<사진. 소수성 표면 위에 존재하는 물 방울
출처. KISTI 미리안 글로벌동향브리핑>

가장 극단적인 방수 현상을 보여주는 초소수성 표면

브리검영대학(Brigham Young University)의 연구진은 물이 공처럼 튀길 수 있다는 것을 발견했다. 이 현상은 표면을 초소수성인 경사진 채널으로 만들었기 때문에 발생하고, 방수의 가장 극단적인 형태를 보여주고 있다.

과학자들은 초소수성 표면을 실제 적용시키기 위해서 수십 년 동안 부단한 노력을 기울였다. 그래서 신발을 건조된 상태로 유지하거나 볼트 위에 오일이 형성되도록 하는 분야에서 이런 연구의 일부가 적용되었다. 이번 연구진은 초소수성 표면이 사회 전반적으로 사용될 수 있도록 이 분야의 연구를 지속하고 있다.

이 연구결과는 저널 Physics of Fluids에 게재되었고, 이번 연구진은 소수성 코팅을 가진 새로운 표면을 발견했다. 이 표면은 물이 어떻게 때리는지에 따라서 더 높은 수준의 내수성을 가지게 된다. 이 연구는 이상적인 초소수성 표면을 만드는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 이런 서로 다른 표면의 특정 특성을 평가함으로써, 이번 연구진은 어떤 유형의 표면들이 각 분야의 적용에 가장 유리한지를 더 잘 파악할 수 있게 되었다.

이 연구는 초소수성 표면이 다음과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있기 때문에 매우 중요하다.

- 더러워지지 않는 태양 패널
- 물 얼룩이 발생하지 않는 샤워기, 욕조, 화장실
- 튜브 또는 주사기와 같은 생체-의료용 장치들
- 선박의 선체, 어뢰 또는 잠수함의 외관
- 저온 다습한 환경을 견딜 수 있는 비행기 날개

이번 연구진의 연구가 실제로 집중된 곳은 더 청정하고 더 효율적인 에너지 생산 분야이다. 전국의 거의 모든 발전소는 터빈을 돌리기 위한 증기를 생성하기 위해서 석탄 또는 천연가스를 태움으로써 에너지를 생성한다. 이것이 발생된 이후에, 증기는 액체 상태로 다시 응축된다.

발전소의 냉각기를 최적의 초소수성 표면으로 만들 수 있다면, 이 프로세스는 속도를 상당히 높일 수 있고, 시간을 절약할 수 있으며, 전력을 생성할 수 있는 비용을 낮출 수 있다. 만약 이런 표면을 가진다면, 유체는 냉각기 벽에 부착되지 않고, 증기는 액체로 응착되기 시작하자마자 떨어지게 된다. 이것은 매우 빠르고 효율적으로 많은 가스를 응결시킨다.

이번 연구진이 실험실에서 조사하고 있는 초소수성 표면은 다음과 같은 두 종류이다: 머리카락의 10분의 1 정도의 요철이 있는 표면 또는 마이크로 포스트(micro post)를 가진 표면. 이런 마이크로 구조의 표면을 생성하기 위해서, 이번 연구진은 CD 크기의 웨이퍼 패턴을 에칭하는 광 필름(photo film) 현상과 유사한 프로세스를 사용했다. 그 후에 이번 연구진은 테플론과 같은 표면에 아주 얇은 내수성 박막을 추가했고, 물과 어떻게 상호작용하는지를 초고속 카메라를 이용해서 조사했다.

이번 연구진은 요철의 폭 속에서 약간의 변경을 발견했다. 또한 리브 벽(rib wall)의 각도가 물 반응을 상당히 변화시킨다는 발견했다. 이런 모든 조사는 초소수성 표면이 어떤 작용을 하는지를 분명하게 보여주고 있다.

사람들은 이 표면들에 대해서 알고 있지만, 그들이 이런 반응을 어떻게 발생시키는지를 알지 못했다. 이 연구를 통해서 이런 표면 반응에 대해 좀 더 알게 되었고, 이것은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Physics of Fluids에 “Jet impingement and the hydraulic jump on horizontal surfaces with anisotropic slip”이라는 제목으로 게재되었다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr