Geometrical Design and SLIPS Lubrication for Enhancement of Negative-pressure-driven Internal Flow Rate in Metal Pipes

금속관 내부의 음압유량 향상을 위한 기하학적 디자인 및 SLIPS 윤활

Abstract

Metal pipes are used in a wide range of applications, from plumbing systems of large construction sites to small devices such as medical tools. When a liquid is enforced to flow through a metal pipe, a higher flow rate is beneficial for higher efficiency. Using high pressures can enhance the flow rate yet can be harmful for medical applications. Thus, we consider an optimal geometrical design to increase the flow rate in medical devices. In this study, we focus on cannulas, which are widely used small metal pipes for surgical procedures, such as liposuction. We characterize the internal flow rate driven by a negative pressure and explore its dependence on the key design parameters. We quantitatively analyze the suction characteristics for each design variable by conducting computational fluid dynamics simulations. In addition, we build a suction performance measurement system which enables the translational motion of cannulas with pre-programmed velocity for experimental validation. The inner diameter, section geometry, and hole configuration are the design factors to be evaluated. The effect of the inner diameter dominates over that of section geometry and hole configuration. In addition, the circular tube shape provides the maximum flow rate among the elliptical geometries. Once the flow rate exceeds a critical value, the rate becomes independent of the number and width of the suction holes. Finally, we introduce a slippery liquid-infused nanoporous surface (SLIPS) coating using nanoparticles and hydrophobic lubricants that effectively improves the flow rate and antifouling property of cannulas without altering the geometrical design parameter.

Nomenclature

A : Cross section area (m²) (단면적)

D_h : Hydraulic diameter (m) (수력학적 직경)

D_i : Inner diameter (m) (내부 지름)

D_o : Outer diameter (m) (외부 지름)

f : Darcy friction factor (dimensionless) (Darcy 마찰 계수)

g : Gravity acceleration (m/s²) (중력 가속도)

h_f : Head loss (m) (수두 손실)

L : Length (m) (관의 길이)

p : Pressure (Pa) (압력)

P : Wetted perimeter (m) (윤변)

Q : Flow rate (m³/s) (유량)

Re : Reynolds number (dimensionless) (레이놀즈 수)

V : Average flow velocity (m/s) (평균 유속)

µ : Viscosity coefficient (점성 계수)

ρ : Fluid density (kg/m³) (유체 밀도)

1. 서론

금속관(metal pipe)은 유체의 이동 통로로써 가장 흔히 사용되는 부품으로, 건축 배관 설비, 산업 배관 설비 등 대형 건출물이나 선박 등에 필수적으로 사용되고 있다. 금속관을 오가는 액체는 관 속을 흐를 때 점성에 의한 흐름 저항이 발생하기 때문에 충분한 유량으로 이동하기 위해서는 압력차를 활용하게 되는데, 액체를 보내는 쪽에서 압력을 제어할 때는 양압(positive pressure)을, 액체를 받는 쪽에서 압력을 제어할 때는 음압(negative pressure)을 사용하게 된다. 유량을 증가시키는 가장 쉬운 수단은 더 높은 양압 또는 음압을 가하는 것이지만, 점성에 의한 흐름 저항은 파이프의 형상에 더 큰 영향을 받기 때문에 압력 제어만으로 충분한 유량을 발생시키기 어려운 상황들이 존재한다. 특히, 직경의 크기가 제한되거나 점도가 높은 유체의 이동시, 높은 흐름 저항을 극복하기 위해서는 압력차이와 함께 표면 윤활 기술의 동반이 필수적이다.

