안녕하세요 시제품 개발 전문기업 디자인웨일입니다.
우리 일상은 좋든 싫든 물과 긴밀한 관계를 맺고 있습니다.
일단 우리 몸 전체 질량의 70% 정도가 물입니다.
또 우리에게 필요한 여러 영양분은 물에 녹은 상태에서 운반됩니다.
또 우리 몸을 이루는 세포의 약 80%에 이르는 수의 적혈구가 혈관 속을 누빕니다.
세포로 갈 때는 산소를 가져가고 올 때는 이산화탄소를 운반하는 거죠.
그럼 왜 산소와 이산화탄소는 물에 잘 녹질 않는 걸까요?
오늘은 이러한 물에 젖지 않는 성질, '초소수성'에 대해 알아보겠습니다.
1.친수성과 소수성, 초소수성
물과 친하면 친수성, 물과 친하지 않으면 소수성입니다.
물 분자는 다들 아시다시피 산소 원자 하나와 수소 원자 두 개가 모여 만들어집니다.
이때, 두 수소 원자는 아래 그림처럼 산소를 중심으로 104.5도의 각을 이루고 있습니다.
이렇게 굽은 구조를 가지다 보니 수소가 모여 있는 쪽은 부분적으로 플러스 전기를 띠게 되고,
반대쪽은 부분적으로 마이너스 전기를 띕니다.
이렇게 분자 전체로는 중성이지만 부위에 따라 부분적인 전하를 가지는 분자를 극성분자라고 합니다.
이런 관계로 물 분자는 주로 극성을 띠는 분자나 이온과 결합을 더 잘합니다.
우리 몸에 필요한 다양한 영양분들, 아미노산, 포도당, 바타민, 무기염류들은 대부분 극성을 띠기 때문에 물에 잘 녹습니다.
하지만 이산화탄소와 산소 같은 분자들은 극성을 띠지 않는 무극성분자기 때문에 물에 잘 녹질 않습니다.
극성분자나 이온처럼 물과 친한 물질을 친수성 물질이라고 하고,
물과 친하지 않은 물질을 소수성 물질이라고 합니다.
공기를 구성하는 질소나 산소, 이산화탄소는 모두 무극성 물질로 소수성입니다.
그런데 소수성 물질 중에서도 물과 극히 친하지 않은 물질을 초소수성 물질이라고 합니다.
일반적인 소수성 물질과 초소수성 물질을 구분할 수 있는 가장 좋은 방법은 그 물질 위에 물방울을 올려놓는 겁니다.
물과 친한 물질과 만나면 물방울이 옆으로 퍼져 물질과의 접촉면을 넓힙니다.
반대로 물과 친하지 않은 물질 위에 올려진 물방울을 물질과의 접촉면을 줄여 반원형에 가까운 모습을 합니다.
초소수성 물질의 경우는 아예 완전히 둥근 모양을 해서 물질과의 접촉면을 최소화합니다.
그래서 물과 이루는 각도가 150도 이상 되는 경우 초소수성 물질이라고 부릅니다.
2. 우리 주변에서도 쉽게 볼 수 있는 초소수성
자연에서 초소수성을 띠는 대표적인 물질이 연잎입니다.
물속에 뿌리와 가지를 두고 잎만 물 위로 내민 연의 경우 잎 표면에 물이 묻을 일이 아주 잦습니다.
이렇게 물이 잎 표면에 있으면서 여러 지저분한 물질과 섞이면 광합성을 하기 힘듭니다.
그래서 연잎은 표면이 초소수성이 되도록 진화합니다.
연잎을 현미경으로 살펴보면 표면에 3~10㎛ 크기의 수많은 돔 형태의 돌기가 가득합니다.
워낙 크기가 작으니 물방울이 그 사이로 스며들지 못하고 돌기 위해 매달려있는 상태가 됩니다.
그래서 연잎이 조금만 움직여도 불안정한 물방울은 또르르 구르게 되는데
이때 연잎 표면의 먼지가 같이 쓸려 내려가 표면을 광합성을 하지 좋은 깨끗한 상태로 유지할 수 있습니다.
