POSTECH-美 UIUC, 특성 표면 조절 액적 양방향 이동 제어 성공

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) 표면을 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 소수성 실리콘에 연자성 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. 또한 히스테리시스 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”고 전했다.

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