[논문]마이크로 유체역학 실험실

김호영

문제 정의

기계를 비롯한 많은 시스템들이 소형화되면서 작은 스케일의 유동을 다루는 마이크로 유체역학에 관한 학문적 요구가 커지고 있다. 본 연구실에서는 마이크로 유체역학의 근간이 되는 작은 채널 및 다공성 구조로의 액체 흐름에 대한 연구를 실험적, 이론적으로 수행하였다. 다공성 구조에서의 액체 퍼짐은 실제 생활과 매우 밀접하게 연관이 있기 때문에 많은 사람들이 연구를 수행하였다.
마이크로 스케일에서의 유체역학을 연구하는 데 있어 가장 어려운 점은 관심 있는 물리 현상의 크기가 매우 작거나 혹은 투명해서 쉽게 볼 수 없고, 수 밀리초 이내에 일어나기 때문에 실험적으로 가시화하는 것이 쉽지 않다는 것이다. 본 연구실은 이를 극복하기 위해 연구실 수준에서 사용 가능한 모든 장비와 기술을 이용하여 연구를 진행하고 있다.
전기 습윤의 동적 현상을 이해함으로써, 실제 장비의 구동 시간을 예측할수 있으며, 초고속 구동을 위한 각 변수의 최적화된 값을 얻어낼 수 있다. 본 연구에서는 각 물리 변수 값들이 주어져 있을 때, 전기 습윤 절연막에 전압을 인가하는 순간 시간이 지남에 따라 유체 계면이 어떻게 변할지 이론적으로 예측하고 실험과 비교하였다. 특히, 크기 스케일이 작음에 착안하여 관성(inertia)을 무시하고 계면의 속도, 접촉각과 계면 에너지와의 관계식과 영-라플라스식(Young-Laplace equation)을 이용하여 계면의 거동을 예측하였다.
습한 공기를 응축시켜 물을 모으는 공기 중 수분회수는 액체상태의 물을 얻기 어려운 장소에서 물 부족 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있다. 본 연구에서는 비균질 응축이 일어나는 고체표면의 성질이 물의 응축 거동과 수분회수효율에 미치는 영향을 실험적으로 알아보았다. 응축시편으로는 실리콘 웨이퍼를 이용하였고 초소수성, 소수성, 친수성, 초친수성 등으로 표면의 적심성을 다양화하였다.
본 연구에서는 수면 위에 정지해 있던 탄성체가 자체 내에 저장되었던 탄성에너지를 이용하여 수면 위로 튀어 오르는 현상에 대하여 이론적으로 예측하고 실험으로 검증하고자 한다. 이는 탄성체의 수면 도약 연구의 기초를 다질 뿐 아니라, 수면 도약 로봇 개발의 기반 지식을 제공할 것이다.
곤충이나 새들 날개의 운동이나 물고기가 헤엄칠 때 꼬리 지느러미의 운동 등이 그 대표적인 예이다. 본 연구에서는 자연계의 플래핑 날개의 반력 형성 메커니즘을 규명하고자 하는 시도로서, 플래핑의 가장 기본적인 형태인 회전 왕복 운동하는 날개 주변의 유동장과 추력 형성 메커니즘에 대해서 연구한다. 회전 왕복 운동하는 플래핑 날개 주위의 유동장을 다음의 두 가지 방법을 통하여 가시화 한다.

