STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(마이크로캡슐을 적용시킨

"smeller" 장치를 통한 미디어의 후각화)

2015. 11. 17.

경기과학고등학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 마이크로캡슐을 적용시킨 ‘smeller’ 장치를 통한 미디어의 후각화

연구목표

- ‘smeller’에 적합한 마이크로캡슐 제작 방법을 알아낸다.

- ‘smeller’장치에 알맞은 터트림 방법과 코팅방법을 찾아낸다.

- 마이크로캡슐의 터짐에 따른 향의 확산을 분석한다.

- 실험을 통해 알아낸 마이크로캡슐의 종합적인 특징을 이용하여 실제 실생활에서 사용할 수 있게 ‘smeller’를 구상 및 개발한다.

연구방법

마이크로캡슐을 제작 시 perfume oil과 surfactant를 Homogenizer를 이용하여 micelle을 형성하였다. 그 다음 mechanical stirrer를 통해 점성이 높은 emulsion 상태의 마이크로캡슐 용액을 교반해주며 안정화 물질인 ammonia water와 citric acid를 넣어주었다. 마이크로캡슐은 bar코터를 이용하여 여러 종류의 종이에 코팅하였다. 제작과정에서 계면활성제의 농도를 Tween80과 Poly sodium salt 두 가지로 달리하였고 Homogenizer의 분쇄 속도룰 9000rpm, 10000rpm, 11000rpm으로 달리하여 실험하였다. 제작된 마이크로캡슐의 크기 를 SEM을 이용하여 확인해보았다. 마이크로캡슐의 터짐의 경우 온도와 압력, 두 가지 변인으로 나누어서 실험했다. 온도 효과는 TGA를 이용하여 분석하 였으며 압력효과는 쇠구슬을 떨어뜨리는 높이를 달리하여 육안으로 관찰하였 다. 또한 코팅지의 재질과 바인더의 농도를 변인으로 두고 실험을 진행하여 기기에 사용되는 최적의 코팅방법을 조사하였다. 향의 확산의 경우, 직접관능 법과 GC-MS를 통해서 확인해보았다. 마지막으로 마이크로캡슐 기술을

"smeller"에 적용시켜 3D 모델링 및 C++언어를 이용하여 컴퓨터 프로그래밍 을 진행하였으며 그 효율 및 실용화 가능성을 수학적으로 계산해 보았다.

연구성과

분쇄속도가 빠를수록 마이크로캡슐의 크기가 작아진다는 것을 알 수 있었다.

또한 마이크로캡슐을 형성시키는 가장 효과적인 계면활성제는 두 가지 중 poly sodium salt(4%, 50mL)였다. 마이크로캡슐의 코팅지는 A4용지가 가장 좋 았고 용지의 종류에 따라 적절한 바인더의 농도가 달랐다. 마이크로캡슐의 터짐에 있어서 온도와 압력 두 가지 방식을 비교해 봄으로써 온도는 350도 가량 가해주어야 하는 반면 크지 않은 압력에서도 터진 것을 통해 압력을 사 용하는 것이 경제적 관점에서 더 효율적이라는 것을 밝혔다. 마지막으로 터 지고 난 후 확산된 향기의 농도를 직접 측정해 봄으로써 향이 제안한 방식에 알맞게 조절, 확산되고 있다는 것을 보였다. 실제적용을 하기위해 'smeller'를 3D로 디자인 하였고 그에 알맞은 구동방식을 C++프로그래밍언어로 코딩하여 재현시켰다. 마지막으로 실제 ‘smeller’를 실용화시켰을 때 가격 및 실용성 을 구해보았다.

주요어

(Key words)

마이크로캡슐 [microcapsule], 미디어 후각화 장치 [smeller], 계면활성제 [surfactant], 분쇄기 [homogenizer], 교반기 [mechanical stirrer], 3D 모델링 [3D modeling]

마이크로캡슐을 적용시킨 ‘smeller’ 장치를 통한 미디어의 후각화

On a technique to make media 'smell-able', using smeller device based on microcapsule

1. 연구개요

1.1. 연구 동기

현대 사회로 들어오며 사람들에게 정보를 전달하는 전달 매체들은 눈부신 발전을 거듭했다. 활자를 통해 글자를 전달하던 인쇄 매체에서 라디오 등을 통한 청각 매체 에 이어 실제 같은 선명한 영상을 전달하는 영상 디스플레이가 나타났다. 최근에는 시청각뿐만이 아닌 촉각까지 자극하여 사람들에게 더욱 더 생생한 내용을 전달하는 4D 영화가 화제가 되고 있다. 우리는 이러한 미디어의 발전을 살펴보며 후각 전달 매체의 실용화는 아직 더디다는 것을 볼 수 있었다. 우리는 본 연구를 통해 더욱 더 생생하고 생동감 있는 미디어를 전달하기 위해 이러한 후각 미디어 장치를 실용화 하고자 하였다.

