[논문]복합재료 전극을 가진 전기활성고분자 구동기의 설계

김동욱; 장승환

doi:10.7234/composres.2019.32.5.211

[국내논문] 복합재료 전극을 가진 전기활성고분자 구동기의 설계
Design of an Actuator Using Electro-active Polymer (EAP) Actuator with Composite Electrodes 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.5, 2019년, pp.211 - 215

김동욱 (School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University) , 장승환 (School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University)

초록
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정적인 상태인 체외 환경(in vitro)에서의 세포배양 과정은 실제 생체 내 환경에서의 세포발달과정과는 많은 차이가 존재한다. 따라서, 체내 환경의 정밀한 모사를 위해서는, 기계적인 자극을 세포에 전달하여 줄 수 있는 동적 세포배양장치가 필수적이다. 하지만 기존의 동적 세포배양장치에는 튜브, 펌프, 모터 등의 비교적 복잡한 장치들을 필요로 하였으며, 전달되는 기계적 자극도 단순한 형태였다. 본 연구에서는 단순한 장치로 구동되는 동적 세포배양장치를 위하여 전기활성고분자(EAP) 구동기를 동력원으로 하는 소형 동적 세포배양장치를 설계하였다. 이 장치는 다양한 기계적 자극을 세포에 전달하는 것이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cell culture process under in vitro condition is much different from the actual human body environment. Therefore, in order to precisely simulate the human body environment, a dynamic cell culture device capable of delivering mechanical stimulation to cells is essential. However, conventional dynamic cell culture devices require relatively complicated devices such as tubes, pumps, and motors, and the mechanical stimuli delivered is also simple. In this study, an electro-active polymer actuator as a driving component is introduced to design simply driven dynamic cell culture device without complicated components. The device is capable of delivering relatively complex mechanical stimuli to the cells.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Module structure made of PDMS; (a) Molds for module forming, (b) Fabricated upper and lower modules
그림 Fig. 2. Working principle of the actuator; (a) voltage off phase. (b) voltage on phase
그림 Fig. 3. Assembly of the upper and the lower modules with the EAP actuator
그림 Fig. 4. Fabricating process of flexible composite electrodes
그림 Fig. 5. Equivalent circuit of EAP
그림 Fig. 6. A visual marker for checking vertical displacement of the actuator
그림 Fig. 7. Displacement measurement by using marker visualiza-tion technique
그림 Fig. 8. Displacement behavior under the condition of 1.0 Hz-2.4 kV sinusoidal power supply
그림 Fig. 9. Displacement under DC power supply
그림 Fig. 10. Displacement under sinusoidal AC power supply

