무엇이 표면에너지를 만들어내는가? - 1

출처 : https://www.nanoscience.com/techniques/tensiometry/surface-free-energy/

표면에너지는 처음 들어봤어도 표면장력이라는 말은 많이 들어봤을 것입니다. 저는 어린시절 시골에 살아서 소금쟁이를 많이 봤는데, 소금쟁이가 물위에 떠있을 수 있는 원리가 바로 물의 표면장력을 이용한 것입니다.

표면에 관해서는 많은 이론이 있고 파면 팔수록 더 많은 이야기가 나오는 분야이기 때문에, 저는 소금쟁이 보다는 좀더 근본적인, 원자와 전자의 관점에서 표면을 살펴보도록 할 것입니다. 표면에서 일어나는 현상들만 알고 있어도 아마 일상생활에서 이해되지 않았던 많은 자연현상들에 대해 과학적인 관점을 가질 수 있을 것입니다.

먼저 표면에 대해서 정의를 하고 시작합시다. 표면이 무엇일까요? 많은 정의가 있지만, 원자와 전자의 관점에서 표면을 이야기할때에는 표면은 제일 바깥쪽에 있는 원자층이라고 해야하지만, 실제로 어떤 화학적인 반응이 일어나는 깊이는 좀더 깊기 때문에 서너개 정도의 원자층으로 정의하기도 합니다.

 

표면이 중요한 이유는 많은 신기한 현상은 바로 이 표면에서 일어나기 때문입니다. 대표적으로는 반도체에서 이 표면제어를 중요하게 여깁니다. 가장 기본적인 반도체인 PN다이오드의 특성도 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여놯더니 표면에서 생겨나는 신기한 효과를 이용한 것입니다. 스마트폰의 성능이 매년 좋아지는 것도 표면에 어떤 물질을 사용하는지에 따라서 달라지기 때문입니다.

 

저는 이쯤에서 이런 의문이 생겼습니다. "그래 표면이 중요한 건 알겠어, 그럼 왜 표면에서 그런 일이 일어나는건데? 그냥 뭐든지 닿는 면부터 반응이 일어나니까 그 시작이 표면인거지 그게 뭐가 중요해? 표면에 무슨 힘이 있어서 반응이 일어난다고 치자 그 힘은 왜 생기고 어떻게 작용하는건데?" 사실은 이 의문이 표면에너지를 공부하게 했던 원동력이었습니다. 처음엔 그냥 표면에너지라는게 있어서 그게 반응을 만들어내는구나 신기하네~ 라고 생각했습니다. 하지만 접촉각 측정실험을 하면서 표면에 어떤 변화가 생겨났음을 말해줘야하는데, 그 변화가 무엇인지를 설명할 수가 없었고 표면에너지라는 개념을 공부하게 되었습니다.

제목은 무엇이 표면에너지를 만들어내는가? 이지만 쓰고보니 표면에너지에 대한 언급은 거의 없네요 ㅎㅎ 다음화에서 보겠습니다.