신발이나 옷에 뿌리는 방수 스프레이가 물을 튕겨내는 원리가 무엇인가요?

Question

신발이나 옷에 뿌리는 방수 스프레이가 물을 튕겨내는 원리를 스프레이 속 유기 용매가 증발한 후 남은 불소 고분자들이 표면 장력을 극도로 낮추어 물방울과의 접촉각을 높이는 원리로 설명 부탁드려요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

방수 스프레이의 원리는 액체 상태의 불소 고분자가 고체 보호막으로 변하며 표면의 물리적 성질을 완전히 바꾸는 과정에 있습니다. 스프레이를 분사하면 불소 고분자를 녹이고 있던 유기 용매가 공기 중으로 날아가면서, 섬유 가닥마다 미세한 불소 입자들이 촘촘하게 달라붙어 얇은 코팅층을 형성하게 됩니다.

​이때 핵심은 불소 고분자의 극히 낮은 표면 에너지입니다. 이 코팅층은 외부 물질을 끌어당기는 힘이 매우 약해 표면 장력을 극도로 낮추는 역할을 합니다. 보통 물방울이 섬유에 닿으면 섬유가 물을 당기는 힘에 의해 넓게 퍼지며 스며들지만, 방수 코팅된 표면은 물을 당기는 힘이 거의 없어 물방울이 섬유에 달라붙지 못하게 방해합니다.

​결과적으로 물방울은 표면에 퍼지지 못하고 자기들끼리 뭉치려는 성질이 극대화되어 구슬처럼 둥글게 맺히는데, 이를 액체와 고체 표면이 이루는 접촉각이 높아졌다고 표현합니다. 접촉각이 150도 이상으로 높아진 물방울은 섬유 사이의 틈으로 침투하는 대신 표면 위에 떠 있는 상태가 되어, 살짝만 흔들어도 튕겨 나가거나 굴러떨어지며 옷이나 신발이 젖지 않게 보호해 주는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

신발이나 옷에 사용하는 방수 스프레이는 유기 용매가 증발한 뒤 남은 불소 고분자가 표면 에너지를 크게 낮추고, 그 결과 물과의 접촉각을 증가시켜 물방울이 퍼지지 못하고 구형을 유지하며 굴러 떨어지도록 만드는 것입니다.

스프레이를 분사하면 내부에 들어 있는 유기 용매가 섬유 표면을 따라 퍼지면서 불소계 고분자를 함께 운반하고, 이후 용매는 빠르게 증발하면서 얇고 균일한 고분자 막만 표면에 남게 되는데요, 이때 남아 있는 불소 고분자는 매우 낮은 표면 에너지를 갖습니다. 불소 원자는 전기음성도가 크고 C–F 결합이 매우 안정하며, 분자 표면이 비극성에 가깝게 유지되기 때문에 물과의 상호작용이 극도로 약하다보니 물 분자는 표면과 잘 퍼지지 못하고, 서로 간의 응집력에 의해 뭉치려는 성질이 더 크게 작용하게 됩니다. 또한 일반적인 친수성 표면에서는 물방울이 넓게 퍼지며 접촉각이 작지만, 불소 고분자로 코팅된 표면에서는 물과의 접착력이 매우 작기 때문에 물방울이 구형에 가깝게 맺히고 접촉각이 크게 증가합니다. 접촉각이 커질수록 물은 표면에 달라붙지 못하고 쉽게 굴러 떨어지게 되는데요, 물이 튕겨 나간다는 현상이 바로 이것이라고 보시면 됩니다. 또한 실제 섬유 표면은 미세하게 거칠기 때문에, 여기에 저표면에너지 코팅이 더해지면 물방울 아래에 공기층이 부분적으로 갇히는 구조가 형성됩니다. 감사합니다.