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거품의 특성을 이용한 시료의 밀폐운송기술 개발

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Academic year: 2022

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거품의 특성을 이용한 시료의 밀폐운송기술 개발

연구자 : 김규헌(경기과학고), 김보경(경기과학고), 양형준(경기과학고) 지도교사 : 오정현(경기과학고)

-초 록-

밀폐운송기술은 시료의 오염을 가장 확실히 방지할 수 있는 운송기술로, 현재 생활 속에서 다방면으로 이용되고 있는 시료 운송 기술이다. 하지만 현재의 시료 운송 기술들은 시공간적, 경제적 제약을 받는 경우가 많으며, 일부가 손상될 경우 밀폐가 제대로 되지 않아 전체를 버리게 되는 단점 등이 있다. 이에 대한 대안으로 본 연구팀은 발포제의 발포반응에서 얻어진 거품을 이용하여 시료를 운반한다면 기존의 시공간적, 경제적 제약을 줄일뿐더러 일부의 손상을 전체의 손상으로 보게 되는 비효율도 없앨 수 있을 것이라는 아이디어를 생각해 냈다. 본 연구에서는 거품 막을 기준으로 내부와 외부가 격리된다는 과학적 사실에 집중하였으나, 수학적으로 거품 구조가 생기는 원리와 효율적 구조 탐색, 또 거품의 심미성 등 미술적 분야에도 초점을 맞출 수 있으며, 거품을 단열재나 고효율 반사체로 이용하는 등 기술·공학적 분야에도 초점을 맞출 수 있는 등 거품을 이용한 본 연구는 STEAM R&E 사업의 목적인 융합적인 분야의 연구의 좋은 사례가 될 것이다.

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I. 서론

1.1 연구 목적

과학 실험에서 사용되는 실험 재료나 멸균상태의 식품, 또는 범죄 수사 현장에서 발견된 증거물 등을 운송할 때에는 물질에 끼치는 외부로부터의 영향을 차단하기 위해 밀폐운송이 널리 이용되고 있다. 밀폐운송의 목적을 달성하기 위해서는 밀폐상태가 견고히 유지되어야 하며 온도나 습기 등 외부 환경의 변화에 민감하지 않게 밀폐되어야 한다. 하지만 이처럼 높은 정밀성이 요구되는 밀폐운송기술은 시간적, 공간적, 경제적으로 제약조건이 존재하는 경우가 많으며, 밀폐된 운송 물질의 일부가 손상될 경우 운송 물질 전체가 오염되는 등 여러 단점이 존재한다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 발포제를 이용하여 거품을 형성하여 내부에 시료를 보관하는 방법을 고안해 내었으며, 이 방법의 경우 발포제는 진공포장 시설이나 특수 병에 비해 값이 저렴할 뿐만 아니라 물만 있다면 공간적 제약 없이 어디서든 수 분만에 발포가 완료되므로 시간적, 공간적, 경제적 제약조건들이 해소될 것으로 보이며, 거품이 형성 될 때 여러 cell들이 형성되기 때문에 하나의 cell이 오염되더라도 전체 시료가 오염되는 일은 없을 것이다. 따라서 만약 시료를 포집할 거품의 밀폐성과 견고함이 입증된다면 거품을 이용한 운송 방식은 추후 시료의 밀폐운송 방법에 효율적인 대안이 될 것이다. 본 연구는 STEAM R&E를 통해 거품을 이용한 시료 밀폐운송 방식의 밀폐성과 견고함을 확인해 보는 데에 연구의 목적을 두고 있다.

1.2 이론적 배경 1.2.1 거품(Foam)

액체나 고체에 의해 기체가 둘러싸여 외부로부터 격리되어 있는 것을 거품, 또는 폼이라고 부른다. 거품은 비누나 세제에서 계면 활성제를 흡착하기 위해서도 사용되고 특별한 물성을 식품공학에 이용하기도 한다. 하지만 때로 거품의 열 교환이나 물질교환을 방해하는 성질은 공업적으로 문제를 야기하기도 한다. 이러한 성질 때문에 거품의 형성, 안정화 방법에 대한 연구와 동시에 거품의 파괴, 불안정화 방법에 대한 연구도 진행되고 있다. 본 연구에서는 미생물을 외부 환경과 격리시켜 안전하게 운송하기 위해 거품이 막을 중심으로 내 외부를 격리시키는 성질과 안정적이고 열, 물질교환을 방해하는 성질을 이용할 것이다.

1.2.2 발포제

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1.2.2.1 이소시아네이트 반응

본 연구에서는 ‘폴리우레탄 지수발포제’에 해당하는 발포제가 사용되었다. 이 발포제는 이소시아네이트(isocyanate)와 물과의 반응을 통해 발생하는 이산화탄소 기체를 이용해 발포 시키는 메커니즘을 이용한다.

R  N  C  O  HO → R  N H  C O overall reaction

그림 1 PU reaction mechanism catalyzed by teritiary amine

그림 2 carbon dioside gas formed by reacting water and isocyanate

또한 최종 선정한 MIREX – 2000의 경우 발포에 걸리는 시간이 약 3분으로 짧고, 소수성 물질이기 때문에 미생물이 포함된 액체배지에 넣고 발포시켰을 때 배지가 거품 자체와 섞여버리지 않고 내부에 포집될 수 있다는 장점을 갖고 있다.

