KR20170125195A - 미생물 부착 방지 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents

미생물 부착 방지 구조물 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

미생물이 표면에 부착하여 증식하는 것을 방지하는 미생물 부착 방지 구조물에 관한 것으로서, 끝이 뾰족한 복수 개의 돌기형 구조물을 포함하되, 수지 조성물로 이루어진 나노 구조물; 및 상기 나노 구조물 내에 분포하는 나노 금속 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 미생물 부착 방지 구조물의 제조 방법은 액상 수지를 준비하는 단계(S100); 상기 액상 수지에 나노 금속 입자를 섞는 단계(S200); 상기 액상 수지를 기판에 도포하는 단계(S300); 상기 액상 수지에 복수 개의 돌기형 구조물에 대응되는 패턴이 형성된 마스터 템플릿으로 가압하는 단계(S400); 및 상 수지를 경화하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미생물 부착 방지 구조물 및 그 제조 방법 {STRUCTURE FOR PREVENTING MICROORGANISM ATTACHMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 미생물 부착 방지 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더 자세하게는 나노 패턴 및 나노 금속 입자를 이용하여 미생물이 물체의 표면에 부착되어 증식하는 것을 방지할 수 있는 미생물 부착 방지 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 미생물(microorganism)은 단독으로 부유하면서 생존하는 경우는 드물며, 대부분 자신이 만들어내는 폴리머 물질에 의하여 미생물들끼리 3차원적인 구조물을 형성하게 되는데, 이를 생물막(Biofilm)이라 부른다. 미생물에 의한 생물막은 거의 모든 종류의 고체 표면과 살아있는 생물의 조직에서 형성될 수 있다.
도 1은 미생물이 고체의 표면에 부착하여 생물막이 형성되는 과정을 도시한 것이다. 공중을 부유하던 미생물이 고체의 표면에 부착하게 되면, 미생물들은 폴리머 물질을 분비하여 생물막을 형성한 상태에서 증식을 하게 된다. 그리고 미생물의 증식이 이어지게 되면, 세물막이 성장하다가 어느 순간 세물막에서 미생물의 일부가 분리되어 공중을 부유하게 된다.
특히 감염 과정에서 병원균은 카테터, 각종 삽입 보형물, 인공장기와 같은 의료기구에 생물막을 형성할 수 있고, 더 나아가, 수도관, 하수관, 정수기, 공기 정화시설 등 미생물이 접근할 수 있는 모든 종류의 인공 시설물에도 미생물은 생물막을 형성할 수 있기 때문에, 생물막의 형성을 막는 것은 의학 분야 뿐만 아니라, 토목, 건축, 도시, 환경 공학 등 다양한 기술 분야에서 오랫동안 다루어져 온 관심사 중 하나였다.
그러므로 미생물의 증식을 막기 위해서는 미생물이 고체의 표면에 부착하여 생물막을 형성하는 것을 방지할 필요가 있고, 이를 위하여 표면에 미세 패턴을 형성하는 기술이 알려져 있었다. 도 2는 특허문헌 1에 따른 미세 패턴을 도시하고 있는 단면도로서, 베이스 필름(42A) 상에 합성 폴리머 필름(34A)를 형성하되, 합성 폴리머 필름(34A) 상에는 다수 개의 첨단부(34Ap)가 형성되어 있다. 전술한 구조물의 첨단부(34Ap)는 날카로운 돌기 형태로 형성되고, 위 첨단부(34Ap)가 미생물 또는 박테리아의 세포벽을 파괴함으로써 미생물이 표면에 부착하여 증식하는 것을 방지할 수 있게 된다.
또 다른 미생물 증식 방지 기술로서, 구리 또는 은과 같은 금속의 나노 입자를 고체의 표면에 코팅하는 기술이 알려져 있다. 구리 또는 은의 나노 입자가 미생물의 내부로 침투할 경우 미생물의 대사활동을 교란시켜 살균 효과를 가져온다는 사실이 알려져 있다. 위 금속 나노 입자를 고체의 표면에 형성 또는 코팅하기 위해서는 일반적으로 스퍼터링 또는 이온 플레이팅 등과 같은 증착기술이 주로 이용되고 있다.
상술한 바와 같이, 미생물이 표면에 부착하여 성장하는 것을 막기 위한 다양한 기술들이 알려져 있지만, 금속 나노 입자 코팅 또는 첨단부를 가지는 미세 구조물 자체만으로는 충분한 살균력을 얻는 데는 한계가 있었다.
