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플라즈마 제트 기초 기술 개발
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 기체를 이온화시킨 *플라즈마가 기체와 액체 사이 경계면의 유체역학적 안정성을 증가시키는 것을 최초로 발견하고 이를 규명하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
☞ 플라즈마(Plasma): 기체가 높은 에너지로 가열돼 전하를 띄는 전자와 이온으로 분리된 상태를 말한다. 반도체와 디스플레이 제조공정에 핵심적인 역할을 하며, 형광등 내부나 네온사인, 공기청정기 등에서 접할 수 있다.
최 교수 연구팀은 헬륨 기체 제트를 고전압으로 이온화시켜 얻은 플라즈마를 물 표면에 분사시켰을 때, 일반적인 기체와 액체 사이의 경계면에서보다 경계면이 훨씬 안정적으로 유지되는 것을 발견했다. 이는 자연에 존재하는 약하게 이온화된 기체와 액체 사이의 상호작용에 관한 이해를 넓히고, 플라즈마 제트를 활용하는 기초과학․응용 분야에 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
한국핵융합에너지연구원 박상후 박사(우리 대학 물리학과 박사졸업)가 제1 저자로, 최 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처(Nature)' 4월 1일 字에 게재됐다. (논문명: Stabilization of liquid instabilities with ionized gas jets)
가정에서 사용하는 샤워기의 물줄기, 와인의 눈물, 갯벌 바닥의 물결무늬 등 불규칙한 패턴들에서 우리는 유체 경계면에서 나타나는 유체역학적 불안정성을 흔히 볼 수 있다.
컵에 담긴 주스의 표면 위에 빨대를 두고 숨을 약하게 불면 주스 표면이 보조개 형태로 오목하게 들어가는데, 이때 빨대를 더 강하게 불면 주스에 거품이 일고 물방울이 튀어 오르는 현상도 공기와 주스 사이 경계면의 불안정성 때문이다.
한편 제트 형태의 기체를 액체 표면에 분사시키는 구조는 여러 과학 및 산업 기술에서 활발히 쓰이고 있으며, 여러 흥미로운 물리화학적 현상이 발생해 학문적으로도 지속적인 관심을 받고 있다.
그러나 앞서 예를 든 것과 같이, 기체 제트가 분사되는 액체 표면에서 유체역학적 불안정성이 증가하는 현상과 이를 안정화하는 방법에 대한 이해가 부족해, 관심은 높은데도 불구하고 활용성을 높이는 데 한계가 있었다.
최원호 교수 연구팀은 기체 제트를 강한 전기장으로 이온화시켜 만든 플라즈마의 특성을 이용하면 기체와 액체 사이 경계면의 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 실험과 이론으로 밝혀냈다.
일반적으로, 번개구름인 뇌운(雷雲) 속의 빗방울처럼 강한 전기장 환경에 놓인 액체에서는 표면의 불안정성이 증가한다. 불안정화의 대표적인 예로 전기방사(electrospinning)에서 전기 유체역학적 불안정성(electrohydrodynamic instability)의 결과로 나타나는 테일러 원뿔(Taylor cone) 현상이 있다.
최 교수 연구팀이 이번 실험에 활용한 플라즈마 제트에서는 `플라즈마 총알(plasma bullet)'로 불리는 고속의 이온화 파동과 전기바람(electric wind)이 발생하는데, 연구팀은 이들의 특성을 이용해 물 표면의 불안정성을 줄일 수 있었다.
기체 제트 내에 플라즈마를 발생시키면 생성되는 1초당 수십 미터 속력의 전기바람으로 인해 물 표면에 가해지는 힘이 증가해서 물 표면이 더 깊이 파이게 되고, 이에 따라 물 표면이 불안정해져야 하는 조건임에도 불구하고 안정적으로 유지되는 것을 연구팀은 실험적으로 확인했다.
