Antibacterial Surface for Medical Device Applications.

"The prevention of bacterial adherence to surfaces is of the utmost importance in many industries, and especially in health-care and medical devices. Medical biopolymers such as silicone, polyurethane, PP, polystyrene, and various biodegradable polymers are often used in medical devices (heart valves, suture materials, syringes or dialysis systems, etc.). With regard to this recent social issue, there has been great progress in the development of new strategies to reduce the bacterial contamination of these polymeric surfaces. Recent developments in the area of surface-acquired infection prevention include surfaces with antimicrobial compositions and surfaces that facilitate the irradiative killing of bacteria. These surfaces are aimed to kill any bacteria on the surface; this could, however, leave a film of dead bacteria on the surface, which would inhibit further killing while providing a favorable platform for subsequent bacterial attachment. Superhydrophobic synthetic surfaces were first demonstrated in the mid-1990s, which have still not been explored in detail in the field of antibacterial surfaces. Several studies have shown the positive effects of these new surfaces on pathogenic bacterial adsorption, cell-and-protein interaction and adhesion, and bacterial adhesion on elastomeric superhydrophobic surfaces."

- 임진익 외., " 연잎 모사 구조로의 초소수성 표면 처리와 의료분야의 적용에 관한 연구",   

  (Polymer(Korea), Vol. 37, No. 4) 로 부터 발췌

친수성, 소수성, 초소수성 표면 비교

모기눈의 구조를 이용한 효율적인 태양전지-KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-02-23

모기눈의 구조를 이용한 효율적인 태양전지 KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-02-23 국가 기타 분야 물리학 전 세계적으로 태양 에너지와 같은 재생 에너지 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양 에너지는 환경 친화적이고 소멸하지 않는다는 점에서 궁극적으로 가장 유용한 재생 에너지원이 될 것으로 예상되고 있다. 최근 나노기술을 이용한 태양전지 재료 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 미국 캘리포니아 대학교의 Jin Zhang 교수팀은 새로운 나노 복합물 구조체를 제작하여 입사광자의 전류변환효율이 기존의 물질보다 더 좋은 특성을 얻었다 [GTB2008010233]. 그러나 이 방법은 제작과정이 복잡하다는 단점이 있다. 미국 플로리다 대학의 Chih-Hung Sun과 포틀랜드 주립대학의 Bin Jiang 는 모기의 눈 구조에 영감을 얻어 효율을 높일 수 있는 구조를 가진 태양 전지를 개발하였다. 연구진은 개발된 태양전지는 제작과정이 단순하고 비용이 저렴하여 기존의 태양전지보다 여러면에서 우수하다고 말하고 있다. 이들의 연구결과는 Applied Physics Letters에 Broadband moth-eye antireflection coatings on silicon.” 라는 제목으로 발표되었다. Jiang과 공동 연구진은 모기의 눈이 반사율이 매우 낮다는 점에 착안하여 연구를 시작하였다고 하였다. 모기의 눈은 각막에 정렬된 융기들이 있는 데, 이런 구조로 인해서 반사가 거의 일어나지 않는다. 빛을 반사하지 않음으로써 야간에 천적으로부터 보호될 수 있도록 진화된 것으로 보인다. 연구진은 이런 모기눈의 구조와 특성을 이용하여 태양전지의 흡수율을 높이고 반사가 거의 일어나지 않는 태양전지를 개발하였다. 연구진은 반사율이 거의 없는 구조를 만들기 위해서 스핀 코팅 방법을 이용하였다. 태양전지에 사용되는 것과 비슷한 실리콘 웨이퍼를 사용하여 나노입자 구조를 에칭으로 실리콘 웨이퍼에 만들었다. Jiang은 그들이 사용한 방법은 마치 박스안에 유리구슬을 넣고 흔들면 유리구슬이 자체적으로 정렬되어 어레이 형태를 갖는 것과 비슷한 과정이라고 하였다. 기존 태양 전지는 반사 방지 코팅이 비효율적이며 제작이 어렵고 비용이 많이 드는 데 비하여 새로운 방법은 반사율이 2% 미만으로 우수하고 제작공정이 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있다고 한다. 이들은 개발된 기술을 상업화 시키기 위해서 곧 회사를 설립할 예정이라고 한다. 현재는 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하고 있는데, 연구를 통하여 다결정 실리콘을 이용한 태양전지의 개발에 힘쓰고 있다고 한다. 태양전지에서 볼 수 있는 푸른색의 반사 방지 코팅은 빛의 파장이 600 나노미터에 최적화되어 있으며, 이 영역을 벗어난 500 나노미터 이하나 800 나노미터 이상 파장의 빛은 반사를 시켜 효율이 떨어지는데, 이는 태양을 이용한 전력 생산에서 최대 걸림돌이다. 이들 연구진이 개발한 모기눈 구조를 가진 태양전지는 이런 문제점을 제거한 매우 유망한 기술로 평가된다. 또한, 제작방법이 간단하고 비용이 저렴하다는 점에서 실제적인 상업화가 가능할 것으로 보인다. 첨부 그림 1: 확대된 모기눈 구조 첨부 그림 2: 모기눈 구조를 모방하여 만든 반사 방지 어레이 실리콘 웨이퍼 moth-eye.jpg SiMothEye.jpg http://www.physorg.com/

