최근 에너지, 바이오공학, 전자공학 등 다양한 분야에서 초미세 고분자섬유의 활용이 증대되고 있다. 이러한 고분자 섬유의 제작방법의 하나로서 전기방사법은 타 공정에 비해 공정장치가 간단하고 재료의 선택에 제한이 적은 등 다양한 장점을 가져 활발하게 사용되고 있다. 그러나 전기방사공정은 미세한 고분자 섬유가 전기장이 부가된 공기층을 통과하면서 높은 불안정성을 가지기 때문에 전기방사공정을 통해 제작되는 섬유매트의 형상 및 기하학적 특성의 조절이 어려운 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 두 가지 용매를 이용하여 섬유의 직경을 나노섬유와 마이크로섬유로 제작할 수 있음을 보였으며, 이를 조합하여 기계적 특성과 공극률을 조절할 수 있는 하이브리드 섬유매트를 제작할 수 있음을 보였다. 또한 제작된 매트를 이용하여 기계적 특성과 공극률이 조절될 수 있음을 확인하였다.
최근 에너지, 바이오공학, 전자공학 등 다양한 분야에서 초미세 고분자섬유의 활용이 증대되고 있다. 이러한 고분자 섬유의 제작방법의 하나로서 전기방사법은 타 공정에 비해 공정장치가 간단하고 재료의 선택에 제한이 적은 등 다양한 장점을 가져 활발하게 사용되고 있다. 그러나 전기방사공정은 미세한 고분자 섬유가 전기장이 부가된 공기층을 통과하면서 높은 불안정성을 가지기 때문에 전기방사공정을 통해 제작되는 섬유매트의 형상 및 기하학적 특성의 조절이 어려운 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 두 가지 용매를 이용하여 섬유의 직경을 나노섬유와 마이크로섬유로 제작할 수 있음을 보였으며, 이를 조합하여 기계적 특성과 공극률을 조절할 수 있는 하이브리드 섬유매트를 제작할 수 있음을 보였다. 또한 제작된 매트를 이용하여 기계적 특성과 공극률이 조절될 수 있음을 확인하였다.
Fine polymeric fibers have been gaining interest from the energy harvesting/storage, tissue, and bioengineering industries because of advantages such as the small diameter, high porosity, permeability, and similarities to a natural extracellular matrix. Electrospinning is one of the most popular met...
Fine polymeric fibers have been gaining interest from the energy harvesting/storage, tissue, and bioengineering industries because of advantages such as the small diameter, high porosity, permeability, and similarities to a natural extracellular matrix. Electrospinning is one of the most popular methods used to fabricate polymeric fibers because it is not as limited in regards to the materials selection, and it does not require expensive or complex equipment. However, electrospun fibers have a severe aerodynamic instability because the small diameter fibers are able to pass through the atmospheric layer when there is a high electric field. As a result, electrospun fibrous mats have serious difficulties with controlling its shape and geometric properties. In this study, a hybrid nano/microfibrous mat is presented that is fabricated using electrospinning with two different solvent-based PCL solutions. This provides control of the fiber diameter, mat porosity, and mechanical properties. Various hybrid fibrous mats were fabricated after an experimental investigation of the effects of solvent on fiber diameter. It was then demonstrated that the mechanical properties and porosity of the fabricated various hybrid mats could be successfully controlled.
Fine polymeric fibers have been gaining interest from the energy harvesting/storage, tissue, and bioengineering industries because of advantages such as the small diameter, high porosity, permeability, and similarities to a natural extracellular matrix. Electrospinning is one of the most popular methods used to fabricate polymeric fibers because it is not as limited in regards to the materials selection, and it does not require expensive or complex equipment. However, electrospun fibers have a severe aerodynamic instability because the small diameter fibers are able to pass through the atmospheric layer when there is a high electric field. As a result, electrospun fibrous mats have serious difficulties with controlling its shape and geometric properties. In this study, a hybrid nano/microfibrous mat is presented that is fabricated using electrospinning with two different solvent-based PCL solutions. This provides control of the fiber diameter, mat porosity, and mechanical properties. Various hybrid fibrous mats were fabricated after an experimental investigation of the effects of solvent on fiber diameter. It was then demonstrated that the mechanical properties and porosity of the fabricated various hybrid mats could be successfully controlled.
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문제 정의
본 연구에서는 이상의 문제점을 해결하는 동시에 보다 손쉬운 방법으로 기계적 성질과 공극률이 조절된 고분자섬유 매트를 제작하는 공정을 개발하였다. 이를 위해 휘발성이 서로 다른 두 용매에 동일한 고분자를 용해한 용액을 각각 반대방향에서 동시에 방사함으로써 서로 다른 직경의 고분자 섬유로 구성된 매트를 제작할 수 있음을 보였다.
