김서림 방지 안경렌즈와 표면장력

김서림 방지 안경렌즈의 원리는 언뜻 전혀 상관없어보이는 표면장력을 이용하는 것이다. 그래서 이 글에서는 표면장력을 우선 설명하고, 이를 바탕으로 김서림 방지 안경렌즈를 이야기한다.

1. 표면장력은 무엇인가?

표면장력은 분자의 힘 때문에 생긴다. 분자간의 힘은 여러 가지가 있지만, 일반적인 분자 극성에 의한 전자기력과 반데르발스 힘에 기초하고 있다.
분자간의 힘은 같은 종류의 물질 사이에나 다른 종류의 물질 사이에도 모두 작용하고 있고, 종류는 인력과 척력이 있다. 전자기력은 인력과 척력이 존재하며, 반데르발스 힘은 인력만 존재한다.

분자 사이의 힘의 크기는 분자들의 종류와 상태에 따라서 달라지는데 이 힘의 차이가 표면장력을 유도한다.

물체 A,B,C가 한 점이나 선에서 만난다고 고려해 보자. A와 B가 서로 잡아당기는 인력이 A와 C가 서로 잡아당기는 인력보다 강하다면 자연계는 자연스럽게 에너지가 낮은 상태가 되기 위해서 A와 B가 더 많은 접촉면적을 갖게끔 상태가 변화하려고 한다. 이러한 경향은 표면장력으로 나타난다.
표면장력이 강할수록 접촉면에서 방출되는 에너지는 커지므로 잡아당기는 힘이 강한 A와 B의 접촉면적이 A와 C의 접촉면적보다 더 넓어지며 A-B-C 전체의 에너지가 낮아진다.

2. 표면장력이 하는 일들

가. 고체에서의 표면장력
고체에서의 표면장력은 쉽게 볼 수 없다. 하지만 고체와 고체 사이에서의 표면장력이 약할 경우 고체 사이의 결합력이 약해지게 되고, 결국 쉽게 떨어진다. 표면장력이 약한 물질을 붙여서 건물을 만들면 아주 쉽게 두 물질이 떨어져서 쉽게 부서지게 되서 부실공사가 될 것이다.
금속 코팅 중에 금속과의 표면장력이 크고, 다른 물질과의 표면장력이 아주 약한 것이 있는데 그런 코팅은 표면이 더럽혀지지 않는 제품을 만들 때 많이 사용하고 있습니다. 물론 그럴 경우 무엇인가를 붙이는 일은 어려워진다.

나. 액체에서의 표면장력
액체와 액체 사이에서의 표면장력 관계는 재미있다. 우선 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 액체의 경우에는 표면장력이 작용하여 둥근 구 형태를 띈다. 접촉 면적이 적은 구의 모양으로 변해서 에너지 상태를 낮추려 하기 때문이다. 만약 두 액체의 밀도가 똑같다면 하나의 액체 속에 다른 액체가 떠있게 된다. 그럴 경우에 무중력 상태라면 완전한 구 형태를 띄게 되지만 일반 실험실에서는 중력의 영향으로 위아래 방향에서 눌린 구가 된다. 액체들이 각각 압축율이 다르기 때문이다.

고체상태인 유리(엄밀히 고체는 아니다.)와 액체 상태인 물, 수은의 예를  보면 어떻게 표면장력이 작용되는지 쉽게 알 수 있다. 유리와 각 분자 사이의 인력은 물>공기>수은 순서로 강하다. 유리 그릇에 물을 넣으면 물이 공기보다 유리에 더 강하게 끌리므로 물이 유리그릇을 따라서 약간 딸려 올라간다. 이는 유리와 물의 접촉 면적을 늘리고, 공기의 접촉 면적을 줄여서 에너지 상태를 낮추려 하기 때문입니다.
반면 수은은 유리와 인력이 약하기 때문에 공기와의 접촉면적을 늘리기 위해서 접촉 면적이 유리그릇을 따라서 오목하게 들어간다. 수은은 표면장력이 매우 크기 때문에 그 어떤 물질 속에서도 둥근 모습을 유지한다.

