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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 고정혁(Junghyk Ko)
      다양한 응용을 위해 폴리카프로락톤 (PCL) 폴리머를 사용한 용융 전기 방사: 실험적 및 이론적 분석
      고정혁(Junghyk Ko)(한국해양대학교)
      이메일:jko at kmou.ac.kr
      627 2 1

    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    가장 일반적으로 사용되는 여러 폴리머 가공 기술 중에 최근 관심을 많이 받고 있는 적층 가공 기술의 하나로써 전기방사(Electrospinning)이 있습니다. 현재 생체 의학 응용을 위한 골격(Scaffolds)으로 마이크로에서 나노 스케일의 섬유를 제조하는 데 각광받고 있는 기술입니다. 전기방사를 간단히 설명해 드리면 중합체 용융물의 점탄성 유동으로부터 섬유를 인장하고 강한 인장력을 제공하기 위해서 높은 전하를 중합체 용융물에 가합니다. 노즐 팁에 형성된 테일러 콘(Taylor’s Cone)으로부터 폴리머 용융물의 제트가 인출됩니다. 전기 방사 기술에는 두 가지 유형이 있습니다. 나노 스케일 및 마이크로 스케일 섬유가 각각 제조될 수 있는 용액 및 용융 전기방사입니다. 용액 전기 방사는 주어진 중합체 유형을 용해시키는 용매를 필요로 하는 반면, 용융 전기 방사는 중합체를 용융 온도로 가열하여 각각의 경우 섬유로 끌어 당길 수 있는 점성 유체를 생성합니다. 용해 용 전기 방사는 독성 용제를 사용할 필요가 없기 때문에 조직 공학 응용 분야에서 용액 전기 방사보다 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. 또한 용융 전기방사에서 마이크로 섬유는 발판에 구조적 강성과 무결성을 제공하고 발판의 구조적 기하와 모양을 다양하게 제어 할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나, 마이크로 스케일에서 비교적 큰 섬유 직경으로 인해, 용융 된 전기 방사 된 지지체의 다공성은 제한되고 제어하기 어렵습니다. 따라서, 응용 분야 및 목적에 따라 용융 전기방사와 용액 전기방사 기술을 사용하여 방사된 섬유를 통해 약물 전달과 임플란트 재료, 조직 공학, 센서 등 다양한 분야에서 자주 이용되고 있습니다. 많은 응용 분야 중에서 다음 분야를 연구하였습니다.

    1) 조직공학용 스캐폴드 제작

    이 연구의 목적은 처리 온도, 수집 거리, 적용, 전압 및 노즐 크기를 포함하여 섬유 직경 및 스캐폴드의 형태에 영향을 주는 용융 전기 방사 공정과 관련된 중요한 매개 변수를 조사하는 것이었습니다. 제어된 매개변수를 이용하여 조직 공학에서 가장 중요한 다공성을 가지고 있는 스캐폴드 제작 방법을 연구하였습니다. 또한 스캐폴드의 다공성은 실험 데이터와 수학적 모델링을 결합하여 결정되었고, 제작된 스캐폴드의 세포 적합성을 시험하기 위해 우리는 생쥐 R1 배아 줄기 세포주에서 유래 한 신경 전구 세포를 배양하여 뉴런으로 분화 할 수 있는 세포들을 제작된 스캐폴드에 이식하였다. 실험은 성공적이었고, 이는 조직 공학 응용을 위한 이러한 용융 전기방사 스캐폴드의 가능성을 입증한 연구였습니다.