연구를 준비하던 도중 우연히 학교에서 진행하는 ALP(A Level Program)을 통해 화학과 교수님께 마이크로캡슐과 그 특징에 대한 강의를 듣게 되었다. 강의를 들으 면서 마이크로캡슐을 우리가 구상하는 향기 미디어 장치에 접합시키면 어떨까라는 아이디어가 들었다. 여러 향들을 마이크로캡슐에 담으면 향기의 확산을 조절할 수 있고, 오래 보관 가능하며 더 나아가 작고 가볍게 만들 수 있다. 이렇게 마이크로캡 슐의 장점들을 살려 향기 까지 전달할 수 있는 ‘Smeller’ 장치의 실용화에 대해 연구하게 되었다.

1.2. 연구 목적

- smeller에 적합한 마이크로캡슐 제작방법을 알아낸다.

- smeller 장치에 알맞은 터트림 방법과 코팅방법을 찾아낸다.

- 마이크로캡슐의 터짐에 따른 향의 확산을 분석한다.

- 실험을 통해 알아낸 마이크로캡슐의 종합적인 특징을 이용하여 실제 실생활에서 사용할 수 있게 smeller를 구상 및 개발한다.

1.3. 연구 범위

본 연구는 ‘smeller’라는 이름을 붙인 후각 미디어 장치의 실용화를 위해 마이 크로캡슐을 이용한 향의 저장 및 확산에서 더 나아가 실제 모델까지 제안하였다.

우선 마이크로캡슐 제작 단계에서 다양한 화학적 원리를 기반으로 하여 여러 가 지 변인을 줌으로써 사용하는 시약의 종류나 분쇄 속도에 따라 생성되는 마이크로

캡슐의 형상이 어떠한 변화를 가지는지 SEM을 통해 관찰하였다. 이를 통해 향기 카 트리지에 필요한 마이크로캡슐 제작 방식을 확립하였다.

다음으로 제작한 마이크로캡슐을 종이에 도포하는 과정을 연구하였다. 종이에 잘 도포되도록 사용하는 바인더와 그 농도에 대해 연구하였으며 종이의 재질에 따른 도포 정도를 비교해 보았다.

캡슐을 터뜨리고 향기를 확산시키는 단계를 연구하기 위해 열과 압력 등의 물리 적인 방법을 사용하였다. 즉, 열과 압력을 가해주었을 때 캡슐의 터짐 효과와 향의 확산을 연구하였다. 각각의 터지는데 필요한 열과 압력과 터진 후 향이 얼마나 확산 되는지 GC를 통한 분석과 직접관능법을 통해 연구해 보았다.

최종적으로 각 단계에서의 결과를 바탕으로 ‘Smeller’를 3D 모델링 해보았으며 장치에 사용될 소프트웨어를 코딩해보았다.

2. 연구 수행 내용

2.1. 선행연구

최근 3D에서 더 발전되어 오감을 모두 자극하는 4D가 실용화되고 있다. 실제로 4D로 상영되는 영화가 몇몇 개봉할 정도이다. 아직까지는 4D 영화관에서의 4D 구현 장치는 좌석에 분무장치, 바람생성장치 그리고 안마의자와 같은 촉각을 자극하는 장 치가 부착되어있다. 그러나 아직까지 후각에 대한 장치는 방향제와 같이 한 두 가지 향을 사용하는 데에 그쳐 다른 4D장치들에 비해 실용화 속도가 느린 상태이다.

그림 1 4D 영화관 좌석 그림 2 4D 영화 관람객

후각을 자극하여 미디어의 생동감을 높이는 기기 중 제품화된 제품은 VR 마스크 이다. VR 마스크 (Feelreal VR Mask)는 가상현실 헤드셋이 만든 영상에 맞춰 냄새 와 바람, 진동, 분무 등을 곁들여 더 현실감 넘치는 가상 체험을 돕는 제품이다. 향 기는 카트리지를 넣어 향기를 연출할 수 있는데 정글과 고무 타는 냄새, 꽃, 바다, 불꽃, 화약 등 7가지 종류 가운데 고를 수 있다. 단점은 향기의 가격이 비싸며 향기 는 쉽게 확산하기 때문에 사용기한이 짧다. 또한 향기에 구현도를 높이기 위해서 다 양한 향을 섞어야 하지만 VR 마스크는 이것이 불가능 하다. VR 마스크는 단지 각각 의 향을 분무할 뿐 향을 섞기에는 VR 마스크의 재현성이 떨어진다.

그림 3 VR 마스크 전면 그림 4 VR 마스크 후면

2.2. 이론적 배경 - 마이크로캡슐

마이크로캡슐은 크기가 수에서 수백 마이크로미터에 달하는 미소 크기의 입자상 물질이다. 캡슐의 외부를 감싸는 외벽구조와 내부에 포함된 중심물질로 구성되며, 외벽구조는 고분자 구조의 외부 환경으로부터 내부를 격리시키고 어느 정도 보호할 수 있도록 이루어지고 내부의 경우 기체, 액체, 고체 등 다양한 상태의 물질이 포함 될 수 있다. 그 구조 속에 물질을 포함하고 있다가 열이나 압력, pH와 같은 특정 환 경조건에서 외벽이 파괴되며 내부 물질을 내놓게 하는 특성 때문에 많은 분야에 응 용되고 있다. 물질을 마이크로캡슐에 내포시키는(마이크로캡슐화) 것의 장점은 아래 와 같다.

