 레이놀즈 수(Re)가 0.7×10-5 이하인 경우에만 코일링이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 상기 레이놀즈 수(Re)는 수학식 7에서 보는 바와 같이, 폴리머 나노젯의 속도, 폴리머 나노젯의 반지름, 폴리머 나노젯의 점성과 관련된 함수인데, 상기 3요소가 고려된 레이놀즈 수(Re)가 0.7×10-5 이하인 경우에만 코일링이 형성되었다.
전기장의 영향(Π)을 살펴보았을 때도 어느 특정한 값이하에서만 코일링이 발생하는 것을 발견할 수 있는데, 이는 금속 원추 끝단의 지름이 어느 크기 이상으로 커질 경우, 전기장의 형태가 방사형으로 펼쳐지고, 이때는 안정적인 전기 방사가 지속되기 힘든 환경이 된다.
여기서, 안정적인 코일링 형성을 위한 상기 금속 원추(집전 그라운드) 끝단의 지름은 10㎛ ~ 200㎛으로 할 수 있다. 상기 금속 원추 끝단의 지름이 10㎛ 이하가 되면, 코일링이 형성되는 공간이 제대로 제공되지 않아 안정적인 코일링 형성이 어려워지고, 상기 금속 원추 끝단의 지름이 200㎛ 이상이 되면, 전기장의 형태가 방사형으로 펼쳐져 코일링이 형성되지 못하게 되기 때문이다.
즉, 집전 그라운드(130) 부분에서는 전기장의 강도가 상대적으로 강해서 국소적으로 폴리머 나노젯을 당기는 힘이 커지는데, 집전 그라운드(130)의 끝단 지름이 넓어지면 폴리머 나노젯을 당기는 전기장 크기가 상대적으로 약해지고, 집전 그라운드(130)의 중심으로 향하는 전기장 성분이 약해지면서 코일을 안쪽으로 감기게 하는 원동력 또한 작아져서 코일이 잘 형성되지 않게 된다.
또한, 두 영역의 경계가 우하향의 경향성을 보이는 것은 같은 크기와 형태의 전기장 내에서도 젯의 관성이 작을 경우에 더 안정적으로 코일을 얻을 수 있음을 나타낸다.
도 10은 본 발명을 통해 형성된 나노 코일링을 나타낸 도면이다. 여기서, 나노 코일링의 높이는 약 10㎛ 정도에 해당하며, 이와 같은 상대적으로 작은 크기의 코일은 세포 증식의 스캐폴드(Scaffold)에 적용될 수 있고, 향후 생체 공학 분야에서의 다양한 응용이 가능하다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으 나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 전기 방사법을 통해 폴리머 나노젯을 뽑아내는 상태를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 전기 방사법에 의한 폴리머 나노 젯의 불안정성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법을 나타낸 순서도.
도 5는 집전 그라운드의 형태에 따른 전기장의 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 핀 형태의 집전 그라운드 상에서 폴리머 섬유가 코일을 형성하며 적층되는 상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 의해 형성된 3차원 나노 구조물의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진.
도 8은 수학식 5에 본 발명의 실험 결과 값을 대입한 상태를 나타낸 그래프.
도 9는 레이놀즈 수 및 전기장의 영향을 나타낼 수 있는 무차원수를 사용하여 실험 조건에 따른 코일의 발생여부 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명을 통해 형성된 나노 코일링을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 실린지 펌프 120 : 실린지
124 : 용기부 127 : 모세관 팁
130 : 집전 그라운드 140 : 전압 발생기
170 : 폴리머 용액

Claims (12)

  1. 폴리머 용액을 담지하며, 상기 폴리머 용액을 폴리머 나노젯의 형태로 전기 방사하는 모세관 팁을 구비한 실린지;
    상기 모세관 팁에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯을 수집하여 3차원 나노 구조물을 형성하는 핀 형상의 집전 그라운드; 및
    상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이에 전기 방사가 일어나도록 전압을 인가하는 전압 발생기를 포함하는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린지 내의 압력을 제어하여, 상기 모세관 팁의 말단에 폴리머 액적이 맺혀지도록 하는 실린지 펌프를 더 포함하는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이의 거리는 1mm ~ 10mm인, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이에 인가되는 전압은 0.7KV ~ 3KV 인, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전 그라운드는,
    원추 또는 다각뿔의 핀 형상으로 이루어지며,
    상기 핀의 말단은 상기 전기 방사되는 폴리머 나노젯이 적층될 수 있도록 평평한 면을 갖는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리머 나노젯은,
    상기 핀의 말단에서 코일(Coil)을 형성하며 적층되는, 전기 방사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 코일의 반지름(R)은 하기의 수학식에 의해 정해지는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
    (수학식)
    Figure 112011032783267-pat00010
    여기서, υ는 폴리머 용액의 동점성계수, a는 폴리머 나노젯의 반지름, U는 폴리머 나노젯의 속도를 나타낸다.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 핀의 말단의 지름은 10㎛ ~ 200㎛인, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 장치.
  9. 전압 발생기를 통해 실린지의 모세관 팁과 핀 형상의 집전 그라운드 사이에 전압을 인가하여 전기장을 형성하는 단계;
    상기 모세관 팁의 말단에서 전기 방사되는 폴리머 나노젯을 상기 핀의 끝단 상에 수집하는 단계; 및
    상기 핀의 끝단 상에서 상기 폴리머 나노젯을 적층하여 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계는,
    상기 핀의 끝단 상에 상기 폴리머 나노젯을 코일링(Coiling)하여 적층하는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전기장을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이의 거리는 1mm ~ 10mm로 하는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전기장을 형성하는 단계에 있어서,
    상기 모세관 팁과 상기 집전 그라운드 사이에 0.7KV ~ 3KV 전압을 인가하는, 3차원 나노 구조물 형성을 위한 전기 방사 방법.
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