[논문]특집:자연모사 그린테크놀로지 - 자연모사 바이오 접착 패치 개발

김정훈; 서갑양

문제 정의

본 연구진은 UV 경화성 고분자인 PUA (polyurethane acrylates)를 이용하여 게코도마뱀의 나노 섬모를 모사하는데 성공하였다(2). "나노 드로잉 (nano drawing)기법'으로 명명한 이 방법은 몰드와 고분자 박막사이의 표면 에너지와 고분자 박막과 기판 사이에서의 표면에너지 크기가 서로 대등할 경우 고분자 물질이 몰드의 천정과 적절한 친화력을 형성함으로써 몰드의 제거 시 고분자 구조가 길이 방향으로 신장되어 종횡비가 20 이상인 고 종횡비 형태를 얻어 내는 유용한 기술이다.
본 연구진은 위에서 언급한 게코도마뱀의 발바닥 섬모의 구조적 특성들을 모사하기 위해 고분자 물질을 이용한 다양한 패터닝 방법들을 개발하였다. 고분자를 이용할 경우, 기존의 노광 공정 이나 전자빔 리소그래피 기술에 비해 간단한 가공 공정으로 대면적 패터닝 이 가능하고 형상 제어가 용이하며 재료의 물성을 다양하게 만들 수 있다는 장점이 존재한다.
본고에서는 다양한 자연모사의 사례 중에서도 게코도마뱀의 발바닥 표면을 모사한 결과로서 흔적 이 남지 않고 반복적 인 탈부착이 가능한 바이오 패치에 대한 연구 진행 현황과 앞으로의 활용방안에 대해 전망해 보고자 한다.
탈착과 부착의 편리성을 위해 꼭 필요한 조건 중 하나이다. 이를 위해 본 연구진은 주름 형상을 이용해 표면의 접착력을 제어할 수 있는 방법을 제안하였다. 끝단에 빨판 형상이 있는 섬모 구조의 끝 부분만 PUA 고분자 물질로 코팅을 하고 인장력을 가해 잡아당긴 상태에서 UV/ozone 처리를 하면 섬모를 지지하는 기판의 표면 부분만 화학적 변화가 일어나 매우 딱딱한 성질을 가지게 된다.

제안 방법

그리고 보다 이론적인 접근을 위해 다양한 각도로 기울어진 PUA 고분자 섬모에 대해 접착테스트와 분석을 시행되었다";'. 이를통해 전단항력이 가해질 때, 기울어진 각도가큰 섬모는수직방향 변위와 각도의 감소가 더 크게 일어나므로 접촉 면적이 더 많이 늘어나게 되어 전체 접착력이 증가한다는 것을 알 수 있었고 실험 결과와도 부합하였다.
또한 위의 개념을 활용하여 심전도 장치와 바이오 패치의 결합을 시도하였다. 건식접착 표면에 생체 신호를 추출할 수 있는 전극을 통합하여 심전도 신호를 추출할 수 있을 뿐만 아니라 일주일간의 장시간의 착용에도 충분한 접착력이 유지 되었고 피부의 손상이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
탄성계수를 낮추는 효과를 통해 재생 가능한 건식 접착제를 만드는데 필수적인 요건이다. 이를 위해 faraday cage 시스템을 이용한 플라즈마 에칭 방법을 통해 실리콘 웨이퍼에 기울어진 나노 크기의 홀을 만들었고 실리콘 웨이퍼 중간의 식각 정지층을 통해 나노 섬모의 끝이 평평한 구조가 될 수 있도록 제작하였다. 이와 같은 구조는 방향에 따라 강력한 접착력 (최대 약 26N/cm²)과 손쉬운 탈착력 (약 2.
이를 위해 본 연구에서는 다양한 지름 (5 ~ 20)과 종횡비 (1 ~ 4) 를 가지는 구조물의 접착력과 지름과 높이가 각각 16와 30로 일정하고, 주걱모양을 가지는 끝부분의 두께와 너비를 다르게 한 구조물의 접착력의 변화를 살펴보았다.
한다. 제작 공정에 있어서 기존에 널리 사용되고 있는 photolithography, dry etching, anodic bonding 등을 사용하고 replica molding의 방식을 통해 만든 이 구조는 실리콘 웨이퍼에 삼각형 팁을 포함하는 기둥 구조를 만들 수 있도록 마스터를 제작하였는데, 각 섬모의 끝부분을 식각 전 금속 박막으로 보호하여 원치 않게 식각되는 것을 방지함으로써 선명한 삼각형 모양을 만들 수 있었다. 이 구조물은 삼각형의 꼭짓점에서 시작되는 탈착의 경우 비교적 적은 힘으로 손쉽게 뗄 수 있는 반면, 삼각형 선분방향에서 시작되는 탈착의 경우 높은 접착력을 나타내며 비등방성 접착의 양상을 보여주었다.