더 나아가, 금속 나노 입자를 표면에 코팅하기 위해서는 주로 스퍼터링(sputtering) 가공이 이용되거나, 혹은 미세 다공질 담체에 금속 전구체를 반응시켜 생성되는 금속 나노 입자 콜로이드를 이용해 금속 나노 입자 콜로이드에서 금속 나노 입자를 피처리체의 표면에 고정시키는 기술이 이용되고 있는데(특허문헌 2), 전술한 종래의 금속 나노 입자 코팅 기술들은 높은 비용을 필요로 하거나 복잡한 공정을 거쳐야 하므로, 생산 비용 상승의 원인이 되고 있다.
[특허문헌 1] 유럽 공개특허공보 제2 979 844호 (2016.02.03.) [특허문헌 2] 일본 공개특허공보 제2009-174031호 (2009.08.06.)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래에 이용되어오던 미생물 부착 방지 구조물에 비하여 미생물 부착 방지 효과가 월등하게 향상된 미생물 부착 방지 구조물을 제공함과 동시에, 경제적이고 간편하게 미생물 부착 방지 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 미생물이 물체의 표면에 부착하여 증식하는 것을 방지하는 미생물 부착 방지 구조물에 관한 것으로서, 미생물이 표면에 부착되는 것을 방해하는 돌기형 구조물을 가지되, 수지 조성물로 이루어진 나노 구조물(130); 및 상기 나노 구조물 내에 분포하는 다수의 나노 금속 입자(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
참고로, 미생물이 부착하는 것을 방해하는 돌기형 구조물은 끝이 뾰족한 복수 개의 첨단형(尖端形) 구조물일 수 있는데, 끝 부분이 뾰족하여 미생물의 세포막에 손상을 줄 수 있는 형태를 가지고 있다면 그 구체적인 형상은 한정되지 아니하나, 일반적으로 피라미드 또는 원뿔형상을 가지게 된다. 더 나아가, 상기 돌기형 구조물은 사인파형 구조물(sinusoidal), 기둥형 구조물(column) 또는 뒤집어진 형태의 U자 형태의 구조물일 수 있다.
상기 다수의 나노 금속 입자(120)는 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn), 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 하나 이상의 금속일 수 있는데, 상기 다수의 나노 금속 입자(120)는 나노 구조물(130)의 표면에 집중 분포하거나, 또는 나노 구조물(130)의 표면에서 안쪽으로 들어갈수록 분포 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 미생물이 표면에 부착하여 증식하는 것을 방지하는 미생물 부착 방지 구조물의 제조 방법을 제공하는데, 위 제조 방법은 액상 수지를 준비하는 단계(S100); 상기 액상 수지에 나노 금속 입자를 섞는 단계(S200); 상기 액상 수지를 기판에 도포하는 단계(S300); 상기 액상 수지에 복수 개의 돌기형 구조물에 대응되는 패턴이 형성된 마스터 템플릿으로 가압하는 단계(S400); 및 액상 수지를 경화하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 마스터 템플릿으로 가압하는 단계(S400)와 액상 수지를 경화하는 단계(S600) 사이에, 상기 마스터 템플릿에 전기장을 형성하여 나노 금속 입자의 배치 상태를 제어하는 단계(S500)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 액상 수지를 경화시키는 단계(S600) 이후에 나노 금속 입자가 경화된 수지의 표면으로 드러나도록 후처리 하는 단계(S700)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 미생물 방지 구조물은 비교적 저렴하고 가공이 쉬운 폴리머 수지로 형성되되 미생물이 표면에 부착하는 것을 방지하는 돌기 형상을 가짐과 동시에, 그 표면에는 나노 금속 입자가 분포해 있어서, 미생물이 표면에 부착하는 것을 지연시킴과 동시에, 나노 금속 입자가 미생물의 세포 내로 침투함으로써, 살균력을 가질 수 있다.
더 나아가 상기 돌기 형상을 가지는 나노 구조물이 끝이 뾰족한 복수 개의 첨단형(尖端形) 구조물일 경우에는 미생물의 세포막이 첨단부에 의해서 파손됨과 동시에 나노 금속 입자가 미세물의 세포 내로 용이하게 침투함으로써, 살균력을 극대화시킬 수 있게 된다.
