전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어한다- 방습 및 제습, 해수담수화 기술 등에 적용 기대

전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어한다- 방습 및 제습, 해수담수화 기술 등에 적용 기대

등록일 2016-11-17

 

 전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어한다
- 방습 및 제습, 해수담수화 기술 등에 적용 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용하여 물의 움직임과 흐름을 전기로 자유롭게 제어하는 기술을 최초로 개발하였다고 밝혔다.

 o 그래핀이 코팅된 마이크로미터(100만분의 1미터) 단위 틈의 금속 그물망에 갇힌 물을 전기장을 가해 투과시키거나, 표면에 놓인 물방울의 모양을 바꾸는 등 ‘전기습윤현상(전기장이 젖음성을 바꾸는 현상)’을 이용하여 물의 움직임과 흐름을 전기로 제어하는 방식의 기술을 개발해 수(水)처리 장치에서의 다양한 활용 가능성을 제시하였다. 

□ 오일권 교수·유승화 교수 공동연구팀(한국과학기술원)은 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 국제적인 학술지 네이처커뮤니케이션(Nature Communication) 10월 31자에 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Graphene-coated meshes for electro-active flow control devices utilizing two antagonistic functions of repellency and permeability 
   - 저자 정보 :  오일권 교수(교신저자, 한국과학기술원), 유승화 교수(공동교신저자, 한국과학기술원), 라쏠타바시안(제1저자, 한국과학기술원)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다. 

 1. 연구의 필요성
   ○ 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 코팅에 의존하였기 때문에 표면의 젖음성을 제어할 수 없었다. 전기습윤현상*을 이용하면 액체의 움직임과 흐름을 조작할 수 있게 되어, 발수성 소재의 표면을 젖게 하거나 흡수성 소재의 표면에 물이 스며들지 않게 제어가 가능하다.
       * 전기습윤현상(electrowetting) : 전기장이 가해질 때 액체방울의 모양이나 접촉각, 표면의 젖음성이 바뀌는 현상으로 극성(+, -)을 지닌 분자의 정렬, 혹은 액체 내 이온의 이동에 의해 발생한다.

 2. 연구내용
 ○ 그래핀*이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용하여 전기습윤현상에 기반한 액체거동기술을 개발하였다. 순수한 물 혹은 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 위치시키고 구리판을 또 다른 전극으로 사용하여, 전압을 인가 시 액체방울 모양이 가역적*으로 변화함을 보였다. 이는 정전기력 (electrostatic force)이 물 분자의 정렬 혹은 이온의 이동을 유도하여 액체방울이 전기장 방향으로 늘어나 생긴 현상이다.
       * 그래핀 : 탄소 원자로 이루어진 원자 1개 두께의 얇은 막
       * 가역적 : 외부에 어ᄄᅠᆫ 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 변화현상

 ○ 그래핀의 소수성(hydrophobicity)*으로 인해 일반적으로는 그래핀이 코팅된 그물망에는 물이 투과되지 못한다. 하지만 전기장을 가할 때 물에 작용하는 정전기힘과 그물망 틈 사이에 작용하는 모세관힘*의 상호작용에 기반한 젖음성 조절 메커니즘을 규명하여, 이를 바탕으로 그물망 바깥쪽에 높은 전기장을 인가하면 안쪽의 액체가 비가역적*으로 그물망을 투과하여 이동함을 보여, 전기로 그물망의 발수성과 투수성을 능동적으로 제어가 가능함을 보였다.
       * 소수성 : 물 분자와의 친화력이 적어 물을 빨아들이지 않는 성질
       * 모세관힘 : 가느다란 틈이 있을 때, 액체의 표면장력 및 액체와 틈 사이의 부착력에 의하여 틈 속으로 들어가거나 틈 밖으로 밀려나는 힘
       * 비가역적 : 가역현상의 반대로 이전상태에서 현재상태가 되었을 때 다시 이전상태로 돌아갈 수 없는 경우의 변화현상 
 ○ 이를 이용하여 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.

 3. 연구 성과
 ○ 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.
       * 내부식성 : 부식에 견디는 특성

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

<참고자료> : 1. 연구결과 개요
             2. 연구이야기
             3. 용어설명 
             4. 그림설명 

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 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 의존하였기 때문에 제작 이후 표면의 젖음성을 능동적으로 제어할 수 없었다.
  ㅇ 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 보고하였다.
  ㅇ 액체가 금속/유리 등의 표면에 떨어지면 보통은 표면을 적시고 넓어지거나 흩어지거나 동그랗게 모양을 유지한다. 그러나 전기습윤현상을 이용하면 물방울의 움직임과 표면의 젖음성을 조작할 수 있게 되어, 발수성 소재*의 표면도 젖게 할 수 있고, 투수성 소재의 표면에 물이 스며들지 않도록 제어가 가능하다.
      * 발수성 소재 :  천이나 종이 따위의 표면에 물이나 오염물이 스며들지 않는 성질을 가진 소재

