계면 화학

성질이 서로 다른 두 물질이 맞닿는 경계면을 계면 (interface)¹⁾라고 하고, 이 계면과 그 부근 물질의 상태와 성질을 연구하는 화학 분야를 계면 화학(interface chemistry, 界面化學)이라고 한다. 계면에서 일어나는 화학 현상으로는 촉매, 흡착, 표면 장력, 계면 활성제의 세정 작용 등을 들 수 있으며, 비슷한 화학 분야로 표면 화학(表面化學)이 있다.

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많은 생명 현상의 기반에 계면 화학의 원리가 숨겨져 있다. 눈을 깜빡일 때마다 우리 몸에서 생성하는 계면 활성제(surfactant)는 얇은 수막을 만들어 눈이 따갑지 않게 보호해준다. 또한 계면 활성제는 허파 꽈리 벽면이 건조해지는 것을 막아 주어 우리가 숨을 쉴 때 호흡이 원활히 이루어지도록 한다.

일상 생활에 많은 계면 현상이 있는 데, 주방에서 사용하는 스펀지가 물과 같은 액체를 빨아들이는 것은 계면 현상 중 하나인 모세관 현상과 관련이 있다. 자동차나 선박의 몸체가 염화 칼슘에 의해 부식되는 현상도 계면 화학과 밀접하게 관련되어 있다. 금속 제품은 부식을 방지하기 위해 페인트나 고분자 코팅을 하는데 이때 재료의 계면 특성이 중요하다. 자동차 엔진의 피스톤이 원활하게 움직이는 것은 윤활유가 계면에서의 마찰력을 감소시키기 때문이다.

생활 필수품인 비누와 각종 세제 - 샴푸, 바디워시, 주방세제, 욕실세제, 빨래용 세제 등은 모두 계면 활성제를 이용한 제품이다. 또한 화장품에는 각종 유지 성분이 콜로이드 형태로 골고루 잘 섞이도록 계면 활성제를 사용하고 있으며, 크림이나 파우더 등에 들어있는 고체 첨가제인 활석의 표면 특성이 피부에서 느끼는 촉감(매끄러운 정도)을 결정한다. 화제에 있어서 거품을 이용하면 더 효과적으로 불길을 잡을 수 있다. 거품을 이용한 화학제품으로 면도 크림과 같은 세면 용품 등이 있으며, 밀크 쉐이크와 휘핑 크림과 같은 음식도 거품의 성질을 이용한 것이다.

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일상 생활에서 흔히 접하는 다양한 종류의 화장품 ()

각종 산업에 사용되는 재료의 대부분은 고체나 액체의 형태로 존재하며, 그러한 계면에서의 물리적 화학적 성질을 제어할 수 있는 화학적 원리와 이를 이용한 기술들이 산업 곳곳에 숨어 있다. 이처럼 다양한 계면 현상을 이해하고 계면 화학의 원리를 이용하여 계면 및 표면의 특성을 제어하여 공업이나 산업에 응용하는 공학 분야를 계면 공학(interface engineering) 또는 표면 공 (surface engineering)이라고 부른다.

자동차 유리창 세척과 라디에이터 부동액에서 계면 활성제에 의한 표면 장력의 제어와 세제 성분에 의한 세정 작용의 제어가 중요한 역할을 한다. 시멘트 산업에서는 시멘트를 사용하여 잘게 부순 돌가루들이 서로 붙게 만들어야 하고, 종이를 만드는 과정에서 셀룰로오스, 리그닌, 염료, 분산제(dispersants), 충전제(fillers, CaCO₃), 표백제(whitener, TiO₂), 백반(Alum), 탈포제(脫泡劑, Defoamers) 등의 성분이 잘 분산되어야 한다.

화학 산업에서 특수 염료, 페인트, 특수 세척제, 정유 촉매제, 특수 내열 윤활유, 신소재 개발, 프린트용 잉크의 생산에서도 계면 활성제와 콜로이드의 성질을 잘 이해해야 한다. 전자 통신 컴퓨터 반도체 응용 산업에서는 신소재 표면 처리 기술, 초고집적회로, 초고화질 디스플레이, 메모리 소자 등의 제조 공정 과정에서도 재료의 계면의 특성을 잘 이해하는 것이 중요하다. 자동차 선박의 정전기 부식 방지 도장, 용접 부식 방지, 섬유의 염색, 새로운 화학 섬유를 개발하는 일도 계면 화학과 관련이 깊다. 자외선 차단 섬유는 섬유에 세라믹 재료를 혼합하여 만드는데, 이때 섬유와 세라믹 재료의 계면 성질이 매우 중요하다. 극미세사 생산에도 고압 방출기와 섬유 재료의 계면 현상을 이해하는 것이 매우 중요하다.

석유 화학 산업에서는 계면 활성제를 이용하여 원유를 추출하는 방법이 사용되고 있으며, 최근 에너지원으로 주목받는 셰일가스를 추출하는 방법에서도 고압의 물을 분사하여 가스를 추출할 때 계면 활성제가 사용된다.

