KR20220111569A - 이온전도성 겔을 포함하는 복합재료 및 이의 용도 - Google Patents
이온전도성 겔을 포함하는 복합재료 및 이의 용도 Download PDFInfo
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Abstract
이온전도성 겔 및 상기 이온전도성 겔의 적어도 일부를 감싸는 절연성 엘라스토머 층을 포함하는 복합재료, 상기 복합재료를 제조하는 방법, 상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물, 상기 복합재료 및 직물 중 어느 하나 이상을 포함하는 패치를 제공한다.
Description
신규 복합재료 및 이의 용도에 관한 것이다.
기존의 창상 치료 재료는 상처를 보호하거나 외부로부터의 오염을 방지하고, 삼출액을 흡수하며, 출혈이나 체액의 손실을 막기 위한 목적으로 사용되고 있다. 습윤 형태의 창상 치료 재료의 대표적인 예로 하이드로겔 재료가 있다. 하이드로겔은 다량의 수분이 고분자 격자 내에 채워져 3차원 망상 구조를 유지하는 상태를 말하며, 친수성 작용기 및 모세관/삼투압 현상에 의해 수분을 흡수하고 팽윤하는 특성을 지녀 시트, 유동형 겔 등 다양한 형태의 제품으로 사용되고 있다. 그 밖에도 피부 상처 부위를 냉각하는 효과, 적용 및 제거의 용이성, 그리고 화상 부위 등 심각한 상처 치료에의 적합성 등을 이유로 습윤 형태의 창상 치료 재료 사용이 확대되는 추세이다.
하지만, 습윤 형태의 창상 치료 재료는 상처 부위에 적용 후 시간이 지남에 따라 수분 증발이 발생하여 빈번한 교체가 필요할 뿐 아니라, 습윤 환경을 제공하는 것 외에 상처 치유를 촉진하기 위한 세포 자체의 기능성 부여는 낮다. 따라서, 새로운 형태의 창상 치료 재료 개발이 필요하다.
한편, 인간의 피부 조직은 기본적으로 약 20-50mV의 퍼텐셜을 가지고 있음이 알려져 있다. 이는 피부 표피층에서 ATP 기반으로 작동하는 나트륨/칼륨 펌프에 의한 작용이다. 상처가 발생한 경우 유지되던 퍼텐셜에 변화를 유도하고 이로 인해 상처 방향으로 전기 퍼텐셜이 작용하여 세포 이동을 촉진하여 상처를 치료하는 것이 피부 배터리 효과로 알려져 있다. 이러한 현상에서 외부로부터 전기 자극을 가할 경우, ATP 반응을 촉진하고, 세포 분화를 활발히 발생하게 하여 상처를 효과적으로 치료할 수 있다.
이온전도성 겔 및 상기 이온전도성 겔의 적어도 일부를 감싸는 절연성 엘라스토머 층을 포함하는 복합재료를 제공한다.
상기 복합재료를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물을 제공한다.
상기 복합재료 및 상기 직물 중 어느 하나 이상을 포함하는 패치를 제공한다.
일 양상은 매트릭스 폴리머, 전해질, 및 겔 상태를 유지하기 위하여 상기 매트릭스 폴리머 내에 함침된 용매를 포함하는 이온전도성 겔; 및 상기 이온전도성 겔의 적어도 일부를 감싸는 절연성 엘라스토머 층을 포함하는, 복합재료를 제공한다.
상기 복합재료는 상기 절연성 엘라스토머 층의 표면에 형성된 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 코팅층은 (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실)트리클로로실란 (HDFS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 불화 에틸렌프로필 공중합체(FEP), 및 퍼플루오르알콕시(PFA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 매트릭스 폴리머는 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리피롤, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리(알킬아크릴레이트), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아닐린, 폴리비닐아세테이트, 폴리(에틸비닐아세테이트), 폴리(에틸-co-비닐 아세테이트), 폴리비닐부티레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리메타크릴산 에스테르, 폴리메타크릴아마이드, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(2-비닐피리딘), 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐부티랄, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르에테르케톤, 스티렌/아크릴산 에스테르, 비닐아세테이트/아크릴산 에스테르, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체(copolymer), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아민, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르술폰, 폴리메틸스티렌, 폴리클로로스티렌, 폴리스티렌술포네이트, 폴리스티렌술포닐 플루오라이드, 멜라민-포름알데히드 수지, 나일론, 에폭시 수지, 폴리락타이드, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리디메틸실록산, 폴리(스티렌-co-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-co-부타디엔), 폴리(스티렌-co-디비닐 벤젠), 폴리(디메틸실록산-co-폴리에틸렌옥사이드), 폴리(락트산-co-글리콜산), 실리콘 수지, 및 셀룰로오즈로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 전해질은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, (FSO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬이미드, KCl, 및 NaCl2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 용매는 유기 용매 또는 물일 수 있다.
상기 유기 용매는 에틸렌글리콜, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 디메틸술폭사이드, 헥사메틸렌포스포트리아미드, N-비닐피롤리돈, N-비닐포름아미드, N-비닐-아세트아미드, 크레졸, 페놀, 크실레놀, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부틸렌글리콜, 글리세린, 디글리세린, D-글루코스, D-글루시톨, 이소프렌글리콜, 부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,9-노난디올, 네오펜틸글리콜, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디옥산, 디에틸에테르, 디알킬에테르, 프로필렌글리콜디알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜디알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜디알킬에테르, 3-메틸-2-옥사졸리디논, 아세토니트릴, 글루타로디니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 및 벤조니트릴로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 겔은 유기겔(organogel) 또는 하이드로겔일 수 있다.
상기 절연성 엘라스토머는 실리콘 엘라스토머일 수 있다.
상기 절연성 엘라스토머는 실리콘 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 복합재료는 섬유상, 판상, 또는 입상 구조를 갖는 것일 수 있다.
상기 복합재료는 마찰전기 발전 소자일 수 있다.
다른 양상은 상기 일 양상에 따른 복합재료를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 매트릭스 폴리머의 단량체, 가교제, 전해질, 및 용매를 포함하는 이온전도성 겔 전구 용액을 제조하는 단계; 절연성 엘라스토머 층 내부에 상기 이온전도성 겔 전구 용액을 주입하는 단계; 및 상기 매트릭스 폴리머의 단량체를 중합하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 절연성 엘라스토머 층의 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 중합은 자외선 조사에 의한 중합일 수 있다.
또 다른 양상은 상기 일 양상에 따른 복합재료를 이용하여 직조된 직물을 제공한다.
또 다른 양상은 상기 일 양상에 따른 복합재료 및 상기 일 양상에 따른 직물 중 어느 하나 이상을 포함하는 패치를 제공한다.
상기 패치는 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선용일 수 있다.
일 양상에 따른 복합재료는 생체적합성, 신축성, 및 유연성을 가지며, 마찰전기를 발생시킬 수 있으므로, 우수한 물성 및 전기적 특성을 갖는 신소재이다.
