포스텍(POSTECH)은 김석 기계공학과 교수·통합과정 김승범 씨, 미국 일리노이대 어배너-섐페인캠퍼스(UIUC) 기계공학과 손창희 박사·플라시드 페레이라·지에 펭 씨 공동 연구팀이 외부 자기장으로 랫칫(ratchet)을 조절해 액체 방울을 양방향으로 이동시키는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
액적은 미세한 크기의 액체 방울이다. 액적의 움직임을 제어할 수 있다면 다양한 산업 분야에서 입자 이동과 배치를 효과적으로 조작할 수 있다. 자성을 띠는 입자를 액적 내부에 삽입하거나 전압을 가하는 등 액적을 움직이는 여러 방법 중 연구팀은 액적을 직접 건드리지 않고, 액적과 맞닿는 기판 표면에 초점을 맞췄다.
랫칫 표면은 나노 기둥 구조체 위에 한쪽으로 기울어진 판을 올려 방울을 이동시킬 때 유용하지만 오직 한 방향으로만 액적이 움직인다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 소수성 실리콘에 연자성층을 증착한 상판을 만든 다음, 탄성 구조체 기둥 위에 고정했다. 이 구조체는 외부 자기장을 조절해 강판을 양방향으로 기울임으로써 기존과 달리 두 종류의 랫칫 표면을 형성한다.
실험 결과, 연구팀은 액적을 양방향으로 움직이는 데 성공했다. 또, 히스테리시스 이론과 양방향 기울기 개념을 반영한 모델을 개발해 랫칫 표면 기울기를 예측하는 데도 성공했다. 외부 자기장으로 인한 랫칫 표면 기울기 변화를 이론적·실험적으로 모두 확인한 것이다.
김석 교수는 “이번 연구는 바이오 센싱이나 물질 합성, 세포 배양 등 여러 분야에 적용할 수 있다”며 “두 방향을 넘어 여러 방향으로 액적 이동을 제어하는 랫칫 표면 설계·최적화 연구에 도움이 되길 바란다”는 말했다.
한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, PIM인공지능 반도체 핵심기술개발사업, 기초연구실사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 나노과학분야 국제학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 표지논문으로 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
