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햇빛만으로 결빙 방지되는 필름 개발 연구
김형수 교수(KAIST 기계공학과)/hshk@kaist.ac.kr/

최근 기능성 나노 재료를 표면에 코팅해 성질을 제어하는 연구가 활발한데요. 특히 금 나노 막대 생체에 해롭지 않고 안정적이며, 합성이 쉽다는 장점 등으로 주목받고 있습니다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 김형수 교수(KAIST 기계공학과)는 2D/3D 입자 이미지 속도계, 간섭계 분석, Schlieren 방법, 고속 및 형광 이미징과 같은 직접적인 광학 측정 기술을 전문으로 연구하고 계십니다. 또한 광학측정 기술을 기반으로 유체역학적 불안정성, 계면 현상, 에어로졸 원자화 및 운송, 액체 및 미립자 운송 같은 유체 역학 등을 연구 중 이신데요. 최근 금 나노 용액을 균일하게 증발시켜 간편하게 결빙 방지 필름을 개발하셨습니다.

연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.


1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

연구실의 이름은 유체 및 계면 연구실로, 주요 연구 관심사는 (i) 실험 유체 역학, (ii) 연성 물질 유체 역학, 그리고 (iii) 유체-유체 계면 불안정성으로 분류됩니다. 연구실에서는 다양한 광학 측정 기술을 기반으로 나노 스케일부터 매크로 스케일까지 복잡한 유동 역학 문제를 탐구합니다. 이러한 문제에는 계면 유동의 제어, 복잡한 유체의 습윤 및 건조, 표면 코팅 및 청소, 다중 척도 채널에서의 물질 운반, 환경 오염과 호흡기 질환과 관련된 분무 과정이 포함 될 수 있습니다.





무엇보다도, 최첨단 유동 측정 기술, 특히 3D 유동 시각화 (예: 토모그래픽 입자영상유속계 및 3D 입자 추적 유속계)에 상당한 전문 지식을 가지고 있습니다. 또한 2D/3D 입자영상유속계, 쉴리렌 방법, 레이저 간섭계, 형광 시각화 방법 등 여러 전문 지식도 보유하고 있습니다. 이러한 실험 기술을 사용하여 복잡한 유동 문제를 탐구할 수 있습니다. 실험 결과를 기반으로 물리적 메커니즘을 이해하기 위해 이론 모델을 개발하거나 스케일링 분석을 수행합니다.





실험적 연구 접근 방식은 연성 물질 및 복잡한 유체의 다상 유동 및 상 변화 과정의 물리학을 이해하는 데 도움이 됩니다. 체계적인 실험을 기반으로 그 복잡성을 통제하고 제어할 수 있습니다. 최근에 주로 다루고 있는 연구는 다종 성분 액체에 대한 재료 코팅 문제 및 표면 코팅 및 청소 기술에 관련된 이성분 또는 복잡유체 액적의 증발에 대한 연구 등이 있습니다. 최근 작업에서는 커피 링 없는 양자 점등 LED 패턴 및 얼음 방지용 플라즈모닉 나노 결정 필름을 개발했으며, 앞으로 웨어러블 전자 장치 및 롤러블 또는 스트레처블 디스플레이와 같은 다양한 미래 장치를 위한 혁신적인 재료 인 액체 금속에 대한 연구 분야를 확대했습니다. 그룹에서는 현재 액체 금속 전기-유체 역학적 계면 불안정성, 플라즈마 분포 제어 및 불안정성, 3차원 임베디드 프린팅 및 마랑고니 효과와 관련된 화장품 소재 연구들을 학생들과 함께 연구하고 있습니다. 현재 연구실은 박사과정 6명, 석사과정 2명, 연구원, 학부연구생, 행정을 도와주시는 선생님 각각 1명씩으로 구성되어 있습니다.

마지막으로, 유체역학 분야의 연구가 주되지만, 광학 기법을 이용한 가시화 기술에도 큰 관심이 있습니다. 대표적인 예로, 최근 식물의 꽃 향기가 얼마나 자주 방출하는지 레이저 간섭계를 사용하여 성공적으로 측정했습니다. 이는 살아 있는 꽃에서 휘발성 유기 화합물의 직접적이고 실시간 측정으로, 산업에서 유독 가스를 감지하는 데 유용할 수 있는 측정 기술입니다. 현재 우리는 이 측정 기술을 확장하고 화장품 제품의 향기를 양적으로 측정하고자 합니다. 해당 기술은 가스 신호를 직접 감지함으로써 화학 및 생물학적 요인 저항 테스트에 관련된 연구로 확장 가능합니다.


