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잉크젯 프린팅 공정 커피링 현상, '와인의 눈물'서 힌트 얻어 해결했다

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잉크젯 프린팅 공정 커피링 현상, '와인의 눈물'서 힌트 얻어 해결했다

2021.05.03 14:16
김형수 KAIST 기계공학과 교수 연구팀
김형수 KAIST 기계공학과 교수 연구팀은 커피링 얼룩 자국이 남지 않는 균일 코팅 기술을 개발했다. KAIST 제공
김형수 KAIST 기계공학과 교수(왼쪽)와 편정수 석사과정생 연구팀은 커피링 얼룩 자국이 남지 않는 균일 코팅 기술을 개발했다. KAIST 제공

테이블 위에 떨어트린 커피 한 방울이 마르면 바깥쪽에만 링처럼 진한 얼룩이 남는 독특한 무늬가 생긴다. 이른바 ‘커피링 현상’으로 현실에서는 재밌는 현상이지만 잉크젯 프린팅과 같은 생산 공정에서는 골칫거리로 통한다.

 

커피링 문제를 ‘와인의 눈물’이라는 현상으로 잘 알려진 마랑고니 효과를 극대화해 활용해 해결하는 기술이 개발됐다. 김형수 KAIST 기계공학과 교수 연구팀은 커피링 얼룩 자국이 남지 않는 균일 코팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

 

커피링 효과는 액체 속에 든 미세입자가 물방울이 마를 때 바깥쪽으로 몰리며 표면에 남는 현상이다. 로버트 디건 미국 제임스프랭크연구소 연구원이 1997년 국제학술지 ‘네이처’에 처음 설명했다. 커피 방울 가장자리에서는 물이 다른 곳보다 빨리 증발하는데 물이 원래 형태를 유지하려는 힘이 생겨 가장자리로 물을 계속 보낸다. 이때 속에 있는 커피 가루도 함께 바깥쪽으로 몰리게 된다.

 

커피링 현상은 커피 방울이 마르면서 바깥쪽에 진한 얼룩이 남는 현상이다. KAIST 제공
커피링 현상은 커피 방울이 마르면서 바깥쪽에 진한 얼룩이 남는 현상이다. KAIST 제공

커피링 효과는 여러 재료를 액체와 섞고 분사하는 잉크젯 프린팅과 같은 기술에서 재료를 균일하게 코팅하는 문제와 직결된다. 과학자들은 이를 표면장력 차이에 따라 힘이 발생하는 마랑고니 효과를 이용해 해결하려고 했다. 마랑고니 효과는 와인을 흔들면 에탄올이 먼저 증발하면서 발생하는 힘으로 물끼리 뭉쳐 맺히는 와인의 눈물로 잘 알려져 있다. 과학자들은 액체 속에 계면활성제나 용매를 섞어 표면장력 차이를 일으키면 마랑고니 효과가 발생하면서 생기는 힘으로 액체가 고루 섞이는 걸 이용하려 했다. 그러나 커피링 효과를 최대한 없애려 해도 여전히 효과가 존재한다는 문제가 있었다.

 

연구팀은 잉크젯 프린팅 과정에서 생기는 특성을 최대한 이용하기로 했다. 연구 1저자인 편정수 석사과정생은 물방울이 증발하는 공간을 한시적으로 밀폐하면 커피링이 완전히 소멸하는 것을 발견했다. 증발율이 다른 두 액체를 혼합하면 휘발성이 높은 액체가 먼저 증발한다. 이 증기가 공간에 가둬지면서 물방울의 표면과 반응해 표면장력 차이를 일으킨다. 여기서 발생하는 마랑고니 효과가 액체를 더욱 강하게 섞으면서 커피링 효과를 사라지게 만든다.

 

KAIST 제공
연구팀은 물과 에탄올을 섞은 용매에 미세입자를 넣고 물방울을 만든 후 가두지 않았을 때(왼쪽)와 가뒀을 때(오른쪽) 섞이는 정도를 비교했다. 물방울을 가두지 않았을 때는 커피링 효과가 확연히 나타나는 반면 가뒀을 때는 표면에 고르게 미세입자가 쌓이는 것을 볼 수 있다. KAIST 제공

김 교수는 “실제 잉크젯 프린팅을 할 때 휘발성 물질은 날려버려 제거하는 경우가 많다”며 “오히려 거꾸로 가둬놓으면 증발된 증기가 다시 물방울에 마랑고니 효과를 일으켜 지속적으로 물방울을 섞어주게 된다”고 말했다. 연구팀이 에탄올과 물을 3대 7로 섞은 용매에 미세입자를 넣고 밀폐를 시켰을 때와 그렇지 않을때를 비교해본 결과 커피링 자국이 완전히 사라진 것으로 나타났다. 유리 위에서뿐 아니라 실리콘 기판 위에서도 효과는 그대로 나타났다.

 

김 교수는 “증발 시스템을 최적화하면 디스플레이 원료 퀀텀닷과 태양광 패널 원료 페로브스카이트와 같은 기능성 소자들을 대량 생산이 가능한 잉크젯 프린팅 기술로 균일한 패터닝할 수 있다”며 “기술을 특허 출원했고 유연 디스플레이 소자에 적용하기 위해 연구를 진행하고 있다”고 말했다.

 

연구결과는 지난달 7일 국제학술지 ‘소프트 매터’ 신진과학자 특집호에 속표지논문으로 실렸다.

 

연구결과는 지난달 7일 국제학술지 ‘소프트 매터’ 신진과학자 특집호에 속표지논문으로 실렸다. KAIST 제공
연구결과는 지난달 7일 국제학술지 ‘소프트 매터’ 신진과학자 특집호에 속표지논문으로 실렸다. KAIST 제공

 

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