“와인의 눈물(Tears)” 현상인 마랑고니 효과(Marangoni effect) 응용
KAIST 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 커피링 얼룩자국이 남지 않도록 디스플레이용 양자점(퀀텀닷)을 균일하게 코팅할 수 있는 기술을 개발했다.
커피링은 커피 방울이 고체 표면 위에서 마르면 액적(물방울) 표면의 상대적 증발률 차로 인해 남게 되는 얼룩 자국이다.
커피링효과는 미세입자를 포함하는 액체가 증발할 때 입자들이 가장자리에 쌓이는 원리다.
가장자리부터 증발하는 액체의 특성상 커피들이 빈자리를 채우기 위해 바깥 쪽으로 계속 이동하고 커피가루가 가장자리에 쌓여 진해지는 것이다.
액적의 증발은 잉크젯 프린팅과 같은 기술에서 기능성 유연 재료의 균일 코팅과 직결된다.
최근 잉크젯 프린팅 기술은 단순 패턴 인쇄를 넘어 차세대 에너지 및 디스플레이를 포함한 전기·전자 소자의 융복합 생산시스템 기술에 활용되고 있다.
그동안 액적의 커피링 패턴을 제어하고 균일 마름 자국을 얻기 위해 계면활성제를 사용하거나 부분적인 표면장력 변화를 발생시켰다.
서로 다른 액체 등이 경계면을 따라 표면장력의 크기가 일정하지 않을 때 발생하는 현상인 마랑고니 효과(Marangoni effect)를 얻기 위한 방법이다.
김 교수는 지난 2016년 위스키가 특이하게 마르는 현상을 규명해 커피링을 획기적으로 없앨 수 있는 기술을 얻었다.
“와인의 눈물(Tears)” 현상을 응용했다.
와인이 담긴 잔을 흔든 다음 그대로 두면 얇은 막이 형성되어 와인이 눈물같이 밑으로 흘러내리는 현상이다.
“와인의 눈물”은 와인이 공기와 접촉하는 면적(표면장력)을 크게 하여 와인 향의 증발을 더욱 촉발시키는 역할을 하게 된다.
문제는 물방울의 접촉선 위치에서의 커피링 효과는 줄일 수 있었으나 여전히 커피링 효과는 남았다.
연구팀은 액적이 증발하는 공간을 한시적으로 밀폐시켜 커피링을 완전히 소멸시키는 방법을 개발했다.
증발률이 다른 두 액체를 혼합해 먼저 증발하는 휘발성 액체의 몰 분자량이 공기보다 크다는 사실을 이용했다.
밀폐된 공간에 갇힌 휘발성 증기가 연속적으로 용질성 마랑고니 효과를 일으켜 커피링을 완전히 사라지게 만들었다.
김형수 교수는 “증발 물질을 잘 이해하고 물질전달 메커니즘을 활용해 증발 시스템을 최적화하면 디스플레이 원료 퀀텀닷과 태양광 패널 원료 페로브스카이트와 같은 기능성 소자들을 대량 생산이 가능한 잉크젯 프린팅 기술로 균일하게 패터닝을 가능하게 할 수 있다”며 “현재 이 기술에 대한 특허를 출원했고 유연 디스플레이 소자에 적용하기 위해 후속연구도 진행 중”이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술단체인 ‘영국왕립화학회’의 학술지 ‘Soft Matter(연성물질)’가 특별기획한 ‘신진과학자 특집호’에 지난 7일자 표지논문으로 게재됐다.
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