전기로 물의 움직임과 흐름을 제어하는 기술 개발

In 부산

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 기술최초로 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 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 국제적인 학술지 네이처커뮤니케이션(Nature Communication) 10 31게재되었다.

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 어??? 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 있는 방법을 개발한 것이다. 방습 제습, 미세유체, 해수 담수화, 차세대 () 처리 장치 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

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