경상국립대 황욱렬 교수 연구팀, 산업용 교반기로 액체 점탄성 측정하는 기술 개발

- 디스크형·터빈형·앵커형 교반기 3종에서 실험실 전용 레오미터와 일치하는 측정값 확인

- 시료를 채취하지 않고 공정 장비 자체를 물성 센서로 활용… 제조AI 전환 실시간 품질관리 가능

- 유변학 분야 국제학술지 《Journal of Rheology》 Featured Article 선정, 국내 특허 등록 완료

경상국립대학교(총장 권진회)는 기계항공우주공학부 황욱렬 교수 연구팀이 산업 현장에서 쓰이는 교반기(믹서)를 회전·진동시킬 때 발생하는 토크 신호만으로 액체의 점탄성을 측정하는 기술을 개발하고, 그 측정값이 실험실 전용 장비인 레오미터의 결과와 일치함을 실험으로 확인했다고 밝혔다.

점탄성은 물처럼 흐르는 성질(점성)과 고무찰흙처럼 원래대로 되돌아가려는 성질(탄성)을 동시에 갖는 물리적 특성이다. 배터리 전극 슬러리, 고분자 소재, 화장품, 식품, 의약품이 너무 묽거나 뭉치지 않고 균일한 품질을 유지하는지를 좌우하는 핵심 물성이다. 그러나 지금까지는 공정 중인 제품을 조금씩 떠서 실험실에 있는 고가의 전문 장비인 레오미터(rheometer)로 옮겨야만 측정이 가능했다.

산업 현장의 교반기를 그대로 쓰지 못한 것은 형상 때문이었다. 기존 유변학의 점탄성 측정 이론은 원뿔-판형, 평행판형처럼 단순한 형상의 측정 도구를 전제로 발전해 왔다. 반면 교반기 안에서 물질을 섞어 주는 날개인 임펠러(impeller)는 회전할 때 불균일하고 복잡한 유동을 만들어, 정량적인 점탄성 측정이 어려운 영역으로 여겨져 왔다.

연구팀은 임의의 형상을 가진 회전체가 액체 속에서 진동할 때 흔들린 각도와 토크가 어떤 관계를 갖는지를 이론으로 정리하고, 이를 디스크형·터빈형·앵커형 등 실제 산업용 교반기 세 종류에 적용해 실험으로 검증했다. 그 결과 형상이 서로 다른 세 교반기 모두에서 표준 레오미터(원뿔-판형, CP)와 잘 일치하는 점탄성 데이터를 얻었다 . 또한 물질 내부 구조가 부서질 만큼 크게 변형되는 대진폭 진동 전단(LAOS) 조건에서도 변형률의 크기를 일관되게 결정할 수 있어, 실제 생산 환경에 가까운 조건까지 측정 범위를 넓혔다.

이로써 시료를 따로 채취하지 않고 공정 장비 자체로 유체의 물성을 확인할 수 있는 경로가 열렸다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 지원으로 수행됐으며, 그 결과는 「Measurement of viscoelastic properties of a liquid using an immersed rotating body of a non-rheometric shape subjected to oscillatory shear」(제1저자 안혜진)라는 제목으로 7월 1일 국제학술지 《Journal of Rheology》(70권 4호 935~947쪽)에 게재됐다. 이 논문은 편집진이 그달의 주목할 만한 연구에 부여하는 Featured Article로도 선정됐다.

이번 성과에는 앞선 연구가 있다. 연구팀은 지난 2월 회전체가 들어 있는 유동을 2차원 점탄성 수치해석으로 모사해, 복잡한 형상의 임펠러로도 점탄성 물성을 역으로 찾아낼 수 있다는 점을 계산으로 먼저 확인했다. 이번 《Journal of Rheology》 논문은 그 이론을 실제 실험 데이터로 입증한 후속 성과에 해당한다. 선행 연구는 「Identification of viscoelastic properties in non-rheometric flows by two-dimensional viscoelastic simulations with a rotating object」(제1저자 유현동)라는 제목으로 2월 18일 국제학술지 《Physics of Fluids》(38권 2호 023111)에 게재됐다.

연구팀은 이 기술로 국내 특허 등록을 마쳤고, 미국 특허 출원 절차를 진행하고 있다. 현재는 배관 속을 흐르는 유체의 점탄성을 실시간으로 측정하는 인라인(in-line) 모니터링 기술과, 저장조 및 공정 유체 풀(pool) 내부를 측정하는 기술로 연구를 넓히고 있다. 공정 장비가 스스로 물질 상태를 감지하게 되면 배터리, 화학, 식품, 화장품, 바이오 등 여러 공정에서 유체 물성을 실시간으로 파악하고 제어하는 기술, 나아가 장비가 스스로 판단하고 제어하는 AI 제조 전환(AIX·AI Transformation)의 기반 기술로 이어질 수 있다.

황욱렬 교수는 "기존에는 공정 중인 유체의 물성을 확인하기 위해 시료를 채취해 실험실에서 측정해야 했지만, 이번 연구는 실제 양산공정 장비 자체를 측정 센서로 활용할 수 있음을 보여준 것"이라며 "산업용 교반기가 단순히 혼합 장치를 넘어 유체의 물성을 실시간으로 감지하는 센서 역할을 수행할 수 있다는 점에서 의미가 크다. 앞으로 배관 내 유동과 유체 풀 내부로 측정 범위를 넓혀, 공정 전반의 물성을 실시간으로 관리하는 기술로 발전시키겠다”라고 밝혔다.

■ 주요 용어

·점탄성: 물처럼 흐르는 성질(점성)과 고무찰흙처럼 원래대로 되돌아가려는 성질(탄성)을 동시에 가진 물리적 특성. 배터리 전극슬러리나 고분자, 화장품, 전자재료 등이 너무 묽거나 뭉치지 않고 균일한 품질을 유지하게 만드는 핵심 물성.

·레오미터: 액체와 고체의 중간 성질을 가진 복잡한 물질의 점탄성을 정밀하게 측정하는 고가의 전문 분석 장비.

·임펠러: 산업용 믹서(교반기) 내부에서 회전하며 물질을 골고루 섞어 주는 '날개(패들, 프로펠러, 앵커 등)'를 의미. 본 연구는 섞어 주는 날개 자체를 물성 측정 센서로 활용하는 세계 최초의 기술.

■ 논문 정보

〈연구 1〉 제1저자 안혜진 / 교신저자 황욱렬

https://doi.org/10.1122/8.0001007 

〈연구 2〉 제1저자 유현동 / 공동저자 최현우 / 교신저자 황욱렬

https://doi.org/10.1063/5.0310457 

■ 특허 정보

· 발명의 명칭: 임의 형상의 회전체를 이용한 유체의 유변물성 측정 시스템 및 방법

· 국내: 등록번호 제10-2893338호(출원번호 제10-2023-0078029호, 출원일 2023년 6월 19일, 등록일 2025년 11월 26일)

· 특허권자: 경상국립대학교 산학협력단

· 미국: 출원번호 19/478,643 (출원일 025년 10월 24일)

·사진 설명: 경상국립대 황욱렬 교수 연구팀(사진 왼쪽부터 안혜진 박사(현 삼성SDI), 기계항공우주공학부 유현동·최현우 박사과정, 기계항공우주공학부 황욱렬 교수)

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