초록 ▼

연구의 목적 및 내용
제안한 연구의 목적은 캡슐형태의 초미세 반응기를 설계하여 온도에 대한 항상성 유지할 수 있는 소재를 개발하는 것이다. 캡슐형 반응기는 캡슐막이 온도에 따라 물질에 대한 투과도가 변하도록 스마트 캡슐로 설계하며, 여기에 발열 반응 혹은 흡열 반응을 도입한다.

외부 온도가 설정 온도 이하로 하강하는 경우 발열 캡슐이 작동하고, 온도가 상승하는 경우 흡열 캡슐이 작동하여 온도를 설정 온도로 유지할 것이다. 반응열에 더하여 상변이물질의 잠열을 이용함으로써 온도 유지 성능 및 시간을 최대화 할 것이다.

연구의 목적 및 내용
제안한 연구의 목적은 캡슐형태의 초미세 반응기를 설계하여 온도에 대한 항상성 유지할 수 있는 소재를 개발하는 것이다. 캡슐형 반응기는 캡슐막이 온도에 따라 물질에 대한 투과도가 변하도록 스마트 캡슐로 설계하며, 여기에 발열 반응 혹은 흡열 반응을 도입한다.

외부 온도가 설정 온도 이하로 하강하는 경우 발열 캡슐이 작동하고, 온도가 상승하는 경우 흡열 캡슐이 작동하여 온도를 설정 온도로 유지할 것이다. 반응열에 더하여 상변이물질의 잠열을 이용함으로써 온도 유지 성능 및 시간을 최대화 할 것이다. 이를 통해 설정온도를 능동적으로 유지할 수 있는 소재 플랫폼을 확립하고자 한다.

연구결과
1. 온도 하강에 따라 물질 투과도가 증가하는 스마트 캡슐 설계
(1) LCST를 갖는 하이드로젤을 막으로 갖는 캡슐 형성
▶ 미세유체시스템을 이용해 물/오일/물/오일의 조성을 갖는 삼중액적의 중간 물상에 pNIPAAm 하이드로젤을 광중합시켜 캡슐을 성공적으로 형성함

▶ pNIPAAm 하이드로젤 캡슐막은 LCST (섭씨 32도) 이하에서 팽윤하여 높은 물질 투과도를 보이며, 그 이상의 온도에서는 수축하여 낮은 물질 투과도를 보임

▶ LCST 이상의 온도에서 물질 투과가 가능해지는 분자 크기는 일반적인 화학 반응물의 크기보다 큰 약 1~3 nm 로 발열 캡슐로는 부적합함

(2) 상변이물질을 담지한 고분자 캡슐막
▶ 상변이물질과 모노머를 혼합하여 물/오일/물 이중액적의 중간상으로 이용함으로써 광중합을 통해 캡슐막을 형성함

▶ 캡슐막은 상변이물질의 어는점 이상의 온도에서는 투과도가 낮지만, 어는점 이하의 온도에서는 상변이 물질이 고형화와 함께 크랙을 형성하여 투과도가 급격히 높아짐

▶ 투과가 가능해지는 분자 크기는 화학 반응물에 적용하기에 적합한 수준임

2. 발열 반응을 위한 화학 반응의 선택
▶ 발열 반응을 위해 ammonium chloride(aq)와 sodium nitrite(aq)의 oxalic acid 촉매에 의한 반응을 선택하였으며, 벌크 상에서의 반응 테스트를 통해 반응 정도를 확인하였음 (약 25분 동안 약 10도 상승)

3. 스마트 캡슐 기반의 발열 반응 제어를 통한 발열 캡슐 설계
▶ 상변이물질 및 고분자 혼합물로 캡슐막이 이루어진 스마트 캡슐 내부에 반응의 촉매인 oxalic acid를 담지하고, 반응물이 들어있는 수용액에 도입하였음

▶ 온도를 상변이온도 이상으로 유지하는 경우 반응이 일어나지 않으나, 그 이하의 온도에서는 반응물질 유입에 따른 발열 반응이 발생하여 온도가 상승하거나 하강이 지연됨

연구결과의 활용계획
1. 단기적 활용 계획: 후속 연구 진행의 선행 연구로 활용
▶ 2차년도의 흡열 캡슐 및 잠열 캡슐 설계를 위한 기반 기술 및 기초 데이터로 활용됨

2. 장기적 활용 계획
▶ 온도를 능동적으로 제어하는 진정한 의미의 지능형 섬유 개발이 가능할 것

▶ Self-regulation 기작을 온도가 아닌 다른 외부 환경 요인에 적용하여 pH, 혈당량과 같은 요인들에 대한 항상성 달성을 통해 의료, 제약, 화학 산업 전반에 걸쳐 항상성 마이크로캡슐을 활용함

(출처 : 요약문 5p)

Abstract ▼

Purpose&contents
The objective of the proposed research is the development of capsule-type micro-reactors to achieve temperature homeostasis. The smart capsules will be designed to have a membrane whose permeability depends on temperature and a core that contains catalysts for either exothermic o

Purpose&contents
The objective of the proposed research is the development of capsule-type micro-reactors to achieve temperature homeostasis. The smart capsules will be designed to have a membrane whose permeability depends on temperature and a core that contains catalysts for either exothermic or endothermic reaction. As temperature decreases below setting point, reagents for exothermic reaction will diffuse through membrane and react by the catalyst, thereby increasing temperature. By contrast, at temperature higher than the setting point, reagents for endothermic reaction will react to decrease temperature. In such a manner, capsule-type microreactors will actively maintain temperature at setting point.

Result
1. Designing capsules whose membrane permeability increases at low temperature
(1) Capsules whose membrane is made of hydrogel with LCST
▶ W/O/W/O triple-emulsion droplets containing NIPAAm in a middle water phase were produced using a microfluidic device

▶ The pNIPAAm hydrogel membrane showed a volume shrinkage at the temperature above LCST (about 32°C), decreasing the membrane permeability and a volume expansion at the temperature below LCST, increasing the permeability

▶ The cut-off value of permeation was too large (about 1~3 nm) to apply the reagents with small molecular weight for chemical reactions

(2) Capsules whose membrane contains phase-change materials
▶ W/O/W double-emulsion droplets containing photocurable monomer and phase-change material in a middle oil phase were successfully produced using a microfluidic device

▶ Membrane showed high permeability at the temperature below melting point of phase-change material due to freezing-induced crack formation

2. Chemical reactions for exothermic mechanism
▶ Using oxalic acid as a catalyst, ammonium chloride(aq) and sodium nitrite(aq) rapidly react, releasing a large amount of heat (10°C increased in 25 minutes)

3. Exothermic capsules
▶ Using a microfluidic device, oxalic acid was successfully encapsulated in the smart capsules

▶ Heat was released only when the temperature drops below the melting point of phase-change material by the exothermic reaction in the capsule reactors

Expected Contribution
▶ Above results will be used as a precedent study for our follow-up research

▶ It will be possible to make intelligent fabrics that actively maintain the setting temperature. In addition, if the self-regulation mechanism can be further extended to other stimuli, such as pH and blood sugar level, the homeostasis microcapsules can be used for not only clothing, but also medical, pharmaceutical, and chemical applications.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 26
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 30
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 31
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 32
• 8. 참고문헌 ... 32
• 9. 연구성과 ... 33
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 33
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 33
• 12. 기타사항 ... 34
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 35
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 47
• 끝페이지 ... 50