미래창조과학부는 지난달 22일 국내 연구진이 고체표면에 놓인 물방울에 생기는 미세한 젖음주름의 원리를 규명해 냈다고 밝혔다. 이는 세포조작이나 프린팅 기기, 물질의 표면처리 등 각종 나노기술분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 젖음주름이란 고체바닥 위에 액체가 놓일 때 액체-기체 계면장력의 수직방향 힘에 의해 액체, 기체, 고체 경계면 영역의 고체가 뾰족하게 융기한 것. 주로 무른 고체 위에서 나타난다. 나뭇잎 위 이슬, 손등에 떨어뜨린 에센스 방울, 눈에 떨어뜨린 점안액 등에서 나타난다.
포항공대 신소재공학과 제정호 교수 및 박수지 박사과정 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 7월 10일자에 게재되었다. (눈문명 : visualization of asymmetric wetting ridges on soft solids with X-ray microscopy)
물방울은 고체인 바닥과 기체인 공기와 접하는 곳에서 서로간의 힘이 균형을 이루면서 형체를 유지한다. 이 때 물방울이 바닥과 공기와 동시에 만나는 부분에서 미세한 젖음주름이 만들어지는 것이 알려져 있으나 직접 관찰하지 못해 정확한 형태나 형성원리를 명료하게 알지 못했다. 이에 연구팀은 투과엑스선현미경을 이용하여 실리콘 젤 표면 위에 놓인 물방울에 형성된 젖음주름의 영상을 얻고 그 형태와 형성원리를 밝혀냈다. 젖음주름을 이용한 나노구조물 제작이나 효율적인 표면처리제 개발 등 다양한 산업적 응용을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다. 특히 세포의 증식, 분화, 성장에 영향을 미칠 수 있는 세포의 젖음현상에 대한 이해를 돕고 향후 세포를 젖음주름에 가두는 등 세포공학적 응용에도 기여할 것으로 보인다. 액체가 고체나 다른 액체의 표면과 만날 때 나타나는 현상들은 명쾌하게 설명되었으나, 고무나 고분자 젤, 생체조직 같은 탄성물질과 만날 때 나타나는 젖는 현상은 그동안 설명이 어려웠다. 현미경으로 관찰한 결과 물방울 표면에 생긴 젖음주름의 꼭지점이 갈고리처럼 휘어진 비대칭삼각형 형태임을 알아냈다. 또 물질이 무를수록 젖음주름은 높게 생성되며 수직방향 힘에도 비례했다. 한편 젖음주름의 형태는 꼭지점에 작용하는 세가지 계면장력에 의해 결정된다는 것도 밝혀졌다. 공초점 현미경을 이용해 젖음주름을 관찰하려는 시도는 있었으나 염색물질 등을 이용해야 해 정확도에 다소 한계가 있었다. 제 교수는 “이번 연구로 밝혀진 젖음주름의 형성원리는 젖음현상에서의 힘의 평형을 설명함과 동시에, 무른 고체표면 위에서 나타나는 특이젖음 현상을 이해하는 밑거름이 될 것”이라고 밝혔다.

[ 연 구 결 과  ]

1. 연구배경

젖음현상은 지난 200년 동안 영의 법칙(Young’s law) 과 뉴만의 법칙(Neumann’s law)을 기반으로 설명되어 왔다. 하지만 이 법칙들은 딱딱한 고체 아니면 액체 표면에서만 성립되고, 고분자 젤, 고무, 생체 연조직 등 탄성(elastic) 또는 점탄성(viscoelastic)을 보이는 무른 물질의 젖음 현상은 설명하지 못한다. 무른 물질의 젖음현상 이해를 위한 첫 번째 관건은, 수직의 힘(액체 계면장력 중 수직 성분)에 의해 액체방울 테두리에 젖음주름(wetting ridge)이 형성되는 원리를 이해하는 것이다. 1960년대 이후 많은 연구자들이 선형탄성이론을 이용하여 주름형성원리를 이해하고자 하였다. 그러나 단순한 응력-변형 접근법은 삼상(액체-고체-기체) 접촉선(three-phase contact line) 근처에서 발산하기 때문에 삼상영역의 변형을 예측하는데 어려움이 있었다. 게다가 종전의 광학현미경에 기초한 영상화기법은 삼상계면에서의 심한 굴절 및 반사 현상으로 계면의 미시적 변화를 직접 관찰하는데 한계가 있었다.

