POSTECH, “물방울은 왜 떨어지면서 공기방울을 만들까?”

원병묵·제정호 교수팀, 물방울이 공기방울 형성하는 원리 밝혀내

하늘에서 내리는 빗방울, 수도꼭지에서 떨어지는 물방울 등 우리가 흔히 접하는 물방울은 표면으로 떨어지는 아주 짧은 찰나에 물방울 속에 아주 작은 공기방울을 만든다. 물방울은 왜 이런 공기방울을 만드는 것일까?

나노크기처럼 눈에는 거의 보이지 않는 작은 불순물이나 공기방울에도 크게 영향 받는 첨단 반도체 분야의 오랜 수수께끼가 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀을 통해 풀렸다.

POSTECH 신소재공학과 박사과정 이지산·원병묵 연구교수·제정호 교수팀은 물방울이 표면에 떨어지는 순간을 초고속 X-선 현미경으로 관찰, 물방울 속에 작은 공기방울이 형성되는 원리를 규명한 결과를 물리학 저명 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 최신호를 통해 발표했다.

연구팀은 물방울이 표면에 떨어지는 순간 공기가 물방울에 갇혀 공기막이 형성되고, 이 공기막이 풍선이 부풀어 오르는 것처럼 매우 작은 공기방울로 변해가는 순간적인 과정을 관찰했다.

그 결과 △공기막의 순간적인 관성수축 △표면탄성파의 전달에 의한 중심부 붕괴 △동그란 모양의 공기방울 형성 등 3단계 과정에 거쳐 물방울 속에 작은 공기방울이 형성된다는 것을 밝혀낸 연구팀은 “표면에너지의 탄성파에너지로의 변환과 중심부 이동 원리로 설명할 수 있다”고 덧붙였다.

POSTECH 제정호 교수는 “어디서나 쉽게 볼 수 있는 자연현상의 규명이지만, 이 원리는 공기의 아주 적은 유입도 큰 영향을 미칠 수 있는 전자 인쇄, 첨단 반도체나 제트분사 공정 등의 공정 효율을 높이는데 큰 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

국내 연구진이 단독으로 이루어낸 이번 성과는 연성물질에 관한 연구가 세계적인 수준에 도달한 것으로 평가받고 있으며, 제1저자인 이지산씨는 이 연구성과를 한국물리학회 추계학술대회에 발표, 우수발표상을 수상하기도 했다.

한편, 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행됐다.

사진 : 1. 왼쪽부터 시계방향으로 이지산, 제정호 교수, 원병묵 연구교수
         2. 물방울이 떨어질 때 공기막이 공기방울로 변화하는 과정의 x-선 촬영 (a, b) 및 영상 (c). (단위: 1/1,000,000초)