금속관은 대형 배관설비 뿐만 아니라 우리 몸에 사용 되는 작은 의료기기 등에도 많이 활용되며, 지방흡입술(liposuction)에서 사용되는 캐뉼라(cannula)가 대표적인 예시이다. 캐뉼라는 스테인리스로 만들어진 금속관으로 지방흡입술은 캐뉼라를 지방층에 삽입하고 음압을 가하여 지방을 물리적으로 흡입하여 제거하는 방식의 성형술이며, 이 때 3-5 mm 직경의 금속관이 사용되게 된다. 길게는 1시간 이상 지속적인 흡입을 통해 시술을 하게 되는데, 금속관의 유량 감소는 곧 수술 시간의 증가로 이 어지게 되므로 매우 중요한 성능이지만, 작은 금속관 직경과 지방의 비교적 높은 점성에 의한 흐름 저항으로 구현 가능한 유량에 한계가 있는 실정이다.

지방 흡입은 전 세계에서 두 번째로 많이 이루어지는 성형술로, 2019년 기준 지방 흡입 시장 규모는 22조 1000억 원의 규모로 추정되며[1], 미용에 대한 관심이 갈수록 고조되면서 그 중요도는 지속적으로 증가할 것으로 예상되지만, 캐뉼라의 내부에 제한적인 음압유량은 수술 시간을 증가시키고 결국 환자의 안전을 저하시키는 원인으로 지적된다. 하지만 캐뉼라에 대한 기술력은 1974년 이탈리아 산부인과 의사인 Giorgio Fischer에 의해 처음 고안된 이후[2-4], 그대로 머물러 있는 실정이다.

본 연구에서는 캐뉼라의 흡입 거동을 정량적으로 이해하기 위해 현재 상용화되고 있는 캐뉼라의 주요한 설계 변수를 설정하고 이들의 영향력을 분석하기 위한 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 유량 측정 실험은 자체 제작된 흡입 장치를 사용하였으며, 시뮬레이션은 전산유체역학(CFD) 기법으로 계산되었다. 설계 변수로는 실제 현장에서 주로 고려되는 내부 지름, 단면 형상, 흡입 구멍의 배치를 선정하여 비교 분석을 진행하였다.

마지막으로 최신 코팅 기술을 적용하여 캐뉼라 흡입 및 오염방지 성능 개선 여부를 검증하였다. 캐뉼라의 내부 오염은 지방흡입 시술에서 유량 열화의 주요 원인 중 하나로 여겨진다. 주로 이물질에 의해 유로가 막히거나 좁혀지게 되기 때문에 유량이 크게 감소하게 된다. 나노 다공성 미끄럼 표면(Slippery liquid-infused nanoporous surface; SLIPS)는 벌레잡이 풀에서 영감을 받아 개발된 기술으로 오일이 나노다공성 표면을 채우는 형상으로 구성되어 있다[5-7]. 일반적인 유로가 갖고 있는 고체-액체 계면이 아닌 유체-유체 계면을 갖고 있어 마찰이 극소화 되는 특성이 있고[8-10], 뛰어난 오염방지 성능을 가지고 있다[11-13]. 본 논문에서는 SLIPS 기술을 캐뉼라 표면에 적용하였고 그에 따른 성능 향상 효과를 조사하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 흡입 실험 시스템 구축

캐뉼라 설계변수에 의한 흡입 성능의 정량적 분석을 위하여 실제 지방흡입을 모사한 유체 흡입 성능 분석 시스템을 구축하였다. 지방흡입술에 사용되는 의료기기는 캐뉼라, 석션병, 음압펌프, 실리콘 튜브로 구성되어 있으며, 의사가 캐뉼라를 왕복 운동시키며 지방흡입을 진행한다.

