- 2019년 3월 29일

[지식더하기] 얼음으로 얼음을 막는다? - 겨울철 결빙의 새로운 해결책

최종 수정일: 2019년 3월 30일

어렸을 적, 우리에게 눈이 오는 겨울날은 마냥 기쁘고 즐거운 날이었습니다. 그 시절 우리는 눈이 오면 밖에 나가 친구들과 놀 생각으로 들떠 있거나 그저 바라보는 것만으로도 행복해하였습니다. 하지만 그때 어른들은 마냥 기뻐하지만은 못하였습니다. 그 이유는 바로 겨울철이면 어김없이 일어나는 눈엣가시 같은 현상 때문입니다. 바로 “겨울철 결빙 현상”입니다.

겨울철 아침, 자동차 창에 서리가 생긴 모습

어른들께서는 겨울날이면 매일 아침 평소보다 일찍 일어나서 창문의 서리를 열심히 긁으며 자동차에 생긴 얼음을 제거해야 했습니다. 애써 얼음을 제거한 자동차를 끌고 도로로 나가면 도로에는 빙판이 깔려있습니다. 우리가 바닥의 얼음을 제거하기 위해 가장 많이 사용되는 방법은 바로 염화 칼슘을 바닥에 뿌려 얼음을 녹이는 방법입니다.

염화칼슘의 화학식은 CaCl2 입니다. CaCl2는 주변의 습기를 흡수하는 성질인 조해성을 갖고 있습니다. 조해성을 가진 CaCl2는 주변의 습기를 흡수하여 스스로 녹으며 열을 방출합니다. 이때 발생한 열로 얼음은 녹아 CaCl2가 녹은 용액이 됩니다. CaCl2이 녹은 용액은 용액의 총괄성을에 의해 보통의 물보다 더 낮은 어는점을 갖게 되어 다시 얼기 어려워 집니다.

하지만 염화칼슘을 바닥에 뿌리는 등의 화학물질을 사용한 제설은 환경을 심각하게 파괴합니다. 또한, 아주 번거롭습니다. 하지만 이번 연구를 통해 이제까지의 번거롭고 환경을 오염시키는 옛날 이야기가 될지도 모릅니다.

기존의 도로 제설 작업 모습 (염화칼슘)

지난해 9월 조나단 보레이코 미국 버지니아공대 생물의공학및역학과 교수팀은 인공적인 화학약품을 전혀 사용하지 않고 오직 얼음만으로 겨울철 도로 결빙 뿐만 아니라 전반적인 결빙 방지 표면을 개발하였다고 나노분야 국제학술지 ‘ACS 응용재료및인터페이스’에 기재하였습니다.

버지니아공대 생물의공학및역학과 교수팀은 결빙방지처리 목표 물체의 표면에 미세한 홈을 파서 그 홈을 이른바 “희생 영역”으로 만들었습니다. 결빙 현상이 일어날 때에 미세한 홈에 의도적으로 얼음이 생기도록 하여 저압 영역을 형성합니다. 형성된 저압 영역은 주변 공기 중의 수분을 가장 가까운 홈의 얼음으로 끌어당겨 서리가 생길 수 있는 습한 상황에서도 홈과 홈 사이의 표면에는 서리가 생기지 못하게 합니다. 이 미세한 홈은 물질 표면의 약 10 퍼센트만을 차지합니다. 10 퍼센트의 면적을 희생함으로써 나머지 90 퍼센트의 표면을 완전히 건조한 상태를 유지합니다.

Farzad Ahmadi 가 실험하는 모습

기존의 제설 방법인 부동액, 특수 코팅액 등의 화학적 약품을 사용하여 겨울철 결빙을 방지하는 방법은 그 내구도가 낮아 쉽게 마모되기 때문에 실질적인 효과를 내기 위해서는 지속적으로 여러 번 사용해야 합니다. 더 최악인 것은 화학약품들 그 자체가 환경오염을 유발한다는 것입니다. 특히, 비행기 날개에 사용되는 부동액의 경우 한번 적용 시키는 데에 화학약품이 수 천 갤런 이상이 사용된다고 합니다. 하지만 이 기술의 경우 기존의 결빙방지기술과 완전히 다릅니다. 이 기술은 비교적 내구도가 강하고, 다른 화학물질들과 같이 사용 후 화학적 폐기물이 발생 되지 않습니다.

생물 공학 및 역학 조교수 조나단 보레이코 (Jonathan Boreyko)는 “이 기술의 진정한 강점은 줄무늬 자체가 결빙방지 작용을 하므로 미세한 홈의 적절한 패턴이 존재하는 한, 사실상 모든 재료에 적용할 수 있다는 점이다.”라고 밝혔습니다. 이 기술을 자가용 자동차의 표면, 겨울철의 도로 뿐만 아니라 항공기 날개 제조와 같은 우주 항공 응용분야에도 폭 넓게 사용될 것으로 기대 됩니다.

원하던 케미 2019 봄호

작성자: 19-002 강승욱

분야: 생활 화학

참고문헌 :

[1] https://vtnews.vt.edu/articles/2018/09/worlds-first-passive-anti-frosting-surface.html

[2] http://www.innovationtoronto.com/2018/09/first-passive-anti-frosting-surface-fights-ice-with-ice/

[3] http://www.xinhuanet.com/english/2018-09/18/c_137476026.htm

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_chloride

이미지 :

[1] 겨울철 아침, 자동차 창에 서리가 생긴 모습

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[2] 기존의 도로 제설 작업 모습 (염화칼슘)