JETSPIN: 나노섬유 전기방사를 위한 오픈소스 전용 시뮬레이션 툴

초록

JETSPIN은 전기방사 공정에서 나노섬유가 형성되는 과정을 입자(비드) 기반 모델로 구현한 오픈소스 소프트웨어이다. 포트란 90으로 작성되었으며, 직렬·병렬 환경 모두에서 실행 가능하도록 설계되었고, 다양한 물리적 힘(전기력, 쿠롱력, 점탄성, 표면장력 등)을 포함한다. 사용자는 입력 파일만으로 실험 조건을 재현하고, 민감도 분석 및 최적 설계에 활용할 수 있다.

상세 분석

JET스핀의 핵심은 Reneker 등(2000)에서 제안한 비드-스프링 모델을 확장한 점탄성 매크스웰 유체 가정이다. 각 비드는 질량 mᵢ와 전하 qᵢ를 갖고, 인접 비드 사이의 거리 lᵢ를 통해 응력 σᵢ를 점탄성 방정식 dσᵢ/dt = G dlᵢ/dt − G μ σᵢ 로 계산한다. 여기서 G는 탄성계수, μ는 점도이며, 이 응력은 비드 i에 작용하는 점탄성 힘 fᵥₑ,i 에 직접 반영된다. 표면장력 f_st,i는 현지 곡률 k와 곡률 반경 α를 이용해 비드의 직선성을 복원하려는 역할을 한다. 전기장 V₀는 스피너트와 수집기 사이에 고정 전위로 가정하고, 각 비드에 f_el,i = eᵢ V₀/h · x̂ 형태의 전기력을 부여한다. 쿠롱력은 모든 비드 쌍 사이에 f_c,i = ∑{j≠i} qᵢqⱼ R{ij}^{−2} û_{ij} 로 계산되며, 이때 R_{ij}는 두 비드 사이 거리이다. 중력 f_g,i = mᵢg x̂도 포함하지만, 실제 전기방사에서는 미미한 편이다. 위 힘들의 합은 뉴턴식 mᵢ dυᵢ/dt = ∑f 으로 연결되고, 위치 rᵢ는 drᵢ/dt = υᵢ 로 업데이트된다.

코드 구조는 모듈화된 포트란 90 파일들로 구성된다. nanojet_mod.f90 은 비드 배열과 동적 메모리 관리, integrator_mod.f90 은 Euler, Runge‑Kutta, Velocity‑Verlet 등 여러 시간 적분기를 제공한다. 전기·점탄성·표면장력 등 각 힘은 별도 모듈(coulomb_force_mod.f90, viscoelastic_force_mod.f90 등)에서 계산되어 eom_mod.f90 에서 종합된다. 입력 파라미터는 io_mod.f90 과 parse_mod.f90 이 파싱하며, 사용자는 물성치(G, μ, α 등), 전압, 초기 비드 수, 시간 스텝 등을 자유롭게 지정할 수 있다. 출력은 통계 모듈(statistic_mod.f90)에서 평균 비드 길이, 직경, 전하 분포 등을 시간 평균해 제공한다.

병렬화 전략은 “Replicated Data”(RD) 방식을 채택한다. 모든 프로세스가 비드의 위치·속도·응력·전하·질량 정보를 완전 복제하고, 작업 부하를 비드 청크 단위로 분할한다(set_chunk). 각 프로세스는 자신에게 할당된 청크만 연산하고, 전역 합산(global summation)으로 결과를 동기화한다. MPI 기반 통신은 version_mod.f90 에 구현돼 있으며, makefile 의 타깃 선택을 통해 직렬·병렬 실행 파일을 손쉽게 생성한다. 저자는 통신 지연이 청크당 비드 수가 50 이하일 때 효율이 급격히 떨어진다고 경고한다.

현재 구현은 공기 저항·전위 변동·전기파 전파 등 고급 물리 효과를 제외하고 있다. 향후 버전에서는 Langevin형 항을 통한 공기 저항, 전위 변동을 반영한 전기장 계산, 트리코드 기반의 고속 쿠롱력 계산 등을 추가할 계획이다. 이러한 확장은 실험과의 정량적 일치를 높이고, 복잡한 전기방사 환경(예: 진동 전압, 다중 노즐)에도 적용 가능하게 만든다.

전반적으로 JETSPIN은 전기방사 현상을 물리적으로 충실히 모델링하면서도, 오픈소스·모듈화·병렬화라는 소프트웨어 공학적 장점을 갖춘 플랫폼이다. 연구자는 이를 통해 파라미터 스윕, 민감도 분석, 설계 최적화 등을 효율적으로 수행할 수 있다.