KR20150027385A - 유체 채널 시스템 및 이를 이용한 코어 쉘 구조의 제조방법 - Google Patents

유체 채널 시스템 및 이를 이용한 코어 쉘 구조의 제조방법 Download PDF

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KR20150027385A
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Abstract

본 발명은 유체 채널 시스템 및 이를 이용한 코어 쉘 구조의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 유체 채널 시스템에서, 간단한 유속 변화를 통해 여러 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있고, 추가적인 독성용매를 사용하지 않는 친환경적인 공정을 제공할 수 있다.

Description

유체 채널 시스템 및 이를 이용한 코어 쉘 구조의 제조방법{Fluidic channel system and manufacturing method of core-shell structure using the same}
본 발명은 유체 채널 시스템 및 이를 이용한 코어 쉘 구조의 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 많은 기업과 연구소들은 환경 친화적이며 저가의 합성 고분자를 대체할 수 있는 천연 고분자를 이용하는 연구를 진행하고 있다. 셀룰로오스(cellulose)는 자연으로부터 얻을 수 있는 생분해성이고 자연친화적인 천연 고분자로서 가격 또한 저렴하다. 또한, 우수한 기계적 성질, 낮은 밀도 및 생분해성 등의 장점들 때문에 많은 관심들이 집중되고 있다. 이러한 다양한 장점으로 인해, 셀룰로오스를 이용하여 섬유, 입자, 필름, 맴브레인 등 다양한 분야에 사용하고 있다.
셀룰로오스 마이크로 섬유는 산가수분해로 인해 무정형 부분을 따라 횡단으로 갈라져 결정성 셀룰로오스를 생성하며 거의 완전한 결정성 배열에 의해 높은 탄성률을 나타낸다. 따라서, 복합재료의 우수한 보강제로 사용될 수 있으며, 표면에 폴리머 입자 혹은 금속 나노입자를 부착하여 표면의 성질 및 형상에 변화를 가능하게 하거나 구조 및 성질을 조절할 수 있다.
셀룰로오스 마이크로 캡슐은 입자의 크기 및 분포뿐만 아니라 입자 표면의 형태와 표면적 넓이 등의 조절을 통해 고분자 응용분야에서 많은 관심을 끌고 있다.
주로 많이 생산되고 있는 셀룰로오스 입자는 수 나노에서 수백 나노 범위의 입자크기로 제조된다. 이러한 입자 제조 방법으로는 용매 증발법, 자발적인 유화 용매 확산법, 침전확산 방법, 및 유화 용매 확산 방법 등이 잇다. 특히 자발적 유화 용매 확산법(modified spontaneous emulsification solvent diffusion method)에 의한 입자의 형성은 디클로로메탄, 클로로포름과 같은 수불용성 유기 용매와 함께 아세톤 또는 메탄올과 같은 수용성 용매가 유상으로 사용되며, 유화 과정과 용매확산 과정을 거쳐 입자가 형성된다. 그러나, 상기 자발적 유화 용매 확산법으로 제조된 입자는 수불용성 유기 용매인 디클로로메탄, 클로로포름과 같은 독성용매를 사용하는 문제점과 심한 뭉침 현상으로 인하여 대량으로 생산하는데 문제점을 나타내고 있다.
한국공개특허 제2012-0041661호
본 발명은 유체 채널 시스템 및 이를 이용한 코어 쉘 구조의 제조방법에 관한 것으로, 상기 방법을 통해 제조된 코어 쉘 구조를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 유체 채널 시스템을 제공할 수 있다. 유체 채널 시스템의 하나의 예로서,
오일 성분을 공급하는 제1 흐름 유로;
셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 제2 흐름 유로;
글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 제3 흐름 유로;
제1 흐름 유로와 제2 흐름 유로가 만나는 제1 반응 유로; 및
제1 반응 유로와 제3 흐름 유로가 만나는 제2 반응 유로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 코어 쉘 구조를 제조하는 방법을 제공할 수 있다. 상기 제조 방법의 하나의 예로서,
오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물과 글리세린을 포함하는 수용액을 혼합하는 단계를 통해 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 코어 쉘 구조를 포함할 수 있다. 상기 코어 쉘 구조의 하나의 예로서,
오일 성분을 함유하는 코어; 및
상기 코어를 감싸고, 셀룰로오스 성분을 함유하는 쉘을 포함하는 코어 쉘 구조를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유체 채널 시스템에서, 간단한 유속 변화를 통해 여러 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있고, 추가적인 독성용매를 사용하지 않는 친환경적인 공정을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에서, 본원에 따른 유체 채널 시스템의 모식도이다.
