접촉대전 나노발전기와 결합된 나노구조 기반 복합 박테리아 살균시스템의 개발 :Development of a bactericidal system based on nanostructures combined with triboelectric nanogenerators (TENG)

백현우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 백현우 (원광대학교, 원광대학교 대학원)

지도교수: 徐炅德

발행연도: 2024

저작권: 원광대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

초록· 키워드

접촉대전 나노발전기와 결합된 나노구조 기반 복합 박테리아 살균시스템의 개발 원광대학교 대학원 기계공학과 백현우 본 연구에서는 고분자 소재를 사용하여 나노구조 표면을 갖는 투명하고 유연성이 높은 필름을 제작하고 제작한 나노구조 표면과 접촉대전 나노발전기(Triboelectric nanogenerators; TENG)와 결합하여 복합 박테리아 살균시스템을 제작 및 박테리아 살균 평가와 분석을 진행했다. 현재까지 박테리아 살균 방법은 항생제와 금속이온과 같은 화학적 살균 방법과 매미 날개의 나노구조 표면을 모방한 물리적 살균 방법이 있다. 하지만 화학적 살균에는 화학 물질의 잘못된 사용 또는 과도한 사용 시 내성균 발생이라는 부작용이 있다. 또한, 물리적 살균 중 나노구조에 의한 기계적 살균은 단시간 내의 살균에 어려운 시간 효율적이지 못한 살균 효율을 갖고 있다는 한계가 있고 전기 에너지를 이용한 전기적 살균은 높은 살균효율을 보이지 않는다는 한계가 있다. 이를 극복하고자 본 연구에서 화학적/물리적 살균의 한계를 보완하여 나노구조 표면과 전기적 에너지를 결합한 복합 박테리아 살균시스템을 제작했다. 제작한 살균 시스템은 나노구조의 살균 능력과 전기적 에너지의 살균 능력을 동시에 갖는 복합 박테리아 살균시스템으로 살균성능을 평가 및 분석을 진행했다. 나노구조 표면은 고분자 소재를 사용한 자외선(ultraviolet; UV) 임프린팅(Imprinting) 기법을 활용하여 기둥의 높이 300 nm, 피치 500 nm의 원뿔 모양 나노구조 패턴의 표면을 제작했다. TENG는 Al 필름과 캡톤(Kapton) 필름이 마찰하면서 전기 에너지를 발생할 수 있도록 3D프린터로 폴리락트산(Polylactic acid) 소재를 사용해 필름 마찰 장치를 출력했고, 출력물에 필름을 부착하여 필름끼리 접촉하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 TENG를 제작했다. 또한, TENG를 외부 회로와 연결하여 교류전원의 TENG를 직류전원으로 정류했고, 출력 전압을 높여서 출력할 수 있게 했다. 나노구조 표면에는 전기적 에너지 효과를 관측할 수 있도록 전도성 코팅을 하기 위해 이온 스퍼터장비(Ion sputter coater)를 통해 Pt를 15 nm 두께로 코팅했다. 이후 내경 13 mm, 외경 17 mm의 실리콘 튜브를 나노구조 표면에 부착했고 전도성 와이어를 표면에 부착해 전극을 연장하여 Pt 코팅이 떨어지지 않도록 코팅 안전성이 확보한 박테리아 배양플랫폼을 제작했다. 나노구조 표면에 전기적 에너지를 발생시키기 위해 TENG의 전극은 전도성 코팅된 나노구조 표면에 (+)극을 연결했고 다른 한쪽은 직경 10 mm의 핀에 (-)극을 연결했다. 또한, (-)극이 연결된 핀은 실리콘 튜브가 부착된 나노구조 표면과 1 mm의 간격만큼 띄워서 고정하여 복합 박테리아 살균시스템을 제작했다. 박테리아 배양은 대장균 현탁액 1,500 l를 제작한 배양플랫폼에 떨어뜨려 3 h 동안 표면에 박테리아가 부착될 수 있게 했고, 이후 박테리아가 부착된 표면은 TENG를 10 min 동안 작동하여 살균을 진행했다. 복합 박테리아 살균시스템의 살균 효율을 평가하기 위해 형광 현미경으로 형광 현미경 분석 및 집락형성단위(Colony formation unit; CFU) 분석을 통해 정량적인 분석을 진행했고, 각각 나노구조 표면과 전기적 에너지의 살균 능력을 비교 및 평가를 진행했다. 이후 살균된 박테리아의 살균 형태를 비교 및 분석하기 위해 표면을 주사전자현미경(Scanning electron microscope; SEM)을 이용하여 확인하였다. 최종적으로 화학적/물리적 살균의 한계를 보완하고자 화학물질을 사용하지 않으면서 나노구조 살균의 살균 시간 효율과 전기적 살균의 낮은 살균 효율을 보완하기위해 고분자 소재의 나노구조의 살균 성능과 배터리를 사용하지 않고 높은 출력효율을 낼 수 있는 친환경적인 TENG의 살균 성능을 동시에 갖는 내성균 우려 없이 단시간 안에 박테리아 살균이 가능한 복합 박테리아 살균시스템을 개발하였다.

