▲ 비접촉모드를 활용한 나노 스케일 물방울 영상화. 포화 수증기 상태에서 스테이지 냉각을 통해 자발적 물방울 형성을 유도하여 영상화 구현. 삼차원 이미지 및 line profile을 통해 물방울 형상을 확인함. 파이썬 코드를 이용하여 형상 이미지에서 gradient vector로부터 접촉각을 계산 후 단일 물방울의 통계적 접촉각을 추출함. 강유전체의 분극 방향에 따라 나노 스케일 접촉각이 분리되는 현상을 확인함(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

수소 생산 촉매에서 물방울이 어떻게 떨어지고, 반도체 공정에서 액체가 표면에 어떻게 번지고 마르는가 등 이 미세한 ‘액체의 움직임’은 첨단 기술의 성능과 직접 연결된다. 그러나 물방울이 나노 크기에서 어떻게 형성되고 움직이는지는 기술적 한계로 인해 누구도 직접 본 적이 없었다. 연구자들은 추측과 모델링에 의존해 왔으며, 이는 차세대 에너지·전자 소재 개발의 근본적 병목으로 지적돼 왔다.

이 난제를 KAIST가 해결했다.

KAIST 홍승범 교수팀(신소재공학과)은 서울대 임종우 교수팀과 공동으로, 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울이 실제로 표면과 만나는 모습을 실시간으로 관찰하고 그 접촉각까지 세계 최초로 직접 측정하는 데 성공했다.

이번 기술은 표면 분석계의 오랜 한계를 뛰어넘어, ‘나노 스케일 젖음성’이라는 새로운 영역을 실험적으로 열어젖힌 결과다.

연구팀은 표면을 미세하게 냉각시켜 공기 중 수증기가 자연적으로 나노 물방울을 형성하도록 유도한 뒤, AFM 비접촉 모드로 물방울의 원형을 손상 없이 촬영했다. 나노 물방울은 탐침이 조금만 닿아도 형태가 변형되기 때문에 극도로 정교한 제어 기술이 필수적이었다.

이 기술은 다양한 첨단 산업에 즉시 활용될 수 있다.

첫째, 수소 생산 촉매에서는 물이 어떻게 고르게 퍼지고 기포가 얼마나 잘 떨어지는지가 수소 생산 효율을 좌우한다. 연구팀은 수전해 촉매(NiFeLDH) 표면 위 단일 나노 물방울을 관찰하며 촉매 성능을 결정짓는 물-표면 상호작용을 정밀 분석하는 데 성공했다.

둘째, 반도체 공정에서도 나노 크기에서의 액체 동작은 포토레지스트 도포 균일성, 세정 공정, 건조 과정 등 핵심 공정의 품질을 좌우한다.

셋째, 배터리 및 연료전지 소재에서도 전극 표면에서의 물·전해액 움직임을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

특히 연구팀은 강유전체 물질인 리튬탄탈레이트(LiTaO₃) 표면에 나노 물방울을 올려놓았을 때, 표면의 분극 방향에 따라 접촉각이 달라지는 현상을 세계 최초로 관찰했다. 이는 큰 물방울로는 절대 포착할 수 없는 나노 영역 특성으로, 물방울이 표면의 전기적 상태에 극도로 민감하다는 사실을 증명했다.

홍승범 KAIST 교수는 “이번 연구는 그동안 이론으로만 존재했던 ‘나노 물방울’을 실험적 현실로 끌어낸 첫 사례”라며 “수소, 반도체, 배터리 등 나노 젖음성이 성능을 결정하는 모든 분야에서 핵심 분석 플랫폼이 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 KAIST 정의창 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 미국화학학회(ACS)가 발행하는 재료·화학 분야 세계적 권위 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 10월 17일자로 게재됐다.

KAIST와 서울대가 함께 연 기술적 돌파구는, 차세대 에너지·전자 소재 연구에서 ‘보이지 않던 세계’를 보는 시대가 열렸음을 선언하는 상징적 성과로 평가된다.

논문명은 Nanoscale Visualization and Contact Angle Analysis of Water Droplets on Ferroelectric Materials이다.