도 2는 일 실시예에서, 제1 반응 유로에서의 흐름의 종류를 나타낸 것이다.
도 3은 일 실시예에서, 유체 채널 시스템 내에서 파이버 형태의 코어 쉘 구조가 형성을 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에서, 유체 채널 시스템 내에서 로드 형태의 코어 쉘 구조가 형성을 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에서, 유체 채널 시스템 내에서 튜브 형태의 코어 쉘 구조가 형성을 나타낸 것이다.
도 6은 일 실시예에서, 유체 채널 시스템 내에서 캡슐 형태의 코어 쉘 구조가 형성을 나타낸 것이다.
도 7은 일 실시예에서, 제조된 파이버 형태의 코어 쉘 구조를 나타낸 것이다.
도 8은 일 실시예에서, 제조된 로드 형태의 코어 쉘 구조를 나타낸 것이다.
도 9는 일 실시예에서, 제조된 튜브 형태의 코어 쉘 구조를 나타낸 것이다.
도 10은 일 실시예에서, 제조된 캡슐 형태의 코어 쉘 구조를 나타낸 것이다.
도 11은 일 실험예에서, 오일 성분의 유속에 따른 파이버 형성을 나타낸 것이다.
본 발명은 유체 채널 시스템을 제공할 수 있다. 유체 채널 시스템의 하나의 예로서,
오일 성분을 공급하는 제1 흐름 유로;
셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 제2 흐름 유로;
글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 제3 흐름 유로;
제1 흐름 유로와 제2 흐름 유로가 만나는 제1 반응 유로; 및
제1 반응 유로와 제3 흐름 유로가 만나는 제2 반응 유로를 포함하는 유체 채널 시스템을 포함할 수 있다.
상기 유체 채널 시스템이란, 유체 채널을 이용하여 미세 크기의 입자를 제조하는 시스템 내지 장치를 의미할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 유체 채널 시스템은 도 1을 통해 설명할 수 있다. 도 1을 보면, 유체 채널 시스템은 오일 성분을 공급하는 제1 흐름 유로(10), 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 제2 흐름 유로(20), 글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 제3 흐름 유로(30)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 흐름 유로(10)와 제2 흐름 유로(20)가 만나는 제1 반응 유로(40) 및 제1 반응 유로(40)와 제3 흐름 유로(30)가 만나는 제2 반응 유로(50)를 포함하고 있다. 구체적으로, 제1 반응 유로(40)에서는 오일 성분을 공급하는 제1 흐름 유로(10) 주위를 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 포함하는 제2 흐름 유로(20)가 감싸며 흐르는 형태일 수 있다. 또한, 제2 반응 유로(50)에서는 상기 제1 반응 유로(40)를 통해 공급되는 유로를 제3 흐름 유로(30)가 감싸며 흐르는 형태일 수 있다. 이후, 건조 과정을 거쳐서 코어로서 오일을 포함하고, 상기 코어를 둘러싸는 셀룰로오스 쉘을 포함하는 코어 쉘 구조를 제조할 수 있다.
상기 제1 반응 유로(40)는, 제1 흐름 유로(10)와 제2 흐름 유로(20)가 만나는 지점은 평균 직경이 좁고, 이후 넓어지는 병목 구조(60)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 병목 구조에서,
좁은 부분의 평균 직경은 10 내지 30 ㎛이고,
넓은 부분의 평균 직경은 80 내지 120 ㎛일 수 있다.
예를 들어, 좁은 부분의 직경은 15 ㎛일 수 있고, 넓은 부분의 직경은 100 ㎛일 수 있다.
상기 병목 구조의 좁은 부분에서 넓은 부분으로의 유로 직경의 변화는 완만하게 또는 급격하게 변화할 수 있다.
상기 병목 구조를 형성함으로써, 제1 흐름 유로(10)와 제2 흐름 유로(20)가 만나 흐르는 유체가 제1 반응 유로(40) 내로 유입될 때, 효과적인 오일 코어를 형성하는데 용이할 수 있다.