 2. 연구내용
  ㅇ 이 연구에서는 전기로 물방울의 표면장력을 제어할 수 있는 전기습윤 현상을 이용해서 매쉬(mesh) 표면에 대한 물의 반발성(repellency)와 매쉬를 통과하는 투과성(permeability)의 두 가지 특징을 발현하는 그래핀 메쉬(mesh)를 개발하여 액체 제어 장치(electro-active flow control devices)를 개발하였다.
  ㅇ 꿈의 나노물질이라고 불리는 그래핀은 연필심에 사용되는 흑연의 구성 성분인 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열되어 있는 단일 원자층 구조로써 높은 전기적 특성, 높은 전기 전도도, 우수한 열전도성의 특징을 갖고 있다.
  ㅇ   이러한 그래핀을 화학 증착(CVD, chemical vapor deposition)을 이용하여 금속 메쉬(metal mesh) 표면에서 성장시켰다. 열, 빛 등의 외부 에너지를 사용하여 원료가스인 메탄(CH4)을 분해시켜 피복하는 기판 상에 그래핀 층을 형성시키는 기술이다. 이렇게 그래핀이 코팅된 금속메쉬는 금속의 특성으로 인해 부러지지 않고 구부리는 성형이 가능하며, 그래핀 코팅의 부식 방지(anticorrosion)특성으로 수처리 환경 하에서도 장시간 사용이 가능하게 된다. 
  ㅇ   이  연구에서는 다양한 극성의 액체(water, KOH, ionic liquid)를 그래핀 매쉬 표면에 위치시킨 후 전압을 인가하여 액체의 젖음성을 조절함으로써 그래핀이 코팅된 금속메쉬가 인가된 전압에 따라 발수성(repellency) 혹은 투과성(permeability)을 지닐 수 있음을 보였다. 
  ㅇ   또한 매쉬 사이의 틈(openings)에 작용하는 모세관힘(capillary force)과 액체에 가해지는 전기장에 의한 정전기력의 상호작용에 근거한 젖음성 조절 메커니즘(mechanism)도 규명하였다. 이를 바탕으로 그래핀 매쉬 전극으로 물방울을 위에서부터 아래로 이동시키는 장비, 물탱크에 물을 가두고 그래핀 매쉬를 통해서 물을 내보내는 장치를 개발하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 그래핀 메쉬의 두 가지 상반된 습윤 특성(repellency vs permeability)을 능동적으로 제어하는 기능성 길항 유체 제어 (Funtionally Antagonistic Flow Control) 기술은 다양한 미세유체 장치, 방습 및 제습 장치, 결로 현상을 이용한 해수 담수화 장치는 물론, 물에 대한 저항 조절이 필요한 선박이나 해양플랜트에 적용이 가능하다. 이들 분야에서 요구되는 액체의 정확한 거동제어와 소형화, 장시간 사용 등의 기능을 갖춘 소재/소자의 원천 기술로의 적용이 예상된다.

연 구 결 과 문 답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

인류 생존의 가장 필수 요소인 물의 중요성을 인식하고, 빗방울을 모아서 이송시키는 방법 등 물방울의 모양 제어와 함께 물의 흐름 제어에 대한 심도 있는 연구를 수행하였다. 이에 따라 물방울의 거동을 능동적으로 제어가능한 장치의 개발이 필요하다는 생각에서 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

최근 개발된 신소재에 전기습윤현상을 적용해 수처리분야에 응용연구를 진행하고자 하는 아이디어에서 출발하였다. 전기습윤현상이 액체렌즈, 전자종이 등 전기전자분야에 집중되어 있었는데, 기초학문으로 액체의 모양과 거동을 제어하는 연구를 진행하게 되었다. 수학적 방법으로 이론적 접근을 통해 실험의 타당성을 보고, 실제 실험값과 이론값의 경향이 같음을 확인하였다. 이를 바탕으로 전기습윤현상 기반의 액체 거동/모양 제어기술을 개발하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

전기습윤현상을 적용하여 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망 전극으로 액체의 거동을 제어하는 것 까지는 쉽게 실험적으로 보여줄 수 있었다. 하지만 이 원리를 이용하여 액체거동제어장비, 액체흐름제어장비를 고안하는 것은 쉽지 않았다. 어떻게 액체의 흐름을 효율적으로 제어할 수 있고 상용화 가능한 장비의 형태는 무엇인지 고민을 많이 하게 되었습니다. 창의적인 아이디어를 많이 내는 연구원과 브레인스토밍을 통해서 액체의 모양과 흐름을 제어하는 효율적인 장비를 만들게 되었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

