[더테크 이지영 기자]  KAIST와 서울대 공동 연구진이 원자간력 현미경(AFM)을 활용해 나노 크기 물방울을 실시간으로 관찰하고 접촉각까지 정밀 측정하는 기술을 세계 최초로 구현했다. 수소 생산 촉매부터 반도체 공정까지 액체의 ‘젖음성’이 성능을 좌우하는 산업 전반에 새로운 연구 패러다임을 제시할 전망이다.

수소 생산 촉매에서 물방울이 표면을 얼마나 빠르게 이탈하느냐는 기포 생성과 반응 효율을 결정하는 핵심 요소다. 반도체 공정에서도 물이나 액체가 표면에 어떻게 퍼지고 마르는지가 제품 품질을 좌우한다. 그러나 이러한 젖음성 특성을 나노 크기에서 직접 관찰하는 일은 기술적으로 거의 불가능해, 그동안 연구자들은 대부분 간접 분석에 의존해야 했다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 서울대학교 임종우 교수팀과 공동으로, 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 나노 물방울을 실시간으로 시각화하고 물방울의 모양을 기반으로 접촉각을 계산하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

이번 기술의 핵심은 ‘나노 물방울의 원래 형태를 손상 없이 포착하는 것’이다. 연구팀은 공기 중 수증기가 얼지 않을 만큼 미세한 온도로 표면을 균일하게 냉각해 자연적으로 나노 물방울을 생성하고, AFM 비접촉 모드로 이를 관찰하는 데 성공했다. 나노 물방울은 탐침이 닿기만 해도 변형될 정도로 민감해, 촬영 과정에서 원형 유지가 가장 큰 난제였다.

이 기술을 강유전 물질 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)에 적용한 결과, 물질의 전기적 방향(분극)에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라지는 현상도 세계 최초로 확인했다. 기존의 밀리미터 크기 물방울 실험에서는 관찰되지 않던 미세한 차이로, 나노 스케일 물방울이 표면의 전기적 성질에 극도로 민감하다는 사실을 입증한 셈이다.

연구팀은 이어 이 기술을 수소 생산용 수전해 촉매 NiFe-LDH에도 적용해 단일 나노 물방울의 거동을 분석했다. 이는 촉매 표면에서 물이 반응하는 메커니즘, 기포 발생·분리 특성 등 촉매 성능과 직결되는 요소들을 정밀하게 이해하는 데 중요한 데이터로 활용될 전망이다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 AFM을 이용해 나노 물방울을 직접 시각화하고 정량 분석할 수 있음을 입증한 의미 있는 사례”라며 “그동안 관찰할 수 없던 나노 스케일의 물 거동을 실시간으로 분석함으로써 차세대 에너지·전자 소재 개발의 핵심 도구가 될 것”이라고 말했다.