| 초록 |
□ 연구개요 미세유체역학의 발달로 미세 액체 볼륨의 효율적 혼합과 입자 분리를 위한 기술에 눈부신 발전을 이 루어 왔다. 하지만 이를 위해 복잡한 구조의 시스템을 사용하거나 능동 디바이스를 이용하기 위해 반드시 에너지(음향력, 광력, 전기력, 자기력 등등)가 사용되어야 한다. 때문에 미세유체역학의 장점인 높은 효율성과 간이진단이 용이한 휴대용 장치를 만들기엔 현실적인 문제점이 존재한다. 본 연구의 목표는 용질성 마랑고니 효과 발생의 원인을 이해하고, 이를 이용하여 에너지를 전혀 사용하지 않고 - 즉, 표면장력이 낮은 액체의 증기를 이용하여 - 스스로 미세액적내의 물질을 효과적으로 혼합하거 나, 서로 다른 성질을 가진 입자를 분리하는 방법을 개발하겠다. 그리고 용질성 마랑고니 효과를 이용하여 물질을 균일하게 코팅하는 방법을 제안하겠다. □ 연구 목표대비 연구결과 ‘용질성 마랑고니 효과를 이용한 자가 혼합 및 입자분리 그리고 균일코팅을 위한 연구’에 대한 연구 목표는 100% 이상 달성 되었고, 주어진 개인기초 신진연구를 통해서 SCI 논문 10편을 출판하였음. 국내 특허 출원은 1건. 해당연구 2020년 석사 2명 졸업. 2021년에 석사 1명 졸업. 그리고 1명은 박사과정에 진학하였다. 연구 결과 및 성과에 대한 아래와 같음. ● 초근접 유동장 가시화 실험을 바탕으로 용질성 마랑고니 현상에 원인 규명을 위한 실험적 연구 - 머신러닝을 이용한 스테레오스코픽 입자영상유속기법을 이용하여 액적 내부의 정밀 3차원 유동장 측정하여 액체 계면에 초근접한 용질성 마랑고니 유동장을 직접 촬영. 이 측정 결과로 용질성 마랑고니 현상이 계면 근처에서 용질이 증발함에 발생하는 현상임을 규명함. 이 내용의 연구를 Experiments in Fluids에 논문 게재. - 토모그래픽 3차원 유동장 측정 기술을 바탕으로 열적 마랑고니 현상과 내부 유동장 관계에 대한 실험 및 이론적 연구 결과에 대한 초청 논문을 Eur. Phys. J-Spec. Top에 게재. ● 마랑고니 현상 발생 원인 규명을 위한 이론 및 수치해석 모형을 통한 연구 - 용질성 마랑고니에 의해서 발생하는 유동장 제어를 위한 그 원인 규명에 해당하는 수치 및 이론 해석 모델을 개발하였고, 그 결과를 Int. J. Heat Mass Transf. 에 출판하였음. - 용질성 마랑고니 효과에 대한 이해를 위하여 AI기반의 머신러닝을 통한 용질성 마랑고니 효과 최적화 모델 개발. ● 비접촉식 용질성 마랑고니 효과를 이용한 혼합과 입자 분리 - 용질성 마랑고니 효과를 이용한 미세유체 내부의 유체 혼합과 유동장 제어에 대한 연구 결과를 Journal of Colloid and Interface Science에 게재. ● 용질성 마랑고니 효과를 이용한 균일한 퇴적층 획득 - 용질성 마랑고니 효과를 이용하여 양자점(Quantum dots)의 균일한 퇴적층을 획득하여 이를 한국유체공학회에 발표 그리고 해당 결과는 Soft Matter에 게재되고 커버에 선정. ● 기능성 입자들의 균일한 퇴적층 구현과 입자성질에 따른 광결정 및 비광결정 퇴적층 개발 - 마랑고니 효과를 이용한 나노입자의 준광결정 구조 균일패턴 획득 결과. 그 결과를 PR Applied에 게재 - 증발하는 액적내부에 DNA입자를 바닥면의 패턴을 활용하여 결정 구조를 제어하면서 원하는 결정구조의 퇴적층을 획득하고 그 결과를 Nat. Comm. 저널에 게재 - 반도체 고분자 유기소재들의 결정구조를 마이크로 채널의 형상으로 제어하고 균일한 패턴을 획득. 그 결과를 ACS Nano 저널에 게재. □ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 비접촉식 용질성 마랑고니 효과는 자가혼합 기법으로 에너지원 없이 샘플을 손쉽게 혼합할 수 있는 기법이 될 것이고, 이러한 기술은 바이오칩의 샘플 진단과 혼합의 기술에 적용될 계획이다. 나아가 비접촉식 용질성 마랑고니 효과는 새로운 코팅 기법의 원천기술로 확장 가능하다. OLED와 같은 물질들을 균일하게 퇴적시키기 위해서는 공기중의 수분과 접촉을 없애기 위해 공정 중 진공 처리 단계를 반복해야 한다. OLED 재료 코팅시 주변의 환경을 고농도의 알코올 증기 분자들로 대량 노출시켜 디스플레이 제조공정을 거친다면 균일한 코팅제어도 가능하고 공정의 단순화로 인해 경비 절감 효과를 가져다 줄 것으로 기대된다. 현재 양자점(QDs)를 이용한 균일 코팅에 대한 연구로 확장하고 있다. 국내특허를 출원한 상태이며, 해당 연구의 확장 버전으로 차세대 디스플레이 소자 개발을 위해 2021년 수주한 중견연구의 일부분 목표로 설정되어 있다. 실제 고화소 디스플레이 소자로 확장 개발할 계획이다. 또한 용질성 마랑고니 효과는 서로 다른 유체들이 만났을 때 일어나는 혼합과 상변화와 같은 문제들과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 이러한 현상은 물리화학적 유체역학의 현상에 대한 새로운 기초 학문으로 발전 및 확장이 가능하겠다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
