[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

초발수성 표면(Superhydrophobic surfcae)이란 물 접촉각(water contact angle)이 150° 이상인 표면을 얘기하며, 물이 표면에 쉽게 흡착되지 않고, 표면에서 떨어지려 하는 특성이 있음. 이런 특이한 성질 때문에, 자가 세정(self-cleaning), 방빙성(anti-icing), 방오성(anti-fouling) 등의 기능으로 이어질 수 있고, 다양한 산업 분야에서 활용될 것으로 주목받고 있음. 초발수성 표면은 고체-액체-기체 세 가지 상이 닿고 있는 계면인 3상 계면을 유지하고 있으며, 흔히 캐시-백스터 모델(Cassie-Baxter state)로 설명됨. 그러나, 이 캐시-백스터 모델은 열역학적으로 불안정한 상태이기에, 안정적인 웬젤 모델(Wenzel state)로 젖음 전이(wetting transition), 캐시-백스터/웬젤 전이(Cassie-Baxter to Wenzel transition)가 빈번하게 일어남. 특히, 물방울의 충돌로 발생하는 충격압(impact pressure), 수중에서 수압(hydrostatic pressure)으로 인해 발생하는 공기의 확산(air diffusion)을 통해 젖음 전이가 잘 일어남. 이러한 젖음 전이는 초발수 표면의 실용화에 있어 큰 한계점 중에 하나이며, 이를 극복하기 위한 연구들이 다방면으로 진행되고 있음. 본 연구팀은 자연에서 발견할 수 있는 오목한 구조에서 해결법을 찾고자 했으며, 잎벌레의 발, 톡토기의 껍질에서 보이는 오목 구조를 모방한 오목 기둥 구조를 만들어 이를 해결하고자 했음.

2. 연구내용 

일반 기둥 구조를 가지는 대표적인 초발수성 표면을 제작하여 새롭게 개발된 오목 기둥 구조 표면과의 젖음 안정성 비교 실험을 진행했음. 표면 제작의 경우 실리콘 웨이퍼의 에칭(etching) 기법을 활용하여 제작함. 물방울 충격에 의한 젖음 전이는 웨버수(Weber number)에 기반하여 평가되었음. 웨버수는 유체의 표면 장력(surface tension)에 비교하여 유체가 가지고 있는 에너지의 비를 보여주는 무차원 수이며, 웨버수가 클수록 그 유체가 가지고 있는 에너지가 높다고 생각할 수 있음. 본 연구에서 사용한 물방울의 경우 높은 높이에서 떨어질수록 중력가속도에 의해 표면에 충돌하는 속도, 운동 에너지가 커지고, 다시 말해 높은 웨버수의 물방울은 빠른 충돌 속도, 운동 에너지를 가지고 있다고 생각할 수 있음. 이 물방울이 표면으로 충돌할 때, 충격압이 발생하며, 이 압력 때문에 초발수성 표면의 젖음 전이가 쉽게 일어남. 일반 기둥 구조의 표면은 웨버수가 약 17.0일 때 젖음 전이가 일어났으나, 오목 기둥 구조는 약 27.6의 웨버수를 가진 물방울이 충돌할 때 젖음 전이가 일어났음. 이 이유는 물방울 충돌 시 오목 기둥 구조의 오목한 공극에 공기가 갇히면서 공기쿠션이 형성되고, 이 공기쿠션이 발생시키는 공기스프링 효과(air spring effect)로 인해 물방울이 가지고 있던 운동 에너지가 줄어들면서 더 높은 웨버수의 물방울이 발생시키는 충격압에서도 젖음 전이를 일으키지 않았다고 제안함. 초발수 표면이 수중에 갇히게 되면, 3상 계면으로 수압이 가해지면서, 특정 수압에서 기체의 부분압(partial pressure)이 평형을 이루기 위해, 갇힌 공기층으로부터 공기의 확산이 일어남. 수압이 높아질수록(깊이가 깊어질수록) 기체의 부분압이 높아지기 때문에 수압이 높아질수록 초발수 표면의 젖음 전이가 더 활발히 일어나게 됨. 실험 결과 일반 기둥 구조는 수압이 높아질수록 기존에 밝혀졌던 수압-부분압의 관계에 따라 젖음 전이가 일어나는 것이 확인되었으나, 연구팀이 제작한 오목 기둥 구조는 0.98 kPa의 수압까지 단 7%의 웬젤 전이만 일어났고 24시간 동안 안정적인 초발수성을 보이는 것으로 확인됨. 이는 수중에 표면이 갇히면서 볼록한 형태의 에어캡(air cap)이 형성되게 되고, 위로 볼록한 에어캡의 기체-액체 계면에서 아래쪽으로 라플라스 압력(Laplace pressure)을 발생시키게 됨. 이때 발생하는 라플라스 압력이 표면에 가해지는 수압보다 높은 구간이 존재하고 두 가지의 다른 압력이 경쟁하면서, 특정 수압 이하에서는 오목한 공극 쪽에서만 선택적으로 일어나는 공기 확산으로 인해 오목 기둥 구조의 젖음 전이가 제한되는 것으로 보임.

