Superwetting of TiO2 by light-induced water-layer growth via delocalized surface electrons

Kunyoung Lee, QHwan Kim, Sangmin An, JeongHoon An, Jongwoo Kim, Bongsu Kim, and Wonho Jhe (The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, April 7, 2014)

TiO2는 안정적인 무독성 광촉매 소재로 항균, 방오, 방담, 자정 작용 등의 친환경솔루션으로 널리 연구되어 왔다. 특히 흡광에 의한 표면의 초친수성 (superwetting) 변화는 특이한 성질로서 정화 시스템, 방담 필름 등 산업적인 제품의 학문적 기반을 제공하고 있지만, 아직 그 원인이 규명되지 않은 채 20년 가까이 논란이 되어 왔다. 기존의 이론은 광촉매 효과로 인한 표면 결함과 수산기 증가 또는 광산화로 인한 오염층의 제거를 그 원인으로 제시 하고 있다. 그러나 표면 습윤성의 변화를 접촉각 변화와 표면 작용기의 간접적인 연관성 만으로는 이해하기 어려우며, 따라서 표면의 물 흡착층에 대한 직접적인 측정이 요구된다. 본 연구에서는 자체 제작한 원자힘현미경을 이용하여 광흡수에 의한 물층의 성장 속도 및 높이를 실시간적으로 정밀하게 측정하였다. 특히 가시광선, 근적외선 흡수에 의한 물흡착현상의 발견을 통해, 산소 결함에 포획된 얕은 트랩 상태의 비편재화된 표면전자와 광흡착된 물과의 상호작용이 존재함을 밝혔다. 나아가 이렇게 광흡착된 물층이 ‘water wets water’ 과정을 통해 표면 초친수성을 발생함을 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 증명하였다. 본 연구 결과는 TiO2와 유사한 산소 결함이 있는 산화 아연 등 n-type 금속산화물의 광친수성에 대한 학문적 이해 및 가시광선 효율을 높인 저렴한 광촉매 코팅제와 필름 제작에 산업적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 광소자 표면의 광흡착된 물층이 주는 도핑 효과에 대한 연구에도 응용이 가능할 것이다.

참여연구원: 이건영, 김규환, 안상민, 안정훈, 김종우, 김봉수, 제원호