1.2.2.2 폴리우레탄 폼의 특성

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폴리우레탄은 모두 우레탄 결합이라는 대표 결합을 갖지만 수산기 화합물의 종류나 폴리 올과 이소시아네이트의 비율, 발포제의 양에 따라 다양한 성질을 갖는 제품의 제조가 가능하 다. 자동차 내장재에 주로 사용되는 반경질 폴리우레탄은 반응 온도와 발포제의 비율, 교반 효율 등과 같은 성형 조건의 변화에 따라 내부 기포의 분포 및 크기,형상 등이 영향을 받으며, 이러한 기포 발생 경향의 차이에 따라 소재의 밀도와 강도, 경도 등 기계적 성질이 다른 제품을 만들어 낼 수 있다.

폴리우레탄의 발포 특성 파악을 위해 일반적으로 사용되고 있는 방법은 컵발포시험(cup foam test)으로서 상면이 개방되어 있는 컵 형상의 용기에 원재료의 혼합액을 반응시켜 화합물의 발포 경향을 관찰하는 시험법이다. 컵발포시험은 비교적 단순한 과정을 통하여 주어진 조건에 대한 폴리우레탄의 반응 거동을 파악할 수 있기 때문에 산업계에서 널리 사용되고 있는 대표적인 시험법이다.

폴리우레탄 성형의 특징적인 현상으로서 인테그럴스킨(integral skin)의 형성을 들 수 있는 데, 이는 반응체 내부의 고온에 의해 발생된 기포가 상대적으로 온도가 낮은 용기 벽면에서 응축되어 내부에 비해 치밀한 조직이 형성되는 현상이다. 특히, 자동차의 스티어링 휠과 같이 폴리우레탄의 표면이 사용자에게 노출되는 제품에 대해서는 우수한 외관 품질과 촉감 때문에 인테그럴스킨의 형성 경향은 매우 중요하다.1)

1) 김홍성 외, <반응온도와 발포제 함량에 따른 폴리우레탄 발포특성에 관한 연구>, 한국소성가공학회지 /제18권 제3호, 2009년에서 발췌

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II. 연구 방법 2.1 발포제 선정

문헌 조사를 통해 빠른 발포가 가능한 발포제 후보군을 선정했다. 후보군을 선정할 때는 발포제가 발포하는 방법, 즉 첨가해야 하는 물질이나 가해주어야 하는 조건등이 현장에 서 시료를 빠르게 채취하기 위해 가능한 것인가 고려하였다.

결과로 NJ케미칼 사의 MIREX – 1000, MIREX – 2000, MIREX – 4000, UPOXY-9000을 후보군으로 두었다. 넷 모두 물을 혼합할 시 발포가 진행되었으며, 제조사 측에서 안내한 각 발포제의 특성들은 아래와 같다.

그림 1 - MIREX-1000,2000,4000

그림 2 – UPOXY-9000

위 4가지 발포제 중 본 연구에 적합한 발포제를 고르기 위해 세 가지 모두에 대해 발포 과정, 발포율(발포 전 부피에 대한 발포 후 부피의 비), 방수 여부 등을 확인해 본 뒤 최종적으 로 실험에 사용할 발포제를 선정하였다.

2.2 연구 프로세스

발포제 발포 시간 폼의 신축성 친수성/소수성 기타

MIREX-1000 약 1~2분 우수(연질) 친수성

MIREX-2000 약 3분 없음(경질) 소수성

MIREX-4000 약 50초 약간(반경질) 소수성 촉진제 배합 필요

UPOXY-9000 24시간 고강도 소수성 경화제 배합 필요

표 2 - 발포제 후보군의 특징들

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그림 3 - 연구 진행도

우선, 연구에서 시료로 사용될 대장균(E. coli)이 발포제 내에서 살아남을 수 있음을 확인하고, 다양한 조건에서 발포가 가능하며 폼 내부의 환경이 외부환경에 대해 격리 되어 있음을 확인함으로써 발포제를 이용한 미생물 운송이 가능함을 확인했다. 전체 적인 연구의 진행도 이 순서대로 이루어졌다.

2.3 물과 발포제의 비율에 따른 최적의 발포 조건

선정한 발포제를 실험 재료로 사용하여 가장 안정적으로 거품이 생길 조건을 판단하였다.

발포제와 물의 배합 비를 각각 1:1, 1:3, 1:6, 1:9, 1:12로 변경해가며 거품이 가장 적합하게 형성되는 물과 발포제의 비율을 판단하였다. 또, 색소를 탄 물을 일정량 넣어 발포제와 물의 배합 비에 따른 수분의 침투 정도를 ImageJ로 분석했다.

2.4 MIREX 2000의 미생물 수송 효율성

먼저, 모든 실험이 정당성을 갖기 위해서는 시료, 즉 대장균이 발포 과정 중 폼 내부에서 생존할 수 있다는 것이 입증되어야 하다. 대장균이 발포제로 형성된 폼 내에서 살아남을 수 있음을 보이기 위해 다음과 같은 실험을 진행했다.

▷ 대장균을 액체배지에서 24시간동안 배양시킨다.

▷ 액체배지와 발포제를 반응시켜서 폼이 형성되도록 한다.

▷ 형성된 폼을 상온에서 보관해 3시간 후 고체 배지에 접종한다.

▷ 24시간 배양 후 colony counting을 통해 대장균 배양 여부와 그 정도를 확인한다.

