물이 완전히 마르지 않는 이유…성균관대 연구팀이 밝혀냈다

해상도 X선 영상으로 미세 입자 사이 ‘물다리’ 현상 관찰

▲성균관대학교 신소재공학부 원병묵 교수 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 강성훈 교수 연구팀과 공동으로 미세 입자 사이에서 물이 완전히 증발하지 않고 남는 현상을 규명했다. (사진=성균관대)

성균관대학교는 신소재공학부 원병묵 교수 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 강성훈 교수 연구팀과 공동으로 미세 입자 사이에서 물이 완전히 증발하지 않고 남는 현상을 규명했다고 14일 밝혔다.

연구팀은 고해상도 X선 영상을 활용해 마이크로미터(100만분의 1미터) 수준의 입자 틈새에 극미량의 물이 안정적으로 유지되는 현상을 실시간으로 관찰하고, 그 원리를 밝혀냈다.

일반적으로 물은 시간이 지나면 증발하지만 매우 좁은 틈새나 미세 입자 사이에서는 다른 현상이 나타난다. 두 입자 사이를 연결하는 다리 형태의 물인 ‘물다리(Water Bridge)’가 형성되는 것이다. 다만 기존 광학현미경으로는 해상도에 한계가 있어 물다리의 증발 과정을 정밀하게 관찰하기 어려웠다.

연구팀은 포항가속기연구소(PLS-II)의 방사광가속기 X선 나노영상 빔라인을 활용해 약 20나노미터 수준의 해상도로 물의 증발 과정을 분석했다. 그 결과 주변의 물이 모두 증발한 뒤에도 두 입자 사이에 약 2피코리터(pL·1조분의 1리터)의 물이 남아 안정적인 형태를 유지하는 현상을 포착했다.

연구팀은 이러한 현상이 물 표면이 오목하게 당겨지는 ‘모세관 힘’과 물 분자가 고체 표면에 달라붙는 ‘흡착 작용’이 균형을 이루기 때문이라고 설명했다. 두 힘이 상호작용하면서 에너지가 가장 낮은 안정적인 상태를 형성해 물의 증발을 억제한다는 것이다.

이번 연구는 반도체 제조 공정에서 잔류 수분을 제어하는 기술 개발에 활용될 것으로 기대된다. 반도체의 미세 구조에 남은 수분은 부식이나 합선 등 불량을 유발할 수 있다. 연구팀은 이번 성과가 세정 공정에서 수분을 정밀하게 제어하고 반도체 소자의 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 보고 있다.

원 교수는 “물이 완전히 마른 것처럼 보이는 환경에서도 극미량의 수분이 안정적으로 남아있을 수 있다는 사실을 실험과 물리 모델로 명확히 입증했다”며 “이번 연구가 반도체 소자 안정성 확보는 물론 대기과학, 바이오 물질 전달 등 기초·응용 과학 전반의 발전에 기여하길 바란다”고 말했다.

이번 연구에는 성균관대 오건 박사가 제1저자, 전도현 박사과정생이 공동저자로 참여했다. 원 교수와 강 교수는 교신저자로 이름을 올렸다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 온라인 게재됐다.