KAIST, '나노 물방울' 직접 관찰…표면 분석 기술 한계 넘어
KAIST 신소재공학과 홍승범 교수팀이 서울대 임종우 교수팀과 공동으로 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울을 실시간으로 직접 관찰하고, 이를 기반으로 접촉각을 정밀 계산하는 기술을 개발했습니다.
수소 생산 촉매나 연료전지, 배터리, 반도체 공정에서는 물이나 액체가 표면에 얼마나 잘 달라붙고, 얼마나 잘 떨어지는지가 성능과 수율을 좌우합니다.
특히 수소 생산 촉매에서는 물방울이 표면에서 잘 떨어져야 기포가 막히지 않고 수소를 더 빠르게 만들 수 있습니다.
그러나 지금까지는 나노 크기에서 물방울의 실제 모습과 움직임을 직접 보는 것이 거의 불가능해 연구자들이 이른바 '젖음성'을 분석을 대부분 추측에 의존해 왔습니다.
연구팀은 공기 중 수증기가 얼지 않는 온도로 시료 표면을 부드럽게 냉각해 자연스럽게 나노 물방울이 맺히도록 유도했고, AFM의 비접촉 모드를 활용해 물방울을 변형시키지 않고 원래 형태 그대로 촬영하는 데 성공했습니다.
나노 물방울은 탐침이 살짝 닿기만 해도 모양이 쉽게 바뀌기 때문에, 이를 보존한 채 관찰한 것은 의미 있는 성과로 평가됩니다.
연구팀은 또 이 기술을 강유전 물질 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용해, 물질의 전기적 방향에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라지는 현상을 처음으로 확인했습니다.
이는 큰 물방울에서는 보이지 않던 차이로, 나노 크기 물방울이 표면의 전기적 상태에 매우 민감하게 반응한다는 점을 보여주는 결과입니다.
이어 수소 생산을 위한 수전해 촉매(NiFeLDH) 표면에서도 단일 나노 물방울을 관찰해, 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지를 정밀 분석할 수 있는 가능성을 제시했습니다.
홍승범 교수는 "이번 성과는 그동안 볼 수 없던 나노 세계의 물방울 동작을 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 차세대 에너지·전자 소재 개발을 위한 핵심 분석 기술로 자리 잡을 것"이라고 말했습니다.
이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 정의창 박사과정이 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 미국화학회가 발간하는 국제 학술지, ACS 응용 소재 및 인터페이스에 10월 17일 자로 실렸습니다.
김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr
Copyright © TJB