다른 양상에 따른 복합재료의 제조 방법에 의하면 우수한 물성 및 전기적 특성을 갖는 복합재료를 제조할 수 있다.
다른 양상에 따른 직물은 웨어러블한 형태로 다양한 제품군에 적용될 수 있다.
다른 양상에 따른 패치는 마찰전기를 발생시킬 수 있으므로, 피부 재생, 상처 치유, 주름 개선 등 다양한 용도로 응용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 복합재료(100)의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 마찰전기 발전 소자의 작동 원리 개념도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 복합재료의 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 섬유상 구조를 갖는 복합재료(오른쪽) 및 상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물(왼쪽)의 예시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 패치를 나타난 예시도이다.
도 6은 섬유상 복합재료의 신축성 및 탄성계수를 나타낸 것이다.
도 7은 손가락 움직임으로 인해 직물에서 발생하는 전압을 나타낸 것이다.
도 8은 직물의 발전량을 정량적으로 확인하기 위한 실험 장비 및 회로도를 나타낸 것이다.
도 9는 알루미늄 판의 운동 주파수(Hz) 및 이격 거리(d)에 따른 발생 전압을 나타낸 것이다.
도 10은 직물에서 나온 섬유 가닥의 길이(L)에 따른 발생 전압을 나타낸 것이다.
도 11은 직물의 발전 내구성 평가 결과이다.
도 12는 직물의 마찰 전력을 통한 세포 이동 촉진 효과를 확인한 결과이다.
도 13은 직물의 마찰 전력을 통한 세포 증식 효과를 확인한 결과이다.
도 14는 직물의 마찰 전력을 통한 성장인자 분비 촉진 효과를 나타낸 결과이다.
도 2는 마찰전기 발전 소자의 작동 원리 개념도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 복합재료의 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 섬유상 구조를 갖는 복합재료(오른쪽) 및 상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물(왼쪽)의 예시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 패치를 나타난 예시도이다.
도 6은 섬유상 복합재료의 신축성 및 탄성계수를 나타낸 것이다.
도 7은 손가락 움직임으로 인해 직물에서 발생하는 전압을 나타낸 것이다.
도 8은 직물의 발전량을 정량적으로 확인하기 위한 실험 장비 및 회로도를 나타낸 것이다.
도 9는 알루미늄 판의 운동 주파수(Hz) 및 이격 거리(d)에 따른 발생 전압을 나타낸 것이다.
도 10은 직물에서 나온 섬유 가닥의 길이(L)에 따른 발생 전압을 나타낸 것이다.
도 11은 직물의 발전 내구성 평가 결과이다.
도 12는 직물의 마찰 전력을 통한 세포 이동 촉진 효과를 확인한 결과이다.
도 13은 직물의 마찰 전력을 통한 세포 증식 효과를 확인한 결과이다.
도 14는 직물의 마찰 전력을 통한 성장인자 분비 촉진 효과를 나타낸 결과이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 여기에 사용되는 모든 용어 "및/또는"은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
<복합재료>
일 실시예는 생체적합성(biocompatibility), 신축성(stretchability), 및 유연성(flexibility)을 갖는 복합재료를 제공한다.
상기 복합재료는 이온전도성 겔 및 상기 이온전도성 겔의 적어도 일부를 감싸는 절연성 엘라스토머 층을 포함할 수 있다.
상기 이온전도성 겔은 매트릭스 폴리머, 전해질, 및 겔 상태를 유지하기 위하여 상기 매트릭스 폴리머 내에 함침된 용매를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 복합재료(100)의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 복합재료(100)는 매트릭스 폴리머(111), 전해질(112), 및 겔 상태를 유지하기 위하여 상기 매트릭스 폴리머 내에 함침된 용매(113)를 포함하는 이온전도성 겔(110); 및 상기 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부를 감싸는 절연성 엘라스토머 층(120)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복합재료(100)는 상기 절연성 엘라스토머 층(120)의 표면에 형성된 코팅층(130)을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 코팅층(130)은 절연성 엘라스토머에 기능성을 부여하기 위하여 절연성 엘라스토머 층(120)의 표면에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 코팅층(130)은 절연성 엘라스토머 층의 표면에 전자를 더 얻으려는 성질을 갖도록 하기 위한 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 코팅층(130)은 절연성 엘라스토머 층(120)의 표면을 플루오린화하기 위하여 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 코팅층(130)은 (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실)트리클로로실란 ((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane, HDFS), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluorethylene, PTFE), 불화 에틸렌프로필 공중합체(Fluoroethylenepropylene, FEP), 및 퍼플루오르알콕시(Perfluoroalkoxy, PFA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 코팅층(130)은 HDFS를 포함할 수 있다.
상기 매트릭스 폴리머(matrix polymer)(111)는 무작위적으로 또는 일정한 규칙성을 띠면서 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 매트릭스 폴리머(111)는 가교되어 있을 수 있다. 즉, 매트릭스 폴리머(111)의 둘 이상의 사슬들은 공유 결합을 가짐으로써 가교될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 공유 결합은 둘 이상의 사슬들이 직접 결합된 것일 수도 있고, 하나의 사슬로부터 분지된 부분이 다른 사슬에 결합된 것일 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 공유 결합은 별도의 가교제의 첨가에 의하여 연결된 공유 결합일 수 있다.
상기 매트릭스 폴리머(111)는, 예를 들어, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리피롤, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리(알킬아크릴레이트), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아닐린, 폴리비닐아세테이트, 폴리(에틸비닐아세테이트), 폴리(에틸-co-비닐 아세테이트), 폴리비닐부티레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리메타크릴산 에스테르, 폴리메타크릴아마이드, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(2-비닐피리딘), 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐부티랄, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르에테르케톤, 스티렌/아크릴산 에스테르, 비닐아세테이트/아크릴산 에스테르, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체(copolymer), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아민, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르술폰, 폴리메틸스티렌, 폴리클로로스티렌, 폴리스티렌술포네이트, 폴리스티렌술포닐 플루오라이드, 멜라민-포름알데히드 수지, 나일론, 에폭시 수지, 폴리락타이드, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리디메틸실록산, 폴리(스티렌-co-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-co-부타디엔), 폴리(스티렌-co-디비닐 벤젠), 폴리(디메틸실록산-co-폴리에틸렌옥사이드), 폴리(락트산-co-글리콜산), 실리콘 수지, 및 셀룰로오즈로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 매트릭스 폴리머(111)는 폴리아크릴아마이드일 수 있다.
상기 매트릭스 폴리머(111)는 생체적합성 및 안정성을 갖는 것일 수 있다.