연구팀은 플라즈마-물 이론 모델을 정립해, 물의 표면을 따라 1초당 수십 킬로미터 속력으로 이동하는 플라즈마 총알이 물 표면에 나란한 방향으로 일으키는 강한 전기장으로 인해 물 표면이 안정적으로 유지됨을 최초로 규명했다.
연구팀이 활용한 플라즈마 제트는 최근 여러 학제간 연구 분야에 다양한 목적으로 활용되고 있다.
최원호 교수는 "이번 연구의 결과는 플라즈마에 대한 과학적 이해를 높이는 동시에, 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대할 것ˮ이라며, "플라즈마 의료, 생명, 농업, 식품, 화학 등 여러 분야의 기술 개발에 크게 기여할 것이다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 개인연구지원사업(우수신진연구)과 KAIST High-Risk and High-Return 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다. 또한, 우리 대학 기계공학과 김형수 교수와 배충식 교수의 학술적인 지원을 받아 진행됐다.
2021.04.02 조회수 89421 -
성형진 교수 연구팀, 랩온어칩(Lab on a Chip)지 표지논문 게재
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(초세대협업연구실)이 고주파수 표면탄성파 기반 마이크로스케일 음향흐름유동을 이용해 나노리터급 액적 내 화학적 농도 제어 기술을 개발했다.
동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에 서로 섞이지 않는 두 유체로 조성된 마이크로스케일 액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 개별 액적 내 화학적 농도를 제어하기 위해 그동안 많은 노력이 기울여져 왔다. 하지만 지금까지 개발된 액적 내 화학적 농도 제어 기술은 복잡한 미세유로 혹은 별도의 외부 구동시스템이 필요하거나, 만들어진 액적의 병합 혹은 희석을 통해 액적 내 화학적 농도를 제어하기 때문에 동적 제어가 불가능하고 액적 간 화학적 농도 구배를 형성하기 어렵다는 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 성형진 교수 연구팀은 고주파수 표면탄성파를 미세유체칩 내 유동에 집속하여 음향흐름유동을 발생시켜 농도 제어가 필요한 액상 화학 시료와 완충용액을 혼합한 후, 혼합된 액상 시료를 분산상으로 하는 나노리터급 액적을 생성함으로써 액적 내 화학적 농도의 정밀 제어할 수 있음을 보였다. 개발된 기술을 활용하여 미세유체칩 내 고속으로 생성되는 개별 액적의 화학적 농도를 동적으로 제어할 수 있으며, 더 나아가 액적라이브러리 내 액적 간 화학적 농도 구배를 자유롭게 형성할 수 있는 최초의 기술이라는 점에서 기존 기술보다 진일보한 기술이라는 평가를 받았다.
아울러 평면파 각스펙트럼 이론과 등가 구경 이론을 이용해 원형 빗살무늬전극에서 생성되는 집속 표면탄성파의 집속점 위치가 기하학적 중심이 아니라는 점을 밝혔다. 또한 MHz 대역의 초음파 대역의 압전기판 위 표면탄성파 및 유체 내 종파의 감쇄에 의해 생성되는 마이크로스케일 음향흐름유동 및 와류를 전산유체역학적으로 가시화하여 인가되는 표면탄성파의 진폭과 생성되는 음향흐름유동장 사이의 관계를 규명해 효율적인 마이크로스케일 유동 혼합을 위한 조건을 제시했다.
이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 세계적 권위 국제학술지인 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2020년 21호의 표지논문으로 선정됐다 (논문명: Acoustofluidic generation of droplets with tunable chemical concentrations). 이는 성형진 교수의 Lab on a Chip 학술지 2016년 4호, 17호, 2017년 6호, 2018년 3호, 19호에 이은 여섯 번째 표지논문으로 미세유체역학 분야의 선도적 연구 성과다.
성형진 교수 연구팀은 그동안 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제학술지에 380여편의 논문을 게재했으며, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 중견연구와 초세대협업연구실의 지원으로 수행됐다.
