KR102450952B1 - 천공구조를 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함하는 고분자 물질 기반 시트와 그 제조방법 및 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치 - Google Patents

천공구조를 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함하는 고분자 물질 기반 시트와 그 제조방법 및 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치 Download PDF

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Abstract

천공구조를 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함하는 고분자 물질 기반 시트와 그 제조방법 및 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 고분자 물질 기반 시트의 제조방법은 기판 상에 섬유부재를 배치하는 단계, 상기 기판 상에 상기 섬유부재를 덮는 것으로, 주형분자(template molecule)를 포함하는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP) 형성용 레진층을 형성하는 단계, 상기 MIP 형성용 레진층에 대한 나노임프린트 공정 및 경화 공정을 수행하여 상기 MIP 형성용 레진층으로부터 패턴화된 복수의 관통홀을 갖는 고분자층을 형성하는 단계 및 상기 고분자층에서 상기 주형분자를 제거하여 상기 고분자층으로부터 MIP 물질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 MIP 물질층은 상기 섬유부재와 결합되어 상기 섬유부재의 표면을 따라 형성되고 상기 패턴화된 복수의 관통홀에 의한 천공구조를 가질 수 있다.

Description

천공구조를 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함하는 고분자 물질 기반 시트와 그 제조방법 및 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치{Polymer material-based sheet including molecular imprinted polymer material layer having perforated structure, method for manufacturing the same, and device using the polymer material-based sheet}
본 발명은 고분자 함유 시트와 그 제조 및 적용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천공구조를 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함하는 고분자 물질 기반 시트와 그 제조방법 및 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치에 관한 것이다.
고분자(polymer)는 단량체 분자들이 화학반응을 통해 규칙적인 반복단위를 갖는 긴 사슬 형태를 이룬 분자를 일컫는다. 고분자 소재는 우주항공, 에너지 및 IT 산업과 같은 첨단산업에 적용될 뿐만 아니라 자동차, 가전, 생활용품, 건축 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 최근에는 생체 고분자, 고분자 나노소재, 고분자 복합재료, 합성수지, 전기ㆍ전자 재료용 고분자 소재 등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP)는 주형분자(template molecule) 및 이와 결합할 수 있는 기능성 모노머(functional monomer)를 사용하여 고분자를 합성한 후, 주형분자를 제거하는 공정으로 제조된다. 분자각인 고분자 내에는 주형분자와 동일한 형태의 분자공간(즉, cavity)이 형성된다. 분자공간에는 형태적으로 주형분자와 동일한 특정 분자만 삽입될 수 있다. 이러한 분자각인 고분자는 화학/바이오 센서 분야 등에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
분자각인 고분자는 일반적으로 괴상중합(bulk polymerization) 법으로 제조되어 분쇄 및 체질 과정을 거쳐 입자 형태로 제조되고 있다. 그러나 괴상중합 법은 제조과정이 번거롭고 상당한 양의 분자각인 고분자가 제조과정 중에 유실되는 문제가 있다. 또한, 괴상중합 법으로 제조된 고분자 입자로는 우수한 물성 및 성능을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 분자각인 고분자의 제조방법 및 형태/구조/구성 등과 관련해서, 분자각인 고분자의 활용성 및 응용 가능성을 높이고 적용 분야를 확대할 수 있는 기술 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP)의 활용성 및 응용 가능성을 높일 수 있는 고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet) 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 물리적/화학적 특성을 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함한 고분자 물질 기반 시트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판 상에 섬유부재를 배치하는 단계; 상기 기판 상에 상기 섬유부재를 덮는 것으로, 주형분자(template molecule)를 포함하는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP) 형성용 레진층을 형성하는 단계; 상기 MIP 형성용 레진층에 대한 나노임프린트 공정 및 경화 공정을 수행하여 상기 MIP 형성용 레진층으로부터 패턴화된 복수의 관통홀을 갖는 고분자층을 형성하는 단계; 및 상기 고분자층에서 상기 주형분자를 제거하여 상기 고분자층으로부터 MIP 물질층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 MIP 물질층은 상기 섬유부재와 결합되어 상기 섬유부재의 표면을 따라 형성되고 상기 패턴화된 복수의 관통홀에 의한 천공구조를 갖는 고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet)의 제조방법이 제공된다.
