▲ 그래핀 매쉬의 제조 방법 및 기능성 길항 액체 제어 기술의 도식도.

앞으로 소재의 표면에 물이 스며들지 않도록 하는 액체의 움직임 제어가 가능해질 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 지난 17일 오일권 교수·유승화 교수 공동연구팀(한국과학기술원)이 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용해 전기장을 가해 투과시키거나, 표면에 놓인 물방울의 모양을 바꾸는 ‘전기습윤현상’을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 자유롭게 제어하는 기술을 최초로 개발했다고 밝혔다.

표면청소, 방수표면, 제습공조, 부식방지, 저항감소 등 다양한 수처리에 적용 가능한 액체 거동 제어 장치의 개발이 요구되고 있다.

그러나 기존의 표면 젖음성 조절과 부식 방지 연구들은 표면의 굴곡이나 화학적인 코팅에의존하였기 때문에 표면의 젖음성을 제어할 수 없었다.

이에 연구진은 액체의 움직임과 흐름을 조작할 수 있는 전기습윤현상을 이용해 발수성 소재의 표면을 젖게 하거나 흡수성 소재의 표면에 물이 스며들지 않게 제어가 가능한 기술을 개발했다. 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용하여 전기습윤현상에 기반한 액체거동기술을 개발한 것이다.

순수한 물 혹은 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 위치시키고 구리판을 또 다른 전극으로 사용해, 전압을 인가 시 액체방울 모양이 가역적으로 변화함을 보였다.

또한 전기장을 가할 때 물에 작용하는 정전기힘과 그물망 틈 사이에 작용하는 모세관힘의 상호작용에 기반한 젖음성 조절 메커니즘을 규명하여, 이를 바탕으로 그물망 바깥쪽에 높은 전기장을 인가하면 안쪽의 액체가 비가역적으로 그물망을 투과하여 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 개발하였다. 실험결과, 그래핀 코팅이 금속의 부식을 막아 수처리 환경에서도 장시간 사용이 가능하였다.

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

전기장을 가하여 자유롭게 젖음성을 조절할 수 있는 내부식성* 그물소재로 필요에 따라 물의 흐름을 막거나 통과시키는 제어장치를 제작하여 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 제어 할 수 있는 방법을 개발한 것이다”라고 밝혔다.

이어 “방습 및 제습, 미세유체, 해수 담수화, 차세대 수(水) 처리 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 국제적인 학술지 네이처커뮤니케이션(Nature Communication)10월 31일자에 게재되었다.