1) 액체나 기체와 같은 다양한 상을 마이크로캡슐을 통해 고체화 시킬 수 있다.

2) 싸인 물질이 서서히 방출되는 것을 이용하여 그 방출양식을 조절해준다.

3) 서로 반응하는 물질을 마이크로캡슐에 담아 격리시킨 필요에 따라 반응시킨다.

4) 휘발하기 쉬운 물질을 휘발하지 않게 해준다.

마이크로캡슐은 의약품, 식품첨가물, 접착제, 세제 등에 이용된다. 또한 마이크로 캡슐은 영수증 출력할 때 사용되는 감압 복사지에도 사용된다. 이는 각각은 무색이 지만 혼합하면 서로 반응하여 빛을 내는 2종류의 화합물을 이용하는 것으로서, 그 중 1종의 화합물을 마이크로캡슐에 담아 복사할 때 위쪽에 사용하는 종이 뒷면에 칠하고, 다른 1종의 화합물은 아래쪽에 사용하는 종이 표면에 칠하여 압력을 가하면 마이크로캡슐이 부서져 그 부분만 반응이 일어나 빛깔을 띠게 된다. 또한 섬유유연 제에 마이크로캡슐을 넣어 향기를 비비면 빨래한지 시간이 지나도 다시 향이 나게 하는 제품도 있다.

그림 5 마이크로캡슐의 모습

2.3. 연구주제의 선정

현재 smeller와 같이 마이크로캡슐을 이용해 냄새를 매체의 정보 전달에 사용하는 것을 가능하게 하는 기기는 연구된 적이 없다. 또한 현재까지 마이크로캡슐은 방향 제에 사용하여 냄새를 오랫동안 유지할 수 있도록 하거나 색소나 농약과 같이 1차 적으로만 활용되었다. 하지만 본 연구에서는 마이크로캡슐을 이용해 알맞은 시기에 냄새 분자를 확산시켜 더 고차원적인 활용이 가능할 수 있도록 하는 것에서 사전 연구와는 차별된다고 볼 수 있다. 또한 본 연구에서는 여기서 그치지 않고 터뜨리는 마이크로캡슐에 따른 냄새의 혼합까지 시도한다. 매체의 정보 전달에는 주로 시각과 청각 그리고 낮은 빈도의 촉각이 사용된다. 하지만 본 연구의 결과인 smeller를 활 용하면 현재까지 거의 시도되지 않았던 후각까지 매체의 정보 전달에 사용할 수 있 다는 점에서도 의의가 있다.

2.4. 자문

본 연구에서 우리는 미디어 장치의 후각화를 시키기 위해 어떠한 방향으로 나아 갈까 고민하고 있었다. 이 때 화학 A-Level Program에서 마이크로캡슐의 놀라운 특 징들을 소개해주신 단국대 화학과 박사님께 마이크로캡슐 제작에 대한 자문을 구할 수 있었다. 우선 화학 ALP 강의를 통해 마이크로캡슐의 특징 및 장점 그리고 응용 분야에 대해 배울 수 있었다. 마이크로캡슐의 오랫동안 보존 가능하고 필요할 때 터 뜨릴 수 있다는 장점들을 소개 받으며 우리의 연구의 방향을 잡고 아이디어를 떠올 릴 수 있었다.

7월22일부터 이틀에 걸쳐 직접 연구실에 방문하여 박사님과 함께 제작 및 실험을 진행해 볼 수 있었다. 박사님께서 마이크로캡슐을 구성하기 위해 필요한 물질들과 일반적인 마이크로캡슐 제조 공정에 따라 직접 연구실의 기기를 사용하여 제작할 수 있도록 도와주셨다. 제작부터 코팅 방법까지 한 단계, 한 단계 상세히 알아갈 수 있었다. 이를 통해 우리의 마이크로캡슐 제작 protocol을 세움으로써 연구의 기반을 다질 수 있었다.

3. 연구 방법

3.1. 실험 기기 및 시약 3.1.1. 실험기기

- Homogenizer(호모게나이저)

일정 속도로 프로펠러가 돌며 균질화, 최대 27000rpm 까지 회전 속도 증가 가 능, 본 실험에서는 마이크로 micelle을 형성

- Mechanical stirrer(교반기)

최대 3000rpm까지 교반 가능, 점성이 큰 액체의 교반에 활용 가능, 교반을 통해 캡슐간의 접착 방지

그림 6 Homogenizer 그림 7 Mechanical stirrer

3.1.2. 시약

그림 8 사용시약

3.2. 마이크로캡슐의 제작 3.2.1. 제작 protocol

그림 9 제작 protocol

마이크로캡슐 제작 방식을 결정하기 위하여 다양한 선행논문 탐색 및 실험을 통한 시행착오를 진행하였으며 최종적으로 다음과 같은 과정으로 마이크로캡슐을 제작하였다.