이 실험 후에 접종한 위치에 대장균이 번식 했는지 확인하여 만약 번식 했다면 폼 내부에서

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대장균이 살아남을 수 있다고 판단하였으며, 번식하지 않은 경우 대장균이 살아남지 못했다 고 판단하였다.

2.5 다양한 조건에서의 발포 가능성 검증

상온에서 물과 발포제를 섞어 가만히 두면 자연스럽게 폼이 생성된다. 그렇다면, 과연 0℃에서 pH 1~pH 13의 완충 용액과 발포제를 섞어도 폼이 생성될까? 안정적인 미생물 포장을 위해서는 다양한 조건에 구애받지 않고 발포가 되어야 할 것이기 때문에 발포 시 다양한 조건에 변화를 주는 실험들을 설계했다. 변인으로는 점성, pH, 온도, 진동이 있다.

▷ 점도: 여기서의 점도는 발포제의 점도가 아닌 발포제와 함께 섞어주는 물의 점도를 뜻한다. 실험에서는 점도를 만들기 위해 서로 다른 농도의 설탕물로 점도를 조절하여, 정상적으로 발포가 이루어지는지 관찰한다.

▷ pH: pH 1, 5, 7, 9, 13의 완충용액을 물 대신 발포제와 혼합하여 발포를 진행하여 pH가 발포제의 폼 형성에 미치는 영향을 관찰한다.

▷ 온도: 온도가 발포에 영향을 미치는 영향을 알아보기 위 해 얼음, 상온, C , C 에서 발포를 진행한 뒤, 정상적 으로 발포가 이루어지는지 관찰한다.

▷ 진동: Vortex Mixer를 이용해 발포제와 물을 투입한 코니 칼 튜브를 각각 1분, 3분, 5분 진동에 노출시킨 뒤 대조군 (Vortex Mixer)를 사용하지 않은 코니칼 튜브와 비교한다.

2.6 특수한 환경에서의 폼의 안정성 검증

발포가 완료된 폼이 운송 과정에서 안전하게 운송될 수 있는지에 대한 검증이 필요하다.

운송 과정에서 생길 수 있는 환경의 변화로는 외부로부터의 물의 침투와 온도 변화를 고려했 다.

▷ 물: 운송 도중 폼이 젖는 등 물에 노출 되었을 때, 만약 그 습기가 폼 내부까지 침투한다면 그 내부에 포집된 시료가 밀폐되어 운송되었다고 말하기는 힘들다. 역으로, 만약 폼이 방수기능이 있다면 물이 스며들 걱정도 할 필요가 없으니 폼이 방수기능이 있다는 것을 입증할 필요가 있다. 실험 중 만들어진 폼이 방수가 되는지를 검증함으로써 발포제를

그림 4 Vortex Mixer

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이용한 밀폐운송방법에 타당성을 부여할 수 있다. 폼의 방수 여부를 알아보기 위해 폼 형성 후 위에 색소를 탄 물을 5분간 방치시킨 뒤 단면을 잘라 물이 스며들었는지의 여부를 조사하였다.

▷ 온도: 종이컵 내부에 폼을 만들고 폼 내부에 MBL 온도 센서를 위치할 수 있도록 구멍을 만들어 온도 센서를 고정시킨다. 얼음, 상온, C의 물, C의 물에 종이컵을 담그고 Vernier LabPro와 Logger Pro 프로그램을 통해 시간에 따른 온도 변화를 관찰한다. 대조군으 로 같은 온도에서 종이컵 내부에 폼 대신 물을 넣고 온도 변화를 관찰하여 물에 비해 폼이 단열이 어느 정도나 되는지 확인한다.

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III. 연구 결과 3.1 예비 실험

그림 9 clean bench에서의 예비 실험

mirex 1000

mirex 2000

mirex 4000

upoxy 9000 그림 10 6 well plate에서의 예비 실험

그림 8 MIREX 2000의 시간에 따른 발포 양상

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그림 11 예비 실험

왼쪽 사진은 각각 같은 부피의 MIREX 1000, 2000, 4000과 UPOXY 9000에 대장균 배양액을 넣어 발포 시킨 후 멸균 메스로 조각을 적출해 고체 LB 위에서 하루 동안 배양한 사진이다. MIREX 1000, 2000, 4000의 경우 발포 이후에도 미생물이 생존하였음을 알 수 있으며, UPOXY 9000의 경우 그 여부가 불확 실하다. 따라서 1000, 2000, 4000으로 실험을 계속 하기로 하였다. 또, 발포제가 미생물을 포집할 수 있 다는 확신을 가질 수 있었다.

위는 ‘대우화학’에서 수행한 MIREX 1000, 2000, 4000에 관한 물성 조사 결과를 표 로 나타낸 것이다. MIREX 1000은 신장률과 안전전단강도가 높아 탄성이 있고, MIREX 2000은 중간 정도의 특징을 지니며, MIREX 4000은 점도가 낮아 침투성이 좋 은 대신 안전전단강도와 신장률이 낮아 쉽게 부서지는 특징을 지닌다. 배합 비율에 따라 발포 완료 시간이 다르지만, 일반적으로 MIREX 1000, 2000, 4000 각각 1분, 3

시험항목 MIREX 1000 MIREX 2000 MIREX 4000

점도(cps, 25℃) 270 220 150

비중(25℃) 1.08 1.13 1.1

안전전단강도(kgf/cm2) 70.2 20.7 9.6

신장률(%) 720 21 35

표 3 MIREX 1000, 2000, 4000의 물성

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분, 1분 정도의 시간을 요구한다.