2. 금 나노 용액을 균일하게 증발시켜 간편하게 결빙 방지 필름 연구에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

최근 다양한 코팅 기법을 이용해 타켓 표면의 성질을 제어하려는 연구가 많이 진행되고 있으며, 특히, 기능성 나노 재료 패터닝을 통한 방식이 큰 주목을 받고 있습니다. 이 중에서도 금 나노 막대 (GNR)는 생체 적합성, 화학적 안정성, 비교적 쉬운 합성, 표면 플라즈몬 공명이라는 안정적이면서도 독특한 특성으로 인해 유망한 나노물질 중 하나로 여겨지고 있습니다. 이때, 금 나노 막대의 성능을 극대화하려면 높은 수준의 증착 필름의 균일와 금 나노 막대의 정렬도를 획득하는 것이 매우 중요하며, 현재 이를 구현하는 것은 여전히 해결해야 할 큰 문제입니다.





이를 해결하고자, 자연계에서 쉽게 추출이 가능한 차세대 기능성 나노 물질인 셀룰로오스 나노크리스탈 (CNC)를 활용하였습니다. 먼저, CNC 코팅 잉크 조성비를 최적화하여 고체 기판 위 CNC가 분산된 물방울의 자가 디웨팅 속도를 제어하였고, 이때, 해당 물방울이 마르는 과정에서 서로 반대 방향의 속력을 갖는 두 가지 유체역학적 현상이 주요하게 발생하는데, 1) 물방울 중심 방향으로의 자가-디웨팅 현상과 2) 물방울 접촉선 방향으로의 커피링 유동 간의 균형을 맞춰 커피링이 완전히 소멸되고 사분면의 형태로 자가 조립된 CNC 템플릿을 제작하였습니다. 여기서, 균일한 CNC 템플릿 제작을 위한 유체역학적 변수를 새롭게 제시하였습니다.





앞서 획득한 셀룰로오스 나노크리스탈 사분면 템플릿에 금 나노 막대를 공동 조립시켜 균일하게 건조되면서 사분면으로 균일하게 정렬된 금 나노막대 필름을 개발하는 데 성공하였고, 본 연구에서 획득한 높은 균일도와 정렬도를 갖는 금 나노막대 필름은 기존 커피링 필름과 비교하여 향상된 플라즈모닉 광학/광열 성능을 보여주었으며, 이는 가시광선 파장 영역대의 빛 조사만으로 방빙/제빙 역할을 해낼 수 있음을 실험적으로 증명하였습니다.


3. 나노 물질 응집 현상을 일으키면 성능이 떨어진다고 하던데 관련 설명 부탁드립니다.

나노 물질의 응집 현상은 일반적으로 나노입자 표면적인 힘에 의해 서로 결합하는 과정으로 발생할 수 있습니다. 이러한 응집 현상은 다양한 분야에서 문제가 될 수 있으며 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 예를들어, (1) 물성 변화: 나노입자들이 응집하면 그들의 특성이 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 나노입자의 표면적인 특성이 변화하여 화학적, 물리적 특성이 다를 수 있습니다. 이로 인해 응집된 나노입자의 성능이 원래의 개별 입자들보다 낮아질 수 있습니다. (2) 분산성 감소: 나노입자들이 응집하면 그들 사이의 거리가 가까워지고, 따라서 물체 내에서의 분산성이 감소합니다. 이는 나노입자들이 효과적으로 떠받치는 표면적이 줄어들고, 덩어리를 형성하여 용해 또는 혼합이 어려워지는 결과를 초래할 수 있습니다. (3) 성능 저하: 나노입자의 응집은 제품이나 재료의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 예를 들어, 나노입자로 제조된 코팅재료의 경우, 응집된 나노입자들은 표면의 균일한 코팅을 방해하고, 따라서 보호 효과나 기능을 제대로 발휘하지 못할 수 있습니다.