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모기눈 표면의 특수한 구조는 초소수성 뿐만 아니라 반사를 최소화 시키는 특성 또한 가지고 있다. 이러한 특성을 태양전지 개발에 활용하여 효율을 높인 사례이다.

참고문헌목록 및 웹사이트

논문

[1] Sanjay Subhash Lathe et al., “Recent Progress in Preparation of Superhydrophobic 

     Surfaces : A Review,”(Journal of Surface Engineered Materials and Advanced

    Technology, 2012, 2, 76-94)

[2] Xuefeng Gao et al., “The Dry-Style Antifogging Properties of Mosquito Compound

     Eyes and Artificial Analogues Prepared by Soft Lithography,”(Advanced Materials,

     2007)

[3] Bharat Bhushan, "Biomimetics : lessons from nature-an overview,"(Phil. Trans. R. 

    Soc. A, 2009)

[4] 김영욱, "마이크로 구조화된 초소수성 표면을 이용한 표면 마찰 항력 감소"(부산대학교 

     대학원 : 기계공학부 2011.2)
[5] 이효신, " 초소수성 표면처리"(KISTI Market Report, Vol.2 Issue 4)

웹사이트

[1] "태양광 발전 비용을 감소시키는 태양 패널의 자가 세정 코팅",    

      <http://blog.naver.com/ioyou64/130184922178>

[2] "[케미진]7월호_스페셜_자연속 신비한 나노의 세계_연꽃은 어떻게 진흙 속에서 깨끗할 
      수 있을까?" , <http://archy77.blog.me/90125614421>

5. 앞으로의 전망

재료 공학적으로 초소수성 표면 특성을 나타내는 재료의 합성은 과거의 많은 연구들을 통하여 성취되었다. 그러나 경제적으로 효율적이고 이러한 재료를 대량으로 생산할 수 있는 공정의 개발이나 초소수성 특성이 영구적으로 나타나게 만드는 방안 등은 아직까지 많은 연구가 필요한 상황이다.
초소수성 표면 특성은 유체 상에서 유체의 점성으로 인해 발생하는 마찰력을 감소시키는 효과를 가진다. 따라서 표면 상에서의 힘이 주요한 요인으로 작용하는 수 센티미터에서 수십 마이크로 미터에 이르는 크기의 로봇, 특히 대부분의 구성물질이 물인 생물체 내부에서 기능할 수 있도록 설계되는 로봇에 대하여 초소수성 표면 구조가 가지는 의미는 특별하다. 마이크로/나노 바이오 로봇 기술에서 초소수성 재료 기술을 적용한다면 로봇의 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

4. 초소수성 표면 제작 방법

초소수성 표면을 만드는 방법으로는 다음과 같은 방법들이 있다.

1) electrochemical deposition
 : 전해질 속에서 전극에 의한 이온의 이동을 통하여 구조를 만들어내는 방법

그림 4. electrochemical deposition에 의한 나노구조

2) electrospinning method
 : 전위를 가지는 압출 노즐과 접지된 판 사이에서의 물질 이동을 통하여 구조를 만들어냄

그림 5. electrospinning에 의한 나노구조

3) wet chemical reaction
 : 액상의 화학약품을 통하여 특정한 형상을 식각(etching)하는 방법으로 MEMS 공정에서
  쓰이는 방법이다.

그림 6. wet chemical reaction에 의한 나노구조

4) hydrothermal synthesis
 : 고온고압 하에서 물 또는 수용액을 이용하여 물질을 결정화하거나 침전, 산화시켜 합성하
   는 방법

5) phase separation method
 : 상분리를 통하여 나노 구조를 형성하는 방법

6) self assembly and layer-by-layer method
 : 원자 또는 분자 집단이 자발적으로 일정한 패턴으로 배열되는 특성을 활용하여 구조를 형
  성하는 방법

그림 7. self assembly를 통한 나노 구조 형성

7) plasma treatment
 : 반응성 이온 또는 기체상의 화학 용매를 플라즈마의 중성 라디칼 확산을 이용하여 시료와
  반응 시킴으로써 이루어지는 드라이 에칭의 한 종류

