연구 개요
현재 연세대학교 BLISS Lab을 이끄는 서정목 교수가 당시 연세대학교 전기전자공학부 소속으로 공저자로 참여한 연구로, 주변 기체에 따라 액체 접착이 바뀌는 팔라듐(Pd) 장식 은(Ag) 덴드라이트(Pd/Ag 덴드라이트) 초양친매성 표면을 만들었습니다. 공기 중에서 굴러떨어지던 액적이 8% 수소(H2)에 노출되면 고정되었고, 7 μL n-헥사데칸(HD) 액적은 뒤집은 표면에서도 31.8 μN의 접착력으로 붙어 있었습니다.
연구 배경
액적 기반 개방형 미세유체 시스템에서는 액적을 원하는 시점에 이동시키거나 멈추기 위해 접착을 전환할 수 있는 발액 표면이 필요합니다. 연구진의 이전 Pd 스퍼터링 초소수성 표면을 포함한 기존 전환 표면은 물에는 작동했지만 기름과 유기용매에는 적용할 수 없었습니다. 기름 접착을 조절하는 초양친매성 표면은 자외선, 열처리, 플라즈마로 전환했는데, 이 방식은 액적도 같은 자극에 노출시키고 저접착 상태를 되돌리려면 열처리나 불소 재코팅이 필요했습니다.
설계와 접근
구리(Cu) 포일을 질산은(AgNO3) 용액에 담가 무전해 갈바닉 치환 반응으로 Ag 덴드라이트를 성장시키고, 같은 반응으로 염산에 녹인 염화팔라듐(PdCl2)에서 Pd 입자를 덴드라이트 위에 석출한 뒤 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데칸티올(PFDT)을 코팅했습니다. 잎 모양 Ag 덴드라이트는 잎 아래에 빈 공간이 있는 마이크로 규모 돌출 구조를 이루고 Pd 입자가 나노 규모 공극을 더해, 액체가 갇힌 공기 위에 놓이는 Cassie-Baxter 상태를 유지합니다. H2에 노출되면 Pd가 수소화팔라듐(PdHx)을 형성하며 팽창하고, 커진 잎이 액적과의 접촉 면적을 넓혀 접착을 높이며, 공기 중에서는 수소가 다시 빠져나갑니다.
AI로 만든 비축척 개념도입니다. 팔라듐으로 장식한 은 수지상 구조에서 기체 환경, 표면 형상과 액체 부착의 관계를 표현했습니다. 연구 대상인 PFDT 처리와 실제 코팅·입자 분포는 생략했습니다. 화살표는 연구된 전환 개념으로, 실험 결과나 완전한 가역성을 뜻하지 않습니다.
설계 개념을 설명하기 위해 이 자료실에서 생성한 개념도로, 논문 원그림이 아니며 측정 데이터를 나타내지 않습니다.
평가 방법
주사전자현미경으로 Ag 석출 시간(tAg)에 따른 덴드라이트 피복률을 확인하고, 약 7 μL의 물, 에틸렌글리콜(EG), 올리브유, HD 액적의 접촉각(CA)과 미끄럼각, 공기와 8% H2에서 기울인 표면 위 액적 거동을 측정했습니다. Pd 팽창은 전기 저항 변화와 기체를 바꾸어 가며 수행한 원위치 원자힘현미경(AFM) 관찰로 간접 확인했습니다. 접착력 변화(ΔFadh)는 Pd 석출 시간(tPd)별 임계 미끄럼각으로부터 구했으며, 평평한 Pd 표면과 Pd가 없는 Ag 덴드라이트를 대조군으로 사용했습니다.
연구 내용과 주요 결과
잎 모양 Ag 덴드라이트는 tAg 5분에서는 나타나지 않았고 100분 후에는 표면의 73% 이상을 덮었습니다. 물의 CA는 5분에서 이미 150°를 넘었고 160° 이상으로 높아졌으며, 표면장력이 낮은 액체는 tAg 100분 이상에서 CA가 150°를 넘었습니다. tAg 100분, tPd 100분으로 만든 표면에서 네 액체의 미끄럼각은 모두 10° 미만이었습니다.
1.8° 기울인 표면에서 EG 액적은 공기 중에서 굴러떨어졌지만 8% H2에 30초 노출한 뒤에는 고정되었고, HD 액적은 H2에서 12.47° 기울여도 고정되었으며 공기에 다시 노출하면 1분 안에 굴러떨어지는 성질이 회복되었습니다. Pd/Ag 덴드라이트의 저항은 공기보다 H2에서 높았고, 원위치 AFM에서는 H2에서 잎이 이동했다가 공기 중에서 제자리로 돌아왔습니다. 평평한 Pd 표면과 Pd가 없는 Ag 덴드라이트에서는 이러한 접착 변화가 나타나지 않았습니다.
ΔFadh는 모든 액체에서 tPd가 길수록 커졌고, 표면장력이 낮을수록 커져 물, EG, 기름, HD 순이었습니다. 연구진은 표면장력이 낮은 액체일수록 접촉 면적이 더 크게 늘어나기 때문으로 해석했습니다. HD(27.5 mN/m)의 ΔFadh는 물(72.8 mN/m)보다 컸고, tPd 100분 표면에서 H2 중 HD 액적의 접착력은 31.8 μN이었습니다. HD 접착은 공기와 8% H2 사이에서 10회 전환되었고 CA는 150° 이상으로 유지되었으며, H2에서 표면은 물 액적은 남기고 HD 액적만 선택적으로 집어 올렸습니다.
남은 과제
접착 전환은 일정한 Pd 석출 시간 범위에서만 작동했습니다. tPd가 40분 미만이면 H2 노출 전후 모두 액적이 굴러떨어졌고, 100분을 넘으면 뭉친 Pd 층을 기름과 HD가 적셔 가역 전환 능력을 잃었습니다.
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초록을 참고한 소개RESEARCH NEWS
연구 소식
해설에 사용한 자료
이 해설은 출판사 PDF 본문과 실험 절, 그림 설명을 바탕으로 작성했으며, 보충자료와 동영상은 검토하지 않았습니다. 그림 2와 그림 6의 패널 번호는 본문과 그림 설명에서 서로 다르게 표기되어 있습니다.