성능/효과

또한 위의 개념을 활용하여 심전도 장치와 바이오 패치의 결합을 시도하였다. 건식접착 표면에 생체 신호를 추출할 수 있는 전극을 통합하여 심전도 신호를 추출할 수 있을 뿐만 아니라 일주일간의 장시간의 착용에도 충분한 접착력이 유지 되었고 피부의 손상이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를통해 앞으로의 유비쿼터스헬스케어 분야에서 건식 접착을 이용한 바이오 패치가큰 역할을 할 것으로 전망할 수 있다.
이렇게 만들어진 구조는 기존의 아크릴 접착 계열의 패치가오염되기 쉽고 일회성인 것에 비해 세정이 가능하고, 30회 이상 의사용에도 거의 균일한 접착력을 보여주었다. 또한 구조적 특징으로 인해 공기의 순환이 가능하므로 장시간 착용에도 부작용이 없음을 알 수 있었다.
현상이 발생하여 오히려 줄어드는 것을 알 수 있었다. 또한끝단의 두께는 섬모가균일하게 달라붙는 정도와 굽힘 강도를 결정하므로 이들 요소를 최적화함으로써 인체의 피부에 가장 적합한 형태를 구현할 수 있었다. 이렇게 만들어진 구조는 기존의 아크릴 접착 계열의 패치가오염되기 쉽고 일회성인 것에 비해 세정이 가능하고, 30회 이상 의사용에도 거의 균일한 접착력을 보여주었다.
떼어낼 때도 더 적은 힘이 필요한 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 이온 빔에 대한노출 시간과 조사 각도에 따른 구조물의 형상을 분석함으로써 각각의 경우에 따른 접착력, 탄성유효계수, 내구성 등을 분석하여 기존 수직구조 대비 모든 면에서 결과가 비약적으로 발전하였으며 그 중에서도 최적의 접착력을 구현하는 조건을 확인할 수 있었다.
실험의 결과, 종횡비가 3인 경우 가장 높은 접착력을 나타내었고 이 보다 클 때는 구조물의 무너짐 이나 서로 달라붙는 현상이 발생하여 오히려 줄어드는 것을 알 수 있었다. 또한끝단의 두께는 섬모가균일하게 달라붙는 정도와 굽힘 강도를 결정하므로 이들 요소를 최적화함으로써 인체의 피부에 가장 적합한 형태를 구현할 수 있었다.
"나노 드로잉 (nano drawing)기법'으로 명명한 이 방법은 몰드와 고분자 박막사이의 표면 에너지와 고분자 박막과 기판 사이에서의 표면에너지 크기가 서로 대등할 경우 고분자 물질이 몰드의 천정과 적절한 친화력을 형성함으로써 몰드의 제거 시 고분자 구조가 길이 방향으로 신장되어 종횡비가 20 이상인 고 종횡비 형태를 얻어 내는 유용한 기술이다. 이 방법을 통해 얻어진 대면적의 나노 섬 모는 접착 특성 뿐만 아니라 표면이 젖지 않는 초소 수성 성질을 동시에 가짐을 보였다.
또한끝단의 두께는 섬모가균일하게 달라붙는 정도와 굽힘 강도를 결정하므로 이들 요소를 최적화함으로써 인체의 피부에 가장 적합한 형태를 구현할 수 있었다. 이렇게 만들어진 구조는 기존의 아크릴 접착 계열의 패치가오염되기 쉽고 일회성인 것에 비해 세정이 가능하고, 30회 이상 의사용에도 거의 균일한 접착력을 보여주었다. 또한 구조적 특징으로 인해 공기의 순환이 가능하므로 장시간 착용에도 부작용이 없음을 알 수 있었다.
이를통해 전단항력이 가해질 때, 기울어진 각도가큰 섬모는수직방향 변위와 각도의 감소가 더 크게 일어나므로 접촉 면적이 더 많이 늘어나게 되어 전체 접착력이 증가한다는 것을 알 수 있었고 실험 결과와도 부합하였다. 반면에 많이 기울어진 섬모의 경우 각각이 붙을 염려가 있고 거친 표면에서의 접착이 좋지 않은 단점이 있다.

후속연구

실리콘 웨이퍼나 디스플레이 분야에서 요구되는 청정 이송 과정에 사용되는 기존 방식을 저 전력, 고효율로 대체할 수 있고 우주선과 같이 중력 이 없는 작업 환경 에서 신발의 바닥이나 도구들을 벽 에 고정 시 키는데도 사용할 수 있다. 또한 사용하고자 하는 목적에 따라 구조의 형상을 달리하여 최적화된 구조를 설계하여 원하는 방식으로 사용할 수도 있을 것이다. 본 연구진은 다양한 형태의 섬모 구조를 빨판 형태와 결합하여 제작에 성공한바 있다.
건식접착 표면에 생체 신호를 추출할 수 있는 전극을 통합하여 심전도 신호를 추출할 수 있을 뿐만 아니라 일주일간의 장시간의 착용에도 충분한 접착력이 유지 되었고 피부의 손상이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를통해 앞으로의 유비쿼터스헬스케어 분야에서 건식 접착을 이용한 바이오 패치가큰 역할을 할 것으로 전망할 수 있다.

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