UNIST(총장 이용훈)는 김태성 기계항공 및 원자력공학부 교수팀이 용액 미세입자의 움직임을 조절하는 소형장치를 개발했다고 28일 밝혔다. 

나노미터(㎚)에서 마이크로미터(㎛)에 이르는 다양한 크기의 미세입자를 제어하는 기술은 많아지는 추세다. 그러나 주로 고압과 전자장치 같은 외부 장치가 필요해 현장에 적용하기는 힘들다.

연구팀이 구현한 '확산영동' 기술은 외부 동력 없이 자연적으로 발생하는 힘을 조절해 미세입자를 제어할 수 있다. 확산영동 기술에서 미세입자는 삼투압과 전기장에 의한 힘을 받는다. 

삼투압은 용액 내 미세입자를 이온의 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동시킨다. 전기장에 의한 미세입자의 이동 방향은 사용하는 전해질 종류에 따라 바뀐다. 예를 들어 소금(NaCl)의 경우 음전하를 띠는 미세입자는 이온 온도가 높은 곳(양극)으로 이동한다. 반면 양이온의 확산 속도가 빠른 전해질을 사용할 경우 전기장의 방향이 반대로 변해, 음극으로 이동하려는 힘이 생긴다.

연구팀은 이온만 통과할 수 있는 크기의 나노채널을 이용해 두 가지 힘을 효과적으로 제어하는 미세유체장치를 만들었다. 장치는 전해질 이온 농도 차이에서 비롯된 힘으로 작동된다.

장치 내에서 삼투압과 전기장에 의한 힘의 방향이 같으면 입자가 농축되고, 힘이 반대 방향이면 전기력에 의해 농축된 미세입자가 추출된다. 연구팀은 장치를 이용해 소금물 내부에 1㎛ 음전하를 띠는 미세입자를 1시간 동안 300배 농도로 농축했다. 전해질 종류를 바꿔 전기장 방향을 반대로 돌리면 농축된 미세입자를 10분 내로 추출할 수 있었다.

이 장치는 다양한 크기의 미세입자가 뒤섞인 세포에서 특정 성분만 골라내 분석하는 데 쓰일 수 있다. 오염수 성분을 파악하거나 반도체에 쓰이는 양자점 재료를 같은 크기별로 골라낼 때도 가능하다. 

제1저자인 하도경 연구원은 "미세입자의 크기에 따라 전기장과 삼투압의 영향이 달라지기 때문에 한 종류의 입자를 농축·추출하는 것뿐만 아니라 서로 다른 크기의 미세입자를 효과적으로 분리하는 것도 가능하다"고 설명했다.

김태성 교수는 "전해질 이온을 미세하게 조절해 미세입자의 움직임을 제어하는 확산영동을 실험적으로 입증한 결과라는 점에서 의미가 크다"라며 "이 장치는 제작과 작동이 간편하고 외부 동력도 필요 없어 가혹한 환경이나 개발도상국 현장에서 환경 상태를 진단하는 일에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 에이씨에스 나노(ACS Nano) 10월 10일 자 온라인판에 실렸다.