상기 나노임프린트 공정은 롤(roll) 형태의 스탬프(stamp) 구조체를 이용해서 수행할 수 있고, 상기 스탬프 구조체는 그 외주면에 미세요철 패턴부를 구비할 수 있다.
상기 스탬프 구조체는 상기 MIP 형성용 레진층을 경화하기 위한 광을 발생시키는 발광 유닛을 더 포함할 수 있고, 상기 스탬프 구조체를 이용해서 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 발광 유닛에서 발생된 광을 상기 MIP 형성용 레진층에 조사하여 상기 경화 공정을 수행할 수 있다.
상기 스탬프 구조체의 본체부는 석영(quartz)을 포함할 수 있다.
상기 스탬프 구조체는 석영(quartz) 및 금속 요철 금형을 포함할 수 있다.
상기 MIP 형성용 레진층에 대한 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 경화 공정을 함께 수행할 수 있다.
상기 섬유부재는 직조된 메쉬 구조를 가질 수 있다.
상기 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재는 나일론(nylon), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리에스터(polyester) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재는 복수의 단위섬유요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 단위섬유요소는 상호 인접하여 실질적으로 평행하게 연장된 제1 및 제2 단위섬유요소를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 단위섬유요소의 간격은 약 50∼100 ㎛ 정도일 수 있다.
상기 섬유부재는 부직포를 포함할 수 있다.
상기 MIP 형성용 레진층은 약 500 nm 내지 2 ㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다.
상기 패턴화된 복수의 관통홀은 약 300 nm 내지 2 ㎛ 정도의 직경을 가질 수 있다.
상기 고분자층을 형성하는 단계와 상기 MIP 물질층을 형성하는 단계 사이에, 상기 섬유부재와 결합된 상기 고분자층을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 섬유부재; 및 상기 섬유부재와 결합되어 상기 섬유부재의 표면을 따라 구비된 것으로, 천공구조를 형성하는 패턴화된 복수의 관통홀을 갖는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP) 물질층;을 포함하는 고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet)가 제공된다.
상기 섬유부재는 직조된 메쉬 구조를 가질 수 있다.
상기 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재는 나일론(nylon), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리에스터(polyester) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재는 복수의 단위섬유요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 단위섬유요소는 상호 인접하여 실질적으로 평행하게 연장된 제1 및 제2 단위섬유요소를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 단위섬유요소의 간격은 약 50∼100 ㎛ 정도일 수 있다.
상기 섬유부재는 부직포를 포함할 수 있다.
상기 패턴화된 복수의 관통홀은 약 300 nm 내지 2 ㎛ 정도의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 전술한 고분자 물질 기반 시트를 구비하는 장치가 제공된다.
상기 고분자 물질 기반 시트는 단백질 정제를 위한 멤브레인(membrane) 필터일 수 있다.
상기 고분자 물질 기반 시트는 선택적 물질 포집을 위한 포집 필터일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분자각인 고분자(MIP)의 활용성 및 응용 가능성을 높일 수 있는 고분자 물질 기반 시트 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 또한, 우수한 물리적/화학적 특성을 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함한 고분자 물질 기반 시트 및 그 제조방법을 구현할 수 있다.
상기 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트 및 그 제조방법을 적용함으로써, 우수한 성능을 갖는 다양한 고분자 적용 장치를 구현할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet)의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트의 제조방법에 적용될 수 있는 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트의 제조방법에 적용될 수 있는 분자각인 고분자(MIP) 물질의 합성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고분자 물질 기반 시트를 전자현미경으로 촬영한 사진 이미지이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고분자 물질 기반 시트를 전자현미경으로 촬영한 사진 이미지이다.
