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자동차 도장·바이오센서 등 적용 가능한 정밀 코팅기술

계면활성제 특성 폴리머 이용, 생체친화적 기술 개발 성공

기사입력 2017-04-15 17:16:25
[산업일보]
미세입자를 액적형태로 표면에 인쇄하거나 코팅할 때, 액체가 증발하면서 액체 입자가 액적의 외곽선 쪽으로 집중, 원형의 띠를 형성하며 입자가 표면에 불균질하게 분포되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 커피링 현상이라고 하는데, 커피링 현상은 자동차 외장 도장 공정과 같은 일반 산업공정 뿐 아니라 나노-마이크로 물질을 특수하게 인쇄하거나 코팅하는 공정에서 큰 문제점이다.

액체의 점도를 높이거나 계면활성제만을 넣는 기존 기술로는 커피링 문제를 근본적으로 해결할 수 없다. 뿐만 아니라 기존의 계면활성제는 혈액과 같은 바이오 물질에도 자유로이 사용할 수 없어 생체친화적인 기술 개발이 필요하다.

자동차 도장·바이오센서 등 적용 가능한 정밀 코팅기술
미세입자가 포함된 액적이 증발된 후의 사진과 표면 두께 분포

미래창조과학부기초연구지원사업(집단연구), 원천기술개발사업(바이오·의료기술개발사업)의 지원으로 연구를 수행한 신세현 교수(고려대) 연구팀은 계면활성제 특성을 가진 폴리머 용액을 이용해 미세입자를 물질 표면에 고르게 코팅할 수 있는 미세입자 코팅 기술을 개발했다.

연구팀은 액적에 여러 폴리머 중에서 특정 폴리머를 소량만 추가할 경우 액적 내부에 소용돌이 유동이 발생하는 현상을 우연히 발견하게 됐다. 그 특정의 폴리머는 계면활성제 특성과 약한 점성을 동시에 갖는 PEG(polyethylene glycol)로써 생체친화적인 특성 때문에 일반 화장품 및 바이오 산업 등에 널리 사용된다. PEG는 농도의 증가에 따라 표면장력은 작아지고 점성은 증가하는 성질을 갖는다.

커피링 효과로 인해 액적 내 미세입자와 폴리머도 액적의 외곽 쪽으로 이동해 외곽의 폴리머의 농도가 급격히 증가되는데, 폴리머 농도분포에 따른 표면장력의 차가 크게 발생해 액적 중심방향으로 마랑고니 유동이 발생한다. 이러한 유동이 커피링 효과에 의해 발생하는 유동과 합쳐지면서 소용돌이 유동이 발생하게 된다.

기존 커피링 현상에서는 증발이 완료될 때까지 액적 외곽선이 고정돼 움직이지 않지만, 계면활성제 폴리머가 첨가된 경우 증발이 진행되면서 액적의 외곽선이 중심방향으로 조금씩 규칙적으로 수축해 들어오는 현상을 발견했다. 이러한 외곽선 수축현상은 액적내부의 소용돌이 유동현상과 함께 작용해 미세 입자를 액적 바닥면에 골고루 분포시켰다.

비교목적으로 계면활성제 특성이 없는 폴리머를 사용한 경우 점성증가로 인해 커피링 효과가 약간 감소하는 효과만을 얻었다. 점성이 없는 계면활성제를 사용한 경우에는 커피링 현상은 해결했지만 매우 불안정한 소용돌이 유동에 의해 오히려 대부분의 입자가 중심부에 분포하게 돼 두 경우 모두 입자를 고르게 분포시키지 못했다.

신세현 교수는 “이 연구는 액적에 포함된 미세입자를 균질하게 코팅할 수 있는 기술을 개발한 것이다. 바이오⋅의료융합분야 선도연구센터의 연구를 진행하면서 커피링 현상을 해결하지 않고는 혈중에 극미량 존재하는 암 진단 물질을 검출하기 어렵다는 판단에서 기초 물리와 화학적인 현상을 연구한 결과다. 바이오 물질의 검사에 사용되는 탐침용 미세입자의 코팅에 적용할 수 있어 혈중 종양 물질 검출 센서의 민감도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 가능성을 발견했다. 나아가 개발한 기술을 자동차 코팅, 전자인쇄 등 스프레이, 잉크젯과 같은 액적 형태로 코팅하는 대부분의 공정산업에 간단히 적용할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.

한편 이 연구결과는 나노물질의 전자인쇄, 자동차 도장, 휴대폰 프레임 코팅 등의 산업 공정 등에서 문제가 되는 커피링 현상을 간단하게 해결함으로써 산업현장에서 쉽게 적용이 가능하다. 또한 생체 친화적인 폴리머를 사용하고 있어 바이오 물질의 검사에 사용되는 탐침용 미세입자의 코팅 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
강은영 기자 qboom@kidd.co.kr

반갑습니다. 산업부 강은영 기자입니다. 산업 관련 빅데이터(Big Data), 3D프린터, 웨어러블 기기, 가상현실(VR) 분야 등과 함께, ‘산업인 24시’, ‘동영상 뉴스’, ‘동영상 인터뷰’ 를 통해 여러분을 찾아뵙겠습니다.

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