해당 유체 흡입 성능 분석 시스템은 Fig. 1A와 같이 캐뉼라 왕복운동을 모사하기 위한 구동부, 왕복 운동의 신뢰성 있는 제어를 위한 제어부, 실제로 흡입이 이루어지는 유체 흡입부로 설계하였다. Fig. 1B와 같이 구동부는 리니어 스테이지(MW-EQB40-BL57-90; NTRexLAB)와 모터드라이버(MW-VSTB24D3S; NTRexLAB)로 제작되었으며, 제어부의 경우 MCU 보드(Arduino Mega 2560; Arduino)와 자체 제작한 LabVIEW 소프트웨어를 이용하였다. 흡입부는 병원에서 실제로 사용중인 석션병, 음압펌프, 실리콘 튜브로 구성하였으며, 가장 많이 사용되는 외부 지름 3 mm 및 4 mm 캐뉼라에 대해서 유체 흡입 성능 분석을 진행하였다. LabVIEW 소프트웨어는 전원, 이동거리, 속도, 왕복 횟수를 설정할 수 있으며, Fig. 1C와 같이 입력된 변수에 따라 자동적으로 MCU 보드로 자동 전송하여 제어하도록 구현하였다.

Fig. 1. Fluid suction performance measurement system. (A) Schematic diagram of liposuction, (B) Fabricated fluid suction system, (C) LabVIEW software for automatic variable control.

흡입 실험은 캐뉼라를 리니어 스테이지에 고정시킨 뒤 수면으로부터 250 mm 깊이에 1분간 유지하며 물을 흡입할 수 있도록 설정하였다. 유량 측정은 실험 전 후의 석션병의 무게를 측정하여 흡입된 유체만의 무게를 계산한 뒤 밀도로 나누어 1분간 흡입된 부피를 도출하였다. 캐뉼라의 전산 유체 역학 시뮬레이션과 흡입 실험은 물과 S-96 오일을 사용하였으며, 사용된 각각의 작동 유체에 대해서 동점성계수(kinematic viscosity) 및 밀도(density)는 Table 1과 같다.

Table 1. Material properties of fluids

2-2. 전산 유체 역학 시뮬레이션 및 모델링

오픈 소프트웨어 OpenFOAM v7을 통해 캐뉼라 형상에서의 압력 구배를 통한 3차원 유체 흡입 시뮬레이션을 진행하였다(Fig. 2). 캐뉼라를 자유 표면에 수직하도록 배치하고 경계면과 캐뉼라 흡입 구멍 사이에 충분한 거리를 둠으로써 유량에 대한 경계 효과를 무시할 수 있도록 하였다. 캐뉼라 내부 격자(mesh)의 크기는 0.2 mm를 기준으로 하였으며 격자 수렴도 테스트를 통해 격자 크기를 0.1 mm로 줄였을 때와 흡입량 차이가 2% 이하임을 확인하였다. 시뮬레이션 시간 간격은 작동 유체가 S-96일 때 5ms, S-8일 때 1 ms로 설정했고 정상 상태에서의 결과를 위해 캐뉼라를 통한 유량 변화가 0.5% 이하가 되도록 충분히 긴 시간까지 시뮬레이션을 진행했다. 격자를 작성할 때 ANSYS Meshing을 이용했다.

Fig. 2. Schematic diagram of suction simulation and the mesh of fluid domain near the cannula.

펌프 압력은 캐뉼라와 연결된 실리콘 튜브를 통해 전달되기 때문에 캐뉼라에 걸리는 압력의 크기는 펌프 압력 크기보다 작아진다. 이를 정량적으로 계산하기 위해 캐뉼라와 실리콘 튜브를 일정한 단면 형태를 가지는 곧은 관들의 연결로 모델링하였다. 단면이 원형인 캐뉼라와 실리콘 튜브 내부의 유동을 Hagen-Poiseuille flow라 생각하면 각 관에 흐르는 유량은 다음과 같이 표현된다.

\(\mathrm{Q}=-\frac{\pi D_{i}{ }^{4}}{128 \mu} \frac{d p}{d z}\)       (1)

캐뉼라와 실리콘 튜브에서의 유량은 같아야 하므로

\(-\frac{\pi D_{i}{ }^{4}}{128 \mu} \frac{p_{o}-p_{h}}{L_{c}}=-\frac{\pi D_{t}{ }^{4}}{128 \mu} \frac{p_{p}-p_{o}}{L_{t}}\)       (2)

이다. 아래 첨자 c, t, h, p, o은 각각 캐뉼라, 실리콘 튜브, 캐뉼라 흡입 구멍, 음압 펌프, 캐뉼라와 실리콘 튜브의 접합부에서의 값을 의미한다. 식 (2)를 p_o에 대해 정리하면 다음과 같다.

