KAIST, ‘나노 물방울’ 직접 측정 성공…수소·반도체·배터리 기술에 새 돌파구

원자간력현미경(AFM)으로 물방울의 실제 형상·접촉각을 실시간 관찰한 세계 최초 성과

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 서울대학교 임종우 교수 연구팀과 공동으로 원자간력현미경(AFM)을 이용해 나노 크기의 물방울을 직접 영상화하고 접촉각을 정밀 측정하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이번 성과는 그동안 기술적 한계로 인해 ‘추정’에 의존하던 젖음성(wettability) 연구를 정밀 측정 기반 연구로 전환시키는 중요한 전환점으로 평가된다.

수소 생산 촉매, 반도체·배터리 제조, 연료전지 등 액체의 이동성과 건조 속도가 성능과 품질을 결정하는 분야에서 물방울이 표면과 어떻게 접촉하고 떨어지는지 이해하는 것은 핵심 과제였다. 그러나 기존 연구는 수 밀리미터 크기의 큰 물방울을 이용해 대략적인 친수성·소수성만 파악할 수 있었다. 나노 스케일에서는 물방울이 너무 작아 형태를 정확히 관찰하는 자체가 불가능했기 때문이다.

연구팀은 표면을 부드럽게 냉각해 자연적으로 형성된 나노 물방울을 AFM 비접촉 모드로 관찰하는 방식을 개발해 이 문제를 해결했다. 물방울은 탐침이 닿기만 해도 모양이 변형될 만큼 민감해 정밀 제어가 필요했지만, 연구팀은 영상화와 접촉각 분석 모두에서 안정적인 측정에 성공했다.

페이지 2~4에 포함된 실험 이미지를 보면, 연구팀은 나노 물방울의 삼차원 형상과 line profile(수직 단면)을 확보하고, 파이썬 기반 알고리즘으로 gradient vector를 계산해 물방울 접촉각을 정량화했다. 이 방법은 기존 광학 측정으로는 불가능했던 나노 접촉각 분석을 가능하게 했다.

특히 연구팀은 강유전 물질 리튬탄탈레이트(LiTaO₃)를 실험에 적용했을 때, 물질의 전기적 분극 방향에 따라 나노 물방울의 접촉각이 달라지는 현상을 처음으로 확인했다. 큰 물방울에서는 거의 나타나지 않았던 이 차이는 나노 스케일에서 물방울이 표면의 전기적 미세 상태에 극도로 민감하게 반응한다는 사실을 보여준다.

또 다른 실험에서는 수전해 촉매인 NiFeLDH 입자 표면 위에 형성된 단일 나노 물방울을 촬영하여 물방울이 증발하면서 촉매 입자가 노출되는 과정까지 관찰했다. 연구팀은 증발 전후 line profile 비교를 통해 촉매 표면에서 물이 어떻게 반응하는지, 기포가 얼마나 잘 떨어지는지 등 반응 메커니즘을 정밀 분석할 수 있음을 확인했다. 이는 수소 생산 속도와 촉매 효율과 직접 연결되는 핵심 정보다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 나노 크기 물방울을 직접 시각화하고 접촉각까지 실시간 측정할 수 있음을 보인 세계적인 성과”라며, “수소 촉매·연료전지·배터리·반도체 공정 등 첨단 기술의 성능을 좌우하는 액체-고체 상호작용 분석이 한층 정밀해질 것”이라고 밝혔다. 연구는 ACS Applied Materials & Interfaces(ACS 응용소재 및 인터페이스)에 10월 17일자 논문으로 게재됐다.

KAIST는 이번 기술이 앞으로 차세대 에너지 소재, 전자소자, 표면공학 연구의 공통 플랫폼으로 확장될 수 있다고 보고 있다. 또한 수소경제, 전고체 배터리, 나노전자회로 등 국가 전략 분야에서 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 기대했다.

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