    2) 재활공학용 힘센서 제작

    용융 전기 방사 기술을 사용하여, 손을 재활의 응용 프로그램에 사용하기 위해 신축성 힘 센서를 설계하였습니다. 이 연구의 주된 목적은 auxetic 힘센서의 사용이 손 재활에 있어서 이질감 없이 측정이 가능하다는 것을 확인하는 것입니다. 본 연구에서는 AMS (auxetic microfiber sheet), ASS (auxetic solid sheet), MS (microfiber sheet) 및 SS (solid sheet)와 같은 신축성 PCL(Poly Caprolactone)을 제작하는 것입니다. 또한 펨토초(femtosecond) 레이저 장치를 사용하여 MS 및 SS에서 Auxetic 구조를 만들었습니다. 이어서, 이들 센서를 금 입자로 코팅하여 전류 저항 분석을 위해 전도성으로 만들었습니다. 적용된 응력 및 변형의 사이클을 통해, Auxetic 구조는 일단 이러한 힘이 사라지면 원래의 형태를 유지할 수 있었습니다. 이 신축성 있는 센서는 적용된 외부 하중, 저항 및 변형을 잠재적으로 측정 할 수 있으며 원하는 기판에 부착 할 수도 있습니다. 우리가 설계 한 센서의 작업 성과 실용성을 검증하기 위해 센서를 사람의 손등 피부에 시도했습니다. AMS 센서는 4가지 유형의 센서 중 측정 력과 저항에 대해 가장 높은 감도를 보였습니다. 이것은 용융전기방사 기술을 사용하여 신축성 있는 힘 센서를 제작하는 최초의 연구입니다.
    3) 전기방사기술 개발을 위한 수치 모델링 1과 2

    용융 전기방사는 수많은 매개변수가 존재하고, 각각의 매개변수가 복합적으로 섬유제작의 영향을 미치게 됩니다. 그래서 조직 공학용 스캐폴드 제작하기 위해서는 매개변수의 특성을 이해한 제어가 필요합니다. 수치모델링 1의 목적은 두 가지 유형의 수학적 모델을 구축하는 것입니다. 먼저, 첫 번째 모델링은 노즐 직경, 상대 전극 거리 및 적용된 직경과 같은 매개 변수를 통합하여 용융 전기 방사 공정을 모델링하여 섬유 지름 및 비계 다공성에 영향을 주는 것입니다. 두 번째 모델은 마이크로 섬유 모델링의 데이터를 사용하여 편평하고 둥근 표면에 압출된 마이크로 섬유의 축적을 설명합니다. 이 모델은 실험적으로 얻어진 데이터를 사용하여 검증되었습니다. Scaffold 다공성을 측정하기 위해 Scanning 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 스캐폴드를 이미지화하고 섬유 직경을 SEM에서 Quartz-PCI Image Management Systems R을 사용하여 측정했습니다.
    수치모델링 2의 목적은 수치 회전을 이용한 새로운 수학적 모델을 개발하여 온도, 이송 속도 및 유속이 이들 방사 된 섬유 지지대의 섬유 지름과 같은 지형 특성을 제어하는 데 미치는 영향을 보여 주었습니다. 이러한 수학적 모델링 결과는 이전 및 현재 실험 결과와도 비교됩니다. 전반적으로, 우리는 우리의 수학 모델이 다음과 같은 주요 작동 매개 변수에 의해 영향을 받는 지형 학적 특성을 예측할 수 있음을 보여줍니다. 온도, 유속 및 공급 속도에 따라 달라지며, 이 모델은 다양한 응용 분야에서 이러한 구조물의 지형 특성을 제어하는 유용한 툴이 될 것입니다.

    4) 전기방사기술 개발

    전기 방사는 많은 매개 변수를 갖는 공정이기 때문에, 최종 섬유의 직경을 정밀하게 제어하는 것이 특히 어렵습니다. 또한, 노즐에서 용융 된 중합체 분말 또는 펠렛은 전형적으로 용융 전기 방사를 위해 사용됩니다. 그러나, 필라멘트 공급 용융 전기 방사 공정은 효율성이 증대됨에도 불구하고 아직 연구되지 않았습니다. 본 연구에서는 향상된 전자 방사 섬유 직경 제어를 위해 PCL (폴리 카프로 락톤, Mw : 80,000g mol-1) 필라멘트를 공급할 수 있는 용융 전기 방사 장치를 개발했습니다. PCL 필라멘트는 먼저 소형 마이크로 컴 파운더에 의해 제조된 다음 전기 방사 장치의 용융 챔버로 공급됩니다. 그리고 시스템을 원하는 온도로 가열하고, 용융물을 노즐을 통해 압출시킵니다. 노즐과 카운터 전극 사이의 전위차가 PCL 압출 물을 끌어내어 미세한 미세 섬유를 생성합니다. 온도는 맞춤형 온도 제어 시스템을 통해 제어 및 모니터링 되었습니다. PCL 필라멘트의 분배를 제어하기 위해 NI (National Instruments) LabVIEW를 사용하는 맞춤형 제어 알고리즘이 사용되었습니다. PCL 필라멘트를 적극적으로 냉각시키기 위해 필라멘트가 휘어지지 않도록 소형 컴퓨터 팬을 용융 챔버 측면에 부착했습니다. 이 논문은 섬유 직경과 그 최적화에 영향을 미치는 중요한 공정 매개 변수에 대한 조사를 나타냅니다. 또한 첨단 섬유 직경 제어를 위해 사이클 시간 내에서 필라멘트의 앞뒤 운동의 비율 인 듀티 사이클의 효과를 연구하였고 유량과 듀티의 관계가 섬유 직경에 미치는 영향을 조사하였습니다.

