양친매성 공중합체 브러시로 코팅된 유연 고분자 기판의 해양 방오 표면 = Amphiphilic Copolymer Brush-Coated Flexible Polymer Substrates for Marine Antifouling

국문 초록 (Abstract)

육상 자원의 고갈로 인해 해양 광물, 에너지, 생물자원에 대한 수요가 증가하면서심해 환경에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있는 지능형 자율 수중 로봇과 고성능 수중 센서 의 중요성이 커지고 있다. 그러나 실제 해양 환경은 생체분자와 미생물뿐만 아니라 미사 (silt)와 같은 무기 퇴적물이 동시에 축적되는 복합 fouling이 발생하여, 해양 장비의 성능 저하와 경제적 손실을 초래한다. 기존의 쯔비터이오닉 (zwitterionic) 고분자는 강한 수화 층을 통해 생물 부착을 효과적으로 억제하지만 무기 퇴적물 흡착에는 취약하다는 한계가 최근 보고되고 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, PDMS 및 Si/SiO₂ 기판 위에 surface- initiated PET-RAFT 중합을 적용하여 친수성 SBMA와 소수성 TFEMA로 구성된 양친매성 공중합체 고분자 브러시를 정밀하게 설계하였다. 단량체 조성비를 체계적으로 조절한 결 과, PDMS 표면에서 SBMA:TFEMA 비율이 3:7인 공중합체 브러시는 해양 규조류와 무기 퇴적물 흡착을 동시에 효과적으로 억제하며, 가장 균형 잡힌 방오 성능을 나타냈다. 이러한 결과는 생물 및 무기 복합 fouling 환경에서 조성 균형에 기반한 방오 메커니즘 을 제시하며, 해양 로봇과 수중 전자피부를 포함한 다양한 해양 공학 시스템에 적용 가 능한 새로운 방오 표면 설계 전략을 제공한다. 더 나아가 이 접근법은 의료용 실리콘 튜 빙과 체내 삽입형 의료기기 소재로 확장 가능성이 있어, 생체분자 및 미생물 부착을 억 제하는 차세대 항균 및 비부착 표면 설계 플랫폼으로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• List of Scheme ii
• List of Figure iii
• 초록 iv
• 1. 서론 1
• 2. 실험 3
• 3. 결과 및 고찰 7
• 4. 결론 26
• 감사의 말씀 28
• 참고문헌 29
• List of Scheme
• Scheme 1. Preparation Process for PDMS Elastomer
• Scheme 2. Preparation of Modification PDMS and Si/SiO₂
• List of Figure
• Figure 1. Water contact angle (WCA) measurements on (a) PDMS and (b) Si/SiO₂ surfaces after sequential surface functionalization and after grafting poly(SBMA-r-TFEMA) brushes with various monomer feed ratios.
• Figure 2. XPS survey and high-resolution spectra for stepwise surface functionalization and CTA immobilization. (a) XPS survey spectrum of bare PDMS. (b, c) Verification of APTES functionalization through the appearance of N 1s signals. (d) Si 2p high-resolution spectrum of bare PDMS. (e) Si 2p high-resolution spectrum of APTES-functionalized PDMS,
• showing the formation of siloxane bonds after silanization. (f) C 1s high-resolution spectrum of APTES-functionalized PDMS, confirming the introduction of amine-containing organic components. (g) Successful RAFT-NHS (CTA) immobilization indicated by S 2s and CTA-derived C 1s components. (h) Confirmation of APTES functionalization and subsequent RAFT-NHS immobilization on Si/SiO₂ through characteristic N 1s and C 1s signals.
• Figure 3. XPS survey, N 1s, and C 1s spectra of poly(SBMA-r-TFEMA) brushes with different feed ratios on (a) Si/SiO₂ and (b) PDMS surfaces.
• Figure 4. Thickness and molecular weight evolution of poly(SBMA) and poly(SBMA-r- TFEMA) brushes. (a) Ellipsometry-measured dry thicknesses and estimated number-average molecular weights (Mₙ) at 24 min on Si/SiO₂. (b) Equation and parameters used for Mₙ estimation. (c–g) Time-dependent evolution of brush thickness and estimated Mₙ for each
• composition (SBMA, 5:5, 3:7, 2:8, and 1:9). (h–j) AFM images of brushes grown on PDMS: (h) SBMA, (i) 5:5, and (j) 1:9 compositions.
• Figure 5. Contact angle stability of poly(SBMA-r-TFEMA) brushes. (a) PDMS and (b) Si/SiO₂ surfaces before and after ultrasonication. (c) Long-term wettability stability of brush-coated PDMS surfaces after one month.
• Figure 6. Antifouling performance of poly(SBMA-r-TFEMA) brushes against silt and marine diatoms on PDMS and Si/SiO₂ surfaces. (a–d) Optical microscopy images of PDMS and Si/SiO₂ surfaces before and after silt adhesion tests. (e) Fluorescence microscopy images of marine diatom adhesion on PDMS surfaces. (f–h) Relative and absolute diatom
• attachment densities on PDMS and Si/SiO₂ surfaces, demonstrating substrate- and composition-dependent antifouling performance.
• Figure 7. Antifouling behavior of surface-functionalized Si/SiO₂ wafer surfaces prior to copolymer brush grafting. (a) Optical images of uncoated, APTES-functionalized, and RAFT- NHS–functionalized Si/SiO₂ wafer surfaces before fouling tests. (b) Optical microscopy images of the same surfaces after silt adhesion tests under dynamic conditions (50 rpm,
• 20 °C, 24 h). (c) Fluorescence microscopy images showing marine diatom adhesion on the silt exposed surfaces.