8) solution immersion method
 : 용액 속에서 재료를 순차적으로 침적시킴으로써 구조를 형성하는 방법

그림 8. solution immersion에 의한 나노 구조

9) chemical vapor deposition
 : 기체 상의 반응물을 재료 표면에 퇴적시킴으로써 구조를 형성하는 방법

10) sol-gel method
 : 유기분산제에 부유되어 있는 졸(sol)에 물을 첨가하여 겔(gel)화시켜 초미립 분말, 섬유,       박막 등을 제조하는 방법

11) casting method
 : 액상의 재료를 형틀에서 고화시켜 구조를 형성하는 방법

3. 모기눈 표면의 특성 및 그 활용 방안

모기눈 표면의 마이크로 단위 HCP, 나노 단위 NCP의 단계적 구조는 초소수성 특성을 기반으로 하여 다양한 특징을 나타낸다.
1) 자가 세정(self cleaning)
2) 오염 방지(anti-contamination)
3) 점착 방지(anti-sticking)

기본적으로 위의 세가지 특성은 초소수성 표면에 액체를 기반으로 하는 부착현상이 발생하지 않는 것에 기반하는 것으로 자동차 유리, 태양광 패널 등 높은 투명도, 낮은 반사율을 요하는 표면에 사용할 수 있다. 또한 물과 지속적인 접촉이 이루어지는 배의 밑바닥면을 초소수성 표면으로 처리하여 수초나 이끼, 미생물 등의 생물 부착 현상을 방지할 수 있다. 전자제품의 표면을 초소수성 처리함으로써 방수처리할 수 있고 김이 서리지 않는 안경 렌즈 등을 만들 수도 있다. 또한 초소수성 표면 처리된 의료장비, 수술도구 등을 개발한다면 오염 방지 효과로 인하여 위생적으로 유지 관리하는데 많은 장점이 있을 것으로 예상된다.

다음 영상은 초소수성 처리를 한 표면이 어떠한 특성을 가지고 어떻게 활용될 수 있는지를 보여준다.

2. 기본원리(Basic principle)

그림 3. 모기눈의 미세구조

그림 3은 모기눈의 미세구조를 SEM으로 관찰한 것이다. 모기눈은 기본적으로 구형의 기본 단위체(ommatidia)가 (b)와 같이 HCP(hexagonal close packed) 구조로 배열되어 있다. 또한 각각의 구형 기본 단위체의 표면에는 (d)와 같은 나노 단위의 NCP(non close packed) 배열의 돌기가 있다. 이러한 마이크로 단위의 HCP 구조와 나노 단위의 NCP 구조의 단계적 배열은 액체와의 접촉면에서 공기층의 형성을 촉진하여 결국 액체와 표면의 직접적인 접촉을 차단하게 만든다. 이러한 현상은 물과 같이 표면장력이 상대적으로 큰 액체에서 잘 나타나게 되며 결국 초소수성은 이러한 원리에 의해 나타나게 되는 것이다.

1. 서론(Introduction)

 SEM(scanning electron microscope)과 같은 전자현미경의 발달로 생물체의 미세한 구조를 관찰하는 것이 용이해지고 마이크로, 나노 구조에 대한 연구와 제작기술이 발달하면서 생물체가 가지는 마이크로, 나노 구조를 모사하여 유용한 표면 특성을 나타내는 재료를 개발하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

그림 2. 식물에서의 소수성

 여기서는 대표적 해충으로 알려져 있는 모기(mosquito)의 눈이 가지는 독특한 구조와 그로인한 초소수성(superhydrophobicity) 특성에 대해 알아보고 이에 관련된 다양한 연구를 살펴본다. 소수성(hydrophobicity) 특성의 잘 알려진 예로는 연잎(Lotus leaves)이 있는데 마이크로 단위의 미세구조에 의하여 그 특성이 발생되는 것으로 알려져 있다. 모기의 눈 또한 식물에서 나타나는 미세구조와 유사한 미세구조를 나타내지만 그 크기가 나노 단위로 연잎에 비해 매우 미세하여 매우 작은 물방울 입자에 대해서도 소수성 특성이 나타난다.

그림 3. 모기 눈의 미세구조

0. 요약(Abstract)

그림 1. 모기의 눈

 생체모방기술(biomimetics)은 생물체의 특정 기관이나 구조 등을 모방하여 기존의 공학에서 구현하지 못했던 기능을 구현하는데 활용하는 기술 분야로 그 대상은 작은 곤충의 미세조직에서 부터 큰 동물의 동작 메커니즘에 이르기까지 매우 다양하다.
 이 블로그에서는 모기의 눈이 가지는 독특한 구조에 의한 특성을 파악하고 이를 모사하여 활용할 수 있는 다양한 방안에 대한 기존의 연구들과 앞으로 해결해 나가야 할 과제들에 대해 살펴본다. 또 기존의 연구에서 다루어지지 않은 다양한 새로운 활용 가능성에 대하여 논의해 보고 앞으로의 전망을 제시해 보고자 한다.