물방울 젖음주름 형태와 원리 규명

[산업일보]
국내 연구진이 고체표면에 놓인 물방울에 생기는 미세한 젖음주름 원리를 규명해 냈다. 이는 세포조작이나 프린팅 기기, 물질의 표면처리 등 각종 나노기술분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
젖음주름은 고체바닥 위에 액체가 놓일 때 액체-기체 계면장력의 수직방향 힘에 의해 액체, 기체, 고체 경계면 영역의 고체가 뾰족하게 융기한 것을 말한다. 주로 무른 고체 위에서 나타난다. 나뭇잎 위 이슬, 손등에 떨어뜨린 에센스 방울, 눈에 떨어뜨린 점안액 등에서 나타난다.

포항공대 신소재공학과 제정호 교수와 박수지 박사과정 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인 판에 게재됐다.

물방울은 고체인 바닥과 기체인 공기가 접하는 곳에서 서로간의 힘이 균형을 이루면서 형체를 유지한다. 이 때 물방울이 바닥과 공기와 동시에 만나는 부분에서 미세한 젖음주름이 만들어지는 것이 알려져 있으나 직접 관찰하지 못해 정확한 형태나 형성원리를 명료하게 알지 못했다.
이에 연구팀은 투과엑스선 현미경을 이용해 실리콘 젤 표면 위에 놓인 물방울에 형성된 젖음주름의 영상을 얻고 그 형태와 형성원리를 밝혀냈다. 첨단 엑스선 광학계를 이용하는 투과엑스선현미경(Transmission X-ray Microscopy)은 물질내부 구조를 나노해상도로 영상화 할 수 있다.

젖음주름 원리가 밝혀짐에 따라, 젖음주름을 이용한 나노구조물 제작이나 효율적인 표면처리제 개발 등 다양한 산업적 응용이 이뤄질 것으로 기대된다.
특히 이번 연구는 세포의 증식, 분화, 성장에 영향을 미칠 수 있는 세포의 젖음현상에 대한 이해를 돕고 향후 세포를 젖음주름에 가두는 등 세포공학적 응용에 기여할 것으로 보인다. 세포의 이동 및 성장거동은 생명체에 있어서 매우 중요한데, 세포와 기판 혹은 세포와 세포간의 상호작용은 아직까지도 명확하게 규명되어 있지 않다. 젖음주름을 세포를 가두는 공간으로 활용한다면 세포의 상호작용을 규명하는 연구에 크게 도움이 될 것이다.

액체가 고체나 다른 액체의 표면과 만날 때 나타나는 현상들은 명쾌하게 설명돼 왔으나, 고무나 고분자 젤, 생체조직 같은 탄성물질과 만날 때 나타나는 젖는 현상은 그동안 설명이 어려웠다.
그런데 현미경으로 관찰한 결과 물방울 표면에 생긴 젖음주름의 꼭지점이 갈고리처럼 휘어진 비대칭삼각형 형태임을 알아냈다. 또 물질이 무를수록 젖음주름은 높게 생성되며 수직방향 힘에도 비례했다.

한편 삼상영역에서 무른 고체 거동은 고점도의 액체거동과 유사하며, 삼상영역의 평형은 고체의 탄성과는 무관하고 세 계면에 작용하는 힘의 평형에 의해 결정됨을 밝혀냈다. 또 꼭지점에서 미시적접촉각(microscopic contact angle) 및 거시적접촉각(macroscopic contact angle)을 정확하게 측정하는데 성공했고, 이를 통해 거시적 접촉각은 영의 법칙에 의한 값과 일치함을 알아냈다.
결론적으로 고체표면에 액체방울의 젖음 현상은 거시적 관점에서 영의 법칙을 미시적 관점에서 뉴만의 법칙을 따른다는 것을 밝혀낸 것이다.

공초점 현미경을 이용해 젖음주름을 관찰하려는 시도는 있었으나 염색물질 등을 이용해야 해 정확도에 다소 한계가 있었다. 제 교수는 “이번 연구로 밝혀진 젖음주름의 형성원리는 젖음현상에서의 힘의 평형을 설명함과 동시에, 무른 고체표면 위에서 나타나는 특이 젖음 현상을 이해하는 밑거름이 될 것” 이라고 말하며 “물방울 젖음주름에 의한 젖음현상은 실제 자연계에서 끊임없이 일어나고 있으나, 그 이해가 부족했기 때문에 거의 주목을 받지 못했다. 그 동안 풀리지 않은 문제에 직접적 적용이 가능하도록 연구를 확장해 젖음현상의 기초를 재정비하는 것”이 목표라고 밝혔다.