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기계 김석 교수팀, 미세 액적 조작: 분석부터 실험까지

2023-12-19 163

[POSTECH · 美 UIUC, 특성 표면과 탄성 구조체로 액적 양방향 이동 제어 성공]

액적(droplet) 제어는 바이오, 약물 전달, 물질 합성 등 다양한 분야에 적용 가능한 기술이다. 현재 여러 응용 분야를 고려해 효과적인 액적 제어를 위한 연구들이 진행되고 있다. 액적 제어 플랫폼의 해석과 최적화가 이루어진다면, 약물 전달, 물질 합성, 바이오 분야 등에서 즉각적이고 정확한 발전이 기대된다.

POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 김석 교수 · 통합과정 김승범 씨, 미국 일리노이대 어배너-섐페인 캠퍼스(UIUC) 기계공학과 손창희 박사 · 플라시드 페레이라(Placid Ferreira) · 지에 펭(Jie Feng) 씨 공동 연구팀은 외부 자기장으로 랫칫(ratchet) 표면1)을 조절해 액체 방울을 양방향으로 이동시키는 데 성공했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 나노 과학 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 표지 논문으로 최근 게재됐다.

액적은 미세한 크기의 액체 방울이다. 액적의 움직임을 제어할 수 있다면 다양한 산업 분야에서 입자 이동과 배치를 효과적으로 조작할 수 있다. 자성을 띠는 입자를 액적 내부에 삽입하거나 전압을 가하는 등 액적을 움직이는 여러 방법 중 연구팀은 액적을 직접 건드리지 않고, 액적과 맞닿는 기판 표면에 초점을 맞췄다.

랫칫 표면은 나노 기둥 구조체 위에 한쪽으로 기울어진 판을 올려 방울을 이동시킬 때 유용하지만 오직 한 방향으로만 액적이 움직인다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 소수성2) 실리콘에 연자성3) 층을 증착한 상판을 만든 다음, 탄성 구조체 기둥 위에 고정했다. 이 구조체는 외부 자기장을 조절해 강판을 양방향으로 기울임으로써 기존과 달리 두 종류의 랫칫 표면을 형성한다.

실험 결과, 연구팀은 액적을 양방향으로 움직이는 데 성공했다. 또, 히스테리시스4)이론과 양방향 기울기 개념을 반영한 모델을 개발해 랫칫 표면 기울기를 예측하는 데도 성공했다. 외부 자기장으로 인한 랫칫 표면 기울기 변화를 이론적 · 실험적으로 모두 확인한 것이다.

이 연구를 주도한 김석 교수는 “이번 연구는 바이오 센싱(Bio-sensing)이나 물질 합성, 세포 배양 등 여러 분야에 적용할 수 있다”며, “이번 연구가 두 방향을 넘어 여러 방향으로 액적 이동을 제어하는 랫칫 표면 설계 · 최적화 연구에 도움이 되길 바란다”는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, PIM인공지능 반도체 핵심기술개발사업, 기초연구실사업의 지원으로 수행되었다.

 


1. 랫칫(ratchet) 표면
미세한 구조물이나 패턴을 이용해 물체가 특정 방향으로만 이동하게 하는 표면이다.

2. 소수성(hydrophobicity)
물과 친화력이 낮아 쉽게 결합하지 않는 성질이다.

3. 연자성(soft magnetism)
외부 자기장을 가해주면 자성을 띠고, 자기장을 제거하면 자성을 잃는 특성이다.

4. 히스테리시스(Hysteresis)
외부 변화에 따라 그 특성이 과거의 상태에 의존하는 현상이다. 자성 물질이 외부 자기장이 변해도 이전 상태를 기억하고 일정 정도의 지연이 발생하는 특성이다.