제작된 유체 채널 시스템의 제1 흐름 유로의 평균 직경은 10 내지 50 ㎛이고, 제2 흐름 유로의 평균 직경은 30 내지 70 ㎛이고, 제3 흐름 유로의 평균 직경은 30 내지 70 ㎛이고, 제1 반응 유로의 평균 직경은 20 내지 120 ㎛이고, 제2 반응 유로의 평균 직경은 80 내지 120 ㎛일 수 있다.
예를 들어, 제1 흐름 유로의 직경은 30 ㎛이고, 제2 흐름 유로 및 제3 흐름 유로의 직경은 50 ㎛이며, 제2 반응 유로의 직경은 100 ㎛일 수 있다. 이 때, 제1 반응 유로는 병목 구조의 교축을 형성하므로, 직경이 변하는 유로를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 교축 부분의 직경은 20 ㎛일 수 있으며, 이 후, 직경이 넓어지며 약 100 ㎛까지 넓어질 수 있다.
하나의 예로서, 상기 유체 채널 시스템은 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
0.1 ≤ Q1/Q2 ≤ 2.0
상기 수학식 1에서,
Q1은 제1 흐름의 유속이고,
Q2는 제2 흐름의 유속이다.
구체적으로, 상기 수학식 1은 오일을 함유하는 제1 흐름의 유속과 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 함유하는 제2 흐름의 유속비를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 제2 흐름의 유속 대비 제1 흐름의 유속비는 약 0.1 내지 2.0일 수 있다. 예를 들어, 상기 유속비는 0.1 내지 0.2, 0.2 내지 0.3, 0.3 내지 1.0 또는 0.4 내지 1.8일 수 있다. 상기 범위 내로 조절함으로써, 제1 흐름 유로와 제2 흐름 유로가 만나, 제1 반응 유로로 유입되면서, 제1 흐름 유로에 포함된 오일이 비연속상을 나타낼 수 있다.
유체 채널 시스템은 상기 수학식 1을 만족할 때, 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
0.1 ≤ Q3/Q2 ≤ 3.5
상기 수학식 2에서,
Q2는 제2 흐름의 유속이고,
Q3은 제3 흐름의 유속이다.
구체적으로, 상기 수학식 2는 제2 흐름의 유속과 제3 흐름의 유속비를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 제2 흐름의 유속 대비 제3 흐름의 유속비는 약 0.1 내지 3.5일 수 있다. 예를 들어, 상기 유속비는 0.1 내지 1.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 3.0 또는 3.0 내지 3.5일 수 있다. 상기 범위 내로 조절함으로써, 제2 반응 유로에서 하기 도 3과 같은 형태의 흐름을 형성할 수 있다. 도 3을 보면, 상기 수학식 1의 범위 내에서 형성된 (a) 제1 반응 유로 흐름이 (b) 제2 반응 유로로 유입되며, 이 때, 제1 반응 유로를 제3 흐름 유로가 감싸는 형태로 나타날 수 있다. 이를 통해, 하기 도 2에서 Ⅰ 영역에 해당하는, 비연속상의 오일을 코어로 갖는 파이버 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있다. 도 2는 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속(Qc-IL)에 대한 미네랄 오일의 유속은(QOil)의 유속비를 X축으로, 이온성 액체의 유속(Qc-IL)에 글리세린 수용액의 유속(QWater)의 유속비를 Y축으로 나타내어, 해당 영역에 대한 코어 쉘 구조를 도식화한 그래프이다.
유체 채널 시스템은 상기 수학식 1을 만족할 때, 하기 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
3.5 < Q3/Q2 ≤ 30.0
상기 수학식 3에서,
Q2는 제2 흐름의 유속이고,
Q3은 제3 흐름의 유속이다.