2. 연구내용
본 연구에서는 투과엑스선현미경(Transmission X-ray Microscopy)을 이용하여 액체방울에 의해 형성된 젖음주름의 형태 및 성장 과정을 고해상, 실시간으로 영상화함으로써 젖음주름의 형성 원리를 규명해 낼 수 있었다. 젖음주름의 높이는 기존에 알려진 바와 같이 수직 힘과 표면의 탄성에 의해 결정되고, 그 형태는 기존에 알려진 바와 달리 꼭지점이 액체-기체 계면의 방향으로 휘어 있는 비대칭 삼각형임을 밝혀내었다. 또한 꼭지점에서 미시적접촉각(microscopic contact angle) 및 거시적접촉각(macroscopic contact angle)을 정확하게 측정하는데 성공하였고 이를 통해 거시적 접촉각은 영의 법칙 에 의한 값과 일치함을 밝혀내었다. 마지막으로 삼상영역에서 무른고체 거동은 고점도의 액체거동과 유사하며, 삼상영역의 평형은 고체의 탄성과는 무관하고 세 계면에 작용하는 힘의 평형에 의해 결정됨을 밝혀내었다. 결론적으로 고체표면에 액체방울의 젖음 현상은 거시적 관점에서 영의 법칙을 미시적 관점에서 뉴만의 법칙을 따른다는 것을 밝혀내었다.

그림 1. 물방울 젖음주름 형성 원리
(a, b) 물방울 젖음주름 형성을 나타내는 개략도(a)로 무른 고체(soft solid) 위에 놓인 물방울 둘레에 환형의 젖음주름이 형성된 것을 볼 수 있다. 단면의 개략도(b)를 보면 젖음주름은 물방울(액체상), 공기(기체상) 그리고 무른 고체(고체상)가 만나는 삼상계면(three-phase contact line)이 융기한 것으로, 그 주된 원인은 액체-기체 계면장력의 수직 성분(γLVsinθ) 때문이다(빨간 네모상자).
(c, d) 젖음주름의 엑스선 영상(c)을 확대(d)한 것으로 젖음주름의 꼭대기 부분이 물-공기 계면 방향으로 휘어진 갈고리 형태로 생성된 것을 보여준다
(e) 젖음주름의 꼭지점에서 거시적 접촉각(θ; macroscopic angle)과 미시적 접촉각(θS, θL, θV; microscopic angle)을 직접 측정하였다.

그림 2. 젖음주름의 성장과정 분석
(a) 엑스선 현미경으로 촬영한 시간에 따른 젖음주름의 성장  공기, 40% 에틸렌 글라이콜 수용액(EG 40%), 실리콘 젤(탄성계수 = 3 kPa)의 계면에서 시간에 따라 젖음주름의 높이가 점점 높아진다. 공기-EG 40% 계면을 제거하면 젖음주름의 높이가 순간적으로 낮아지지만 그 형태는 그대로 유지된다. (181s)
(b) 젖음주름의 성장에 따른 접촉각 분석  시간에 따라 젖음주름의 높이는 일정한 속도(~ 7 nm/s)로 증가하며(위 그래프) 젖음주름의 성장 중에도 고체 영역의 미시적 접촉각(θS)은 그대로 유지(아래 그래프)된다. 공기-EG 40% 계면을 제거한 후의 측정값을 x로 표시하였으며, 제거 후에도 여전히 각도가 유지됨을 확인할 수 있다. ΔθS=ΔθS(t)-θS(0).
(c) 시간의 변화에 따른 젖음주름의 성장과정 개념도  젖음주름 성장의 원인은 기판이 점탄성 물질임을 고려하였을 때, 고체 내부 분자들의 재배열 또는 위치 이동 등으로 볼 수 있다.

