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나노구조 제어에 의한 초 발수 가공
-직경 6nm의 nano pin이 초 발수 표면을 만든다.-
고체 표면의 미세구조를 제어함으로써 표면에 발수성을 갖도록 할 수 있다. 발수성의 정도는, 고체표면의 수적의 접촉각으로 결정하기 때문에 표면 요철에 공기(접촉각 : 180°)가 있다면 겉보기 접촉각을 키울 수 있다. 지금까지 초발수 막은 발수성 분자를 이용해 제작해 왔으나 친수성 분자를 이용해도 표면의 미새구조를 제어하고 공기 비율을 높이면 초발수성을 나타내는 것을 예상할 수 있다. 이번에 약 6nm 크기의 nano pin으로 되어 있는 표면구조를 제작, 공기층을 증가시킴으로써 친수성 분자를 이용해(접촉각 178°) 초발수 막을 제작하였다.
발수성의 제어
발수성이란, 물에 의해 젖기 어려운 것으로, 발수현상은 고체 표면에 있어서의 고-액-기 3상 현상이라고도 한다. 발수의 연구는 학술적인 표면과학 분야 뿐 아니라 건축자재, 화장품, 섬유처리, 엘렉트로닉스 용 부재 등 산업분야에서도 관심이 집중되고 있다. 고체표면 수적의 접촉각θ이 발수성의 지표가 되어, 일반적으로는 θ가 110~150°라면 고발수성, 150° 이상이라면 초발수성이라고 한다. 발수성을 결정하는 요인은 주로 고체의 표면 자유에너지와 표면의 미세구조 두 가지이다. 각종 불소계 재료를 코팅한 발수막은 표면 자유에너지가 낮은 재료를 이용한 예이다. 그러나 표면 자유에너지 만으로는 115° 이상의 접촉각을 얻을 수 없기 때문에, 115° 이상의 고발수성재료를 얻기 위해서는 어떻게든 표면의 미세구조 제어를 할 필요가 있다. 이론계산으로는 표면의 미세구조 제어만으로 초발수성 재료를 만들 수 있다.
 표면 미세구조와 발수성
그림 1과 같이 2 종의 물질이 있는 미세 복합구조의 경우 접촉각은 다음의 Cassie 식으로 나타낸다.
여기서 θ1과 θ2의 진 접촉각, 또 A1과 A2는 물질 1과 2의 표면을 점하는 비율이다. 물질 2가 공기의 경우에는 θ2=180°이다. 물질 1의 경우 A1을 매우 작게 하면 θ1은 커지고 초발수성을 나타낼 것으로 예상된다. 이미 표면접촉각이 170°를 넘는 결과가 보고되고 있으나, 이들 대부분은 진 접촉각 θ1이 100과 110° 등의 소수성 재료(불소물질 등)을 물질 1로 이용한 겉보기 접촉각 θf가 170°를 넘는 결과를 그림 1 미세 요철표면에서의 수적 상태를 얻고 있다.
 친수성 재료에서 초발수 표면을 만든다
Cassie식이 성립되면, 친수성 재료(진 접촉각 θ1<90°)라 해도 표면에 접하는 비율 A1을 극단적으로 작게 하면 초발수성 표면이 된다.
우리는 Cassie식으로부터 예상되는 실현에 도전한 많은 발수성 막과 같이 표면을 가공해 미세구조를 만드는 것과는 반대로, 분자를 쌓아 올리는 수법으로 표면에 미세구조를 만들게 되었다. 염화코발트에 요소를 가한 수용액에 유리 기판을 넣어 60℃에서 24시간 유지하고, 기판 표면에 brucite(블루사이트, 수활석) 형 수산화 코발트막(BCH)을 석출하였다. 석출된 BCH는 미세한 핀, 즉 나노핀이 되어 있다. 이어 기판을 60℃의 라우린산 나트륨 수용액에 5시간 침적, BCH 나노핀에 라우린산(LA)을 피복함으로써 BCH-LA막을 형성시켰다. 그림 2는 BCH-LA막의 전자현미경 사진과 막의 모식도이다.
그림 2 선단부의 직경 6.5nm라우린산을
피복한 BCH-LA 나노핀 막
BCH-LA막에는 선단부의 직격이 6.5nm의
나노핀이 3㎛ 사방면에 166본 형성되어 있다. 이 배열에 따라 나노핀이 표면에 점하는 비율(A1)을 1/1000 이하로 할수 있게 되었다. 이들 6.5nm의 BCH-LA 나노핀의 표면에는 직 접촉각 θ1이 겨우 75°인 LA가 코팅되어 있음에도 불구하고 그림 3과 같이 접촉각 θf 를 178°로 할 수 있었다.
이어 이 초발수성 막 상의 수적의 안정성을 확인하였다. 약 2mm의 수적을 BCH-LA 막상에 놓고 12시간 후에도 큰 접촉각을 유지한 상태 그대로였다. 이처럼 나노핀이 배열한 BCH-LA 막의 표면에는 수적이 매우 안정하게 존재할 수 있다.
향후 전개
초발수 막은 최근 전자와 에너지장치 등에서도 매우 주목되고 있다. 특히 에너지 저장장치에서는, 연료전지에 있어서의 가스 확산 전극 층의 발수화, 연료전지 전극 촉매표면의 부분 발수화, 2차전지용 수소흡장합금 전극의 발수․방수화, 전기 2중층 축전기의 발수화, 태양전지의 발수처리 등이 활발히 연구되고 있다.
그림 3 접촉각 θ가 178°가 되는 BCH-LA 나노핀 표면상의 수적
그림 4 BCH-LA 나노핀 표면 수적의 안정성
출처 : 한국섬유소재연구소 손성군 위원
細野英司(하소노 에이시) 외 1인/에너지연구부문 : 산업기술 총합연구소(일) TODAY 2003-01
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