그림 12 MIREX 1000, 2000, 4000 횡단면

위 사진은 각각 MIREX 1000, 2000, 4000에 대해 발포를 수행한 뒤 횡단으로 절단 한 사진이다. 20℃, open cup에서 진행했으며, 붉은 색소를 탄 물을 넣어 발포시켰다.

MIREX 1000의 가장 큰 특징은 다른 두 발포제와 달리 친수성이라는 것이다. 따라서 거품이 물을 흡수하며 발포하였기 때문에 거품의 색이 전체적으로 붉은 것을 관찰할 수 있다. MIREX 4000의 경우 낮은 전단강도와 신장률을 지녀 쉽게 부서지는 현상을 관찰할 수 있었다.

위 결과를 통해, UPOXY 9000은 미생물을 운반하는 데 적합하지 않은 것으로 판정 됐다. 발포를 완료할 때까지 걸리는 시간이 대략 24시간 정도이기 때문이다. 따라서 MIREX 1000, 2000, 4000으로 실험을 진행했다. 그러나 MIREX 1000은 친수성으로 거품 속에 물을 안정적으로 포함하지 못하고, 물을 흡수하면서 발포하기 때문에 미생 물을 거품 속에 포함함으로써 운반 기능을 수행할 수 없다. MIREX 4000은 크게 두 가지 이유에서 부적합하다는 판단을 내렸다. 첫째, 전단 강도가 낮아 쉽게 부서진다.

따라서 거품이 외부 압력에 의해 깨지기 쉽고, 안정한 운반체로 작용할 수 없다. 둘 째, 발포 시 매우 높은 열(배합 비율에 따라 달라지지만 일반적으로 70℃~80℃)이 발 생하기 때문에 미생물이 heat shock을 받아 불안정한 상태가 된다. 따라서 소수성이고, 비교적 낮은 열이 발생하며 전단 강도가 센 MIREX 2000이 본 실험에 가장 적합하다 는 판단을 내렸고, 본 실험을 MIREX 2000으로 진행했다.

3.2 물과 발포제의 비율에 따른 최적의 발포 조건

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그림 13 물과 발포제의 비율에 따른 발포 양상, 종단

그림 14 물과 발포제의 비율에 따른 발포 양상, 횡단

<그림 1>과 <그림 2>에서 왼쪽부터 발포제 : 물 = 1:1, 1:3, 1:5, 1:7, 1:9이며, 발포 제의 양을 각 3mL씩 넣었다.

그래프 1 물과 발포제의 비율에 따른 거품의 부피

물과 발포제의 비율에 따른 거품의 부피를 그래프로 나타내면 위와 같다. 거품의

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부피는 볼록하게 솟은 가장자리 부분을 기준으로 했다. 위 그래프로부터, 1:1에서 1:12 사이의 비율에서 같은 양의 발포제에 더 많은 양의 물을 첨가할수록 생성된 거품의 부피가 더 크다는 사실을 알 수 있다. 첨가한 물의 양이 적을수록 거품의 총 부피가 감소하기 때문에 미생물을 담을 수 있는 각 거품 셀의 수와 부피 역시 감소한다. 그 러나 한정된 양의 발포제로 실험을 진행했기 때문에 거품의 총 부피가 커질수록 각 거품을 지탱할 수 있는 발포제의 양은 적어진다. 따라서 불안정한 큰 거품이 생성되 고, 거품이 쉽게 아래로 꺼지는 현상을 관찰할 수 있는 것이다.

두 상충되는 조건의 완충 지점은 거품을 위에서 내려다본 사진에서 확인할 수 있 다. 발포제와 물의 비율이 1:3일 때 각 거품 셀의 모양과 크기가 균질하고, 전체적인 거품의 표면 역시 매끄러운 integral surface를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 1:3 비 율이 이상적인 발포 모습에 가깝다는 결론을 얻을 수 있기 때문에 이후 실험을 1:3 비율로 진행했다.

3.3 MIREX 2000의 미생물 수송 효율성

그림 15 bulk 상태에서 MIREX 2000의 대장균 수송

왼쪽은

E. coli

을 LB에서 overnight 배양한 것을 MIREX 2000과 1:3으로 섞어 발포시킨 후, conical

tube의 일정 단면을 잘라 고체 LB에서 overnight 배양한 사진이다. 거품 주위로 배양된 모습을 통해 발포 과정에서

E. coli

가 살아남았음을 알 수 있다.

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그림 16 MIREX 2000의 대장균 수송 효율성

그래프 1 대조군과 실험군에서 colony counting 결과

정량적인 분석을 위해 배양액에서 발포시킨 MIREX 2000를 일정한 크기(1cm3)로 잘 라 액체 LB에 overnight 배양했다. 이 액체 LB 100μl 씩을 고체배지에 spreading해 다 시 overnight 배양했다(triplicate). 위 그래프의 colony counting 결과, 발포제를 첨가한 실험군의 E. coli 개체수가 발포제를 첨가하지 않은 대조군의 64%임을 알 수 있다.

