생체복합체에서 계면전동퍼텐셜에 관한 연구

윤은선 서강대학교 대학원 1999 국내석사

미세 입자의 반응성은 표면전하에 크게 의존하며 곧 이것은 전기이동도(electrophoretic mobility)와 계면전동전위(electrokinetic potential)에 의존하게 된다. 참굴의 정상패각과 변형패각에서 분리된 각층의 탄산칼슘과 가용성 단백질, 경질단백질의 제타전위를 측정하였다. 또한 결정내부단백질이 흡착평형에 도달한 후에 분리·정제된 결정내부단백질을 첨가제로 사용했을 때 흡착등온선을 구하였다. 또한 흡착여부를 결정하기 위해 FT-IR을 사용하여 결정내부 단백질을 흡착한 탄산칼슘의 스펙트럼을 조사하였다. 그리고 아미노산 조성분석을 통해 각 층의 결정내부 단백질의 조성을 조사하였으며, ATR을 이용하여 얻은 spectrum을 통하여 단백질의 2차 구조를 살펴보았다. 각층의 제타전위를 측정한 결과 합성결정의 탄산칼슘과는 다른 전하의 분포를 보이며 정상패각보다 변형패각의 입자표면이 상대적으로 불안정하였다. 아미노산조성 분석결과 상대적으로 산성의 아미노산조성이 우월한 함량을 보이므로 전체적으로 모든 pH 영역에서 음의 제타전위를 갖는 것으로 판단된다. 한편 첨가된 패각 내의 결정내부단백질의 농도와 제타전위의 관계는 다른 기질에서의 단백질 흡착에서 얻은 결과와 같은 경향을 나타내었다. 각각의 바깥층 패각에서 추출하여 수용액상에 존재하는 결정내부단백질의 2차구조와 아미노산 함량을 정량화한 결과로 미루어 흡착실험에서 나타난 제타전위의 변화는 β-sheet 구조와 α-helical구조의 2차 구조와 양전하를 가지는 염기성 아미노산과 음전화를 가지는 산성 아미노산의 함량차이로 설명될 수 있다. 따라서 생체복합재 표면의 안정성과 퍼텐셜은 결정내부단백질의 조성과 입체구조의 특성에 의존한다고 생각할 수 있다. The reactivity of fine particles is depend on its surface charge that is depend on electrophoretic mobility and electrokinetic potential. We measured zeta potential of calcium carbonate, soluble proteins, and insoluble proteins extracted from normal and deformed oyster shell. Also we observed adsorption isothermal curve while the intracrystalline proteins were used as additive after the intracrystalline proteins reach adsorption equilibrium and investigate FT-IR spectrum of calcium carbonate which absorbed intracrystalline proteins in order to identify the adsorption. We studied composition of intracrystalline proteins of each layer by amino acid analysis and analyze ATR spectrum of the proteins to investigate its secondary structure. The result of zeta potential of biogenic calcium carbonate show that it is different from synthetic calcium carbonate and the particle surface of deformed shell is more unstable than normal shell. Since the result of amino acid analysis show the quantity of acidic amino acid is major in oyster shell, it has negative zeta potential value in whole pH range in this study. Also the relationship of added intracrystalline protein in oyster shell vs. zeta potential is similar to the result of protein adsorption on other substrate. The quantitative analysis of secondary structure and amino acid composition of intracrystalline proteins extracted from each shell layer in the aqueous solution show that the variation of zeta potential can be explained by the secondary structure such as α-helical and β-structure of proteins. Also it depends on the content of basic amino acid that is charged positively and acidic amino acid that is charged negatively. Therefore, the stability and potential of surface of biocomposite is dependent on the properties of the composition and conformation of intracrystalline proteins.

Polymer/Silica Composites with Enhanced Mechanical Properties and Rapid Endothelialization for Vascular Tissue Engineering

