광열 효과를 갖는 멜라닌 나노 입자의 하이드로젤 이중층 내 현장 중합을 통한 프로그래밍 가능한 액츄에이터 제작
Fabrication of programmable actuator through in-situ polymerization of melanin nanoparticles in hydrogel bilayers by photothermal effect
- 주제(키워드) hydrogel , soft actuator , melanin , in-situ polymerization , photothermal effect
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 심태섭
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031526
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
멜라닌은 거의 모든 생물체에 널리 분포되어 있는 잘 알려진 생체고분자이며 자외선 손상으로부터 인간과 동물을 보호하는 기능, 항생제 기능, 체온 조절을 포함하여 많은 고유한 기능을 가지고 있다. 천연 멜라닌과 유사한 합성 멜라닌은 화학 반응을 통해 제작되어 환경의 영향에 상관없이 구현할 수 있다. 합성 멜라닌은 현재까지 강한 빛 아래에서 선택적인 착색이 일어나는 특성을 이용하여 위조방지를 위한 잉크로 쓰이거나, 광열효과를 이용해 암치료에 쓰이는 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 합성 멜라닌은 뛰어난 광대역 빛 흡수 특성을 보이기 때문에 다양한 광원에서 광열 효과를 보여준다. 이에 본 연구에서는 멜라닌을 이중층 하이드로젤 내부에 현장 중합 방식으로 합성하여, 광열효과를 갖는 소프트 액츄에이터를 제작하였다. 광열효과가 뛰어난 나노입자들이 갖는 높은 빛흡수 특성 때문에 하이드로젤 내부에 고농도로 입자를 도입하거나 두 층 이상의 복합 구조를 제작하는데 어려움이 많았다. 이를 보완하기 위하여 현장 중합 방식을 도입하여 사전에 모든 중합 과정을 끝마친 이중층 필름 하이드로젤 내부에 멜라닌 입자를 합성하였다. 이중층 하이드로젤의 투과율 변화는 멜라닌의 반복된 현장 중합에 의한 간편하고 정밀한 제어가 가능함을 보여준다. 멜라닌 나노 입자가 없는 젤의 온도는 공기와 물 환경 모두에서 거의 변하지 않은 반면, 멜라닌 나노 입자가 존재하는 샘플은 농도에 비례하여 광열 효과가 증가하였다. 광열 효과에 의한 가열은 수중 환경보다 공기 중에서 더 높았는데, 물에 잠긴 샘플은 열전도에 의해 손실이 일어나고, 샘플에 조사된 빛은 물의 계면에서 산란되어 샘플 자체에 도달하는 빛의 세기가 감소하기 때문이다. 광열 효과에 의한 가열과 냉각은 빛 조사한 초기에 대부분 이뤄졌고, 멜라닌의 광열 효과가 젤의 온도를 원격으로 제어하는데 즉각적이고 핵심적인 현상임을 시사한다. 반복 실험에 따른 결과에서도 액츄에이터의 굽힘이 가역적이고 안정적으로 반복 가능함을 증명하였다. 세 가지 모양의 패터닝을 통해 액츄에이션 특성을 파악할 수 있었다. 여러 개의 그리퍼를 제작하여 작은 사이즈의 샘플에 원격 및 국부적으로 제어가 가능했다. 그리고 바람개비 날개 모양의 액츄에이터를 제작하여 각 날개의 멜라닌 농도를 다르게 하여 투과도에 차이를 주었다. 멜라닌 농도가 진한 날개일수록 더 많이 수축했고, 최종적인 굽힘 정도에 차이가 발생한 것을 보아 평형 상태에서 액츄에이션 정도를 제어할 수 있었다. 또한 꽃 모양의 액츄에이터 샘플의 태양빛 아래에서의 액츄에이션을 진행하였다. 특정 파장의 광원에서만 반응하는 다른 광열 입자와 달리 광대역 빛 흡수 특성으로 인해 태양광과 같은 광원에서도 액츄에이션이 원활히 일어난다는 것을 확인하였다. 샘플이 위치해있던 물 표면 온도 변화는 크지 않음을 보아, 물이 가열된 것이 아닌 빛에 의한 샘플의 광열 효과로 인한 액츄에이션이 일어났음을 증명할 수 있었다.