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 EAP와 PDMS의 장점을 활용하여 기계적 자극의 전달이 가능한 동적 세포배양장치를 설계하였다. 세포배양장치의 구동을 극대화하기 위해 유연한 전극이 필요하며, 이를 위해 탄소분말이 함유된 유연 전극을 적용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 EAP와 PDMS의 장점을 활용하여 기계적 자극의 전달이 가능한 동적 세포배양장치를 설계하였다. 세포배양장치의 구동을 극대화하기 위해 유연한 전극이 필요하며, 이를 위해 탄소분말이 함유된 유연 전극을 적용하였다. 상/하부로 구성된 PDMS 모듈(Module)은 EAP의 전극과 세포 간의 접촉을 방지하며, 상/하부의 PDMS 모듈(Module) 사이에 삽입되는 EAP 구동기는 중앙의 PDMS 기둥(Column)을 상하로 움직여줌으로써 상부 PDMS 모듈에 형성된 배양부에 기계적 자극을 전달하게 된다.
PDMS 모듈의 금형 패턴 제작을 위하여 3D 프린터를 사용하였으며, 패턴의 소재는 열변형이 적은 PLA (Polylactic Acid)를 사용하였다. 상/하부 성형을 위한 액상 PDMS 용기로는 지름 55 mm인 페트리 디쉬를 사용하여 구조물의 외부 치수를 기존 세포배양장치와 유사하게 설계하였다.
PET 필름 위에 어플리케이터를 사용하여 200 μm로 균일하게 도포하였고, 80oC에서 1시간동안 경화시켜 제작하였다.
입력 전압의 2000배 승압이 가능한 증폭기(Amplifier)를 함수발생기(Function generator)에 연결하여, 사인파의 진폭이 0~4.8 kV(피크 0~±2.4 kV)인 AC전압을 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 Hz의 조건으로 전기활성고분자 구동부에 인가하였다.
세포배양 구동부의 정확한 수직방향 거동을 정확하게 측정하기 위하여 구동부에 Fig. 6과 같이 시각적 마커 (Visual marker)를 붙여서 구동부에 발생하는 변위를 측정하였다.
0 Hz의 조건으로 전기활성고분자 구동부에 인가하였다. 또한 0~2.4 kV의 DC 전압을 인가하는 실험을 진행하여 AC 전압과의 차이를 비교하였다.
촬영한 영상은 MATLAB의 영상처리 기능을 사용하여 데이터화 하였다. 연산의 고속화를 위하여, 촬영된 트루컬러 이미지를 각 픽셀 당 0~255 사이의 값을 갖는 회색조 명암 이미지로 변환하였다.
촬영한 영상은 MATLAB의 영상처리 기능을 사용하여 데이터화 하였다. 연산의 고속화를 위하여, 촬영된 트루컬러 이미지를 각 픽셀 당 0~255 사이의 값을 갖는 회색조 명암 이미지로 변환하였다. 또한, 배경으로 생기는 노이즈를 제거하기 위하여, 시각적 마커가 움직이는 범위만을 기록할 수 있도록 다각형 관심 영역 지정(ROI) 함수를 이용하여 이진 영상 마스크를 적용하였다.
연산의 고속화를 위하여, 촬영된 트루컬러 이미지를 각 픽셀 당 0~255 사이의 값을 갖는 회색조 명암 이미지로 변환하였다. 또한, 배경으로 생기는 노이즈를 제거하기 위하여, 시각적 마커가 움직이는 범위만을 기록할 수 있도록 다각형 관심 영역 지정(ROI) 함수를 이용하여 이진 영상 마스크를 적용하였다. 이진 마스크가 적용된 명암 이미지의 각 픽셀 중 30 미만의 값을 갖는 픽셀들은 1로, 30 이상의 값을 갖는 픽셀들은 0으로 변환시켜 이미지를 전체적으로 이진화 시킨 후, Y축으로 히스토그램화 하였다.
또한, 배경으로 생기는 노이즈를 제거하기 위하여, 시각적 마커가 움직이는 범위만을 기록할 수 있도록 다각형 관심 영역 지정(ROI) 함수를 이용하여 이진 영상 마스크를 적용하였다. 이진 마스크가 적용된 명암 이미지의 각 픽셀 중 30 미만의 값을 갖는 픽셀들은 1로, 30 이상의 값을 갖는 픽셀들은 0으로 변환시켜 이미지를 전체적으로 이진화 시킨 후, Y축으로 히스토그램화 하였다. Y축 히스토그램 값에서 4이상의 값을 갖는 처음과 끝의 Y축위치를 구한 뒤 나누어, 시각적 마커의 중앙점 위치를 도출하였다.
이진 마스크가 적용된 명암 이미지의 각 픽셀 중 30 미만의 값을 갖는 픽셀들은 1로, 30 이상의 값을 갖는 픽셀들은 0으로 변환시켜 이미지를 전체적으로 이진화 시킨 후, Y축으로 히스토그램화 하였다. Y축 히스토그램 값에서 4이상의 값을 갖는 처음과 끝의 Y축위치를 구한 뒤 나누어, 시각적 마커의 중앙점 위치를 도출하였다. 도출된 마커의 위치 데이터는, 불러온 영상의 FPS(Frame per second)로부터 계산된 이미지 간의 시간차 데이터와 결합하여 Fig.

