연구성과

기계 김동성 교수팀, 나노다공성 막, 원하는 형태로 미세 장치에 손쉽게 제작한다

2020-06-08 509

– ‘3차원 나노 유체역학 장치’ 실현
– 에너지 수확, 담수화 등 분야에 고효율·대용량 장치 개발 가능성 제시

POSTECH 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.

기계공학과 김동성 교수, 김준현 석사, 박상민 박사(현 부산대학교 기계공학부 교수) 연구팀이 독립지지 나노다공성 막*1을 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)’ 6월 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 한정되어 있었다.

연구팀은 연구팀에서 기존에 개발했던 전해질 기반 전기방사법*2과 나피온*3 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 있었다.

특히, 해수와 담수가 만났을 때 생성되는 이온의 선택적 이동을 이용해서 발전하는 역전기 투석 기반 에너지 수확 장치를 제작하였을 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 하여 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”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.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.
 


1. 나노다공성 막
직경의 크기가 수 나노미터인 공극들로 구성된 막

2. 전기방사법(electrospinning)
전기장을 이용하여 액체 상태의 고분자용액을 마이크로미터 ~ 나노미터의 직경을 가지는 섬유로 제작하는 방법

3. 나피온
공중합체(copolymer)로서 기공 구조를 가지며 이온 교환막으로서 양이온의 이동은 자유로우나 음이온의 이동은 억제하는 특징을 가짐