more초록/요약
Melanin is well-known biopolymer widely distributed in almost all living things and has many unique functions, including the function of protecting humans and animals from UV damage, antibiotic function, and temperature regulation. Synthetic melanin, similar to natural melanin, is manufactured through a chemical reaction and can be implemented regardless of the influence of the environment. Synthetic melanin is being studied in various fields, such as being used as an ink for anti-counterfeiting by using the property of selective coloring under strong light, or used for cancer treatment using the photothermal effect. Because synthetic melanin has excellent broadband light absorption properties, it exhibits photothermal effects under various light sources. In this study, a soft actuator with photothermal effect was fabricated by synthesizing melanin inside a double-layer hydrogel by in-situ polymerization. Because of the high light absorption characteristics of nanoparticles with excellent photothermal effect, it was difficult to introduce particles at a high concentration into the hydrogel or to fabricate a complex structure of two or more layers. In order to compensate, an in-situ polymerization method was introduced, and melanin particle was synthesized inside the double-layer film hydrogel after all polymerization processes were completed in advance. The change in transmittance of the bilayer hydrogel shows that simple and precise control is possible by repeated in-situ polymerization of melanin. The temperature of the gel without melanin nanoparticles was almost unchanged in both air and water environments, whereas the sample with melanin nanoparticles increased in temperature proportional to the concentration of melanin nanoparticle. Heating by the photothermal effect was higher in air than in an aqueous environment, because a sample located in water loses due to heat dissipation, and the light irradiated to the sample is scattered at the interface of water and therefore the intensity of light reaching the sample itself decreases. Most of the heating and cooling by the photothermal effect was performed in the early stage of light irradiation, suggesting that the photothermal effect of melanin is an immediate and key phenomenon for remotely controlling the temperature of the gel. It was also proved that the bending of the actuator is reversible and stably repeatable in the results according to the repeated cycle experiment. The actuation characteristics could be investigated through the patterning of the three different shapes. Multiple grippers were fabricated to allow remote and local control of small samples, and a pinwheel-shaped actuator was manufactured to give a difference in transmittance by varying the melanin concentration of each wing. The higher the melanin concentration, the more contracted the wings. The difference in the final bending degree was observed, so that the degree of actuation could be controlled in the equilibrium state. In addition, actuation of the flower-shaped actuator sample under sunlight was performed. Unlike other photothermal particles that react only with a light source of a specific wavelength, it was confirmed that actuation occurs smoothly even with a light source such as sunlight due to the broadband light absorption characteristics. Since there was little change in the surface temperature of the water where the sample was placed, it was possible to prove that the actuation occurred due to the photothermal effect of the sample by light rather than by heating the water.
more목차
1. 서론 (Introduction) 1
2. 실험 (Experimental) 8
2.1. 시약 및 재료 8
2.2. 분석방법 9
2.3. 더블 네트워크 하이드로젤 (double-network hydrogel, DN gel) 제작 9
2.4. AG/ALG-poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) 이중층 필름 제작 10
2.5. AG/ALG-PNIPAm 이중층 필름 내 멜라닌의 현장 중합 (in-situ polymerization) 11
2.6. AG/ALG-PNIPAm 이중층 소프트 액츄에이터 제작 11
2.7. 멜라닌의 회분반응기 합성 12
3. 결과 및 고찰 (Results and discussion) 15
3.1. 단일층 하이드로젤 내 멜라닌의 현장 중합 15
3.1.1. 멜라닌 중합결과 분석 15
3.1.2. 필름과 멜라닌 분산액의 광학 특성 비교 21
3.1.3. 광열 효과 (photothermal effect) 결과 분석 24
3.2. 이중층 액츄에이터 결과 28
3.2.1. 이중층 내의 멜라닌 현장 중합 제어 28
3.2.2. 멜라닌 농도에 따른 굽힘 현상 분석 31
3.2.3. 반복 실험에 따른 안정성 평가 35
3.3. 다양한 조건에서의 액츄에이터 구동 37
3.3.1. 이중층 액츄에이터 원격 국부적 제어 37
3.3.2. 조정 가능한 광열 액츄에이션 39
3.3.3. 태양광 하에서 액츄에이션 41
4. 결 론 (Conclusion) 43
References 47