도 10a는 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 및 나일론(nylon)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 각각에 대한 물방울 접촉각 특성을 측정한 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 10b를 참조하면, MIP 레진은 폴리프로필렌(PP) 메쉬 및 나일론(nylon) 메쉬에 대해 친화성을 보이므로, 물과 비교해서 접촉각이 작고 30초 이내에 대부분 흡수되므로, 이 시간(약 30초) 이전에 나노임프린트 공정을 진행할 필요가 있다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고분자 물질 기반 시트를 전자현미경으로 촬영한 사진 이미지이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트를 적용할 수 있는 다양한 응용 분야를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet)의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a 내지 도 1c 각각에서 하부의 도면은 위쪽 사시도의 일부 영역을 확장하여 보여주는 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(50) 상에 섬유부재(100)를 배치할 수 있다. 기판(50)은, 예컨대, PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머로 구성된 기판일 수 있다. 그러나 기판(50)은 PDMS 외에 다른 폴리머 물질로 구성되거나, 폴리머가 아닌 다른 물질로 구성될 수도 있다.
섬유부재(100)는 소정의 규칙적인(실질적으로 규칙적인) 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유부재(100)는 직조된 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 섬유부재(100)는 도 2에 도시된 바와 같은 메쉬 구조를 가질 수 있다. 도 2의 섬유부재(100)는 복수의 단위섬유요소를 포함하고, 상기 복수의 단위섬유요소는 제1 방향으로 연장된 1군의 단위섬유요소들(10)과 상기 제1 방향과 실질적으로 수직한 제2 방향으로 연장된 2군의 단위섬유요소들(20)을 구비할 수 있다. 상기 1군의 단위섬유요소들(10)과 상기 2군의 단위섬유요소들(20)은 직조된 직물을 이룰 수 있고, 이들 사이에 메쉬 형태의 개구영역들이 정의될 수 있다.
도 1a에 도시된 섬유부재(100)는 도 2에 도시된 섬유부재(100)에서 일부 영역에 해당할 수 있다. 도 1a의 섬유부재(100)는 복수의 단위섬유요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 단위섬유요소는 상호 인접하여 실질적으로 평행하게 연장된 제1 및 제2 단위섬유요소(10a, 10b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 단위섬유요소(10a, 10b)의 간격은, 예컨대, 약 50∼100 ㎛ 정도일 수 있다. 이러한 섬유부재(100)는 성긴 직물 구조를 갖는다고 할 수 있고, 섬유부재(100)에 정의된 개구영역들에 의해 기판(50)의 표면(상면)이 노출될 수 있다. 섬유부재(100)는, 예를 들어, 나일론(nylon), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리에스터(polyester) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 섬유부재(100)의 물질은 전술한 바에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
도 1a에서 기판(50) 상에 섬유부재(100)를 배치한 후, 기판(50) 상에 섬유부재(100)를 덮는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP) 형성용 레진층(200)을 형성할 수 있다. MIP 형성용 레진층(200)은 MIP 형성용 혼합용액을 기판(50) 상에 도포함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 MIP 형성용 혼합용액은 주형분자(template molecule), 기능성 단분자(functional monomer), 가교제(cross-linking agent), 개시제(경화/중합 개시제)(initiator) 및 용매를 포함할 수 있다. 따라서, MIP 형성용 레진층(200)도 상기한 주형분자, 기능성 단분자, 가교제, 개시제 및 용매를 포함할 수 있다. MIP 형성용 레진층(200)은 섬유부재(100) 및 기판(50) 상에 도포될 수 있다. 섬유부재(100)를 구성하는 단위섬유요소들(10a, 10b)은 일부 또는 전부가 MIP 형성용 레진층(200) 내에 임베드(embed)될 수 있다. 단위섬유요소들(10a, 10b) 사이에 정의된 개구영역들을 통해서 MIP 형성용 레진층(200)이 기판(50)의 상면에 도포될 수 있다.
