비가역적 액츄에이션 모드(irreversible actuation mode)와 기능성 길항 액체 제어장치(functionally antagonistic active flow devices). 그래핀 매쉬 표면에서 액체방울의 모양 변화에 대한 다양한 실험을 보여준다. 그래핀 매쉬 양쪽면에 물방울을 올렸을 때, 전기장을 형성하면 물방울은 비가역적 액츄에이션을 a에서 보여준다(스케일바 1mm). 그래핀 매쉬와 구리전극 위에 각각 물방울을 올렸을 때, 물방울이 초기모습으로 돌아가지 못하는 비가역적 액츄에이션을 b에서 보여준다(스케일바 1mm). b의 실험을 응용해 그래핀 매쉬를 층별로 배열하고 그 위에 각각 동일양의 물방울을 올린 다단식 전극이 적용된 액체거동제어장비를 c에서 보여준다. 마지막으로 그래핀 매쉬를 이용한 전기활성 액체 스위치 장치(electroactive flow swtiching device)로 액체의 흐름을 제어하는 장비를 d에서 보여준다. 물탱크에 물을 갖고 있는 상태에서 전기를 제공하면 액체를 흘리는 액츄에이션을 보여준다.
전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어하는 기술이 개발됐다.
오일권·유승화 한국과학기술원(KAIST) 교수 공동연구팀은 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 제어하는 기술을 처음 개발했다고 16일 밝혔다.
연구팀은 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용해 전기습윤현상에 기반한 액체거동기술을 개발했다. 전기습윤현상은 전기장이 가해질 때 액체방울의 모양이나 접촉각이 바뀌는 현상이다.
연구팀은 물이나 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 놓았다. 구리판을 또 다른 전극으로 사용해 전압을 흐르게 했을 때 액체방울 모양이 변화했다. 이는 정전기의 힘이 물 분자를 정렬시키거나 이온의 이동을 유도해 액체방울이 전기장 방향으로 늘어나 생긴 현상이다.
그래핀 매쉬의 제조 방법 및 기능성 길항 액체 제어 기술의 도식도. 액체의 모양 변화와 흐름은 그래핀 메쉬(그래핀 그물망, graphene mesh)의 표면에서 제어가 가능하다. 그래핀 메쉬를 만드는 제조과정은 a의 그림과 같다. 1000℃ 고온에서 메탄(CH4) 가스를 탄소원으로 해 니켈메쉬(nickel mesh) 표면에 화학증착방법(CVD)으로 그래핀을 직접 성장시킨다. 그래핀이 코팅된 니켈메쉬를 얻게 되고, 금속인 니켈을 제거하는 에칭(etching)과정을 통해서 속이 빈 그래핀 메쉬(hollow graphene mesh)를 합성했다. 전기습윤현상( electrowetting)을 이용한 기능성 길항 액체 제어 기술로 물에 대한 반발성(repellency)와 물에 대한 투과성(permeability)의 실험사진은 b에서 보여주고 있다. 반발성과 투과성은 서로 상반되는 기능으로 그래핀 메쉬 표면에서 발생되며, 이를 기능성 길항 액체제어기술이라 정의한다.
그래핀은 물을 빨아들이지 않는 성질이 있어 일반적으로는 그래핀이 코팅된 그물망에는 물이 투과되지 못한다. 하지만 전기장을 가할 때 물에 작용하는 정전기 힘과 그물망 틈 사이에 작용하는 모세관 힘의 상호작용을 밝혔다. 그 결과 전기로 물을 제어할 수 있었다.
오일권 교수는 “기존 연구에서 나타났던 금속의 부식 현상과 물이 젖는 정도를 조절할 수 없었던 문제를 그래핀이 코팅된 그물망 구조로 극복하면서 마이크로 수준에서 액체의 움직임과 젖음성을 제어할 수 있는 방법을 개발한 것”이라면서 “방습, 제습, 미세유체, 해수 담수화, 차세대 수처리 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것”이라고 설명했다.
연구결과는 학술지 네이처커뮤니케이션(Nature Communication) 10월 31자에 게재됐다.
