자동차 유리창에 빗물이 맺히지 않고 구형을 유지하며 흘러내리게 만드는 발수 코팅제의 원리가 무엇인가요?

Question

자동차 유리창에 빗물이 맺히지 않고 구형을 유지하며 흘러내리게 만드는 발수 코팅제의 원리를, 유기 규소(실리콘) 화합물 피막을 형성하여 표면 에너지를 극도로 낮추고 물 분자와의 접촉각을 90도 이상으로 크게 만드는 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

자동차 유리창에 발수 코팅제를 바르면 빗물이 넓게 퍼지지 않고 동글동글한 구형을 유지하며 쉽게 흘러내리게 됩니다. 이러한 현상은 발수 코팅제가 유리 표면에 유기 규소 화합물 피막을 형성하여 표면 특성을 완전히 바꾸어 놓기 때문입니다.

​본래 자동차 유리는 표면 에너지가 높아 물 분자를 강하게 끌어당기는 성질이 있습니다. 이 때문에 비가 오면 물방울이 유리에 닿는 순간 얇고 넓게 퍼지면서 수막을 형성하여 운전자의 시야를 가리게 됩니다. 여기에 발수 코팅제를 바르면 코팅제 성분인 유기 규소 화합물이 유리 표면과 화학적으로 결합하면서 얇고 단단한 분자 피막을 형성합니다. 이 피막의 바깥쪽은 물을 극도로 싫어하는 소수성 성질을 띠고 있습니다.

​이 소수성 피막은 유리의 표면 에너지를 극도로 낮추는 역할을 합니다. 표면 에너지가 낮아지면 유리가 물 분자를 잡아당기는 힘이 물 분자들끼리 서로 뭉치려는 응집력보다 훨씬 약해집니다. 결과적으로 유리에 떨어진 빗물은 유리 면으로 퍼지지 못하고 자기들끼리 꽁꽁 뭉쳐 둥근 공 모양을 이루게 됩니다.

​이때 물방울과 유리 표면이 이루는 접촉각은 구형에 가까워지면서 구십 도 이상으로 크게 늘어납니다. 접촉각이 커질수록 물방울이 유리에 닿는 면적이 최소화되기 때문에, 유리에 붙어 있는 힘이 매우 약해집니다. 따라서 자동차가 달릴 때 맞바람을 받거나 미세한 경사만 생겨도 빗물이 유리창에 머물지 못하고 동글동글하게 굴러서 저항 없이 빠르게 흘러내리게 됩니다.