구체적으로, 상기 수학식 3은 제2 흐름의 유속과 제3 흐름의 유속비를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 제2 흐름의 유속 대비 제3 흐름의 유속비는 약 3.5 내지 30일 수 있다. 예를 들어, 상기 유속비는 3.5 내지 4.5, 4.0 내지 10.0, 10.0 내지 28.0 또는 5.0 내지 20.0일 수 있다. 상기 범위 내로 조절함으로써, 제2 반응 유로에서 하기 도 4와 같은 형태의 흐름을 형성할 수 있다. 도 4를 보면, 상기 수학식 1의 범위 내에서 형성된 (a) 제1 반응 유로 흐름이 (b) 제2 반응 유로로 유입되며, 이 때, 제1 반응 유로를 제3 흐름 유로가 감싸는 형태로 나타날 수 있다. 이를 통해, 하기 도 2에서 Ⅱ 영역에 해당하는, 비연속상의 오일을 코어로 갖는 로드 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있다.
또 하나의 예로서, 상기 유체 채널 시스템은 하기 수학식 4를 만족할 수 있다.
[수학식 4]
2.0 < Q1/Q2 ≤ 5.0
상기 수학식 4에서,
Q1은 제1 흐름의 유속이고,
Q2는 제2 흐름의 유속이다.
구체적으로, 상기 수학식 4는 오일을 함유하는 제1 흐름의 유속과 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 함유하는 제2 흐름의 유속비를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 제2 흐름의 유속 대비 제1 흐름의 유속비는 약 2.0 내지 5.0일 수 있다. 예를 들어, 상기 유속비는 2.0 내지 3.0, 2.5 내지 4.0 또는 3.5 내지 5.0일 수 있다. 상기 범위 내로 조절함으로써, 제1 흐름 유로와 제2 흐름 유로가 만나, 제1 반응 유로로 유입되면서, 제1 흐름 유로에 포함된 오일이 연속상을 나타낼 수 있다.
유체 채널 시스템은 상기 수학식 4를 만족할 때, 하기 수학식 5를 만족할 수 있다.
[수학식 5]
0.1 ≤ Q3/Q2 ≤ 2.0
상기 수학식 5에서,
Q2는 제2 흐름의 유속이고,
Q3은 제3 흐름의 유속이다.
구체적으로, 상기 수학식 5는 제2 흐름의 유속과 제3 흐름의 유속비를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 제2 흐름의 유속 대비 제3 흐름의 유속비는 약 0.1 내지 2.0일 수 있다. 예를 들어, 상기 유속비는 0.1 내지 1.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 2.0 또는 1.5 내지 2.0일 수 있다. 상기 범위 내로 조절함으로써, 제2 반응 유로에서 하기 도 5와 같은 형태의 흐름을 형성할 수 있다. 도 5를 보면, 상기 수학식 4의 범위 내에서 형성된 (a) 제1 반응 유로 흐름이 (b) 제2 반응 유로로 유입되며, 이 때, 제1 반응 유로를 제3 흐름 유로가 감싸는 형태로 나타날 수 있다. 이 때, 제3 흐름 유로의 유속이 비교적 느리고 안정적으로 조절하여, 이를 통해, 연속상의 오일을 코어를 둘러싼 셀룰로오스 유체가 끊이지 않고 흘러나와 도 2에서 Ⅲ 영역에 해당하는, 튜브 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있다.
유체 채널 시스템은 상기 수학식 4를 만족할 때, 하기 수학식 6을 만족할 수 있다.
[수학식 6]
2.0 < Q3/Q2 ≤ 30.0
상기 수학식 6에서,
Q2는 제2 흐름의 유속이고,
Q3은 제3 흐름의 유속이다.
구체적으로, 상기 수학식 6은 제2 흐름의 유속과 제3 흐름의 유속비를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 제2 흐름의 유속 대비 제3 흐름의 유속비는 약 2.0 내지 30.0일 수 있다. 예를 들어, 상기 유속비는 2.5 내지 5.5, 4.5 내지 10.0, 9.0 내지 25.0 또는 18.0 내지 29.0일 수 있다. 상기 범위 내로 조절함으로써, 제2 반응 유로에서 하기 도 6과 같은 형태의 흐름을 형성할 수 있다. 도 6을 보면, 상기 수학식 4의 범위 내에서 형성된 (a) 제1 반응 유로 흐름이 (b) 제2 반응 유로로 유입되며, 이 때, 제1 반응 유로를 제3 흐름 유로가 감싸는 형태로 나타날 수 있다. 이 때, 제3 흐름 유로의 유속이 제2 흐름 유로에 비해 2 배 이상 빠르기 때문에 제1 반응 유로에서 연속상의 오일이 형성되었으나, 제2 반응 유로에서는, 하기 도 2에서 Ⅳ 영역에 해당하는, 비연속상의 오일을 코어로 갖는 캡슐 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 코어 쉘 구조를 제조하는 방법을 제공할 수 있다. 하나의 예로서,
오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계; 및
상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물과 글리세린을 포함하는 수용액을 혼합하는 단계를 포함하는 코어 쉘 구조를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
상기 코어 쉘 구조는 유체 채널 시스템을 이용하여 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계는,
셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 유로가 오일 성분을 공급하는 유로를 감싸는 형태로 성분을 혼합할 수 있다.