더 나아가, 본 발명에서는 나노 금속 입자가 스퍼터링 등의 방식이 아니라, 경화되기 전의 폴리머 수지 내에 부유하는 나노 금속 입자를 전기적으로 유도하여 구조물의 표면으로 유도하는 방식으로 제조함으로써, 제조 과정이 단순해지고 제조 원가를 크게 낮출 수 있게 된다.
도 1은 미생물이 구조물의 표면에 안착하여 생물막을 형성하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 미생물 부착 방지 구조물을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 측단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 제조 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 액상 수지에 나노 금속 입자가 섞여 있는 상태를 도시한 것이다.
도 8은 기판에 액상 수지가 도포된 상태를 도시한 것이다.
도 9는 기판에 도포된 액상 수지를 패턴이 형성된 마스터 템플릿으로 압착하여 액상 수지 상에 패턴을 형성하는 상태를 도시한 것이다.
도 10은 마스터 템플릿에 전기장을 걸어서 액상 수지에 섞여 있는 금속 나노 입자의 분포를 제어하는 상태를 도시한 것이다.
도 11은 액상 수지가 경화되어 고체상의 나노 구조물이 형성된 상태를 도시한 것이다.
도 12는 도 11의 고체상의 구조물에서 표면의 수지 물질을 제거하여 금속 나노 입자가 나노 구조물 외측으로 노출되도록 한 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 일 실시예를 도시한 사시도이다. 미생물 부착 방지 구조물은 끝이 뾰족한 다수 개의 첨단형(尖端形) 구조물의 집합체로 이루어지는데, 통상 피라미드 또는 원뿔 형태로 만들어질 수 있다.
도 3에 도시된 실시예는 살균 효과의 극대화를 위하여 미생물 부착 방지 구조물이 끝이 뾰족한 다수 개의 첨단형(尖端形) 구조물의 집합체로 이루어진 구성을 가지고 있으나, 첨단형 구조물이 아니더라도 미생물이 표면에 부착하는 것을 방해할 수 있는 돌기 형상이라면 그 구체적인 돌기 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 평면 상에서 돌출되어 있는 복수 개의 사인파형 구조물(sinusoidal), 기둥형 구조물(column) 또는 뒤집어진 형태의 U자 형태의 구조물 역시 미생물이 표면에 부착하는 것을 방해할 수 있다.
이하에서는 가장 극대화된 효과를 가져오는 형태인 첨단형 구조물을 중심으로 본 발명을 설명할 것이나, 아래에서 설명되는 내용은 첨단형 구조물이 아닌 형태의 돌기 구조물(사인파형 구조물, 기둥형 구조물, 뒤집어진 U 형태의 구조물)에도 적용될 수 있음을 통상의 기술자라면 자명하게 알 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 단면을 도시한 것이다. 기판(200) 상에 미생물 부착 방지 구조물(100)이 형성되는데, 미생물 부착 방지 구조물(100)은 폴리머 수지로 만들어진 나노 구조물(130)과 상기 나노 구조물(130)의 표면에 형성된 나노 금속 입자(120)로 이루어진다. 여기서 기판(200)은 미생물 부착 방지 구조물이 형성될 필요성이 있는 장치의 표면일 수 있다.
그리고 나노 구조물(130)은 끝이 뾰족한 다수 개의 첨단형(尖端形) 구조물로 이루어지는데, 위 첨단형(尖端形) 구조물은 일반적으로 피라미드형이거나 원뿔형 구조물일 수 있지만, 끝이 뾰족하여 미생물의 세포막에 영향을 줄 수 있는 형태의 구조물이라면 그 구체적인 형상은 한정되지 아니한다.
나노 구조물(130)은 가공의 편의를 위하여 수지 조성물로 만들어지는데, 바람직하게는 경화 전에는 액상의 상태를 유지하다가 자외선 등을 조사하였을 때 고체화되는 광경화성 수지 조성물로 만들어진다. 일반적으로 이용되는 광경화성 수지 조성물로는 아크릴이나 에폭시 계열이 있을 수 있으나, 광경화 이전에는 액상으로 있다가 광경화 이후에는 고체상이 되는 물질이라고 한다면 물질 자체는 제한되지 아니한다. 더 나아가 본 발명에 따른 나노 구조물(130)은 페놀수지 및 에폭시 수지 등과 같은 열경화성 수지 조성물로도 만들어질 수 있다.