첫 번째로 사용할 향의 Perfume oil 25mL와 계면활성제 50mL를 30~40℃를 유지 하며 혼합시킨다. 그 다음 Homogenizer를 이용하여 약 10000rpm에서 15분간 유화 시킨다.

그림 10 에멀젼 형성

두 번째 단계는 Wall material을 첨가하는 과정이다. 외벽형성은 melamine 2.1g 에 formaldehyde 37% 용액 6.25g을 첨가한 뒤 urea 0.21g, D.W. 8.54mL를 넣고 10분간 가열하며 교반시킨다. 이 후 앞에서 만든 유화액과 외벽 형성물질을 혼합 한 뒤 1~2시간 더 70도를 유지시키며 가열 교반 과정을 진행한다.

그림 11 외벽물질 형성

이후 안정화를 위해 Citric Acid 1.75ml를 첨가해준 후 4시간가량 더 교반시키고 상온으로 냉각시킨 후 28% Ammonia Water 1.1ml를 첨가해준다.

그림 12 안정화 과정

3.2.2. 분쇄속도

Homogenizer를 이용해 micro micelle을 형성하는 과정이 있다. Homogenizer의 분쇄 속도를 9000rpm, 10000rpm, 11000rpm으로 각각 설정하였다. 분쇄 속도에 따 라 최종 형성되는 마이크로캡슐의 크기를 SEM을 이용하여 확인 및 비교하였다.

3.2.3. 계면 활성제의 종류

계면활성제는 perfume oil이 micromicelle을 형성하는데 중요한 역할을 한다. 계 면활성제로 Tween 80(4%, 50mL)과 poly sodium salt(4%, 50mL)를 각각 사용하였 다. 계면활성제의 종류에 따라 최종 형성되는 마이크로캡슐의 크기를 SEM을 이용 하여 확인 및 비교하였다.

그림 13 두 종류의 계면활성제의 특징 그림 14 계면활성제

3.3. 마이크로캡슐의 코팅 3.3.1. 코팅 protocol

마이크로캡슐이 코팅지에 잘 부착되도록 도와주는 binder와 마이크로캡슐 용액 을 혼합한다. 앞에서 만든 혼합액을 피펫을 사용해 5mL 코팅지의 한쪽 가장자리 에 일자로 떨어뜨린다. 바코터를 떨어뜨린 쪽에서부터 반대쪽으로 일정한 속도로 밀어 내린다. 마이크로캡슐이 한쪽으로 쏠릴 수 있으므로 완만한 바닥에 놓고 30 분가량 건조시킨다.

그림 15 bar coating의 protocol

3.3.2. 코팅지의 종류

마이크로캡슐이 코팅되는 종이의 재질에 따라 어떤 성질을 띠는지 육안으로 확 인 및 비교하였다. 코팅지는 A4용지, 색도화지, 주름지. 하드보드지로 달리하였다.

Binder는 사용하지 않았다.

3.3.3. Binder 농도

마이크로캡슐과 binde r의 비율에 따라 코팅될 때 어떤 성질을 띠는지 육안으로 확인 및 비교하였다. 종이는 A4를 사용하였으며, 마이크로캡슐과 binder의 비율은 1:0, 1:1, 4:1로 설정하였다.

그림 16 binder의 농도를 달리한 마이크로캡슐 용액

3.4. 마이크로캡슐의 터짐 3.4.1. 온도

어느 특정 온도를 기점으로 마이크로캡슐이 터져 마이크로캡슐 내부의 향이 확 산되는지 TGA를 통해 확인하였다.

3.4.2. 압력

어느 특정 압력을 기점으로 마이크로캡슐이 터져 내부의 향이 확산되는지 마이 크로캡슐이 코팅된 A4 위에 기름종이를 올리고 쇠구슬을 일정 높이에서 떨어뜨려 확인하였다. 한 영역의 마이크로캡슐이 터지면 core의 액체가 밖으로 나와 기름종 이에 흡수되며 기름종이의 색이 변할 것으로 예상하였다.

그림 17 높이를 변인으로 한 쇠구슬의 낙하

3.5. 마이크로캡슐의 확산

3.5.1. 직접관능법을 이용한 농도 분석

30명의 실험자를 대상으로 마이크로캡슐이 터지기 전과 후의 향을 50cm 거리에 서 맡게 한 뒤 향의 세기를 물어본다. 각각의 실험자는 5단계로 향의 농도를 설정 한 후 향을 맡아 그 향을 각 단계로 응답한다. 이 결과들을 모아 평균을 내어 터 지기 전과 후에 의미 있는 결과값 차이가 있는지 확인한다.

3.5.2. GC-MS를 이용한 농도 분석

GC-MS를 이용하여 향기 물질 파악 및 농도 측정한다. 밀폐된 상자에서 SPME fiber에 마이크로캡슐이 터지기 전과 후의 향을 흡착시킨 뒤 GC-MS를 이용하여 향의 농도를 정밀하게 측정한다.