제안 방법

응축시편으로는 실리콘 웨이퍼를 이용하였고 초소수성, 소수성, 친수성, 초친수성 등으로 표면의 적심성을 다양화하였다. 그리고 사막에서 안개로부터 물을 섭취하는 딱정벌레의 등을 모사한 초소수-초친수 복합패턴표면을 제작하였다. 습도가 높은 공기 중에 수직하게 놓인 시편을 냉각하여 물방울의 형성과 움직임을 관찰하였으며, 물의 응축량과 회수량을 측정하였다.
이때 카메라를 통하여 수소 기체의 pathline을 촬영하고, 이는 플래핑 날개의 운동에 의해서 형성되는 보텍스 구조를 보여주게 된다. 두 번째로는 수조 안에 수소 기체를 가득 채워놓고, 수소 기체 방울들의 움직임을 PIV 기법 으로 분석하여 플래핑 날개 주변의 속도장을 측정한다 (Figure 3). DPIV 기법을 통해서 얻어진 플래핑 날개 주변의 속도장을 분석하면 플래핑 날개 주변에 형성되는 와류의 형태와 강도를 측정할 수 있다.
다만, 붕괴 속도에는 증발 속도가 상당히 중요한 변수로 작용하여, 앞서 소개한 조건들이 모두 뛰어나더라도, 증발 속도가 크게 느리면, 오히려 변형 속도가 더 느리게 되는 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구실에서는 이를 이론적으로 구체화하고, 온도에 대한 의존성을 추가 연구하여, 보다 합리적인 대안을 제시하였다.
이는 탄성체의 수면 도약 연구의 기초를 다질 뿐 아니라, 수면 도약 로봇 개발의 기반 지식을 제공할 것이다. 본 연구실에서는 지면 에서의 도약 후에 탄성체의 초기 변형 에너지가 진동, 운동, 위치, 소산에너지로 전달되는 과정을 이론적으로 도출하였고, 탄성체가 수면으로부터 전달받는 운동량을 이용하여 탄성체의 수상 도약 성능을 설명하는, 표면장력이 지배적인 특수한 경우에 대한 이론을 마련하였다. 본 연구에서 다루는 현상은 수 밀리 초 단위에서 이루어지는 매우 빠른 운동으로서 초고속 촬영으로 관찰한 바에 근거하여 이론적인 접근이 이루어지고 있다.
본 연구에서는 적심성 패터닝 공정을 통해 초소수성 바탕 표면에 초친수의 환형 영역을 패터닝하였다. 이렇게 제작된 패턴 표면에 액적 충돌을 하여 액적의 최대 퍼짐 거리와 패턴의 기하학적 구조 관계에 따른 유체 현상을 Figure 9와 같이 분류하였다.
또한 Figure 8의 스폰지와 같은 다양한 크기의 기공 구조 내의 수직 방향 유동에서 액체가 매우 느리지만 꾸준히 높게 올라감을 실험을 통하여 확인하였다. 뿐만 아니라 이와 관련된 대체적인 scaling law 를 세우고, 이를 학계에 발표하였다.
그리고 사막에서 안개로부터 물을 섭취하는 딱정벌레의 등을 모사한 초소수-초친수 복합패턴표면을 제작하였다. 습도가 높은 공기 중에 수직하게 놓인 시편을 냉각하여 물방울의 형성과 움직임을 관찰하였으며, 물의 응축량과 회수량을 측정하였다. 표면의 적심성 및 거칠기, 복합표면의 패턴크기 등은 물의 응축과 배수에 큰 영향을 미친다.
본 연구에서는 비균질 응축이 일어나는 고체표면의 성질이 물의 응축 거동과 수분회수효율에 미치는 영향을 실험적으로 알아보았다. 응축시편으로는 실리콘 웨이퍼를 이용하였고 초소수성, 소수성, 친수성, 초친수성 등으로 표면의 적심성을 다양화하였다. 그리고 사막에서 안개로부터 물을 섭취하는 딱정벌레의 등을 모사한 초소수-초친수 복합패턴표면을 제작하였다.
Figure 7(b)와 같이, 실제 종이에서의 잉크 퍼짐은 정지 상태일 때와 이동 상태일 때의 퍼짐으로 나누어서 생각할 수 있는 데, 본 연구에서도 이를 고려하여, Figure 7(a)와 같이 정지 상태 및 이동 상태로 나누어서 그 퍼짐을 분석하였다. 퍼짐의 주된 힘을 고려하여, 적합한 모델을 구축하고, 기하학적 분석을 통하여, 잉크 퍼짐의 운동학 및 퍼짐 형태에 대한 이론식을 구축하였다. 또한 Figure 8의 스폰지와 같은 다양한 크기의 기공 구조 내의 수직 방향 유동에서 액체가 매우 느리지만 꾸준히 높게 올라감을 실험을 통하여 확인하였다.
폴리머 액적에서 생성되는 나노젯을 날카로운 전극 팁에 집중시켜서 속이 빈 실린더 모양을 만드는 기술을 개발하였다. 전기력과 탄성력을 고려하여 실린더의 지름을 예측할 수 있는 이론식을 도출하고 이를 실험과 비교하여 잘 일치함을 보였다.
본 연구에서는 자연계의 플래핑 날개의 반력 형성 메커니즘을 규명하고자 하는 시도로서, 플래핑의 가장 기본적인 형태인 회전 왕복 운동하는 날개 주변의 유동장과 추력 형성 메커니즘에 대해서 연구한다. 회전 왕복 운동하는 플래핑 날개 주위의 유동장을 다음의 두 가지 방법을 통하여 가시화 한다. 첫번째로는 플래핑 날개의 가장자리에 백금선을 설치한 후 지속적으로 수소 기체를 발생시키면서 플래핑 운동에 의해서 형성된 유동장을 따라서 움직이는 수소 기체의 궤적을 가시화한다(Figure 2).

