미끄러지는 물방울을 충전하는 방법
Focus: How to Charge Up a Sliding Water Drop

경사진 표면을 따라 미끄러지는 액체 방울은 표면이 소수성(물을 튕겨내는 성질)인 경우에만 전하를 띨 수 있다. 연구자들은 이 과정을 정량적으로 예측하고 소수성 표면이 필요한 이유를 설명하는 분석 모델을 개발했다.1) 실험을 통해 검증된 이 모델은 액체 표면과 소수성 고체 표면 사이의 큰 접촉각이 낙하 가장자리의 전하에 강한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이 이론은 연구자들이 제조 과정에서 반도체 웨이퍼(wafers)를 헹굴 때 발생하는 바람직하지 않은 충전과 물방울로부터 에너지를 수확하는 과정에서 바람직한 전하 축적과 같은 광범위한 공정을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

두 고체 사이의 전하 분리는 옷감이나 풍선과 머리카락처럼 물질이 서로 마찰하는 상황에서 우리에게 익숙한 현상이다. 약 30년 전, 연구자들은 소수성의 전기 절연 표면 위로 움직이는 물방울도 전하를 생성한다는 사실을 발견했다.2) 그 이후로 다른 연구자들은 이 과정이 식물의 잎이 빗물을 흘리거나 응축된 물방울을 모아 전기를 수확하는 방식 등에서 중요하다는 사실을 발견했다.3)

고체와 물 사이의 화학 반응이 양성자를 물로 방출하고 고체 표면에 음전하를 남길 때 충전이 일어난다. 그러나 이전의 이론 연구에도 불구하고 검증을 통해 예상하고 소수성 표면 조건을 설명하는 완전한 낙하 충전 이론은 없다.

독일 Technical University of Darmstadt의 Steffen Hardt와 그의 동료들은 이론을 발전시키기 위해 아래에는 음전하를 띠는 표면, 위에는 양전하를 띠는 양성자가 있는 액체-고체 계면을 집중적으로 연구했다. 이들은 방울에 축적되는 양전하의 양을 결정하는 세 가지 주요 효과에 초점을 맞췄다. 첫째, 계면에서 지속적으로 전하를 생성하고 제거하는 양방향 화학 반응이 있다. 둘째, 액체 표면이 방울 가장자리에서 고체 표면과 이루는 접촉각이 계면 가장자리에서 양성자가 사용할 수 있는 공간을 결정하고, 이는 다시 전기장에 영향을 미친다. 마지막으로, 방울의 뒤쪽 가장자리가 표면의 패치에 도달하면 유체가 위로 편향되어 양성자를 위로 이동시키고 전기장을 왜곡한다.

이 이론은 낙하 속도가 증가함에 따라 이 마지막 효과로 인해 가장자리에서 전기장이 감소하여 낙하물의 충전이 감소할 것으로 예상한다. 또한 표면의 소수성에 의해 결정되는 접촉각에 따라 전하가 증가해야 한다고 예상한다. (물방울을 형성할 가능성이 높은 플라스틱과 같은 소수성 표면은 물을 좋아하는 유리와 같은 친수성 표면보다 접촉각이 더 크다). 이러한 예측은 연구팀의 시뮬레이션을 통해 입증되었다.

예상을 추가로 검증하기 위해 연구진은 물방울이 경사진 표면을 따라 이동하면서 전하를 띠게 되고, 경사각에 따라 속도가 제어되는 실험을 수행했다. 그런 다음 물방울이 전극과 접촉하여 방전된다. 데이터는 이론과 잘 일치하여 속도가 증가함에 따라 전하가 감소하는 것을 보여주었다. Darmstadt 팀원 Aaron Ratschow는 이 마지막 결과가 놀랍게 보일 수 있다고 말한다. “고체-고체 전기화와 같은 다른 접촉 전기화 메커니즘은 더 빠른 속도에서 증가하기 때문에 이는 예상치 못한 결과이다.”

Ratschow는 연구팀의 이론이 다양한 상황에서 충전을 이해하는 데 도움이 될 것이라고 말한다. “이 모델은 방울이 쉽게 흘러내려야 하는 자가 세척 표면과 방울이 달라붙어 퍼져야 하는 코팅 및 인쇄 애플리케이션에 영향을 미칠 수 있다.”라고 그는 말한다. 또한 반도체 제조 과정에서 웨이퍼는 초순수로 여러 번 헹궈야 하기 때문에 충전될 수 있으며, 이때 발생하는 수 킬로볼트에 달하는 전압으로 인해 웨이퍼가 손상될 수 있다.

노르웨이 University of Bergen에서 전자기장과 미세 구조를 연구하는 Lars Egil Helseth는 “이 분석 모델은 작은 물방울 속도에 대한 실험 데이터와 잘 맞지만, 몇 가지 한계가 있다.”라고 말한다. 그는 이 모델이 더 많은 화학적 세부 사항과 더 빠른 속도로 이동하는 물방울, 접촉각이 작은 표면에서 미끄러지는 물방울 등 더 넓은 범위의 경우를 포함하는 보다 현실적인 이론을 위한 유용한 출발점이 될 수 있다고 말한다.

단방향 도파관 제작법
Synopsis: Recipe for a One-way Waveguide

두 개 이상의 광결정을 결합한 광자 합금은 결정 구조를 조작하여 전송하는 빛의 주파수를 조정할 수 있으므로 도파관으로서 큰 잠재력을 가지고 있다. 그러나 광자 합금은 일반적으로 정보 및 에너지 전송을 방해하는 빛의 후방 산란이 발생한다. 중국 Shanxi University의 Tiantao Qu와 공동 연구진은 후방 산란이 없는 마이크로파 전파를 지원하는 위상적 에지 상태(topological edge state)를 가진 광합금을 제작했다.4) 연구진은 놀랍게도 이 합금이 위상적이지 않은 단일 광결정이 구성 요소의 작은 무작위 부분만 교체되면 위상적 에지 상태를 얻게 된다고 말한다. 이 발견은 위상적 광결정을 더 효율적으로 제작하는 방법으로 이어질 수 있다.

연구팀은 600밀리미터 크기의 비자성 이트륨 철 가넷 막대를 정사각형 격자로 배열하는 것부터 시작했다. 이전 연구에서 비자성 막대로만 구성된 시스템은 위상적이지 않았지만, 자성 막대로만 구성된 시스템은 위상적이라는 사실이 밝혀졌다. 연구팀은 소스와 프로브 안테나를 사용하여 합금에서 전파되는 마이크로파의 강도와 위상을 측정한 결과, 비자성 막대의 20%를 무작위로 자성 막대로 교체하면 에지 상태를 유도하기에 충분하다는 사실을 발견했다. 수치 시뮬레이션 결과 광자 합금 격자가 클수록 위상적 에지 상태에 도달하는 데 필요한 자성 막대의 비율이 줄어드는 것으로 나타났다. 예를 들어, 10,000개의 막대로 구성된 정사각형 배열의 경우 약 2%만 자성을 띠면 위상적 에지 상태에 도달할 수 있다.

연구진은 현재 정보 및 에너지 전송에 사용할 수 있는 채널 수를 늘려 전송 효율을 향상시킬 수 있는 추가 에지 상태를 가진 설계를 고려하고 있다. 연구진은 이 연구를 광학 영역으로 확장하면 단방향 신호 전파 및 에너지 전송이 가능한 혁신적인 광자 소자로 이어질 수 있다고 말한다.