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문제 정의
- 본 연구에서는 초상자 성 특성을 갖는 Y-Fe2O3 나노분말 입자를 이용한 온열치료 효과에 대해 조사하였다. 특히 인체적합성을 위해 SiC>2가 코팅된 y-Fe2O3 나노분말을 제조하고 이를 이용하여 인가자장하에서의 발열 특성 을 분석함으로서 제조된 분말의 온열치료 응용 가능성에 대해 논하고자 한다.
- 나노분말 입자를 이용한 온열치료 효과에 대해 조사하였다. 특히 인체적합성을 위해 SiC>2가 코팅된 y-Fe2O3 나노분말을 제조하고 이를 이용하여 인가자장하에서의 발열 특성 을 분석함으로서 제조된 분말의 온열치료 응용 가능성에 대해 논하고자 한다.
제안 방법
- SiO2가 코팅된 y-Fe2O3 나노복합분말을 제조하고 이를 이용한 온열치료 시 자기 발열 효과를 조사하였다. TEOS 를 이용한 수용액 석출법으로 제조된 SiO2/y-Fe2O3 나노 복합분말은 10-30nm 크기를 갖는 결정질 y-Fe2O3 나 노분말의 표면에 약 5nm 두께의 비정질 SiO2가 균일하게 코팅되어 있었으며, 복합분말 내부에는 약 10 wt% 의 Fe2O3 가 존재하였다.
- 457 g을 직경 1 cm의 실린더형 유리병에 넣고 증류수를 채운 후, 단열재로 채워진 코일 내부에 위치시켰다. 기준 시편에는 동일한 양의 증류수만을 채운 후 함께 코일 내부에 위치시켰고, 두 유리병 시편 내부에 열전대를 삽입하여 각 시편의 발열 온도를 측정하였다. 발열온도는 자성 분말을 포함한 시편과 기준시편과의 온도차0D로 측정하였다.
- 또한 SiO2?와 Fe2O3 의 성분비는 TEM-EDS를 이용하여 분석하였다. 또한 VSM (Lakeshore Co., 7300 series)을 이용하여 상온(300 K)에서 자성 특성을 분석하였다.
- 발열온도는 자성 분말을 포함한 시편과 기준시편과의 온도차0D로 측정하였다. 또한 비교를 위해 0.014, 0.05 그리고 0.1 g으로 계량된 순수한 /-Fe2O3 나 노분말에 대해서도 동일한 방법으로 발열 온도를 측정하였다.
- 기준 시편에는 동일한 양의 증류수만을 채운 후 함께 코일 내부에 위치시켰고, 두 유리병 시편 내부에 열전대를 삽입하여 각 시편의 발열 온도를 측정하였다. 발열온도는 자성 분말을 포함한 시편과 기준시편과의 온도차0D로 측정하였다. 또한 비교를 위해 0.
- 장치는 교류전기를 공급하는 전원 공급부, 20~180kHz의 사인파형 전기신호를 발생시키는 함수 발생부, 자기손실을 발생시키는 유도자기 발생코일부, 시편의 온도를 측정하는 온도측정장치로 구성되어 있으며, 측정된 자료는 PC에 기록 및 저장된다. 본 연구에서는 인가자장을 6mT로 고정하였으며, 인가주파수는 40, 60, 80, 100, 120그리고 140 kHz로 변화시켰다. 계량된 일정 양의 SiO2/Fe2O3 나 노복합 분말 0.
- 제조된 SiO2/Fe2O3 나노복합 분말은 XRD (Philips Co, PW1730, 1.5406 A Cu target)# 이용하여 상분석과 평균결정 입도를 분석하였으며 , 미세 구조는 TEM (JEOL, JEM-2010)을 이용하여 관찰하였다. 또한 SiO2?와 Fe2O3 의 성분비는 TEM-EDS를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 y-Fe2O3 나 노분말은 Nanophase Technologies사 제품(NanoTek Iron Oxide)으로, 입도는 19~38nm이며, 19~60 m2/g의 비표면적을 가진다. y- Fe2O3 나 노분말 1 g을 400 ml 증류수에 넣고 30분간 분산시킨 후, tetraethylorthosilicate (TEOS, Sigma-Aldrich Co.
