기름은 왜 물과 안 섞이나요

물과 기름을 섞는 기술이 드디어 개발됐다. 추민철 KRISS 신기능재료표준센터 박사팀이 모두의 염원이었던 해당 기술을 개발하는데 성공한 것이다. 연구가 성공하는 순간 “가슴이 떨리면서 어떻게 그 기분을 표현해야 할지 모르겠더라”며 “제대로 사고하나 쳤구나” 라는 생각을 하게 됐다고 이야기 했다.

물과 기름의 섞임 현상, 작게 쪼개는 기술이 관건

기름은 왜 물과 안 섞이나요

추민철 KRISS 신기능재료표준센터 박사 ⓒ 황정은

정말 제대로 된 사고다. 과학자 뿐 아니라 일반 대중들도 물과 기름이 섞이지 않는 상충의 관계라는 것은 이미 공공연한 사실이다. 그렇다면 왜 섞이지 않았던 걸까? 이유는 바로 분자구조의 차이에 있다. 물은 극성 분자이지만 기름은 무극성 분자다. 일반적으로 극성 분자는 극성 분자끼리, 무극성 분자는 무극성 분자끼리 결합하려는 성질 때문에 두 물질은 섞일 수 없었다.

하지만 과학은 불가능에 도전하는 학문인만큼 추민철 박사는 포기하지 않고 물과 기름을 섞는 연구에 집중했다. 분자 구조가 다르고 밀도의 크기가 달라 섞이지 않는다면, 이를 조정해주면 해결될 거라 생각했다.

다양한 발상으로 연구에 접근한 결과 그는 나노 크기를 분산하는 방법으로 물과 기름을 섞는데 성공했다. 그것도 실온 및 대기상태에서 두 물질을 섞을 수 있다.

“잘 아시다시피 물과 기름을 섞기 위해서는 유화제, 즉 계면활성제가 필요합니다. 하지만 저희 기술을 이용하면 이 유화제를 사용하지 않아도 두 물질을 혼합할 수 있습니다. 비밀은 바로 기름입자의 크기에 있어요. 물과 기름을 섞기 위해서는 무엇보다 기름입자를 나노 크기(10억분의 1 m) 수준으로 만드는 것이 중요합니다. 그렇지 않을 경우 기름입자는 서로 응집해 짧은 시간 내에 물과 분리되기 쉬워지죠.”

기존에는 두 물질을 섞기 위해 유화제를 첨가한 후 고속 프로펠러를 이용했다. 하지만 그 때 물질의 사이즈는 수십 마이크로로, 추민철 박사의 연구 속 물질 사이즈보다 약 100배 이상이 크다. 해당 사이즈는 지구상 중력을 받고 있는 곳 어디에서라도 둥둥 뜰 수밖에 없는 구조다. 추민철 박사는 입자의 크기를 균질하면서도 매우 작게 만들었으므로 섞인 후에도 분리되지 않고 그대로 유지된다. 즉, 작게 만든 게 핵심인 셈이다.

“작게 만든 방식에도 기술이 숨어있습니다. 바로 초음파 집속장치죠. 사실 기존에도 초음파 방식을 사용하긴 했습니다. 배스(Bath) 형 혹은 혼(Horn) 형이었죠. 이를 이용해서도 기름입자를 분산시킬 수는 있었지만 입자크기가 수 마이크로미터(100만분의 1 m)로 매우 컸습니다. 때문에 기름입자가 서로 응집되고, 수일 내에 물과 분리되는 한계가 있었죠. 또한 섞이는 과정이 매우 시끄럽고 높은 온도를 요구하기 때문에 대량생산에도 한계가 있었습니다.”

이러한 한계를 해결하기 위해 추민철 박사는 초음파 집속장치를 만들었다. 초음파 방식의 원리를 이용해 그 핵심사항을 증폭시킨 결과물이다. 초음파로 입자를 분산하는 방식의 핵심은 결국 폭발이다. 초음파를 적용할 때 공동 현상(cavitation)이 발생하면서 이곳에 작은 기공이 발생하고 폭발이 일어나는 것이다.

“고민 끝에 입자를 쪼개는 핵심인 폭발력을 집중시키면 어떨까 싶었어요. 폭발시키는 힘이 한 번에 응집된다면 짧은 시간에 더욱 작게, 그리고 균질하게 쪼갤 수 있을 거라고 생각했죠. 원통형의 초음파 센서를 이용해 가운데로 강력하게 응집되게 했습니다. 그 때 초음파가 가운데로 모이고 강력한 에너지가 집속돼 입자는 매우 작게 깨지게 되는 거죠. 원통형 압전자를 이용해 제작된 해당 장치는 물과 기름의 혼합 용액에 약 500 kHz의 고주파수를 조사합니다. 이를 통해 원통 중앙에 강력한 에너지를 집속시키죠.”

