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다공성 재료의 형태는 전자기기, 에너지 저장, 생의학용 임플란트, 수질정화, 공기정화, 폐수처리, 복합재료 등과 같은 많은 다양한 분야에서 많은 관심을 갖고 있다.
다공성 구조를 형성할 수 있는 다양한 방법들이 존재하지만, 지난 20년 동안 과학자들의 관심을 꾸준히 끌어오고 있는 것 중의 하나가 동결주조방식(ice-templating)이다.
동결주조방식은 명확하고 정렬된 구멍이 있는 다공성 물질을 제조하는 간단하면서도 비용-효과적인 방법이기 때문이다.


이 방법은 수용액 혹은 수용성 현탁액(aqueous suspension)의 지향성 응고(directional solidification)를 기반으로 하는 것으로, 한쪽 경계에서 현탁액/수용액을 단순히 냉각시킴으로써 응고화시킬 수 있다.
얼음-결정 성장의 특성으로 인해, 물 속에 용해되거나 부유 상태로 있는 입자는 응고가 이루어지는 과정 중에 얼음으로부터 배제된다.
이는 특정 영역으로의 입자의 축적을 의미하며, 곧 입자상과 얼음-라멜라(lamellae)가 교대로 이루어지는 구조를 형성하게 된다.


동결된 샘플에서의 얼음은 동결건조방법으로 제거하면, 이전에 물 속에 용해되거나 현탁된 상태로 있었던 물질로 구성된 다공성 구조가 생성된다.
비록 이 과정을 실험실적으로 수행하는 것은 간단하지만, 물리적 과정의 상당 부분이 아직 명확히 밝혀지지 않은 상태이다.
지금까지 이 과정의 모든 이론적 과정이 다 실험실적으로 검증된 것은 아니다.


독일 예나 프리드리히 실러 대학교(Friedrich Schiller University Jena) 산하 오토쇼트 재료연구소(Otto Schott Institute of Material Research, OSIM) 및 에너지 환경화학 연구소(Center for Energy and Environmental Chemistry, CEEC)의 두 연구팀은, 최근 동결주조방식을 더 잘 통제하기 위한 공동연구를 진행하였다.


동결주조방식에 의해 제조된 재료의 구멍의 크기는 수용액 시스템에서 응고화가 발생하는 속도와 직접적인 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

따라서 동결주조 과정 동안의 속도를 다변화함으로써, 샘플 높이에 따라 다양한 구멍 크기를 갖도록 할 수 있다.
샘플을 냉각시키고 응고화를 발생시키기 위해 수용성 샘플의 한쪽 경계에 시간-의존성 온도를 적용하는 것과 같은 지수냉각함수(specific exponential cooling function)를 적용함으로써, 프리드리히 실러 대학 과학자들은 미리 지정되고 일정한 속도(ice-front velocity)로 지향성 응고화가 일어날 수 있음을 보여주었다.


실험에서 정확한 속도는, 샘플 재료의 열적 특성으로부터 냉각 함수를 계산함으로써 성공적으로 예측할 수 있었다.
비록 이전 연구에서 지수 냉각 함수의 사용이 전체 샘플 높이에 따라 균일한 구멍 크기를 만들어 낼 수 있음을 보여준 바 있지만, 본 연구에서는 직접적으로 시간에 따른 얼음 형성을 측정했을 뿐만 아니라 과정에 대한 상세한 이론적 설명 및 토의가 이루어지고 있다.


지수 냉각 함수에 대한 완벽한 수학적인 해석을 제공하고 있으며, 일정한 속도로 달성할 수 있는 최대 샘플 높이를 계산할 수 있도록 수학적 공식도 제공하고 있다.
본 연구는 동결주조 과정을 통해 맞춤형 다공성 물질을 생산할 수 있는 부가적인 수단을 제공해 주고 있다.

위 자료는 KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』의 발표자료를 요약한 것이다.

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