[논문]고분자 용액이 전기방사된 표면의 구조 가시화

이새봄; 이민기; 양상혁; 김승현; 김형진; 성석원; 이민성; 이진기

doi:10.5407/jksv.2018.16.3.040

고분자 용액이 전기방사된 표면의 구조 가시화
Visualization of surface structures coated by electrospun polymers 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.16 no.3, 2018년, pp.40 - 46

이새봄 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 이민기 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 양상혁 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 김승현 (School of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University) , 김형진 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 성석원 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 이민성 (School of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University) , 이진기 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

The surface structure of the electrospun polymer fibers depends on the polymer concentration, the type of solvent used, applied voltage and so on. To make a desired surface, it is important to understand the effects of the physicochemical properties to form a stable Taylor cone and jet dispensation. We observed the formation of Taylor cone and a consequent structure of fiber by controlling the parameters of applied voltage, solution concentration, solvent and collector effectively. Once the surfaces were fabricated, the structures were analyzed using optical imaging technologies. As the solution concentration was increased, the smooth fibers were formed. In addition, different solvent ratios determined the viscosity and the surface tension of solutions. As a result, with decreased viscosity and increased surface tension, thin fibers were obtained by electrospinning. Furthermore the aligned nanofiber was successfully created by using drum collector.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams of electrospinning process with (a) flat plate collector and (b) drum collector.
그림 Fig. 2. Snapshots of droplet shapes as observed on the nozzle tip at different voltages: (a) 6 kV, (b) 8 kV, (c) 10 kV, (d) 13 kV.
표 Table 1. Electrospinning conditions.
표 Table 2. Viscosities and surface tensions of various PVA solutions.
그림 Fig. 3. SEM images showing surface structures of PVA at different concentrations: (a) 6 wt%, (b) 9 wt%, (c) 13 wt%, (d) 25 wt%.
그림 Fig. 4. SEM images showing surface structures of PVDF at different concentrations (Acetone:DMAc=3:1): (a) 5 wt%, (b) 10 wt%, (c) 15 wt%.
표 Table 3. Viscosities and surface tensions of various PVDF solutions.
그림 Fig. 5. SEM images showing surface structures of 10 wt% PVDF at different solvent ratios (Acetone:DMAc): (a) 1:1, (b) 3:1, (c) 9:1.
그림 Fig. 6. Comparison of surface structures made by the electrospun 12.5 wt% PEO fibers on (a) flat plate collector and (b) drum collector at a rotational speed of 2800 rpm.
그림 Fig. 7. Alignment of 10 wt% PEO fibers at different rotational speeds of drum collector. (a) 1500 rpm, (b) 2000 rpm.
표 Table 4. Viscosities and surface tensions of PVDF solutions at different solvent ratios.
표 Table 5. Viscosities and surface tensions of various PEO solutions.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 방사 조건에 따른 섬유 구조의 변화와 집전판의 형상에 따른 구조 변화를 알아보았다.
본 연구에서는 노즐에 인가된 전압에 따라 고분자 액적의 형상 변화를 제어하고 테일러 콘의 형성을 통해 안정적인 방사를 할 수 있는 조건을 찾아내었다. 또한 안정적인 전압 조건에서 친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF를 이용하여 고분자의 농도와 용매의 비율이 표면 구조에 미치는 영향을 알아보았다.
Deitzel et al.은 인가된 전압에 따른 섬유의 형태를 파악하고 지름의 크기와 분포에 대한 고분자 농도의 영향을 연구하였다.⁶⁾ 또한 Zhang et al.
테일러 콘이 형성되어 안정적으로 전기방사가 이루어질 때, 용액의 농도가 균일한 두께를 가진 섬유 생성에 미치는 영향에 대해서 알아 보았다. 전기방사에 사용된 고분자로는 친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF이며, 용액의 농도 변화에 따른 표면 구조를 각각 관찰하였다.

