포스텍 연구팀, ‘3차원 나노 유체역학 장치’ 실현

나노다공성 막, 원하는 형태로 제작 고효율·대용량 장치 개발 가능성 제시

사진은 포스텍 김동성 교수.

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 기계공학과 김동성 교수, 김준현 석사, 박상민 박사(현 부산대학교 기계공학부 교수) 연구팀이 미세유체 장치에 원하는 형상과 두께의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 공정을 개발했다고 8일 밝혔다.

독립지지 나노다공성 막(직경의 크기가 수 나노미터인 공극들로 구성된 막)을 미세유체 장치 상에 바로 제작하는 유연성과 신뢰성 높은 공정 개발에 성공했다고 설명했다.

이 방법은 에너지 수확, 담수화 등의 다양한 분야에 적용되는 나노 유체역학 장치의 제작 공정을 간소화할 수 있어 상업화에 한발 다가섰다는 평가를 받고 있다.

나노 유체역학 장치는 에너지와 화학, 환경 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 나노 유체역학 장치의 특징인 선택적 이온투과와 같은 전기화학적인 성질을 부가하기 위해서는 특수하게 제작된 나노다공성 막이 미세유체 장치에 결합돼야 한다.

하지만, 나노다공성 막 자체가 다루기 어렵기 때문에 기존 방식으로는 제작할 수 있는 막의 형태가 매우 한정돼 있다.

이에 연구팀은 기존에 개발했던 전해질 기반 전기방사법(electrospinning·전기장을 이용해 액체 상태의 고분자용액을 마이크로미터에서 나노미터의 직경을 가지는 섬유로 제작하는 방법)과 나피온(공중합체(copolymer)로서 기공 구조를 가지며 이온 교환막으로서 양이온의 이동은 자유로우나 음이온의 이동은 억제하는 특징을 가짐) 용액 주입을 통해 미세유체 장치 내에서 독립지지 나노다공성 막을 직접 손쉽게 제작하는 방안을 제시했다.

이 제작 공정은 나노다공성 막 제작의 유연성을 크게 증대시킴으로써 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 형태의 다중채널 또는 다층 구조와 같이 복잡한 구성을 갖는 3차원 나노 유체역학 장치 내에 나노다공성 막을 구현하는데 성공했다.

이 제작 공정은 사용 목적에 따라 독립지지 나노다공성 막의 형상, 두께 등을 쉽게 제어할 수 있고, 유체의 누수 없이 나노다공성 막을 제작할 수 있기 때문에 막 형태를 적용 분야에 최적화할 수 있다.

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 기계공학과 김동성 교수, 김준현 석사, 박상민 박사(현 부산대학교 기계공학부 교수) 연구팀이 미세유체 장치에 원하는 형상과 두께의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 공정을 개발했다고 8일 밝혔다.사진은 연구 관련 이미지.(사진=포스텍 제공) 2020.06.08. [e-mail]

해수와 담수가 만났을 때 생성되는 이온의 선택적 이동을 이용해 발전하는 역전기 투석 기반 에너지 수확 장치를 제작했을 시 기존 역전기 투석 기반 에너지 수확 장치들에 비해 더 높은 전력을 생성하는 것도 확인했다.

이 같은 제작 용이성, 높은 기능성 덕분에 이 제작 공정은 나노 유체역학 장치의 대용량화를 가능하게 해 고효율·대용량 나노 유체역학 장치를 개발 및 상업화하는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

이 연구성과는 나노 및 마이크로 과학 분야에서 권위를 인정받고 있는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’ 최근호 표지논문으로 게재됐다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.

김동성 교수는 “사용 목적에 따라 다양한 형상의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 최초의 연구”라며 “이 공정을 응용하면 이온의 선택적 투과를 통한 에너지 생산(역전기 투석), 농축 또는 담수화(이온 농도 분극) 등 다양한 분야에서 고효율·대용량 장치 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

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