3. 기대효과
본 연구는 1805년 영의 법칙(Young’s law)이 발표된 후부터 지금까지 논란이 되어온 수직 힘의 평형을 실험적인 증거를 통해 이해하고, 자연계에 존재하는 다양한 탄성의 고체에 일반적으로 적용할 수 있는 젖음 현상의 평형 원리를 제공한다. 우리 몸을 이루는 생체연조직 (soft tissues)은 대부분 점탄성 물질이며 그 기계적 성질이 세포의 증식, 분화, 성장 등에 영향을 끼치기 때문에 세포의 젖음 현상 이해에 기여할 것으로 기대한다. 또 세포젖음 현상에 대한 이해는 액체의 퍼짐(spreading), 증발(evaporation), 응축(condensation) 등의 동적인 젖음 현상(dynamic wetting behavior)을 이해하는데 크게 기여할 것으로 기대된다. 응용 측면에서는 우선 생체(피부)조직재생 및 처리에의 응용을 예상한다. 생체피부에 에센스 같은 액체방울을 떨어뜨리면 항상 피부에 젖음주름이 형성되나 잘 알려지지 않았다. 젖음주름은 활성화된 영역이므로, 이를 약물이나 피부개선제의 효과적인 침투처로 활용하는 것을 고려해 볼 수 있다. 또한 젖음주름을 나노미터 수준으로 매우 작고 다양한 모양으로 제어할 수 있기 때문에, 특수한 목적의 나노구조물 제작에 응용될 수 있다. 그 밖에 반도체 부품, 항공기 부품의 표면처리에 응용을 고려해 볼 수 있다. 액상을 이용한 표면처리의 경우에 젖음주름의 형성은 결함의 요인이 될 수도 있다. 다른 한편으로 젖음주름을 역이용하여 표면처리의 개선에의 응용을 시도해 볼 수 있다. 이 두 경우 모두 젖음주름에 대한 올바른 이해와 제어는 표면처리의 개선에 크게 기여할 것으로 기대된다. 마지막으로 세포조작에 응용하는 것이다. 세포의 이동 및 성장거동은 생명체에 있어서 매우 중요한데, 세포와 기판 혹은 세포와 세포간의 상호작용은 아직까지도 명확하게 규명되어 있지 않다. 젖음주름을 세포를 가두는 공간으로 활용함으로 세포의 상호작용을 규명하는 연구에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

제정호 교수
1975.3 ~ 1979.2 : 연세대학교 금속공학과 학사
1979.3 ~ 1981.2 : KAIST 재료공학과 석사
1981.3 ~ 1983.8 : KAIST 재료공학과 박사
1986. 3 ~ 현 재 : 포항공과대학교 조교수, 부교수, 교수
1983.11 ~ 1985.12 : 서독 Kernforschungsanlage, Jülich 방문연구원
1994. 1 ~ 1994.12 : 미국 엑쏜 연구소 방문연구원
2001. 1 ~ 2002. 2 : 미국 알곤국립연구소 방문연구원
2001. 6 ~ 2005. 6 : NRL 연구책임자
2006. 4 ~ 현 재 : 창의연구단장(엑스선영상연구단)

2014. 4 ~ 현 재 : 남고석좌교수(포스텍)

박수지 연구원
2005.3 ~ 2010.2 : 포항공과대학교 신소재공학과 학사
2010.3 ~ 현 재 : 포항공과대학교 신소재공학과 통합과정

= 용 어 설 명 =

1. 젖음현상(wetting)
- 액체와 고체의 접촉에 의해 나타나는 모든 물리적, 화학적 현상
- 평형접촉각, 접촉각이력(contact angle hysteresis), 퍼짐(spreading), 증발(evaporation), 응축(condensation) 등이 있다.

2. 젖음 주름(wetting ridge)
- 액체, 기체, 고체의 삼상 계면(three-phase contact line)에 형성되는 미세 구조물
- 액체-기체 계면장력의 수직성분 힘에 의해 삼상계면 영역이 뾰족한 형태로 융기한 것

3. 영의 법칙(Young’s Law)
- 1805년 토마스 영이 발표한 정적 젖음현상(static wetting behavior)의 기본법칙
- 고체 표면에 놓인 액체 방울의 접촉각과 표면에너지 사이의 관계를 수평 방향으로의 힘의 평형만을 고려하여 기술한다.

4. 뉴만의 법칙(Neumann’s Law)
- 1894년 프란츠 에른스트 뉴만에 의해 발표된 세 가지 섞이지 않는 유체 사이의 평형관계를 기술하고 있다. 액체 기판 위에 액체 방울이 떨어졌을 때의 접촉각을 결정하는 원리와 같다. 각각의 계면 에너지를 세변으로 하는 삼각형을 그렸을 때, 각 변과 마주하는 끼인각의 크기가 곧 접촉각의 크기와 같고, 이 때, 만들어지는 삼각형을 뉴만의 삼각형(Neumann’s triangle)이라 한다.

5. 점탄성(viscoelasticity)
- 점성과 탄성을 동시에 지니고 있는 성질로, 응력이 짧은 시간 동안 가해지면 탄성에 의해 순간적 변형이 발생하고, 응력 제거 후 완전하게 회복되지만, 긴 시간 동안 가해지면 점성에 의해 변형이 지연되거나 시간에 의존하는 양상을 보이며 응력 제거 후에도 완전히 회복되지 않는다.