대상 데이터

PDMS 모듈의 금형 패턴 제작을 위하여 3D 프린터를 사용하였으며, 패턴의 소재는 열변형이 적은 PLA (Polylactic Acid)를 사용하였다. 상/하부 성형을 위한 액상 PDMS 용기로는 지름 55 mm인 페트리 디쉬를 사용하여 구조물의 외부 치수를 기존 세포배양장치와 유사하게 설계하였다.
전기활성고분자 구동기의 소재는 아크릴계열 탄성 중합체(VHB 4910, 3M, USA)를 사용하였으며, 사전 인장(Prestretching)은 600%를 가해주었다. 사전 인장된 유전 탄성체를 고정하기 위하여 외경 30 mm, 내경 25 mm, 두께 3.
전기활성고분자 구동기의 소재는 아크릴계열 탄성 중합체(VHB 4910, 3M, USA)를 사용하였으며, 사전 인장(Prestretching)은 600%를 가해주었다. 사전 인장된 유전 탄성체를 고정하기 위하여 외경 30 mm, 내경 25 mm, 두께 3.6 mm의 PC로 제작된 원형 고정틀을 사용하였다. 전기활성고분자의 전극으로는 전도성 카본 구리스를 얇게 도포하였으며, 전원장치와 전극의 연결에는 유연 복합재료 전극인 전도성 PDMS 필름을 제작하여 사용하였다.
6 mm의 PC로 제작된 원형 고정틀을 사용하였다. 전기활성고분자의 전극으로는 전도성 카본 구리스를 얇게 도포하였으며, 전원장치와 전극의 연결에는 유연 복합재료 전극인 전도성 PDMS 필름을 제작하여 사용하였다.

성능/효과

2308 mm (6 pixels)의 변형이 생기는 것을 확인할 수 있다. 실험 결과, 배양부의 높이 변화는 Fig. 8의 그래프와 같은 형태로 나타났으며, 전압 인가에 따라 빠른 변형 속도와 규칙적인 변형을 갖는 것을 확인할 수 있다.
DC 전압 인가 시의 결과인 Fig. 9와 AC 전압 인가 시의 결과인 Fig. 10을 비교해 보면, 1.0 Hz의 거동까지는 DC 전압 인가 시의 변형량과 거의 동일하지만, 1.5 Hz부터는 1 pixels(=0.0385 mm)씩 전체적인 변형량이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 반면 모든 결과에서 주파수가 높아져도 변형량에만 차이가 있을 뿐, 변형 형태는 거의 비슷한 것으로 나타났다.
0385 mm)씩 전체적인 변형량이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 반면 모든 결과에서 주파수가 높아져도 변형량에만 차이가 있을 뿐, 변형 형태는 거의 비슷한 것으로 나타났다.