박수형 서울대학교 대학원 2021 국내박사

심혈관계 질환 발병률과 사망률이 증가함에 따라 생분해성 혈관 임플란트의 수요가 점진적으로 늘어나고 있다. 생분해성 재료는 이식 부위의 조직이 수복됨과 동시에 서서히 분해된다. 이는 기존의 혈관 임플란트가 체내에 영구적으로 잔존함으로 인해 빈번하게 발생하는 혈전 형성이나 혈관 재협착 등의 부작용을 줄여줄 수 있다. 일반적으로 고분자 재료는 유연하고 가공이 용이하여 혈관 임플란트 재료로서 각광받고 있지만, 생체 적합성 (biocompatibility)과 물리적 기능성이 부족하여 임상 사용에 제한이 있다. 이를 향상하고자 생체 활성 세라믹 재료와 복합체(composite)로 제작하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이때 복합체의 재료 및 구조에 변화를 주어 고분자와 세라믹이 서로 상호보완 가능토록 하였다. 대표적인 생체 활성 세라믹 재료인 실리카는 체내에서 가수분해되어 조직의 재생과 혈관 재형성(angiogenesis)을 촉진할 수 있을 뿐 아니라, 합성 시 실리카 전구체의 농도, 반응 시간, 혹은 pH 조건 등을 조절하면 다양한 형상으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 고분자/실리카 복합체가 혈관 임플란트의 적용 부위에 따라 달리 요구되는 물리적 기능성을 갖도록 구성하여 제작하였다. 첫 번째 연구에서는 전기방사법을 이용하여 이중층 구조의 나노 섬유 멤브레인 인공 혈관을 제작하였다. 의료용 고분자 소재인 폴리카프로락톤(PCL)을 주재료로 하였으며, 외벽은 임의배열된 PCL/실리카제로젤 복합체로, 내벽은 일축배열된 PCL/콜라겐 복합체로 구성하여, 기존 단일 고분자가 지니는 한계점을 극복하였다. 내경이 6 mm 이하인 소구경 인공 혈관의 경우, 실제 혈관과 유사한 인장 강도, 봉합 견고성과 항혈전성(anti-thrombogenecity)을 가져야 장기간 개통성(patency)을 유지할 수 있다. 본 연구에선 실제 사람 혈관의 구조와 기능을 모사하여, 혈류에 따른 동적 유압 응력을 견딤과 동시에, 높은 혈액 적합성(hemocompatibility)을 지니도록 하였다. 먼저 외벽 제작 시, 산 촉매 하에서 실리카 전구체를 반응시켜, 나노골격구조의 실리카제로젤이 PCL 섬유 전반에 걸쳐 존재하도록 하였고, 이는 주변 조직 세포와 친화적이면서도 높은 기계적 강도를 지녔다. 또한 외벽의 안쪽에 얇은 PCL/콜라겐 복합체 섬유를 혈류와 평행한 방향으로 배열시켜, 혈관내피세포(endothelial cell)가 부착, 이동, 증식하기 용이하도록 하였고, 이는 곧 빠른 혈관내피화(rapid endothelialization)를 의미한다. 따라서 본 연구에서 고안한 전기방사 PCL 기반의 이중층 인공 혈관은 빠른 혈관내피세포 커버리지(coverage)와 충분한 기계적 물성을 지녀 혈관 이식 수술 시 발생 가능한 혈전증(luminal thrombosis) 및 내막 과증식(intimal hyperplasia)을 최소화할 것으로 예상된다. 두 번째 연구에서는 생분해성 마그네슘 스텐트의 부식 저항성과 생체 활성을 증진시키기 위하여 기존의 폴리락틱애시드(PLLA) 코팅층에 표면 처리한 실리카 나노 입자를 균일하게 혼재 시켰다. 마그네슘 스텐트는 좁아진 혈관 내벽을 지지하기에 충분한 강도를 지녔을 뿐 아니라, 면역 반응 및 독성이 없는 재료이지만, 생리학적 환경에서 높은 반응성으로 인하여 사용에 제약이 있다. 마그네슘 스텐트 코팅층 재료로는, 팽창-수축 과정에서도 안정적인, 유연한 고분자 소재가 주로 사용되지만, 단일 고분자 코팅층으로선 부식을 막기에 충분하지 못하고 생체 적합성도 낮다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에선 염기 촉매 하에서 실리카 전구체를 가수분해 하여 실리카 나노 입자를 성장시키고, 이를 연속적으로 헥사데실트리메톡시실래인(hexadecyltrimethoxysilane)과 반응시켜 나노 입자 표면에 긴 알킬기(-(CH2)15CH3)가 노출되도록 표면 개질 하였다. 이를 통해 상대적 소수성 고분자인 PLLA 모재 내에서 나노 입자가 뭉침 없이 균일하게 분산되도록 하였으며, 나노 입자의 소수성 표면은 복합체 코팅층의 부식 저항성 역시 향상시켰다. 즉, 실리카 나노 입자는 물 분자가 침투하여 마그네슘 기판을 부식시키는 과정을 물리적으로 방해할 뿐 아니라, 체내에서 실리콘 이온을 방출하여 혈관내피세포를 자극하는 생체 활성 물질로도 작용한다. 특히 10 wt%와 20 wt%의 실리카 나노 입자를 함유하는 복합체 코팅층은 기존의 단일 고분자 코팅층 대비, 마그네슘의 부식 속도를 반 이상 감소시키고, 혈관내피세포와의 친화성이 매우 우수하였다. 상기 연구 결과들을 종합해 보았을 때, 생체 활성 세라믹 재료인 실리카는 솔젤법을 통해 다양한 구조의 고분자/실리카 복합체를 형성할 수 있으며, 이를 혈관 임플란트에 적용하면 안정적으로 혈관 재형성을 촉진할 수 있음을 입증하였다. 생분해성 고분자/실리카 복합체는 체내에서 분해되면서 섬유아세포와 혈관내피세포를 자극하여, 우수한 생체 기능성을 나타낸다. 또한 나노골격구조의 실리카제로젤은 고분자의 기계적 강도를 증진시키고, 소수성으로 개질 된 실리카 나노 입자는 고분자 코팅층의 부식 저항성을 증진시켰으며, 이는 복합체의 물리적 기능성을 의미한다. 즉, 본 연구에서 소개한 고분자/실리카 복합체는 높은 생체 적합성과 함께, 다양한 혈관 임플란트에서 요구되는 물리적 기능성 역시 지닐 수 있음을 확인하였다. Biodegradable vascular implants have significant potential to minimize the risks of thrombus formation and arterial restenosis induced from the permanent remaining ones, as resorbed by the surrounding host tissues after a tissue regeneration process. Among various biodegradable materials, polymeric implants have been considered as promising candidates, thanks to their flexibility and availability for easy manufacturing. They, however, exhibit relatively low biocompatibility due to their innate hydrophobicity and hypersensitivity as well as a lack of physical functions such as mechanical strength or corrosion resistance to be utilized in clinical usage. To overcome these limitations, new composites by introducing bioactive ceramic materials have been studied in terms of material and design, where polymer and ceramic are mutually complementary. Silica, a bioactive ceramic material, hydrolyzed into silicic acid promoting vascular healing and angiogenesis, and also synthesized into diverse morphology by controlling the concentration of silica precursor, reaction time, or ambient pH condition. In this study, we suggested a polymer/silica composite electrospun membrane and coating for artificial vascular graft and magnesium (Mg) vascular stent, respectively, with enhanced biological and physical functions that each application requires. In the first study, a poly-ε-caprolactone (PCL) bilayer vascular graft was fabricated via electrospinning method, composed of an outer layer of randomly-distributed PCL/silica xerogel fibrous membrane and an inner layer of longitudinally-aligned PCL/collagen fibrous membrane. The multilayered structure was to mimic natural human blood vessels so as to withstand dynamic hydraulic stresses and perform great hemocompatibility. In particular, small-diameter vascular grafts (<6 mm) require a suitable mechanical strength, suturability, and anti-thrombogenicity for long-term patency. Here, we synthesized silica xerogel under acid-catalyzed conditions to form nano-skeleton structures through PCL nanofibers of the outer layer, eliciting superior mechanical strength as well as cell-friendly environment. The highly-aligned structure and materials of the thin inner layer were both favorable for the adhesion, elongation, and migration of endothelial cells, which can lead to rapid re-endothelialization on luminal surfaces of a vascular graft. This electrospun PCL bilayer graft was expected to decrease the possibility of luminal thrombosis and intimal hyperplasia, the main causes for failure in blood vessel transplantation surgery with its rapid endothelial cell coverage and sufficient strength. In the second study, we incorporated the surface-modified silica nanoparticles (mSiNP) into poly (L-lactic acid) (PLLA) coating for biodegradable Mg stents. Although Mg-based stents possess adequate mechanical properties, non-immunogenicity, and non-toxicity, they degrade explosively under physiological conditions, resulting in clinical stent failure. Polymeric anti-corrosion coating has been adopted on the Mg stents owing to its flexibility to endure considerable deformation during stent expansion, however, conventional PLLA coatings display insufficient corrosion resistance and biocompatibility. For the bifunctional PLLA/mSiNP nanocomposite coatings, the silica nanoparticles were synthesized under base-catalyzed conditions, followed by functionalized with hexadecyltrimethoxysilane (HDTMS), since strong repulsion forces between hydrophobic PLLA and hydrophilic bare silica nanoparticles can cause poor dispersion of the nanofillers. The mSiNPs in the PLLA matrix not only disturbed the penetration of corrosive medium as a physical barrier, but released silicon ions stimulating endothelial cells as a bioactive material. The nanocomposite coating containing 10 wt% and 20 wt% of the mSiNP delayed the corrosion of the Mg substrate by half and exhibited favorable endothelial cell responses, including initial cell surface coverage, migration, and proliferation rate, compared to the pure PLLA coating. In conclusion, silica, an inorganic bioactive material, was tailored into a proper morphology by the sol-gel method to form polymer/silica composite so as to accelerate angiogenesis and improve mechanical properties for vascular tissue engineering. The incorporated silica was significantly assured that the dissolved form of silica stimulates both fibroblast and endothelial cells, which, in turn, induced outstanding biological functions. In terms of mechanical properties, the network structure of silica xerogel in the PCL/silica electrospun nanofibrous membrane improved the mechanical strength, and the alkyl-terminated surface of silica nanoparticles in the PLLA/silica nanocomposite coating effectively retarded the degradation rate of the Mg substrate.