3. 초소수성의 활용 분야
https://youtu.be/UpZsnh7Ztd4?si=xxsriodVnIZxKo2L
▲ 전력 설비 효율적으로 관리할 수 있는 연잎 원리를 이용한 코팅기술 (출처: YTN 사이언스)
이런 초소수성에 주목한 과학자들은 인공적으로 초소수성 코팅을 만듭니다.
바로 나노 사이즈와 마이크로 사이즈가 혼합된 거친 표면이 필요합니다.
이렇게 아주 작은 돌기가 있으면 물이 닿을 표면 자체가 아주 적어져 비로소 초소수성을 띠게 됩니다.
돌기 사이의 공기층 위에 물방울이 떠 있는 모양새가 되는 거지요.
이렇게 인공적으로 만든 초수성 코팅을 활용하면 칼로 물을 베는 것도 가능합니다.
이런 초소수성 물질은 이미 다양하게 연구되거나 활용되고 있습니다.
1 ) 디스플레이 분야
그 중 하나가 디스플레이 분야입니다. 얇은 막 형태의 투명한 초소수성 필름을 디스플레이 표면에 부착합니다.
지문이 잘 묻어나지 않고 먼지가 쌓여도 물로 슬쩍 씻어내면 깨끗해집니다.
건물 표면에도 초소수성 물질을 코팅하면 물로 씻기만 해도 먼지가 다 사라지니 항상 깨끗한 상태를 유지할 수 있습니다.
2 ) 태양광 전지
이런 특징으로 인해 태양광 전지의 표면 재료로 활용하려는 연구도 진행 중입니다.
일단 물로 씻기만 해도 표면이 깨끗한 것이 장점입니다.
태양전지는 표면의 이물질에 의해 햇빛이 차단되면 발전 효율이 떨어지기 때문에
항상 표면을 깨끗이 닦아주어야 하는데 초소수성 물질을 코팅하면
물만 슬쩍 뿌려도 항상 깨끗한 상태를 유지하는 겁니다.
거기다 돌기가 큰 역할을 합니다.
돌기의 크기를 태양광 파장보다 작게 만들면 표면의 반사율이 줄어드는 효과도 있습니다.
현재 태양광 전지는 약 35% 정도가 반사되는데 초소수성 코팅을 하면
반사율이 6%로 줄어들어 약 30% 정도 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다.
3 ) 그 밖의 분야
음료수가 쏟아져도 털어내기만 하면 깨끗해지는 기능성 의류를 만드는 데도 사용되고,
전자제품의 표면을 코팅하는 데도 사용됩니다.
배의 경우도 선체 전체에 초소수성 코팅을 하고,
구름 속을 다니는 비행기 날개에도 사용됩니다.
그리고 표면을 건조하게 유지하면 세균이나 바이러스 등이 달라붙는 것도 막을 수 있습니다.
그래서 각종 의료기구에도 사용되고 있습니다.
4. 초소수성 물질의 미래
초소수성의 아주 작은 돌기를 만들기 위해서는 정밀한 제조공정이 필요합니다.
그래서 생산 비용이 많이 들고 돌기구조가 워낙 미세하다 보니 표면이 잘 깨지는 단점도 있습니다.
일반적으로 초소수성이 강하면 강할수록 가격도 비싸고 강성은 약해집니다.
이런 점 때문에 더 많은 곳에 이용되지 못하고 있는 것이 현실입니다.
과학자들이 여러 가지 방법을 연구하고 있으니
앞으로는 더 싼 가격에 더 내구성이 좋은 초소수성 물질을 만나게 될 것으로 예상합니다.
오늘은 물에 젖지 않는 성질, '초소수성'에 대해서 알아봤는데요.
시제품제작 상담과 제작의뢰는
디자인웨일로 문의 주시면 성심성의껏 빠르게 답해드립니다.
문의사항은 디자인웨일 홈페이지와 이메일로
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지금까지 시제품 개발전문기업 디자인웨일이었습니다.
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