구체적으로, 상기 오일 성분을 공급하는 유로 및 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 유로의 유속비를 조절하여, 셀룰로오스를 포함하는 유체 내의 오일 성분의 형태를 조절할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로오스를 포함하는 유체 대비 오일 성분 유체의 유속비를 0.1 내지 2.0으로 조절하면, 비연속상의 오일 성분 형태를 구현할 수 있다. 또한, 셀룰로오스를 포함하는 유체 대비 오일 성분 유체의 유속비를 2.0 내지 5.0으로 조절하면, 연속상의 오일 성분 형태를 구현할 수 있다.
상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물과 글리세린을 포함하는 수용액을 혼합하는 단계는,
글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 유로가 혼합물을 공급하는 유로를 감싸는 형태로 성분을 혼합할 수 있다.
구체적으로, 상기 오일 성분을 감싸는 셀룰로오스 유체로 구성된 혼합물을 공급하는 유로를 글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 유로로 감싸는 형태일 수 있다.
상기 오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계에서, 오일 성분과 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체는 서로 섞이지 않기 때문에, 오일 성분을 셀룰로오스 유체가 감싸는 형태로 이온성 액체는 서로 섞이지 않으며 흐른다. 그런 다음, 상기 혼합물을 글리세린을 포함하는 수용액이 감싸며 흐를 때, 이온성 액체는 글리세린 수용액의 물에 녹으면서, 이온성 액체에 녹아 있는 셀룰로오스는 재결정을 이룬다. 이를 통해, 오일 성분의 코어를 셀룰로오스를 이용하여 감싸는 코어 쉘 구조를 여러 형태로 제조할 수 있다.
오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계에서,
셀룰로오스의 함량은, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 30 중량부일 수 있다. 상기 셀룰로오스의 함량 범위 내에서 뭉침 현상을 방지하며 원하는 형태의 코어 쉘 구조를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 코어 쉘 구조를 포함할 수 있다. 하나의 예로서,
오일 성분을 함유하는 코어; 및
상기 코어를 감싸고, 셀룰로오스 성분을 함유하는 쉘을 포함하는 코어 쉘 구조를 포함할 수 있다. 상기 코어 쉘 구조는 여러 형태로 제공할 수 있다.
예를 들어, 파이버, 튜브, 로드 및 캡슐 형태의 구조를 제공할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 파이버 형태의 구조는,
동일 선상에 비연속상인 복수 개의 코어를 포함하며,
상기 코어를 감싸는 연속상의 쉘로 이루어진 구조일 수 있다.
또한, 상기 튜브 형태의 구조는,
연속상의 코어를 포함하며,
상기 코어를 감싸는 연속상인 쉘로 이루어진 구조일 수 있다.
또한, 상기 로드 형태의 구조는,
동일 선상에 비연속상인 복수 개의 코어를 포함하고,
상기 코어를 감싸는 비연속상인 쉘로 이루어진 로드 구조로,
상기 로드의 단축 및 장축 길이의 비율은 1:3 내지 1:30일 수 있다.
또한, 상기 캡슐 형태의 구조는,
비연속상인 코어가 존재하며,
상기 코어를 감싸는 비연속상인 쉘로 이루어진 캡슐 구조로,
상기 캡슐의 단축 및 장축 길이의 비율은 1:1 내지 1:2일 수 있다.