생체용 수산화아파타이트/TiO_(2) 복합체의 제조

정항철 조선대학교 대학원 2004 국내석사

Hydroxyapatite(HA) has been widely used as a bone replacement material in restorative dental and orthopedic implants, because of its chemical and crystallographic structure being similar to that of bone mineral. Extensive studies have indicated that HA is biocompatible with hard tissues of human beings and exhibits osseoconductive properties. However, HA is not suitable for load-bearing orthopedic and dental applications due to its poor mechanical properties compared with the values of bone. On the other hand, titania(TiO_(2)) has been attracted as an implant material. It is harmless to a living body with good mechanical properties. However, it is inert and may not be expected to show any reactivity in a living body. HA/TiO_(2) biocomposites, which can be a good combination of the bioactivity of HA and the favorable mechanical properties of TiO_(2), are considered as a promising approach to preparation of more appropriate biomaterials in physiological environment. Although HA/TiO_(2) biocomposites have been thought to compensate for the disadvantage of each material, the related studies have shown that the composite prepared by mixing the fine HA and TiO_(2) powders followed by sintering does not improve the mechanical properties due to differences in physical and thermal properties between HA and TiO_(2). In this work, the HA/TiO_(2) composite powder were prepared by utilizing nano-sized HA and TiO_(2) Powders which were obtained from precipitation, hydrothermal and sol-gel processing. Using the obtained composite powder, HA/TiO_(2) biocomposites were prepared by pressureless-sintering or hot-pressing. The effects of particle size and shape on the microstructure of HA/TiO_(2) composite powders were investigated. In addition, the influence of sintering temperature and amount of TiO_(2) on microstructure of HA/TiO_(2) biocomposites were demonstrated. The HA/TiO_(2) composite powders were prepared by mixing TiO_(2) and HA powders which were synthesized through sol-gel, precipitation and hydrothermal methods. The HA particles prepared by hydrothermal treatment for 2 h have needle-like shape with a size of 50-70nm. Following the hydrothermal treatment for 4 h, the particle shape was not much changed, however the size of particles increased to 200 nm. TiO_(2) nanocrystalline powder prepared by precipitation method showed uniform particle shape and narrow size distribution with 10-15nm in size. When utilizing sol-gel method, the TiO_(2) particle has 500 nm in size and spherical shape. The HA/TiO_(2) composite powders showed different microstructures depending on HA and TiO_(2) particle size and shape. The smaller particles were agglomerated on the surface of larger particles, whereas the composite powders were well mixed and dispersed when both TiO_(2) and HA were nanocrystallites. The HA/TiO_(2) biocomposites were obtained by pressureless-sintering or hot-pressing using the composite powder. It showed different microstructures and sintered densities depending on the powder characteristics, amount of TiO_(2) and sintering temperature. The sintered density and microstructural homogeneity increased with increasing the sintering temperature and the content of TiO_(2). When the HA and TiO_(2) powders having similar particle size were used the HA/TiO_(2) composite showed well dispersion of the HA and TiO_(2) to each other. In HA/TiO_(2) composite prepared by hot-pressing, the composite with well dispersion of HA and TiO_(2) has higher sintering density (95%) and smaller in pore size. With increasing sintering temperature, sintering density increased and moderately uniform microstructures were obtained. HA was partially decomposed to β-TCP and CaTiO_(3) at elevated temperature because TiO_(2) could accelerate the decomposition of HA. Consequently, the hot-pressed HA/TiO_(2) biocomposites using the nano-sized HA and TiO_(2) powders can be a more appropriate biomaterial with bioactivity and the favorable mechanical properties.

Development of biodegradable polyester-based composites filled with organic·inorganic fillers for improved thermal performance