\(p_{o}=\frac{\frac{D_{i}{ }^{4}}{L_{c}} p_{h}+\frac{D_{t}{ }^{4}}{L_{t}} p_{p}}{\frac{D_{i}{ }^{4}}{L_{c}}+\frac{D_{t}{ }^{4}}{L_{t}}}\)       (3)

단면이 원형이 아닌 캐뉼라 내부 유동에서 압력에 의한 영향이 지배적이라 가정하면 h_f은 다음과 같이 나타난다[14].

\(h_{f}=f \frac{L}{D_{h}} \frac{V^{2}}{2 g}=\frac{p_{u}-p_{d}}{\rho g}\)      (4)

이 때, p_u, p_d은 각각 상류, 하류에서의 압력이다. p_h는 4A/P로 나타낼 수 있으며, 특히 단면이 원인 경우 D_i과 같아진다. f는 층류(laminar)임을 가정하면 \(\frac{64}{R e_{p_{h}}}\)로 나타 낼 수 있다. 이를 식 (4)에 대입하여 정리하면

\(Q=\frac{A^{3}}{2 \mu L P^{2}}\left(p_{0}-p_{1}\right)\)       (5)

이다. 이를 정리해 캐뉼라와 실리콘 튜브의 연결부 압력을 계산하면 다음과 같다.

\(p_{o}=\frac{\frac{A_{c}{ }^{3}}{L_{c} P_{c}{ }^{2}} p_{h}+\frac{A_{t}{ }^{3}}{L_{t} P_{t}{ }^{2}} p_{p}}{\frac{A_{c}{ }^{3}}{L_{c} P_{c}{ }^{2}}+\frac{A_{t}{ }^{3}}{L_{t} P_{t}{ }^{2}}}\)       (6)

식 (6)에 A = \(\pi\)D²/4, P = \(\pi\)d를 대입하면 식 (3)과 같아짐을 확인할 수 있다. 위 식을 통해 펌프 압력에 따른 캐뉼라에서 압력을 계산하고 이를 유체 흡입 시뮬레이션에서 경계 조건으로 사용하였다.

시뮬레이션의 정확도 검증을 위하여 S-96 오일과 내 경이 3.3 mm인 캐뉼라를 이용하여 시뮬레이션과 같은 조건으로 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 3과 같다. 실험 오차를 줄이기 위해 동일한 조건에서의 유량을 3회 측정하여 그 평균값을 사용했다.

Fig. 3. Comparison between the results of suction experiments and simulations. The working fluid is S-96 oil.

위 실험으로 구한 유량을 단면적으로 나눠 평균 속도를 계산한 뒤 레이놀즈 수를 계산하면 최대 레이놀즈 수가 약 3이다. 원형관 내 유동에서 레이놀즈 수가 2300 이하일 때 층류이므로[14], 캐뉼라 내부 유동을 층류로 가정한 것이 타당함을 알 수 있다.

2-3. 나노 다공성 미끄럼 표면 제작

나노 다공성 미끄럼 표면(Slippery liquid-infused nanoporous surface; SLIPS)은 나노 다공성 표면에 침투된 오일을 사용하여 액체와 액체 간의 계면을 형성하는 기술 이다. 윤활 오일은 일반적으로 낮은 표면 에너지와 낮은 점착력을 갖기 때문에 계면에서 발생하는 마찰력이 낮아지는 효과를 기대할 수 있다. 또한 일반적인 고체 윤활 코팅 방식과 달리 직접적인 고체 표면과의 접촉이 없 기 때문에 표면에 오염물을 남기는 pinning 현상에서 자유로운 특징이 있다[5]. 따라서 표면에너지 감소를 통한 윤활 효과와 함께 오염방지 목적으로 활용하기에 적합한 코팅 방식으로 여겨진다.

