생체 기능성 고분자, 광기능성 고분자(OLED), 이온교환수지

생체적합 기능성 고분자

여기에는 의료용 고분자, 고분자 의약품과 고분자 시약, 고흡수성 고분자에 대하여 간단히 살펴보기로 하자.

의료용 고분자

 의료용 고분자 재료로 쉽게 우리가 접할 수 있는 것으로는 일회용 의료용 재료인 혈액 백(Bag), 주사기 등에 사용되는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC, PS 등의 범용고분자들을 우선 들 수 있습니다. 또한, PGA(폴리글리콜릭산), PLA(폴리락틱산) 등의 흡수성 수술용 봉합사가 있으며, Cellulose, Polysulfone, Polyamide로 이루어진 중공사 형태나 막 형태로 이루어진 혈액투석기, 산소투과도 및 우수한 투명성으로 인해 콘택트렌즈의 재료로 사용되는 아크릴계 고분자와 PHEMA(Polyhydroxy Ethylmethacrylate)가 있습니다.

 

 또한, PET 섬유로 직조하거나 불활성 표면을 가지는 PTFE로 제조한 인공혈관, 기계적 강도를 가진 폴리우레탄으로 제조된 인공심장이 있으며, 이외에도 많은 종류의 고분자들이 의료용 고분자로 응용되고 있으며 그 범위는 점점 더 확대될 것입니다. 실제적으로는 화학 구조상의 유도화나 복합 재료화를 통해 그 성능을 최대화하고 있습니다.

고분자 의약품(고분자 시약)

 고분자 분자쇄에 약제(Medicine), 효소(Enzyme), 촉매(Catalyst)를 부착하기 위한 많은 기술이 개발되어 있습니다. 대표적으로 사용되는 고분자는 클로로메틸 또는 디페닐포스핀기가 붙어 있는 가교의 정도가 조절된 구형의 폴리스티렌 입자입니다. 폴리스티렌의 페닐 그룹에 부착되어 있는 클로로메틸이나 포스핀 그룹은 여러 가지 반응성 그룹과 화학결합을 형성하기 때문에 이곳에 의약품, 촉매 등을 다양하게 화학 결합시킬 수 있습니다.

 

 약제의 경우 이와 같은 고분자 쇄에 고정하는 방법 외에도 고분자로 마이크로 캡슐화하여 약제가 서서히 조절 방출되도록 하는 기술도 DDS (Drug Delivery System)로 널리 알려져 있습니다. 이러한 DDS 기술의 예로는 에틸렌 초산비닐 공중합체로 만들어낸 자궁 내 피임기구에 의해 프로게스테론을 1년 이상 동안 조절 방출하는 것을 들 수 있습니다.

 

 효소의 경우도 고분자 표면에 공유결합에 의하거나 또는 겔과 마이크로캡슐 속에 넣어 고정화될 수 있습니다. 메리필드(Merrifield) 수지는 고분자 시약 제조에 사용되는 대표적인 기능성 소재입니다. 이 수지의 반응성 클로로메틸기는 여러 가지 친핵체와 치환반응을 일으킵니다. 이를 사용하여 제조된 고분자 촉매는 반응 혼합물로부터 제거가 쉬운 장점이 있습니다. 수지와 결합된 화학시약도 분리가 쉽으며 효과는 이온교환 수지와 비슷합니다.

고흡수성 고분자

 고흡수성 고분자는 물에 녹지 않고 자체 무게의 수백 배의 물을 흡수하고 유지하는 능력을 가진 고분자 재료입니다. 이러한 고흡수성 고분자는 먼저 종이 기저귀에 채용되면서 우수한 흡수 성능이 평가되었는데, 유아용 및 여성용품으로서 수요가 급증하였습니다.

 

 고흡수성 고분자의 기본 원리는 수용성 고분자를 가교함으로써 흡수해도 형상을 유지하는 데 있습니다. 물과 친화성이 높은 이온성 기를 가지며, 고분자 분자 간에 결합이 있는 가교 구조의 고분자로도 설명할 수 있습니다. 이온성 기로서 아크릴산 나트륨계 중합체의 가교물이 가장 널리 사용됩니다.

광기능성 고분자

 광기능성 고분자에는 광감성 고분자와 발광다이오드용 고분자가 있습니다.

광감성 고분자

 광감성 고분자의 범위는 매우 넓습니다. 광감성 고분자는 현재 산업화가 널리 이루어진 분야 중 하나로, 바닥 장식재, 상재류 등의 코팅에 사용되는 광경화성 반응에 사용됩니다.