상기 전해질(electrolyte)(112)은 용매에서 이온으로 해리되는 물질을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질(112)은 양이온과 음이온으로 해리되는 물질을 의미할 수 있다. 상기 전해질(112)은 매트릭스 폴리머(111)들 사이 또는 용매(113) 내에 분산되어 있을 수 있다. 상기 전해질(112)은 상기 매트릭스 폴리머(111)들의 분자들 사이에 형성되는 공간 내에 분포할 수도 있고, 및/또는 상기 매트릭스 폴리머(111)들의 분자들의 표면에 분포할 수도 있다. 상기 전해질(112)은 리튬 이온을 함유하는 물질, 칼륨 이온을 함유하는 물질, 또는 나트륨 이온을 함유하는 물질일 수 있다. 상기 전해질(112)은, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, (FSO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬이미드, KCl, 및 NaCl2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 전해질(112)은 리튬 이온을 함유하는 물질일 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 전해질(112)은 LiCl일 수 있다.
상기 용매(113)는 유기 용매 또는 물일 수 있다. 상기 유기 용매는 물보다 증기압이 현저하게 더 낮은 유기 용매일 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 용매의 증기압은 20℃에서 물의 증기압의 약 0.01% 내지 약 5%일 수 있다. 상기 유기 용매의 증기압이 지나치게 낮으면 제조되는 유기겔의 신축성과 유연성을 부여하는 능력이 미흡할 수 있다. 상기 유기 용매의 증기압이 지나치게 높으면 쉽게 기화되어 유기겔이 단시간 내에 경화될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 유기 용매는 극성 유기 용매일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 유기 용매는 끓는점이 약 150℃ 내지 400℃인 용매일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 유기 용매는, 예를 들어, 에틸렌글리콜, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 디메틸술폭사이드, 헥사메틸렌포스포트리아미드, N-비닐피롤리돈, N-비닐포름아미드, N-비닐-아세트아미드, 크레졸, 페놀, 크실레놀, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부틸렌글리콜, 글리세린, 디글리세린, D-글루코스, D-글루시톨, 이소프렌글리콜, 부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,9-노난디올, 네오펜틸글리콜, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디옥산, 디에틸에테르, 디알킬에테르, 프로필렌글리콜디알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜디알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜디알킬에테르, 3-메틸-2-옥사졸리디논, 아세토니트릴, 글루타로디니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 및 벤조니트릴로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 유기 용매는 에틸렌글리콜일 수 있다.
상기 이온전도성 겔(110)은 유기겔(organogel) 또는 하이드로겔(hydrogel)일 수 있다. 상기 용매(113)가 유기 용매인 경우, 형성되는 이온전도성 겔(110)은 유기겔이다. 상기 용매(113)가 물인 경우, 형성되는 이온전도성 겔(110)은 하이드로겔이다.
상기 이온전도성 겔(110)은 내부의 전해질(112)이 양이온과 음이온으로 해리되어 존재하므로 이온의 이동에 의해 전기 전도가 이루어질 수 있다.
상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 절연체(유전체, dielectric)일 수 있다. 상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 이온전도성 겔(110)의 용매(113)가 증발하는 것을 막을 수 있다. 상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 이온전도성 겔(110)에 존재하는 이온이 외부로 유출되는 것을 막음으로써 전기적 포텐셜을 장기간 유지할 수 있도록 할 수 있다.
상기 절연성 엘라스토머 층(120)의 형태는 특정 형태에 제한되지 않으며, 용도에 따라 다양한 형태를 선택할 수 있다. 상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부를 감쌀 수 있다. 상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 이온전도성 겔(110)의 표면 전부를 감쌀 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 관(tube) 형태로 존재하고, 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부를 감쌀 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 중공 형태로 존재하고, 이온전도성 겔(110)의 표면 전부를 감쌀 수 있다.
상기 절연성 엘라스토머(elastomer)는 실리콘 엘라스토머일 수 있다. 상기 절연성 엘라스토머는, 예를 들어, 실리콘 고무, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 절연성 엘라스토머 층(120)은 신축성 및 유연성을 갖는 것일 수 있다.
상기 복합재료(100)는 그 구조가 특정 구조에 제한되지 않으며, 용도에 따라 다양한 구조로 제조할 수 있다. 상기 복합재료(100)는 섬유상, 판상, 또는 입상 구조를 갖는 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 복합재료(100)가 섬유상 구조를 갖는 경우, 관(tube) 형태의 절연성 엘라스토머 층(120)이 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부를 감싸는 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 복합재료(100)는 마이크로섬유 또는 나노섬유 구조를 갖는 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 복합재료(100)는 마이크로 크기의 직경을 갖는 관 형태의 절연성 엘라스토머 층(120)이 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부를 감싸는 마이크로섬유 구조일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 복합재료(100)는 나노 크기의 직경을 갖는 관 형태의 절연성 엘라스토머 층(120)이 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부를 감싸는 나노섬유 구조일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 복합재료(100)가 판상 구조를 갖는 경우, 판상의 절연성 엘라스토머 층(120)이 이온전도성 겔(110)의 적어도 일부 또는 전부를 감싸는 것일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 복합재료(100)가 입상 구조를 갖는 경우, 중공 형태의 절연성 엘라스토머 층(120)이 이온전도성 겔(110)의 전부를 감싸는 것일 수 있다. 즉, 이온전도성 겔(110)의 표면 전체가 절연성 엘라스토머 층(120)으로 감싸진 형태일 수 있다.
상기 복합재료(100)는 마찰전기 발전 소자일 수 있다. 따라서, 상기 복합재료는 마찰전기 발전기(Triboelectric generator)일 수 있고, 구체적으로, 마찰전기 마이크로발전기(Triboelectric microgenerator) 또는 마찰전기 나노발전기(Triboelectric nanogenerator, TENG)일 수 있다.
도 2는 마찰전기 발전 소자의 작동 원리 개념도이다.
상기 복합재료(100)는 양의 대전체인 인체 피부와 접촉시 상기 인체 피부로부터 전자를 얻음으로써 마찰전기를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 복합재료(100)와 인체 피부가 닿으면 계면을 통해 피부에서 복합재료(100)로 전자의 이동이 발생한다. 복합재료(100)로 이동한 전자는 복합재료(100)의 절연성 엘라스토머 층(120)이 절연체이므로 이동할 수 없고 쌓이게 된다. 복합재료(100)가 피부로부터 멀어질 때 절연성 엘라스토머 층(120)에 쌓인 전자는 전기적인 안정을 위해 정전기 유도 현상에 의해 이온전도성 겔(110) 내의 양이온을 끌어당기고 상대 전하인 음이온은 밀어내게 된다. 복합재료(100)와 피부 사이의 이격이 커질수록 피부의 양전하로부터 영향을 덜 받기 때문에 더 많은 이온을 유도할 수 있다. 또한, 빠르게 이격이 발생할수록 그에 상응하게 이온이 더 빠른 속도로 움직일 수 있다. 이때 이온의 흐름이 발생하고, 한쪽에 쌓인 음이온이 전기장을 형성하게 된다. 따라서, 배터리나 파워소스 같은 외부의 에너지 없이도 기계적인 마찰로 인해 전기장을 발생시킬 수 있다.