그림 18 GC-MS 그림 19 SPME fiber

3.6. 실제적용

3.6.1. 3D모델링 및 프로그래밍

앞에서의 실험을 종합하여 ‘smeller’에 적합한 마이크로캡슐의 조건을 설정한 다. 3D 모델링 프로그램인 ‘blender’를 이용하여 3D 모델링을 진행한다. 또한 C++프로그래밍 언어를 이용하여 디자인한 'smeller'에 적용시킬 수 있는 코딩을 작성한다.

3.6.2. 실용성 분석

실제로 사용할 수 있는 시제품을 구상하고 실용화 방안을 탐색한다. 실용성은 제작시간, 코팅 한 장당의 가격 및 시간을 분석하였다.

4. 연구 결과 및 시사점

4.1. 연구 결과

4.1.1. 마이크로캡슐의 제작

- 호모게나이저의 분쇄속도와 마이크로캡슐의 크기의 관계

그림 20 pulverizate at 11000rpm

그림 21 pulverizate at 9000rpm

그림 22 pulverizate at 10000rpm

그림 23 specific size of pulverizate at 9000rpm

그림 24 specific size of pulverizate at 11000rpm

그림21, 그림22, 그림23은 각각 homogenizer를 이용해 9000rpm, 10000rpm, 11000rpm으로 분쇄하여 만든 마이크로캡슐의 SEM(ZEISS사) 사진이다(EHT = 30.00kV, MAG = 20.00k). 그림21과 그림23을 비교하였을 때 9000rpm의 조건에서 생성된 마이크로캡슐이 11000rpm의 조건에서 생성된 마이크로캡슐의 크기보다 더 크다는 것을 알 수 있었다. 더 정확하게 비교하기 위해 그림 24와 그림 25 를 비 교하였다. 그림24, 그림25는 그림21과 그림23에서 나타나는 마이크로캡슐의 크기 를 수치화 한 것이다. 그림 24의 경우 마이크로캡슐의 평균 지름이 2.039μm로 측정되었다. 그림 25의 경우 마이크로캡슐의 평균 지름이 2.182μm로 측정되었다.

약 0.15μm의 차이가 나는데 이를 부피로 환산할시 큰 차이를 보이므로 이는 유 의미한 결과라고 할 수 있다.

- 계면활성제의 종류와 마이크로캡슐의 관계

그림 25 microcapsule made with Tween 80

그림 26 microcapsule made with sodium salt

위 그림은 계면활성제로 Tween 80을 이용하여 마이크로캡슐 형성에 실패한 SEM 사진이다. 와 계면활성제 외의 모든 조건은 동일하였다. 그런데, Tween 80 대신 기존에 사용하던 Poly sodium salt의 사슬의 길이가 Tween 80보다 길다. 이러한 차이는 계면활성 제의 길이에서 기인하며, 사슬의 길이가 길수록 마이크로캡슐이 안정화된다고 결론을 내렸다.

4.1.2. 마이크로캡슐의 코팅

표 2 계면 활성제에 따른 마이크로캡슐의 코팅 (좌)Tween80, (우) Poly sodium salt

앞서서 진행하였던 캡슐 형성과정에서 사용한 계면활성제의 종류에 따라 캡슐 의 특성이 어떻게 달라지는 지 확인해보기 위해 A4 용지에 코팅해 본 결과 위의 그림과 같이 나타났다. 코팅 후 마른 뒤 살펴보면 Tween 80을 계면 활성제로 이 용한 경우 위에 도포되었던 하얀색 막이 가루가 되어 부서져 나오는 것을 관찰할 수 있었는데 반해 Poly sodium salt는 안정적인 도포 층을 형성한 것을 볼 수 있 다. 코팅한 결과를 살펴보더라도 Poly sodium salt를 사용한 경우가 더 적절하였 다. 종이의 재질에 따라 마이크로캡슐 코팅 정도를 비교해 본 결과는 다음과 같 다.

표 3 종이의 재질에 따른 마이크 캡슐의 코팅

(왼쪽으로부터 1: A4 용지, 2: 색도화지, 3: 하드보드지, 4: 주름지)

위의 그림을 살펴보면 종이의 재질에 따라서도 마이크로캡슐이 각기 다르게 나 타났으며 실제로 실용화에 있어서 마이크로캡슐을 도포할 때 종이의 종류도 중요 하다는 것이다. A4용지는 알맞게 코팅된 것으로 나타났으며 도화지가 가장 코팅 이 잘 된 것으로 나타났다. 이에 반해 하드보드지는 수분을 흡수하는 경향을 보였 으며 주름지는 표면이 균일하지 않고 울퉁불퉁하게 나타난 것을 볼 수 있다.

표 4 바인더와 캡슐의 혼합 비율에 따른 마이크로 캡슐의 코팅 (왼쪽으로부터 1: 캡슐용액100%, 2: 캡슐용액 75%, 3: 캡슐용액 50%)

바인더와 캡슐의 혼합 농도에 따라 마이크로캡슐의 코팅정도가 어떻게 달라지 는지 확인 해 본 결과 위의 그림과 같이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 캡슐 용 액의 비율이 높을수록 코팅이 불투명해지는 것을 관찰 할 수 있으며 반대로 캡슐 용액의 비율이 낮고 바인더의 비율이 높아질수록 코팅의 갈라짐과 변성이 적어지 는 것을 확인할 수 있다. 따라서 바인더의 혼합을 통해 코팅이 종이위에 더 잘 도 포되도록 하고 덜 갈라지게 하여 더 오랫동안 마이크로캡슐 코팅을 보존할 수 있 게 할 수 있다.