 

 이 경우 광에너지에 의해 올리고머 (Oligomer) 혹은 고분자량의 광감성 고분자들이 가교화되어 경화되는 것이고, 아크릴계 고분자와 가교제를 사용한 배합물 시스템이 가장 많이 사용됩니다. 또 다른 경우는 광에너지에 의해 고분자량의 화합물이 분해되어 용해성이 증가하는 성질을 이용하는 것으로, 어느 경우에든 긍정형 혹은 부정형으로 사진 평판술 (Photolithography)에 사용됩니다.

발광다이오드용 고분자

 발광다이오드(LED, Light Emitting Diode)는 빛을 발하는 결정성 반도체 소자입니다. 최초의 LED는 1960년에 개발되었으며, 당시에는 빨간색과 녹색만을 표현할 수 있었습니다.

 

 유기 발광다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode)는 저분자량의 유기화합물 또는 고분자 재료로 구성된 발광다이오드를 의미하며, 1989년 캠브리지 대학의 Friend 그룹에서 집중적인 연구가 시작되었습니다. 발광다이오드 고분자재료로 중요한 고분자는 폴리페닐렌비닐렌(PPV, Polyphenylene Vinylene)를 시작으로 개발되었습니다. 이후 다양한 구조의 변화로 현재는 모든 빛의 색깔을 나타낼 수 있는 고분자재료의 조합이 가능하지만, 아직 수명과 효율에 있어서 특히 푸른색을 중심으로 개선해야 할 여지가 있습니다.

아래 고분자 구조식들은 현재 많은 과학자들의 연구대상이 되고 있는 OLED 고분자재료의 중요한 기본구조들을 나타냅니다.

 

발광다이오드용 고분자 구조

 

 위의 그림에 나타난 고분자들은 발광다이오드에 사용이 연구되고 있는 고분자들의 골격구조를 나타내고 있음에 주의해야 합니다. 실제 최근에 연구되고 있는 고분자들은 위에 나타난 고분자들의 공중합체나 다양한 측쇄 혹은 고분자 주쇄의 변화 등과 같이 매우 방대하고 다양합니다.

이온교환수지 (Ion Exchange Resin)

 기능성 고분자 중에서 가장 일찍 개발되어 많이 사용되는 분야가 이온교환수지 (Ion Exchange Resin)입니다.

 아래 구조식은 이온교환수지에 사용되는 대표적인 기능 그룹을 나타내고 있습니다.

 

이온교환수지용 functional group

 

 이러한 기능 그룹들은 일반적으로 폴리스티렌, 폴리올레핀 등의 매트릭스 고분자에 기능 그룹을 함유한 단량체가 공중합체의 형태로 삽입되어 있는 경우가 가장 많습니다.

 

 이온교환수지 기술은 1935년경부터 영국의 Adams와 Holmes의 연구가 시작되어 현재에는 다양한 상품명의 합성 이온교환수지가 전 세계에서 판매되고 있으며 양이온과 음이온 교환물질로서 대별될 수 있습니다.

 

 스티렌과 디비닐벤젠의 설폰화된 공중합체는 양이온교환수지에서 가장 많이 생산되는 형태의 구성요소입니다. 전형적인 제품은 Amberlite, Dowex, Duolite, Ionac과 같은 상품명으로 판매되고 있습니다.

 

기본 고분자의 설폰화는 각 방향족 핵의 파라(Para) 위치에 한 개의 설폰산기가 도입되도록 합성 변화되며 약산, 양이온교환수지는 아크릴산과 메타크릴산을 원료로 하고 포스폰산기의 도입은 염화알루미늄 존재하에서 폴리스티렌을 삼염화인과 반응시켜 합성됩니다.

 

 음이온교환수지는 폴리스티렌을 염화메틸화한 다음 아민화시켜 얻을 수 있습니다. 페놀 포름알데히드수지도 이온교환수지 제조에서 기본 고분자로 사용됩니다.

 

 이온교환고분자의 적용은 매우 다양합니다. 물의 정제, 폐수 처리, 설탕, 포름알데히드와 같은 화학제품을 정제하는 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

 

 이온교환수지는 제품의 복잡한 혼합물의 분석에도 매우 유용합니다. 미세하게 분리된 이온교환수지는 위산을 줄이고 담즙산을 중화시키는 치료제로 사용될 수도 있습니다.

 

 클로랄칼리 제조를 위한 새로운 이온교환막은 테트라플루오로에틸렌과 이온그룹을 함유한 불소화비닐에테르 단량체 (Vinyl Ether Perfluoroacid) 전구체와 공중합에 의해 제조됩니다.