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우상혁 화학신소재공학부 교수 연구팀, 레이저 이용 마이크로 액적 움직임 원격제어법 개발

관리자 2022-05-12 조회수 1,002

                           

우상혁 화학신소재공학부 교수(교신저자), 황혜선 박사과정 학생 (제1저자)

 

우상혁 화학신소재공학부 교수 연구팀이 레이저를 이용한 마이크로 액적의 움직임 원격제어법을 개발했다. 

 

마이크로 액적 이동 관련 연구는 마이크로 유체시스템 개발에 있어 핵심이 되는 기술이다. 지금까지는 마이크로 액적을 조작하기 위해 외부로부터 움직임을 위한 힘을 전달하는 방식이 주로 사용돼 왔다. 

 

우상혁 교수 연구팀은 직접적인 조작이 아닌 레이저를 이용해 발생시킨 마랑고니 흐름(Marangoni flow)을 통해 마이크로 액적의 움직임을 원격으로 제어하는 데 성공했다. 

 

마랑고니 흐름은 액체-액체 또는 액체-기체 경계에서 표면 장력의 차이가 발생할 시 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하는 액체의 흐름을 가리킨다. 이러한 현상은 액체의 조성이나 온도 차이 등에 의해 유발될 수 있다. 

 

빛에 의해 유도된 광열(Photothermal) 효과 기반 마이크로 액적 원격제어 모식도

 

연구팀은 빛을 흡수해 열을 발생시키는 광열입자(photothermal particle)가 분산된 액적에 레이저를 조사해 액적 내 온도 차이를 발생시킴으로써 액적 내 마랑고니 흐름을 유도했다. 이렇게 발생한 마랑고니 흐름이 액적을 밀어줌에 따라 레이저가 조사된 반대 방향으로 마이크로 액적이 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 

 

그 결과 액적이 움직이는 방향은 레이저 조사 위치를 변경함에 따라 쉽게 제어 가능하다는 점, 이동 속도는 레이저의 강도나 액적의 크기·발열 정도에 따라 조절 가능하다는 점을 발견했다. 

 

또한, 이번 연구는 액적 이동을 구현한 것은 물론 액적의 이동 메카니즘을 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다는 평가다. 혼합물과 같은 2성분계 용액에서의 이동성 변화를 관찰함으로써 혼합물 마이크로 액적에 대한 정보를 제시하는 성과도 거뒀다. 

 

레이저 조사에 따른 광열입자 분산 물 액적(왼쪽)과 일반 물 액적(오른쪽)의 움직임 및 온도 변화

 

우 교수 연구팀이 발견한 새로운 마이크로 액적의 비접촉식 원격 조작법은 ▲혼합물 유체 ▲마이크로 유체 시스템 ▲약물전달 ▲마이크로 엔진 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 또한, 마이크로 액적 이동 연구의 새로운 방향을 제시했다는 평도 받고 있다. 

 

이번 연구는 우상혁 교수 연구실의 황혜선 박사과정 학생이 제1저자, 우상혁 교수가 교신저자를 맡아 주도한 것으로 일본 오사카공업대(Osaka Institute of Technology), 그리스 요아니아대(University of Ioannina)와의 국제공동연구로 수행됐다. 

 

보다 상세한 연구 관련 내용은 세계적 학술지인 Advanced Functional Materials에 4월 11일자로 게재된 ‘Driving Droplets on Liquid Repellent Surfaces via Light-driven Marangoni Propulsion’ 논문을 통해 확인 가능하다.  


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