상기 복합재료(100)는 신축성 및 유연성을 갖는 것일 수 있다. 상기 복합재료(100)는 자신의 길이의 약 1.5배 내지 약 10배, 예를 들어, 약 1.5배 내지 약 5배, 약 1.5배 내지 약 3배, 약 2배 내지 약 10배, 약 2배 내지 약 5배, 약 2배 내지 약 3배 늘어날 수 있다. 따라서, 상기 복합재료(100)는 웨어러블한 형태로 적용하기에 충분한 신축성 및 유연성을 가지는 것일 수 있다. 상기 복합재료(100)는 금속 등 다른 재료에 비하여 신체에 착용시 이물감을 크게 감소시킬 수 있다.
<복합재료를 제조하는 방법>
이하에서는 상기 설명한 바와 같은 복합재료(100)를 제조하는 방법을 설명한다.
일 실시예에 따른 복합재료를 제조하는 방법은 매트릭스 폴리머의 단량체, 가교제, 전해질, 및 용매를 포함하는 이온전도성 겔 전구 용액을 제조하는 단계; 절연성 엘라스토머 층 내부에 상기 이온전도성 겔 전구 용액을 주입하는 단계; 및 상기 매트릭스 폴리머의 단량체를 중합하는 단계를 포함한다.
도 3은 일 실시예에 따른 복합재료의 제조 방법을 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 매트릭스 폴리머의 단량체, 가교제, 전해질, 및 용매를 포함하는 이온전도성 겔 전구 용액을 제조한다(S110). 여기에서, 매트릭스 폴리머, 전해질, 및 용매에 관한 상세는 상술한 바와 같다.
상기 이온전도성 겔 전구 용액(precursor solution)은 매트릭스 폴리머의 단량체, 가교제, 전해질, 및 용매를 혼합함으로써 제조될 수 있다. 상기 이온전도성 겔 전구 용액은 개시제를 더 포함할 수 있다. 상기 이온전도성 겔 전구 용액은 용매에 매트릭스 폴리머의 단량체 및 전해질을 용해시킨 후, 가교제 및 개시제를 첨가하여 제조될 수 있으나, 그 순서에 특별히 제한되지 않는다. 상기 이온전도성 겔 전구 용액은 유동성이 있는 졸(sol) 형태일 수 있다.
상기 매트릭스 폴리머는 상술한 바와 같고, 이들을 합성하기 위한 단량체는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있으므로 구체적인 예시를 생략한다. 상기 이온전도성 겔 전구 용액 내의 단량체의 함량은 매트릭스 폴리머의 충분한 부피 및/또는 치수를 갖도록 적절한 양을 선택할 수 있다.
상기 가교제(cross-linker)는 상기 단량체들의 중합에 있어서 가교 반응을 일으키기 위한 제제일 수 있다.
상기 가교제는 이소시아네이트계 가교제, 과산화물계 가교제, 에폭시계 가교제, 아민계 가교제 중 1종 이상일 수 있다.
이소시아네이트계 가교제에 관련된 화합물로는, 예를 들어 톨릴렌디이소시아네이트, 클로르페닐렌디이소시아네이트, 테트라메틸렌디이소시아네이트, 자일릴렌디이소시아네이트, 디페닐메탄디이소시아네이트, 수소 첨가된 디페닐메탄디이소시아네이트 등의 이소시아네이트 모노머 및 이들 이소시아네이트 모노머를 트리메틸올프로판 등과 부가한 이소시아네이트 화합물이나 이소시아누레이트 화합물, 뷰렛형 화합물, 나아가서는 폴리에테르 폴리올이나 폴리에스테르 폴리올, 아크릴 폴리올, 폴리부타디엔 폴리올, 폴리이소프렌 폴리올 등 부가 반응시킨 우레탄 프레폴리머형의 이소시아네이트 등을 들 수 있다. 특히, 폴리이소시아네이트 화합물이고, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 수소 첨가 자일릴렌디이소시아네이트 및 이소포론디이소시아네이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 그것에서 유래하는 폴리이소시아네이트 화합물일 수 있다.
상기 과산화물계 가교제는, 예를 들어 디(2-에틸헥실)퍼옥시디카보네이트, 디(4-t-부틸시클로헥실)퍼옥시디카보네이트, 디-sec-부틸퍼옥시디카보네이트, t-부틸퍼옥시네오데카노에이트, t-헥실퍼옥시피발레이트, t-부틸퍼옥시피발레이트, 디라우로일퍼옥사이드, 디-n-옥타노일퍼옥사이드, 1,1,3,3-테트라메틸부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, 디(4-메틸벤조일)퍼옥사이드, 디벤조일퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시이소부티레이트, 1,1-디(t-헥실퍼옥시)시클로헥산 등일 수 있다.
상기 에폭시계 가교제로서는, 예를 들어 N,N,N',N'-테트라글리시딜-m-크실렌디아민, 디글리시딜아닐린, 1,3-비스(N,N-글리시딜아미노메틸)시클로헥산, 1,6-헥산디올디글리시딜에테르, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르, 에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 프로필렌글리콜디글리시딜에테르, 폴리에틸렌글리콜디글리시딜에테르, 폴리프로필렌글리콜디글리시딜에테르, 소르비톨폴리글리시딜에테르, 글리세롤폴리글리시딜에테르, 펜타에리트리톨폴리글리시딜에테르, 폴리글리세롤폴리글리시딜에테르, 소르비탄폴리글리시딜에테르, 트리메틸올프로판폴리글리시딜에테르, 아디프산디글리시딜에스테르, o-프탈산디글리시딜에스테르, 트리글리시딜-트리스(2-히드록시에틸)이소시아누레이트, 레조르신디글리시딜에테르, 비스페놀-S-디글리시딜에테르 등일 수 있다.
