Guided Transport of Water Droplets on Superhydrophobic–Hydrophilic Patterned Si Nanowires

연구 배경

초소수성 표면 위의 친수성 패턴은 개방형 미세유체 채널, 물 수집, 생체분자 분석, 물방울 전달 등에 쓰입니다. 홍합 모사 도파민 코팅, 이산화티타늄(TiO2) 나노구조의 UV 광촉매 분해, 갈바닉 치환, 광패터닝 고분자 혼합물, 리소그래피와 플라스마 처리 같은 기존 방법은 추가적인 복잡한 공정이 필요하며, 저자들은 이 방법들이 Si 기반 전자소자와 결합해 물방울 방향을 제어하는 응용에 적합하지 않다고 지적합니다.

설계와 접근

수직 Si 나노와이어 배열은 p형 Si (100) 웨이퍼를 30 mM AgNO3와 4.9 M HF 용액에서 80 °C로 식각하는 수용액 무전해 식각(AEE)으로 만들며, 나노와이어 길이는 식각 시간으로 정합니다. 배열을 헥세인에 녹인 3 mM DTS에 30분 담근 뒤 150 °C에서 1시간 구워 초소수성으로 만듭니다. 75 W 수은 램프(185 nm와 254 nm, 500 μW/cm², 작업 거리 3 cm)로 노광하면 오존에서 생긴 OH 라디칼과 원자 산소가 DTS 알킬 사슬을 분해해 노광 부위가 친수성이 되며, 섀도 마스크와 3시간 노광으로 친수성 트랙을 정의합니다. 표면은 물방울과 다발을 이룬 나노와이어 끝 사이에 공기가 갇힌 Cassie 상태의 초소수성을 띠므로, 트랙과 주변의 젖음성 차이가 움직이는 물방울을 트랙 안에 가둡니다.

평가 방법

전진·후진·정적 물 접촉각(CA)은 약 7.5 μL 물방울로 측정해 식각 시간과 UV 조사 시간에 따른 변화를 분석했으며, 식각 시간에 따른 측정값은 다섯 곳의 평균입니다. 분해 과정은 주사전자현미경(SEM)과 X선 광전자 분광(XPS)으로 추적했습니다. 물방울 이동은 5° 기울인 트랙에서 기록했고, 이동에 필요한 임계 물방울 부피는 폭 350~600 μm 트랙에 대해 폭마다 시료 다섯 개로 측정했으며, 같은 처리를 한 평평한 Si를 기준 시료로 사용했습니다.

연구 내용과 주요 결과

식각 시간이 2분에서 30분으로 늘면서 나노와이어 길이는 0.2 μm에서 14.7 μm로 증가했고, 30분 식각한 나노와이어의 30분 식각한 나노와이어의 지름은 100~150 nm였습니다. DTS를 입힌 평평한 Si의 전진·후진 CA는 109.3°와 92.6°였습니다. 나노와이어 배열에서는 식각 초기 3분 동안 CA가 급격히 커졌고 식각 시간이 10분을 넘으면 150° 이상에서 포화되었으며, 이때 물방울은 5° 미만의 기울기에서 굴러 떨어졌습니다. CA 이력은 초록에서 7° 미만, 결과 절에서 CA가 150°를 넘는 표면에 대해 10° 미만으로 서술되어 있습니다.

UV 조사로 길이 약 15 μm의 DTS 코팅 나노와이어 배열의 정적 CA는 180분 동안 158°에서 5° 미만으로 낮아진 뒤 일정하게 유지되었습니다. XPS에서는 알킬 사슬의 C−C 결합에 해당하는 285.1 eV의 C 1s 피크가 감소하고, Si−O 결합에 해당하는 O 1s(532.3 eV)와 Si 2p(103.1 eV) 피크가 증가했습니다. SEM에서는 DTS 잔류물이 다발 끝에서만 보였고 나노와이어 측면에는 뚜렷한 형태 변화가 없었습니다. 섀도 마스크를 사용하면 노광한 절반은 친수성, 가린 절반은 초소수성으로 남았고, 코팅과 UV 노광을 반복해도 CA에 뚜렷한 변화가 없었습니다.

폭 500 μm 트랙에서 물방울 속도는 6.91 cm/s로 패턴이 없는 표면의 16.54 cm/s보다 낮았으며, 저자들은 물방울과 트랙 사이의 상호작용 증가를 원인으로 들었습니다. 저자들은 이 속도가 평평한 표면의 표면 에너지 구배를 이용한 기존 연구보다 3배 이상 빠르다고 보고했습니다. DTS를 다시 코팅하자 물방울은 중력 방향으로 직진했고, 두 번째 UV 노광으로 좌우가 뒤바뀐 새 트랙을 정의하자 새 경로를 따라 이동했습니다. 서로 연결한 트랙에서는 CdSe 나노입자 현탁액, 커피, 쥐 혈액도 이동시켰습니다.

저자들은 8 μL 물방울의 상호작용력을 Young−Dupre 관계식으로 패턴이 없는 표면에서 약 37 nN(표면장력 72.8 mN/m, CA 158°, 접촉 반경 1.5 mm), 폭 500 μm 트랙에서는 트랙과 액체 사이의 부착력을 더해 253.7 nN으로 계산했으며, 트랙 위에서는 선에 수직한 방향의 CA가 57°로 낮아졌습니다. 물방울을 구형으로 이동시키는 데 필요한 임계 부피는 트랙 폭 350~600 μm 범위에서 폭에 따라 선형으로 증가했습니다. DTS를 입힌 평평한 Si에서는 UV 노광 70분 만에 CA가 109.3°에서 10.1°로 낮아졌지만, 8 μL 물방울이 40° 기울기에서도 표면에 붙어 있었고 트랙을 따라 이동하지 않았습니다.

남은 과제

논문은 두 가지 이동 조건을 보고합니다. DTS가 완전히 분해되지 않은 경우(UV 조사 150분 미만) 물방울은 곡선 트랙의 결함에 걸려 멈추었고, 임계 부피보다 작은 물방울은 이동하지 않고 트랙을 따라 퍼지며 적셨습니다.

다른 연구와의 연결

Chaudhury와 Whitesides는 평평한 표면의 표면 자유에너지 구배를 따라 물방울을 이동시켰으며, 이 연구에서는 기울인 기판에서 중력이 물방울을 움직이고 초소수성 나노와이어 표면 위의 친수성 트랙이 물방울을 옆으로 가둡니다.