Lule, Zelalem Chernet 중앙대학교 대학원 2022 국내박사

With the continued advancement in technology and market competition, most recent electronic devices especially in electronic and automotive industry are becoming substantially smaller. This miniaturization of electronic materials leads to generation of excess heat which could result in thermal management problem such as system failure and risk of fire. Thermal interface materials (TIMs) are materials that are usually used to facilitate the transmission of heat from the source to the sink which helps to dissipate excess heat to prevent device malfunction. This TIM should have high thermal conductivity as well as suitable physical and thermal properties for the intended applications. Most polymeric TIMs are currently made epoxy, silicon compounds or polyolefin matrix filled with thermally conductive fillers. This also led to generation of huge amount of non-recyclable petroleum based electronic wastes which has a negative effect on the whole ecosystem. Therefore, there need to be a focus on developing recyclable and ecofriendly thermal management polymeric TIMs for advanced applications. In this work, one of the main objectives is to develop ecofriendly and sustainable bio-composites with improved thermal management performance. The bio-composites were fabricated using biodegradable polymers like Polylactic acid (PLA), Polybutylene succinate (PBS) and Polybutylene adipate terephthalate (PBAT) as a base matrix. Silicon carbide is a ceramic material with high thermal conductivity, good mechanical properties and thermal insulating property that makes it an ideal filler material for polymeric TIMs. Hence, we have selected SiC as a thermally conductive ceramic filler to improve the thermal conductivity of selected thermoplastic bio-polyesters. However, direct addition of SiC fillers into the matrix does not yield the expected improvement on the thermal conductivity of the composites because SiC has poor interfacial affinity with polymers due to its high chemical stability owing to the absence of active sites on the surface. In addition, filler dispersion in the matrix also plays a significant role on the enhancement of the thermal conductivity of the composites as homogeneously dispersed filler promote the formation of as many thermally conductive pathways as possible for the heat transmission to occur. Therefore, we introduced new functional groups on the surface of SiC by treating it with pre-ceramic polysilazane (PSZ) and methacrylate silane in two separate studies. PSZ treated SiC (SiC-PSZ) were incorporated into PBS matrix to improve the thermal conductivity of the composites. The results showed that the aggregation of pristine SiC particles were prevented after the PSZ treatment which led to better dispersion of filler throughout the composite system. Furthermore, SiC-PSZ showed excellent interfacial interaction with the matrix. As a result, the thermal conductivity of the composite exhibited 400% enhancement as compared to that of the neat PBS, reaching as high as 1.05 W m-1K-1. In a separate study, we have fabricated highly rigid PBAT/polycarbonate blend composite filled with silanized SiC particles. Methacrylate silane attached on the surface of SiC acted as a compatibilizer for the immiscible polymer blends. Moreover, the surface treated SiC particles displayed a good interfacial interaction with the matrices which helped to reduce filler/matrix interfacial thermal resistance. Eventually, the PBAT based blend composites achieved a thermal conductivity as high as 1.3 W m-1K-1 which is 500% higher than the neat PBAT. The heat dissipation abilities of the resulting composites were also analyzed using hot plate method and the results were consistent with the thermal conductivity enhancement. Furthermore, we have reported works associated with reducing the fire risk of these biopolymers by improved the anti-flaming/dripping performance of their bio-composites. In addition, we have also used organic lignocellulosic material as a bio-filler to make the while system sustainable and fully biodegradable. Hence, coffee husks (CHs) were selected as low-cost ecofriendly bio-filler material. Herein, we analyzed the effect of three different novel phosphorus containing C4 dicarboxylic acid, namely succinic acid, tartaric acid and maleic acid, on the melt dripping performance of PBAT/PBS blend composites. The CHs were surface treated with the dicarboxylic acids and served as a carrier material. The results depicted that the composites filled with CHs treated with maleic acid presented superior anti-dripping performance. Similarly, CHs, surface treated with a combination of phytic acid/amine silane, were incorporated into PLA to improve the anti-flaming performance of the bio-composite. The results revealed that the combined effect of P/Si/N at the surface of CH carrier bio-filler yield an excellent anti-flaming performance. Consequently, the highly crystalline PLA bio-composites achieved a UL-94 V-0 rating with no dripping. The above works on improving the thermal management performance of the biopolymer materials indicated that improving the thermal conductivity does not necessarily guarantee the enhancement on the flame retardancy behavior of the material and vice-versa. Therefore, in an attempt to simultaneously improve the thermal conductivity and anti-flaming behavior, we have prepared a novel organic-inorganic hybrid filler reinforced bio-composite. The hybrid filler was prepared by decorating the surface of medium sized CHs by small sized SiC particles using a combination of mechanical and chemical-based methods. PBAT based hybrid bio-composites with simultaneously improved thermal conductivity and anti-flaming/dripping performance were reported. Meanwhile, the addition of ceramic fillers and anti-flaming agents were seen to deteriorate the mechanical performance of the resulting composites. Hence, we have managed to make a technical compromise between the mechanical performance and thermal management performance. As a result, the fabricated bio-composites had superior mechanical performance than their base polymer materials. Moreover, the morphological, viscoelastic, and thermal properties of the bio-composites were investigated. In general, the composites fabricated in this work exhibited promising properties that could potentially broaden their application and make them a possible candidate for thermal management materials. 기술과 시장 경쟁의 지속적인 발전으로, 특히 전자와 자동차 산업에서 최근의 대부분의 전자 장치들은 상당히 작아지고 있다. 이러한 전자재료의 소형화는 과잉 발열로 이어져 시스템 고장, 화재 위험 등 열관리 문제를 초래할 수 있다. TIM(Thermal Interface Material)은 일반적으로 소스에서 싱크대로 열을 전달하기 위해 사용되는 물질로, 장치의 오작동을 방지하기 위해 과도한 열을 방출하는 데 도움이 됩니다. 이 TIM은 높은 열전도율뿐만 아니라 의도된 용도에 적합한 물리적 및 열적 특성을 가져야 합니다. 대부분의 고분자 TIM은 현재 에폭시, 실리콘 화합물 또는 열전도성 필러로 채워진 폴리올레핀으로 만들어진다. 이것은 또한 생태계 전체에 부정적인 영향을 미치는 재활용이 불가능한 석유 기반 전자 폐기물의 대량 발생으로 이어졌다. 따라서, 첨단 애플리케이션을 위한 재활용 가능하고 친환경적인 열관리 고분자 TIM 개발에 초점을 맞출 필요가 있다. 본 연구에서는 열관리 성능이 향상된 친환경적이고 지속 가능한 바이오 복합체를 개발하는 것이 주요 목표 중 하나이다. 상기 바이오 복합체는 폴리유산(PLA), 폴리부틸렌 석신산(PBS), 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트 (PBAT)와 같은 생분해성 고분자를 베이스 매트릭스로 사용하여 제조하였다. 실리콘 카바이드(Silicon carbide)는 높은 열전도도와 양호한 기계적 물성 및 단열성을 가진 세라믹 물질로 고분자 TIM에 이상적인 필러 물질이다. 이에, 선택된 열가소성 바이오폴리머의 열전도성을 향상시키기 위해 SiC를 열전도성 세라믹 필러로 선정하였다. 다만, SiC 충진제를 매트릭스에 직접 첨가하는 것은 표면에 활성 부위가 없어 화학적 불활성도가 높아 고분자와의 계면 친화성이 떨어지기 때문에 복합체의 열전도도에 대한 기대된 향상을 낳지 못한다. 또, 매트릭스 내의 필러 분산은 열전달이 일어날 수 있도록 가능한 많은 열전도 경로의 형성을 촉진하므로 복합체의 열전도도 향상에도 중요한 역할을 한다. 따라서, 우리는 두 개의 별도의 연구에서 SiC를 프리세라믹 폴리실라잔(PSZ)과 메타크릴레이트 실란으로 처리하여 표면에 새로운 관능기를 도입하였다. 복합체의 열전도성을 향상시키기 위하여 PSZ 처리된 SiC(SiC-PSZ)를 PBS 매트릭스에 포함시켰다. 그 결과 PSZ 처리 후 청정 SiC 입자의 응집이 방지되어 복합계 전체에 필러가 더 잘 분산되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, SiC-PSZ는 매트릭스와 우수한 계면 상호작용을 보였다. 그 결과, 복합체의 열전도도는 깔끔한 PBS 대비 400% 향상되어 1.05 Wm-1K-1까지 높게 나타났다. 별도의 연구에서 우리는 실란화된 SiC 입자로 채워진 고강성 PBAT/폴리카보네이트 혼합 복합체를 제작했다. SiC 표면에 부착되어 있는 메타크릴레이트 실란(Metacrylate silane)은 비혼합성 고분자 블렌드에 대한 상용화제 역할을 하였다. 또한, 표면 처리된 SiC 입자는 매트릭스와 양호한 계면 상호작용을 나타내어 필러/매트릭스 계면 열저항을 감소시키는데 도움을 주었다. 결국, PBAT 기반 블렌드 복합체는 깔끔한 PBAT보다 500% 높은 1.3 Wm-1K-1 의 높은 열전도율을 달성하였다. 얻어진 복합체의 방열 능력도 핫플레이트법을 이용하여 분석하였으며, 그 결과는 열전도율 향상과 일치하였다. 또한, 우리는 생체 합성물의 화염 방지/드립 성능을 개선하여 이러한 생체 고분자의 화재 위험을 줄이는 것과 관련된 작업을 보고하였다. 또한, 우리는 유기 리그노셀룰로오스계 물질을 바이오 필러로 사용하여 와중 시스템을 지속 가능하고 완전히 생분해할 수 있도록 만들었습니다. 이에 따라 커피 껍질(CH)이 저비용 친환경 바이오소재로 선정됐다. 본 논문에서는 C4 디카르복실산을 함유한 세 가지 새로운 인, 즉 숙신산, 타르타르산 및 말레인산이 PBAT/PBS 블렌드 복합체의 용융 적하 성능에 미치는 영향을 분석하였다. CH는 디카복실산으로 표면 처리되어 운반 물질로 사용되었다. 그 결과 말레인산으로 처리된 CH로 채워진 복합체가 우수한 안티드립 성능을 나타냄을 알 수 있었다. 마찬가지로 피틴산/아민 실란의 조합으로 표면 처리된 CH를 PLA에 통합하여 생체 복합체의 연소 방지 성능을 개선하였다. 그 결과 CH 캐리어 바이오 소재 표면에서의 P/Si/N의 복합적인 효과가 우수한 화염방지 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 그 결과, 고결정성 PLA 생체 복합체는 UL-94 V-0 등급을 드랍 없이 달성하였다. 상기 생체고분자 재료의 열관리 성능 개선에 관한 연구들은 열전도율 개선이 반드시 재료의 난연성 거동 향상을 보장하지는 않으며, 그 반대의 경우도 마찬가지인 것으로 나타났다. 이에, 열전도성과 화염방지 거동을 동시에 개선하기 위한 시도로서, 우리는 새로운 유기-무기 하이브리드 필러 강화 바이오 복합체를 준비하였다. 하이브리드 필러는 기계적 방법과 화학적 방법을 조합하여 소형 SiC 입자에 의해 중형 CH의 표면을 장식하여 제조하였다. 열전도도와 화염/드립 방지 성능이 동시에 향상된 PBAT 기반 하이브리드 바이오 복합체가 보고되었다. 한편, 세라믹 필러 및 인화방지제의 첨가는 결과물인 복합체의 기계적 성능을 저하시키는 것으로 나타났다. 따라서, 우리는 기계적 성능과 열 관리 성능 사이에서 기술적인 타협을 이루어냈습니다. 그 결과, 제조된 바이오 복합체는 베이스 고분자 물질보다 기계적 성능이 우수하였다. 또한, 생물 복합체의 형태학적, 점탄성 및 열적 특성이 조사되었다. 일반적으로, 본 연구에서 제조된 복합체는 잠재적으로 적용 범위를 넓힐 수 있고 열관리 재료의 후보로서 가능성이 있는 유망한 특성을 보였다.