성능/효과
- 내부의 y-Fe2O3 입자는 약 10-30 nm 크기를 가지고 있으며, 그 표면을 5 nm 두께의 SiCh가 덮고 있는, 이른바 SiO2 코팅된 rFe2O3 나 노복합 형태인 것을 고배율 TEM 관찰 결과에서 알 수 있다. SiO2/y-Fe2O3 나노복합 분말에서 각 상의 양을 조사하기 위해 TEM-EDS로 성분 분석한 결과, Fe와 Si의 성분비는 원자비율로 21:79인 것으로 나타났다. 이 성 분비율을 이용하여 계산된 y-Fe2O34 SiO2 각상의 질량분율은 10wt%의 Fe2C>3와 90wt%의 Si(>로 이루어져 있는 것으로 분석되었다.
- 나노복합분말의 자성 특성을 살펴본 결과 매우 낮은 He와 Mr 값을 가지고 있어 초상 자성 거동이 예측되었다. SiO2/y-Fe2O3 나노복합분말의 자 기발열 특성을 조사한 결과, 나노복합분말은 순수한/- Fe2O3 나노분말에 비해 높은 SAR 값을 가지는 것으로 나타났다. 이는 미세한 y-Fe2O3 나노분말이 코팅된 SiO2 에 의해 균질하게 분산됨으로서 ^Fe2O3 나노분말끼리의 자기적인 상호작용이 무시되었기 때문이며, 이로 인해 더욱 우수한 초상자 성 특성을 가지기 때문인 것으로 판단된다.
- 2의 (a)에서 제조된 SiO2/ y-Fe2O3 나노복합 분말은 결정질 y-Fe2O3 상과 함께 비정질 SiO2 상이 함께 관찰되고 있다. y-Fe2O3 상의 주피크에 대해 Scherrer 공식을 이용하여 계산한 평균결정 크 기는 약 20nm인 것으로 나타났다. 즉 평균 20nm 크기를 갖는 y-Fe2O3 나노입자는 비정질 SiO2와 함께 복합되어 존재하고 있음을 알 수 있다.
- TEOS 를 이용한 수용액 석출법으로 제조된 SiO2/y-Fe2O3 나노 복합분말은 10-30nm 크기를 갖는 결정질 y-Fe2O3 나 노분말의 표면에 약 5nm 두께의 비정질 SiO2가 균일하게 코팅되어 있었으며, 복합분말 내부에는 약 10 wt% 의 Fe2O3 가 존재하였다. 나노복합분말의 자성 특성을 살펴본 결과 매우 낮은 He와 Mr 값을 가지고 있어 초상 자성 거동이 예측되었다. SiO2/y-Fe2O3 나노복합분말의 자 기발열 특성을 조사한 결과, 나노복합분말은 순수한/- Fe2O3 나노분말에 비해 높은 SAR 값을 가지는 것으로 나타났다.
- 또한 자성 특성 결과에서 재미있는 결과는, SiO2//-Fe2O3 나노복합분말이 제로지-장에서 갖는 자화값인 잔류자화(Mr)는 0.118emu/g으로서 매우 낮은 값을 갖는다는 것이며, 이는 SiO2/y-Fe2O3 나노분말이 상온에서 거의 초상자성거동을 보이고 있음을 의미한다. 이러한 결과는 SiO2/y- Fe2O3 나노복합분말에서 y-Fe2O3 나노분말이 매우 미세한 크기로 이루어져 있음과 동시에, SiO2에 의해 고르게 코팅됨으로서 y-Fe2O3 나노분말끼리 자기적 상호작용이 없도록 균질 분산되어 있기 때문이다.
