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동식물 생존전략에서의 미세유체역학 및 친환경 응용기술개발
김승호 (Seungho Kim)(부산대학교 기계공학부 조교수) / seunghokim@pusan.ac.kr

 

사업명: 친환경 스마트 선박부품 기술 혁신센터

연구기관: 부산대학교 기계공학부 

유형: RLRC 선도연구센터

연구책임자: 김경천 센터장 / kckim at pusan.ac.kr 

 


1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

저는 마이크로 유체역학 및 생체역학에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 마이크로 스케일에서 유체는 중력과 같은 체적힘 대비 표면장력과 같은 표면힘이 중요하고, 매크로 스케일에서 보고되지 않은 새로운 유체 현상을 관측할 수 있습니다. 저는 마이크로 스케일에서 기존에 관측되지 않은 새로운 유동 현상을 발견 및 해석하고, 해당 현상이 다양한 동식물의 생존전략에 어떻게 적용되는지 규명하는 기초연구를 수행하고 있습니다.


2. 빗방울이 생물학적 표면(새 깃털, 곤충 날개, 식물 잎)에 낙하했을 때 물방울이 자발적으로 파괴되어 파편화되는 복잡한 액적 충돌 역학을 규명하신 걸로 알고 있습니다. 이에 대한 설명을 부탁드립니다.

빗방울의 온도는 동물의 피부온도보다 상대적으로 낮습니다. 사람의 경우 비 오는 날 우산 없이 장시간 비를 맞게 된다면 저체온증에 걸릴 위험이 있는데 반해, 다양한 동물들은 비 오는 날 비를 맞음에도 불구하고 저체온증을 피하며 생존하는 걸 알 수 있습니다. 또한 곤충들은 날갯짓을 위해 체내에서 일정 온도 이상 유지해야 한다고 알려져 있는데, 빗속을 잘 비행하며 생존하는 걸 알 수 있습니다. 사람과 달리 많은 동물들의 피부에는 특수한 미세구조와 물에 젖지 않는 발수 성질을 갖고 있는데, 본 연구에서는 해당 특성으로 빗방울이 동물 피부에 닿자마자 피부로부터 이탈하는, 즉 저온의 빗방울과 고온의 피부가 열교환이 일어나기 전에 이탈하는 현상을 발견하고 규명하였습니다(FIG. 1).


상기 현상의 메커니즘을 규명하기 위해 물리 모델 실험을 수행하여, 빗방울의 낙하 속도가 충분히 클 경우, 빗방울이 표면에 닿자마자 산산조각 나며 폭발하는 현상을 재현하였습니다(FIG.2). 이에 대한 원리는 다음과 같습니다. 물방울이 고체 표면과 충돌 후, 고체 표면의 미세구조물에 의해 물막 윗면에 충격파와 모양이 유사한 V-shape의 Wave 가 형성됩니다(FIG.2 두 번째 사진). Wave의 기저점과 고체 표면의 마이크로 구조물이 만나게 되면 물막에 구멍이 뚫리고(FIG.2 세 번째 사진), 물막은 터져 찢어지게 됩니다(FIG.2 네 번째, 다섯 번째 사진).



본 연구에서는 빗방울이 산산조각 나는 임계 충돌 속도가 마이크로 구조물의 1/2 지수승에 반비례한다는 것을 알 수 있었고, 다양한 동물들은 상기 메커니즘을 이용하여 0.01초의 짧은 시간 안에 빗방울을 피부로부터 털어내 저체온증을 방지한다는 사실을 발견하였습니다.

(비디오 참조: 실험 영상 소개 및 Cornell 대학교 Sunny Jung 교수님의 인터뷰)




3. 떨어지는 빗방울에 곰팡이 포자 같은 식물 병원체를 분산시키는 과정도 규명하신 걸로 알고 있습니다. 공기 소용돌이의 도움으로 포자의 최대 이동거리와 포자의 궤적을 예측하는 연구에 대한 설명을 부탁드립니다.

비가 내리면 대기 중 먼지가 제거된다는 것이 통설이지만, 먼지의 입자크기가 작아질 경우 상황은 바뀔 수 있습니다. 10 μm 이하의 작은 생체 입자는 비가 온 직 후 대기 중 농도가 급증한다고 알려져 있는데, 근본 메커니즘은 규명되지 않았습니다. 본 연구에서는 병든 밀잎을 사용하여 비 온 후 대기 중 생체 입자 농도가 급증하는 원리 및 병균입자의 장거리 확산 원리에 대해 규명하였습니다. 먼저, 10 μm 병균 입자로 감염된 밀잎을 준비하여 해당 표면에 빗방울 충돌 실험을 수행하였고, 빗방울 충돌 모멘텀으로 대기 중으로 수천 개의 밀잎병균 입자들이 소용돌이치며 비산하는 기이한 입자 유동을 관측하였습니다.