3. 기대효과

기존 초발수 표면 개발에 있어서 채택되지 않았던 오목한 구조를 도입해서 새로운 초발수 표면 모델을 제안했음. 오목한 구조가 도입됨으로써, 전형적인 초발수 표면 모델에 비해 높은 충격압, 수압에서 젖음 전이에 대한 저항성을 가지게 되었고, 오목 구조의 유효성을 입증했음. 초발수 표면 제작에 있어서 새로운 기초 원리를 제공했으며, 이를 통해 초발수 표면 안정성에 관한 기초 연구가 더 활발해지고 다양한 측면으로 진행될 것이며, 나아가 초발수 표면의 실용화에 있어 한 걸음 더 나아갈 것으로 기대됨.

[용어설명]

1. 초발수성 표면 (Superhydrophobic surface)

물 접촉각이 150° 이상인 표면을 일컬으며, 표면이 젖지 않으면서 물방울이 자유롭게 움직일 수 있는 표면을 말한다. 고체-액체-기체 세 가지 상이 맞닿는 3상 계면을 유지하고 있으며 물이 잘 흡착하지 않으려는 성질 때문에 마찰도 적게 발생한다.

2. 캐시-백스터/웬젤 전이 (Cassie-Baxter to Wenzel transition)

3상 계면을 유지하는 상태인 Cassie-Baxter state는 열역학적으로 준안정적인 상태임으로 열역학적 평형을 이루기 위해 3상 계면이 무너지며 거친 표면에서 고체-액체 두 가지 상만 맞닿고 있는 Wenzel state로 젖음 전이가 일어나기 쉬움.

3. 웨버수 (Weber number)

유체 역학에서 사용되는 무차원 수로 표면 장력에 비교하여 유체가 가지고 있는 상대적인 관성을 나타내는 수이다. 흔히 관성력/표면 장력으로 계산되며 유체의 표면 장력이 클수록 웨버수가 감소하며 유체가 원형을 유지하려 하고, 유체의 관성력이 클수록 유체가 원형을 유지하기 힘들어짐. 따라서, 유체의 속도가 빨라질수록 웨버수가 증가하게 되며, 이는 물방울이 표면에 충돌할 때의 운동 에너지가 높아지는 것을 의미함.

4.  표면 장력 (Surface tension)

액체의 표면이 스스로 수축하려는 성질로, 분자 사이에 작용하는 힘에 의해 액체 표면이 수축하여 가능한 한 최소의 면적을 만들어서 열역학적 에너지를 최소화하려는 힘의 성질.

5. 기체의 부분압 (Partial pressure)

물속에서 녹아들 수 있는 기체가 차지하고 있는 압력의 일부. 녹아들 수 있는 기체가 많아진다는 것은 물속에 존재하는 기체 분자의 개수가 많아진다는 의미이며, 이는 기체 부분압의 상승을 의미함. 기존 연구에 따르면 수압이 높아질수록 내부의 용존기체가 증가한다고 하며, 수압이 높아질수록 해당 수압에서 존재할 수 있는 기체량이 많아진다고 해석할 수 있음.

6. 라플라스 압력 (Laplace pressure)

계면 양쪽에 있는 유체 사이에서 발생하는 압력 차이. 계면이 휘어져 있게 되면 유체 사이에 발생하는 압력의 차이가 발생하며 이는 계면의 곡률에 따라서 차이가 발생할 수 있음. 볼록하게 형성된 계면에서 볼록한 부분의 안쪽이 압력이 높음.

[그림설명]

그림1. 자연 모사 초발수성 표면 제작의 개요

암컷 잎벌레에 붙어 있는 수컷 잎벌레(좌)와 잎벌레의 발을 확대한 주사전자현미경 이미지(중). 이에 영감을 받아 새롭게 개발한 오목 기둥 구조의 초발수성 표면의 현미경 이미지(우).

그림2. 두 가지 구조의 초발수성 표면에 대한 물방울 충돌 결과

젖음 전이가 발생한 일반 기둥 구조(Normal pillar, NP)의 초고속카메라 촬영 스냅샷과 웨버수에 따른 표면 젖음성 전이 위상도(좌). 같은 속도의 물방울을 튕겨내는 오목 기둥 구조(Concave pillar, CP)의 초고속카메라 촬영 스냅샷과 웨버수에 따른 표면 젖음성 전이 위상도(우).

그림3. 오목 기둥 구조의 수중 젖음 안정성

수중에 초발수성 표면이 들어갔을 때, 공기층이 갇히면서 거울과 같은 효과를 내며 상을 반사함(좌). 일반 기둥 구조(NP)와 비교했을 때 더 높은 수압에서도 젖음 안정성을 보이는 오목 기둥 구조(CP)(우).