연구의 핵심, 초음파 집속장치

기름은 왜 물과 안 섞이나요

추민철 박사가 올해 4월 초음파 집속장치를 통해 화장품 성분으로 많이 쓰이는 세티올(Cetiol) 오일과 천연 올리브 오일을 계면활성제를 사용하지 않고 각각 증류수와 섞은 결과, 6개월이 지난 현재까지 나노에멀전 형태로 안정되게 분산돼 있다. ⓒ 황정은

한 물질이 다른 물질에 안정되기 고루 퍼진 상태를 분산이라고 한다. 입자크기가 작고 균일하게 분산될수록 안정성이 높아져 긴 시간동안 서로 상 분리가 일어나지 않는다. 추민철 박사는 “분산이 중요하다”며 “일례로 우리가 디스플레이의 색상을 보는 것도 안료를 통한 것인데, 이게 뭉쳐있다면 균질한 화면을 접할 수 없을 것”이라고 운을 뗐다.

“모든 산업에 있어 기본은 분산기술입니다. 모든 기과 혹은 기업이 자체적인 공정기술로 갖고 있는 게 바로 분산기술인 거죠. 화장품을 예로 들어볼까요? 나노 입자 크기의 좋은 성분이 화장품 안에 들어가 있다면, 피부에 얼마나 좋을까요. 같은 1g이라고 해도 입자 크기에 따라 피부가 받아들이는 효과는 천차만별일 것입니다. 작아질수록 표면적이 넓어지면서 활동 범위가 커지잖아요. 화장품 용어로는 ‘흡수가 잘 된다’ 라고 하죠.(웃음) 그래서 나노가 위대하다고 이야기 하는 것입니다. 바로 여기에 경쟁력이 있죠.”

이러한 중요성 때문에 수많은 나노 물질이 개발되고 있지만 사실 제대로 상용화가 이뤄진 사례는 거의 없다. 왜냐하면 나노 물질의 응집현상을 해결하지 못했기 때문이다. 나노입자 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌이 바로 응집 현상이다. 작은 정전기에도 달라붙을 정도로 나노입자의 응집현상은 해결이 매우 어려운 과제 중 하나다. 하지만 이처럼 응집이 일어나면 마이크로 입자와 별 차이가 없는 셈이 된다. 추민철 박사는 이 모든 과정을 고민한 끝에 작게 분산하면서도 응집되지 않는 기술을 만든 것이다.

실제로 추민철 박사가 올해 4월 초음파 집속장치를 통해 화장품 성분으로 많이 쓰이는 세티올(Cetiol) 오일과 천연 올리브 오일을 계면활성제를 사용하지 않고 각각 증류수와 섞은 결과, 6개월이 지난 현재까지 나노에멀전 형태로 안정되게 분산돼 있는 것을 확인할 수 있었다.

“기존의 한계를 해결하기 위해 비접촉식 초음파 기술을 적용했습니다. 기존 초음파 원리로부터 시작해 고민을 많이 했어요. 이런 저런 시행착오도 겪었죠. 결국, 이렇게 우리 손으로 획기적인 연구결과를 얻게 됐네요.”

이번 연구에서 가장 많은 관심을 받는 내용은 바로 상용화다. 화장품과 세제, 탈취제 등 다양한 분야에서 사용할 수 있는 만큼 언제부터 계면활성제가 필요 없게 될 지에 많은 사람들의 이목이 집중되고 있다. 추민철 박사는 “우리 팀은 장치를 개발한 것”이라며 “실제로 생산 과정에 들어간다면 장비 셋업 기간까지 고려해 짧게는 2~3년 정도의 시간이 필요할 것”이라고 이야기 했다.

앞으로 이 기술을 이용할 경우 우리가 사용하는 화장품에서 계면활성제는 사라질 수 있다. 계면활성제 없이도 물속에 오일을 나노 크기로 분산(나노에멀전)할 수 있어 친환경 화장품, 제약 및 의약 분야에 새로운 개념의 신제품 개발에 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.

추민철 박사의 연구는 현재 많은 화장품 회사로부터 러브콜을 받고 있다. 뿐만 아니라 나노입자의 분산에도 적용 가능한 기술로 반도체, 페인트, 잉크, 의․제약, 음료 및 약물전달물질(DDS: Drug Delivery System) 등 다양한 분야에서도 이를 기대하고 있다.

연구책임자인 추민철 박사는 “이번 성과는 물과 기름을 실온에서 계면활성제를 전혀 사용하지 않고 안정적으로 혼합할 수 있는 현존 유일의 기술”이라며 “인체 친화적 화장품뿐만 아니라 의료, 식품분야에서도 쓰일 수 있기 때문에 산업적․사회적 파급효과가 매우 큰 성과”라고 이야기 했다.

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