▲ 동적 원자힘 현미경을 이용한 광흡착 물층의 측정 방법 도식화한 그림 A와 그림 A에서 설명한 방식을 통한 광흡착 물층의 성장 속도 및 두께측정치를 나타낸 그림 B, 빛의 세기와 상대습도에 따른 흡착물층의 성장 속도변를 나타낸 그림 C, 산소결함이 줄어들 때 나타나는 흡착물층 높이의 변화를 나타낸 그림 D.

국내 연구진이 빛을 받을 때 이산화타이타늄(TiO₂)이 초친수성을 띠게 되는 원리를 규명해냈다.

서울대 물리천문학부 제원호 교수 연구팀은 빛을 받아 화학반응을 돕는 대표적인 금속 산화물 광촉매로 사용되는 TiO₂의 표면이 젖어도 물방울을 만들지 않고 엷은 막을 만들어 내는 성질 초친수성 특성을 규명했다고 지난 20일 밝혔다.

연구팀은 미세탐침과 시료표면 사이에 생기는 원자간 상호작용력을 측정해 시료 표면의 구조적, 전자기적 특성을 형상화하는 장치인 원자힘현미경을 자체적으로 만들어 가시광선과 근적외선 흡수 시 나타나는 TiO₂ 표면의 흡착물층을 발견, 실시간으로 그 성장을 정밀하게 측정했다.

이를 통해 TiO₂의 초친수성이 흡광 시 생성되는 흡착물층과 물 분자와의 강한 인력 때문임을 규명했다.

기존 연구는 흡광 시 표면의 직접적인 구조적 변화를 측정하는데 한계가 있었으나 연구팀은 정밀한 원자힘현미경을 이용해 TiO₂ 표면의 흡착물층을 직접 세밀하게 분석해 냈다.

더불어 연구팀은 흡착물층의 생성원리도 밝혔다. TiO₂ 표면의 산소결함에 포획된 전자들이 공기 중 물분자와 상호작용함으로써 얇은 막처럼 물이 흡착되는 것이다. 이 물층은 빛의 세기에 따라 약 20㎚ 이상 두껍게 성장하는 것으로 나타났다.

여기서 나아가 연구팀은 표면 전자에 의한 습윤효과보다 표면에 광흡착된 물 층에 의한 습윤효과가 지배적이라는 것을 확인했다.

제 교수는 “이번 연구를 통해 TiO₂의 초친수성 원리가 분명히 규명됨에 따라 유사한 산소결함을 갖는 금속산화물들의 광친수성의 이해 및 새로운 친환경 광촉매 개발에 기여할 것”이라고 밝혔다.

초친수성 물질은 눈, 비에도 시야를 가리지 않아야 하는 항공기나 자동차의 유리 등에 널리 쓰인다. 향후 항균, 탈취, 셀프크리닝, 김서림방지 기능을 갖는 보다 경제적이고 친환경적인 광촉매 코팅제나 필름 개발에 기여할 것으로 기대되는 물질이다.

이산화타이타늄의 흡광 시 나타나는 초친수성은 방오, 방담(antifogging) 필름 등에 응용되나 정확한 원인은 논란이 있어, 효율적인 태양광 스마트 코팅제 개발 등에 응용하는데 어려움이 있었다.

이번에 초친수성 원리에 대한 실마리가 밝혀짐에 따라 도핑 등 특수처리 없이 TiO₂의 고유한 성질을 이용한 태양광 스마트 코팅이나 방담필름(흐려지는 것을 방지하는 필름) 개발 연구 등으로 이어질 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 미국립과학원회보(PNAS) 4월 7일자 온라인판에 게재되었다.