왜 물방울은 유리에서는 퍼지지만, 코팅된 표면에서는 또르르 굴러갈까요?

Question

안녕하세요. 표면이 달라지면 물의 모양이 달라지는 것을 볼 수 있고 요즘 보면 연잎의 원리를 적용한 시멘트도 있던데 왜 물방울은 유리에서는 퍼지지만, 코팅된 표면에서는 또르르 굴러가나요? 이때 접촉각은 무엇이며, 표면 에너지와 어떤 관련이 있을까요?

Answer 1

안녕하세요.

물방울이 표면 위에 놓였을 때, 그 모양은 임의로 결정되는 것이 아니라 세 가지 계면에서 작용하는 힘의 균형에 의해 정해지는데요 물–공기 계면, 고체–공기 계면, 고체-물 계면이며 물방울은 이 세 계면의 자유에너지 합이 최소가 되는 형태를 취합니다. 즉, 물방울의 형태는 가장 안정한 에너지 상태의 결과입니다. 우선 유리는 화학적으로 극성을 가지며, 표면에 수산기와 같은 극성 작용기가 많고 물 분자 역시 극성을 가지므로, 유리 표면과 물 분자 사이에는 강한 인력이 작용합니다.

이 경우 물 분자는 물–물 사이에서 뭉쳐 있는 것보다 물–유리 사이에서 넓게 접촉하는 것이 에너지적으로 더 유리한데요 그 결과 물방울은 스스로 퍼지면서 고체 표면과의 접촉 면적을 넓히려 합니다. 이것이 우리가 유리 위에서 물이 납작하게 퍼지는 현상, 즉 친수성입니다. 반대로, 발수 코팅이나 연잎 원리를 적용한 표면은 소수성 또는 초소수성의 특성을 갖는데요 표면 에너지가 매우 낮고 물과 화학적으로 친하지 않으며 물 분자와의 인력이 약하기 때문에 이 경우 물 분자는 고체 표면과 접촉하는 것보다 서로 뭉쳐 있는 것이 에너지적으로 더 안정합니다. 그래서 물방울은 퍼지지 않고 최대한 자기 표면적을 줄이려는 방향, 즉 둥근 모양을 유지합니다. 또한 많은 코팅 표면은 미세한 돌기 구조를 가지고 있어, 물방울이 실제로는 고체 전체가 아니라 공기 위에 부분적으로 떠 있는 상태가 됩니다. 이로 인해 접촉 면적은 더욱 줄어들고, 작은 힘에도 쉽게 굴러가게 됩니다. 질문해주신 접촉각이란, 고체 표면과 물방울의 경계에서 물방울 접선이 이루는 각도이며 접촉각이 작을수록 물이 퍼지고 클수록 물이 맺힙니다. 즉 유리 위의 물방울은 접촉각이 작아 넓게 퍼지고, 발수 코팅 표면에서는 접촉각이 매우 커서 거의 구형에 가깝게 유지되는 것입니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

물방울이 유리에서는 퍼지고, 코팅된 표면에서는 또르르 굴러가는 현상은 표면 에너지와 접촉각의 차이에서 비롯됩니다.

유리와 같은 친수성 표면은 표면 에너지가 높습니다. 물방울이 닿으면 물 분자와 표면 분자 사이의 인력이 강하게 작용해 물방울이 퍼지게 됩니다. 이때 물방울의 가장자리와 표면이 이루는 각도를 접촉각이라고 하는데, 친수성 표면에서는 접촉각이 작아져 물방울이 넓게 퍼진 형태를 띱니다.

반대로 연잎이나 특수 코팅된 표면은 소수성, 특히 초소수성 성질을 가집니다. 이런 표면은 표면 에너지가 낮아 물 분자가 표면과 잘 붙지 못합니다. 그 결과 물방울은 표면 위에서 구형에 가까운 모양을 유지하며, 접촉각이 150° 이상으로 매우 커집니다. 이렇게 되면 물방울은 표면에 거의 달라붙지 않고 작은 힘에도 쉽게 굴러가게 됩니다.

즉, 접촉각은 물방울과 표면 사이의 젖음 정도를 나타내는 지표이며, 이는 표면 에너지와 직접적으로 관련됩니다. 표면 에너지가 높으면 접촉각이 작아져 물방울이 퍼지고, 표면 에너지가 낮으면 접촉각이 커져 물방울이 또르르 굴러가는 것입니다.

이 원리를 응용한 것이 바로 연잎 효과로, 자기 청정 기능을 가진 초소수성 표면을 인공적으로 구현해 물방울이 먼지와 함께 굴러 떨어지도록 하는 기술입니다. 최근에는 이를 시멘트, 유리, 직물 등에 적용해 방수·방오 기능을 강화하는 사례가 많습니다.