NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 6, 2004…693 National Research Laboratory (국가지정연구실)
NRL 소개
이 승 종
서울대 응용화학부 [email protected]
연구실 소개
본 연구실은 미세구조를 갖는 다양한 소재의 유 변공정과 점탄성 유동특성을 연구하고 있으며, 이 러한 유체의 mesoscale에서의 특성과 거시적인 유동해석 기법을 결합함으로써 미시적인 소재의 특성과 거시적인 유동의 특성을 함께 고려하는 새 로운 수치모사 기법을 개발하고, 이를 실험과 비 교 검증함으로써 지속적으로 발전시켜 나갈 수 있 는 새로운 플랫폼을 구축하는 것을 목적으로, 2003년도에 국가지정연구실로 지정되어 현재 2차 년도 연구를 수행 중에 있다. 본 연구실에서는 수 치해석과 분자모델링을 중심으로 한 이론분야와 suspension, 고분자가공 등 실험분야를 균형 있게 연구하고 있으며, 또한 학문적 기초연구와 산학협력 응용연구를 균형 있게 수행하고 있다. 최근의 연구 방향으로는 유한요소법(Finite Element Method) 에 근거한 전통적인 점탄성유동해석과 브라운동 력학 기법(Brownian Dynamics Simulation)의
결합을 통한 미시거시유동해석기법(Micromacro Simulation)의 개발과 응용에 대하여 연구하고 있 으며, 이들 결과는 고분자 정밀성형 및 가공기술 개발 분야 외에도 혈액 및 DNA의 미세채널흐름 (microfluidics) 연구를 통한 Bio rheology분야, 디 스플레이 분야의 소재가공 공정 및 코팅공정 연구 를 통한 IT rheology 분야 등 다양한 분야에 응용 될 수 있다. 이들 연구는 국가지정연구실 사업을 통하여 개발되는 유동해석 플랫폼을 통하여 발전 적으로 통합되며, 유변공정과 유동해석이라는 공 통분모를 바탕으로 전략적으로 연계되어 있다.
또한 본 연구실에서는 산학협동연구도 활발하
http://rheopro.snu.ac.kr
그림 1. 유변공정연구실 홈페이지 첫 화면의 일부.
694…NICE, 제22권 제6호, 2004
NRL 소개
여 고분자산업뿐만 아니라 전자산업, 화장품산업 등 다양한 산업에 유변학의 개념을 적용하여 이의 보급 및 발전을 기하고 있다. 산학연구 외에도 국 내외 연구기관과의 협력을 적극적으로 추진하여 학생들에게 보다 많은 성장 기회를 제공하고 있으 며, 연구 측면에서도 과감한 전략적 제휴를 추진 하여 연구효율을 높이고 있다. 학생들의 국제교환 프로그램도 다수 추진되고 있으며, 우리 학생들을 해외에 지속적으로 파견하고 있고, 해외학회 참석 뿐만 아니라 장기간 파견하여 공동연구를 진행하 는 경우도 다수 있다. 대학원 학생은 15명 수준이 며 석사와 박사과정학생이 반반이다. 졸업생들은 고분자 관련 회사뿐만 아니라 전자회사, 화장품회 사 등 다양하게 취업하며, 공급이 부족하여 산업 체의 수요를 충분히 만족하지 못하는 실정이다.
연구 분야
고분자 소재 또는 입자계를 거시적 관점이 아닌 미시적 또는 mesoscale에서 기술할 수 있다면 소 재에 대한 보다 현실적인 모사가 가능하게 된다.
