김형수 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 액체-기체 및 액체-액체 계면에서 발생하는 복잡한 유동 현상을 실험적으로 규명하고, 이를 정밀하게 제어하는 계면유체역학 연구이다. 특히 농도 구배와 표면장력 차이에 의해 유도되는 용질성 마랑고니 유동은 이 연구실의 대표 주제로, 혼합성 액체, 이원 혼합 액적, 증발 액적, 제한된 공간 내 액적 등 다양한 조건에서 나타나는 비평형 유동 메커니즘을 다룬다. 이러한 연구는 단순한 현상 관찰을 넘어, 액적 내부의 물질 수송과 혼합, 접촉선 거동, 증발률 분포, 유동 불안정성의 발생 조건을 해석하는 데 초점을 둔다. 연구실은 micro-PIV, 광학 간섭계, 유동 가시화 기법 등 정밀 실험 도구를 활용해 기존에 직접 측정하기 어려웠던 액적 내부 흐름과 외부 증기장 분포를 동시에 분석한다. 이를 통해 혼합성 액체 사이에서 표면 오염 없이도 장거리 수송이 가능하다는 점, 외부 휘발성 증기가 액적 내부 유동 패턴을 능동적으로 바꿀 수 있다는 점, 그리고 증발과 흡수의 경쟁이 마랑고니 응력의 시간 스케일과 안정성에 큰 영향을 준다는 점을 밝혀왔다. 더 나아가 레일리-테일러, 레일리-플라토와 같은 계면 불안정성과 마랑고니 효과의 상호작용을 연구하여, 복잡유체 및 박막 시스템에서의 안정성 기준도 제시하고 있다. 이러한 연구는 코팅, 패터닝, 결정화, 미세유체 제어, 인쇄 공정, 바이오 및 에너지 시스템 등으로 폭넓게 확장될 수 있다. 마랑고니 효과를 외부 자극 없이 작동하는 에너지 프리 유동 제어 수단으로 활용하면, 미세 스케일에서의 혼합과 수송을 효율화하고 기존 공정의 정밀도를 높일 수 있다. 결과적으로 이 연구는 유체역학의 기초 이해를 심화하는 동시에, 정밀 제조와 기능성 소재 공정의 새로운 설계 원리를 제공하는 기반 기술로 작동한다.

연구실의 두 번째 대표 분야는 액체금속의 계면 특성과 유동 거동을 이용해 신축성 전자소자와 기능성 복합소재를 개발하는 융합 연구이다. 액체금속은 높은 전기전도도와 유동성을 동시에 가지면서도 기계적으로 큰 변형을 견딜 수 있어, 차세대 웨어러블 전자소자, 로봇 센서, 뉴로모픽 회로, 스트레처블 디스플레이의 핵심 재료로 주목받는다. 김형수 연구실은 액체금속 방울, 산화막, 주변 유체와의 계면장력, 자가 혼합 현상 등을 정밀하게 다루며 액체금속 기반 다상 복합체의 성능을 향상시키는 데 집중하고 있다. 대표적으로 용질성 마랑고니 혼합 유동을 이용해 액체금속 입자와 강체 입자를 균일하게 혼합한 초고신축성 복합체를 구현하고, 별도의 후처리 없이도 높은 전도성과 변형 무감응 특성을 확보하는 연구 성과를 보여주었다. 또한 갈린스탄 등의 액체금속이 마이크로채널, T-접합 채널, 임베디드 프린팅 환경에서 어떻게 액적을 형성하고 안정성을 유지하는지 분석하여, 인쇄 가능한 전극과 배선 제조의 공정 조건을 제시하고 있다. 양자점 균일 코팅, 무소결 액체금속 잉크, 액체금속 전극 및 전선 개발과 같은 프로젝트는 디스플레이와 유연전자 분야에 직접 연결된다. 이 분야의 강점은 재료 개발과 유체역학적 메커니즘 해석이 긴밀하게 결합되어 있다는 점이다. 연구실은 액체금속을 단순한 전도성 재료가 아니라, 계면역학과 공정 제어의 관점에서 재설계 가능한 동적 소재로 바라본다. 이를 바탕으로 차세대 전자피부, 신축성 회로, 센서 네트워크, 인체 밀착형 소자, 극한 변형 환경에서 동작하는 지능형 하드웨어까지 응용 범위를 확대하고 있으며, 향후 반도체 패키징 및 고신뢰성 전자제조 공정에서도 큰 파급력을 가질 것으로 기대된다.