박진수 박사 (현 전남대 교수)와 성형진 교수는 “이번 연구에서 개발된 음향미세유체역학 기술을 통해 마이크로스케일 액적 내 화학적 농도를 칩 내에서 정밀·동적 제어하고 액적 간 농도 구배를 형성할 수 있는 최초의 기술로서, 개발된 기술이 약물스크리닝, 단일 세포 및 입자 기반 분석, 기능성 마이크로캡슐 합성 등 액적 기반 미세유체역학 시스템이 사용되는 다양한 분야에서 핵심 원천기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라며 연구 의의를 밝혔다.
2020.11.10 조회수 31042 -
조연우 교수, 물 속 운동체의 항력 감소 기술 개발
우리 대학 기계공학과 조연우 교수 연구팀(파동 및 유체역학 연구실)이 초공동(supercavitation) 현상을 이용해 수중 운동체의 저항력을 감소시키는 기술을 개발했다.
정재호 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 영국 캠브리지 대학 Press에서 발간하는 유체역학 분야 저명 학술지인 ‘JFM(Journal of Fluid Mechanics) 854호 표지논문으로 선정됐다.(논문명: Ventilated supercavitation around a moving body in a still fluid: observation and drag measurement)
공기에서 어떤 물체가 운동하는 경우에 물체가 받는 저항력은 동일한 물체가 물속에서 운동하는 경우의 항력보다 매우 작다.
따라서 만약 물속에서 운동하는 어떤 물체가 공기로 완전히 감싸진 채 운동한다면 그 물체가 받는 항력을 매우 줄일 수 있을 것이다.
연구팀은 압축 공기를 이용해 미사일 모양의 수중 운동체를 공기로 완전히 감쌀 수 있는 초공동(supercavitation) 현상을 발생 시킨 후 수중 운동체에 가해지는 항력을 측정했다.
그 결과 동일한 속력에서 초공동으로 둘러싸인 수중 운동체가 받는 항력이 기존 수중 운동체가 받는 항력의 25% 정도로 측정됨을 확인했다.
연구 결과는 초고속 수중 운동체 개발 및 공기윤활(air lubrication)을 이용한 초고속 선박의 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. Journal of Fluid Mechanics 표지
2018.10.11 조회수 9311 -
성형진 교수, 마이크로스케일 액적 내 입자의 세정 및 집속기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 석좌교수 연구팀(유동제어연구실)이 고주파수 표면탄성파 기반 음향방사현상을 이용해 마이크로스케일 액적 내 입자의 세정 및 집속 기술을 개발했다.
박진수 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 미세유체역학 및 마이크로타스 분야의 국제학술지 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2018년 19호의 표지논문으로 선정됐다 (논문명: In-droplet microparticle washing and enrichment using surface acoustic wave-driven acoustic radiation force).
이는 같은 학술지 2016년 4호, 17호, 2017년 6호, 2018년 3호에 이은 다섯 번째 표지논문으로 미세유체역학 분야의 선도적 연구 성과이다.
동전 크기의 초소형 미세유체칩 내에 서로 섞이지 않는 두 유체로 조성된 마이크로스케일 액적을 기반으로 하는 액적 기반 미세유체역학 분야에서 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등의 샘플을 제어하기 위해 많은 노력이 기울여져 왔다.
하지만 지금까지 개발된 액적 내 샘플 세정 및 집속 기술은 복잡한 시스템이 요구되고 자성 혹은 극성을 띈 샘플만 제어할 수 있다는 한계를 지니고 있었다.
이번 연구에서 성 석좌교수 연구팀은 고주파수 표면탄성파를 이용해 마이크로스케일 액적과 액적 내 입자에 음향방사력을 인가해 입자의 위치를 음향장 내에 고정시켰다.
그리고 액적을 포획, 분할, 병합, 방출함으로써 액적 내 입자의 매개 용액을 교체하고 더 나아가 입자의 개체수를 원하는 수준까지 농축할 수 있음을 증명했다.