상기 아민계 가교제는, 예를 들면, 에틸렌디아민류 등 복수의 아미노기를 갖는 화합물을 이용할 수 있다. 에틸렌디아민류로서 구체적으로는, 에틸렌디아민, 1,2-디아미노프로판, 1,2-디아미노-2-메틸프로판, N-메틸에틸렌디아민, N-에틸에틸렌디아민, N-이소프로필에틸렌디아민, N-헥실에틸렌디아민, N-시클로헥실에틸렌디아민, N-옥틸에틸렌디아민, N-데실에틸렌디아민, N-도데실에틸렌디아민, N,N-디메틸에틸렌디아민, N,N-디에틸에틸렌디아민, N,N'-디에틸에틸렌디아민, N,N'-디이소프로필에틸렌디아민, N,N,N'-트리메틸에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, N-이소프로필디에틸렌트리아민, N-(2-아미노에틸)-1,3-프로판디아민, 트리에틸렌테트라민, N,N'-비스(3-아미노프로필)에틸렌디아민, N,N'-비스(2-아미노에틸)-1,3-프로판디아민, 트리스(2-아미노에틸)아민, 테트라에틸렌펜타민, 펜타에틸렌헥사민, 2-(2-아미노에틸아미노)에탄올, N,N'-비스(히드록시에틸)에틸렌디아민, N-(히드록시에틸)디에틸렌트리아민, N-(히드록시에틸)트리에틸렌테트라민, 피페라진, 1-(2-아미노에틸)피페라진, 4-(2-아미노에틸)모르폴린, 폴리에틸렌이민을 예시할 수 있다. 에틸렌디아민류 이외에 적용 가능한 디아민류, 폴리아민류로서 구체적으로는, 1,3-디아미노프로판, 1,4-디아미노부탄, 1,3-디아미노펜탄, 1,5-디아미노펜탄, 2,2-디메틸-1,3-프로판디아민, 헥사메틸렌디아민, 2-메틸-1,5-디아미노프로판, 1,7-디아미노헵탄, 1,8-디아미노옥탄, 2,2,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2,4,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 1,9-디아미노노난, 1,10-디아미노데칸, 1,12-디아미노도데칸, N-메틸-1,3-프로판디아민, N-에틸-1,3-프로판디아민, N-이소프로필-1,3-프로판디아민, N,N-디메틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디메틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디에틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디이소프로필-1,3-프로판디아민, N,N,N'-트리메틸-1,3-프로판디아민, 2-부틸-2-에틸-1,5-펜탄디아민, N,N'-디메틸-1,6-헥산디아민, 3,3'-디아미노-N-메틸디프로필아민, N-(3-아미노프로필)-1,3-프로판디아민, 스페르미딘, 메틸렌비스아크릴아미드, 비스(헥사메틸렌)트리아민, N,N',N''-트리메틸비스(헥사메틸렌)트리아민, 4-아미노메틸-1,8-옥탄디아민, N,N'-비스(3-아미노프로필)-1,3-프로판디아민, 스페르민, 4,4'-메틸렌비스(시클로헥실아민), 1,2-디아미노시클로헥산, 1,4-디아미노시클로헥산, 1,3-시클로헥산비스(메틸아민), 1,4-시클로헥산비스(메틸아민), 1,2-비스(아미노에톡시)에탄, 4,9-디옥사-1,12-도데칸디아민, 4,7,10-트리옥사-1,13-트리데칸디아민, 1,3-디아미노히드록시프로판, 4,4'-메틸렌디피페리딘, 4-(아미노메틸)피페리딘, 3-(4-아미노부틸)피페리딘, 폴리알릴아민을 예시할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
구체적인 일 실시예에서, 상기 가교제는 메틸렌비스아크릴아마이드일 수 있다.
상기 가교제의 함량은 상기 단량체 100 중량부에 대하여 약 0.005 중량부 내지 약 1 중량부, 또는 약 0.01 중량부 내지 약 0.5 중량부가 사용될 수 있다.
상기 개시제(initiator)는 광개시제일 수 있다. 상기 개시제는, 예를 들어, 리튬 페닐-2,4,6-트리메틸벤조일포스피네이트, 벤조일 퍼옥사이드, 디벤조일 퍼옥사이드, 모노클로로벤조일 퍼옥사이드, 디클로로벤조일 퍼옥사이드, p-메틸벤조일 퍼옥사이드, 옥탄오일 퍼옥사이드, 데칸오일 퍼옥사이드, 라우로일 퍼옥사이드, 디라우릴 퍼옥사이드, 사이클로헥산 퍼옥사이드, 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드, 디-tert-부틸퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, tert-부틸 하이드로퍼옥사이드, tert-아밀 하이드로퍼옥사이드, 쿠멘 하이드로퍼옥사이드, 다이사이클로헥실 퍼옥시디카보네이트, 2,2'-아조비스이소부티로니트릴 (AIBN), 2,2'-아조비스(2-메틸부티로니트릴), 아조-2-시아노발레르산, 아조비스-(2,4-디메틸)-발레로니트릴, tert-부틸 퍼벤조에이트, 디-tert-부틸 퍼옥시프탈레이트, 포타슘 퍼설페이트 (potassium persulfate, PPS), 암모늄 퍼설페이트 (ammonium persulfate, APS), 소듐 퍼설페이트 (sodium persulfate, SPS) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 개시제는 리튬 페닐-2,4,6-트리메틸벤조일포스피네이트일 수 있다.
상기 개시제는 상기 단량체의 중합을 개시시키기에 유효한 양으로 사용되며, 그 양은 예로서 개시제 유형 및 원하는 중합체 분자량과 작용성 정도에 따라 달라질 것이다. 상기 개시제는 상기 단량체 100 중량부에 대하여 약 0.001 중량부 내지 약 10 중량부, 또는 약 0.01 중량부 내지 약 1 중량부가 사용될 수 있다.
상기 이온전도성 겔 전구 용액에는 상기 단량체들의 중합 반응을 촉진하기 위한 가속제(accelerator)를 더 포함할 수 있다. 상기 가속제의 종류는 이 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것을 적절히 선택할 수 있다. 상기 가속제는 상기 단량체의 중합을 촉진시키기에 유효한 양으로 사용되며, 그 양은 예로서 가속제 유형 및 원하는 중합체 분자량과 작용성 정도에 따라 달라질 것이다.
이어서, 절연성 엘라스토머 층 내부에 상기 이온전도성 겔 전구 용액을 주입한다(S120). 여기에서, 절연성 엘라스토머 층에 관한 상세는 상술한 바와 같다.
상기 주입은 이 기술분야에서 사용되는 통상적인 방법을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 주입은 니들을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 '절연성 엘라스토머 층 내부에 주입한다'는 것은 절연성 엘라스토머 층이 이온전도성 겔의 적어도 일부를 감쌀 수 있도록 이온전도성 겔 전구 용액을 위치시키는 것을 의미할 수 있다.
이어서, 상기 매트릭스 폴리머의 단량체를 중합한다(S130).
상기 중합은 단량체의 종류에 따라 적절한 방법을 선택할 수 있다. 상기 중합은 열경화 또는 광경화에 의한 중합일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 중합은 자외선 조사에 의한 중합일 수 있다. 상기 자외선 조사는 가교 반응이 일어나기에 충분한 시간 동안 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 자외선 조사는, 예를 들어, 1분 내지 10분, 1분 내지 8분, 1분 내지 6분, 2분 내지 10분, 2분 내지 8분, 2분 내지 6분, 4분 내지 10분, 4분 내지 8분, 또는 4분 내지 6분 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 방법은, 절연성 엘라스토머 층의 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 코팅층을 형성하는 단계는 S120 단계의 이전 또는 이후에 수행될 수 있다.
상기 코팅층을 형성하는 단계 이후에, 절연성 엘라스토머를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 세척은 이 기술 분야의 통상적인 방법에 따라 수행될 수 있다.
<직물>
일 실시예는 상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물을 제공한다.
도 4는 일 실시예에 따른 섬유상 구조를 갖는 복합재료(오른쪽) 및 상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물(왼쪽)의 예시도이다.