나노 구조물(130)을 구성하는 첨단형(尖端形) 구조물은 살균 대상에 따라 그 사이즈가 달라질 수는 있으나, 일반적으로 서로 이웃하는 첨단형(尖端形) 구조물의 첨단부들 사이의 거리(피치;D)는 200-300 nm, 그리고 나노 구조물(130)의 바닥으로부터 첨단부까지의 수직 거리(높이;H)는 300-500 nm 일 때 효과가 좋음을 확인할 수 있었다.
참고로, 구조물의 높이(H)는 높으면 높을수록 그 효과는 커지겠지만, 나노 구조물 제작 기술의 한계 및 비용 등을 고려하여 적당한 수준(돌기 구조물 폭의 두 배 이상)에서 결정될 수 있다. 그리고 나노 구조물의 피치는 미생물(박테리아)의 크기의 1/2 내지 1/3 크기로 설계되는 것이 바람직하다.
나노 금속 입자(120)는 살균에 효과가 있다가 알려져 있는 금속이라면 금속의 종류에 제한 없이 사용될 수 있는데, 일반적으로 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn), 팔라듐(Pd)의 나노 입자가 효과가 좋은 것으로 알려져 있다. 나노 금속 입자의 사이즈는 살균 대상에 따라 최적 사이즈가 달라질 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 미생물 부착 방지 구조물(100)에 접근하는 미생물은 미생물 부착 방지 구조물(100)의 표면에 존재하는 나노 금속 입자(120)가 미생물에 침투하여 미생물의 대사 활동을 방해하게 되는데, 이 때 나노 구조물(130)의 첨단부가 미생물의 세포막에 손상을 가하게 되면 살균 효과가 증폭되어 나노 구조물 또는 나노 금속 입자만 각각 존재할 때 비하여 상승된 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 제2 실시예에 따른 미생물 부착 방지 구조물(100)을 단면을 도시하고 있다. 제1 실시예와는 나노 금속 입자(120)의 분포 양상에 차이가 있는데, 제1 실시에는 나노 구조물(130)의 표면에 나노 금속 입자(120)가 몰려 있는데 반하여, 제2 실시에에서는 나노 금속 입자(120)가 나노 구조물(130) 내부까지 분포하여 있다.
일반적으로 비용 대 효과 측면에서는 나노 금속 입자(120) 모두가 나노 구조물(130) 표면에 몰려 있는 것이 바람직할 것이다. 그렇지만 미생물 부착 방지 구조물(100)의 교체가 어려운 환경에서 사용되어야할 경우, 장기간의 사용으로 인하여 나노 구조물(130)의 표면에 있는 나노 금속 입자가 마모 등으로 인해 손실될 수 있는데, 제2 실시예와 같은 형태의 미생물 부착 방지 구조물(100)을 활용할 경우, 표면 안쪽에 존재하는 금속 나노 입자(120)가 손실된 나노 금속 입자를 대신하여 살균 기능을 이어갈 수 있다. 이 경우 금속 나노 입자(120)는 나노 구조물(130)의 내부면에 전체적으로 고르게 분포될 수 있으나, 바람직하게는 나노 구조물(130)의 표면에서 분포 밀도가 가장 높고, 나노 구조물(130)의 내부 면으로 들어갈수록 금속 나노 입자(120)의 분포 밀도가 낮아질 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 미생물 부착 방지 구조물의 제조 과정을 도시한 흐름도이고, 도 7 내지 도 12는 위 흐름도의 각 단계에 해당하는 과정을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 액상의 수지를 준비하는 단계(S100) 및 준비된 액상의 수지에 나노 금속 입자를 혼합하는 단계(S200)를 수행하는데, 액상의 수지는 광경화성 수지인 것이 바람직하나, 열경화성 수지가 사용될 수도 있다. 나노 금속 입자는 액상의 수지 내에 고르게 분포시키는 것이 후속 공정에 도움을 줄 수 있으나, 전기장에 의하여 나노 금속 입자는 액상의 수지 내에서 재분포하게 되므로 균일도 여부는 크게 문제되지는 않는다.
도 8은 단계(S200)에 의하여 준비된 나노 금속 입자가 섞여 있는 액상의 수지(300)를 기판(400) 위에 도포하는 단계(S300)를 도시하고 있다. 여기서 기판(400)은 미생물 부착 방지 구조물 제조 과정에서 임시로 사용되는 제작 도구로서, 전술한 기판(200)과는 다른 개념이다.