이렇게 기술된 고분자 소재 또는 입자계는 개별 분자의 거동을 관찰할 수 있어 보다 정밀한 의미 의 유동 해석이 가능하게 된다. 하지만 이러한 연 구에는 유동 조건을 가장 단순한 단순전단유동으 로 가정하여 이루어져 왔기 때문에, 보다 복잡하 고 현실적인 유동환경에서의 거동을 예측하기에 는 어려움이 있다. 이는 복잡한 유동환경에서는 유동문제와 분자모델 간의 상호작용을 처리하기 어렵고, 계산량이 크게 늘어나 이를 구체화시키기 어렵기 때문이다. 일반적으로 분자모델링 기법을 이용하면 간단한 유동이 주어질 때, 입자의 거동 을 구체적으로 파악할 수 있으며 이로부터 시스템 의 응력에 관한 정보를 구할 수 있다. 문제는 이러 한 입자의 움직임과 유동 간에 상호작용이 존재한 다는 점과, 유동이 복잡하여 질 때 계산량이 급증
한다는 점이다. 입자의 움직임과 유동 간에 작용 하는 상호작용은 단계적으로 고려할 수 있는데, [그림 2]에 microchannel의 벽면에 주기성을 갖 는 전기장을 부과함으로써 내부에 발생하는 electrokinetic flow의 예를 보이고 있다. 이는 유 동장 중심에 존재하는 고분자 사슬이 주어진 유동 환경에서 어떻게 변형하고 유동할 것인가를 연구 하기 위한 것이다. 이 경우에는 고분자가 존재하 지 않는 경우의 유동장을 구한 후, 단지 이에 따른 고분자의 변형과 유동을 추적하게 된다. 실제로는 고분자가 존재하는 경우의 유동장과 그렇지 않은 경우의 유동장은 유동과 물질의 상호작용에 의하 여 차이가 나는데, 여기서는 이를 무시하여 결과 를 얻은 것이다. 이는 유동장 내의 고분자 사슬의 변형과 유동 궤적을 추적하기 위하여 분자모델링 기법이 필요하지만 유동장과 결합하여 해를 구하 는 것은 현재의 기술 수준으로 구현할 수 없기 때 문에 편의상 상호작용이 없다는 가정 하에 해를 구하여 1차적인 정보를 획득하는 것이다. 바람직 하게는 앞에서 언급한 유동문제와 소재의 특성을 반영하는 분자모델의 상호작용을 고려하여 동시 그림 2. 주기성을 갖는 전기장 하에서의 microchannel flow.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 6, 2004…695
NRL 소개 National Research Laboratory (국가지정연구실)
에 해를 구하는 것이 필요하다.
위의 결과를 종합하면, 복잡한 유동환경에서의 유동현상을 이해하기 위한 유동해석 기법과 소재 의 특성을 보다 엄밀히 반영할 수 있는 분자모델 링 기법을 결합하는 것은 당연한 기술적/시대적 귀결이라 할 수 있다. 문제는 유동해석과 분자모 델링의 분야가 서로 독립적으로 개발되어 왔기 때 문에 이를 통합할만한 주체가 없고, 이를 위해서 는 상당한 수준의 계산 능력이 요구된다는 점이다.
최근 이러한 융합 기술을 개발하기 위한 노력이 국외 대학을 중심으로 제한적으로 수행되고 있다.
[그림 3]은 복잡한 contraction flow에서 개별 고 분자 사슬의 유동을 도식적으로 모사한 것이다.
이러한 개념은 매우 최근의 일이며, 아직까지 이러한 연구의 예상되는 파급효과에 대해서도 논 의가 되어 있지 않다. 하지만, microchannel flow 에서 보는 바와 같이 분자 단위의(현실적으로는 micron 또는 submicron 크기) 움직임과 주위 공 간 및 유동 환경과의 상호작용을 고려하는 것이 점차 중요하다는 사실을 고려할 때, 이러한 개념 의 도입은 반드시 필요하며, 더욱 확산될 것으로
사료된다. 특히 고분자 정밀 성형 및 가공을 위해 서는 이러한 개념의 도입이 필수적이다. 또한 디 스플레이 분야의 LCD 가공 공정에 있어서도 COG 공정의 개발이나 패키징 소재의 개발, 초박 막 코팅기술의 개발 등과 같은 경우에 본 연구와 같은 접근법이 아니고서는 실질적으로 공정개발을 효율적으로 추진하는 것이 거의 불가능할 것이다.
이러한 접근법은 고분자의 정밀성형 및 가공 분 야뿐 아니라 microchannel에서의 DNA 및 혈구 의 유동 분야, 디스플레이 소재공정 분야의 정밀 공정 해석 및 개발 등에 있어서 핵심적인 접근 방 법으로서, 본 연구실에서는 이러한 연구 성과를 고분자 정밀성형 분야, 생체시스템 및 디스플레이 소재가공 공정 등 다양한 산업분야에 적용하기 위 하여, 이론과 실험을 함께 수행하고 있으며, 이를 통하여 새로운 분야를 개척하고 국가산업발전에 기여하고자 노력하고 있다.
주요 보유 장비
RMS 800, Bohlin C-VOR, Haake RS-150 등 유변물성측정기, 2축압출기, Haake Mixer, 광학 현미경, Shearing System(Linkam CSS-450) 등 이 있으며 실험실에서 자체 제작한 장비로는 신장 점도계, 모세관점도계, SALS(Small Angle Light Scattering), 4-Roll Mill 등이 있고 이 외에 도 Fourier Transformation Rheology를 연구하기 위한 고성능 Data Acquisition System, Microfluidics 실험 및 코팅실험을 위한 기본적인 장비들이 구축 되어 있다.
그림 3. Contraction flow에서의 고분자 사슬의 변형 및 유동.
