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- 지금까지 녹 방지가 어려운 이유는 두가지:
- 첫째는 빗방울이 금속 표면에 부딪히고 미끄러지면서 발생하는 기계적 스트레스다.
- 둘째는 빗물에 포함된 산과 오염 물질에 의한 부식 방지층의 화학적 풍화 작용
- 새로운 발견: 빗방울이 건물 외벽, 창문, 플라스틱 표면을 스치면서 전기적으로 대전
- 자연적으로 대전된 물방울이 보호막을 전기적으로 파괴하여 금속 부식 시작
- 새로운 부식 방지 효과 개발 가능성 커

간과되었던 부식 원인 발견

알려지지 않았던 영향:
녹 및 기타 부식 방지 코팅이 손상되는 원인은 날씨나 기계적 손상만이 아니다. 연구진은 빗방울이 건물 외벽, 창문, 플라스틱 표면을 스치면서 전기적으로 대전될 수 있다는 사실을 발견했다. 이렇게 대전된 빗방울이 녹 방지 코팅에 닿으면 미세한 전기 방전이 발생하여 코팅이 손상되고 부식이 시작되는 지점이 생긴다. 

▲ 자동차에서 볼 수 있듯이 보호 코팅에도 불구하고 금속이 부식되는 경우, 이는 이전에 발견되지 않았던 과정 때문일 수 있다. 사진: © Katharina Maisenbacher / MPI for Polymer Research

정원 울타리, 선박 선체, 철교, 심지어 에펠탑까지: 금속 물체는 장기간 외부 환경에 노출되면 부식된다. 철은 녹슬고, 구리는 변색되며, 다른 금속들도 손상된다. 따라서 금속 표면에는 부식 방지 페인트나 코팅을 해야 한다. 하지만 이러한 코팅은 보통 일정 기간만 효과가 지속되어 재도포가 필요하다.

지금까지 녹 방지 및 유사 코팅의 효과 감소 원인은 크게 두 가지로 여겨졌다. 첫째는 빗방울이 금속 표면에 부딪히고 미끄러지면서 발생하는 기계적 스트레스다. 둘째는 빗물에 포함된 산과 오염 물질에 의한 부식 방지층의 화학적 풍화 작용이다.

물방울에서도 삼중전기가 발생한다.

하지만 마인츠에 있는 막스 플랑크 고분자 연구소의 니중위안(Zhongyuan Ni) 연구팀이 최근 발견한 세 번째 요인이 있다. 이 발견은 물방울이 표면 위를 미끄러질 때 예상치 못하게 강한 전기적 대전을 띤다는 사실에서 비롯되었다. 마찰로 인해 전하 분리가 일어나 물방울에 대전이 발생하는 것이다. "대전된 물방울의 전기적 전위는 재질에 따라 수천 볼트에 달할 수 있다"고 연구진은 보고했다.

니(Ni) 연구팀은 실험을 통해 이러한 대전된 물방울이 보호 코팅에 미치는 영향을 조사했다. 먼저 전기적으로 중성인 물방울을 테플론 코팅된 구리 표면에 떨어뜨렸다. 일상생활에서 이러한 논스틱 코팅은 음식물이 냄비에 달라붙는 것을 방지하고 금속을 보호한다. 실험 결과, 중성 물방울에도 코팅이 손상되지 않는 것으로 나타났다. 3천 번의 충격 후에도 보호 코팅은 완전히 손상되지 않았으며 현미경으로 관찰했을 때도 매끄럽고 손상되지 않은 상태였다.

대전된 물방울은 부식을 유발한다.

그러나 물방울이 다른 표면을 먼저 흘렀을 경우에는 상황이 달라진다. 니 연구팀은 화분의 잎, PVC 폼 조각, 스티로폼 창문, 그리고 석영 유리의 발수 코팅 위에 물방울을 떨어뜨리는 실험을 진행했다. 모든 실험에서 물방울은 테플론 코팅된 구리 표면에 떨어지기 전에 경사진 표면을 따라 4cm를 이동했다.

▲ 실험 장치: 물방울은 주기에 따라 네 가지 다른 표면 위를 흐른 후 테프론 코팅된 구리 표면에 떨어진다. — © Ni et al./ Nature, CC-by 4.0

이번 실험 결과는 다음과 같다. 3천 개의 대전된 물방울을 떨어뜨린 후, 원자력 현미경으로 관찰한 결과 보호 코팅과 그 아래 금속에 상당한 변화가 나타났다. 니(Ni) 연구팀은 "충돌하는 물방울이 표면에 구멍과 같은 결함을 만들었다. 테플론 막과 구리 기판 모두 부식되었다"고 결과를 설명했다.

"작은 번개처럼 진동하는"

연구팀은 추가 측정을 통해 근본적인 메커니즘을 규명했다. 니 연구팀은 "물방울이 미끄러지면서 얻는 전하는 표면의 종류에 따라 크게 달라진다. 최대 10배까지 차이가 ​​나는 것을 측정했다"고 설명했다. 예를 들어, 물방울은 발수성 석영 코팅 위를 4cm 미끄러지면서 2나노쿨롬의 전하를 얻었다.

이렇게 양전하를 띤 물방울이 코팅된 구리에 접근하면 물방울과 금속 사이에 전기장이 생성된다. 물방울이 테플론층에 닿으면, 중간에 코팅이 있더라도 대부분의 전하가 구리로 전달된다. 막스 플랑크 고분자 연구소의 수석 저자인 한스-위르겐 부트는 "이처럼 대전된 물방울이 코팅에 부딪히면 국소적으로 방전되어 마치 작은 번개처럼 한 지점에서 코팅을 뚫고 들어갈 수 있다"고 설명했다.

▲ 전하량 측정 (출처 Published: 26 August 2026 Spontaneously charged water drops induce corrosion / nature)

니와 그의 동료들이 밝혀낸 바와 같이, 이러한 미세한 방전은 시간이 지남에 따라 보호층을 점점 더 손상시키고 화학적으로도 열화시킨다. 실험에서 이는 테플론의 가장 손상된 부분에서 염소와 불소 농도가 감소하고 산화가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 손상으로 인해 코팅이 투과성을 띠게 되어 아래쪽 금속이 부식된다.

부식 방지를 위한 새로운 접근법

연구진은 "이전에는 알려지지 않았던 현상을 발견했다. 자연적으로 대전된 물방울이 보호막을 전기적으로 파괴하여 금속 부식을 시작하거나 악화시킬 수 있다"고 밝혔다. 이러한 물방울의 대전은 구름, 뇌우, 파도, 폭포 등 자연적으로 발생할 뿐만 아니라, 인공 표면이나 산업 공정 중 물방울과의 접촉을 통해서도 발생할 수 있다.

연구진은 "이전에는 간과되었던 이 부식 메커니즘이 문화재, 건물, 선박, 자동차 및 기타 금속 물체의 부식에 기여할 수 있다"고 설명했다. 동시에, 이번 발견은 이러한 표면을 이전보다 더욱 효과적으로 부식으로부터 보호할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.

출처: Zhongyuan Ni (막스 플랑크 고분자 연구소, 마인츠) 외, Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10941-6

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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