摩擦電氣에 의한 未結合 殘存 PDMS 重合體의 抽出 特性 硏究 = Characterization for extraction of uncrosslinked residual PDMS base from fully?cured PDMS by frictional electricity

국문 초록 (Abstract)

PDMS(polydimethylsiloxane)는 탄력성, 광학투명성, 화학적으로 유연한 표면, 물에 대한 낮은 침투성 그리고 낮은 전기전도도 같은 유용한 물리적•화학적 성질을 가진 중합체이다. 따라서 PDMS는 소프트리소그래피(soft lithography) 공정을 이용한 마이크로채널(microchannel)과 마이크로어레이(microarray)를 제작하기 위한 패턴(pattern)과 몰드(mold)의 재료로 유용한 물질이다. PDMS로 제작된 마이크로장치(microdevice)는 고가의 시약 및 생산되는 폐기물이 감소 되는 이점이 있다. 특히, 미세유동장치는 생화학 분석, 화학 반응, 생물의학 및 세포 분석을 위한 세포 독성 연구를 수행하는데 있어서 다양하게 사용된다. 하지만 PDMS의 결합을 이루지 못한 중합체는 장기간 수용액 환경에 노출될 경우 특정 세포를 배양함에 있어서 영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 이러한 PDMS의 결합을 이루지 못한 중합체를 제거하기 위한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 PDMS의 결합을 이루지 못한 중합체의 분리에 관한 연구를 수행하였다. 우리는 PDMS 경화 후에도 여전히 남아있는 미확인 잔존 물질을 관찰하였다. 이 관찰은 본 연구를 수행하는데 있어서 시작점이 되었다. 실험 과정에서 두 가지 경우에 의해서 마찰전기가 발생하였고, 각각의 경우에 대해서 실험을 진행하였다.
첫째, 배양접시 뚜껑에서 발생한 마찰전기를 중심으로 실험을 진행하였다. 마찰전기가 발생하는 지점과 PDMS 표면 사이의 거리, PDMS 경화 온도에 따른 실험을 진행하였다. 그 결과 마찰전기 발생 지점과 PDMS 사이의 간격이 좁을수록 PDMS의 반응이 크게 일어나고, PDMS의 점성이 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한 발생한 마찰전기에 대한 정량적 분석을 함으로써 배양접시 뚜껑은 (-)로, PDMS는 (+)로 대전되어 인력이 발생함을 알 수 있었다.
둘째, PDMS를 혼합하는 과정에서 혼합 물질에 따라 PDMS 자체에 대전되는 전위를 정량적으로 분석하였다. 그 결과 PDMS를 유리 막대와 플라스틱 컵으로 혼합할 경우, 나무 막대와 종이컵 보다 PDMS 자체 대전이 크게 나타남을 알 수 있었다. 또한 분리된 중합체를 푸리에 변환 적외분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR, 이후 FT-IR로 표기) 중에서 감쇠 전반사(attenuated total reflection, ATR, 이후 ATR로 표기) 모드를 이용하여 분석한 결과, PDMS 베이스와 같은 성분의 물질이었다. 따라서 마찰전기에 의해 PDMS 중합체가 분리됨을 알 수 있었다.
본 연구의 마찰전기에 의한 PDMS의 중합체 분리현상을 이용함으로써 PDMS 장치 제작시 결합을 이루지 못한 PDMS 중합체를 채널에서 멀리 이동시켜 세포 배양 환경을 향상 시킬 수 있을 것으로 생각된다. 또한 화학적 처리 없이 몰드 제작 과정에서 수행하기 때문에 채널의 붕괴에 대해 염려할 필요가 없다. 더욱이 마찰전기에 따른 PDMS의 반응에 영향을 미치는 특성을 분석함으로써 향후 장치를 고안하는데 방향을 제시해 줄 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polydimethylsiloxane (PDMS) is a soft polymer with attractive physical and
chemical properties, such as elasticity, optical transparency, flexible surface
chemistry, low permeability to water, and low electrical conductivity. PDMS is very
useful material for molding and patterning microdevices by soft lithography, such as
microchannels and microarrays in a controlled manner. PDMS microdevices offer
several advantages of reduced use of expensive reagents and low by–product wastes
in a miniaturized format. Specifically, microfluidic devices are widely used to study
biochemical analysis, chemical reactions, and cell toxicity tests for biomedical and
cellular assays. However, uncrosslinked oligomers could potentially affect when
exposed in long–term aquatic environment. Therefore, the study for removing
uncrosslinked residual PDMS base from fully–cured PDMS is required.
In this study, we report a direct observation for separation of PDMS polymer
during fabrication by frictional electricity. We observed unknown material of PDMS
that still remains after its full curing time. This observation was the starting point in
order to carry out this study. Frictional electricity was generated by the two cases of
the course for the experiment. We conducted experiments in each case.
First, experiments were conducted focusing on the frictional electricity that
generated at the lid of Petri dish. We changed several parameters, such as curing
temperature and the gap between PDMS and the lid of Petri dish. As a result, the
biggest reaction of PDMS occurred by the smallest interval between PDMS and
surface of frictional electricity. Further, the viscosity of the PDMS affected for the
reaction of PDMS. By the quantitative analysis of frictional electricity generated,
the lid of Petri dish was negatively charged, and the PDMS was positively charged.
Therefore, the attraction force was generated with each other.
Secondly, we measured electrification of PDMS by the mixing materials, such as
paper vessel, plastic vessel, wooden stirrer and glass stirrer. As a result,
electrification of PDMS was bigger than paper vessels with wooden stirrer when
mixing the PDMS by the plastic vessel with glass stirrer. In addition, component of
extracted polymer was similar with PDMS base from the result of FT-IR analysis.
Therefore, uncrosslinked residual PDMS polymer was extracted by the frictional
electricity.
Overall, we believe this finding will be potentially helpful to researchers who aim
to enhance neural cell research using PDMS device with reliable data, and also to establish a new protocol for full detoxification of PDMS without chemically
destructing delicate structures associated with micro/nanofluidic network structures
during its fabrication. We also expect that this approach can be useful for
development of fabrication device from the characterization of PDMS
electrification.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 1
• 1.2 연구 목적 3
• 제 2 장 마찰전기에 의한 중합체 분리 현상 5
• 제 3 장 마찰전기에 의한 PDMS의 반응 연구 8
• 3.1 마찰전기에 의한 PDMS의 반응 8
• 3.2 실험 방법 11
• 3.2.1 마찰전기 발생 지점과 PDMS 표면 사이의 간격 변화 11
• 3.2.2 PDMS 경화 온도에 따른 변화 13
• 3.3. 실험 결과 및 논의 14
• 3.3.1 분석 방법 (접촉면적 비율) 14
• 3.3.2 마찰전기 발생 지점과 PDMS 표면 사이의 간격에 따른 결과 16
• 3.3.3 PDMS 경화 온도 변화에 따른 결과 19
• 3.4 마찰전기 발생에 대한 정량적 분석 23
• 3.4.1 표면 전위계를 이용한 분석 23
• 3.4.2 분석 결과 25
• 제 4 장 중합체 분리 현상에 대한 정량적 연구 27
• 4.1 PDMS 자체 대전에 대한 실험 28
• 4.2 표면 전위계를 이용한 실험 결과 29
• 4.3 남아있는 물질의 성분 분석 30
• 4.3.1 FT-IR ATR 모드를 이용한 분석 30
• 4.3.2 분석 결과 33
• 4.4 모의실험 34
• 제 5 장 결 론 37
• 참고문헌 40
• 연구실적 44
• Abstract 49
• 감사의 글 52