(비디오 참조: : https://www.youtube.com/watch?v=OC2Z6J4NThw&;t=1s)



Glass particle을 사용한 물리 모델 실험을 수행하여 입자 크기가 10 μm 이하로 작을 경우, 소용돌이 입자유동을 구현할 수 있음을 가시화하였습니다(FIG. 3a). 빗방울 충돌에 의해 대기 중 공기유동이 발생한다고 가정하고 Smoke visualization 실험을 수행하여, 빗방울 충돌 후 빗방울의 퍼짐에 의해 대기 중에 공기 와류 유동이 형성된다는 것을 발견하였습니다(FIG. 3b).



10 μm 이하의 병균 입자는 매우 가벼워 주위 공기 유동을 잘 따르기에, 빗방울 충돌 시 식물 병균 입자들이 주위 공기 와류 유동을 따라 소용돌이치며 비산한다는 것을 이론 및 실험을 통해 검증하였습니다. 마지막으로, 공기 와류의 도움으로 병균 입자는 식물 잎의 점성 경계층(속도가 낮고 외부 유동에 영향을 받지 않는 영역)을 탈출할 수 있어, 바람과 같은 외부 유동을 따라 수 km 이상 비행할 수 있다는 병균입자의 장거리 수송 메커니즘을 규명하였습니다.


4. 초고속으로 떨어지는 물방울이 느슨한 고체 입자(먼지,토양, 포자나 꽃가루)에 떨어지는 경우 코로나 스플래싱(Corona splashing)의 임계 충격속도(Critical impact velocity)를 낮춘다는 현상을 발견하신 걸로 알고 있습니다. 이에 대한 자세한 내용 설명을 부탁드립니다.

파티클로 충분히 덮인 고체 표면에 물방울 충돌 시, 고체 표면 위를 퍼지는 물막 전면부가 떠오르는 현상을 발견하였습니다(FIG. 4b). 고체 표면에 충돌 후 되튀려는 물막의 관성힘이 중력힘·점성힘을 이겨 발생하는 현상으로, 왕관 모양을 닮았다는 점에서 Crown splash 혹은 Corona splash 라고 합니다(FIG. 4a). 해당 현상은 물방울의 충돌 속도가 매우 높은 고체 표면 위 충돌에서 발생한다고 알려져 있습니다. 본 연구에서는 고체 표면에 파티클이 덮여 있을 경우, 파티클이 Corona splash 가 일어나는 물방울 임계 충돌 속도를 현저히 낮출 수 있음을 규명하였습니다.



이에 대한 원리는 다음과 같습니다. 물방울이 고체 표면을 따라 퍼지며 물방울 앞단에 고체 표면을 따라 퍼지는 빗방울의 영향으로 파티클이 바깥으로 밀려나가 파티클이 뭉치며 쌓이게 됩니다(FIG. 5). 이때 뭉친 파티클에 의해 빗방울의 수평이동을 저해하는 저항 힘이 발생하는데, 이로 인해 어느 순간 빗방울은 수평방향으로 이동하는 대신 고체 표면 위로 떠올라 Corona splash가 일어나게 됩니다.



본 연구는 파티클로 덮인 고체 표면 위 물방울 충돌의 새로운 유동현상을 밝혔다는 점에서 의의가 있고, 수인성 전염병 확산 과정 및 토양침식과정을 이해하는 데 기초연구로 활용될 수 있다는 점에서 의의가 있습니다.


5. 주로 빗방울과 생체 표면 및 입자와의 반응에 대한 연구를 진행하고 계시는데요. 이러한 연구를 진행하게 된 계기와 활용 가능성 등에 대해 이야기해 주신다면?

박사 과정을 수학하는 동안 마이크로 스케일 유체역학, 그중에서도 작은 물방울의 유체역학적 거동에 대해 깊은 관심을 가지고 공부하였습니다. 매크로 스케일 유체 대비 역사가 짧았고, 매크로 스케일 세상에서 통용되던 법칙이 더 이상 유효하지 않아 새롭고 예측 밖의 현상을 많이 관측할 수 있어 즐겁게 연구를 수행하였고 해당 분야에서 박사 학위를 취득하였습니다. 박사 졸업 후 박사 후 과정으로 코넬대학교의 Sunny Jung 교수님께서 지도하시는 Bio-Inspired Fluid Lab 그룹에 합류했고, 지도 교수님과 많은 대화를 통해 해당 연구주제들을 선별하였습니다. 현재 저희 팀은 미세 액적과 다양한 생체 표면?입자와의 상호작용에 대한 기초연구 외에도 미세 액적을 이용하여 미세먼지, 분진, 병균입자를 거르기 위한 신개념 필터 개발과 같은 응용기술 개발을 하고 있습니다. 이와 같은 연구는 친환경 및 감염병이 키워드가 되는 현대 시대에 기초연구로서 매우 중요한 역할을 하리라 생각합니다.

6. 현재 친환경스마트선박부품기술혁신센터에서도 참여하고 계신 걸로 알고 있습니다. 이사업과 관련해서 어떤 연구를 하고 계신지 궁금합니다.