     

     

    2. 본인의 대표 논문 소개

    [1] Junghyuk Ko, Nima Khadem Mohtaram, Farid Ahmed, Amy Montgomery, Michael Carlson, Patrick C.D. Lee, Stephanie M. Willerth, Martin B.G. Jun, Fabrication of poly (ε-caprolactone) microfibers scaffolds with varying topography and mechanical properties for stem cell-based tissue engineering application, Journal of Biomaterials Science Polymer Edition, 25(1), p. 1-17, 2013.09.02.

    [2] Junghyuk Ko, Sukhwinder Bhullar, Yonghyun Cho, Martin Byung-Guk Jun, Design and Fabrication of Auxetic Stretchable Force Sensor for Hand Rehabilitation, Smart Materials and Structures, 24(7), doi: 10.1088/0964-1726/24/7/075027, 2015.06.12.

    [3] Junghyuk Ko, Sukhwinder Bhullar, Nima Khadem Mohtaram, Stephanie M. Willerth, and Martin B.G. Jun, Using mathematical modeling to control topographical properties of poly (ε-caprolactone) melt electrospun scaffolds, Journal of Micromechanics and Microengineering, 25(1), doi: 10.1080/09205063.2013.830913, 2014.05.06.

    [4] Junghyuk Ko, Nima Khadem Mohtaram, Patrick C.D. Lee, Stephanie M. Willerth, and Martin B.G. Jun, Mathematical model for predicting topographical properties of poly (ε- caprolactone) melt electrospun scaffolds in various temperature and linear transitional speed, Journal of Micromechanics and Microengineering, 25(4), doi:10.1088/0960- 1317/25/4/045018, 2015.03.23.

    [5] Junghyuk Ko, Vahid Ahsani, Selina X. Yao, Nima K. Mohtaram, Patrick C. Lee, Martin B.G. Jun, Fabricating and Controlling PCL Electrospun Microfibers using Filament Feeding Melt electrospinning Technique, Journal of Micromechanics and Microengineering, 27(2), doi:10.1088/1361/6439/aa4fd9, 2016.12.23.


    3. 연구 중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    용액 전기방사의 제어가 힘들다는 단점을 극복하기 위해 용융 전기방사 시스템을 구축하려 하였습니다. 하지만 시중에 제품으로 존재하지 않을 뿐만 아니라 어떤 논문에도 상세한 디자인이 없어서 시스템 구축에 난관을 맞게 되었습니다. 그리하여 시간이 오래 걸리더라도 모든 시스템을 제가 직접 디자인하고 제작하는 방식을 선택하였고, 수십 번의 걸친 시행착오를 거쳐서 저만의 용융 전기방사 시스템을 구축하였습니다. 또한 부상으로 디자인, 각종 머신닝, 그리고 제어에 이르는 다양한 지식 또한 가지게 되었습니다.