3.5 다양한 조건에서의 발포 가능성 검증

3.5.1 서로 다른 점도에서 발포 양상

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그림 17 tube에서 글리세롤의 농도(점성)에 따른 발포, 종단

그림 18 종이컵에서 글리세롤의 농도(점성)에 따른 발포, 종단

그림 19 종이컵에서 글리세롤의 농도(점성)에 따른 발포, 횡단

왼쪽부터 발포제와 질량%농도로 10%, 20%, 30%의 글리세롤 수용액을 1:3으로 혼 합해 발포시킨 사진이며, 글리세롤 수용액의 농도에 비례해 용액의 점도가 증가한다.

횡단면에서 큰 차이를 보이지 않으나, conical tube에서의 종단면에서 점도가 높을수록

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발포된 부피가 감소하는 경향을 보였다. 이를 그래프로 나타내면 아래와 같다.

그래프 2 글리세롤 수용액의 농도에 따른 거품의 부피

용액의 점도가 증가할수록, 즉 시료가 끈끈할수록 발포된 거품의 부피는 감소한다.

이는 발포제가 글리세롤과 반응하지 않기 때문에 글리세롤 수용액의 농도가 증가할수 록 반응할 수 있는 물의 양의 감소하기 때문이라고 해석이 가능하기도 하다. 따라서 용액의 점도를 조절하기 위해 설탕을 이용해 동일한 실험을 한 번 더 반복했다.

마찬가지, MIREX 2000과 질량%농도로 10%, 20%, 30%인 설탕 수용액을 1:3으로 혼합해 발포시켰다. 글리세롤에서와 마찬가지로 점도가 증가할수록 발포된 거품의 부 피가 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다.

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그래프 3 설탕 수용액의 농도에 따른 거품의 부피

그러나 글리세롤에서보다 설탕 수용액의 농도가 증가함에 있어 거품의 부피가 감소 하는 정도가 낮았는데, 이는 발포제가 글리세롤과 반응하지 않기 때문에 발생한 현상 이라고 추측할 수 있다.

3.5.2 다양한 pH에서 발포 양상

그림 22 서로 다른 pH에서 발포, 종단

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그림 23 서로 다른 pH에서 발포 시 방수, 종단

그림 24 서로 다른 pH에서 발포 시 방수, 횡단

왼쪽부터 발포제와 pH 1, 5, 7, 9, 13의 완충 용액을 1:3으로 혼합해 발포시킨 사진 이다. 종단면에서 pH와 발포된 거품의 부피 사이에는 별다른 상관관계를 찾을 수 없 다. 그러나 횡단면에서 pH가 낮거나 높을 때(1, 5 또는 9, 13) 발포가 완료된 거품의 표면은 integral surface의 양상을 나타내지 않았다.

그래프 3 서로 다른 pH에서 거품의 방수

이 같은 현상은 위 그래프에서도 확인할 수 있다. pH가 낮을 때나 높을 때, 표면에

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많은 기공이 있기 때문에 수분 침윤 면적이 차지하는 비율이 높으며, 이는 특히 pH가 낮을 때 뚜렷하다. 반면 중성의 pH에서 거품은 수분을 완벽하게 차단한다.

3.5.3 다양한 온도에서 발포 양상

그림 25 다양한 온도에서 발포, 종단

그림 26 다양한 온도에서 발포, 횡단(상온에서 발포시킨 사진 누락)

위 사진은 각각 얼음(0℃), 상온(20℃), water bath(40℃, 80℃)에서 각각 그 온도의 물과 발포제를 1:3으로 혼합해 5분간 발포시킨 결과이다.

첫째, 0℃에서 발포 시 반응 완료까지 걸린 시간이 매우 길었다. 가장 특징적은 거 품의 모습이었는데, 거품이 흰색을 띄며 매우 작은 셀을 갖는 것을 관찰할 수 있었다.

유동적인 연질의 성질을 띠었기 때문에 conical tube와의 부착력 역시 떨어졌다. 5분

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반응 뒤 얼음을 제거하자 상온에서의 발포 양상과 비슷하게 추가적인 발포 반응이 일 어났다. 둘째, 40℃에서 발포 시 상온보다 거품이 많은 부피로 발포했다가 기체를 방 출하며 꺼지는 현상을 관찰할 수 있었다. 표면은 불균질했으나 이후 반응은 상온과 큰 차이를 보이지 않았다. 셋째, 80℃에서 발포 시 거품이 끓는 듯이 격렬하게 생성되 었고, 거품이 conical tube의 안쪽 표면에 붙듯이 분포해 반응 완료 후에도 발포액과 혼합된 액체가 중앙부에 남아 있는 것이 관찰됐다.

3.6 특수한 환경에서의 폼의 안정성 검증

3.6.1 외부로부터의 물의 침투

그림 27 붉은 색소를 탄 물

방수 실험에 사용한, 붉은 색소를 탄 물의 사진이다.

그림 28 물과 발포제의 비율에 따른 방수, 횡단

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그림 29 물과 발포제의 비율에 따른 방수, 종단

종이컵에 MIREX 2000과 색소를 타지 않은 물을 왼쪽부터 1:1, 1:3, 1:6, 1:9, 1:12의 비율로 섞은 후 거품을 둘러싼 종이컵을 제거하고 횡단으로 잘라 색소가 스며든 정도 를 파악했다.