본 연구에서는 오일을 머금기 위한 다공성 표면을 제공하기 위해 실리카 나노입자(Glaco® mirror coat; soft 99)를 사용하였다. 해당 소재를 사용하면 표면에 성공적으로 다공성 표면 구조체를 형성할 수 있음이 기존 연구에서 입증된 바 있다[15]. 먼저, 캐뉼라 표면에 스프레이를 통해 실리카 나노입자를 고르게 코팅하였다. 소수성 오일로는 고점도 실리콘 오일(KF-96; Shin-etsu)과 저점 도 실리콘 오일(KF-0.65; Shin-etsu)을 1:1로 혼합하여 사용하였다. 표면에 20 mL만큼의 오일을 공급한 후, 질소 가스를 불어넣어 표면에 고르게 분포될 수 있도록 처리하였다(Fig. 4).

Fig. 4. A schematic of liquid-infused surface for cannula.

3. 결과 및 고찰

3-1. 기하학적 특성에 따른 유량 분석

캐뉼라의 흡입 성능에 직접적인 영향을 끼치는 설계 요소들을 도출하였으며, 도출된 설계 요소를 조작하며 각각의 흡입 유량에 대해서 정량적으로 비교하였다. 캐뉼라의 내부 지름, 단면 형상, 홀의 개수 및 면적 변화에 따른 흡입 유량 변화를 정량적으로 분석하여 성능 향상을 위해 고려해야할 설계 변수를 정립하였다(Fig. 5).

Fig. 5. Design parameters affecting cannula suction flow performance.

3-1-1. 캐뉼라 내부 지름에 따른 유량 비교

캐뉼라의 내부 지름에 따른 흡입 유량을 유체역학적 모델링을 통한 시뮬레이션 및 흡입 실험을 통해 이를 정량적으로 비교하였다. 시뮬레이션 및 흡입 실험은 계기 압력 -0.8 bar에서 물로 진행하였다. 먼저 모델링 결과 다음과 같이

\(Q=-\frac{\pi D_{i}^{4}}{128 \mu} \frac{d p}{d z}\)       (7)

압력 구배가 일정할 때 유량은 내부 지름의 네 제곱에 비례하는 것으로 나타났으며, 이를 이용하여 전산 유체 역학(CFD)를 통한 시뮬레이션을 진행하였다(Fig. 6A). 내부 지름이 다른 4종의 캐뉼라로 실험적으로 검증하였으며, 각각의 내부 지름은 1.4 mm, 1.7 mm, 3 mm. 3.3 mm이다. 흡입 실험 결과 내부 지름이 최대 136% 증가함에 따라, 흡입 유량은 151% 증가한다는 것을 확인할 수 있 었다(Fig.6B). 결론적으로, 같은 일정한 외부지름의 캐뉼라에서 관의 두께가 작아질수록 흡입 성능이 상승한다. 하지만 두께가 감소하면 캐뉼라의 강성(stiffness) 감소로 캐뉼라가 파손될 수도 있으므로 캐뉼라 두께의 최적설계를 필요로 할 것이다.

Fig. 6. Flow rate comparison according to cannula inner diameter. (A) Streamline through CFD (computational fluid dynamics), (B) experimental results.

3-1-2. 캐뉼라 단면 형상에 따른 유량 비교

캐뉼라 단면 형상의 변화에 따른 흡입 특성을 분석하기 위해 CFD 시뮬레이션을 수행하였다(Fig. 7). 유로의 단면적이 변화하는 것에 의한 효과를 고려하지 않기 위해 모든 경우의 단면적은 8.553 mm²로 고정하였으며, 축 길이를 변경해가며 각 조건에서 분석을 수행하였다. 작동 유체로는 물에 비해 점성이 높은 S-96 오일을 사용하여 층류 조건에서 시뮬레이션을 진행하였다.