도 9는 기판(400) 상에 도포된 액상의 수지(300) 위에 마스터 탬플릿(500)을 놓고 액상의 수지(300)를 가압하는 단계(400)를 도시하는데, 마스터 탬플릿(500)의 표면에는 첨단형(尖端形) 구조물을 포함하는 나노 구조물(130)에 대응하는 형태의 패턴이 형성되어 있고, 위 패턴에 대응하는 형태로 액상의 수지(300)의 표면 형태는 성형된다.
도 10은 마스터 탬플릿(500)에 전기장을 걸어주는 단계(S500)를 도시하는데, 바람직하게는 양의 전기장을 걸어주게 되면, 액상의 수지(300) 내에 분포하는 나노 금속 입자(120)가 전기장의 힘에 의하여 유체인 수지 내에서 이동하게 되고, 결국은 마스터 템플릿(500)과 액상의 수지(300)가 접하는 부분으로 이동하게 된다. 그러므로 전기장의 강도 및 전기장을 걸어주는 시간을 조절함으로써, 액상의 수지(300) 내에서 나노 금속 입자(120)가 분포하는 형태를 조절할 수 있다.
도 11은 액상의 수지를 열경화 또는 광경화시키는 단계(S600)를 도시하는데, 위 경화 과정을 거치게 되면, 유동성을 가지던 수지는 유동성을 잃고 고체화됨으로써, 나노 구조물(120)이 형성된다.
도 12는 경화된 수지의 패턴 형성면을 후처리 하는 단계(S700)를 도시하는데, 나노 구조물(120)의 표면 부근에 존재하는 나노 금속 입자(120)가 나노 구조물(120) 외부로 노출될 수 있도록 나노 금속 입자(120)를 덮고 있는 얇은 수지 막을 제거하는 단계이다. 위 과정은 블래스팅(blasting)에 의하여 이루어질 수도 있으나, 얇은 수지 막을 제거할 수 있는 방법이라고 한다면, 그 구체적인 방법은 제한되지 아니한다.
전술한 방법에 의하여 제조되는 미생물 부착 방지 구조물은 카테터, 각종 삽입 보형물, 인공장기와 같은 의료기구에 생물막을 형성할 수 있고, 더 나아가, 수도관, 하수관, 정수기, 공기 정화시설 등 미생물이 접근할 수 있는 모든 종류의 인공 시설물에 적용될 수 있다.
100: 미생물 부착 방지 구조물 120: 나노 금속 입자
130: 나노 구조물 200: 기판
300: 액상 수지 400: 기판
500: 마스터 템플릿

Claims (9)

  1. 미생물이 물체의 표면에 부착하여 증식하는 것을 방지하는 미생물 부착 방지 구조물에 관한 것으로서,
    미생물의 부착을 방지하는 복수의 돌기 구조물을 포함하되, 수지 조성물로 이루어진 나노 구조물(130); 및
    상기 나노 구조물 내에 분포하는 다수의 나노 금속 입자(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기 구조물은 끝이 뾰족한 복수 개의 첨단형(尖端形) 구조물인 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 돌기 구조물은 사인파형 구조물, 기둥형 구조물, 뒤집어진 U 형태의 구조물 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 나노 금속 입자(120)는 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn), 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 나노 금속 입자(120)는 나노 구조물의 표면(130)에 분포하는 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 나노 금속 입자(120)는 나노 구조물(130) 내에 분포하되, 표면에서 안쪽으로 들어갈수록 분포 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물.
  7. 미생물이 표면에 부착하여 증식하는 것을 방지하는 미생물 부착 방지 구조물의 제조 방법에 관한 것으로서,
    액상 수지를 준비하는 단계(S100);
    상기 액상 수지에 나노 금속 입자를 섞는 단계(S200);
    상기 액상 수지를 기판에 도포하는 단계(S300);
    상기 액상 수지에 복수 개의 돌기형 구조물에 대응되는 패턴이 형성된 마스터 템플릿으로 가압하는 단계(S400); 및
    액상 수지를 경화하는 단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물의 제조 방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 마스터 템플릿으로 가압하는 단계(S400)와 액상 수지를 경화하는 단계(S600) 사이에, 상기 마스터 템플릿에 전기장을 형성하여 나노 금속 입자의 배치 상태를 제어하는 단계(S500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물의 제조 방법.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 액상 수지를 경화시키는 단계(S600) 이후에 나노 금속 입자가 경화된 수지의 표면으로 드러나도록 후처리 하는 단계(S700)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 부착 방지 구조물의 제조 방법.






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