그림 30 ImageJ를 이용한 방수 면적 계산

위는 ImageJ를 이용해 거품 속으로 색소가 스며든 정도를 계산한 방법이다. 붉은 부분의 테두리를 따라 그리고, 전체 거품 면적과 픽셀을 비교해 퍼센트 결과를 얻었 다. 위 그림에서는 따라 그린 영역을 가시적으로 나타내기 위해 검은색을 입혔다.

1:1, 1:3, 1:9, 1:12의 비율에서는 표면이 방수되어 색소를 탄 물이 흡수되지 않았지 만, 1:6에서는 integral surface가 형성되지 않았기 때문에 물이 흡수됐다. 물이 흡수된 면적은 24.0%이다.

3.5.3 발포제의 보온·보냉성

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그림 31 내부 온도 변화를 재기 위한 시료로써 상온에서 발포시킨 거품

그래프 4 0℃에서 물의 내부 온도 변화(대조군)

그래프 5 0℃에서 거품의 내부 온도 변화(실험군)

위는 0℃에서 물과 거품의 내부 온도 변화를 MBL thermography로 측정한 결과

이다. 뉴턴의 냉각법칙 식인 (T`=물체의 초기온도, T=물체

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의 나중온도, t=초기시간, t`=나중시간, S=물체 주위의 온도, k=상수)에 위 결과를 대입해 0℃에서 물과 발포제의 k값을 구하자. 이 경우 t=0, S=0℃이다.

T` T t |k|

대조군 21.3 12.9 659.0 1314.110859

실험군 24.5 10.3 1355.5 1564.286541

표 4 0℃에서 대조군과 실험군의 k값

그래프 6 40℃에서 물의 내부 온도 변화(대조군)

그래프 7 40℃에서 거품의 내부 온도 변화(실험군)

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T` T t |k|

대조군 20.7 32.0 185.0 424.6994137

실험군 23.4 38.7 180.0 357.7792089

표 5 40℃에서 대조군과 실험군의 k값

그래프 6 80℃에서 물의 내부 온도 변화(대조군)

그래프 7 80℃에서 거품의 내부 온도 변화(실험군)

T` T t |k|

대조군 23.9 71.5 599.0 546.6231239

실험군 23.3 72.0 577.5 511.8715381

표 6 80℃에서 대조군과 실험군의 k값

3.5.4 진동의 지속 시간에 따른 발포 경향

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그림 32 5분간 vortex시 발포 경향

그림 33 3분간 vortex시 발포 경향 (1분간 vortex 사진 누락)

vortex machine에서 세 conical tube를 각각 5분, 3분, 1분간 vortex해 이를 전혀 섞지 도, vortex하지도 않은 tube와 비교했다. MIREX 2000은 비중이 1.13으로 물보다 무겁 기 때문에 발포 시 아래로 가라앉는 특성을 가진다. 따라서 섞지 않은 tube에서는 적 갈색의 발포제가 가라앉아 쉽게 발포가 진행되지 않는 현상을 관찰할 수 있다. 하지 만 1분 vortex한 시료에서는 발포제와 물이 효과적으로 혼합되어 가장 치밀한 integral surface를 형성한 모습을 볼 수 있다. 이후 vortex 시간이 길어질수록 거품 자체는 균 질하게 발포했으나, 모든 물이 소모되었음에도 격렬한 혼합이 지속되어 거품이 분쇄 되는 현상을 관찰할 수 있었다. 따라서 vortexing은 발포 초기, 물과 발포제가 밀도차 에 의해 분리되어 혼합되지 않을 때 섞어주기 위한 용도로 시행할 수 있다.

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IV. 결론

4.1 예비실험

미생물 배양을 통해 UPOXY 9000은 미생물을 운반할 수 없음이 판정되었다. 또, MIREX 1000은 친수성으로 방수 능력이 없고, MIREX 4000은 전단 강도가 약하고 발 포 시 매우 높은 열이 발생하기 때문에 부적합하다. 반면 MIREX 2000은 예비 미생물 실험을 통해 미생물을 운반할 수 있음을 보였고, 소수성, 센 전단 강도, 발포 시 낮은 열의 발생 등의 특징을 갖기 때문에 이후 실험을 MIREX 2000으로 진행했다.

4.2 MIREX 2000의 미생물 수송 효율성

발포제를 첨가하지 않았을 때보다 첨가했을 때 대장균이 34% 사멸한 사실을 확인 할 수 있었다. 이 현상의 원인으로 두 가지 이유를 들 수 있다. 첫째, 발포 시 발생하 는 열(배합 비율에 따라 달라지나 일반적으로 30℃~40℃)에 의해 대장균이 heat shock 을 받았기 때문에 생장이 저해됐다. 둘째, MIREX 2000 자체 혹은 발포 시 발생하는 부산물의 화학적 독성에 의해 대장균의 일부가 사멸했을 것이다. 발포제 수송 방법은 완전한 미생물 수송은 아니지만, 충분한 양의 액체 시료가 존재할 때 효과적인 수송 방법이라고 말할 수 있다.

4.3 물과 발포제의 비율에 따른 최적의 발포 조건

상충되는 두 가지의 조건이 존재하며, 최적의 발포 비율은 두 조건이 상충되는 지 점이다. 첫째는 많은 양의 물을 첨가하더라도 발포제의 양은 한정되어 있기 때문에 크고 불안정한 거품이 형성된다. 둘째는 첨가한 물의 부피가 작을수록 거품의 부피가 작아져 미생물을 담을 수 있는 공간 역시 적어진다. 이 두 조건이 상충되는 비율이 발포제:물=1:3이었으며, 가장 우수한 integral surface를 가짐을 확인할 수 있었다.

