초록 ▼

본 연구는 고분자 용융액 및 솔루션, 입자현탁액, 슬러리, 액적계 등 유변학적 복잡유체의 교반유동연구와 교반기술 향상기법개발을 목표로 수행되었다. 복잡유체 교반은 화학, 고분자, 전자재료, 화장품, 식품, 페인트 등 산업전반에서 핵심적인 공정기술이지만, 복잡유체의 미세구조와 유동간의 상호작용에 의해 고점성, 전단담화 및 항복응력 등 유변학적 물성에 의해 교반성능이 현격하게 제한된다. 본 과제는 이러한 기술적 문제에 대해 유체역학, 유변학 및 비선형동역학(카오스) 이론의 학문적 접근을 통해 유동현상을 규명하고 해결책을 제시하고자 수행

본 연구는 고분자 용융액 및 솔루션, 입자현탁액, 슬러리, 액적계 등 유변학적 복잡유체의 교반유동연구와 교반기술 향상기법개발을 목표로 수행되었다. 복잡유체 교반은 화학, 고분자, 전자재료, 화장품, 식품, 페인트 등 산업전반에서 핵심적인 공정기술이지만, 복잡유체의 미세구조와 유동간의 상호작용에 의해 고점성, 전단담화 및 항복응력 등 유변학적 물성에 의해 교반성능이 현격하게 제한된다. 본 과제는 이러한 기술적 문제에 대해 유체역학, 유변학 및 비선형동역학(카오스) 이론의 학문적 접근을 통해 유동현상을 규명하고 해결책을 제시하고자 수행되었으며, 연차별로는 다음과 같이 진행되었다. 1차년도에는 항복응력을 가진 점소성 유체의 비항복영역 예측을 위한 실험과 시뮬레이션을 및 능동유동제어를 위해 미세패턴을 적용할 경우에 대해 유효미끄럼 Navier-Slip 텐서에 대한 연구를 진행하였다. 2차년도에는 미세패턴을 이용한 교반성능향상기법에 대한 연구와 복잡유체 교반기 유동의 정량화(에너지소산율 및 점도)를 수행하였으며, 마지막 3차년도에는 산업적 적용을 위해 복잡유체에 대한 앵커임펠러 유동해석 및 시뮬레이션 수행, 미세패턴을 이용한 튜브믹서 교반성능향상에 대해 연구하고, 추가적으로 일반적인 입구와 출구가 있는 복잡유체 연속유동장의 정량화 연구를 수행하였다. 본 연구의 주요성과는 다음과 같이 정리될 수 있다.
ㅇ 미세패턴을 이용한 국부적 유동제어의 유효슬립텐서 모델링과 이를 이용한 교반성능향상(세계최초): 층류영역의 복잡유체의 교반에서 벽면유동특성을 조절하는 방법으로 미세패턴을 주어 ‘유효슬립'(effective slip)을 일으켜 유동패턴의 변화로 교반성능의 향상을 이룰 수 있다. 본 연구에서는 세계최초로 미세패턴의 효과를 텐서형 Navier-slip으로 모델링하고, 쉽게 수치해석하는 기법을 개발하였으며, 실험적으로 낮은 레이놀즈 수의 고점도 유동에서 매우 효과적으로 유동제어가 가능함을 보였다. 연구 결과는 미국 화학공학회지(AIChE Journal)에 게재되었고, 4건의 국내특허출원 및 1건의 국내특허 등록하는 성과를 올렸다.
ㅇ 복잡유체 교반의 유동 및 교반성능해석을 위한 플랫폼 개발: 고립혼합영역(isolated mixing region), 비항복영역(unyield region), 레이놀즈 수에 따른 에너지소산율 특성, 교반기에서 토크측정을 통한 in-situ 점도측정 등 유변학적 복잡유체의 교반에서 주요한 연구를 수행하기 위해 이론적, 실험적 및 수치해석적 플랫폼을 구축하였다. 이는 COMSOL기반의 복잡유체 유동해석, 임펠러 토크측정, 푸앙카레단면, 레이저유도형광 등의 기법이 복합적으로 사용되며, 이를 통해 다양한 임펠러에서의 점소성 유체에서 비항복영역 예측, 앵커임펠러의 교반성능향상 및 앵커임펠러 교반기의 점도측정 등의 연구를 수행하였다.
ㅇ 에너지보존관점에서 일반화된 연속적 유동장 정량화 기법개발: 복잡유체 교반에 대한 연구를 통해 교반기에서 적용되는 에너지소산율 기반의 Metzner-Otto 기법과 유사하게 입구와 출구가 있는 일반적인 형상에 대해 공통적으로 적용되는 연속적 유동장의 정량화 기법(유효점도, 유효레이놀즈 수, 토출 특성 등)을 개발하였으며, 이 연구를 바탕으로 2016년 5월 한국연구재단 중견연구자과제(“유변학적 복잡유체 유동의 유효점도, 에너지소산 및 유량-압력강하에 대한 보편적 정량화 기법에 대한 연구”)에 선정되어 추가연구를 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.
ㅇ CHO세포손상제어를 위한 바이오리엑터 공정조건설정: CHO세포를 이용한 제약용 바이오리엑터에서 유동응력에 의한 세포손상응력 측정 및 세포손상방지를 위한 Sparger 설계 및 운용기법을 개발하였다. 이 연구를 통해 바이오시밀러 제조의 수율향상 및 고밀도 세포배양이 가능하게 하는 자체기술이 개발 되었으며, Lab on a Chip의 2016년 신년호 표지 논문으로 선정되었다. (아주대 김주민 교수 공동연구)

본 연구과제 수행을 통해 SCI급 논문 7편 게재, 국내특허 6건 출원(1건 등록), 국제학술대회 14회 발표, 국내학술대회 11건 발표 및 석사3명 배출(이동현, 장혜경, 보타인틴)을 수행하였으며 외의 추가적인 성과는 다음과 같다.
ㅇ 수상실적 3회: 연구책임자, 장혜경/조해진 석사과정의 학회 및 학술대회 수상(국제학술대회 포함)
ㅇ 교반기술협의회 운영: 교반기술강좌 개최(2013, 2014), 교반기술심포지움 개최(2016)
ㅇ 국제학회 초청강연 2회: 2016년 일본화학공학회 초청강연 및 2016년 국제교반학회 초청강연
ㅇ 언론보도 2건: CHO세포 배양 바이오리엑터 공정조건설정 연구에 대한 조선일보 등 언론보도 및 조해진 군의 국제학술대회 우수논문상 수상관련 경남일보 보도
ㅇ 국제공동연구: 국제공동연구 3건(미국 델라웨어 대학, 스웨덴 Lulea 공대, 중국 강소대학) 및 해외학자 유치 3건(오사카 대학 Hirata 교수, 버밍햄 대학 Nienow 교수 및 룰레오 공대 Lundstrom 교수)
(출처:요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
• Ⅲ. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 16