상기 직물은 섬유상 구조를 갖는 복합재료(100)를 이용하여 이 기술 분야의 통상적인 방법에 따라 직조할 수 있다. 상기 직물은 평직(plain weave), 능직(twill weave), 수자직(satin weave) 등의 형태로 직조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 직물은 생체적합성, 신축성 및 유연성을 갖는 것일 수 있다. 따라서, 웨어러블한 형태로 다양하게 응용될 수 있다. 상기 웨어러블 직물을 신체 피부에 접촉시킬 경우 외부 에너지원 없이 마찰전기가 발생할 수 있다.
<패치>
일 실시예는 상기 복합재료 및 상기 복합재료를 이용하여 직조된 직물 중 어느 하나 이상을 포함하는 패치를 제공한다.
상기 패치는 신체 움직임이 많은 부위에 부착하기 위한 제1 부분; 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선이 필요한 신체 부위에 부착하기 위한 제2 부분; 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하는 제3 부분을 포함할 수 있다.
상기 제1 부분은 섬유상 구조를 갖는 복합재료를 이용하여 직조된 직물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 제2 부분은 판상 구조를 갖는 복합재료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 제3 부분은 섬유상 구조를 갖는 복합재료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 패치는 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선용일 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 패치를 나타난 예시도이다.
"피부 재생"은 피부의 일부분이 소실되었거나 손상되었을 경우 그 부분을 보충하거나 피부 세포의 증식 및 이동을 증진시키는 모든 작용을 의미할 수 있다. 피부가 재생됨에 따라 주름 개선 효과가 나타날 수 있다.
"주름"은 피부의 탄력성이 상실되어 느슨해진 상태를 의미하며, 예를 들면 피부가 접히는 것일 수 있다.
"개선"은 상태의 완화 또는 치료와 관련된 파라미터, 예를 들면 증상의 정도를 적어도 감소시키는 모든 행위를 의미할 수 있다.
"주름 개선"은 얼굴이나 신체의 주름을 옅어지게 하거나 감소시키는 모든 작용을 의미할 수 있다.
"상처"는 "창상"이라고도 하며, 생체의 손상을 의미한다. 상기 손상은 물리적 손상, 방사선, 화학물질에 의한 자극, 미생물의 증식 등 외부 요인, 스트레스 등의 내부 요인에 의한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 상처는 절창, 자창, 할창, 좌창, 열창, 사창, 교창 등 모든 종류의 상처를 포함할 수 있다.
"상처 개선"은 얼굴이나 신체의 상처를 옅어지게 하거나 정도를 감소시키는 모든 작용을 의미할 수 있다.
"상처 치유"는 상처를 회복하는 일련의 생체반응을 의미할 수 있다.
상기 피부 재생, 주름 개선, 상처 개선, 또는 상처 치유의 원인은 제한이 없으나, 예를 들어 피부 세포의 이동 또는 증식에 의한 것일 수 있다.
상기 패치는 성장인자의 발현을 증가시키는 것일 수 있다. 상기 패치는 FGF, VEGF 및 EGF 중 어느 하나 이상의 발현을 증가시키는 것일 수 있다. 상기 패치는 FGF, VEGF 및 EGF 중 어느 하나 이상의 발현을 증가시킴으로써 혈관 재생을 촉진하여 상처 치유를 가속화할 수 있다.
상기 패치는 빠른 상처 치유를 통해 열려 있는 창상을 통한 이차적인 합병을 막을 수 있다.
상기 패치는 피부에 부착시 외부 에너지원 없이 마찰전기를 발생시킬 수 있으므로 피부 세포의 이동 및 증식을 효율적으로 조절하고 피부 재생을 촉진시킬 수 있다.
상기 패치는 신체에서 자생적으로 발생하는 상처 치료 메커니즘을 활용한 전기 자극 치료 기술을 사용함으로써 신체 부작용을 크게 감소시킬 수 있다.
상기 패치는 기존의 금속 계열 전극을 사용하는 제품군들에 비해 안정성이 높으며, 외부 에너지원 없이 생체에서 자연적으로 발생하는 마찰전기를 이용할 수 있다. 또한, 상기 패치는 생체적합성, 신축성 및 유연성이 우수한 복합재료를 포함하므로 인체에 웨어러블하다.
<피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선 방법>
일 실시예는 상기 패치를 개체에게 부착 또는 접촉시키는 단계를 포함하는 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선 방법을 제공한다.
"개체"는 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선이 필요한 인간을 포함하는 모든 동물을 의미한다.
<제조예 1: 복합재료의 제조>
(1) 재료의 준비
아크릴아마이드 (Acrylamide, AAm; Sigma, A8887)를 유기겔의 단량체로 사용하였다. N,N-메틸렌비스아크릴아마이드 (N,N-methylenebisacrylamide, MBAAm; Sigma, M7279)를 유기겔의 가교제로 사용하였다. 에틸렌글리콜 (ethyleneglycol, EG; Dae-Jung, 4026-4404)을 유기겔을 구성하는 용매로 사용하였다. LiCl (Sigma, L4408)을 이온 전하 운반체(ionic charge carrier)로 사용하였다. 리튬 페닐-2,4,6-트리메틸벤조일포스피네이트 (Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate, LAP; Sigma, 900889)를 광개시제로 사용하였다.
500 μm의 내부 직경 및 600 μm의 외부 직경을 갖는 실리콘 튜브 (Axel, 1-8194-05)를 유전체(dielectric)로 사용하였다. (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실)트리클로로실란 ((heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane, HDFS; JSI Silicone Co., H5060.1)을 표면 플루오린화 제제로 사용하였다.
(2) 이온전도성 겔 전구 용액의 제조
먼저, 에틸렌글리콜에 아크릴아마이드 및 LiCl을 용해시켜 이온전도성 겔 전구 용액을 제조하였다. 아크릴아마이드와 LiCl의 몰 농도는 각각 3.5 M 및 1.5 M로 하였다. 아크릴아마이드 100 중량부를 기준으로 N,N-메틸렌비스아크릴아마이드 0.124 중량부 및 리튬 페닐-2,4,6-트리메틸벤조일포스피네이트 0.012 중량부를 첨가하였다.
(3) 이온전도성 겔을 포함하는 복합재료의 제조
사전 변형된(150%) 실리콘 튜브의 표면 에칭은 공기 플라즈마 처리 시스템 (FEMTO SCIENCE, COVANCE-1MPR)을 사용하여 200 W, 1시간 및 15 sccm (standard cubic centimeters per minute)의 조건에서 수행하였다. 실리콘 튜브를 HDFS 및 헥산이 1:500의 비율로 혼합된 용액에 담갔다. 20분 동안 자가 조립 단층 형성이 발생하였다. 그 다음, HDFS로 표면 코팅된 실리콘 튜브를 헥산으로 10분 동안 세척하였다. 표면 코팅된 실리콘 튜브에 상기 제조된 이온전도성 겔 전구 용액을 주입한 후, 365 nm 자외선 조사 (CL-1000L, UVP)를 불활성 조건에서 5분 동안 수행하여 가교시켰다. 최종적으로 HDFS로 표면 코팅된 실리콘 튜브 내에 이온전도성 유기겔이 채워져 있는 섬유상 복합재료를 수득하였다.