비드(bead)가 없고 균일도가 높은 PCL 나노섬유의 전기방사를 위해 적합한 PCL-CF-DMF 용액의 농도를 결정할 필요가 있으며, 이를 위해 농도에 따른 섬유의 직경을 조사하기 위한 실험을 수행하였다.
제안 방법
이를 위해 만능재료시 험기(Instron)를 이용하여 제작된 매트들에 대해 인장시험을 수행하였다.
전기방사장치의 양 측면의 노즐에 나노섬유와 마이크로섬유용 용액을 시린지 펌프를 이용하여 각각 토출하고 드럼집적기에는 기저전압을 인가하고 두 노즐에 동일한 양의 전압을 인가하고 하여 드럼집적기에 섬유가 집적되도록 하였다.
특히 매트의 두께에 대한 균일도를 높이기 위하여 용액이 토출되는 노즐을 이송스테이지에 부착하여 드럼의 축 방향으로 이송하며 방사하였다.
한편 적절한 마이크로 섬유의 전기방사를 위해 PCL-CF 용액의 농도를 결정하기 위해 용액의 농도는 8, 9, 10, 11 wt% 네 가지로 하였다.
(11) Pham 등은 PCL 소재의 용매와 농도를 변화시켜 나노섬유와 마이크로섬유를 각각 일정한 두께로 교대로 적층 하여 공극률을 조절하고 간엽줄기세포를 이용하여 세포의 부착력과 투과성을 확인하였다.
(14) 본 연구에서는 동일한 환경변수와 고분자에 대해 섬유직경에 차이를 줄 수 있도록 하기 위해 예비 실험을 통해 각 섬유별로 적합한 용매를 결정하였다.
각각 섬유 매트의 두께는 초정밀 마이크로미터 (Mitutoyo)를 이용하여 0.5 N의 압축력을 가하면서 20회 반복 측정하였다.
마이크로섬유의 비율에 따른 공극률의 변화를 확인하기 위하여 제작된 세가지 매트에 대해 공극률을 측정하였다. Fig.
매트의 기계적 특성과 공극률 조절을 위해 나노섬유와 마이크로섬유의 함유량비를 조절하였으며, 이를 위한 제작 실험에서는 앞에서 언급한 전기방사조건은 유지하면서 각 측 노즐의 개수를 변경하여 함유량의 질량비를 조절하였다.
본 연구에서는 드럼집적기(drum collector)(12,13) 기반 전기방사공정을 이용하여 전기방사를 수행하였다.
제작된 나노/마이크로섬유 하이브리드 매트의 기계적 특성을 측정하였다. 이를 위해 만능재료시 험기(Instron)를 이용하여 제작된 매트들에 대해 인장시험을 수행하였다.
제작된 섬유의 형상과 직경을 확인하기 위하여 제작된 매트를 백금 코팅한 후 전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 이용하여 섬유직경은 촬영된 SEM 이미지를 이용하여 ImageJ 소프트 웨어(National Institute of Health)로 측정하였다.
대상 데이터
나노섬유 방사용 용매로는 디메틸포름아마이드(DMF, dimethylformamide) 와 클로로포름(CF, chloroform)을 1:1 부피비로 혼합하여 사용하였으며, 마이크로섬유용 용매로는 CF 만을 사용하였다.
이런 측면에서 비드의 발생이 없고 직경균일도가 높으면서 직경이 작은 PCL 나노섬유의 전기방사를 위한 용액의 농도조건으로 본 연구에서는 PCL-CF-DMF 용액 9 wt%를 선정하였다.
전기방사공정으로 나노/마이크로섬유가 동시에 결합된 하이브리드 매트를 제작하기 위하여 Fig. 1에서 보인 전기방사장치를 이용하였다. 전기방사장치의 양 측면의 노즐에 나노섬유와 마이크로섬유용 용액을 시린지 펌프를 이용하여 각각 토출하고 드럼집적기에는 기저전압을 인가하고 두 노즐에 동일한 양의 전압을 인가하고 하여 드럼집적기에 섬유가 집적되도록 하였다.
성능/효과
그러나 단위질량당의 두께로 환산할 경우 나노섬유와 마이크로섬유 비가 1:1.2인 경우는 나노섬유만으로 된 경우에 비해 약 25%정도 얇으며, 1:2.4인 경우는 약 29% 정도 더 얇음을 알 수 있었다.
또한 동시에 방사되는 나노섬유와 마이크로섬유의 함량비를 조절함으로써 섬유매트의 기계적 물성치와 공극률을 높은 신뢰도를 가지고 조절 가능함을 확인하였다.
