KAIST 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 커피링 얼룩 자국이 남지 않는 균일 코팅 기술을 개발했다. 디스플레이용 양자점(퀀텀닷)을 균일하게 코팅해 유연 디스플레이 소자 등에 적용할 수 있는 기술이어서 주목된다.

3일 KAIST에 따르면 '커피링 효과'는 커피 한 방울이 고체 표면 위에서 마르면서 물방울 표면의 상대적 증발률 차로 인해 커피링 얼룩 자국이 남는 것을 말한다.

김 교수 연구팀의 편정수 석사과정은 물방울이 증발하는 공간을 한시적으로 밀폐시켜 커피링을 완전히 소멸시키는 방법을 개발했다. 증발율이 다른 두 액체를 효과적으로 혼합하고, 먼저 증발하는 휘발성 액체의 몰 분자량이 공기보다 큼을 이용해 밀폐된 공간에 갇힌 휘발성 증기가 연속적으로 용질성 마랑고니 효과(Solutal Marangoni effects)를 일으켜 커피링을 완전히 사라지게 만드는 기술이다.

마랑고니 효과(Marangoni effect)는 서로 다른 액체 등이 경계면을 따라 표면장력의 크기가 일정하지 않을 때 발생하는 현상이다.

이번에 개발한 기술은 김형수 교수가 박사후연구원(프린스턴 대학 소속) 때부터 연구해 온 커피링을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 신기원을 열었다는 평가다. 그동안 위스키가 특이하게 마르는 현상을 규명해 획기적으로 커피링을 없애는 연구(2016년)를 선보였지만 물방울 접촉선 위치에서 완전히 없애지 못했던 커피링 효과를 이번 기술로 해결한 것이어서 의미가 크다.

물방울 증발은 잉크젯 프린팅 등의 기술에서 기능성 유연 재료의 균일 코팅 문제와 직결된다. 잉크젯 프린팅 기술은 단순 패턴 인쇄를 넘어 차세대 에너지 및 디스플레이를 포함한 전기‧전자 소자의 융복합 생산시스템 기술에 활용되는데 그동안 과학기술계는 액적의 커피링 패턴을 제어하고, 균일 마름 자국을 얻기 위해 계면활성제를 사용하거나 부분적인 표면장력 변화를 발생시켜 '마랑고니 효과'를 이용하는 방법들을 소개해 왔다.

김형수 교수는 "증발 물질을 잘 이해하고 물질전달 메커니즘을 활용해 증발 시스템을 최적화하면 디스플레이 원료 퀀텀닷과 태양광 패널 원료 페로브스카이트 등의 기능성 소자를 대량 생산하는 잉크젯 프린팅 기술의 균일한 패터닝도 가능할 것"이라며 "해당 기술을 특허 출원했고, 유연 디스플레이 소자에 적용하기 위해 연구를 진행하고 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 저명학술지 'Soft Matter(연성물질)지'가 특별 기획한 '신진과학자 특집호(2021 Soft Matter Emerging Investigator Special Issue)'에 초청돼 지난 4월7일자 표지논문으로 게재됐다.