표 5 A4 용지와 주름지의 마이크로캡슐 용액의 혼합 비율에 따른 마이크로캡슐의 코팅(왼쪽으로부터 1: A4 용지 50%, 2: A4 용지 100%, 3: 주름지 50% 4: 주름지 100%)

실험 과정 중 A4 용지와 주름지의 바인더의 혼합 비율에 따라 특이한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. A4 용지의 경우 바인더의 비율이 높을수록 즉 마 이크로캡슐의 비율이 낮을수록 더 코팅이 잘 되었다는 것을 확인 할 수 있던 것 에 반해 주름지는 정반대로 나타났다. 주름지의 경우 오히려 바인더를 50% 비율 로 혼합하여 사용한 경우 코팅된 것이 일정 시간이 지나자마자 쓸려 가버린 것을 볼 수 있었는데 바인더의 특성이 주름지의 코팅에는 적합하지 않았다는 것을 살 펴볼 수 있다. 이 결과를 통해서 무조건 바인더와의 혼합이 더 코팅이 잘되게 하 는 것이 아니라 종이의 종류에 따라 알맞게 바인더를 혼합해야 한다는 것을 알 수 있었다.

4.1.3. 마이크로캡슐의 터짐

-온도와 마이크로캡슐 터짐의 관계

그림 40 온도와 마이크로캡슐 상태의 관계 그림 41 터진 마이크로캡슐의 모습

온도 상승에 따른 마이크로캡슐의 상태 변화를 TGA를 이용하여 측정하였다.

TGA를 이용해 온도 상승에 따른 질량의 변화를 측정할 수 있다. 만약 온도 변화

에 따라 마이크로캡슐의 외벽이 파괴되면 코어 물질(perfume oil)이 밖으로 나와 질량의 로스가 생길 것이다. 이를 TGA를 이용해 측정하였다. TGA 측정 결과인 그래프를 참조하면 약 350℃에서 마이크로캡슐의 질량이 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 약 350℃에서 마이크로캡슐의 외벽이 파괴되어 코어 물질이 흘러 나온다는 결론을 내릴 수 있다.

- 압력에 의한 터짐

낙하거리를 통해 비교해 보면 분쇄 속도가 증가함에 따라 낙하거리가 증가하는 것을 통해 분쇄속도가 빠를수록 입자의 크기가 더 작아지고 이에 따라 더 입자가 더 큰 압력에도 견디는 것을 살펴볼 수 있다. 더 정확한 비교를 위해 가해진 평균 힘을 구해보자. 순수한 충돌시간은 모두 0.01s로 같다고 가정하고 다음 식에 대입 해보자. 낙하시킨 쇠구슬의 질량을 측정해보니 33.64g 이었다.

∆    ^_{ }







^

이 식에 대입하여 표를 그려 보면 다음과 같다.

횟수 9000rpm 10000rpm 11000rpm

1회 3 4 5

2회 2 4 4

3회 3 4 4

4회 3 5 5

5회 3 4 4

6회 3 4 4

평균 2.83 4.17 4.33 힘(N) 5.013 6.080 6.200

표 6 분쇄속도에 따른 낙하높이 그림 42 분쇄속도에 따른 낙하높이

바인더와 마이크로캡슐 비율에 따라 일정 압력 이상일 때 마이크로캡슐이 터지 는지 실험하였다. 실험은 1cm 간격의 높이에서 일정한 무게의 쇠구슬을 연직 방 향으로 떨어뜨려 일정한 압력을 주었다. 마이크로캡슐이 터지는 것을 측정하기 위 해 마이크로캡슐을 코팅한 A4 종이 위에 기름종이를 덮고 쇠구슬을 떨어뜨려 기 름종이에 perfume oil이 흡수되는 것을 육안으로 관찰하였다. 위 그래프가 그 결 과이다. 마이크로캡슐이 바인더와 마이크로캡슐 중 차지하는 비율이 낮을수록 더 높은 곳에서 쇠구슬을 떨어뜨려야 perfume oil이 검출되었다. 이는 바인더가 마이 크로캡슐을 고정하는 기능이 있다는 것을 의미한다.

횟수 50% 75% 100%

1회 9 8 4

2회 9 8 4

3회 9 8 4

4회 9 7 4

5회 9 8 4

6회 9 8 4

평균 9 7.833 4

힘(N) 8.935 8.336 5.957 표 7 캡슐 용액 혼합비율에

따른 낙하 높이

그림 43 캡슐 용액 혼합비율에 따른 낙하 높이

Homogenizer에 의한 분쇄 속도에 따른 압력에 의한 터짐 측정을 측정하였다.