    4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

     

    용액 전기방사 기술은 다양한 분야에 적용이 가능한 발전성이 많은 기술입니다. 제가 만든 용액 전기방사 시스템은 그 전기방사의 무궁무진한 발전성에 비하면 기초단계에 불과하다 생각 됩니다. 현재까지는 조직공학의 스캐폴드(Scaffold)나 재활용 센서(Sensor)쪽으로 연구를 하였지만, 앞으로 영역을 넓혀서 멤브레인(membrane), 텍스쳐링(Texturing) 분야에 적용을 해보고 싶습니다.
    또한, 전기방사 기술의 발전을 위해 다양한 Counter Electrode 개발, 노즐 개발, 플런징 기술 개발 등을 통하여 현 기술보다 더 정교한 적층 가공 기술이 되기 위해 노력할 것입니다.

    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    University of Wurzburg의 Paul Dalton 교수님이 있습니다. 저만의 전기방사 시스템을 구축하기 위하여 대학생 때부터 이 분의 논문을 참고를 많이 하였고, 전기방사 기술을 많이 발전시켜 다양하게 분야에 적용한 교수님이셔서 제가 연구를 하는 데 있어서 많은 동기 부여가 되었습니다.


    6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 관한 소개를 부탁드립니다.

    저는 University of Victoria에서 석사, 박사 학위와 박사 후 연구원까지 오랜 기간 동안 Martin Jun 교수님 지도하에 연구를 하였습니다. 교수님께서는 학생들과 함께 다양한 연구를 하시는 것을 좋아하셨고, 학생들의 생각을 존중 하시는 교수님이셨습니다. 예를 들면, 교수님께서 하시는 연구분야가 아니시어도 학생들이 하고 싶은 연구가 있다면 시도 해보라고 권장하셨고, 그에 대한 지원을 아끼지 않으셨습니다. 그리고 문제가 발생하면 같이 생각해봐 주시고, 어떤 아이디어가 있으면 제안해 주셨습니다.


     

    7. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    최근 3D 프린터가 많이 보급되면서 적층 가공 기술이 미디어에 주목을 받고, 그에 관련된 연구도 활발하게 진행되고 있습니다. 적층가공 분야를 연구하는 연구자로서 많은 보람을 느낍니다. 또한 제가 연구한 논문들이 다른 연구자의 논문 참조로 들어갈 때마다 뿌듯함을 많이 느낍니다. 앞으로 미래를 이끌어갈 차세대 연구분야로 거듭나기 위해 연구자의 한 사람으로서 연구의 더욱 더 노력하도록 하겠습니다.


    8. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    개인의 영어 평가 점수를 위한 영어 공부를 하지 않았으면 좋겠습니다. 대부분의 정보가 영문으로 되어 있고, 그 중 극히 일부가 한글로 번역되어 있습니다. 정보의 질적, 양적 면에 있어서 영문이 매우 유리한 점이 많아 최신 정보를 빨리 습득하기 위함이라고 생각합니다. 누군가와 대화하는 시간보다 영문으로 된 문서를 읽는 데에 훨씬 많은 시간을 보내게 되는 것이 그 이유입니다.
    대학원 진학할 경우에는 적극적이고 책임감 있는 행동을 추천하고 싶습니다. 연구는 대부분이 다양한 학문이 융합되어 진행 되고 있습니다. 진행되고 있는 연구분야가 내가 연구하고자 하는 분야와 다르더라도 배움의 관점에서 관심을 두고 적극적으로 책임감 있게 행동하면 연구자로써 인정을 받을 수 있습니다. 그러면 나중에 내가 원하는 연구분야로 방향을 선회할 수도 있고, 내가 원하는 연구로 새로 꾸며질 수 있습니다.


    9. 다른 하시고 싶은 이야기들.

    오랜 기간 유학하면서 수많은 일과 어려움이 있었는데 항상 옆에 있어 주고, 힘이 되어 준 부모님과 아내에게 감사하고 사랑함을 전하고 싶습니다. 또한 세 아들 성원, 성찬, 그리고 성윤이도 건강하게 잘 자라줘서 감사함을 이 자리를 통해 전하고 싶습니다.

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    전체댓글 1

    사용자 프로필 이미지
    |2018.08.31
    전기방사 기술은 생체역학,나노섬유, 소재, 패션까지 아주 많은 분야에서 다양하게 사용이 될 수 있을거 같습니다.
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