오일권 교수

유승화 교수

전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어하는 기술이 개발돼 수(水)처리 장치에서의 다양한 활용이 기대된다.

오일권 교수와 우리 학회 회원인 유승화 교수 공동연구팀은 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 자유롭게 제어하는 기술을 개발했다고 11월 16일 밝혔다.

최근 표면청소, 방수표면, 제습공조, 부식방지 등 다양한 수처리에 적용 가능한 액체 거동 제어 장치의 개발이 요구되고 있다. 하지만 기존의 표면 젖음성 조절과 부식 방지 연구들은 표면의 굴곡이나 화학적인 코팅에 의존해 표면의 젖음성을 제어할 수 없었다.

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

전기습윤현상이란 전기장이 가해질 때 액체방울의 모양이나 접촉각, 표면의 젖음성이 바뀌는 현상으로 극성(+, -)을 지닌 분자의 정렬, 혹은 액체 내 이온의 이동에 의해 발생한다.

[그래핀 매쉬 양쪽 면에 물방울을 올렸을 때, 전기장을 형성하면 물방울은 비가역적 액츄에이션을 a에서 보여준다(스케일바 1mm). 그래핀 매쉬와 구리전극 위에 각각 물방울을 올렸을 때, 물방울이 초기 모습으로 돌아가지 못하는 비가역적 액츄에이션을 b에서 보여준다(스케일바 1mm). b의 실험을 응용하여 그래핀 매쉬를 층별로 배열하고 그 위에 각각 동일양의 물방울을 올린 다단식 전극이 적용된 액체거동제어장비를 c에서 보여준다. 마지막으로 그래핀 매쉬를 이용한 전기활성 액체 스위치 장치(electroactive flow swtiching device)로 액체의 흐름을 제어하는 장비를 d에서 보여준다. 물탱크에 물을 가지고 있는 상태에서 전기를 제공하면 액체를 흘리는 액츄에이션을 보여준다.<사진=백승민 기자>]

연구팀은 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용해 전기습윤현상에 기반을 둔 액체거동기술을 개발했다. 순수한 물 혹은 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 위치시키고 구리판을 또 다른 전극으로 사용, 전압을 가해 액체방울 모양이 가역적으로 변화함을 보였다.

연구팀에 따르면 그래핀은 소수성(물을 빨아들이지 않는 성질)으로 인해 일반적으로는 그래핀이 코팅된 그물망에는 물이 투과되지 못한다. 하지만 그물망 바깥쪽에 높은 전기장을 가하면 안쪽의 액체가 그물망을 투과해 이동함을 보여, 전기로 그물망의 발수성과 투수성을 능동적으로 제어가 가능하다.

연구팀은 이를 활용해 그래핀 그물망으로 가둔 물탱크에 전기를 가해 내보내는 장치와 그래핀 그물망들의 가장 위에서 아래로 전기를 이용해 이동시키는 장치 등도 개발했다. 실험결과, 그래핀 코팅이 금속의 부식을 막아 수처리 환경에서도 장시간 사용이 가능했다.

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"며 "방습과 제습, 미세유체, 해수 담수화, 차세대 수(水) 처리 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다"고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처커뮤니케이션(Nature Communication)'에 지난 10월 31자로 게재됐다.

출처: 헬로 디디