개발된 기술은 액적 내 입자를 비접촉·비표지 방식으로 세정할 수 있으며 액적 내 샘플의 개체수를 증가시킬 수 있는 기술이라는 점에서 기존보다 진일보했다는 평을 받았다.
아울러 음파와 탄성 고체 입자의 상호작용 이론을 바탕으로 표면탄성파의 주파수와 액적 내 입자 크기 사이의 관계를 규명해 효율적인 음향영동 현상 유발을 위한 조건을 제시했다.
박진수 박사과정은 “개발된 음향미세유체역학 기술을 통해 마이크로스케일 액적 내 샘플의 매개용액을 자유롭게 교체할 수 있음은 물론 액적 내 샘플을 원하는 수준으로 농축할 수 있다”고 말했다.
성형진 석좌교수는 “이 기술이 다양한 액적 기반 미세유체역학 시스템에서 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등 다양한 샘플의 전처리를 위한 핵심 기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
성형진 석좌교수 연구팀은 그동안 광력과 음향력 기반의 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제학술지에 320여편의 논문을 게재한 바 있다.
특히 이번 연구는 올해 우리 대학에서 국내 최초로 시행된 초세대 협업연구실(헬스케어 음향미세유체 연구실)의 공동 연구 성과로, 헬스케어 음향미세유체 연구실은 기계공학과 성형진 석좌교수가 책임을 맡고 같은 학과 조연우 교수, 김형수 교수가 참여하고 있다.
이번 연구는 KAIST-KUSTAR, 한국연구재단의 창의연구지원사업과 글로벌박사펠로우십, 극지연구소, KAIST 초세대 협엽연구실(헬스케어 음향미세유체 연구실)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 대표 이미지
그림2. 표지논문 이미지
2018.10.05 조회수 13740 -
최원호 교수, 전기바람 발생 원리 규명
우리 대학 물리학과 최원호 교수가 전북대 문세연 교수와의 공동 연구를 통해 전기 바람(Electric wind)이라 불리는 플라즈마 내 중성기체 흐름의 주요 원리를 규명했다.
이는 플라즈마 내 존재하는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용에 대한 기초 연구로 플라즈마를 이용하는 유체 제어기술 등 플라즈마 응용 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
박상후 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
두 개의 서로 다른 입자 무리로 구성된 유체역학 문제는 수세기 동안 뉴턴을 포함한 많은 과학자들의 관심을 지속적으로 받아 온 연구주제이다.
전자나 이온과 중성입자 간의 충돌로 인한 상호작용은 지구나 금성의 대기에서도 일어나는 여러 자연현상의 기초 작용으로 흔히 알려져 있다. 플라즈마에서의 전기바람은 이 상호작용을 통해 나온 결과의 대표적인 예다.
전기바람이란 전하를 띈 전자나 이온이 가속 후 중성기체 입자와 충돌해 발생하는 중성기체의 흐름을 말한다. 선풍기 날개와 같이 기계적인 움직임 없이 공기의 움직임을 일으킬 수 있는 방법으로 기존의 팬을 대체할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다.
최근에는 이와 같은 플라즈마 기술을 적용해 트럭 및 선박에서 발생하는 공기저항을 감소시켜 연료효율의 증가와 미세먼지 발생 감소, 풍력발전기 날개 표면의 유체 분리(flow separation)의 완화, 도로 터널 내 공기저항 및 미세먼지 축적 감소, 초고층 건물의 풍진동 감소와 같은 응용기술 개발이 여러 나라에서 활발히 시도되고 있다.
대기압 플라즈마 내에 전기장이 강하게 존재하는 공간에서 전자나 이온이 불균일하게 분포되면 전기바람이 발생한다. 전기바람의 주요 발생 원인은 현재까지도 명확하게 밝혀지지 않아 유체 제어와 관련한 여러 응용분야에 적용하는데 어려움이 있었다.