액체 헬륨은 더 재미있습니다.
액화 헬륨은 2.7K에서 초유체로 변하는데, 초유체란 것은 점성(분자간 마찰력)이 0이 되는 액체를 말한다. 그래서 초유체는 비점성 유체라고도 부른다. 따라서 초유체는 한번 움직이기 시작하면 멈추지 않는다. 액체 속의 열운동 때문에  움직이는 분자들에게도 적용된다.
액체 헬륨은 보통은 일반적인 액체와 같은데, 초유체가 되는 순간부터 특이한 일이 발생한다. 액체 헬륨이 용기의 벽을 타고 위로위로 흘러올라가서 타고 넘처 밖으로 다 빠져나간다. 위에서 유리와 물 혹은 수은이 만나면 표면장력과 중력의 평형점에서 솟아오르는 혹은 밑으로 내려가는 양이 결정된다고 했는데, 초유체의 경우 솟아오르는 두께를 얇게 만들면서 솟아오르는 높이가 (수학적으로) 무한대가 될 수 있다.
따라서 액화 헬륨을 저장할 때에는 반드시 완전히 밀폐된 용기를 사용해야 한다.

3. 김서림 방지 안경렌즈

가. 원리
김서림은 저온 물체에 고온 공기가 접촉하면 생긴다. 공기가 순간적으로 냉각되어 이슬점보다 온도가 낮아지면 수분이 표면에 맺히는 것입니다. 저온의 물체가 고온의 공기에 노출되는 것알 막지 못한다면 원리적으로 김서림도 막을 수는 없다.. 그럼 시중에는 어떻게 김서림 방지용 안경이 나오는 것일까??

엄밀히 김서림 방지용 안경은 김이 안 서리는 것이 아니라 보이지만 않게 만드는 것이다. 김서림 방지용 안경은 표면 특수한 코팅을 해서 만드는데, 이 코팅은 물과 접촉하는 힘이 매우 강하고, 공기와 접촉하는 힘은 약하다. 따라서 김이 서릴 때 표면에 맺히는 물이 뿌옇게 맺히지 않고 엷게 퍼진다. 그래서 원리상 결국 김서림이 많아지면 물이 렌즈의 밑에 맺혀서 뚝뚝 떨어질 수도 있다.

비슷한 현상을 수면 위에 딸어진 기름방울에서 찾을 수 있다. 어떤 기름은 물에 떨어져도 둥글게 뭉쳐있는데, 어떤 기름은 물 위에 얇게 퍼진다. 왜 이런 차이가 생기는 걸까?

나. 단점
렌즈에 김이 설여서 물이 많이 맺히면 물과 렌즈 사이의 표면장력과 코팅과 유리 사이의 표면장력 차이가 줄어든다. 차이가 줄어들면 작은 충격에 의해서도 쉽게 코팅이 벗겨지게 된다. 김설임 방지용 렌즈의 이러한 단점을 해결하려면 현재 나와 있는 코팅보다 유리와의 표면장력이 더 강한 코팅을 만들어야 한다.
쉽지 않겠지만 문명이 계속 발전한다면 언젠가는 만들게 될 것이다. ^^

4. 모세관서림 현상

모세관서림은 모세관 응축이라고도 불린다. 여러 증기 물질이 모세관과 만나면 모세관 속으로 들어가면서 액화하는 현상을 말한다.
모세관은 매우 작은 구멍이고 모세관이 많은 물질을 다공질성 고체라고 부른다. 대표적인 물질로는 숯, 초벌구이 도자기 등이 있다. 모세관은 사방이 고체로 둘러쌓여 있어 모든 방향으로 표면장력을 받는다. 이럴 경우에 따로 있거나 한 면이 고체와 만난 증기보다 표면장력을 훨씬 강하게 받는다. 그래서 일단 들어온 모세관에서 탈출하려면 에너지가 더 많이 필요하다.

모세관 속으로 빨려들어온 증기는 탈출을 위해서 에너지가 많이 필요하므로 탈출하지 못하고, 계속 모세관 속으로 새로운 증기가 빨려들어오므로 증기가 액체의 형태로 전환된다. 여기서 증기가 모세관의 표면장력이 강해지는 곳으로 이동하면서 끌리면서 받은 에너지는 증기의 온도를 높이는데, 그러면 열이 온도가 낮은 외부로 방출되고 증기는 결국 액화하게 된다.
물론 주변과 다공질성 고체의 온도가 너무 높으면 모세관서림 현상은 발생하지 않는다.

모세관서림 현상의 대표적인 예는 숯에서 수증기가 물로 액화하는 현상이 있다. 때로는 찜질방 싸우나실의 벽이 벽돌로 되어 있을 때 벽이 축축한 것을 확인할 수 있다.

최초 작성일 : 2005.01.03