후속연구

이번 실험 연구를 토대로, 보다 넓은 응용분야를 찾기 위해 더 큰 변형량을 갖는 구동장치를 설계해야 할 필요성이 있다. 본 연구를 통해 구현된 구동장치의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 상부 PDMS 모듈의 PDMS 박막 (Membrane)으로 이루어진 배양부의 두께를 더욱 줄이고, EAP의 크기 및 하부 PDMS 모듈의 구조의 수정, 그리고 더 높은 수준의 인가 전압 등이 필요할 것으로 판단되며, 이러한 개선을 통해 더 높은 수준의 구동 변형률을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 실험 연구를 토대로, 보다 넓은 응용분야를 찾기 위해 더 큰 변형량을 갖는 구동장치를 설계해야 할 필요성이 있다. 본 연구를 통해 구현된 구동장치의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 상부 PDMS 모듈의 PDMS 박막 (Membrane)으로 이루어진 배양부의 두께를 더욱 줄이고, EAP의 크기 및 하부 PDMS 모듈의 구조의 수정, 그리고 더 높은 수준의 인가 전압 등이 필요할 것으로 판단되며, 이러한 개선을 통해 더 높은 수준의 구동 변형률을 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 더욱 정밀한 곡률의 측정을 위하여 변형 표면의 레이저 측정 등의 방법의 고려가 필요하다 보여진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동적 세포배양장치가 일반적으로 독립된 별개의 대형 동력원을 필요로 하는 이유는 무엇인가?	동적인 환경에서의 세포배양이 세포에 긍정적인 영향을 가져온다는 연구 결과가 보고되고 있으며[1,2], 이러한 보 고에 따라 세포에 물리적 자극을 전달하기 위한 여러 연구 가 시도되고 있다[3-6]. 그러나 이러한 동적 세포배양장치 들은 체외 환경에서도 동적인 체내 환경을 모사하기 위하 여, 대게 유체의 압력이나 흐름 등을 동력으로 사용하기 때 문에 일반적으로 독립된 별개의 대형 동력원을 필요로 한다. 세포배양을 위해서는 인큐베이터 내 배양이 필수적이 나, 이러한 동력원들은 협소한 인큐베이터 내의 공간을 크 게 차지할 뿐 만 아니라, 배양하는 세포들에 오염을 발생시 키기 쉬운 환경을 형성하게 된다.
	유전 탄성체 (Dielectric elastomer) 구동기 (Actuator)의 장점은 무엇인가?	유전 탄성체 (Dielectric elastomer) 구동기 (Actuator)는 소 형화가 가능하고, 근육과 유사한 움직임을 보이며, 인가되 는 전압에 대응하여 다양한 기계적 거동의 구현이 가능하 며, 반응속도가 비교적 빠른 장점이 있다[7-9]. 유전 탄성체 중 하나인 PDMS(Polydimethyl siloxane)는 세포 독성이 없는 생체적합성 고분자로, 탄성을 가지며 몰드의 형상에 따 라 경화하여 임의의 형상 제작이 용이하며, 절연성능이 뛰 어나기 때문에 많은 연구에 유용하게 활용되고 있다[10,11].
	본 연구에서 동적 세포배양장치의 개선을 위해서 어떠한 방식을 제안하였는가?	본 연구에서는 EAP와 PDMS의 장점을 활용하여 기계적 자극의 전달이 가능한 동적 세포배양장치를 설계하였다. 세포배양장치의 구동을 극대화 하기 위해 유연한 전극이 필요하며, 이를 위해 탄소분말이 함유된 유연 전극을 적용 하였다. 상/하부로 구성된 PDMS 모듈(Module)은 EAP의 전 극과 세포 간의 접촉을 방지하며, 상/하부의 PDMS 모듈 (Module) 사이에 삽입되는 EAP 구동기는 중앙의 PDMS 기 둥(Column)을 상하로 움직여줌으로써 상부 PDMS 모듈에 형성된 배양부에 기계적 자극을 전달하게 된다.

참고문헌 (11)

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Kaspar, D., Seidl, W., Neidlinger-Wilke, C., Ignatius, A., and Claes, L., "Dynamic Cell Stretching Increases Human Osteoblast Proliferation and CICP Synthesis but Decreases Osteocalcin Synthesis and Alkaline Phosphatase Activity," Journal of Biomechanics, Vol. 33, 2000, pp. 45-51.

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Li, B., Lin, Z.J., Ryu, S.R., and Lee, D.J., "Effects of Thickness, Elastomer Types and Thinner Content on Actuation Performance of Electro Active Dielectric Elastomers," Composites Research, Vol. 27, No. 1, 2014, pp. 25-30.

원문보기 상세보기
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상세보기
Ariano, P., Accardo, D., Lombardi, M., Bocchini, S., Draghi, L., De Nardo, L., and Fino, P., "Polymeric Materials as Artificial Muscles: An Overview," Journal of Applied Biomaterials & Functional Materialsd, Vol. 13, No. 1, 2015, pp. 1-9.
Han, S.H., and Hwang, H.Y., "Fabrication of Microstructures with Nanocomposites by Capillary Effect," Composites Research, Vol. 31, No. 4, 2018, pp. 171-176.
Kim, S.H., Lee, S., Ahn, D., and Park, J.Y., "PDMS Double Casting Method Enabled by Plasma Treatment and Alcohol Passivation," Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 293, 2019, pp. 115-121.

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