POSTECH 김동성 교수연구팀, ‘3차원 나노 유체역학 장치’ 실현

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 미세유체 장치에 원하는 형상과 두께의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 공정을 개발했다. 

이 방법에 따르면 에너지 수확, 담수화 등의 다양한 적용 분야에서 적용되는 나노 유체역학 장치의 제작 공정을 간소화할 수 있어 상업화에 한발 앞으로 다가섰다.

POSTECH 기계공학과 김동성 교수, 김준현 석사, 박상민 박사(현 부산대학교 기계공학부 교수) 연구팀이 독립지지 나노다공성 막을 미세유체 장치 상에 바로 제작하는 유연성 및 신뢰성 높은 공정 개발에 성공했다. 

이 연구성과는 나노 및 마이크로 과학 분야에서 권위를 인정받고 있는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’ 4일자에 표지논문으로 게재됐다.

나노 유체역학 장치는 에너지, 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 하지만, 나노다공성 막 자체가 다루기 어렵기 때문에 기존 방식으로는 제작할 수 있는 막의 형태가 매우 한정돼 있었다. 

연구팀은 팀에서 기존에 개발했던 전해질 기반 전기방사법과 나피온 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. 

또 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 있었다. 

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

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

김동성 교수는 “사용 목적에 따라 다양한 형상의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 최초의 연구”라고 말했다.

이어 “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 전했다.

한편 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.