상기 파이버, 튜브, 로드 및 캡슐 형태의 구조를 제조하는 방법으로는, 상기 코어 쉘 구조를 제조하는 방법에서 설명한 바와 같이, 각 원료 성분의 유속을 달리하여 제조할 수 있다. 따라서, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하 실시예 등을 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등은 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
실시예 1: 유체 채널 시스템의 제조
유체 채널 시스템은 폴리디메틸설폭사이드(PDMS)를 이용하여 소프트 리소그래피(soft lithography) 방법으로 제작하였다. 채널 마스터 제작을 위해 실리콘 웨이퍼 상에 광경화성 수지(photoresist)인 SU-8(상품명 SU-8 2050)을 75 ㎛ 두께로 스핀 코팅한 후, 핫 플레이트를 이용하여 95℃에서 25 분간 소프트-베이킹(soft-baking) 하였다. 광경화성 수지필름 위에 마이크로 채널이 프린트된 투명 포토마스크(photomask)를 위치시킨 후, UV 광선(Model B-100A, BLAK-RAY)을 1 분 동안 조사하였다. 그런 다음, 95℃에서 포스트-베이킹(Post-baking)을 실시한 후, 광경화성수지가 코팅된 실리콘 웨이퍼를 SU-8 현상(developer) 용액 상에서 중합되지 않은 SU-8을 제거하고, 150℃에서 1 시간 이상 하드 베이킹(hard baking)한 후, 채널 마스터를 제작하였다. 그런 다음, PDMS를 채널마스터 위에 부은 후, 70℃에서 열경화시켰다. 완성된 PDMS 마이크로 채널을 에어 플라즈마 클리너(air plasma cleaner,Model PDC-32G, Harrick Plasma)를 이용하여 처리하여 유리기판에 붙인 후, 70℃의 핫 플레이트에서 약 1 내지 3분 정도 유지하여 유체 채널을 완성하였다. 체널의 각 주입구를 16G 실린지 주사기 바늘을 이용하여 구멍을 뚫고 튜브를 연결하였다. 제작된 유체 채널 시스템은, 제1 흐름 유로의 직경은 30 ㎛이고, 제2 흐름 유로 및 제3 흐름 유로의 직경은 50 ㎛이며, 제2 반응 유로의 직경은 100 ㎛일 수 있다. 이 때, 제1 반응 유로는 교축 부분의 직경은 20 ㎛이고, 이 후, 직경이 넓어지며 약 100 ㎛까지 넓어지게 제조하였다.
실시예 2: 코어 쉘 구조의 제조방법
파우더 형태의 셀룰로오스를 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸리움아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate)(EMIM-Ac, Sigma Aldrich)에 1.5wt%의 조성으로 섞은 후, 100℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 교반과 함께 3 내지 4시간 동안 완전히 녹였다. 또한, 초순수물에 글리세린을 부피비 6:4 비율로 섞어 60%의 글리세린 수용액을 준비하였다. 그런 다음, 제작된 유체 채널 시스템을 60%의 글리세린 수용액이 들어있는 유리 페트리 디쉬(glass petri dish)에 위치시켰다. 준비된 각 용액을 실린지 펌프(Model: KDS-101)를 이용하여 각 채널에 주입하였다. 이 때, 미네랄 오일의 유속은(QOil)은 0.1~1.0 μL/min의 범위로 제1 흐름 유로로 주입하였고, 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속(Qc-IL)은 0.5~1.0 μL/min의 범위로 제2 흐름 유로로 주입하였으며, 60%의 글리세린 수용액의 유속(QWater)은 1~134 μL/min으로 조절하며 제3 흐름 유로로 주입하여 코어 쉘 구조를 제조하였다.
광학현미경(Nikon TX100)을 이용하여 채널 내의 유체의 흐름은 광학현미경에 장착된 고감도(high sensitive) CCD 카메라(Jenoptik, ProRes CF USB cooled Digital Camera)통해 관찰하였다. 셀룰로오스에 sudanⅠdye(420nm)을 넣고 미네랄 오일에는 blule N dye(700nm)를 넣어 형광현미경(Olympus BX-51)을 이용하여 용액 내의 코어 쉘 구조의 형태를 관찰하였고, 건조된 상태에서의 형태를 광학현미경에 장착된 고감도 CCD 카메라(Jenoptik, ProRes CF Scan cooled Digital Camera)를 이용하여 관찰하였다.
실시예 3: 파이버 및 로드 형태의 코어 쉘 구조의 제조
상기 실시예 2의 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속을 1.0μL/min으로 고정하고, 미네랄 오일의 유속을 0.1~0.4μL/min으로, 글리세린 수용액의 유속을 1.7~5μL/min으로 조절하였다.
