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나노 섬유를 만드는 3D 인쇄 장치
3-D-printed device builds better nanofibers

해외과학기술동향

2017-10-30


나노 미터 크기의 섬유로 만든 메쉬는 조직 공학, 물 여과, 태양 전지 및 차체 갑옷과 같은 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있다. 그러나 상업화는 비효율적인 제조 기술로 인해 여전히 난항을 겪고 있다.

저널 나노테크놀로지 (Nanotechnology) 지의 최신호에서 MIT 연구원은 나노 섬유 그물을 생산하는 새로운 장치를 발표했다. 이 장치는 성능이 우수한 이전 장치의 생산 속도와 전력 효율과 일치하만 대부분 응용들의 중요한 고려 사항인 섬유 지름의 변화를 크게 줄인다.

그러나 동일한 MIT 그룹의 이전 장치가 밀폐된 "청정실"을 필요로 하는 복잡한 프로세스를 통해 실리콘으로 식각 되었지만 새로운 장치는 3,500 달러의 상업용 3D 프린터를 사용하여 제작되었다. 따라서 이 연구는 나노 섬유 제조가보다 신뢰성 높고 훨씬 저렴하다는 것을 의미한다.

새로운 장치는 중합체의 입자를 포함하는 유체가 펌핑되는 작은 노즐의 배열로 구성된다. 이는 마이크로 유체 장치로 알려져 있는 것이다.

MIT의 연구원은 앞으로 몇 년 안에 아무도 청정실에서 미세 유체 역학을 수행하지 않을 것이라고 말했다. 3 차원 인쇄는 소재 선택의 폭이 넓어지고 실제로 만들 수 있는 구조를 만들 수 있는 기술이다. 청정실을 이용할 때는 원하는 형상을 계속 수정해야만 했다. 두 번 째 문제는 엄청나게 비싸다는 것이다.

나노 섬유는 햇빛 노출을 극대화하려는 태양 전지 또는 표면에서 반응을 촉매하는 연료 전지 전극과 같이 표면적과 부피의 비율이 큰 모든 응용 분야에 유용하다. 나노 섬유는 물 필터와 같이 매우 작은 스케일에서만 투과할 수 있는 물질을 생성하거나 갑옷과 같이 체중에 따라 현저하게 힘든 물질을 생성할 수 있다.

대부분의 이러한 응용 분야는 일정한 직경의 섬유에 의존한다. 섬유의 성능은 직경에 따라 크게 달라진다. 예를 들어 필터가 있고 필터의 기공이 50 나노 미터에서 1 마이크론 사이인 것은 실제로 1 마이크론 필터이다.

그룹의 초기 소자는 실리콘으로 식각 되었기 때문에 외부에서 주입되었다. 즉, 전계가 개별 이미 터 (emitter)의 측면 위로 폴리머 용액을 끌어 들였다. 유체 흐름은 이미터의 측면으로 식각된 직사각형 기둥으로 조절되었지만 여전히 불규칙한 직경의 섬유를 생산할 만큼 불규칙했다.

이와 반대로 새로운 이미터는 내부적으로 공급된다. 구멍을 통해 구멍이 뚫려 있으며 유압이 채워질 때까지 유체가 구멍 안으로 밀어 넣어진다. 그런 다음에만 전기장이 유체를 작은 섬유 속으로 끌어 당긴다.

이미터 아래에서 보어 (bore)를 공급하는 채널은 코일로 감싸여 서서히 길어진다. 이 테이퍼 (taper)는 나노 섬유의 직경을 조절하는데 중요하며, 청정실 미세 가공 기술을 사용하여 달성하는 것은 사실상 불가능하다. 미세 가공은 실제로 직선 절단을 의미한다.

새로운 장치에서, 노즐은 2 개의 열로 배열되며, 이는 서로 약간 오프셋 (offset)되어 있다. 이는 장치가 회전 드럼에 의해 수집될 때 상대적 위치를 유지하는 정렬된 나노 섬유-나노 섬유를 입증하기 위해 설계 되었기 때문이다. 정렬된 나노 섬유는 조직 스캐폴딩 (scaffolding)과 같은 일부 응용 분야에서 특히 유용하다. 정렬되지 않은 섬유가 적절한 용도의 경우 노즐을 격자 모양으로 배열하여 출력 속도를 높일 수 있다.

비용 및 설계 유연성 외에도 3D 인쇄의 또 다른 장점은 신속하게 설계를 테스트하고 수정할 수 있다는 점이다. 연구팀의 미세 제작 장치를 사용하여 이론적 모델링에서 게재된 논문으로 이동하는데 보통 2 년이 소요되며 중간에 그들의 기본 설계에서 두 세 가지 변형을 테스트할 수 있었다. 새 장치를 사용하면 프로세스가 1 년 가까이 걸렸으며 70 회 반복 테스트를 수행할 수 있었다.

전기 방사된 섬유의 위치와 크기를 결정적으로 조작하는 방법을 통해 섬유에서 만들어진 재료의 기계적 특성을 제어할 수 있다고 생각할 수 있다. 좋은 기회가 될 섬유의 특정 방향을 따라 우선적인 세포 성장을 생각할 수 있다. 누군가가 이 기술을 사용하여 매우 창의적인 방법으로 사용할 것으로 기대하고 있다. 결정론적으로 설계된 이 섬유 네트워크의 필요성이 있다면, 그 목표를 달성하는 것은 매우 우아한 방법이라고 생각된다.

  • 관련연구자

    Luis Fernando Velásquez-García

  • 관련기관

    MIT

  • 과학기술분류

    재료

  • 본문키워드(한글)

    3차원 인쇄,나노 섬유,마이크로 유체,전기 방사

  • 본문키워드(영문)

    3D printing,nanofiber,microfluidic,electrospining

  • 원문언어

    영어

  • 국가

    미국

  • 원문출판일

    2017-10-30

  • 출처

    https://m.phys.org/news/2017-10-d-printed-device-nanofibers.html