자동차 유리 김서림 방지 기술 개선 원리 규명

제원호 교수팀, 이산화티타늄 흡광시 생성 흡착물층과 물 분자 강한 인력 발견

제원호 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 이산화티타늄이 초친수성을 갖는 원리를 규명했다.

미래창조과학부는 제원호 서울대 물리천문학부 교수 연구팀이 빛을 받을 때 이산화티타늄이 초친수성을 띠게 되는 원리를 규명했다고 20일 밝혔다.

표면에 물방울이 맺히지 않는 초친수성 물질은 눈, 비에도 시야를 가리지 않아야 하는 항공기나 자동차의 유리 등에 널리 쓰여 연구는 향후 항균, 탈취, 셀프크리닝, 김서림방지 기능을 갖는 보다 경제적이고 친환경적인 광촉매 코팅제나 필름 개발에 기여할 것으로 기대된다.

이산화티타늄(TiO2)은 빛을 받아 화학반응을 돕는 대표적인 금속 산화물 광촉매로 유해물질을 분해하거나 항균, 탈취, 셀프크리닝에 이용된다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행돼 미국립과학원회보(PNAS) 7일자 온라인판에 게재됐다.

이산화티타늄의 흡광시 나타나는 초친수성은 방오, 방담 필름 등에 응용되지만 정확한 원인에 논란이 있는 가운데 효율적인 태양광 스마트 코팅제 개발 등에 응용하는데 어려움이 있었다.

기존 연구는 흡광시 표면의 직접적인 구조적 변화를 측정하는데 한계가 있었으나 연구팀은 정밀한 원자힘현미경을 이용해 이산화티타늄 표면의 흡착물층을 직접 세밀하게 분석했다.

연구팀은 자체적으로 만든 원자힘현미경을 이용해 가시광선과 근적외선 흡수시 나타나는 이산화티타늄 표면의 흡착물층을 발견하고 실시간으로 그 성장을 정밀하게 측정한 결과 초친수성이 흡광시 생성되는 흡착물층과 물 분자와의 강한 인력 때문이라는 것을 규명했다.

원자힘현미경은 미세탐침과 시료표면 사이에 생기는 원자간 상호작용력을 측정해 시료 표면의 구조적, 전자기적 특성을 형상화하는 장치다.

이산화티타늄 표면의 산소결함에 포획된 전자들이 공기 중 물분자와 상호작용해 얇은 막처럼 물이 흡착되는 흡착물층의 생성원리도 밝혔다.

이 물층은 빛의 세기에 따라 약 20㎚ 이상 두껍게 성장하는 것으로 나타났다.

표면 전자에 의한 습윤효과보다 표면에 광흡착된 물 층에 의한 습윤효과가 지배적이라는 것도 확인했다.

초친수성 원리에 대한 실마리가 밝혀지면서 도핑 등 특수처리 없이 이산화티타늄의 고유한 성질을 이용한 태양광 스마트 코팅이나 방담필름 개발 연구 등으로 이어질 것으로 예상된다.

제 교수는 “이번 연구를 통해 이산화티타늄의 초친수성 원리가 분명히 규명돼 유사한 산소결함을 갖는 금속산화물들의 광친수성의 이해 및 새로운 친환경 광촉매 개발에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이산화티타늄의 흡광에 의해 성장하는 흡착물층의 측정 및 동역학적 성질, A. 동적 원자힘 현미경을 이용한 광흡착 물층의 측정 방법 도식화 (i) 먼저 모세관 응축된 물기둥의 생성위치를 측정한다(E0). (ii) 빛 주사후(E0,...,E6) 성장하는 흡착물층과 다가가는 팁 사이 물기둥의 생성시점 및 감쇠력을 측정한다. 빛 주사후 물기둥 생성까지의 시간을 통해 자라나는 광흡착 물층의 속도를 알 수 있다. (iii) 빛 주사가 R보다 멀리서 시작되었을 때에는 항상 F에서 물기둥이 생긴다. 따라서 F-E0를 통해 물층의 높이를 알 수 있다. B. A에서 설명한 방식을 통한 광흡착 물층의 성장 속도 및 두께측정 C. 빛의 세기와 상대습도에 따른 흡착물층의 성장 속도변화, 물분자와 표면사이의 장거리 힘을 의미한다. D. 산소결함이 줄어들 때 나타나는 흡착물층 높이의 변화, 산소결함이 물흡착에 지배적인 역할을 하고 있음을 의미한다.