전복껍질 구조를 모방한 Ceramic-Polymer 복합체 제조 및 특성분석

남경목 인하대학교 대학원 일반대학원 2013 국내석사

유-무기 복합체란 본래 유기물과 무기물이 각각 가지는 한계 등을 극복하고, 혹은 각 재료가 가지는 장점을 이용하여 시너지 효과를 발현하는 소재이다. 유-무기 복합체는 다양한 분야에서 폭넓게 응용이 시도되고 있으며, 최근 동향에 의하면 에너지 절감과 관련된 기술 분야에서 더욱 관심이 높아지고 있는 소재이다. 전복껍질은 CaCO3가 단백질 등의 유기물과 함께 매트릭스 구조를 형성하고 있는 대표적인 천연 고강도 경량 복합소재이다. 이렇게 자연에 존재하는 기능 또는 특징 등을 모방하여 유사한 기능성을 가지는 소재나 구조체를 형성하는 것을 생체모방기술이라 한다. 본 연구에서는 전복껍질의 구조를 모방하여 매트릭스 구조를 가지는 유-무기 경량 고강도 복합 소재를 개발 하고자 하였다. 전복껍질이 가지는 구조적인 특징 중에는 판상형의 무기물 적층 기술이 중요할 뿐 아니라, 유기물과 무기물간의 접착력과 판상형의 무기물 간의 전단 저항력이 중요하다. 이에, 본 연구에서는 판상형 alumina, layered silicate, BN 입자를 무기물 적층체로 선택하였으며, 유기물로는 PMMA와 에폭시 레진을 사용하였다. 접착력 증진과 전단 저항력을 향상시키기 위해 alumina의 surface modification을 시도하였고, 복합체 형성은 성형 후 infiltration 및 추가적인 warm pressing 방법으로 연구를 실시하였다. 제조된 복합체는 열분석을 시도하였고, warm pressing 전/후로 FE-SEM을 사용해 미세구조를 관찰 하였으며, 3점 강도와 연소 특성, 열전도도 또한 warm pressing 전/후로 측정하여 전복껍질 구조 모방에 따른 복합체의 기계적 특성 향상 정도와 warm pressing 효과를 확인하였다. 그 결과, BN-PMMA 복합체의 열전도도는 4 W/mk 였지만, warm pressing 후 1.8 W/mk로 감소 하였다. Layered silicate-PMMA의 복합체의 곡강도는 warm pressing 후 150MPa의 강도를 나타내었다.

Bioinspired-structured stretchable electronic devices using carbon-composite materials