환경 산업에서 미립자 산업 폐기물 처리, 가정용 폐수와 각종 산업 폐수 처리, 산업 폐기물의 소각 처리에서도 오염 물질의 분리 정제와 관련한 계면 현상이 중요한 역할을 한다. 토양에 일어나는 비료와 수분의 흡수, 임산물의 방부 처리, 금속 제련 등의 전통 산업도 계면 현상과 관련이 깊다.

생명 공학에서는 표면 특성을 유전자 분리에 응용하고 있다. 제약 분야에서는 약을 투여했을 때 지속적인 효과를 내는 알약을 개발하는 것이 중요한 과제 중 하나인데, 이 알약의 적당한 표면 처리를 통해 약 성분이 천천히 녹도록 제어하는 기술은 계면 화학과 밀접한 관련이 있다.

에어로솔, 거품, 에멀션, 젤, 고체솔 등으로 분류하는 콜로이드는 크기가 1~1000nm인 불용성인 물질이 용액에 균일하게 분산된 혼합물이다. 최근에는 콜로이드 형태의 나노 입자를 이용하는 생체 적합성 물질을 기반으로 한 약물 전달체나 화장품 나노 소재 등에서의 신소재 기술을 개발하고 있다. 콜로이드 입자와 용액간 사이의 계면 에너지가 제조에 중요하게 작용한다.

자동차 배기가스에는 불완전 연소된 탄화 수소나 질소 산화물이 포함되어 있는데, 이를 그대로 배출하면 대기 오염의 원인이 된다. 따라서 이들 유해 화합물을 분해하기 위해 자동차 배기구에는 백금이나 팔라듐과 같은 금속 촉매가 들어있다. 이 촉매 표면에서 일어나는 반응도 계면 화학의 연구 대상이다. 다양한 조성과 형태의 금속 합금 촉매들은 자동차 배기가스 정화뿐만 아니라, 석유화학 공정, 수소 연료 전지, 물 분해 등 친환경 촉매 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 금속 촉매 표면의 화학적 조성에 따라 달라지는 전자 구조 및 결합 에너지, 실제 촉매 환경에서의 표면 구조와 반응물의 종류에 따른 계면에서의 상호 작용 방식, 반응 메커니즘 등은 계면 화학의 중요한 연구 주제이다.

접착(adhesion)은 두 가지 이상의 재료를 표면에서 원자 또는 분자 사이의 결합을 통해 일체화하는 과정으로 우리가 흔히 접하는 계면 현상 중 하나이다. 고분자 접착제(adhesive), 시멘트에 의한 접착뿐만 아니라 납땜이나 용접에 의한 금속 사이의 접합도 포함되며, 여기서도 계면 화학이 중요한 역할을 한다.

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다양한 종류의 접착제 ()

접착에 의한 두 물질의 결합은 화학적 결합과 기계적 결합으로 구분할 수 있다. 화학적 결합은 접착제 (adhesive)와 피착체 표면(adherent surface) 사이의 원자 또는 분자 수준의 결합으로 반데르발스 결합, 수소 결합과 같은 분자 간 결합, 이온 결합, 공유 결합 모두를 포함한다. 기계적 결합은 접착제가 피착체 표면의 요철 구조와 맞물리거나 다공성 구조 등에 침투하여 나타나는 결합으로, 합착(cementation)이라고 부르기도 한다. 계면에서의 접착력은 물체의 기계적 성질, 접착 면의 형태, 파괴 속도와 방향, 온도 등의 영향을 받는다.

최근에는 자연을 모방하여 만든 미세 나노 구조를 이용하여 접착 특성을 제어하는 새로운 기술을 개발하는 추세이며, 여기서도 계면 화학이 중요하다. 홍합의 독특한 수중 접착성을 모방한 폴리도파민(polydopamine) 코팅 기술²⁾은 자연의 계면 현상을 모방한 흥미로운 예이다.

계면 활성제는 계면 에너지(표면 장력)를 현저히 낮춤으로써 계면의 물리적 화학적 성질에 영향을 준다. 계면 활성제의 영향을 받는 계면 현상들로 적심(wetting), 유화(emulsification), 분산(dispersing), 발포(發泡, 거품이 나는 현상, foaming), 가용화(可溶化, solubilization), 세정(washing) 등을 들 수 있다.

계면의 특성을 결정하는 물리적 성질로는 표면 강도, 경도, 광학적 색, 굴절률, 표면 열전도도, 팽창률, 표면 자화율, 표면 전기 전도성, 압전 특성, 초전도 특성 등을 들 수 있다. 이외에도 결정의 성장 및 용해율, 표면 장력, 표면 확산성, 표면 전기 화학적 특성, 표면 취수성(접촉각, 소수성, 친수성), 정전기를 유도하는 표면 전하 특성 등도 중요한 계면의 성질에 해당한다.

1.
2. 폴리도파민 표면화학: 발명 10 년의 이야기, 엄수민 , 박홍기 , 박지효 , 홍선기, 이해신, 접착 및 계면 19권 (1호) pp. 19-29 (2018).