MIP 형성용 레진층(200)은 약 500 nm 내지 2 ㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다. 이러한 범위의 두께를 가질 때, 후속하는 공정(도 1b의 나노임프린트 및 경화 공정 등)을 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 최종 결과물에서 적절한 두께의 MIP 물질층(도 1d의 200B)을 얻을 수 있다. 그러나, 상기한 MIP 형성용 레진층(200)의 두께 범위는 예시적인 것이고, 경우에 따라, 달라질 수 있다.
도 1b를 참조하면, MIP 형성용 레진층(200)에 대한 나노임프린트(nanoimprint) 공정 및 경화(curing) 공정을 수행할 수 있다. 상기 나노임프린트 공정은 롤(roll) 형태의 스탬프(stamp) 구조체(700)를 이용해서 수행할 수 있다. 스탬프 구조체(700)는 그 외주면에 미세요철 패턴부(70)를 구비할 수 있다. 이러한 롤 형태의 스탬프 구조체(700)를 MIP 형성용 레진층(200)의 표면 상에서 적절한 압력을 가하면서 회전시킬 수 있다. 이때, MIP 형성용 레진층(200)의 물질이 미세요철 패턴부(70)의 패턴 내부로 인플로우(inflow)될 수 있다. 이러한 나노임프린트 공정을 통해서 MIP 형성용 레진층(200)에 패턴화된 복수의 관통홀(H10)이 형성될 수 있다. 스탬프 구조체(700)를 이용한 상기 나노임프린트 공정은 연속적인 공정으로 수행할 수 있다.
MIP 형성용 레진층(200)에 대한 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 경화 공정(즉, 중합 공정)을 함께 수행할 수 있다. 이를 위해, 스탬프 구조체(700)는 MIP 형성용 레진층(200)을 경화하기 위한 광(L10)을 발생시키는 발광 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 발광 유닛은 스탬프 구조체(700)의 내부에 구비될 수 있다. 스탬프 구조체(700)를 이용해서 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 발광 유닛에서 발생된 광(L10)을 MIP 형성용 레진층(200)에 조사하여 상기 경화 공정을 수행할 수 있다. MIP 형성용 레진층(200)을 경화하기 위한 광(L10)은 자외선(UV ray)일 수 있다. 이 경우, MIP 형성용 레진층(200)은 광개시제를 포함할 수 있고, 광(L10)에 의해 중합이 유도될 수 있다. 스탬프 구조체(700)의 본체부는 석영(quartz)과 같은 투광성 물질로 형성될 수 있고, 미세요철 패턴부(70)도 투광성 물질로 형성될 수 있다. 또는, 상기 스탬프 구조체는 석영(quartz) 및 금속 요철 금형을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 발광 유닛에서 발생된 광(L10)이 스탬프 구조체(700)의 본체부 및 그 외주면에 구비된 미세요철 패턴부(70)를 투과하여 MIP 형성용 레진층(200)에 조사될 수 있다. 미세요철 패턴부(70)가 구비된 스탬프 구조체(700)로 MIP 형성용 레진층(200)이 도포된 섬유부재(100)에 일정한 압력을 가함과 동시에 노광 공정(예컨대, UV 노광)을 실시함으로써, MIP 형성용 레진층(200)에 포함된 광개시제를 통한 중합을 유도하여, 주형분자가 포함된 MIP 형성용 레진층(200)을 임프린팅 및 경화할 수 있다. 본 실시예에서와 같이, MIP 형성용 레진층(200)에 대한 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 경화 공정을 함께 수행할 경우, 공정 효율이 크게 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서 사용하는 공정 방식은 롤-투-플레이트(Roll-to-Plate) 방식이라고 할 수 있다. 이러한 롤-투-플레이트(Roll-to-Plate) 방식에서 롤 형태를 갖는 스탬프 구조체(700)의 회전 속도, 기판(500)이 놓여진 스테이지(미도시)의 이동 속도(즉, 기판의 이동 속도), 상기 발광 유닛에서 발생된 광(L10)의 세기(광량), 스탬프 구조체(700)에 의해 MIP 형성용 레진층(200)에 가해지는 압력 등이 조절될 수 있다.