김형수 연구실은 유체의 자발적 흐름과 젖음·탈젖음 현상을 이용해 미세 패턴을 형성하고, 이를 기능성 표면 및 하드웨어 보안 기술로 연결하는 응용 연구도 활발히 수행하고 있다. 액적의 증발, 계면장력 변화, 다각형 구속, 미세채널 내 확산·대류 현상은 단순한 유동을 넘어 정밀한 패터닝 수단이 될 수 있으며, 연구실은 이 점을 활용해 고분자 정렬, 양자점 균일 코팅, 복제 불가능 식별자 생성, 초발수·초전방오 표면 설계 등의 문제를 다룬다. 이는 전통적인 유체역학 연구를 기능성 소재와 정보보안 영역으로 확장한 사례라 할 수 있다. 구체적으로는 다각형 액적의 탈젖음과 용질성 마랑고니 효과를 결합해 확률성과 결정성을 동시에 갖는 물리적 복제방지기능(PUF) 패턴을 구현하였고, 미세 입자 영상유속계 측정을 통해 내부 유동의 대칭 붕괴 시점을 규명하였다. 또한 마이크로채널 몰드를 이용해 반도체성 고분자의 분자 배향을 제어함으로써 이방성 전기 특성을 갖는 유기 전자소자 제작 가능성을 제시했다. 더불어 극한 충돌에서도 유기 액적을 빠르게 분쇄·반발시키는 유연 초전방오 표면 연구는, 계면 구조 설계와 동적 젖음 제어가 실제 성능으로 이어질 수 있음을 보여준다. 이러한 연구는 차세대 인증 태그, 위변조 방지 라벨, 자가세정 코팅, 방오·방빙 표면, 고해상도 인쇄전자, 선택적 코팅 공정 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다. 특히 유체가 스스로 만들어내는 무질서와 규칙성을 동시에 활용하는 접근은 대면적·저비용 제조에 적합하며, 재현성과 난복제성을 동시에 요구하는 보안 부품에서 높은 가치를 갖는다. 따라서 이 연구 주제는 기초 유체역학을 기반으로 하면서도 소재, 제조, 보안 기술을 통합하는 독창적 응용 플랫폼으로 발전하고 있다.

연구실은 유체역학의 원리를 의료 및 공공안전 문제에 적용하는 연구도 수행하고 있으며, 특히 비말 전파 저감과 음압 환경 제어 기술에서 실질적인 성과를 보여주고 있다. 감염병 상황에서 공기 중 비말과 에어로졸의 이동을 제어하는 문제는 인체 안전과 직접 연결되며, 김형수 연구실은 싸이클론 유동, 음압 형성, 기류 가시화 기술을 바탕으로 개인보호장치와 메디컬 음압 챔버, 이동형 음압기 등을 개발해 왔다. 이는 전통적 기계공학의 유동 설계 역량이 보건·의료 환경으로 확장된 사례다. 등록 특허로 이어진 싸이클론형 개인보호장치, 음압마스크, 이동형 음압기, 음압병동 모듈은 모두 유동 형상 최적화와 입자 제거 효율 향상에 초점을 두고 있다. 연구실은 공기 흡입, 회전 유동 형성, 비말 응집, 필터링 경로 설계를 통합적으로 다루며, 실제 사용 환경에서의 쾌적성과 안전성, 장치의 이동성과 확장성까지 고려한다. 관련 프로젝트에서는 가변형 메디컬 음압챔버를 개발하고, 유동 가시화 기반으로 환자와 의료진의 안전성을 평가하는 방법론도 함께 구축하고 있다. 이 연구는 감염병 대응뿐 아니라 병원 공조 시스템, 응급격리 설비, 이동형 의료 인프라, 산업 현장의 유해 입자 차단 기술 등으로 확대 적용될 수 있다. 특히 현장 배치성과 사용자 편의성, 공기 질 관리, 입자 제거 효율을 동시에 만족시키는 설계는 향후 재난 대응 장비와 스마트 의료 환경에서 중요한 역할을 할 수 있다. 연구실의 접근은 유체역학을 사회적 문제 해결형 공학으로 전환시키는 실용적 모델이라는 점에서 의미가 크다.