이 때, 미네랄 오일의 유속이 빨라지면서 비연속상의 미네랄 오일의 직경 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 글리세린 수용액의 유속은 오일 에멀전 크기에 크게 영향을 주지 않지만, 수용액의 흐름이 불안정하거나 높은 유속에서는 셀룰로오스 파이버가 끊어지면서 로드(rod) 형태가 형성됨을 확인할 수 있었다. 즉, 파이버나 로드 형태의 셀룰로오스가 포함하고 있는 미네랄 오일의 직경 크기는 오일 유속에 의해 조절이 가능하고, 오일을 감싸고 있는 셀룰로오스의 형태는 수용액의 속력에 의해 조절 가능하단 것을 확인할 수 있었다. 상기 파이버 및 로드의 구조는 각각 도 7 및 8을 통해 확인할 수 있다.
실시예 4: 튜브 및 캡슐 형태의 코어 쉘 구조의 제조
상기 실시예 2의 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속을 1.0μL/min으로 고정하고, 미네랄 오일의 유속을 2.5~5.0μL/min으로, 글리세린 수용액의 유속을 0.8~14.0μL/min으로 조절하였다. 이 때, 수용액을 느리게 흘려주면 셀룰로오스 유체가 끊기지 않는 튜브 구조를 형성할 수 있었다. 이는 도 9를 통해 확인할 수 있다.
또한, 수용액을 빠르게 흘려주면 셀룰로오스 유체를 끊어주어 캡슐 구조를 형성할 수 있었다. 이는 도 10을 통해 확인할 수 있다.
실험예 1
상기 실시예 2의 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속을 1.0μL/min으로, 글리세린 수용액의 유속을 5μL/min으로 고정하였으며, 오일 성분의 유속을 (a) 0.1, (b) 0.2 및 (c) 0.3μL/min으로 달리하여 실험하였다. 그 결과는 도 11에 나타내었다. 도 11을 보면, 각 (a), (b) 및 (c)의 상부에 위치한 것은 제1 반응 유로를 나타내고, 하부에 위치한 것은 제2 반응 유로를 나타낸다. 구체적으로, 비연속상의 오일 코어를 갖는 셀룰로오스 파이버를 형성하였으며, 상기 비연속상의 오일 코어의 직경은 각각 12, 18, 28 μm로, 오일 성분의 유속이 빨라짐에 따라, 오일 코어의 직경 또한 점점 커지는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 2의 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속을 1.0μL/min으로, 오일 성분의 유속을 0.3 μL/min으로 고정하였으며, 글리세린 수용액의 유속을 (a) 1.0, (b) 1.7 및 (c) 3.3μL/min으로 달리하여 실험하였다. 그 결과 비연속상의 오일 코어를 갖는 셀룰로오스 파이버를 형성하였으며, 상기 비연속상의 오일 코어 간의 간격은 각각 97, 182.5, 212.4 μm로, 글리세린 수용액의 유속이 빨라짐에 따라, 오일 코어 간의 간격 또한 점점 멀어지는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3
상기 실시예 2의 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 셀룰로오스가 녹아있는 이온성 액체의 유속을 0.5μL/min으로, 오일 성분의 유속을 1.5 μL/min으로 고정하였으며, 글리세린 수용액의 유속을 2.3, 5.5 및 8.3μL/min으로 달리하여 실험하였다. 그 결과 오일 코어를 갖는 셀룰로오스 캡슐을 형성하였으며, 상기 셀룰로오스 캡슐의 직경은 각각 85.0, 78.3, 77.2 μm로, 글리세린 수용액의 유속이 빨라짐에 따라, 셀룰로오스 캡슐의 직경은 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
10: 제1 흐름 유로
20: 제2 흐름 유로
30: 제3 흐름 유로
40: 제1 반응 유로
50: 제2 흐름 유로
60: 병목 구조

Claims (19)

  1. 오일 성분을 공급하는 제1 흐름 유로;
    셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 제2 흐름 유로;
    글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 제3 흐름 유로;
    제1 흐름 유로와 제2 흐름 유로가 만나는 제1 반응 유로; 및
    제1 반응 유로와 제3 흐름 유로가 만나는 제2 반응 유로를 포함하는 유체 채널 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 반응 유로는, 제1 흐름 유로와 제2 흐름 유로가 만나는 지점은 평균 직경이 좁고, 이후 넓어지는 병목 구조인 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 병목 구조에서,
    좁은 부분의 평균 직경은 10 내지 30 ㎛이고,
    넓은 부분의 평균 직경은 80 내지 120 ㎛인 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 흐름 유로의 평균 직경은 10 내지 50 ㎛이고,
    제2 흐름 유로의 평균 직경은 30 내지 70 ㎛이고,
    제3 흐름 유로의 평균 직경은 30 내지 70 ㎛이고,
    제1 반응 유로의 평균 직경은 20 내지 120 ㎛이고,
    제2 반응 유로의 평균 직경은 80 내지 120 ㎛인 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템:
    [수학식 1]
    0.1 ≤ Q1/Q2 ≤ 2.0
    상기 수학식 1에서,
    Q1은 제1 흐름의 유속이고,
    Q2는 제2 흐름의 유속이다.