결과인 그림 28을 보면 분쇄속도가 빠를수록 더 높은 곳에서 쇠구슬을 떨어뜨려 야 perfume oil이 검출되었다. 이는 분쇄속도가 빠를수록 마이크로캡슐의 크기가 작고 밀집되어 있어 강한 힘을 주어야 마이크로캡슐이 터진다고 해석된다.

4.1.4. 마이크로캡슐의 확산

- 직접관능법을 이용한 농도 분석

　 전 후 16 3 4

1 2 5 17 2 3

2 3 4 18 1 4

3 4 3 19 2 4

4 2 3 20 2 3

5 2 4 21 2 3

6 3 3 22 3 5

7 1 5 23 2 5

8 4 5 24 3 5

9 2 4 25 2 4

10 3 5 26 3 5

11 3 3 27 3 5

12 2 2 28 1 3

13 3 4 29 1 4

14 2 3 30 4 4

15 1 2 평균 2.47 3.67

표 8 직접관능법 조사 결과 그림 44 터지기 전, 후의 직접관능법 결과

30명의 실험자에가 터지기 전의 마이크로캡슐과 터진 후의 마이크로캡슐의 향 의 세기를 1부터 5까지의 단계로 분석한 데이터를 평균 내어 나타낸 결과 터진 후의 향의 세기를 더 강하다는 결과가 나왔다. 비록 직접관능법은 일정량의 오차 를 갖지만 평균의 차이가 비교적 크기 때문에 유의미한 결과라고 할 수 있다.

- GC-MS를 이용한 농도 분석 실험 중

4.1.5. 실제적용

- 3D 모델링 및 프로그래밍

앞에선 연구한 마이크로캡슐의 특성들을 조합하여 마이크로캡슐 coater와

“smeller”장치를 디자인 하였고 3D로 나타내었다.

그림 45 Smell Printer 그림 46 Smell Burster

컴퓨터 프로그래밍은 위에서 3D모델링한 smeller에 적합한 프로그램을 작성해 보았다. 향기의 종류와 향이 코팅될 길이를 입력하면 그에 해당하는 마이크로캡슐 을 코팅하는 알고리즘으로 이루어져있다. 코딩은 배열을 기반으로 하였으며 두 가 지 향이 겹쳐서 입력될 경우에도 동시에 코팅이 가능하도록 코딩하였다. 또한 시 각적으로 프로그래밍을 보여주기 위해서 각각의 향기 캡슐용액을 색으로 나타내 주었다.

#import<cstdio>

#import<algorithm>

#import<cstring>

#import<ctime>

#define oo 987654321 int number_of_input;

int R[768][1024],G[768][1024],B[768][1024];

char kind_of_smell;

int start_time,end_time;

int main() {

scanf("%d",&number_of_input);

for(int i=0;i<number_of_input;i++) {

scanf("%1s %d

%d",&kind_of_smell,&start_time,&end_time);

for(int j1=start_time;j1<=end_time;j1++) {

if(kind_of_smell=='A')

for(int j2=(3-(j1/512))*192;j2<(4-(j1/512))*192;j2++) R[j2][(j1%512)*2]=R[j2][(j1%512)*2+1]=255;

if(kind_of_smell=='B')

for(int j2=(3-(j1/512))*192;j2<(4-(j1/512))*192;j2++) G[j2][(j1%512)*2]=G[j2][(j1%512)*2+1]=255;

if(kind_of_smell=='C')

for(int j2=(3-(j1/512))*192;j2<(4-(j1/512))*192;j2++) B[j2][(j1%512)*2]=B[j2][(j1%512)*2+1]=255;

} }

FILE *in=fopen("smell.bmp","rb");

FILE *out=fopen("out.bmp","wb");

for(int i=0;i<54;i++) putc(getc(in),out);

for(int i=0;i<768;i++) for(int j=0;j<1024;j++) {

if(i%192==191) putc(0,out),putc(0,out),putc(0,out);

else {

putc(B[i][j],out);putc(G[i][j],out);putc(R[i][j],out);

} } }

표 9 프로그래밍 코드

Input Output

12

A 100 200 B 300 400 C 500 600 A 700 900 B 800 1000 A 1100 1300 C 1200 1400 B 1500 1700 C 1600 1800 A 1900 2000 B 1900 2000 C 1900 2000

그림 47 입력 값을 출력한 결과이다. 각각의 색 뒤에 코팅되는 시간이나 길이를 입력한다. A는 빨간색, B는 초록색, C는 파란색 이며 각각은 서로 다른 향을 의미한다. 동시에 한 개의 향이 입 력될 경우 색의 혼합색인 노란색, 흰색 등으로 나타난다.

