주요 연구성과
NEW 김주민 교수 공동 연구팀, 균일나노입자 합성 가능 미세유체반응기 개발
- 2021-03-10
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아주대 김주민 교수 연구팀을 필두로 한 공동 연구진이 균일한 나노입자를 합성할 수 있는 미세유체공학 기술을 개발하는 데 성공했다. 이에 현장 의료 진단기기를 비롯한 미세유체공학 관련 기술에서의 시료 전처리와 반응 공정 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김주민 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 충남대 이창수 교수, 스위스 취리히연방공과대학(ETH Zurich) 이성식 박사와의 공동 연구를 통해 새로운 방식의 미세유체소자 기반 미세 반응기를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용이 담긴 논문은 ‘관성-탄성 유동불안정성을 활용한 실리카 입자 합성용 기어 형태의 미세혼합기(Gear-shaped micromixer for synthesis of silica particles utilizing inertio-elastic flow instability)’라는 제목으로 <랩 온 어 칩(Lab on a Chip)> 2021년 2월 7일자 표지 논문(inside front cover)으로 게재됐다.
아주대 김주민 교수와 충남대 이창수 교수, 취리히연방공과대학 이성식 박사가 공동 교신저자로 참여했고 올해 아주대 대학원 에너지시스템학과 박사과정을 마친 홍선옥 씨(현 롯데캐미칼)가 제1저자로 함께 했다.
미세유체공학(microfluidics) 기술은 최근 의료 검사로 빨리 결과를 진단할 수 있는 현장의료진단기기(point of care diagnostic device)를 비롯한 여러 응용 분야에 활용되고 있다. 미세유체공학에서 유체의 효율적 혼합은 시료의 전처리 및 핵심 반응 공정에서 필수적인 부분으로, 미세소자의 성능을 결정짓는 핵심 기술이기도 하다.
그러나 난류가 생성되기 어려운 미세유체소자의 특성 때문에 확산에 의존하는 비효율적인 혼합 공정에 의존하는 경우가 많았다. 기존의 유체역학적 효과에 의존하는 수동적 혼합법은 혼합 효율을 높이기 위해 복잡한 유로 설계와 복잡한 제조 공정을 동반한다. 더욱이 층류 기반의 혼합법은 ‘정상 상태 흐름’이라는 조건에서 이루어지기 때문에 유체 계면을 따라 생성물이 퇴적되는 문제와 같은 한계를 보여왔다.
김주민 교수 공동 연구팀은 묽은 고분자 용액에서 발현하는 유동 불안정성(flow instability)이 수축과 팽창이 반복되는 구조를 지닌 구부러진 미세유로에서 크게 향상되는 것을 발견, 이를 고효율 미세혼합기 개발에 적용했다.
이렇게 개발한 새로운 관성-탄성 기반의 미세혼합기는 기본 탄성 기반 혼합 방식에 비해 넓은 유량 범위에서 높은 혼합 효율로 작용한다. 더 많은 물질을 더욱 간단하고 효과적으로 혼합할 수 있는 것. 이에 고처리량 미세반응기에 보다 쉽게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 실제 수백 나노미터 크기의 실리카 입자 합성에 새 미세혼합기를 적용해 균일한 입도 분포(입자로 구성된 시료에서 각각 크기의 입자가 어떤 비율로 존재하는지를 나타내는 분포)를 가지는 구형 입자 합성이 가능함을 확인했다. 또한 기존 층류 기반 반응기에서 흔히 나타나는 유로의 막힘 현상 없이 장시간에 걸쳐 입자를 안정적으로 합성할 수 있음을 확인했다.
김주민 교수는 “이번 연구를 통해 고분자 용액과 같은 점탄성 유체의 유동불안정성을 극대화할 수 있는 미세유로 설계가 가능하다는 점을 제시했다”며 “또한 실제로 균일한 나노입자의 합성에 적용했다는 측면에서 의미가 있다”고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터 및 개인 연구과제 등의 지원을 받아 수행되었다.
# 사진 설명
* 왼쪽 위 : 곡선형 유로와 수축-팽창이 반복되는 구조를 병합한 미세유로 형상과, 관성-탄성 유동 불안정성이 혼합에 활용되는 과정을 설명한 모식도
* 왼쪽 아래 : 뉴튼 유체의 정상상태 층류 흐름(a)을 통해 합성된 입자는 넓은 입도 분포와 비구형 형상을 보임(b). 묽은 고분자 수용액에서 발생하는 관성-탄성 유동불안정성(c)을 통해 합성된 입자는 크기가 균일한 구형임(d)
* 오른쪽 : 연구팀의 논문이 표지 논문으로 채택된 <Lab on a Chip> 2021년 2월호
[출처: https://doi.org/10.1039/D0LC00834F]