Fig. 7. Investigation of suction performance of slippery surface.

시뮬레이션 결과, 일반적으로 사용하고 있는 원형의 캐뉼라가 세 경우의 흡입구멍의 배치에서 모두 가장 높은 성능을 보였다. 이 결과에 따라 압착 가공을 거치지 않은 본래 형태의 캐뉼라를 사용하는 것이 유리함을 확인했다.

3-1-3. 흡입 구멍에 따른 유량 비교

캐뉼라의 내부 지름은 고정시킨 채, 둘레 방향 또는 축 방향으로 흡입 구멍의 개수를 증가시키며 흡입 유량 변화를 비교하였다. 계기 압력 −0.8 bar, 작동 유체 S-96 오일을 이용하여, 전산 유체 역학을 통한 시뮬레이션을 진행하였다.

둘레 방향으로 흡입 홀 개수를 증가시켰을 경우 3개의 모델 모두 약 0.104 LPM으로 나타났으며, 1개에 비해 3개의 홀을 가지는 경우 거의 변화가 없다는 것(0.5% 이내)을 알 수 있었다(Fig. 8A).

Fig. 8. Suction flow simulation results according to the number of suction holes. (A) Along the circumferential direction, (B) Along the axial direction.

축방향으로 흡입 구멍 개수를 증가시켰을 경우 1, 2, 3개 각각 0.104 LPM, 0.106 LPM, 0.108 LPM의 유량 을 가지는 것으로 나타났다(Fig. 8B). 1개에 비해 3개의 흡입 구멍을 가질 때 5% 이내의 증가가 나타났으며, 이 는 흡입되는 구멍과 펌프사이의 거리가 짧아짐에 의해 관내마찰손실의 감소와 압력 구배의 증가로 의해 발생 하는 차이일 뿐 결정적인 유량 향상 요인으로 보기에는 어렵다고 판단된다.

Fig. 8의 결과에 따라, 흡입 구멍 개수를 증가시키더라도 흡입 성능의 상승 효과가 나타나지않는다는 것을 관측했다. 즉, 임계 흡입 면적부터는 흡입 성능에 영향을 미치지 않을 것이라는 예상을 할 수 있다. 이를 확인하기 위해서 흡입 구멍의 위쪽 위치를 고정시킨 채 흡입 구멍의 면적에 따른 유량을 비교하였다.

Fig. 9에서는 캐뉼라 내부 면적에 대한 흡입 구멍 면적 비율(관내-홀 면적 비율)에 따른 유량 변화 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 이는 계기 압력 −0.8 bar, S-96오일 조건으로 시뮬레이션 한 결과이다. 기존 1개의 흡입 구멍을 가지는 캐뉼라의 유량은 0.1037 LPM으로 나타났으며, 이와 비교하여 99%의 흡입 성능을 가지는 관내 -홀 면적 비율은 0.5971, 98%의 흡입 성능을 가지는 비율은 0.4371로 나타났다.

Fig. 9. Flow rate simulation results according to the ratio of Hole area to cannula inner area under fixing the position of the top of the suction hole.

결론적으로 캐뉼라 내부 면적 대비 흡입 구멍 면적 비율이 0.5 이상만 된다면, 흡입 구멍의 크기, 개수, 모양의 영향을 받지 않고 최대 흡입 유량을 가진다는 사실을 알 수 있었다. 즉, 캐뉼라의 내부 형상이 원형이고, 임계 관내-홀 면적 비율(0.5) 이상이면서, 내부 지름이 클수록 흡입 성능이 극대화된다고 결론지을 수 있다.

