KAIST, 나노 물방울 측정 성공…수소·반도체 연구 돌파구

(왼쪽부터) 신소재공학과 정의창 박사과정 학생, 홍승범 교수.ⓒ한국과학기술원

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 서울대학교 임종우 교수팀과 공동으로 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울을 실시간으로 직접 관찰하고 물방울의 모양을 기반으로 접촉각을 계산하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

이번 연구로 나노 물방울의 실제 모습을 눈으로 확인할 수 있게 되면서 물방울이 표면에 얼마나 잘 붙고 떨어지는지를 정밀하게 분석할 수 있게 됐다.

이는 수소 생산 촉매, 연료전지, 배터리, 반도체 공정처럼 액체의 움직임이 성능을 결정하는 여러 첨단 기술에 즉시 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

최근 젖음성 분석 기술은 나노 크기에서의 정밀 측정이 중요해지고 있다. 기존 방식처럼 수 밀리미터 크기의 큰 물방울을 사용하면 표면의 물이 잘 스며드는 친수성, 물이 잘 안 퍼지는 소수성을 알 수 있었지만, 나노 스케일에서는 물방울이 너무 작아 그 형태를 직접 관찰하기 어려웠다.

연구팀은 공기 중 수증기가 얼지 않는 온도로 표면을 부드럽게 냉각해 자연스럽게 나노 물방울이 맺히도록 유도했고, AFM의 비접촉 모드로 이를 관찰해 물방울의 원래 형태를 그대로 촬영하는 데 성공했다.

나노 물방울은 민감해 탐침이 닿기만 해도 변형되기 때문에 정밀한 제어가 필수적이다.

또 연구팀은 이 기술을 강유전 물질 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용한 결과, 물질의 전기적 방향(분극)에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라지는 차이를 처음으로 확인했다. 큰 물방울에서는 보이지 않던 이 차이는, 나노 물방울이 표면의 전기적 상태에 매우 민감하다는 점을 보여준다.

연구팀은 이어 이 기술을 수소 생산을 돕는 수전해 촉매(NiFeLDH)에도 적용해 단일 나노 물방울을 관찰했다.

이 결과는 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지를 이해하는 데 도움을 주며 특히 기포가 얼마나 잘 떨어지는지와 같은 촉매 성능 분석에도 활용될 수 있다.

홍승범 교수는 “연구는 원자간력 현미경으로 나노 크기의 물방울을 직접 시각화하고 접촉각까지 측정할 수 있음을 보여준 중요한 사례”라며 “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 말했다.

이번 연구는 미국화학학회(ACS)에서 발간하는 신소재·화학공학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘ACS 응용소재 및 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)’에 지난 10월 17일 자로 출판됐다.