  6. 제 5 항에 있어서,
    하기 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템:
    [수학식 2]
    0.1 ≤ Q3/Q2 ≤ 3.5
    상기 수학식 2에서,
    Q2는 제2 흐름의 유속이고,
    Q3은 제3 흐름의 유속이다.
  7. 제 5 항에 있어서,
    하기 수학식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템:
    [수학식 3]
    3.5 < Q3/Q2 ≤ 30.0
    상기 수학식 3에서,
    Q2는 제2 흐름의 유속이고,
    Q3은 제3 흐름의 유속이다.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하기 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템:
    [수학식 4]
    2.0 < Q1/Q2 ≤ 5.0
    상기 수학식 4에서,
    Q1은 제1 흐름의 유속이고,
    Q2는 제2 흐름의 유속이다.
  9. 제 8 항에 있어서,
    하기 수학식 5를 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템:
    [수학식 5]
    0.1 ≤ Q3/Q2 ≤ 2.0
    상기 수학식 5에서,
    Q2는 제2 흐름의 유속이고,
    Q3은 제3 흐름의 유속이다.
  10. 제 8 항에 있어서,
    하기 수학식 6을 만족하는 것을 특징으로 하는 유체 채널 시스템:
    [수학식 6]
    2.0 < Q3/Q2 ≤ 30.0
    상기 수학식 6에서,
    Q2는 제2 흐름의 유속이고,
    Q3은 제3 흐름의 유속이다.
  11. 오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물과 글리세린을 포함하는 수용액을 혼합하는 단계를 포함하는 코어 쉘 구조를 제조하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계는,
    셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 공급하는 유로가 오일 성분을 공급하는 유로를 감싸는 형태로 성분을 혼합하는 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조를 제조하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계를 통해 제조된 혼합물과 글리세린을 포함하는 수용액을 혼합하는 단계는,
    글리세린을 포함하는 수용액을 공급하는 유로가 혼합물을 공급하는 유로를 감싸는 형태로 성분을 혼합하는 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조를 제조하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    오일 성분과, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체를 혼합하는 단계에서,
    셀룰로오스의 함량은, 셀룰로오스를 포함하는 이온성 액체 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 30 중량부인 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조를 제조하는 방법.
  15. 오일 성분을 함유하는 코어; 및
    상기 코어를 감싸고, 셀룰로오스 성분을 함유하는 쉘을 포함하는 코어 쉘 구조.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 코어는 동일 선상에 비연속상인 복수 개의 코어를 포함하며,
    상기 코어를 감싸는 연속상의 쉘로 이루어진 파이버 구조인 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 코어는 연속상의 코어를 포함하며,
    상기 코어를 감싸는 연속상인 쉘로 이루어진 튜브 구조인 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 코어는 동일 선상에 비연속상인 복수 개의 코어를 포함하고,
    상기 코어를 감싸는 비연속상인 쉘로 이루어진 로드 구조로,
    상기 로드의 단축 및 장축 길이의 비율은 1:3 내지 1:30인 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 코어는 비연속상인 코어가 존재하며,
    상기 코어를 감싸는 비연속상인 쉘로 이루어진 캡슐 구조로,
    상기 캡슐의 단축 및 장축 길이의 비율은 1:1 내지 1:2인 것을 특징으로 하는 코어 쉘 구조.
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