계층형 구조를 가지는 고내구성 amphiphobic 표면의 최적설계

Abstract

초발수성(Super-hydrophobic) 표면은 물과의 접촉각이 150° 이상, 접촉각 hysteresis가 10° 미만인 표면을 의미하고, 오일에 대해서 동일한 특성을 나타내는 표면을 초발유성(Super-oleophobic) 표면이라고 한다. 이렇게 물과 오일에 대해서 높은 접촉각과 낮은 접촉각 hysteresis를 가지는 표면을 Amphiphobic 또는 Omniphobic 표면이라고 한다. 이러한 표면은 액체와의 습윤 특성이 낮기 때문에 자가세정, 방빙, 방오, 마찰 저감 등의 효과를 얻을 수 있으며 디스플레이, 광학, 자동차, 항공, 선박 등 다양한 산업 분야에 응용이 가능하다.

초발수성 표면은 표면에너지가 낮은 소재와 표면을 구성하는 마이크로/나노 스케일의 구조에 의해서 구현이 가능하다. 하지만, 오일의 경우에는 물보다 표면 장력이 대체로 낮기 때문에 동일한 소재와 표면 구조에서 상대적으로 낮은 접촉각을 가진다. 표면 장력이 낮은 액체에 대해서도 높은 접촉각을 구현하려면 re-entrant 구조가 필요하며, 실생활에 적용하기 위해서는 마이크로/나노 표면 구조의 내구성 또한 확보되어야 한다.

본 연구에서는 마이크로 스케일의 Amphiphobic 표면 구조의 기계적 내구성을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. 하중에 의한 응력 분포를 확인하기 위해 유한요소해석으로 기존의 표면 구조를 분석하였다. 기존 표면 구조의 유한요소해석 결과를 기반으로 실험계획법을 통해 하중에 강건한 구조를 최적 설계하였으며, 격벽 구조 위에 마이크로 pillar가 있는 Hierarchical 형상을 제안하였다. 격벽의 형상은 육각형, 삼각형, 사각형 배열 구조를 비교하였으며, 기둥 형상만 존재하는 기존의 표면 구조 대비 최대 응력 분포가 대략 70 % 감소하는 것을 유한요소해석을 통해 확인하였다. Amphiphobic 특성을 구현하기 위해 최적 설계 기반의 마이크로 pillar 형상을 re-entrant 구조로 모델링하였다.

최적 설계 형상의 prototype을 마이크로 3D 프린팅 공정으로 배율을 증가시켜 가공하였다. 최적 설계 형상 대비 prototype의 배율이 표면 구조의 기계적인 내구성과 습윤 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 차원해석을 진행하였으며, prototype의 배율은 표면 구조의 기계적인 내구성과 습윤 특성에 미치는 영향이 적다는 것을 확인하였다.

마이크로 3D 프린팅을 통하여 가공한 prototype을 Polydimethylsiloxane (PDMS)를 이용하여 음각의 역상 패턴으로 복제하였다. 복제된 역상의 패턴을 UV-임프린트 리소그래피 공정을 통하여 유연 기판에 전사하여 물을 포함한 ethylene glycol과 soybean oil에 대한 습윤 특성을 평가하였다. 임프린트 필름의 표면에너지를 낮추기 위해 CF4 플라즈마를 활용하여 표면 개질을 진행하였으며, ethylene glycol에 대해서는 최대 153.4°, soybean oil에 대해서는 136.3°의 접촉각을 나타내어 Amphiphobic 표면을 구현하였다.

임프린트된 마이크로 표면 구조의 기계적인 내구성을 평가하기 위해 실리콘 고무 팁을 이용하여 70 g 하중 조건에서 최대 10,000 cycle까지 pin on disc 실험을 진행하였다. 기준 형상과 최적 형상에서 5,000 cycle 까지는 마모 전/후의 접촉각 변화가 5° 이내였고, 10,000 cycle 이후 기준 형상에서는 접촉각이 약 11.5° 감소하였고, 최적 형상에서는 5° 이내의 범위를 유지하였다. 마모 이후의 임프린트 필름을 EDS를 통하여 분석하였으며, 실리콘 고무가 표면 구조에 응착(adhesion)되는 형태로 마모가 진행되는 것을 확인하였다.

결과적으로 물과 유기용매에 대하여 Amphiphobic 특성을 나타내는 표면 구조를 제작하였으며, 마이크로 표면 구조의 기계적인 내구성을 향상시키기 위한 표면 구조를 제안하였다.