아주대학교 김주민 교수 연구팀을 필두로 한 공동 연구진이 균일한 나노입자를 합성할 수 있는 미세유체공학 기술을 개발에 성공했다.

22일 아주대학교는 김주민 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 충남대 이창수 교수, 스위스 취리히연방공과대학(ETH Zurich) 이성식 박사와의 공동 연구를 통해 새로운 방식의 미세유체소자 기반 미세 반응기를 개발했다고 밝혔다.

내용은 ‘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 7일 자 표지 논문(inside front cover)으로 게재됐다. 논문은 김주민 아주대 교수와 이창수 충남대 교수, 이성식 취리히연방공과대학 박사가 공동 교신저자로 참여했고 아주대 대학원 에너지시스템학과 박사과정의 홍선옥 씨가 제1 저자로 함께 했다.

미세유체공학(microfluidics) 기술은 최근 의료 검사로 빨리 결과를 진단할 수 있는 현장의료진단기기(point of care diagnostic device)를 비롯한 여러 응용 분야에 활용된다. 기술에서 유체의 효율적 혼합은 시료의 전처리 및 핵심 반응 공정에서 필수적인 부분으로, 미세소자의 성능을 결정짓는 핵심 기술이기도 하다.

그러나 미세유체소자는 무질서한 난류가 생성되기 어려워 기술도 확산에 의존하는 비효율적인 혼합 공정에 의존하는 경우가 많다. 기존의 유체역학적 효과에 의존하는 수동적 혼합법은 혼합 효율을 높이기 위해 복잡한 유로 설계와 복잡한 제조 공정을 동반한다. 또 층류 기반의 혼합법은 ‘정상 상태 흐름’이라는 조건에서 이뤄져 유체 계면에 따라 생성물이 퇴적되는 등의 한계를 보여왔다.

김주민 교수 공동 연구팀은 묽은 고분자 용액에서 발현하는 유동 불안정성(flow instability)이 수축과 팽창을 반복하는 구조를 지닌 구부러진 미세유로에서 크게 향상되는 것을 발견해 고효율 미세혼합기 개발에 적용했다.

이렇게 개발한 새로운 관성-탄성 기반의 미세혼합기는 기본 탄성 기반 혼합 방식에 비해 넓은 유량 범위에서 높은 혼합 효율로 작용해 더 많은 물질을 더욱 간단하고 효과적으로 혼합할 수 있다. 이에 고처리량 미세반응기에 보다 쉽게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 실제 수백 나노미터 크기의 실리카 입자 합성에 새 미세혼합기를 적용해 균일한 입도 분포를 가지는 구형 입자 합성이 가능함을 확인했다. 또 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 수행됐다.

/김중래 기자 jlcomet@incheonilbo.com

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