Development of a bactericidal system based on nanostructures combined with triboelectric nanogenerators (TENG) Hyeon Woo Baek Dept. of Mechanical Engineering Graduate School Wonkwang University In this study, a transparent and flexible film with nanostructures surface was fabricated using polymeric materials, and the fabricated nanostructure surface was combined with triboelectric nanogenerators (TENG) to fabricate a bactericidal system, and the bactericidal activity was evaluated and analyzed. To date, bactericidal methods include chemical methods such as antibiotics and metallic ion, and physical methods such as that bio-mimicking the nanostructure surface of cicada wings or electrical method. However, chemical methods has a side effect of causing the outbreak of resistant bacteria when chemical are used incorrectly or overused. Also, physical methods have the limitation of not being as time-efficient as bactericidal activity in a short period of time. Therefore, to overcome the limitations of chemical/physical method, fabricated a bactericidal system that combines nanostructure surface and electrical energy. The fabricated system is a bactericidal system that has the bactericidal ability of nanostructure and the bactericidal ability of electrical energy at the same time, and the bactericidal activity was evaluated and analyzed. The nanostructure surface was fabricated using an ultraviolet (UV) imprinting technique to form cone-shaped nanostructure pattern with a height of 300 nm, pitch of 500 nm. TENG printed a film friction device using polylactic acid material on a 3D printer so that the Al film and kapton film (Polyimide film; PI film) could rub together and generate electrical energy, and then attached the film to fabrication TENG. In addition, connect the TENG to an external circuit to rectify the TENG of alternating current (AC) power to direct current (DC) power and increase the output voltage. The nanostructure surface was coated with platinum (Pt) to a thickness of 15 nm by ion sputtering to treat a conductive coating so that the electrical energy effect could be observed. Then, a silicone tube with an inner diameter of 13 mm, an outer diameter of 17 mm was attached to the nanostructure surface, and conductive wire was attached to the surface to extend the electrode to fabricate a bacterial culture platform that secured the coating safety of the Pt coating. To generate electrical energy from the surface of the nanostructures, TENG''s electrode connected the (+) terminal to the surface of the conductive-coated nanostructures and the (-) terminal to a 10 mm diameter pin. In addition, the pin with electrode were spaced apart from the surface of the nanostructure by 1 mm to fabricate a bactericidal system. For bacterial culture, 1,500 ml of Escherichia coli (E. coli) suspension was dropped onto the culture platform to allow bacteria to attach to the surface for 3 h. The surface was then subjected to bactericidal activity by TENG for 10 min. To evaluate the bactericidal efficiency of the bactericidal system, the bactericidal ability of the nanostructure surface and bactericidal ability of electrical energy was compared and evaluated by fluorescence microscopy and colony forming unit (CFU) analysis, and the bacteria morphology of the bactericidal surface was observed by scanning electron microscope (SEM). In conclusion, we developed a bactericidal system that can bactericidal activity in a short time through nanostructure surface and electrical energy without the concern of resistant bacteria. Fabricate bactericidal system complements the bactericidal time efficiency of nanostructure bactericidal ability and low bactericidal ability efficiency of electrical method, and has the bactericidal performance of nanostructure and the bactericidal performance of TENG at the same time.

#Energy harvesting #Triboelectric nanogenerator (TENG) #PUA (polyurethane acryrate) #Nanostructure array #Flexible film #Bactericidal activity

Ⅰ. 서 론 1
1.1 연구배경 및 필요성 · 1
1.2 연구동향 6
1.2 연구목적 및 범위 10
Ⅱ. 접촉대전 나노발전기와 결합된 나노구조 기반 복합 박테리아 살균시스템 제작 12
2.1 접촉대전 나노발전기(TENG) 제작 · 12
2.2 Voltage-doubling rectification circuits (VDRC) 연결 · 13
2.3 Polyurethane acrylate (PUA)를 이용한 원뿔 모양 나노구조 표면 제작 · 14
2.4 나노구조 표면과 TENG가 결합된 복합 박테리아 살균시스템 설계 및 제작 ·· 16
Ⅲ. 제작된 복합 박테리아 살균시스템의 살균 평가 17
3.1 박테리아 현탁액 제조 및 제작된 살균 플랫폼의 박테리아 배양 방법 ·· 17
3.2 제작된 복합 박테리아 살균시스템의 살균 방법 18
3.3 복합 박테리아 살균시스템의 살균 성능 분석을 위한 형광 현미경 관측 19
3.4 복합 박테리아 살균시스템의 살균 성능 분석을 위한 SEM 관측 · 23
3.5 복합 박테리아 살균시스템의 살균 성능 분석을 위한 CFU 평가 · 25
IV. 결 론 28

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