물 흐름 전기로 자유롭게 제어하는 기술 개발

[산업일보]
표면청소, 방수표면, 제습공조, 부식방지, 저항감소 등 다양한 수처리에 적용 가능한 액체 거동 제어 장치 (electro-active flow control device)의 개발이 요구되고 있다. 그러나 기존의 표면 젖음성 조절과 부식 방지 코팅 연구는 표면의 굴곡이나 화학적인 코팅에 의존했기 때문에 제작 이후 표면의 젖음성을 능동적으로 제어할 수 없었다.

전기로 표면의 젖음 특성을 조절하는 전기습윤 현상은 프랑스의 리프만이라는 과학자가 금속판 위에 물방울을 놓고 전압을 인가 시에 물 분자의 극성(+,-) 때문에 전기장 인가 시 물방울의 모양 및 표면과의 접촉각이 변하는 현상을 처음 보고했다.

액체가 금속/유리 등의 표면에 떨어지면 보통은 표면을 적시고 넓어지거나 흩어지거나 동그랗게 모양을 유지한다. 그러나 전기습윤현상을 이용하면 물방울의 움직임과 표면의 젖음성을 조작할 수 있게 돼, 발수성 소재의 표면도 젖게 할 수 있고, 투수성 소재의 표면에 물이 스며들지 않도록 제어가 가능하다.

그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용해 전기습윤현상에 기반한 액체거동기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 자유롭게 제어하는 기술을 최초로 개발했다고 17일 밝혔다.

순수한 물 혹은 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 위치시키고 구리판을 또 다른 전극으로 사용해, 전압을 인가 시 액체방울 모양이 가역적으로 변화함을 보였다. 이는 정전기력 (electrostatic force)이 물 분자의 정렬 혹은 이온의 이동을 유도해 액체방울이 전기장 방향으로 늘어나 생긴 현상이다.

그래핀의 소수성(hydrophobicity)으로 인해 일반적으로는 그래핀이 코팅된 그물망에는 물이 투과되지 못한다. 하지만 전기장을 가할 때 물에 작용하는 정전기힘과 그물망 틈 사이에 작용하는 모세관힘의 상호작용에 기반한 젖음성 조절 메커니즘을 규명해, 이를 바탕으로 그물망 바깥쪽에 높은 전기장을 인가하면 안쪽의 액체가 비가역적으로 그물망을 투과해 이동함을 보여, 전기로 그물망의 발수성과 투수성을 능동적으로 제어가 가능함을 보였다.

이를 이용해 그래핀 그물망으로 가둔 물탱크의 물을 전기를 가해 내보내는 장치나, 물방울을 층층이 위치한 그래핀 그물망들의 가장 위에서 아래로 전기를 이용해 이동시키는 장치 등을 개발했다. 실험결과, 그래핀 코팅이 금속의 부식을 막아 수처리 환경에서도 장시간 사용이 가능했다.

이 연구는 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용해 액체의 모양과 흐름을 능동적으로 제어할 수 있는 기술을 개발한 것이다.

전기장을 가해 자유롭게 젖음성을 조절할 수 있는 내부식성 그물소재로 필요에 따라 물의 흐름을 막거나 통과시키는 제어장치를 제작해 다양한 미세유체 장치, 방습 및 제습 장치, 차세대 수(水) 처리장치, 혹은 물에 대한 마찰저항 조절이 필요한 선박과 플랜트 등에 사용할 수 있다. 이들 분야에서 요구되는 액체의 정확한 거동제어와 소형화, 장시간 사용 등의 기능을 갖춘 소재/소자의 원천 기술로의 적용이 기대된다.


오일권 교수는 “이 연구는 기존 연구에서 나타났던 금속의 부식 현상 및 물이 젖는 정도를 조절할 수 없었던 문제를 그래핀이 코팅된 그물망 구조로 극복하면서 마이크로 수준에서 액체의 움직임과 젖음성을 제어할 수 있는 방법을 개발한 것이다. 표면청소, 금속코팅, 방수표면, 제습공조, 부식방지, 저항감소 등 다양한 관련 소재/소자 원천 기술로 적용 가능할 것으로 판단돼, 실제적으로 적용하는 상용화 연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다.