본 명세서에서 언급한 상기 나노임프린트 공정은 나노스케일의 임프린트 패터닝 공정은 물론 마이크로스케일의 임프린트 패터닝 공정까지 포괄하는 개념일 수 있다. 따라서, 스탬프 구조체(700)의 미세요철 패턴부(70)는 나노스케일의 요철 패턴부이거나 마이크로스케일의 요철 패턴부일 수 있다. 또한, 미세요철 패턴부(70)에 의해 형성되는 패턴화된 복수의 관통홀(H10)도 나노스케일의 치수(직경)를 갖거나 마이크로스케일의 치수(직경)를 가질 수 있다. 복수의 관통홀(H10)은 규칙적으로(혹은 실질적으로 규칙적으로) 배열될 수 있다. 또한, 복수의 관통홀(H10)은 균일하게(혹은 실질적으로 균일하게) 배열될 수 있다. 그러나 복수의 관통홀(H10)의 배열 방식이나 배열 규칙은 변화될 수 있다.
도 1b를 참조하여 설명한 나노임프린트 공정 및 경화 공정의 결과물은 도 1c에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 1c를 참조하면, MIP 형성용 레진층(도 1의 200)으로부터 패턴화된 복수의 관통홀(H10)을 갖는 고분자층(200A)이 형성될 수 있다. 고분자층(200A)은 MIP 형성용 레진층(도 1의 200)으로부터 경화된 것으로 패턴화된 복수의 관통홀(H10)을 가질 수 있다. 고분자층(200A)은 섬유부재(100)와 결합되어 섬유부재(100)의 표면을 따라 형성될 수 있다.
다음으로, 섬유부재(100)와 결합된 고분자층(200A)을 기판(50)으로부터 분리할 수 있고, 고분자층(200A)에서 주형분자를 제거할 수 있다. 그 결과물은 도 1d에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 1d를 참조하면, 고분자층(도 1c의 200A)에서 주형분자를 제거함으로써, 상기 고분자층(도 1c의 200A)으로부터 MIP 물질층(200B)을 형성할 수 있다. 일례로, 메탄올(methanol)과 아세트산(acetic acid)이 약 9:1의 부피비로 혼합된 용액 내에서 섬유부재(도 1c의 100)와 결합된 고분자층(도 1c의 200A)을 소정 시간(예컨대, 2시간 이상) 동안 침지시킴으로써, 고분자층(도 1c의 200A)으로부터 주형분자를 제거할 수 있다. 그러나 주형분자의 제거 방법은 예시적인 것이고 달라질 수 있다. MIP 물질층(200B)은 섬유부재(100)와 결합되어 섬유부재(100)의 표면을 따라 형성되었다고 할 수 있고, 패턴화된 복수의 관통홀(H10)에 의한 천공구조(perforated structure)를 갖는다고 할 수 있다. 패턴화된 복수의 관통홀(H10)은 약 300 nm 내지 2 ㎛ 정도의 직경을 가질 수 있다. MIP 물질층(200B)은 약 500 nm 내지 2 ㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 관통홀(H10)의 직경 범위 및 MIP 물질층(200B)의 두께 범위는 상기한 바에 한정되지 않고 달라질 수 있다.
이상의 실시예에서는 섬유부재(100)로서 주로 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재를 사용하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 섬유부재(100)의 종류는 달라질 수 있다. 예를 들어, 직조된 메쉬 구조를 갖는 섬유부재 대신에 부직포 형태의 섬유부재를 사용할 수 있다. 성긴 구조의 부직포 섬유에서도 섬유요소들이 존재하지 않는 개구영역(들)이 존재할 수 있고, 이러한 개구영역(들)에 MIP 물질층의 천공구조(즉, 복수의 관통홀 구조)가 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트는 부직포 형태의 섬유부재 및 이와 결합하도록 형성된 천공구조의 MIP 물질층을 구비할 수 있다.