측정 결과로부터 동일한 방사시간(1시간)동안 방사한 결과 마이크로 섬유를 추가할수록 증가함을 확인하였으며, 이는 마이크로 섬유가 증가함에 따라 두께가 증가하였다.
특히 섬유를 구성하는 나노섬유와 마이크로섬유의 함량비를 조절함으로써 기계적 성질과 공극률을 조절할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
(a)는 초기인장부터 8%인장 시까지의 선형구간에서 계산된 선형계수(modulus)를 보여주며 나노섬유만으로 구성된 것이 가장 크고 마이크로섬유의 함유량이 증가할수록 감소함을 확인 할 수 있다.
본 연구에서는 최근 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있는 나노섬유와 마이크로섬유 매트를 드럼형 전기방사장치로 제작할 때 동일한 고분자에 대해 서로 다른 용매를 이용하여 전기방사함으로써 섬유의 직경 조절이 가능함을 보였다. 또한 동시에 방사되는 나노섬유와 마이크로섬유의 함량비를 조절함으로써 섬유매트의 기계적 물성치와 공극률을 높은 신뢰도를 가지고 조절 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 이상의 문제점을 해결하는 동시에 보다 손쉬운 방법으로 기계적 성질과 공극률이 조절된 고분자섬유 매트를 제작하는 공정을 개발하였다. 이를 위해 휘발성이 서로 다른 두 용매에 동일한 고분자를 용해한 용액을 각각 반대방향에서 동시에 방사함으로써 서로 다른 직경의 고분자 섬유로 구성된 매트를 제작할 수 있음을 보였다. 특히 섬유를 구성하는 나노섬유와 마이크로섬유의 함량비를 조절함으로써 기계적 성질과 공극률을 조절할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.
후속연구
이러한 신뢰성 높고 기존의 방법에 비해 손쉬운 제작방법을 활용함으로써 연료전지의 분리막, 태양전지의 전해막, 조직공학의 스캐폴드 등 다양한 애플리케이션에서 물성치가 조절된 매트 및 맴브레인으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 전자, 에너지, 바이오공학 등 다양한 분야에서 전기방사공정 기반의 고분자 나노섬유의 관심이 많은 이유는 무엇인가
최근 전자, 에너지, 바이오공학 등 다양한 분야에서 전기방사공정 기반의 고분자 나노섬유가 많은 관심을 받고 있다. 이는 나노섬유가 가진 미세한 직경으로 인한 우수한 기계적 성질, 높은 공극률 및 투과율, 부피-표면적비, 전기방사공정의 낮은 소재선택의 제한, 간단하고 저렴한 공정장치 등의 장점으로 높은 가능성을 인정받고 있기 때문이며 이로 인해 다양한 연구가 진행되고 있다.(1~6) 특히 조직공학 및 바이오공학 측면에서는 고분자 나노섬유의 세포 외기질(extracellular matrix)과 유사한 구조적 특징으로 스캐폴드(7)를 포함한 다양한 분야에 연구가 진행되고 있다.
고분자 나노섬유의 세포 외기질과 유사한 구조적 틍징으로 스캐폴드를 포함한 연구의 문제점은 무엇인가
(1~6) 특히 조직공학 및 바이오공학 측면에서는 고분자 나노섬유의 세포 외기질(extracellular matrix)과 유사한 구조적 특징으로 스캐폴드(7)를 포함한 다양한 분야에 연구가 진행되고 있다. 그러나 고분자 용액이 전기방사노즐 끝단에서 집적판(collector)까지 미세한 섬유로 전이되며 이동하는 사이에 높은 전기장이 부가된 공기층을 지나면서 높은 불안정성을 가져 집적판에 집적되는 섬유의 형상 및 기하학적 특성의 조절에 많은 어려움이 있다.(8) 또한 일반적으로 나노섬유로 구성된 매트는 작은 직경과 높은 밀도로 상대적으로 공극률이 낮고, 무엇보다 세포의 이동이 깊이 방향으로 최대 약 50 μm 정도로 제한적인 문제점이 있다.(9)
공극률과 세포 침투 깊이의 문제점을 해결하기 위한 연구는 무엇인가
이러한 공극률과 세포 침투 깊이의 문제점을 해결하기 위해 나노섬유와 마이크로섬유가 혼합된 복합구조를 제작하는 것에 대한 다양한 연구가 시도 되고 있다. Kim 등은 poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) 소재를 전기방사법과 용융전기방사법 (melt-electrospinning)의 2가지 공정을 결합하여 약 530 nm 직경의 나노섬유와 약 28 μm 직경의 마이크로섬유를 동시에 방사하여 공극률을 조절할 수 있고, 상피각질세포(epidermal keratinocyte cell)를 배양하여 스캐폴드로의 활용 가능성을 보였다.
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