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커피 자국은 왜 가장자리가 더 선명할까?

커피 방울 효과

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By IT/과학부 이설빈 기자 Posted18-01-31 17:13 View217회 Comments6건
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현대인들은 일상생활의 피곤함을 깨기 위해 커피를 애용한다. 요즘에는 스타벅스 같이 커피 전문 판매 프렌차이즈점의 인기 또한 상상을 초월한다. 사람들은 모닝 커피라고 해서 아침을 커피를 마시며 시작하는 경우도 꽤 많다. 커피는 카페인의 성분으로 졸음을 방지하는데 효과가 있는 음료이다. 특정 연구에 따르면, 커피를 하루 3잔 이상씩 마시면 치매를 예방할 수 있다는 설도 있다.

지금은 별 생각없이 습관적으로 커피를 마시고 있지만, 과거에는 수도승들이 구도를 위해서 마시거나 전쟁에서 오인사격을

하는 경우가 늘어나 이를 막기 위해서 쓰이는 등 비교적 전략적이고 특정한 목적으로 커피를 사용했다.

시간이 흐름에 따라서 커피의 용도도 바뀌었음이 확실하다. 

우리는 종종 커피를 마시고 다 마신 잔의 바닥을 보면 신기한 현상을 관찰할 수 있었을 것이다. 커피의 바닥에는 남아있던

커피가 증발하여 커피 입자만이 남게 되는데, 그 입자는 가장자리를 중심으로 원 모양을 형성한다. 이 현상을 우리는

커피 방울 효과(Coffee ring effect)라고 부른다. 오늘은 왜 커피 방울 효과가 일어나는지, 그 과학적인 이유에 대해서

살펴보는 시간을 가져보자.
 

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커피 방울 효과에 대해서 다시 한번 말해보자면,커피를 다 마시고 난 뒤의 머그잔 속 커피가 남아있는 형태나 종이 위에 커피 방울을

떨어트렸을때, 커피 자국이 중심보다 가장자리에 진하게 남는 현상을 의미한다. 커피 방울이 바닥에 떨어졌을때처럼, 바닥에 떨어진

액적은 바닥면과의 접촉각, 표면장력 등의 요소에 의해서 모양이 달라지지만 대부분 우리가 아는것처럼, 동그란 형태를 유지한다.

이렇게 동그란 형태를 유지하는 물방울은 중심부와 가장자리의 증발율이 달라진다. 증발은 액체가 기체로 되어가는 변화중 하나로,

액체 분자가 기체와 맞닿은 표면적이 커지면 증발율 또한 커진다. 그렇기때문에 입자들이 많이 모여있는 중심부보다는 그렇지 않은

가장자리에서 증발이 더 잘 일어나게 된다. 증발은 흡열반응이므로 활발한 증발은 온도 하락을 꾀한다. 즉, 액적의 가장자리의 증발이

더 활발히 일어남에 따라 상대적으로 가장자리의 온도가 낮아지게 된다. 이때 이러한 온도 차이에 때문에 물의 표면장력이 달라진다.

커피 방울 효과는 표면장력때문에 일어난다고 보아도 무방하다. 여기서 표면장력을 잠깐 설명하자면, 표면장력이란 액체의 자유표면에서 표면적을 작게 하기 위해서 발생하는 장력으로, 소금쟁이가 물 위에서 떠있는 것도 표면장력에 의해 떠있는 현상이다. 표면장력은 일반적으로 온도가 낮아지면 증가한다. 만약, 액체의 모든 표면에서 온도가 같고 표면장력이 동일하게 작용한다면 구의 형태를 계속 유지할 것이다. 즉, 가장자리의 표면장력이 증가하면서 중심에서 가장자리로의 유동이 형성되어 가장자리부터 커피 입자가 쌓이게 되는것이다. 우리는 이러한 유동을 마랑고니 유동, 마랑고니 힘이라고도 부른다.

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그 작은 커피 방울 안에서 이러한 신기한 변화때문에 우리는 커피 자국의 가장자리에서 더 선명하게 남아있는 것을 볼 수 있는것이다.

신기하지 않은가? 비슷한 예로 마랑고니 힘때문에 와인의 눈물이라는 것이 생기는데 이것에 대해서도 간단하게 설명하겠다.

와인잔에 와인을 채우고 와인을 흔들어주면 와인잔 표면에 와인이 잠시 맺혔다가 다시 와인잔 속으로 들어가는데, 이때 맺혔던

와인은 내려와서 수면 위에 미세하게 떠있는 것을 관찰할 수 있을것이다. 이것 또한 마랑고니 힘때문에 작용하는 것이다.

와인은 알코올과 물의 혼합물로 와인잔에 맺혔던 와인막은 증발율이 높은 알코올이 증발해 와인잔에 담긴 와인의 알코올보다

옅어지게 된다. 이러한 농도 차이에 때문에 표면장력이 다르게 발생하게 되고 마랑고니 효과에 따라 와인이 미세하게 뜨게

되는것이다.

 

오늘 이 기사로 커피 방울과 와인의 현상에 대한 의문증이 좀 풀렸기를 바란다. 97년 nature지에 미세 입자를 포함한 액적은 증발할때

가장자리에 쌓인다는 연구가 올라오면서, 반도체 공정이나 코팅 공정에서 커피 방울 효과를 응용해 다양하게 사용하고 있다고 한다.

잉크젯 프린팅 기술을 활용하는 디스플레이 산업현장에서 커피 방울 효과는 더 나은 기술 개발에 있어서 잘 해결해나가야 하는 중요한

부분이다.  최근에는 성균관대학교 학생이 커피 방울 효과의 반대 현상에 대해 규명을 해 sci등재지에 등록되기도 했다고 한다. 그의 이번 연구 결과를 활용해 향후 콜로이드 용액의 얼룩이 고르게 생기도록 만들 수 있다면 잉크젯 프린트 기술을 사용하는 디스플레이 산업 현장 등에서의 비균질 건조현상을 막는데 도움이 될 것으로 생각되어 많은 사람들이 기대를 하고 있다고 한다.  커피 방울 효과에 대해 흥미를 느꼈다면 그의 논문을 찾아보는것도 좋을것 같다고 생각한다.  

 


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IT/과학부 이설빈 기자
E-mail : lsb0287@naver.com
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Comments '6'

박선경님의 댓글

박선경

커피자국은 가장자리가 더 진하다는 점은 정말 처음 알았ㅅ네요 .. 신기합니다

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이현우님의 댓글

이현우

좋은 기사 잘읽었습니다. 새로운 정보를 얻고 가네요^^.

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김태연님의 댓글

김태연

이런 현상에도 과학적 이유가 있다는 걸 처음으로 알게 되었습니다. 신기하네요.

추천 0 반대 0

사무국님의 댓글

사무국

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육경은님의 댓글

육경은

평소에는 그냥 그렇군 하고 넘겼던 사실들에서도 과학적인 사실이 숨어있다니!
과학과 더 친해질 수 있는 계기가 될 수 있을 것 같습니다.
좋은 기사 감사합니다.

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김해인님의 댓글

김해인

커피 방울 효과라니, 앞으로 커피를 접할 때마다 떠오를 것 같습니다.
이 효과가 실제로 반도체 공정이나 코팅 공정에서 유용하게 사용된다는 점도 놀랄 만한 내용이었습니다.
어떻게 보면 과학적 사실이어서 쉬운 말로 풀어내기 힘들 수도 있었을 텐데, 굉장히 잘 해낸 기사인 것 같습니다.
잘 읽었습니다~

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