제안 방법

소수성 물질인 PVDF는 아세톤과 N, N-dimethylacetamide (DMAc)의 혼합물에 5, 10, 15 wt% 농도로 용해시켜 실험하였다. 고분자마다 분자량이 다르기 때문에 다양한 점도 범위를 갖도록 하기 위하여 PVA와 PVDF의 농도를 다르게 설정하였다. 또한 아세톤과 DMAc의 혼합물은 각각 1:1, 3:1, 9:1의 비율로 섞어 사용하였다.
다음으로 안정적인 전기방사가 이루어지는 전압조건에서 농도에 따른 섬유의 표면 구조를 관찰하였다. 친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF 모두 낮은 농도에서는 전기분무가 이루어져 비드 구조의 표면이 형성되었고, 농도가 증가함에 따라 비드의 비율은 줄어들고 균일한 두께의 섬유가 증가하였다.
고분자마다 분자량이 다르기 때문에 다양한 점도 범위를 갖도록 하기 위하여 PVA와 PVDF의 농도를 다르게 설정하였다. 또한 아세톤과 DMAc의 혼합물은 각각 1:1, 3:1, 9:1의 비율로 섞어 사용하였다.
본 연구에서는 노즐에 인가된 전압에 따라 고분자 액적의 형상 변화를 제어하고 테일러 콘의 형성을 통해 안정적인 방사를 할 수 있는 조건을 찾아내었다. 또한 안정적인 전압 조건에서 친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF를 이용하여 고분자의 농도와 용매의 비율이 표면 구조에 미치는 영향을 알아보았다. 마지막으로 원통형 집전판을 사용하여 PEO의 정렬된 섬유 구조를 제작하며 그 활용도를 높일 수 있었다.
또한 원통형 집전판의 속도에 따라 정렬 정도를 비교하기 위해, 모든 조건은 동일하게 하고 7.5 kV의 전압에서 회전수를 1500과 2000 rpm으로 변경하여 표면구조를 비교하였다. Fig.
전기방사를 통해서 집전판에 생성된 섬유 구조는 광학현미경(U-LH100-3, Olympus Corporation Japan)과 주사전자현미경 (JSM-6390A, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 또한, 용액의 점도와 표면장력은 각각 Viscometer rheomat (R180, ProRheo)과 Smart drop (SDL200TEZD, FEMTOFAB Co. Ltd)을 이용하여 측정하였다.
마지막으로 위 실험에서 안정적인 전기방사가 이루어지는 조건에 따라 평판과 원통형 집전판을 사용하여 PEO의 매끄러운 섬유를 제작하고 표면구조를 비교하였다. 평판 집전판은 불규칙적인 섬유 구조를 생성하는 반면에 원통형 집전판에 의해 만들어진 섬유는 정렬되어 방향성을 가지며, 회전 수가 증가할수록 정렬 정도가 증가하였다.
5 wt%로 조절하였다. 소수성 물질인 PVDF는 아세톤과 N, N-dimethylacetamide (DMAc)의 혼합물에 5, 10, 15 wt% 농도로 용해시켜 실험하였다. 고분자마다 분자량이 다르기 때문에 다양한 점도 범위를 갖도록 하기 위하여 PVA와 PVDF의 농도를 다르게 설정하였다.
⁶⁾ 또한 Zhang et al.은 PVA 용액의 유량, 용매의 종류, 노즐과 집전판 사이의 거리 등 조건에 따라 섬유의 평균 지름 변화를 연구하였다.⁷⁾ 그리고, 섬유 및 비드 생성에 대한 표면장력과 점도의 영향도 지속적으로 연구되어 왔다.
이를 위해서 먼저 전압에 따른 노즐 끝에 맺힌 액적의 형상을 관찰하였다. 노즐에 인가된 전압이 임계 전압에 도달하면 테일러 콘이 형성되어 안정적으로 전기방사가 이루어졌다.
2에서 사용한 전압과 동일하다. 전기 방사한 후 표면을 전기주사현미경을 통하여 관찰하였다. Fig.
전기방사는 안정적인 테일러 콘이 형성되는 전압 조건 (13-16 kV) 에서 진행하였으며 PVA는 DI water에 용해시켜 6 wt%에서 25 wt%까지 농도를 변화시켰다. 농도가 낮은 6-9 wt%에서는 전기방사가 아닌 전기분무가 이루어져 작은 비드 형태의 표면이 형성되었다 (Fig.
전기방사를 통해서 집전판에 생성된 섬유 구조는 광학현미경(U-LH100-3, Olympus Corporation Japan)과 주사전자현미경 (JSM-6390A, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 또한, 용액의 점도와 표면장력은 각각 Viscometer rheomat (R180, ProRheo)과 Smart drop (SDL200TEZD, FEMTOFAB Co.
테일러 콘이 형성되어 안정적으로 전기방사가 이루어질 때, 용액의 농도가 균일한 두께를 가진 섬유 생성에 미치는 영향에 대해서 알아 보았다. 전기방사에 사용된 고분자로는 친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF이며, 용액의 농도 변화에 따른 표면 구조를 각각 관찰하였다.
PVA (Mw~31,000, 88% hydrolyzed)는 Sigma aldrich에서 구입하였고, PEO (Mw~300,000)와 PVDF (Mw~534,000)는 Alfa aesar에서 구입하여 사용하였다. 친수성 물질인 PVA와 PEO는 모두 DI-water에 용해시켰고 농도는 각각 6-25 wt%와 10-12.5 wt%로 조절하였다. 소수성 물질인 PVDF는 아세톤과 N, N-dimethylacetamide (DMAc)의 혼합물에 5, 10, 15 wt% 농도로 용해시켜 실험하였다.

