아주대 연구팀, 나노입자 분산액에서 ‘입자 집속현상’ 발견
아주대 연구팀, 나노입자 분산액에서 ‘입자 집속현상’ 발견
  • 백두산 기자
  • 승인 2019.06.12 14:35
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이차전지 성능 향상 등에 기여
‘Science Advances’에 온라인 게재
아주대학교 (사진: 아주대 제공)
아주대학교 (사진: 아주대 제공)

[대학저널 백두산 기자] 아주대학교(총장 박형주) 김주민 교수 연구팀이 나노입자(~10⁻⁹m)가 분산된 유체 흐름에서 직경이 수 마이크론(10⁻⁶m)인 입자가 유로 중앙에 집속되는 현상을 발견했다. 이번에 발견된 ‘입자 접속현상’은 미세입자 분포의 불균일성을 이해하는데 중요한 실마리를 제공해 이차전지의 제조 공정을 개선시킬 것으로 기대된다.

아주대는 12일 김주민 아주대 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)가 주도하는 연구팀이 나노입자 분산액의 탄성을 정량화할 수 있는 ‘미세유체 기술’을 제시했다고 밝혔다.

이번 연구는 20년 넘게 이론적으로만 예측된 ‘나노입자 분산액의 탄성’에 의한 독특한 유동현상을 보고한 것으로, 산업적 활용도가 높아진 나노입자 분산액의 역학적 이해를 돕는데 크게 기여할 전망이다. 해당 연구는 중요성을 인정받아 세계적 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 6월 7일자로 온라인 게재됐다. 논문의 제목은 <나노입자 콜로이드 분산액에서 수직 응력차에 의한 입자 집속(Normal stress difference-driven particle focusing in nanoparticle colloidal dispersion)>이다.

에너지 저장소자로 각광받는 이차전지는 개별 기능을 지닌 작은 입자(나노 및 마이크론 크기)를 용매에 분산시킨 뒤 기판 등에 도포해 제조된다. 이 때 이차전지의 성능은 다양한 크기의 입자를 얼마나 공간적으로 균일하게 분산시키느냐에 따라 많이 좌우된다. 김주민 교수팀이 발견한 독특한 유동 현상은 나노 크기의 입자들에 의해 발현된 탄성 때문에 마이크론 크기 입자들의 공간적인 분포가 불균일해질 수 있다는 것을 입증한다. 김주민 교수 연구팀은 미세채널(내경 25μm) 속 나노입자 분산액 내 폴리스티렌 입자(직경 6μm)의 움직임을 관찰해 입자 집속현상을 발견했다. 그 외 입자 집속현상은 혈액의 혈장을 구성하는 단백질 용액에서도 발견됐다고 김주민 교수는 설명했다.

나노입자 분산액에서 관찰한 입자 집속 현상 (자료: 아주대 제공)
가: 실험 모식도
나: 대표적 실험 결과

이번 연구의 또 다른 성과는 미세유체소자를 활용해 ‘나노입자 콜로이드 분산액’의 탄성을 정량화하는 방법을 제시한 것이다. 나노입자 콜로이드 분산액은 점성만을 가지는 뉴튼유체로 간주돼 탄성의 특성은 보통 무시돼 왔다. 콜로이드 분산액은 식품, 화장품 및 각종 전자 제품의 소재 등에서 흔히 관찰할 수 있는 물질의 한 상태로, 마이크론 크기 이하의 입자가 용매에 분산돼 있는 물질이다.

김주민 아주대 교수는 “입자 집속 현상의 발견을 통해 오랜 기간 예측돼 왔던 콜로이드 유변학 이론을 증명함과 동시에 이차전지 재료 및 인체 혈장의 물리적 특성을 이해하는데 있어서 중요한 실마리를 제공할 것”이라고 설명했다.

안경현 서울대 교수(화학생물공학부·코팅기반 화학공정 연구센터장)는 "배터리 제조 공정 등에서 필수적인 미세입자의 분산제어에 활용될 수 있어 의미가 남다르다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 및 개인연구지원 사업의 지원을 통해 이뤄졌다.


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