서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 전기정보공학부 김성재 교수, 기계공학부 김호영 교수 공동연구팀이 다층 종이 채널에서의 계층적 모세관 현상에 의한 유체 침투를 이용해 저농도 물질을 고농도로 농축하는 새로운 나노전기수력학적 방법을 개발했다고 16일 밝혔다.

나노전기수력학적 현상 중 하나인 이온농도분극은 외부 전압을 가하면 이온선택성 막 근처에서 이온이 분극되는 현상으로, 이를 이용해 마이크로 채널 내에서 저농도 물질을 빠르고 효율적으로 농축할 수 있어 저농도로 존재하는 생체물질의 조기 진단이나 분석 등의 분야에 유용하게 적용될 수 있다.

셀룰로오스 기반의 종이는 저가의 물질로써 코로나 검사 키트와 같이 현장 진단 및 분석에 활용되는데, 다공성 구조물로 제작이 저렴하고 이온농도분극으로부터 나타나는 와류를 억제할 수 있다. 하지만 종이 기반의 분석/검출 장치에서는 농축되는 물질이 분산돼 일정 농축 비율 이상 도달할 수 없는 한계점이 있었다.

공동연구팀은 이번에 다층 종이 채널을 사용해 이러한 문제점을 해결했다. 공동연구팀은 여러 겹의 종이를 쌓아서 다층 구조를 만들어 유체의 계층적인 모세관 현상에 의한 유체의 침투 거동을 이론적/실험적으로 검증하고, 이 흐름을 응용해 다층 종이 기반 장치에서 단일 종이 채널보다 10배 이상의 농축 효과를 달성하는 데 성공했다.

김성재 교수는 “종이 채널을 이용한 나노전기수력학적 농축법은 저비용이면서도 고효율적인 분석 기술로, 이번 연구가 현장 진단 분야의 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

김호영 교수는 “다층 종이 채널에서의 계층적 모세관 현상에 의한 유체 침투 거동을 면밀히 고찰하고, 이를 기반으로 종이 기반 유체장치의 최적 설계를 도출해 이를 실험적으로 검증한 과학적 연구와 현장 응용 사이의 성공적인 융합을 보여주는 결과”라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 나노 과학 기술 분야의 국제 권위 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 15일 자로 게재됐다.

이푸름 기자