연구 개요
연세대학교 전기전자공학부와 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 함께 수행한 연구로, 현재 연세대학교 BLISS Lab을 이끄는 서정목 교수가 KIST 재직 시 교신저자로 참여했습니다. 과불화탄소 코팅 없이 버섯 모양 폴리디메틸실록산(PDMS) 미세기둥으로 유연한 초발액성(superomniphobic) 표면을 만들었습니다. 50 nm 알루미늄(Al) 층이 기둥 머리 가장자리를 아래로 굽혀 이중 재진입 형상을 만들었고, 표면은 불소계 용매 FC-770(14.8 mN/m)을 포함한 액체를 150° 이상의 접촉각으로 반발했습니다.
연구 배경
물과 표면장력이 낮은 액체를 모두 반발하는 표면은 보통 마이크로·나노 계층 구조에 과불화탄소 코팅을 더해 만듭니다. 이 코팅은 화학적·물리적 손상에 취약해 발액성이 점차 떨어지고, 사용에 따른 환경·건강 우려가 제기되어 왔습니다. 톡토기 피부는 아래로 향한 가장자리를 가진 버섯 모양의 이중 재진입 구조로 액체를 반발하지만, 이를 모사한 이전 연구는 유연하지 않은 실리콘 기판, 추가 불소 코팅, 시간이 오래 걸리는 3차원 직접 레이저 묘화에 의존했습니다.
설계와 접근
포토레지스트 몰드에서 PDMS(주제:경화제 5:1, 영률 약 3.5 MPa)로 머리가 평평한 버섯 모양 미세기둥을 성형합니다. 몰드는 윗면 자외선 노광으로 기둥 구멍을, 마스크 없는 뒷면 노광으로 얇은 머리 층을 정의합니다. 이후 Al을 열증착하면 압축 잔류응력이 생겨 머리 가장자리가 고분자 쪽으로 영구히 굽어 이중 재진입 미세기둥(D-MP)이 됩니다. 위에서 들어온 액체는 아래로 굽은 가장자리 밑에 고정되며, 음의 머리 가장자리 각도 덕분에 Al을 완전히 적시는 액체도 접촉선을 형성합니다. 형상은 Cassie-Baxter 식으로 정했으며, 고체 분율이 약 6.7% 미만이어야 하고 23 μm 머리에서 기둥 간격 80 μm이면 약 6.5%가 됩니다.
AI로 만든 비축척 개념도입니다. 아래로 굽은 PDMS 버섯기둥의 가장자리, 얇은 Al 표면층과 액체 아래 공기층으로 액체 침투를 막는 원리를 보여 줍니다. 은회색 윤곽과 Al 표시는 코팅된 표면을 뜻합니다.
설계 개념을 설명하기 위해 이 자료실에서 생성한 개념도로, 논문 원그림이 아니며 측정 데이터를 나타내지 않습니다.
평가 방법
머리가 평평한 미세기둥(MP), 과불화탄소를 코팅한 MP(F-MP), D-MP를 약 2 μL 액적의 정적 접촉각과 미끄럼각으로 비교했으며, 시험 액체는 탈이온수부터 불소계 용매까지였습니다. 주사전자현미경과 머리 굽힘의 수치 모사를 함께 사용했습니다. 증발하는 에탄올 액적으로 압력 저항성을 조사했습니다. 최대 약 50%의 일축 변형, 반복 신장, 굽힘, 비틀림 상태와, 표면 화학을 친수성으로 바꾸는 산소 플라즈마 처리(100 W, 10초) 후의 발액성을 시험했습니다. 라텍스 장갑 손가락에 붙인 D-MP 표면에 말 혈액 방울을 떨어뜨렸습니다.
연구 내용과 주요 결과
머리 직경 약 23 μm, 두께 약 2.2 μm에서 붕괴 없이 안정했습니다. 직경이 30 μm를 넘거나 두께가 2 μm 미만이면 머리가 붕괴했고, 직경이 20 μm 미만이거나 두께가 3 μm를 넘으면 Al 증착 후에도 거의 굽지 않았습니다. 굽힘 각도는 Al 5 nm에서 약 28°였고 50 nm 이상에서 약 84°로 포화되었으며, 모사 결과와 잘 일치했습니다.
MP와 D-MP 모두 탈이온수(72 mN/m)를 반발했지만, 50% 에탄올 용액(약 28 mN/m)은 MP를 완전히 적신 반면 D-MP에서는 초발액 상태가 유지되었습니다. MP는 약 32 mN/m 미만, F-MP는 약 25 mN/m 미만의 액체에 젖었으나, D-MP는 Krytox 100(17 mN/m)과 FC-770(14.8 mN/m)을 포함한 시험 액체 모두를 화학 처리 없이 150° 이상의 접촉각으로 반발했습니다. FC-770은 평평한 Al 코팅 PDMS에서 완전히 퍼졌으나(θi ≈ 0°), D-MP 표면에서는 θ* = 152.2°를 유지했습니다. 증발하는 에탄올 액적은 반지름이 약 490 μm, 즉 라플라스 압력 약 85.7 Pa에 이를 때까지 표면 위에 머문 뒤 표면을 적셨습니다.
약 50% 신장하면 정사각 배열이 직사각 배열로 바뀌어 계산된 고체 분율이 약 6.5%에서 약 5.5%로 줄었고, 70% 에탄올(약 25 mN/m)의 측정 접촉각은 계산값과 매우 비슷했으며, 변형 상태와 1000회 이상의 반복 신장에서도 발액성이 유지되었습니다. 신장, 굽힘, 비틀림 후에도 발액성이 남았습니다. XPS O 1s 신호를 증가시킨 산소 플라즈마 처리 후, 탈이온수는 평평한 Al 코팅 PDMS와 MP를 적셨으나(θi < 10°) D-MP에서는 초발액 상태(θ* > 150°)가 유지되었습니다. 약 3 μL의 말 혈액 방울은 라텍스 장갑 위의 크게 휜 D-MP 표면에서 얼룩 없이 굴러떨어졌습니다.
함께 읽을 연구
Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity
초록은 벌레잡이통풀에서 착안해 나노·마이크로 구조 기판에 함침한 윤활액을 고정한 윤활액 함침 다공성 표면(SLIPS)을 설명하며, 이 표면은 물, 탄화수소, 원유, 혈액을 반발하고 물리적 손상 후 발액성을 회복했습니다. D-MP 표면은 윤활액이나 불소 코팅 없이 아래로 굽은 고체 머리 가장자리 밑에 공기를 유지합니다.
초록을 참고한 소개RESEARCH NEWS
연구 소식
해설에 사용한 자료
이 해설은 논문의 출판사 PDF와 그림 설명을 바탕으로 했으며, 보충자료 PDF와 보충 영상 2개는 검토하지 않았습니다.