매우 간단한 방법으로 그래핀 매쉬를 활용한 전극의 배열과 전기습윤 현상을 적용한 장치의 설계를 할 수 있으며, 기존의 액체에 접촉해야하는 전기습윤 실험을 액체에 전압을 직접적으로 인가하지 않아도 물방울의 움직임을 제어할 수 있는 기능성 길항 유체 제어(Functionally Antagonistic Flow Control by Electrowetting)기술을 개발하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

수처리 분야에 적용이 가능한 실증연구를 통해, 인류발전에 공헌하고자 한다. 특히, 표면청소, 금속코팅, 방수표면, 제습공조, 부식방지, 저항감소 등 다양한 관련 소재/소자 원천 기술로 적용 가능할 것으로 판단되어, 실제적으로 적용하는 상용화 연구를 진행할 예정이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

새로운 아이디어를 제시하고 실제 실험을 통해서 유의미한 결과를 얻는 것은 매우 즐거운 일이다.  실험과정에서 다양한 아이디어를 도출하고, 이를 다른 연구 분야에도 적용이 가능한 아이디어도 있었다. 전기습윤현상을 연구하면서 다른 연구분야에도 적용이 가능한 아이디어를 도출한 것이 가장 특별한 에피소드였다.

용 어 설 명

1. 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)지
 ○ 과학 분야 국제적 수준의 3대 저널 중 하나인 Nature의 자매지로 자연과학분야에서 최고 수준이 인정되는 국제학술지 (2015년 기준 영향력지수 11.47)

2. 길항(antagonism)
 ○ 서로 상반된 물성 혹은 기능의 대항작용으로, 예를 들면 수축과 팽창, 발수성과 친수성, 전도성과 비전도성, p-doing과 n-doping, 굴근과 심근, 교감신경과 부교감신경과 같이 반대로 작용하는 것을 말한다. 

3. 화학증착방법(CVD, chemical vapor deposition)
 ○ 화학 기상 성장법이라고도 불리는 합성법으로서 기체상태의 원료 물질을 가열한 기판 위에 송급하고, 금속간 화합물을 합성하는 방법, 열분해, 수소환원 등의 여러 가지 반응 방식이 있다.

4. 전기습윤(electrowetting)
 ○ 전기로 액체의 표면장력이 바뀌는 현상으로, 물 분자 자체가 극성(+, -)을 갖고 있기 때문에 전기가 통하면 표면장력이 변한다.

5. 그래핀
 ○ 탄소 원자로 이루어진 원자 1개 두께의 얇은 막

6. 가역적 
 ○ 외부에 어ᄄᅠᆫ 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 변화현상

7. 소수성
 ○ 물 분자와의 친화력이 적어 물을 빨아들이지 않는 성질

8. 비가역적
 ○ 가역현상의 반대로 이전상태에서 현재상태가 되었을 때 다시 이전상태로 돌아갈 수 없는 경우의 변화현상 

9. 내부식성
 ○ 부식에 견디는 특성

10. 발수성 소재 
 ○ 천이나 종이 따위의 표면에 물이나 오염물이 스며들지 않는 성질을 가진 소재

그 림 설 명

       (그림1) 그래핀 매쉬의 제조 방법 및 기능성 길항 액체 제어 기술의 도식도

      액체의 모양 변화와 흐름은 그래핀 메쉬(그래핀 그물망, graphene mesh)의 표면에서 제어가 가능하다. 그래핀 메쉬를 만드는 제조과정은 a의 그림과 같다. 1000℃ 고온에서 메탄(CH4) 가스를 탄소원으로 하여 니켈메쉬(nickel mesh) 표면에 화학증착방법(CVD)으로 그래핀을 직접 성장시킨다. 이를 통해 그래핀이 코팅된 니켈메쉬를 얻게 되고, 금속인 니켈을 제거하는 에칭(etching)과정을 통해서 속이 빈 그래핀 메쉬(hollow graphene mesh)를 합성하였다. 전기습윤현상( electrowetting)을 이용한 기능성 길항 액체 제어 기술로 물에 대한 반발성(repellency)와 물에 대한 투과성(permeability)의 실험사진은 b에서 보여주고 있다. 반발성과 투과성은 서로 상반되는 기능으로 그래핀 메쉬 표면에서 발생되며, 이를 기능성 길항 액체제어기술이라 정의한다. 

 
       (그림2) 비가역적 액츄에이션 모드(irreversible actuation mode)와 기능성 길항 액체 제어장치(functionally antagonistic active flow devices)

     그림2에서는 그래핀 매쉬 표면에서 액체방울의 모양 변화에 대한 다양한 실험을 보여준다. 그래핀 매쉬 양쪽면에 물방울을 올렸을 때, 전기장을 형성하면 물방울은 비가역적 액츄에이션을 a에서 보여준다(스케일바 1mm). 그래핀 매쉬와 구리전극 위에 각각 물방울을 올렸을 때, 물방울이 초기모습으로 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.