대상 데이터

본 연구실은 서울대학교 공과대학 302동에 위치하고 있으며 2005년 설립되었고, 마이크로 스케일에서의 유체현상 중에서 일상생활과 밀접한 관련이 있으면서 겉으로는 공학적이라고 느끼지 못하는 문제를 과학적으로 분석하여 밝혀내는 것이 주요 연구 관심사이다. 뿐만 아니라 물 위에서 생활하는 소금쟁이, 대기 중에서 수분을 포집하여 생활하는 사막 딱정벌레 등과 같이 마이크로 유체역학과 밀접한 관련이 있는 생물체 및 자연현상을 관찰하고 해석하는 것도 중요한 연구 관심사이다.

이론/모형

본 연구에서는 각 물리 변수 값들이 주어져 있을 때, 전기 습윤 절연막에 전압을 인가하는 순간 시간이 지남에 따라 유체 계면이 어떻게 변할지 이론적으로 예측하고 실험과 비교하였다. 특히, 크기 스케일이 작음에 착안하여 관성(inertia)을 무시하고 계면의 속도, 접촉각과 계면 에너지와의 관계식과 영-라플라스식(Young-Laplace equation)을 이용하여 계면의 거동을 예측하였다.

성능/효과

결과적으로 동적 프리즘의 폭이 좁아질수록 계면 장력에 의한 효과가 커지기 때문에 간단한 분석으로도 계면의 거동을 예측할 수 있지만, 폭이 넓어질수록 관성(inertia)에 의한 영향으로 계면에 큰 wave가 생기고 본 이론 분석과 차이가 남을 확인하였다.
초음파 세정과정은 반도체 산업에서 포토마스크나 웨이퍼 세정에 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 그 세정원리에 대해서는 여러 가지 이론만 있었을 뿐 정확하게 밝혀진 바가 없었는데 본 연구실에서 최초로 초음파에 의한 세정공정에서 미세입자들이 제거되는 과정을 직접 관찰하여 미세기포의 운동이 반도체 세정에 중요한 역할을 함을 밝혔다. 또한 미세기포에 가해지는 가진 압력이 높을 때 반도체 패턴의 손상을 유발할 수 있다는 것을 가시화를 통해 입증하였다.
즉, 이와 같은 조건이었을 경우 변형 속도도 빠르다는 것을 알 수 있었다. 다만, 붕괴 속도에는 증발 속도가 상당히 중요한 변수로 작용하여, 앞서 소개한 조건들이 모두 뛰어나더라도, 증발 속도가 크게 느리면, 오히려 변형 속도가 더 느리게 되는 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구실에서는 이를 이론적으로 구체화하고, 온도에 대한 의존성을 추가 연구하여, 보다 합리적인 대안을 제시하였다.
그러나 그 세정원리에 대해서는 여러 가지 이론만 있었을 뿐 정확하게 밝혀진 바가 없었는데 본 연구실에서 최초로 초음파에 의한 세정공정에서 미세입자들이 제거되는 과정을 직접 관찰하여 미세기포의 운동이 반도체 세정에 중요한 역할을 함을 밝혔다. 또한 미세기포에 가해지는 가진 압력이 높을 때 반도체 패턴의 손상을 유발할 수 있다는 것을 가시화를 통해 입증하였다. 이를 응용하여 서로 다른 두 개의 진동판을 이용, 미세기포 생성과 진동구간을 구분해서 미세기포의 가진 압력을 최소화하면 반도체 패턴손상을 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 밝혔다.