연구팀은 대기압 플라즈마를 이용해 전기바람 발생의 전기 유체역학적 원리를 밝히는데 성공했다. 전기 유체역학적 힘에 의한 스트리머 전파와 공간전하 이동의 효과를 정성적으로 비교하는 데 성공했다.
연구팀은 스트리머 전파는 전기바람 발생에 큰 영향을 주지 못하고 오히려 스트리머 전파 이후 발생하는 공간전하의 이동이 주요 원인임을 밝혔다. 특정 플라즈마에서는 음이온이 아닌 전자가 전기바람 발생의 핵심 요소임을 확인했다.
또한 헬륨 플라즈마에서 최고 초속 4m 속력의 전기바람이 발생했는데 이는 일반적인 태풍 속력의 4분의 1 정도이다. 이러한 결과를 통해 전기바람의 속력을 효율적으로 제어할 수 있는 기초 원리를 제공할 수 있을 것으로 보인다.
이번 연구는 하전입자와의 상호작용으로 인해 중성기체 흐름이 발생하는 원리를 실험을 통해 설명했고 정확한 분석법과 설득력을 갖췄다는 평을 받는다.
최 교수는 “이번 결과는 대기압 플라즈마와 같이 약하게 이온화된 플라즈마에서 나타나는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용을 학문적으로 이해하는데 유용한 기반이 될 것이다”며 “ 이를 통해 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체제어 분야를 확대하고 다양한 활용을 가속화하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업과 산업통상자원부의 사업화연계기술개발사업(R&BD)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 약전리 대기압 제트 플라즈마 사진
그림2. 대기압 헬륨 제트 플라즈마의 고전압 펄스 폭 및 높이에 따른 전기바람 속력의 변화
2018.02.19 조회수 17291 -
성형진 교수, 미세유체칩 내 액적 위치 제어 기술 개발
우리 대학 기계공학과 성형진 교수 연구팀(유동제어연구실)이 열모세관 현상을 이용해 미세유체칩 내 액적의 위치를 정교하게 제어하는 기술을 개발했다.
박진수 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 미세유체기술 및 마이크로타스(microTAS) 분야의 국제학술지인 랩온어칩(Lab on a Chip)지 2017년 6호의 표지논문으로 선정됐다.
(논문명: Acoustothermal tweezer for droplet sorting in a disposable microfluidic chip)
극소량의 유체 샘플을 이용해 동전만한 크기의 미세유체칩 내에서 복잡한 실험을 수행하기 위해서는 정교한 미세유체 기술이 필요하다.
특히 서로 섞이지 않는 두 유체로 구성된 액적을 기반으로 하는 미세유체역학 분야에서 액적의 위치를 정교하게 제어할 수 있는 기술이 필수적이다.
하지만 기존의 액적위치 제어기술은 한 쪽 방향으로만 제어할 수 있거나 마이크로 크기 수준에서는 정교하게 제어하지 못했다.
연구팀은 독자적으로 개발한 음향열적가열법을 통해 마이크로 수준의 동적 온도구배를 형성했고 이를 통해 미세유체칩 내에서 액적의 위치를 마이크로 크기 수준에서 정교하게 제어했다.
궁극적으로는 원하는 배출 유로로 액적을 분리할 수 있음을 증명했다.
성형진 교수 연구팀은 그동안 광력과 음향력 기반의 미세유체역학, 난류, 고체-유체 상호작용 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 내 SCI급 국제 학술지에 300여 편의 논문을 게재한 바 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 창의연구지원사업, 글로벌박사펠로우십과 KAIST-KUSTAR의 지원으로 수행됐다.
박진수 박사과정은 “본 연구에서 개발된 기술은 액적의 양쪽에서 서로 반대방향으로 작용해 균형을 이루는 열모세관 힘을 이용해 액적의 위치를 마이크로스케일에서 정교하게 제어할 수 있다”고 말했다.
성 교수는 “본 연구에서 개발된 기술이 액적 기반 미세유체칩 내 생화학반응, 제약, 물질 합성 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 랩온어칩 표지
2017.03.20 조회수 17060