미세 액적을 이용하여 미세먼지 배출 Zero 화 선박용 필터 개발을 위한 연구를 수행하고 있습니다(FIG. 6). 선박에서 발생하는 미세먼지의 대다수는 석탄 분진으로 구성돼 있는데, 해당입자는 물에 잘 젖지 않는 소수성에 가까운 성질을 가지고 있습니다. 실험을 반복하여 특정 조건에서 물 액적을 이용하여 석탄 분진을 포획할 수 있음을 구현하였으며(FIG. 6b), 현재 사이클론 집진기를 이용하여 물 액적에 부착된 미세먼지를 분리하는 연구를 수행중 입니다. 본 연구는 친환경 선박 구현에 직접적으로 활용될 수 있으리라 기대하고, 나아가 병균 입자의 비말 흡착 원리 규명 등에 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.



7. 영향을 받은 연구자가 많으실 거 같습니다. 어떤 연구자분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

박사과정 지도 교수님이신 서울대학교 김호영 교수님께 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 여러모로 부족한 저를 성장할 수 있도록 일대일 연구지도를 지속적으로 해주셨고, 창의성∙차별성​이 있는 높은 가치의 연구성과를 도출할 수 있도록 계속적으로 독려해 주셨습니다. 연구를 수행하면서 수많은 실패를 경험하였지만, 지도 교수님의 세심한 관심과 배려로 연구에 집중할 수 있었고, 다수의 연구를 완수하며 성장할 수 있었습니다.


박사 후 과정 지도 교수님이신 코넬대학교 Sunny Jung 교수님께도 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 한국을 떠나 타지 생활이 처음이었는데, 연구 외적 부분까지 많은 도움을 주셔서 빠르게 정착하였고, 연구에 몰입할 수 있었습니다. 면담 요청 시 언제든 시간을 내주셨고, 다수의 학부인턴·대학원생에게 멘토링 경험 그리고 타과 교수님들과의 협업 기회를 주셔서 독립적인 연구자가 되는 데 큰 도움을 주셨습니다.

마지막으로 제가 속했던 서울대학교 Microfluids & Soft Matter Laboratory 그리고 코넬대학교 Bio-Inspired Fluid Lab의 동료 연구원분들께 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 주위에 뛰어난 동료들 덕분에 연구를 수행함에 있어 질 높은 조언을 항상 받을 수 있었습니다.



8. 연구 활동하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

기존에 보고되지 않은 새로운 현상을 발견하고 근본 메커니즘을 해석하는 기초연구를 수행하는 데 큰 보람을 느꼈습니다. 가시적으로 무언가를 제작하는 연구를 수행한 것이 아니기에, 잘못된 가정에서 모델링을 수행했을 때 길게는 1년 이상의 시간을 허비하는 등의 실패를 경험했습니다. 거듭된 노력으로 과학적 진실을 규명했을 때 엄청난 희열과 성취감을 느꼈습니다. 향후 기초연구와 더불어 응용기술 개발까지 수행하여 주위 연구자 뿐 아니라 대중들에게도 긍정적인 영향을 주는 연구자가 되고 싶습니다.


9. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

마이크로 유체역학 분야는 매크로 유체역학 분야 대비 그 역사가 짧아 현상 규명에 해당하는 기초연구 그리고 이를 활용한 응용기술 개발까지 연구자들이 할 일이 매우 많습니다. 본인의 지적 호기심에 따라 연구분야를 선정 가능하고, 어느 분야와도 융합이 가능한 분야이기에 많은 신진연구자분들께서 유입되어 마이크로 유체역학 분야의 새로운 비전 및 삶을 이롭게 할 응용기술까지 제시해 주시길 기대합니다.


10. 다른 하시고 싶은 이야기들.

과학기술이 고도화 됨에 따라 전문화된 지식을 갖추고 다양한 시각에서 문제 해결을 하는 것이 필요하다고 생각합니다. 이에, 기계공학 전공의 많은 학부생들이 대학원에 진학하여 ‘전문성’이라는 본인의 핵심가치를 발굴했으면 합니다. 그 과정이 쉽지는 않겠지만, 가보지 않은 길과 실패를 두려워하지 않고 작은 성과에 만족하며 열정적으로 본인의 길을 묵묵히 가다 보면, 언젠가 차별성 있는 본인의 핵심 무기를 갖출 수 있으리라 생각합니다.


* 김승호 교수의 최근(대표) 논문들.

-S. Kim, B. Wu, J. J. Dombroskie, E. Esmaili, and S. Jung, “How a raindrop gets shattered on biological surfaces,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 117, 13901-13907 (2020).

-S. Kim, H. Park, H. A. Gruszewski, D. G. Schmale, and S. Jung, “Vortex-induced dispersal of a plant pathogen by raindrop impact,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 116, 4917-4922 (2019).

-S. Kim, J. Kim and H.-Y. Kim, “Dewetting of liquid film via vapour-mediated Marangoni effect,” Journal of Fluid Mechanics, 872, 100-114 (2019).

-S. Kim, J. Kim, and H.-Y. Kim, Formation, “Growth and saturation of dry holes in thick liquid films under vapor-mediated Marangoni effect,” Physics of Fluids, 31, 112105 (2019).

-S. Kim, M.-W. Moon, and H.-Y. Kim, “Liquid spreading along nanostructured superhydrophilic lanes,” Physical Review Fluids, 6, 034002 (2021).


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