대상 데이터

3.2에서 소수성인 PVDF 전기방사의 경우에는 아세톤과 DMAc, 2가지의 용매의 혼합물을 사용하였다. 3.
PVA (Mw~31,000, 88% hydrolyzed)는 Sigma aldrich에서 구입하였고, PEO (Mw~300,000)와 PVDF (Mw~534,000)는 Alfa aesar에서 구입하여 사용하였다. 친수성 물질인 PVA와 PEO는 모두 DI-water에 용해시켰고 농도는 각각 6-25 wt%와 10-12.
실험에 사용된 집전판의 종류는 사각형 평판(30×30 cm2)과 9 cm 지름의 회전형 원통이며 알루미늄 호일을 씌운 후 표면에 방사하였다.
전기방사의 섬유와 비드 생성은 농도, 용매, 전압 등에 의해 결정되지만 섬유의 구조와 방향성은 집전판의 종류에 따라 달라지게 된다. 집전판의 종류에 따른 표면 구조를 비교하기 위해 평판형과 원통형 집전판을 사용하였고 PEO 용액을 전기방사하여 균일한 섬유를 제작하였다. PEO 용액의 점도와 표면장력은 Table.

성능/효과

친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF 모두 낮은 농도에서는 전기분무가 이루어져 비드 구조의 표면이 형성되었고, 농도가 증가함에 따라 비드의 비율은 줄어들고 균일한 두께의 섬유가 증가하였다. 결과적으로 고분자의 농도에 따라 전기분무와 전기방사가 구분되며 일정 농도 이상에서 매끄러운 섬유형태의 표면이 형성되었다.
¹⁴⁾ 따라서 용매의 비율이 1:1인 경우, 매우 낮은 표면장력을 가지게 되어 비드를 가진 섬유가 집전판에 방사되게 된다. 또한 아세톤과 DMAc의 비율이 9:1일 때 점도가 낮아져 섬유의 지름이 감소하는 것을 보였다.¹⁵⁾
또한 안정적인 전압 조건에서 친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF를 이용하여 고분자의 농도와 용매의 비율이 표면 구조에 미치는 영향을 알아보았다. 마지막으로 원통형 집전판을 사용하여 PEO의 정렬된 섬유 구조를 제작하며 그 활용도를 높일 수 있었다.
친수성 물질인 PVA와 소수성 물질인 PVDF 모두 낮은 농도에서는 전기분무가 이루어져 비드 구조의 표면이 형성되었고, 농도가 증가함에 따라 비드의 비율은 줄어들고 균일한 두께의 섬유가 증가하였다.
마지막으로 위 실험에서 안정적인 전기방사가 이루어지는 조건에 따라 평판과 원통형 집전판을 사용하여 PEO의 매끄러운 섬유를 제작하고 표면구조를 비교하였다. 평판 집전판은 불규칙적인 섬유 구조를 생성하는 반면에 원통형 집전판에 의해 만들어진 섬유는 정렬되어 방향성을 가지며, 회전 수가 증가할수록 정렬 정도가 증가하였다.

후속연구

본 연구에서, 용매의 특성을 파악하고 방사 조건을 조절함으로써 원하는 두께 및 구조의 섬유를 제작하는 것이 가능하였으며 향후 이러한 연구는 다양한 기능의 표면을 제작하는데 기반기술로서 사용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기방사란 무엇인가?	전기방사는 전기장을 고분자 용액을 방출하는 노즐에 인가하면 노즐 끝에 맺힌 고분자 액적이 대전되고 그 전기력의 크기가 표면장력을 능가할 때 액적이 방사되어 집전판에 쌓이는 현상이다. 이때, 전기장의 세기가 임계 전압 이상으로 증가하면 노즐 끝의 액적이 기존의 물방울 모양에서 원뿔 모양으로 변하는데, 이 모양을 테일러 콘 (Taylor cone)이라 한다.
	전기방사의 특징은 무엇인가?	이때, 전기장의 세기가 임계 전압 이상으로 증가하면 노즐 끝의 액적이 기존의 물방울 모양에서 원뿔 모양으로 변하는데, 이 모양을 테일러 콘 (Taylor cone)이라 한다.1,2) 이러한 전기방사는 나노 크기의 섬유를 비교적 간단한 방법으로 대량생산이 가능하여 활용도가 높기 때문에 현재까지도 다양한 분야에서 활용 및 연구가 수행되고 있다.
	전압의 세기가 낮을 때 액적에 어떤 영향을 미치는가?	전압의 세기는 전기방사에서 가장 중요한 조건 중 하나이다. 노즐에 인가된 전압이 낮은 경우에는 액적이 테일러 콘 형상을 이루지 못하고, 표면장력에 의해 노즐 끝단에서 반구 형태로 유지된다. 이때 주사기 펌프에서 계속적으로 공급된 유량에 의해 노즐 끝단에 맺힌 액적의 크기가 증가하고, 일정 크기 이상이 되면 중력에 의해 아래로 떨어지게 된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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