민형호 성균관대학교 일반대학원 2023 국내박사

웨어러블 디바이스에 대한 최근 연구는 실질적으로 인간이 현재 안정적으로 사용할 수 있도록 최적화하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 구체적으로, 웨어러블 디바이스란 신체에 정확히 부착되어 있으면서, 생체에서 나오는 여러 신호들을 측정하거나, 외부의 자극을 인간에게 정확히 전달하기 위한 장치이다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 웨어러블 디바이스는 몇몇 성능들을 수행해야 하는데, 먼저 장기간동안 안정적으로 신체에 붙어있어야 하고, 여러 자극들에 대해 민감하게 센싱할 수 있어야 하는 동시에 디바이스는 경제적인 강점을 갖어야 한다. 본 논문은 이런 웨어러블 디바이스의 필수 성능들을 동시에 해결할 수 있도록 소재적인 부분과 구조적인 부분으로 관점을 두어 연구를 다뤘다. 소재적으로는 가격이 싸고 기계적, 화학적, 전기적으로 안정하다는 강점이 있는 탄소 입자와 값싼 엘라스틱 고분자 매트릭스를 이용하여 연구를 진행했다. 구조적으로는 자연에 있는 여러 구조들을 모사하여 신체에 안정적으로 붙을 수 있고, 신축성을 갖고 민감한 센싱을 할 수 있도록 연구를 진행했다. 전도성 탄소 입자와 엘라스틱 고분자 매트릭스간의 계면효과 향상과 탄소 입자의 충분한 분산을 통한 혼합을 통해 균일하고 뛰어난 전도성을 갖는 고분자 복합체에 대한 모델을 제시했다. 고분자 분산제를 통해, 탄소 입자 간의 접촉저항을 줄여 전도성을 강화했고, 용매에 용해시킴으로써 고분자 매트릭스 안에서 더욱 균일하게 분포하도록 설계하였다. 이 모델은 라만 스펙트럼에 의한 결합 고리 피크나 분산제 농도에 따른 전기 전도도 수치와 같은 대한 실험 결과를 뒷받침한다. 자연의 문어 빨판이나, 물방개 앞발의 흡착 구조와 미세 주름 구조에서 영감을 받아 수직방향과 수평 방향의 접착력에 박리 저항성이 향상된 통기성, 물 배수성 및 재사용이 가능한 구조를 기반으로 웨어러블 디바이스의 안정적인 부착을 확보했다. 또한, 미세 3차원 구조들을 기반으로 신축성 전극 및 민감도 및 선형성 응답이 뛰어난 압력 및 신축 센서에 대한 연구를 진행했고, 웨어러블 디바이스로써 적절한 전기적 성능을 낼 수 있도록 제어했다. 기존 고분자 복합체 제조 공정의 한계를 극복할 수 있는, 탄소 나노튜브의 선택적 전사 방식을 통해 뛰어난 전도성과 내구성을 통하여 웨어러블 디바이스의 기초 요소인 안정적인 신축성 전극을 확보했다. 이를 기반으로 생체신호를 센싱할 수 있는 여러 센서를 구축하여, 박리 방향, 강력한 수중 접착 능력을 기반으로 신체의 어느 부분에도 부착하여 인간의 움직임 및 전기 생리학적 신호를 보편적이고 신뢰적으로 측정할 수 있음을 성공적으로 입증했다. 또한, 온도와 점도 제어 통한 새로운 jet dispenser 공정법으로 대면적 및 multi array형의 고민감/선형 응답 촉각 센서를 제작하여, 기존의 공정법으로 구현되기 어려웠던 한계를 극복했고, 3차원 공명 분석, 전자주사현미경 및 전기 신호 응답 분석 등 신뢰할 수 있는 데이터를 기반으로 연구 결과를 입증했다. 탄소 입자를 기반으로 하는 복합 소재, 생체모사 구조 및 공정법을 개선연구는 다양한 생체 신호의 생체 외 및 생체 내 모니터링을 위한 웨어러블 디바이스 장치를 구현뿐만 아니라 다양한 산업 분야의 한계를 극복할 유망한 해결 방안이 될 수 있을 것이다. Recently, research on wearable devices is actually progressing in the direction of optimizing them so that humans can use them stably. Specifically, a wearable device is a device that is accurately attached to the human body to measure various signals from the body or to accurately transmit external stimuli to the human body. To achieve this goal, wearable devices must perform multiple functions. First, it must be stably attached to the body for a long period of time, it must be able to sensitively detect various stimuli, and at the same time, the device must be economical. This paper deals with research in terms of materials and structures to solve the essential performance of these wearable devices at the same time. In terms of materials, research has been conducted using carbon particles which are mechanically, chemically, and electrically stable and inexpensive elastic polymer matrices. In case of microstructures, research has been conducted to imitate various structures of nature so that they can be stably attached to the human body, and to enable sensitive sensing with elasticity. A model of a polymer composite material with uniform and excellent conductivity was presented by improving the interface effect between the conductive carbon particles and the elastic polymer matrix and mixing through sufficient dispersion of the carbon particles. Inspired by the adsorption structure and micro-wrinkle structure of octopus suckers or water beetles, stable attachment of wearable devices was secured based on breathability, drainage, and reusable structures that improved peel resistance in vertical and horizontal adhesive strength. In addition, we conducted research on stretchable electrodes and pressure and stretch sensors with excellent sensitivity and linear response based on a fine three-dimensional structure and controlled them to exhibit appropriate electrical performance as wearable devices. In addition, it was successfully demonstrated that a large-area and multi-array high-sensitivity/linear response tactile sensor was fabricated with a new jet dispenser process method through temperature and viscosity control, overcoming the limitations that were difficult to implement in the past. The research results have been proven based on reliable data such as the existing process method, 3D resonance analysis, scanning electron microscope, and electrical signal response analysis. Research on improving composite materials, biomimetic structures and processing methods based on carbon particles is a promising solution that can overcome the limitations of various industrial fields as well as implementing wearable devices for in vitro and in vivo monitoring of various biosignals.

Polylactic acid/Hydroxyapatite 복합체 제조 및 특성평가

박진수 부산대학교 대학원 2017 국내석사

Biopolymers are most commonly used in fixation medical devices, such as suture anchors and interference screws, because of their unique physical and chemical properties. Biopolymers have good biocompatibility, but their have not bioactive property such as osteoconductive. In this study, we prepared biodegradable organic/inorganic composite materials using the solvent mixing process and conventional molding. We used polylactic acid (PLA) as the matrix and hydroxyapatite (HAp) as the osteoconductive filler. The content of HAp was varied in 0-30 wt% and its influence on the in-vitro mechanical performance of PLA/HAp composites was evaluated. The in-vitro mechanical properties of composites were evaluated using standardized flexural test after different immersion times in simulated body fluid.