또한, 도 1b에서는 MIP 형성용 레진층(200)을 광(L10)으로 경화시키는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 열을 이용한 경화(즉, 열경화)도 가능할 수 있다. 또는, 광 및 열을 모두 이용해서 경화 공정을 수행하는 것도 가능할 수 있다. 그 밖에도 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 고분자 물질 기반 시트의 제조방법은 다양하게 변화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트의 제조방법에 적용될 수 있는 분자각인 고분자(MIP) 물질의 합성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, MIP 형성용 혼합용액은 주형분자(template molecule), 기능성 단분자(functional monomer), 가교제(cross-linking agent), 개시제(경화/중합 개시제)(initiator) 및 용매를 포함할 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 주형분자는 paraformaldehyde(vapor)를 포함할 수 있고, 상기 기능성 단분자는 acrylic acid, 2-(trifluoromethyl)acrylic acid 등을 포함할 수 있고, 상기 가교제는 ethylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane propoxylate triacrylate 등을 포함할 수 있고, 상기 개시제는 1-hydroxylcycolhexyl phenyl ketone을 포함할 수 있고, 상기 용매는 methanol을 포함할 수 있다. 그러나 여기서 개시한 구체적인 물질들은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변화될 수 있다.
분자각인 고분자(MIP)는 주형분자(template molecule) 및 이와 결합할 수 있는 기능성 단분자(functional monomer)를 사용하여 고분자를 합성한 후, 주형분자를 제거하는 공정으로 제조될 수 있다. 분자각인 고분자 내에는 주형분자와 동일한 형태의 분자공간(즉, cavity)이 형성될 수 있다. 분자공간에는 형태적으로 주형분자와 동일한 특정 분자만 삽입될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 분자각인 고분자(MIP)는 용액 기반의 합성 공정을 통해 제조될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고분자 물질 기반 시트를 전자현미경으로 촬영한 사진 이미지이다. 도 4 내지 도 7은 롤-투-플레이트(Roll-to-Plate) 공정을 통해 나일론으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 상에 패턴화된 복수의 관통홀에 의해 기능성 천공구조를 갖는 분자각인 고분자(MIP) 물질층을 형성한 경우이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 직조된 메쉬 구조의 섬유 및 이와 결합된 MIP 물질층의 천공구조를 확인할 수 있다. 도 5에서 우측 사진은 좌측 사진의 붉은색 점선 영역을 확대하여 보여준다. 도 6에서 우측 사진은 좌측 사진의 파란색 점선 영역을 확대하여 보여준다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고분자 물질 기반 시트를 전자현미경으로 촬영한 사진 이미지이다. 도 8 및 도 9는 롤-투-플레이트(Roll-to-Plate) 공정을 통해 나일론으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 상에 패턴화된 복수의 관통홀에 의해 기능성 천공구조를 갖는 분자각인 고분자(MIP) 물질층을 형성한 경우이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 직조된 메쉬 구조의 섬유 및 이와 결합된 MIP 물질층의 천공구조를 확인할 수 있다. 도 9에서 가운데 사진은 좌측 첫번째 사진의 파란색 점선 영역을 확대하여 보여주고, 가장 우측의 사진은 좌측 첫번째 사진의 붉은색 점선 영역을 확대하여 보여준다.
도 10a는 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 및 나일론(nylon)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 각각에 대한 물방울 접촉각 특성을 측정한 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 10a를 참조하면, 좌측 사진은 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재에 대해 물방울 접촉각 특성을 측정한 경우이다. 이때, 폴리프로필렌(PP) 메쉬의 섬유요소 간격은 61, 91 ㎛ 였다. 우측 사진은 나일론(nylon)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재에 대해 물방울 접촉각 특성을 측정한 경우이다. 이때, 나일론(nylon) 메쉬의 섬유요소 간격은 59, 95 ㎛ 였다. 물방울을 접촉시킨 후, 시간 경과에 따른 접촉각 변화를 측정하였다.