표 10 프로그래밍의 구동

- 실용성 분석

Perfume oil Poly sodium salt solution

Formaldehyd

e Melamine Urea

단위 가격 46000원/1L 88000원/1L 174000원/1L 60000원/1kg 170000원/1kg

1회 사용량 25mL 50mL 6.25g 2.1g 0.21g

계 1150원 4400원 1087.5원 126.0원 35.7원

Ammonia

Water Citric Acid Distilled

Water Binder 총합계

단위 가격 145000원/1L 100000원/1kg 0 1964원/1kg

1회 사용량 1.1mL 1.75mL 8.54mL 0

계 160.9원 175원 0 0 7135.1원

표 11 마이크로캡슐 100ml 제작 당 필요한 금액

데이터 설정 및 계산 결과

1회 제조 시 용액 총량 실험 방법 참조 100mL

1회 제조 시 용액 제조비용 표 x 참조 7135.1원

코팅 1회시 소모 용액 부피 2cm*10cm*125um 2.5*10^-7 m³ 용액 총량 이용 코팅 횟수 10²L/2.5*10^-1mL 400 개

코팅 1회시 소모비용 7135원/400개 17.8원

표 12 코팅 1회 비용 산정표

마이크로캡슐 100ml 제작 당 필요한 금액은 위의 표와 같이 나타난다. 각 제작 단계에서 사용한 시약을 Sigma Aldrich 에 근거하여 금액을 구해 보았다. 그 결과 100ml 당 총 7135.1원이 필요한 것으로 나타났으며 이를 바탕으로 하여 실제 생 활에서 마이크로캡슐을 코팅하여 사용할 시 1회당 소모비용으로 계산해보면 17.8 원으로 매우 경제적으로 나타난 것을 볼 수 있다.

4.2. 시사점

4.2.1. 연구 활동을 통해 얻은 학습효과

본 연구를 통해 연구를 할 때 필요한 넓은 시각을 갖게 되었고 연구를 어떻게 하는 것인지 알게 되었다. 연구를 할 때 필요한 지도교사 선정, 대학 교수에게 구 하는 자문, 연구에 필요한 장비와 시료 구입, 결론 도출을 위한 실험 계획, 직접 변인을 통제하며 하는 실험, 오차 원인 분석, 결론과 다른 방향의 결과가 나올 때 의 고찰, 3D modelling, 최종 smeller 개발까지 모두 하나 쉽지 않았다. 하지만 본 연구에서의 어려움을 팀원 간의 협력과 끊임없는 고찰을 통해 해결하였으며 그 과정에서 많은 것들을 배우게 되었다.

4.2.2. 개선점

첫 번째로, 실험에 이용한 계면활성제의 종류가 적다. 사슬 길이가 짧을수록 마 이크로캡슐이 안정해지는 것은 본 실험과 어느 정도의 화학 지식으로도 유추할 수 있다. 다만 예산 문제로 인해 다른 계면활성제를 이용해 실험을 진행하지 못하 였다. 이에 다양한 사슬 길이를 갖는 계면활성제를 이용해 실험을 진행하여 SEM 을 이용해 마이크로캡슐의 안정도를 확인해야 한다.

두 번째로, 바코터의 코팅 두께가 120um라는 한계를 가지고 있다. 마이크로캡 슐의 두께가 2um인 것을 감안할 때 마이크로캡슐이 코팅 시 마이크로캡슐이 층 을 이룰 것을 예측할 수 있다. 더 정확한 실험을 위해 mono layer로 마이크로캡 슐을 코팅하여야 하는데, 이를 위해선 ion coater가 필요하다. 역시 예산문제로 ion coater를 사용하지 못하였는데 이를 해결하면 더 체계화된 연구가 될 수 있 다.

5. 홍보 및 사후 활용

5.1. 후속연구

- 후속연구로 우선 개선점에서 나타난 계면 활성제의 종류가 적었던 점을 해결하 는 연구와 ion coater를 사용하는 연구를 진행하면 좋을 것이다.

- 모델링 한 시제품을 실제로 제작하는 연구가 후속 연구로 수반되어야 한다. 실 제로 우리가 생각하는 메커니즘에 맞추어서 캡슐을 알맞게 도포하고 터뜨릴 수

있는지, 또 여러 향을 배합하여 사용하였을 때 각각의 향들이 알맞게 사용자에게 느껴지는지 확인해보는 연구가 필요하다.

- 연구 성과의 확산을 위해 본 연구를 논문으로 작성해 학술지에 게재한다. 마이 크로캡슐의 경우 많은 연구가 이루어지지 않아 학회에서도 긍정적으로 평가할 것 이라는 기대가 된다. 또한 관련 학회의 포스터 발표에 참가하여 본 연구를 확산한 다.

- 본 연구의 활용을 위해 변리사 등 전문가에게 자문을 받아 이를 특허로 연결시 킬 수 있다.

6. 참고문헌

[1]Beck, L.R., et al. “A new long-acting injectable microcapsule system for the administration of progesterone.” Fertility and sterility 31.5 (1979): 545-551.

[2]Parthasarathy, Ranjani, and Charles R.Martin. Synthesis of polymeric microcapsule arrays and their use for enzyme immobilization. COLORAD STATE UNIV FORT COLLINS DEPT OF CHEMISTRY, 1994

[3]Brown, Eric N., Scott R. White and Nancy R. Sottos. “Microcapsule induced toughening in a self-healing polymer composite.” Journal of Materials Science 39.5 (2004): 1703-1710.

[4]Rule, Joseph D., Nancy R. Sottos, and Scott R. White. “Effect of microcapsule size on the performance of self-healing polymers.” Polymer 48.12 (2007):

3520-3529.