이외에도 본 연구에서는 적심성이 불균일한 표면에서 일어나는 버블 생성 과정을 잘 가시화하였고, 이를 정성적으로 잘 설명하였다. 본 연구는 적심성이 불균일한 표면에서 일어나는 유체현상에 대해 가시화 결과를 제시하였다는점 그리고 패턴 표면에서 일어나는 다양한 현상에 대해 정성적 및 정량적으로 잘 설명하였다는 점에서 의의가 있고 본 연구에서 사용한 마이크로 액체 패터닝 기술은 고체 패터닝 기술에 국한된 기존의 전자 및 바이오산업에 저비용, 고속의 액체 패터닝이라는 새로운 길을 제시했다는 측면에서 실용적인 의미가 있다.
반도체 수율 향상 및 학문적인 기여 등을 고려해 볼 때, 이 분야의 보다 신뢰도 높은 이론적, 실험적 접근이 반드시 필요하고, 이에 따라서 적절한 패턴의 형상 및 세척액 등에 대한 최적의 선택이 반드시 필요하다. 실험을 통해서, 접촉각이 작을수록, 액체의 표면 장력이 크고, 패턴이 길고, 폭이 가늘며, 간격이 좁을수록 변형이 더욱 잘 일어남을 확인할 수 있었다. 즉, 이와 같은 조건이었을 경우 변형 속도도 빠르다는 것을 알 수 있었다.
또한 미세기포에 가해지는 가진 압력이 높을 때 반도체 패턴의 손상을 유발할 수 있다는 것을 가시화를 통해 입증하였다. 이를 응용하여 서로 다른 두 개의 진동판을 이용, 미세기포 생성과 진동구간을 구분해서 미세기포의 가진 압력을 최소화하면 반도체 패턴손상을 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 밝혔다. 이를 통해 초음파를 이용한 세정효율의 증가뿐만이 아니라 패턴손상률을 감소시킬 수 있을 것이라 기대한다.
이와 같은 현상은 충돌하는 액적의 부피가 충분히 작거나 혹은 친수환형의 안쪽, 바깥쪽 반지름이 충분히 클 때 일어나는 현상으로 그렇지 않을 때에는 최종 형상으로 Figure 9 (b)처럼 액체 렌즈를 이룬다. 이외에도 본 연구에서는 적심성이 불균일한 표면에서 일어나는 버블 생성 과정을 잘 가시화하였고, 이를 정성적으로 잘 설명하였다. 본 연구는 적심성이 불균일한 표면에서 일어나는 유체현상에 대해 가시화 결과를 제시하였다는점 그리고 패턴 표면에서 일어나는 다양한 현상에 대해 정성적 및 정량적으로 잘 설명하였다는 점에서 의의가 있고 본 연구에서 사용한 마이크로 액체 패터닝 기술은 고체 패터닝 기술에 국한된 기존의 전자 및 바이오산업에 저비용, 고속의 액체 패터닝이라는 새로운 길을 제시했다는 측면에서 실용적인 의미가 있다.
폴리머 액적에서 생성되는 나노젯을 날카로운 전극 팁에 집중시켜서 속이 빈 실린더 모양을 만드는 기술을 개발하였다. 전기력과 탄성력을 고려하여 실린더의 지름을 예측할 수 있는 이론식을 도출하고 이를 실험과 비교하여 잘 일치함을 보였다.

