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(왼쪽부터) 신소재공학과 정의창 박사과정 학생, 홍승범 교수 /KAIST 제공

[투데이에너지 장재진 기자] 국내 연구진이 나노미터 크기의 물방울이 소재 표면 위에서 움직이는 모습을 실시간으로 직접 관찰하고 측정하는 획기적인 기술을 개발하며, 수소, 반도체, 배터리 등 미래 첨단 산업 분야에 새로운 연구 플랫폼을 제시했다.

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 서울대학교 임종우 교수팀과의 공동 연구를 통해 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 성과를 거두며 과학계의 주목을 받고 있다.

2일 KAIST에 따르면 나노 세계의 '물방울 미스터리' 해소 첨단 에너지 및 전자 소재 개발에서 '젖음성(Wettability)'은 성능을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힌다. 특히 수소 생산 촉매의 경우, 물방울이 표면에서 얼마나 효율적으로 떨어져 나가느냐에 따라 수소 생산 속도가 달라지며, 반도체 제조 과정에서는 액체가 표면에 고르게 퍼지거나 빠르게 건조되는 것이 공정 품질에 결정적인 영향을 미친다. 하지만 지금까지는 이러한 나노 스케일의 액체 움직임을 직접 관찰하기 어려워 연구자들이 추측에 의존할 수밖에 없었다.

원자간력 현미경(AFM)과 온도 제어 응축 기술의 만남 연구팀은 이 난제를 해결하기 위해 원자간력 현미경(AFM)을 활용한 새로운 직접 시각화 방법을 개발했다.

이 기술은 공기 중 수증기를 얼지 않는 온도로 표면을 부드럽게 냉각하여 나노 물방울이 자연스럽게 맺히도록 유도하고, AFM의 비접촉 모드를 이용해 물방울의 원래 형태를 변형 없이 고해상도로 촬영하는 방식이다. 이를 통해 물방울의 모양을 기반으로 정밀한 접촉각 계산이 가능해졌다.

강유전 물질 및 수소 촉매 연구에 적용, 잠재력 입증 이번 연구를 통해 강유전 물질인 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용한 결과, 물질의 전기적 분극 방향에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라진다는 사실이 처음으로 확인됐다. 이는 기존 거시적인 측정 방식으로는 감지할 수 없었던 나노 스케일에서의 새로운 현상을 밝혀낸 것으로, 나노 물방울이 표면의 전기적 상태에 매우 민감하다는 것을 시사한다.

나아가 연구팀은 수소 생산을 돕는 수전해 촉매(NiFeLDH)에도 이 기술을 적용하여 단일 나노 물방울을 성공적으로 관찰했다. 이 결과는 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지 이해하고, 특히 기포 배출 효율과 같은 촉매의 성능을 분석하는 데 중요한 통찰력을 제공할 것으로 기대된다.

미래 첨단 소재 개발의 '핵심 분석 기술'로 도약 홍승범 교수는 “이번 연구는 원자간력 현미경을 활용해 나노 크기 물방울의 직접적인 시각화 및 접촉각 측정 가능성을 입증한 중요한 사례”라며 “그동안 미지의 영역이었던 나노 세계의 물방울 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 됨으로써, 차세대 에너지 및 전자 소재 개발을 위한 필수적인 분석 기술로 자리매김할 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 KAIST 신소재공학과 정의창 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여했으며, 미국화학학회(ACS)의 권위 있는 학술지 'ACS 응용소재 및 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)' 2025년 10월 17일 자로 게재됐다.

KAIST 제공

KAIST 제공

■ 용어 설명

ㆍ나노 물방울=나노미터(10억 분의 1미터) 크기의 아주 작은 물방울. 일반적인 물방울보다 훨씬 미세하며, 표면과의 상호작용이 특수한 물리적 현상을 보일 수 있다.

ㆍ젖음성(Wettability)=액체가 고체 표면에 얼마나 잘 퍼지거나 달라붙는지를 나타내는 성질. 액체와 고체 사이의 표면 장력에 따라 결정되며, 접촉각으로 그 정도를 측정한다.

ㆍ원자간력 현미경(AFM, Atomic Force Microscope)=시료 표면과 아주 작은 탐침(probe) 간에 작용하는 원자간의 힘을 이용해 시료 표면의 3차원 형상과 물리적 특성을 나노 스케일로 측정하는 현미경. 시료를 파괴하지 않고 이미지를 얻을 수 있다.

ㆍ접촉각=액체 방울이 고체 표면에 떨어졌을 때, 액체 방울의 가장자리에서 액체-고체 경계면과 액체-기체 경계면이 이루는 각도. 이 각도를 통해 젖음성 정도를 정량적으로 평가할 수 있다. 각도가 작을수록 친수성이 강하고, 클수록 소수성이 강하다.

ㆍ강유전 물질(Ferroelectric Materials)=외부에서 전기장을 가하지 않아도 스스로 전기적인 분극을 가지는 물질. 이 분극의 방향을 외부 전기장으로 바꿀 수 있다는 특징이 있다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)