사이아노 아크릴레이트와 β-TCP 복합체의 물성 및 접착성

이강수 연세대학교 대학원 2006 국내석사

Histoacryl?은 의학과 치의학 분야에서 조직 접착제로 사용되고 있다. 주 성분은 사이아노 아크릴레이트로서 이 물질의 중요한 장점 중 하나가 실온에서 촉매나 가열 없이 얇은 피막을 형성하며 중합된다는 것이다. 사이아노 아크릴레이트는 순간 접착제로 잘 알려져 있으며, 물이나 아미드 기 등과 같은 약염기 조건에서 급격한 이온반응을 일으키며 중합된다.종래의 방법으로는 사이아노 아크릴레이트를 세라믹 충전재와 혼합하는 것은 어려웠다. 세라믹의 표면이 약염기성이므로 순간적인 중합반응이 일어나기 때문이었는데 본 연구에서는 β-tricalcium phosphate(β-TCP)의 표면을 산처리함으로써 중합반응의 속도를 낮추었고 그 농도를 달리하여 혼합한 복합체의 물성 및 접착성과 생적합성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.1. Histoacryl?과 산처리된 β-TCP를 혼합하여 복합재료를 제조할 경우 중합 과정 중 발생하는 반응열이 현저하게 감소하였다.2. 압축 강도는 β-TCP의 양이 많을수록 증가하였다.3. 전단접착강도는 β-TCP의 양이 증가할수록 감소하였다.4. 세포 독성 실험의 결과는 양호하였다.이러한 결과로 본 실험에 사용된 β-TCP/Histoacryl? 복합체를 치과영역의 접착제 혹은 충전 물질로 사용할 수 있는 가능성을 발견하였다.N-butyl-2-cyanoacrylate which is known as Histoacryl?has been widely utilized as a tissue adhesive in many fields of medicine and dentistry. One of the significant advantages of cyanoacrylate (CA) is the ability to polymerize as a thin film at room temperature, without a catalyst, heating, pressure and removing solvent in a moist environment [1]. CA is well known as an instant adhesive and it is polymerized by using a rapid ionic mechanism in presence of a weak base such as water or amide groups.Traditionally, it is very difficult to mix CA with ceramic fillers. The surface of ceramic fillers is weakly basic and often contains a certain amount of moisture even in a powder. CA polymerizes momentarily in the presence of basic ceramics, which results in rapid setting and high polymerization heat. This limits the use of ceramic powder as a filler of CA. The aim of this study is to evaluate the physical and adhesive properties of newly developed cyanoacrylate-based β-TCP composite systems.We have found out novel methods for mixing β-tricalcium phosphate (β-TCP) with CA without compositional modification [2]. The β-TCP powder was modified on the surface with citric acid to make this material mixed with CA easily. The acidic treatment of β-TCP was performed by mixing 100 g of β-TCP in 50 g of 3% citric acid aqueous solution and then freeze-drying. The β-TCP-filled CA composites were prepared by mixing Histoacryl? (B. Braun, Germany) and the acid-treated β-TCP powders. The mixing ratio of acid-treated β-TCP powders to Histoacryl? were 0.3, 0.5, 1.0, and 2.0. : The effect of the mixing ratio of acid-treated β-TCP powders to Histoacryl? on setting time, polymerization heat, shear bonding strength, and compressive strength was investigated. The untreated β-TCP/Histoacryl? composite was used as a control.The setting time of acid-treated β-TCP/Histoacryl? systems was dramatically prolonged. Histoacryl? polymerized momentarily in the presence of untreated β-TCP, which results in rapid setting and high polymerization heat. The polymerization heat (ΔT=0.5-3℃) of the acid-treated β-TCP/Histoacryl? systems was significantly decreased compared to that (ΔT=40℃) of untreated β-TCP/Histoacryl? system. This allowed for enough working time for mixing. The shear bonding strength of cyanoacrylate-based β-TCP composites decreased with addition of acid-treated β-TCP filler. The compressive strength of acid-treated β-TCP/Histoacryl? composites strongly increased with increasing the amount of acid-treated β-TCP filler. The compressive strength of β-TCP/Histoacryl? (mixing ratio=2:1) composites increased to 29 MPa.Key words: n-butyl-2-cyanoacrylate, β-tricalcium phosphate, composite, biocompatibilityThese results indicated that our novel β-TCP/Histoacryl? composites had the great potential to serve as adhesives or filling materials in the dental field. Moreover, it is expected that filling materials could be fixed in the bone defect more quickly and firmly due to the adhesive property of Histoacryl? to hard tissue.

3차원 구조의 경조직 재생용 생체모방 세포담체 제작을 위한 전기수력학 기반 바이오프린팅 공정 및 시스템 개발

김민성 성균관대학교 일반대학원 2018 국내박사

마이크로/나노 섬유는 세포외기질과 유사한 구조를 갖기 때문에 높은 세포 활성을 유도 할 수 있어 다양한 조직 재생에 널리 사용되고 있다. 하지만 섬유 구조체는 2차원 구조로만 제작되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 전기수력학 기반 바이오프린팅 공정과 에탄올 타겟 메디아를 사용한 새로운 공정 시스템을 제안한다. 개발된 시스템은 세포외기질과 유사한 3차원 마이크로/나노 섬유 구조로 세포담체를 제작 할 수 있다. 안정적인 공정 설계를 위해 타겟 메디아의 표면장력, 고분자 용액의 유속과 질량 분율 등의 다양한 매개변수의 영향을 밝혔다. 공정을 기반으로 프린팅 시스템을 구축 하였고, 경조직을 재생하기 위해 인체 골조직의 조성과 유사한 조성을 갖는 70 wt% 바이오세라믹 복합소재를 사용하였다. 세포담체를 균일하게 제작하기 위해 전기장, 유속, 노즐크기, 등에 대한 영향을 관찰하고 프린팅 시스템을 최적화 하였다. 전기수력학기반 바이오프린팅 시스템을 통해 제작된 세포담체는 고분자 섬유와 바이오세라믹으로 구성되며, 세포담체에 조골아세포 (MC3T3-E1)를 배양한 결과 높은 세포 활성과 분화 결과를 확인 할 수 있었다.

Research on fiber optic temperature sensors using novel material and micro optical waveguide structure