후속연구

이러한 새로운 개념의 나노 구조체 제작기술은 높은 aspect ratio를 가지는 구조체를 저렴한 비용으로 가공할 수 있는 길을 열었다는데 그 의의가 있다. 또한 나노자석, bioscaffold, 나노채널 등의 가공에도 응용할 수 있을 것이라 기대하고 있다.
본 연구에서는 수면 위에 정지해 있던 탄성체가 자체 내에 저장되었던 탄성에너지를 이용하여 수면 위로 튀어 오르는 현상에 대하여 이론적으로 예측하고 실험으로 검증하고자 한다. 이는 탄성체의 수면 도약 연구의 기초를 다질 뿐 아니라, 수면 도약 로봇 개발의 기반 지식을 제공할 것이다. 본 연구실에서는 지면 에서의 도약 후에 탄성체의 초기 변형 에너지가 진동, 운동, 위치, 소산에너지로 전달되는 과정을 이론적으로 도출하였고, 탄성체가 수면으로부터 전달받는 운동량을 이용하여 탄성체의 수상 도약 성능을 설명하는, 표면장력이 지배적인 특수한 경우에 대한 이론을 마련하였다.
이를 응용하여 서로 다른 두 개의 진동판을 이용, 미세기포 생성과 진동구간을 구분해서 미세기포의 가진 압력을 최소화하면 반도체 패턴손상을 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 밝혔다. 이를 통해 초음파를 이용한 세정효율의 증가뿐만이 아니라 패턴손상률을 감소시킬 수 있을 것이라 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기 중 수분회수란 무엇인가?	습한 공기를 응축시켜 물을 모으는 공기 중 수분회수는 액체상태의 물을 얻기 어려운 장소에서 물 부족 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있다. 본 연구에서는 비균질 응축이 일어나는 고체표면의 성질이 물의 응축 거동과 수분회수효율에 미치는 영향을 실험적으로 알아보았다.
	플래핑 운동의 예시는 무엇이 있는가?	플래핑 운동은 자연계에서 가장 흔하게 찾아 볼 수 있는 메커니즘 중 하나이다. 곤충이나 새들 날개의 운동이나 물고기가 헤엄칠 때 꼬리 지느러미의 운동 등이 그 대표적인 예이다. 본 연구에서는 자연계의 플래핑 날개의 반력 형성 메커니즘을 규명하고자 하는 시도로서, 플래핑의 가장 기본적인 형태인 회전 왕복 운동하는 날개 주변의 유동장과 추력 형성 메커니즘에 대해서 연구한다.
	회전 왕복 운동하는 플래핑 날개 주위의 유동장을 가시화 할 수 있는 방법은 무엇이 있는가?	회전 왕복 운동하는 플래핑 날개 주위의 유동장을 다음의 두 가지 방법을 통하여 가시화 한다. 첫번째로는 플래핑 날개의 가장자리에 백금선을 설치한 후 지속적으로 수소 기체를 발생시키면서 플래핑 운동에 의해서 형성된 유동장을 따라서 움직이는 수소 기체의 궤적을 가시화한다(Figure 2). 이때 카메라를 통하여 수소 기체의 pathline을 촬영하고, 이는 플래핑 날개의 운동에 의해서 형성되는 보텍스 구조를 보여주게 된다. 두 번째로는 수조 안에 수소 기체를 가득 채워놓고, 수소 기체 방울들의 움직임을 PIV 기법 으로 분석하여 플래핑 날개 주변의 속도장을 측정한다 (Figure 3). DPIV 기법을 통해서 얻어진 플래핑 날개 주변의 속도장을 분석하면 플래핑 날개 주변에 형성되는 와류의 형태와 강도를 측정할 수 있다. 플래핑 날개의 회전 왕복 운동에 의하여 두 가지의 와류 구조가 가시화되며(Figure 2 and 3), 이는 플래핑 날개가 방향을 반전(SRV; Stroke -reversal vortex)할 때와 플래핑 날개가 가속할 때 형성된다(APV; Acceleration -phase vortex).

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