계면

계면(界面, interface)은 서로 다른 두 균일상(phase)이 접촉할 때 형성되는 경계 영역을 말한다. 고체·액체·기체와 같은 상들이 만날 때 나타나는 계면은 벌크(bulk) 상태와 구별되는 고유한 물리·화학적 성질을 나타낸다. 물질과 기체 또는 진공 사이의 경계는 일반적으로 표면(surface)이라 부르며, 표면과학(surface science)의 주요 연구 대상이다.

계면은 2차원적 특성을 가지지만, 실제로는 나노미터에서 마이크로미터 두께를 갖는 구조적·화학적 전이 영역을 포함할 수 있다. 또한 평형 상태의 상경계뿐 아니라, 평형에서 벗어난 계면(예: 다결정 재료의 입계(grain boundary))도 존재한다.

 계면의 중요성 
계면 현상의 영향은 계면의 면적/부피 비율(S/V 비)가 클수록 커진다. 다음과 같은 시스템에서 계면은 전체 물질의 거동을 지배할 정도로 중요한 역할을 한다.
 콜로이드(colloid) 및 나노입자
 에멀션(emulsion)·거품(foam)
 촉매에서의 고체–기체·고체–액체 계면
 고분자 박막·나노막
 생체막(biomembrane)

S/V 비가 큰 시스템일수록 계면의 자유에너지, 계면 장력, 전하 분포 등이 전체 시스템의 안정성과 동역학에 큰 영향을 준다.

 계면의 형태 
계면은 평평할 수도 있고 곡률을 가질 수도 있다.
 평평한 계면: 고요한 물 표면의 물–공기 계면
 곡률을 가진 계면: 샐러드 드레싱의 기름 방울, 비눗방울 등

계면의 곡률은 라플라스 압력(Laplace pressure)과 관련되며, 모세관 현상, 젖음성(wetting) 등을 결정한다.

 계면에서의 물리·화학적 현상 

 표면 장력 
표면 장력은 액체 계면에서 나타나는 가장 기본적인 물리적 특성이다.
 평평한 계면에서는 자유에너지를 최소화하기 위해 계면이 평탄하게 유지된다.
 거친 표면 위 액체 필름에서는 표면 장력이 메니스커스를 평평하게 만들고, 분리 압력(separation pressure)은 액체가 기판 표면 형상을 따르게 한다.
평형 메니스커스의 형태는 이 두 효과의 경쟁으로 결정된다.

 광학적 현상 
계면은 굴절률의 차이로 인해 다양한 광학 현상을 일으킨다.
 굴절(refraction)
 반사(reflection)
 전내반사(total internal reflection)
 프레넬 반사(Fresnel reflection)

광학 렌즈는 유리–공기 계면의 굴절률 차이를 활용한 대표적인 응용이다.

 흡착·탈착 및 계면 반응 
계면에서는 벌크에서 관찰되지 않는 흡착(adsorption), 탈착(desorption), 전하 분포 형성, 전기 이중층 생성 등의 현상이 나타난다. 이는 다음 분야에서 매우 중요하다.
 전기화학(electrochemistry)
 촉매 화학(heterogeneous catalysis)
 환경 화학(aerosol chemistry)
 콜로이드 안정성

 대기 과학에서의 계면 
대기 중에서는 에어로졸 입자와 기체가 이루는 기체–액체 계면이 중요한 역할을 한다. 이는 구름 응결핵(CCN) 형성, 오염 물질의 흡착, 반응성 증가 등 여러 환경 현상을 좌우한다.

 같이 보기 
 표면과학
 계면화학
 콜로이드
 표면 장력
 모세관 현상

분류:계면화학