<제조예 2: 복합재료의 제조>
HDFS로 표면 코팅된 실리콘 튜브 대신 표면 코팅되지 않은 실리콘 튜브를 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 실리콘 튜브 내에 이온전도성 유기겔이 채워져 있는 섬유상 복합재료를 제조하였다.
<제조예 3: 섬유상 복합재료를 이용하여 직조된 직물의 제조>
제조예 1에서 제조된 섬유상 복합재료를 직접 손으로 직조하여 직물을 제조하였다.
<실험예 1: 복합재료의 기계적 물성 평가>
제조예 1에서 제조된 섬유상 복합재료 한 가닥의 기계적 물성을 인장시험으로 확인하였다.
도 6은 섬유상 복합재료의 신축성 및 탄성계수를 나타낸 것이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 섬유상 복합재료는 자신의 길이의 2.6배까지 늘어났으며, 2 MPa의 탄성계수를 보였다. 즉, 겔의 유무에 관계없이 실리콘 튜브 자체의 물성과 유사하였다. 따라서, 상기 섬유상 복합재료는 웨어러블한 형태로 적용하기에 충분한 유연성 및 신축성을 지닌 것으로 확인되었다. 상기 섬유상 복합재료는 높은 유연성 및 신축성으로 인해 신체 부착형으로 활용되었을 때에 이물감을 경감시킬 수 있다.
<실험예 2: 복합재료를 이용하여 직조된 직물의 전기적 특성 평가>
(1) 신체 움직임으로 인해 발생하는 전압의 측정
제조예 3에서 제조된 직물을 손가락 관절에 입힌 후 손가락을 움직임으로써 직물과 손가락을 마찰시켜 전압을 발생시켰다.
도 7은 손가락 움직임으로 인해 직물에서 발생하는 전압을 나타낸 것이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 손가락을 굽히는 정도에 따라 발전량이 달라졌으며, 더 큰 각도로 손가락을 굽혔다 핌에 따라 발전량이 커졌다. 그 이유는 더 빠르게 손가락 움직임 각도가 크면 움직이는 속도가 더 빠르고 피부와 직물 사이에 더 큰 이격이 발생하기 때문이다.
(2) 직물의 발전량의 정량적 확인
푸싱 테스터(pushing tester) 장비를 이용하여 운동 주파수(frequency), 강도(force) 등 다양한 외부 조건에 따라 다르게 발생하는 마찰 전력 정도를 확인하였다.
도 8은 직물의 발전량을 정량적으로 확인하기 위한 실험 장비 및 회로도를 나타낸 것이다.
구체적으로, 직조된 섬유상 복합재료의 발전 특성을 확인하기 위해 샘플에 정량적인 기계적 마찰을 가할 수 있는 마찰 테스터를 이용하여 실험을 진행하였다. 이 마찰 테스터는 일관성 있는 움직임 속도와 접촉 면적 및 이격을 발생시킨다. 본 실험에서는 마찰하는 소재로 알루미늄 판(Al plate)을 사용하였으며, 알루미늄 판은 피부와 유사한 대전 특성을 가지고 있다. 직조된 섬유상 복합재료의 끝에 외부 저항을 연결하고 외부 저항에 형성되는 전압을 측정하는 방식으로 발전 특성을 평가하였다.
먼저, 알루미늄 판을 위에 부착하고 힐링패치 윗면을 눌렀다 떼는 과정을 반복하여 발생하는 마찰 전기가 얼마나 오래 유지되는지를 확인하였다. 그 결과, 6시간이 지날 때까지도 동일한 세기의 전력이 유지됨을 확인하였다.
다음으로, 알루미늄 판의 운동 주파수 및 이격 거리에 따른 발생 전압을 측정하였다.
도 9는 알루미늄 판의 운동 주파수(Hz) 및 이격 거리(d)에 따른 발생 전압을 나타낸 것이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 운동의 주파수가 0.5 Hz에서 2.0 Hz로 증가할수록 발전량이 25 Vpp에서 75 Vpp로 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 직물과 알루미늄 판 간의 최대 이격 거리가 0.5 cm에서 2 cm로 증가할수록 전압이 33 Vpp에서 73 Vpp로 증가하는 것을 확인하였다. 따라서, 알루미늄 판의 운동 진동수 및 이격 거리가 증가함에 따라 발생하는 마찰 전기의 세기도 증가한 것으로 확인되었다.
직물은 최대의 발전량을 확보하기 위해 신체 중에서 가장 운동이 활발한 곳에 부착하는 것이 유리하다. 이때, 운동이 활발한 곳에 부착된 직물 위치와 상처 부위에 부착된 직물 위치 사이의 거리가 멀어질 수 있다. 이 사이의 거리를 직물에서 나온 섬유 가닥의 길이를 연장하여 손쉽게 연결할 수 있다. 복합재료 섬유 가닥은 신축성이 있어서 사람이 이를 착용하였을 때 느낄 수 있는 이물감을 최소화할 수 있다. 다만, 복합재료 섬유 가닥의 길이가 길어짐에 따라 저항이 커짐으로 인해 전기적인 손실이 있을 수 있다. 이 손실을 확인하기 위해 섬유 가닥의 길이에 따라 발전되는 전압을 확인하였다.
도 10은 직물에서 나온 섬유 가닥의 길이(L)에 따른 발생 전압을 나타낸 것이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 0.1 m에서 2.5 m로 섬유 가닥이 길어짐에 따라 81 Vpp에서 78 Vpp로 발전량이 조금 감소하는 것을 확인하였다. 그러나, 발전량의 감소 정도가 크지 않았으므로, 상처 부위에 부착된 직물과 운동 부위에 부착된 직물 사이의 거리를 섬유 가닥으로 연장하여 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
<실험예 3: 직물의 발전 내구성 평가>
제조예 3에서 제조된 직물의 발전 내구성을 평가하기 위한 실험을 하였다.
도 11은 직물의 발전 내구성 평가 결과이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 직물은 약 30,000번의 마찰을 하는 동안 발생 전압이 약 80 Vpp를 유지하였다. 약 5일간 꾸준히 높은 전압을 발생시켰으며, 6일차로 넘어가면서 발전량의 감소가 나타났다. 다만, 그래프에서 보이는 약간의 발전량의 변화는 측정할 당시의 온도, 습도 등 주변 환경에 영향을 받은 것일 수 있다. 따라서, 직물은 발전 내구성이 매우 우수함을 확인하였다.
<실험예 4: 직물의 피부 재생, 상처 치유, 주름 개선능 평가>
제조예 3에서 제조된 직물에서 발생하는 마찰 전력을 이용한 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선 정도를 확인하고자 세포 이동 효과 및 증식 정도를 확인하였다.
정상 피부 섬유아세포(human dermal fibroblast, HDF) 및 당뇨 환자에서 추출한 DM (diabetes mellitus) 섬유아세포를 준비하였다. 500 μm 갭을 두고 양 옆 섬유아세포가 위치한 곳에 전극을 배치하여, 직물에서 발생하는 마찰 전기를 전달하였다. 대조군으로는 세포에 마찰 전기를 전달하지 않은 것을 사용하였다.