뿐만 아니라, 나노물질이 증발하면서도 응집이 일어난 입자군이 커피링과 같이 불균일한 패턴을 만들게 되면 같은 양의 나노입자를 이용해도 성능이 현저히 떨어지는 문제가 발생될 수 있습니다. 따라서 나노입자 응집 현상을 최소화하거나 방지하기 위한 적절한 조치가 필요합니다. 이를 위해서는 적절한 나노입자의 표면 처리 및 분산 기술이 필요합니다.


4. 자연계에서 쉽게 추출 가능한 기능성 나노물질인 세롤로오스 나노크리스탈(CNC)은 어떤 물질인가요?

CNC는 세포벽의 주 성분 중 하나인 세로오스를 원료로 사용하여 제조되는 나노 물질입니다. 셀룰로스는 대부분의 식물에서 발견되는 다당류(polysaccharide)의 일종으로, 셀룰로오스 섬유의 주요 성분 중 하나입니다.





CNC는 주로 다양한 응용 분야에서 사용되며, 그 특징으로는 나노미터 크기의 크리스털 구조를 가지고 있어서, 매우 작은 규모에서도 뛰어난 물성을 보입니다. 예를들어 고강도, 저중량, 생분해성, 표면활성성 등이 뛰어나 다양한 기능성 물질과의 상호 작용이 가능합니다. 이러한 특성은 CNC를 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있게 합니다. 주로 CNC는 바이오매터리얼, 나노복합재료, 의약품 전달체, 식품 포장재 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.


5. 나노셀롤로오스-금입자 복합체는 필름화하기 힘들다고 하던데요. 왜 그런지 궁금합니다.

 

얇고 균일한 코팅 패턴을 만들기 위해서는 공정에 대한 이해가 필요한데요. 셀룰로스 나노결정은 크기가 애매하게 작아서 화학기상성장법(CVD, Chemical Vapor Deposition)과 같은 방법으로 코팅을 하기 힘들고, 솔벤트에 희석하여 용액형태로 코팅을 해야합니다. 나노입자가 분산되어 있는 용액을 증발시키는 과정에서 액막의 접촉각 부분에서는 기하학적 형상의 특징 때문에 커피링 유동이 발생합니다.

커피링 유동은 액적의 접촉각에서 증발율이 가장 크기 때문에 발생하는 현상으로, 액적의 접촉각은 부피 대비 표면적이 가장 넓어서 이곳에서 증발이 가장 잘 일어납니다. 이 때문에 내부의 입자들이 모두 접촉각으로 몰려드는 현상이 생겨서 균일한 필름형태로 물질을 코팅하기가 굉장히 어렵습니다. 특히나 잉크 용액을 증발시키는 과정에서 나노 입자들을 일정한 패턴으로 자가조립을 시키면서 균일하게 코팅을 하는 기술은 입자간 상호작용과 입자와 코팅 바닥면 사이의 상호작용등을 복합적으로 고려해야하므로 여러 어려운 점들이 있습니다.


6. 세계 최초 꽃향기를 눈으로 실시간으로 확인할 수 있는 기술도 연구하셨는데요. 자세한 설명 부탁드립니다.

기존 꽃향기 측정 방법과 완전히 다른 레이저 간섭계기반의 휘발성 유기물 증기 (VOCs, Volatile Organic Compounds)의 상대 굴절율 측정을 통해 백합에서 나오는 꽃향기를 시공간으로 직접 측정할 수 있는 결과를 획득하였습니다. 기존 향기 측정 방법은 물질 포집 후 질량분석을 통해 양을 측정하였기 때문에 꽃이 어떤 주기로 향기를 뿜어내는지 직접 알 수가 없었습니다.





꽃향기는 인간의 삶과 밀접한 화장품, 향수, 장식용 꽃 사업 등에서 중요한 요소 중 하나이기도 하지만 동시에 현화 식물이 다른 화분매개곤충과 교류하는 대표적인 수단중 하나이기 때문에 꽃의 생식 및 진화에 큰 영향을 미칩니다.

꽃향기 분비 주기를 직접 관찰할 수 있는 본 기술은 꽃향기 합성 및 분비에 관여하는 유전자를 찾고 화분매개곤충과 상호작용을 통한 꽃향기 물질 진화 연구에 활용될 것으로 생각되고, 또한 향기 물질 분비를 제어할 수 있다면 원예 및 농작물 생산 증진에 영향을 끼칠 것으로 기대됩니다.