4.4 물과 발포제의 비율에 따른 최적의 방수 조건

미생물을 운반함에 있어 방수란 두 가지를 의미한다. 첫째 발포제 내부에 포집된 미생물 배양액이 외부로 스미지 않으며, 둘째 발포제 외부의 이물질이 내부로 스며들 지 않는다는 것이다. 이 실험에서 발포제가 외부와 내부를 차단하는 방수성을 가지며, 따라서 미생물을 수송하는 데 적합하다는 사실을 알 수 있다. 오직 발포제와 물의 비

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율이 1:6일 때만 물이 내부로 스며들었는데, 비율과 방수 능력에는 어떠한 상관관계를 찾아보기 어렵기 때문에 실험 과정상의 오류로 판단된다. 하지만 1:6 비율에서 일부의 셀 표면이 파괴되었지만 다른 셀들은 영향 받지 않는 현상을 관찰할 수 있고, 이를 통해 몇몇의 셀이 파괴되더라도 다른 셀은 미생물을 운반할 수 있다는 거품 운반체의 장점을 확인할 수 있다.

4.5 다양한 점성에서 발포 양상

정도의 차이를 보였지만 글리세롤 수용액과 설탕 수용액 모두에서 용액의 점성이 증가할수록 거품의 부피가 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이는 크게 두 가지 요 인으로 해석할 수 있다. 첫째, 용액의 농도가 증가함에 따라 그 밀도가 커져 거품을 누르는 힘이 증가하고, 이는 거품 외부 압력 증가와 이어지기 때문에 거품이 수축해 그 반지름이 줄어든다. 둘째, 거품 계면의 표면장력이 증가하기 때문에 거품 형성이 쉽게 이뤄질 수 없다. 따라서 발포는 용액의 점성이 낮을 때 용이하며, 지나치게 점성 이 높은 시료를 포획하고자 할 때는 발포제 양을 늘리거나 시료 주변에 멸균수를 뿌 려 희석하는 방법이 있다.

4.6 다양한 pH에서 발포 양상

그림 34 이소시아네이트 반응 메커니즘 중 일부

<이론적 배경>에서 논한 이소시아네이트의 반응 메커니즘 중 디이소시아네이트의 중간체인 DABCO의 반응이다. DABCO의 N이 가진 풍부한 전자는 결합된 O에 의해 δ+를 띈 H를 공격하고, 따라서 우레탄결합이 생성된다. 그러나 이 때, 낮은 pH의 완 충 용액을 넣어 줄 경우 용액 내 H+의 농도가 증가하고, 우레탄결합을 생성해야 하는 DABCO는 용액 내 H+와 디올 대신 결합한다. 따라서 우레탄 생성이 지연되고, 이산 화탄소가 생성되어 기포의 크기가 커지고 방수 능력이 떨어진다. 이를 통해 시료의 액성이 중성일 때, 혹은 염기성일 때 산성일 때보다 더 효과적인 수송이 가능할 것으

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로 추측할 수 있다.

4.7 다양한 온도에서 발포 양상

저온에서 발포 반응은 더뎠다. 발포 반응은 발열 반응이기 때문에 저온에서 그 평 형이 생성물 쪽으로 이동하지만, 동시에 아레니우스 식 (k=반 응속도상수, T=절대온도, R=기체상수, A=빈도인자, Ea=활성화에너지)에 의해 반응속도 가 감소한다. 따라서 지나친 저온(0℃ 이하)은 삼가야 한다. 반대로 고온에서 발포 반 응은 빨랐지만 지나치게 격렬한 반응은 integral surface가 생성될 수 없도록 했다. 역 시 지나친 고온(80℃ 이상)은 삼가야 한다.

4.8 발포제의 보온·보냉성

이 실험에서 거품의 보냉 효과는 물보다 뛰어나나, 보온 효과는 그렇지 않다는 사 실을 알 수 있다. 40℃에서 k값과의 비례로 구한 거품+종이컵의 비열은 3.55J/g·℃, 8 0℃에서 3.94J/g·℃, 평균 3.75J/g·℃이다. 하지만 고체의 비열은 일반적으로 액체보다 작으며(철의 경우 물의 0.1배) 물의 비열이 액체 중에서도 높은 축에 속하는 4.21J/

g·℃이기 때문에 거품의 보온 효과가 떨어진다고는 할 수 없을 것이다. 이것은 거품에 켜켜히 쌓여 있는 공기층이 단열재 역할을 하기 때문이다. 거품의 높은 보온·보냉성은 거품 내부에 갇힌 시료의 온도 변화를 최소화해 더 안정한 수송이 가능하도록 한다.

4.9 진동의 지속 시간에 따른 발포 경향

발포제를 정상적으로 발포시키기 위해서는 높은 밀도의 발포제와 낮은 밀도의 물이 층을 이루지 않도록 섞어 주어야 한다. 따라서 vortexing과 inverting, stirring등의 방법 들은 효과적인 발포를 위한 용도로 사용할 수 있다.