도 12는 직물의 마찰 전력을 통한 세포 이동 촉진 효과를 확인한 결과이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 4 Hz의 Vpp 10 V로 6시간 동안 전기 자극을 준 결과, 마찰 전기 자극을 받은 세포들의 이동 정도가 정상 섬유아세포의 경우 대조군에 비해 약 4배 가량 증가하고, DM 섬유아세포의 경우 대조군에 비해 약 2배 가량 증가한 것을 확인하였다. 이를 통해 복합재료를 이용한 직물은 당뇨 궤양 부위 등 상처 치유가 활성화되지 않는 부위에도 적용 가능함을 알 수 있었다.
도 13은 직물의 마찰 전력을 통한 세포 증식 효과를 확인한 결과이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 직물에서 발생하는 마찰전기 자극을 받은 섬유아세포의 경우, 전기자극 방향으로 배열됨과 동시에 세포 증식 정도가 약 1.5 내지 2배 정도 증가한 것으로 확인되었다.
다음으로, 섬유아세포에서 나오는 성장인자를 효소면역분석법(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)을 이용하여 분석하였다. 상처 치유의 중요한 현상인 혈관 재생과 밀접한 관련이 있는 FGF (Fibroblast growth factor) 및 VEGF (Vascular Endothelial growth factor)와 재-상피화(re-epithelialization)와 연관성이 있는 EGF (Epidermal growth factor)를 측정하였다. FGF는 세포의 증식 분화 생존에 영향을 미치는 성장인자로 알려져 있고, 특히 FGF가 내피세포의 VEGF 발현을 유도한다고 알려져 있다. VEGF는 혈관내피세포의 성장에 가장 기본적인 성장인자로 많이 알려져 있다. 섬유아세포에서 발현되는 EGF가 근처 내피세포 및 각질세포(keratinocyte)의 증식을 유도하여 상처부위의 재-상피화를 촉진한다고 알려져 있다.
도 14는 직물의 마찰 전력을 통한 성장인자 분비 촉진 효과를 나타낸 결과이다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 직물의 마찰전기 자극을 받을 시 정상 섬유아세포 및 당뇨 섬유아세포 모두 높은 FGF, VEGF, EGF 발현을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 마찰전기 자극이 상처 부위 내 혈관 재생을 촉진하여 상처 치유를 가속화할 수 있음을 알 수 있었다.
따라서, 상기 복합재료는 피부 재생, 상처 치유, 주름 개선용 패치 등 다양한 제품군에 응용될 수 있음을 확인하였다.
100: 복합재료
110: 이온전도성 겔
111: 매트릭스 폴리머
112: 전해질
113: 용매
120: 절연성 엘라스토머 층
130: 코팅층
110: 이온전도성 겔
111: 매트릭스 폴리머
112: 전해질
113: 용매
120: 절연성 엘라스토머 층
130: 코팅층
Claims (18)
- 매트릭스 폴리머, 전해질, 및 겔 상태를 유지하기 위하여 상기 매트릭스 폴리머 내에 함침된 용매를 포함하는 이온전도성 겔; 및
상기 이온전도성 겔의 적어도 일부를 감싸는 절연성 엘라스토머 층을 포함하는, 복합재료. - 청구항 1에 있어서, 상기 절연성 엘라스토머 층의 표면에 형성된 코팅층을 더 포함하는 것인 복합재료.
- 청구항 2에 있어서, 상기 코팅층은 (헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실)트리클로로실란 (HDFS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 불화 에틸렌프로필 공중합체(FEP), 및 퍼플루오르알콕시(PFA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 매트릭스 폴리머는 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리피롤, 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리(알킬아크릴레이트), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아닐린, 폴리비닐아세테이트, 폴리(에틸비닐아세테이트), 폴리(에틸-co-비닐 아세테이트), 폴리비닐부티레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리메타크릴산 에스테르, 폴리메타크릴아마이드, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(2-비닐피리딘), 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐부티랄, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르에테르케톤, 스티렌/아크릴산 에스테르, 비닐아세테이트/아크릴산 에스테르, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체(copolymer), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아민, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르술폰, 폴리메틸스티렌, 폴리클로로스티렌, 폴리스티렌술포네이트, 폴리스티렌술포닐 플루오라이드, 멜라민-포름알데히드 수지, 나일론, 에폭시 수지, 폴리락타이드, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리디메틸실록산, 폴리(스티렌-co-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-co-부타디엔), 폴리(스티렌-co-디비닐 벤젠), 폴리(디메틸실록산-co-폴리에틸렌옥사이드), 폴리(락트산-co-글리콜산), 실리콘 수지, 및 셀룰로오즈로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전해질은 LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiSCN, LiC(CF3SO2)3, (CF3SO2)2NLi, (FSO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4-페닐 붕산 리튬, 리튬이미드, KCl, 및 NaCl2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 용매는 유기 용매 또는 물인 것인 복합재료.
- 청구항 6에 있어서, 상기 유기 용매는 에틸렌글리콜, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 디메틸술폭사이드, 헥사메틸렌포스포트리아미드, N-비닐피롤리돈, N-비닐포름아미드, N-비닐-아세트아미드, 크레졸, 페놀, 크실레놀, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 1,4-부틸렌글리콜, 글리세린, 디글리세린, D-글루코스, D-글루시톨, 이소프렌글리콜, 부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 1,9-노난디올, 네오펜틸글리콜, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디옥산, 디에틸에테르, 디알킬에테르, 프로필렌글리콜디알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜디알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜디알킬에테르, 3-메틸-2-옥사졸리디논, 아세토니트릴, 글루타로디니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 및 벤조니트릴로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 겔은 유기겔(organogel) 또는 하이드로겔인 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 절연성 엘라스토머는 실리콘 엘라스토머인 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 절연성 엘라스토머는 실리콘 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 섬유상, 판상, 또는 입상 구조를 갖는 것인 복합재료.
- 청구항 1에 있어서, 마찰전기 발전 소자인 것인 복합재료.
- 매트릭스 폴리머의 단량체, 가교제, 전해질, 및 용매를 포함하는 이온전도성 겔 전구 용액을 제조하는 단계;
절연성 엘라스토머 층 내부에 상기 이온전도성 겔 전구 용액을 주입하는 단계; 및
상기 매트릭스 폴리머의 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 복합재료를 제조하는 방법. - 청구항 13에 있어서, 절연성 엘라스토머 층의 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
- 청구항 13에 있어서, 상기 중합은 자외선 조사에 의한 중합인 것인 방법.
- 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 복합재료를 이용하여 직조된 직물.
- 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 복합재료 및 청구항 16에 따른 직물 중 어느 하나 이상을 포함하는 패치.
- 청구항 17에 있어서, 피부 재생, 상처 치유, 또는 주름 개선용인 것인 패치.
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Electrochemistry Communications, 74, 2017, pp.33-37* * |
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