7. 교수님께서 연구할 때 가장 염두에 두시는 부분은 어떤 부분일까요?

새로운 과학적 현상을 발견하는 것도 중요하지만 동시에 해당 연구가 어떻게 인류를 위해서 활용이 될 수 있을지를 함께 고민합니다. 어떤 문제는 새로운 과학적 발견에서 출발하여 응용으로 연결되는 경우도 있고, 때론 복잡한 산업 응용 문제를 해결하기 위해서 고민하다가 새로운 현상을 발견할 때도 있어서 두가지 측면의 균형을 잘 맞추기 위해서 고민을 많이 합니다.


8. 수행하신 연구에 대한 보완해야할 점은 없는 건지 궁금합니다.

유체역학을 공부하고 있지만 다양한 분야가 혼재하는 문제들을 자주 다룹니다. 이런 다학제적 연구 주제를 해결하기 위해서 광학의 기술을 이용해서 공부하기 때문에 이에 대한 지식이 필요한데 해당 분야의 지식과 기술들에 대해서 끝임없이 살펴보고 있습니다. 뿐만 아니라, 새로운 재료나 신기한 물질이 나오면 이런 물질이 용액에 분산되어 작동유체로 쓰일 때 재료적 특성이 달라지는 데, 유변학적 성질까지 고려를 해야하니 이 또한 쉽지 않습니다. 항상 광학 지식의 부족함과 재료의 배경지식 부족이 큰 문제라 새로운 분야를 배워가면서 연구를 수행하고 있습니다.


9. 최근 다양한 코팅 기법을 이용해 목표물 표면의 성질을 제어하려는 연구가 많이 진행되고 있습니다. 국내상황과 국외상황을 구체적으로 비교해주신다면 어떤 실정인가요. 어디까지 발전되고 있는지 궁금합니다.

최근의 인쇄 기술은 기능성 물질을 마이크로-나노 크기의 미세 패턴으로 제작하고 다양한 분야에 융합하여 새로운 영역으로 발전하고 있습니다. 기존의 정보 전달을 넘어서며, 나노 기술(NT), 바이오 기술(BT) 등과의 융합으로 전자산업, 보안서비스, 포장 및 유통, 환경/에너지, 헬스케어 산업 등 다양한 분야에 확장되고 있습니다. 다양한 최첨단 인쇄기술의 발전으로 과거 수십 마이크론(μm)에서 수백 나노미터(nm) 크기의 선폭 공정이 가능해지면서, 인쇄 기술은 더욱 정밀해지고 다양한 기능성 물질의 개발과 함께 발전하고 있습니다. 이에 따라 인쇄물질의 물리적 성질이 변화하고, 최종 인쇄 구조물의 균일성에 대한 고려가 필수적입니다. 동시에 기능성 연성 물질의 개발과 함께 새롭고 다양한 인쇄기술의 발전이 요구되며, 최종 인쇄 제품의 품질은 작동 유체의 조합과 성질에 따라 변화합니다. 물리화학적 현상에 대한 이해와 연구는 최종 인쇄 구조물의 신뢰도를 높이기 위해 중요합니다. 따라서 이러한 다양한 요소들이 상호작용하여 인쇄 기술의 발전과 응용이 이루어지고 있습니다.


10. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

연구실에서 가시화 실험을 바탕으로 균일 코팅에 대한 노하우가 많이 생긴 편입니다. 이러한 코팅 기술을 최근 이슈가 되고 있는 수전해막, 이차전지 전극 코팅, 디스플레이 퀀텀닷 패턴, 유연기기 개발 등에 실제 적용하여 제품에 적용할 수 있을 정도로 기술을 고도화하는 것에 큰 목표를 세우고 있습니다.


11. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

세상은 급변하고 있습니다. 너무 트렌드에 휘둘리지 않기를 바랍니다. 지금 가장 인기 있는 분야를 선택하기 보다는 공학의 기초지식을 토대로 미래의 가치를 살펴보고 앞으로 일어날 새로운 분야를 개척하시길 바랍니다. 어떤 분야가 유망할지 모른다면, 상대적으로 인기가 없는 분야에서 본인이 최고가 된다는 생각으로 연구를 한다면 레드오션을 블루오션으로 만들 수 있는 기회가 한발 더 가까이 오리라 믿습니다.




 

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