송상권 Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

광섬유는 작은 사이즈, 가벼운 무게, 유연하다는 이점을 가지고 있으며, 빛을 원하는 모양으로 변형하거나 위치로 송, 수신 하는데 유리하다. 우리는 이미 광통신을 통해 이러한 이점을 누리고 있으며, 현재 광통신 및 광소자 개발에서 가장 많이 상용화된 광섬유는 단일모드광섬유이다. 단일모드광섬유는 SiO2에 GeO2등의 불순물을 첨가하여 코어와 클래딩의 굴절률 차이를 만듦으로써 파장에 따라 특정규격에서 제작하게 된다. 광섬유는 앞서 언급한 광통신 외에도 내시경, 현미경, 레이저, 센서 등 광범위한 분야에서 실제 사용되고 있다. 이 중 광섬유 센서는 저렴한 제작비용, 소형화, 경량화, 분산화, 쉬운 빔 정렬 등의 많은 장점을 갖기 때문에 바이오&화학 센서나 온도, 습도, Crack, 모니터링 등 다양한 영역에서 다양한 구조로 사용되고 있다. 광섬유 센서의 동작 방식은 간섭, 산란, 형광등 여러가지 방법이 있으며, 기본적으로 빛을 광섬유에 공급해주고 측정하려는 변수가 측정위치에서 상호작용 후 변조된 빛을 분석하는 간단한 방법을 사용하기 때문에 이를 활용한 연구가 현재까지도 활발하게 되고있다. 특히 온도에 대한 정확한 측정은 환경, 기기, 동식물이 살아가거나 동작할 수 있는 범위가 특정 온도 범위 내로 제한되기 때문에 굉장히 중요한 변수이다. 따라서 본 연구에서는 다양한 광섬유를 통한 여러 구조와 크기의 온도센서를 실험을 통해 연구하고 온도민감도를 높이며, 그 활용성을 제안하였다. 상용 단일모드광섬유를 변형시킨 마이크로도파로와 DNA-지질복합체를 제작하고, 이를 결합한 센서를 제작하였다. 연어 정란에서 추출한 DNA와 양이온 계면활성제인 CTMA(Cetyltrimethyl-ammonium)를 결합한 지질복합체를 제작하여 실험에 활용하였으며, DNA-지질복합체는 높은 열광학계수를 갖는 특징을 가지고 있기 때문에 주변 환경의 온도에 민감하게 변화하고, 물에도 녹지 않으며 microfiber의 내구성을 증가시켜주는 코팅의 역할을 겸 할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. 이 물질과 광섬유의 변형을 통해 제작된 microfiber를 활용한 간섭계형 온도센서를 제작하였으며 기존보다 더 작고, 높은 온도민감도를 갖는 센서를 저렴한 비용으로 제작할 수 있다는 것을 실험을 통해 확인 하였다. 다음 연구에서는 광소자 물리 연구실에서 직접 인출한 V-홈 광섬유와 DNA-지질복합체를 결합한 온도센서를 제작하였다. V-홈 부분에 DNA-지질복합체를 Drag하는 방식으로 소자를 만드는 방법을 제안하였고, 이를 수치화 하였으며, 간섭계형 온도센서로 동작하는 것을 실험적으로 확인함으로써 활용 가능성을 보여주었다. V-홈 응용 광섬유는 기존의 고온의 인출 과정 이후에 변형할 수 있으므로 제작이 용이하고, 홈에 다양한 액체를 채워서 코어로 사용할 수 있게 되어 열에 취약한 재료를 사용할 수 없었던 문제를 해결 할 수 있으며, 다양한 재료와 농도를 활용한 광섬유를 제작 할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 시뮬레이션을 통해 V-홈 광섬유의 코어 두께 형성과 파장에 따른 복굴절과 가이드 모드를 분석하였다. 이를 기반으로 다양한 종류의 광섬유 제작이나 응용 센서, 소자 등을 제작할 수 것이라고 기대한다. 마지막으로 기존의 상용 광섬유를 통하여 제작 할 수 있는 분산형 온도센서에 대해서도 연구를 수행 하였다. 이 연구는 비선형 효과인 브릴루앙 산란을 기반으로 하며 유도 브릴루앙 산란이 빛의 전파방향과 반대방향으로 전파된다는 특징을 활용하였다. 특정 파장에서의 유도 브릴루앙 산란의 임계 파워를 확인하였으며, 분석을 통해 광섬유의 길이나 면적 등이 변화하여도, 임계 파워를 예측할 수 있는 기준을 제시하였다. 또 상용광섬유의 분산형 온도센서로서의 활용도를 확인하였다. 기존의 보고된 분산형 온도센서에 비해 온도민감도가 더 높다는 것을 실험을 통해 확인하였으며, 이를 활용하면 더 높은 온도민감도를 갖는 분산형 온도센서를 다양한 형태로 제작 할 수 있다는 것을 보여주었다. 본 연구를 통해 제안된 광섬유 온도센서의 실험, 분석을 기반으로 다양한 형태의 센서나 모니터링 시스템, 소자 등을 제작하여 더 높은 온도 민감도를 필요로 하는 환경이나 연구분야에 응용 될 수 있을 것으로 기대한다. Optical fibers have the advantages such as compact size, light weight, and flexibility, which are beneficial in transforming light into the desired shape and transmitting and receiving it to and from specific locations. We already enjoy these advantages through optical communications, and the most commercially available optical fiber for optical communications and photonic device development is the single-mode fiber. Single-mode optical fibers are manufactured to specific specifications, depending on the wavelength, by adding impurities like GeO2 to SiO2 to make a difference in the refractive index between the core and the cladding. In addition to the aforementioned optical communications, optical fibers are widely used in various fields such as endoscopes, microscopes, lasers, and sensors. Among them, fiber optic sensors offer many advantages such as low manufacturing cost, miniaturization, and easy beam alignment, so they are used in various structures across different areas, such as bio & chemical sensors, temperature, humidity, crack monitoring. Fiber optic sensors work through interference, scattering, and fluorescence, and they basically use a simple method of feeding light into the optical fiber and analyzing the modulated light after interacting with the variable to be measured at the measurement location. As a result, research using these fiber sensors remains active to this day. In particular, temperature is a crucial variable since the range in which environments, devices, animals, and plants can live or operate is limited to specific temperature ranges, so accurate temperature measurement is important. Therefore, this study investigated temperature sensors of various structures and sizes using different optical fibers through experiments, enhancing their temperature sensitivity and proposing their potential applications. Firstly, we fabricated a temperature sensor using a commercial single-mode optical fiber with combining DNA-lipid complex and micro optical waveguide. A lipid complex combining DNA extracted from salmon sperm and cationic surfactant CTMA (Cetyltrimethylammonium) was used in the experiment. It was experimentally confirmed that the DNA-lipid complex has a high thermal optical coefficient, allowing it to sensitively respond to the temperature of the surrounding environment, and it is insoluble in water, which can serve as a coating to increase the durability of the microfiber. We produced an interferometric temperature sensor using this material and a microfiber made by modifying optical single mode fiber. Through experiments, we confirmed that a sensor with a smaller size and higher temperature sensitivity can be produced at a lower cost than conventional sensors. In the following study, we fabricated a temperature sensor that combines a DNA-lipid complex with a V-groove optical fiber fabricated from our laboratory. We proposed a method to easily make the device by depositing the DNA-lipid complex in the V-groove section, quantified it, and experimentally confirmed that it functions as an interferometric temperature sensor, demonstrating its potential for use. V-groove optical fibers are easy to fabricate because they can be deformed after the conventional high-temperature drawing process, and can be used as cores by filling the grooves with various liquids, solving the problem that heat-sensitive materials could not be used, and have the advantage of being able to fabricate optical fibers utilizing various materials and concentrations. Therefore, we analyzed the core thickness formation of V-groove optical fibers and the birefringence and guided modes depending on the wavelength through simulation. Based on this study, we expect that various types of optical fibers can be fabricated and applied in sensors and devices. lastly, we studied a distributed temperature sensor that can be fabricated using commercial optical fibers. This study is based on stimulated Brillouin scattering, a nonlinear effect, and utilizes the feature that induced Brillouin scattering propagates in the opposite direction of light propagation. The threshold power of stimulated Brillouin scattering at a specific wavelength was identified, and the analysis provided a basis for predicting the threshold power even when the length or core size of the optical fiber changes. In addition, the utilization of commercial optical fibers as distributed temperature sensors was confirmed. Through experiments, it was confirmed that the temperature sensitivity is higher than previously reported distributed temperature sensors, and it was shown that distributed temperature sensors with higher temperature sensitivity can be manufactured in various forms by utilizing this study. Through this study it is expected that various types of sensors, monitoring systems, and devices can be manufactured and applied in environments or research fields that require higher temperature sensitivity.