아래의 표 1은 도 10a의 시험 결과를 정리한 것이다.
구분 0 sec 60 sec
PP mesh 87.5° 85.1°
Nylon mesh 85.5° 84.8°
표 1을 참조하면, PP mesh의 경우, 초기 접촉각은 87.5°이고, 60초 경과 후의 접촉각은 85.1°였다. Nylon mesh의 경우, 초기 접촉각은 85.5°이고, 60초 경과 후의 접촉각은 84.8°였다. 물방울 접촉각 특성은 기재의 친수성, 소수성 특성을 평가하는 자료로 활용될 수 있다. 형성 방법 및 물질 종류에 따라서, 접촉각 특성은 달라질 수 있다.
도 10b는 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 및 나일론(nylon)으로 구성된 메쉬 구조의 직조된 섬유부재 각각에 대한 MIP 레진의 접촉각 특성을 측정한 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 10b를 참조하면, MIP 레진은 폴리프로필렌(PP) 메쉬 및 나일론(nylon) 메쉬에 대해 친화성을 보이므로, 물과 비교해서 접촉각이 작고 30초 이내에 대부분 흡수되므로, 이 시간(약 30초) 이전에 나노임프린트 공정을 진행할 필요가 있다.
아래의 표 2는 도 10b의 시험 결과를 정리한 것이다.
구분 접촉각 흡수 시간 (sec)
PP mesh 24.2° 6
Nylon mesh 26.2° 30
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고분자 물질 기반 시트를 전자현미경으로 촬영한 사진 이미지이다. 도 11 내지 도 13은 롤-투-플레이트(Roll-to-Plate) 공정을 통해서 폴리프로필렌(PP)으로 구성된 부직포 섬유부재 상에 패턴화된 복수의 관통홀에 의해 기능성 천공구조를 갖는 분자각인 고분자(MIP) 물질층을 형성한 경우이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 폴리프로필렌(PP) 부직포 섬유 및 이와 결합된 MIP 물질층의 천공구조를 확인할 수 있다. 부직포 섬유에서도 섬유요소들이 존재하지 않는 개구영역이 존재할 수 있고, 이러한 개구영역에 MIP 물질층의 천공구조(즉, 복수의 관통홀 구조)가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트는 섬유부재와 결합된 천공구조를 갖는 MIP 물질층을 구비하기 때문에, 물리적/화학적으로 우수한 특성/물성을 가질 수 있고, 분자각인 고분자(MIP)의 활용성, 응용 가능성을 높이고 적용 분야를 확대하는데 유용할 수 있다. 제조된 고분자 물질 기반 시트는 섬유부재(ex, 직조된 메쉬 구조) 상에 미세홀(관통홀)들로 천공된 MIP 물질층을 구비하므로, 다양한 분야에 유용하게 응용될 수 있다. 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트는 다양한 장치에 적용할 수 있고, 상기 장치에서 상기 고분자 물질 기반 시트는 단백질 정제를 위한 멤브레인(membrane) 필터, 선택적 물질 포집을 위한 포집 필터 등으로 사용될 수 있다. 여기서 상기 포집 필터는 화학적 포집 기능을 갖는 나노융합 필터일 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트는 MIP 기반 멤브레인 필터로서, 단일 화합물 또는 복잡한 매트릭스에서 분석 물질을 추출하는데 적합하며 유동성 물질을 검출하는 컬럼에 응용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트는 MIP 기반 에어 필터로서, 선택적으로 유독 물질을 포집하는데 응용될 수 있다. 천공구조를 가지는 MIP 기반 에어 필터를 이용하면, 압력 강하 없이 필터 성능을 증가시킬 수 있다. 그 밖에도 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트는 나노융합 바이오 센서, 광반응성 환경 필터, 정밀 의료를 위한 조직공학적 기질 , 단백질 정제용 바이오 필터 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트를 적용할 수 있는 다양한 응용 분야를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 선택적으로 특정분자를 인식하기 위한 기술 분야에 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트, 즉, 섬유부재와 결합된 천공구조를 갖는 MIP 물질층을 적용할 수 있다.