본 실험을 통해 발포제로 미생물을 수송할 수 있음을 증명했고, 최적의 발포 조건 과 더불어 발포 방법의 장단점을 알 수 있었다. 기존에 사용되고 있는 밀폐운송방법 들은 시간적, 경제적 비용이 많이 필요하다는 단점을 갖고 있다. 또한, 운송 중 어떠 한 요인에 의하여 일부가 손상되면 그 시료 전체를 사용할 수 없게 되는 단점을 갖고 있다. 그러나 본 거품의 구조를 이용한 밀폐운송방법은 비교적 적은 비용으로 시료를 밀폐시킬 수 있고, 운송과정 중 일부가 손상되더라도 시료를 보존할 수 있다는 큰 장

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점을 가지고 있기 때문에 무엇보다도 효과적인 운송 방법이라고 할 수 있다. 본 연구 를 통해 과학 실험뿐만 아니라 멸균상태의 식품 운송, 범죄 수사를 위한 증거물 운송 등 실생활에 작은 발전을 이룩할 수 있을 것이다.

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Ⅴ. 제언

본 연구에서는 발포제를 이용해 미생물을 안전하게 운송할 수 있는 방법에 관해 탐 구했다. 하지만 본 연구는 몇 가지 제한점을 갖고 있으며, 그에 따른 해결 방안은 다 음과 같다. 우선, 대장균이 아닌 다양한 종류의 미생물 그리고 미생물이 아닌 다른 종 류의 물질도 발포제를 이용해 저장하고, 안전하게 운송할 수 있는지에 대한 검증이 필요하다. 본 연구팀은 이 방법이 범죄현상에서 채취한 증거물을 운송하는 등의 다양 한 분야에 응용될 수 있을 것이다. 두 번째로, 폼 내부에 저장되어 있는 미생물을 최 대한 많이 회수할 수 있는 방법에 대한 연구도 필요할 것이다. 본 연구에서는 미생물 을 저장 및 운송한 뒤에 폼 조각을 일부 잘라 고체배지에 접종하고, 배양함으로써 미 생물이 폼 내부에 살아있다는 사실을 검증했다. 하지만 이와 같은 방식으로는 폼 내 부에 저장되어 있는 미생물을 충분히 회수할 수 없다. 따라서 폼 내부에 저장된 미생 물의 효율적인 회수 방안에 대한 연구가 필요할 것이다. 위에서 언급한 두 가지 부분 에 대한 추가적인 연구가 진행된다면, 향후 미생물을 포함한 다양한 물질을 발포제를 이용해 운송하는 방법이 다양한 분야에 응용될 수 있을 것이다.

본 연구에서는 거품의 특징 중 막에 의해 내·외부가 격리되는 성질에 주목하였다.

하지만 거품은 이 외에도 다양한 분야에 응용될 수 있는 특별한 성질들을 많이 갖고 있다. 예를 들어, 거품은 질량에 비해 표면적과 부피가 크고, 빈공간이 굉장히 많은 구조를 갖고 있다. 따라서 거품이 생성되면 거품을 기준으로 나눠진 두 영역 간에 물 질교환이나 열 교환이 어려워진다. 따라서 물질, 열 교환을 막아야할 필요성이 있는 분야에서는 거품을 최대한 많이 만들고 오래 지속시키는 방법이 반대로 활발하게 일 어나야 하는 분야에서는 최대한 빨리 사라지게 하는 방법이 사용될 수 있을 것이다.

또한, 거품은 빛을 굴절, 산란시켜 아름다운 색을 띠기 때문에 예술 분야에도 많이 응용될 수 있다. 실제로 최근에는 버블아트나 버블 전시회라는 이름으로 거품의 예술 적인 특성을 이용한 전시나 공연이 많이 이루어지고 있다. 현재 공연을 위해 사용되 고 있는 대형 거품을 만들고, 오래 유지시키는 방법들 또한 다른 분야에 사용될 수 있을 것이다.

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그림 36 big bubble을 제작하고 있는 프라하의 행위예술가

그 뿐 아니라 거품은 지구공학적인 분야에도 응용될 수 있다. 실제로 거품의 흰 색 이 반사율이 높다는 사실을 이용해 지구온난화를 막기 위해 바다에 대규모로 거품을 만들어서 햇빛의 반사율을 높이자는 아이디어가 제시되었고, 과학자들에 의해 타당성 에 대한 검증이 이루어지기도 했다.

이와 같이 거품은 현재도 많은 분야에서 사용되고 있고, 거품이 갖고 있는 특성을 이용할 수 있는 분야는 무궁무진하다. 따라서 앞으로 거품의 특성과, 그것을 이용할 수 있는 방법에 대한 과학적 접근뿐만 아니라 기술, 공학, 예술, 수학 등 다양한 분야 에서 융합적 연구 활동이 필요할 것이고, 이 점은 STEAM R&E의 목적에 부합한다고 생각하며, 향후 거품에 대한 실용적 접근이 기대되는 바이다.

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Ⅵ. 참고 문헌

[1] 김홍석 외 1명. “반응온도와 발포제 함량에 따른 폴리우레탄 발포특성에 관한 연구”. 한국소성가공학회지, 제 18권 제 3호, 2009. 256p-261p.

[2] “http://www.njchemical.co.kr/”. NJ Chemical. 2013.

[3] “http://www.daewoochem.co.kr/”, 대우화학, 2013.

[4] “http://ko.wikipedia.org/”, 위키백과, 2013.

[5] “http://www.doopedia.co.kr/”, 두산백과, 2013.

참조

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