초소양쪽성(Superamphiphobic) 표면 처리.

새와 나비의 날개나 토란의 잎과 같이 물에 젖지 않는 초소수성 (superhydrophobicity)을 가진것들을 종종 볼 수가 있다. 이 특성은 물에 대한 발수성 뿐 아니라 오염물에 대한 자체 정화능력을 가지고 있다. 이와 같은 것을 모방하여 코팅 등의 표면처리 방법으로 초소수성 표면을 만드는 연구가 활발히 진행되고있고, 또 많은 진척이 있는것으로 알고있다.

이번에 소개할 기술은 위의 초소수성 뿐 아니라 초소유성 (Superoleophobicity)을 동시에 갖는 초소양쪽성 (Superam-phiphobic)이라는 용어도 낯설은 성질을 갖는 표면처리에 관한 것이다. 용어 보다는 훨씬 어렵지 않게 표면 처리가 가능한 기술이다.

Science 335: pp67–70 에 소개된 논문의 제목은 "Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphi -phobic Coating" 이다. 제목에서도 나와있듯이 양초의 그을음을 템플릿으로 하는 표면 처리 기술이다.

초소수성 표면에서는 물방울과의 접촉각이 150°보다 크고 물방울이 구르는각 (roll-up angle)은 10°이하이다. 초소수성의 표면에서는 미세한 거칠기와 낮은 표면에너지가 필수적이다. 초소유성에서도 표면에서의 돌출과 요철 구조가 중요한 것으로 알려져있다. 아래 그림은 물과 기름의 초소수성, 초소유성 특성을 나타낸 모식도와 실제 물질들을 떨어뜨려 적용한 사진이다. 

 
 초양쪽성 표면을 갖는 유리판을 만드는 방법을 간단히 소개하면, 먼저 파라핀으로 만든 양초의 촛불을 사용하여 슬라이드 글라스를 그을린다.

주사전자현미경(SEM)으로보면 그을음은 30~40nm 크기의 탄소 입자로 이루어져 있으며 전체의 구조는 프렉탈(fractal) 유사 형태를 가지고 있다. (프렉탈: 눈 송이의 결정에서 보이는 작은 구조가 전체 구조와 비슷한 형태로 되풀이 되는 구조) 

왼쪽은 양초 그을음의 SEM 사진이다. 이것이 초양쪽성을 갖게 해주는 템플릿으로 사용된다. 그을음 자체로도 초소양쪽성을 갖지만 탄소 입자들이 물리적으로만 결합되어 있어 내구력이 약한 상태이기때문에 초양쪽성을 오래 지속하지 못한다. 

그을음을 템플릿으로 하여 실리카를 코팅한다. CVD법으로 TEOS(tetraethylsilane)와 암모니아 수용액을 뚜껑이 없는 용기에 담아 데시게이터 안에서 그을린 슬라이드 글라스와 24시간 이상 함께 방치하면 매우 얇은 (20±5 nm)실리카층이 형성된다. 이것을 600℃에서 열처리하면 탄소 성분이 연소되고 실리카 성분만 남는다. 탄소 그을음 템플릿은 연소되어 사라지지만 실리카는 템플릿에 의해 형성된 구조를 그대로 갖는다. 실리카는 친수성이므로 소수성을 얻기 위해 앞의 CVD법으로 (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane과 같은 플루오르화 실란을 데시게이터에서 증착시킨다. 이렇게 제조된 시편의 표면은 초소수성과 초소유성을 동시에 갖는다. 플루오르화 실란은 약 400℃까지 열안정성을 갖기때문에 극한의 날씨를 갖는 사막에서도 열에의한 표면 손상은 없을것이다.

오늘 소개한 이 기술은 적용부분은 따로 언급하지 않아도 될정도로 응용될 부분이 많은것에 이의는 없을것이다. 대표적으로 적용되고 있는 분야를 동영상으로 대신한다.

출처:    Xu Deng, Lena Mammen, Hans-Juergen Butt, Doris Vollmer, "Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating", Science, 335, 2012, pp.67~70