도 15를 참조하면, 선택적으로 유해물질을 포집하기 위한 기술 분야에 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트를 적용할 수 있다.
도 16을 참조하면, 세포 거동 제어를 위한 바이오 인터페이스 설계 분야에 실시예에 따른 고분자 물질 기반 시트를 적용할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1a 내지 도 16을 참조하여 설명한 실시예에 따른 천공구조를 갖는 분자각인 고분자 물질층을 포함하는 고분자 물질 기반 시트와 그 제조방법 및 고분자 물질 기반 시트를 적용한 장치는 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10a : 제1 단위섬유요소 10b : 제2 단위섬유요소
50 : 기판 70 : 미세요철 패턴부
100 : 섬유부재 200 : MIP 형성용 레진층
200A : 고분자층 200B : MIP 물질층
700 : 스탬프 구조체 H10 : 관통홀
L10 : 광

Claims (9)

  1. 기판 상에 섬유부재를 배치하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 섬유부재를 덮는 것으로, 주형분자(template molecule)를 포함하는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP) 형성용 레진층을 형성하는 단계;
    상기 MIP 형성용 레진층에 대한 나노임프린트 공정 및 경화 공정을 수행하여 상기 MIP 형성용 레진층으로부터 패턴화된 복수의 관통홀을 갖는 고분자층을 형성하는 단계; 및
    상기 고분자층에서 상기 주형분자를 제거하여 상기 고분자층으로부터 MIP 물질층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 MIP 물질층은 상기 섬유부재와 결합되어 상기 섬유부재의 표면을 따라 형성되고 상기 패턴화된 복수의 관통홀에 의한 천공구조를 갖는,
    고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet)의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노임프린트 공정은 롤(roll) 형태의 스탬프(stamp) 구조체를 이용해서 수행하고, 상기 스탬프 구조체는 그 외주면에 미세요철 패턴부를 구비하는 고분자 물질 기반 시트의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스탬프 구조체는 상기 MIP 형성용 레진층을 경화하기 위한 광을 발생시키는 발광 유닛을 더 포함하고,
    상기 스탬프 구조체를 이용해서 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 발광 유닛에서 발생된 광을 상기 MIP 형성용 레진층에 조사하여 상기 경화 공정을 수행하는 고분자 물질 기반 시트의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MIP 형성용 레진층에 대한 상기 나노임프린트 공정을 수행하면서 상기 경화 공정을 함께 수행하는 고분자 물질 기반 시트의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유부재는 직조된 메쉬 구조를 갖는 고분자 물질 기반 시트의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유부재는 부직포를 포함하는 고분자 물질 기반 시트의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴화된 복수의 관통홀은 300 nm 내지 2 ㎛의 직경을 갖는 고분자 물질 기반 시트의 제조방법.
  8. 섬유부재; 및
    상기 섬유부재와 결합되어 상기 섬유부재의 표면을 따라 구비된 것으로, 나노임프린트 공정 및 경화공정을 통해 천공구조를 형성하는 패턴화된 복수의 관통홀을 갖는 분자각인 고분자(molecularly imprinted polymer)(MIP) 물질층;을 포함하는,
    고분자 물질 기반 시트(polymer material-based sheet).
  9. 제 8 항에 기재된 고분자 물질 기반 시트를 구비하는 장치로서,
    상기 고분자 물질 기반 시트는,
    단백질 정제를 위한 멤브레인(membrane) 필터; 또는,
    선택적 물질 포집을 위한 포집 필터인 장치.
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