- 05 g 의 y-Fe2O3 시편과 비슷한 △T 값을 나타내는 것으로 나타났다. 상기 TEM-EDS 결과에서 SiOJy-FeQa 나노복합분말에서 y-Fe2O3 나노분말의 분율이 약 10%였던 점을 감안하면, 자기발열 특성을 나타내는 rFe2O3 나노분 말의 양은 약 0.0457 g으로 0.05 g y-Fe2O3 시편과 비슷한 질량의 y-Fe2O3 나노분말이 포함되어 있다. 따라서 y- Fe2O3 나노분말의 양에 의존하는 △T는 거의 비슷한 값을 가지는 것으로 판단된다.
- 상기한 SiO2/y-Fe2O3 나노복합분말의 낮은 보자력과 잔류자화 결과는 우수한 초상자 성 특성을 가지는 것으로 나타났으며, 이는 y-Fe2O3 나노분말의 완화 손실에 의한 자기 발열 특성에도 크게 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- 7에는 식(5)를 이용하여 계산된 SAR 값을 인가주파수에 대해 나타내었다. 순수한 y-Fe2O3 나노분말의 완화 손실에 의한 발열 특성을 나타내는 SAR 값은 0.1g과 0.05 g y-Fe2O3 나노분말 두 시편에서 분말 양과 상관없이 동일한 값을 가지는 것으로 나타난 반면, SiO2/ r-Fe2O3 나노복합분말 시편의 SAR 값은 두시편보다 약L5배에서 2배가량 높은 것으로 나타났다. 이는 SiO2/ y-Fe2O3 나노복합 분말 시편에서 SiO2 코팅에 의한 y- Fe2O3 나노분말의 초상자성 완화손실이 더 큼을 의미한 다.
- 이상의 결과를 종합하면 SiO2가 코팅된 y-Fe2O3 나 노 복합 분말은 순수한 /-Fe2O3 나 노분말에 비해 온열치료용 자성재료로서 훨씬 우수한 특성을 가지며, 온열치료용 자성분말의 재료설계시 코팅과 같은 복합화를 통해 고성능화를 꾀할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 코팅된 SiO2 표면 개질을 통하여 다양한 단백질을 쉽게 고정화시킬 수 있으므로 실제 온열치료에서 다양한 시술의 접근 방안을 동시에도모할 수 있다는 장점이 있어 향후 해당 기술 분야에서 폭넓게 응용될 수 있으리라 기대된다.
- 그림에서와 같이 R는 측정된 y-Fe2O3 나노분말의 양과 인가주파수가 증가할수록 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특이한 점은 Fig. 5의 결과에서 /-Fe2O3 양이 비슷한 0.05 g의 y-Fe2O3 나노분말 시편과 SiO2/y- Fe2O3 나노복합 분말 시편의 경우 유사한 厶T 값을 가지는 반면, Fig. 6에서는 SiO2//-Fe2O3 나노복합분말의 R 값이 0.05 g y-Fe2O3 시편보다 높은 것으로 나타났다. 이는 SiO2/y-Fe2O3 나노복합 분말에는 열전도도가 상대적으로 낮은 SiO2 가 다량 포함되어 있기 때문이다# = 1.
후속연구
- 나 노분말에 비해 온열치료용 자성재료로서 훨씬 우수한 특성을 가지며, 온열치료용 자성분말의 재료설계시 코팅과 같은 복합화를 통해 고성능화를 꾀할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 코팅된 SiO2 표면 개질을 통하여 다양한 단백질을 쉽게 고정화시킬 수 있으므로 실제 온열치료에서 다양한 시술의 접근 방안을 동시에도모할 수 있다는 장점이 있어 향후 해당 기술 분야에서 폭넓게 응용될 수 있으리라 기대된다.
- 이는 미세한 y-Fe2O3 나노분말이 코팅된 SiO2 에 의해 균질하게 분산됨으로서 ^Fe2O3 나노분말끼리의 자기적인 상호작용이 무시되었기 때문이며, 이로 인해 더욱 우수한 초상자 성 특성을 가지기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 미세 구조적으로 제어된 SiO2/y-Fe2O3 나노복합분말이 온열치료용 자성물질로 유용함을 의미하며, 다른 바이오 기술 분야에서도 폭넓게 응용될 수 있으리라 기대된다.
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