고분자나노융합소재가공기술센터
Center for Nano-Structured
Polymer Processing Technology

[기반] 입자계를 포함하는 복잡유체의 유동 및 입자 분산 제어 기술

다수의 전기전자 재료 및 고분자 복합 소재들은 점탄성 매질에 입자계가 분산된 시스템에 기반한다. 입자계를 포함하는 소재/공정의 핵심 기술은 분산 공정을 통해 확보된 입자 분산성을 최종 제품까지 최대한 유지하는 것이다. 그런데 이들 소재들은 압출, 사출 및 코팅 공정 등의 제조 공정 중에 전단, 신장 및 이들이 결합된 다양한 유동을 이력을 겪게 된다. 유동 환경하에서 입자 분산성이 유지될 지에 대한 여부는 관련 산업 뿐만 아니라 학술적인 측면에서 큰 관심을 가지고 있는 사항이다. 압력 구배에 의한 채널 유동 하에서 유동의 관성, 매질의 탄성 및 입자 간의 상호 작용에 의해 매질에 분산된 입자들이 주 흐름 방향의 수직 방향으로 이동할 수 있다는 것이 다수의 연구에 의해 밝혀지고 있다. 입자의 수직 방향 이동의 결과로 분산 공정을 통해 확보된 입자 분산성은 파괴될 수 있으며, 이는 최종 제품의 물성 저하로 귀결될 수 있다. 아주대학교 미세공정연구실은 지난 십 수년간 유동에 의한 입자 분포 불균일성 발생 현상에 대해서 기초 및 응용기술을 집중적으로 연구하여 Nature Communications, Science Advances 및 저명 학술지에 다수의 학술 논문을 발표한 바가 있다. 본 연구실에서 확보하고 있는 기술로는 전단 및 신장 유변물성 측정 기술, 유동 가시화, 입자 분포 분석법 및 유변물성 모델링과 복잡 유체 유동의 수치모사 기술이 있다. 이를 활용하여 산업체에서 직면하고 있는 다양한 유동 조건에서 입자 분산성 확보 방안에 대한 자문 및 과제 수행이 가능할 것으로 기대하고 있다. 최근에는 복잡 유체에서 발생하는 유동 불안정성을 미세혼합기에 응용하는 연구를 진행하여, 실제로 균일한 크기의 실리카 입자를 연속으로 제조하는 것이 가능함을 보였다.
나노입자 분산액에서 발생하는 입자 집속현상 (출처: Science Advances, 2019,  5: eaav4819)
복잡 유체의 유동 불안정성을 활용한 미세유체반응기 (Lab Chip 21년 2월호 표지)