3-2. SLIPS 윤활에 따른 유량 비교

Fig. 10에서는 표면 윤활 코팅 여부에 따른 흡입 유량을 정량적으로 비교하였다. 일반 캐뉼라와 SLIPS윤활이 적용된 캐뉼라 모두 −0.05 bar의 음압을 가했으며, 단일 실험 당 30초간 흡입을 진행하였다. 흡입 대상 유체로는 물을 사용하였다. 총 7회의 반복 흡입 실험을 진행했는데 첫 흡입에서는 코팅의 불균일성으로 인해 성능이 다소 감소하였으나, 추후 흡입 유량이 점차 향상되어 최대 6.86 % 개선된 흡입 결과를 얻었다.

Fig. 10. Investigation of suction performance of SLIPS lubrication.

본 결과는 구조의 직접적인 변화 없이도 유량을 향상 할 수 있는 가능성이 있음을 나타낸다. 앞선 결론에서는 캐뉼라의 내경을 키우는 것이 성능 향상에 가장 유리하였으나, 형상 변수를 수정하여 유량을 개선할 경우 기계적인 성능이 열화될 가능성이 있다. 이에 대한 대안으로서 본 코팅 기술이 활용될 수 있을 것이다.

3-3. SLIPS 윤활에 따른 오염방지 성능 비교

Fig. 11에서는 표면 윤활 코팅 여부에 따른 오염방지 성능을 비교하였다. 표면의 오염을 가시화하기 위해 10 µL의 Rhodamine 6G 1 mM 용액을 표면 위에 공급하였으며 캐뉼라를 수직으로 고정하여 중력에 의한 액적의 움직임을 관측하였다. 먼저 SLIPS 코팅이 진행된 표면의 경우, 빠른 속도로 액적이 미끄러져 내려가는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 11A). 또한 액적이 지나간 경로에서 잔류물에 의한 가시적인 색상 변화를 관측할 수 없었다. 반면 별도의 코팅을 수행하지 않은 캐뉼라 표면에서는 액적이 강하게 고정되었으며, 각도가 90°임에도 불구하고 어떤 움직임도 보이지 않았다(Fig. 11B). 이 결과는 간단한 표면 코팅만으로도 가시적인 오염방지 성능 개선이 가능함을 보여준다. 일반적인 고체 윤활방식인 초소수성 표면과 달리 SLIPS 코팅 방식은 압력 환경에서도 안정성을 잃지 않기 때문에 실제 음압 시술환경에서도 다양하게 사용될 수 있을 것이다.

Fig. 11. Investigation of antifouling performance of SLIPS lubrication. (A) slippery cannula, (B) normal cannula.

4. 결론

• 지방흡입술에 사용되는 금속관인 캐뉼라 내부의 음압유동을 결정하는 주요 설계 변수를 설정하고, 각 설계 변수에 따른 흡입 성능을 전산 유체 역학 시뮬레이션 및 유체 흡입 성능 분석 시스템으로 정량적 분석을 수행하였음.

• 캐뉼라의 내부 형상이 원형이고, 관내-홀 면적 비율이 0.5 이상에서 최고의 흡입 효율이 나타났으며, 유량은 내부 지름에 절대적 영향을 받는다는 사실을 알 수 있었음. 관 두께를 감소시키면 흡입 성능이 증가 하지만, 관 두께를 줄이는 데에는 한계가 있음.

• 관 내부의 오염으로 인한 성능 저하를 방지하기 위해 SLIPS 윤활 코팅 기술을 제안하였음. Rhodamine 6G 액적을 사용하여 표면 오염을 가시화하였을 때, SLIPS 코팅을 진행한 경우에 오염물이 중력만으로 쉽게 제거되는 것을 확인하여 오염방지 성능이 크게 개선됨을 실험적으로 검증하였음. 또한 관내에 SLIPS 코팅을 진행했을 때, 물을 사용한 유동 조건에서 유량이 상승되는 것을 확인하였음.

• 본 연구 결과는 캐뉼라 뿐만 아니라 유체 이동 수단으로 널리 활용되는 금속관에 대해서 그 내부 음압 유량 특성이 중요한 다양한 응용분야들에서 활용성이 높을 것으로 기대됨.