ABSTRACT
In this paper, we propose a novel method for controlling the anisotropic sliding behavior of droplets using multiscale hierarchical structures. First, we employed a silicon wafer mold containing micro-pillars and directional micro-line structures to induce the directional sliding of droplets. Additionally, we fabricated micro-cone patterns and integrated them into the structures to precisely control droplet movement. These two structures were replicated in polymer and subsequently fused into a single multiscale hierarchical mold through a partial curing process. The completed multiscale hierarchical surface was then replicated with PDMS to create anisotropy that governs the direction of droplet movement. We experimentally confirmed that the degree of sliding is influenced by the cone pattern. Our proposed structural design demonstrates that anisotropic wettability control is achievable even on surfaces made from a single material, indicating potential applications in various fields such as microfluidics, sensors, and functional surfaces.
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KEYWORDS: Hierarchical structure, Droplet control, Polymer replication, Cassie-impregnating, Microcone
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KEYWORDS: 계층 구조, 액적 제어, 고분자 복제, Cassie-침윤, 원뿔
NOMENCLATURE
Micro Electro Mechanical Systems
Polyethylene Terephthalate
3-(Trimethoxysilyl)propyl Methacrylate
Scanning Electron Microscopy
1. 서론
자연계의 예시에서부터 영감을 얻은 표면의 젖음성에 대한 연구는 지난 수십 년 동안 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로 연꽃잎의 초소수성과 자가세정 기능[
1]부터 시작한 다양한 연구들이 미세유체공학[
2,
3], 그린 에너지[
4,
5], 센서[
6,
7] 등 소재 및 기능성 표면 분야와 융합하여 성능 및 효율 향상 등에 기여하고 있다. 특히, 볏잎[
8]이나 대나무잎[
9] 표면을 본 떠 방향성 있는 미세 줄무늬 구조를 표면에 형성하면 이방성의 액적 구름 표면을 구현할 수 있다고 알려져 있다. 여기서 이방성이라는 뜻은 표면 위에 놓인 액적의 흐름이 표면을 기울이는 방향에 따라 달라진다는 의미이다. 이러한 표면은 사용자가 원하는 방향으로 액적을 이동시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이에 많은 연구자들이 MEMS [
10,
11], 소프트리소그래피[
12], 레이저 공정 [
3,
13-
15], 3D 프린팅[
16] 등 다양한 방법을 기반으로 이러한 기능성 표면을 제작하고 있으며, 특히 레이저 공정은 최근 유해 화학물질을 사용하지 않고도 초소수성 표면을 구현할 수 있는 친환경 기술로 주목받고 있다[
15].
일반적으로 연꽃잎의 표면 분석 결과와 같이 초소수성 표면은 마이크로 구조와 나노 구조가 계층적으로 형성되어 있을 때 그 성질이 극대화된다[
17]. 이러한 표면 기능 구현은 자연계 구조의 모사 외에도, 나노 소재 및 미세 구조를 조합하는 인공적 접근을 통해서도 시도되고 있다[
9,
18]. 그리고 액적의 구름 거동에 이방성을 부여하기 위해서는 마이크로 구조를 줄무늬로 형성하는 것이 중요하다. 이는 형성된 마이크로 줄무늬 구조의 방향을 따라서 표면의 액적이 구를 수 있기 때문이다[
9,
14]. 즉, 이러한 이방성은 표면에 형성된 미세 구조의 설계에 따라서 달라진다. 예를 들어, 볏잎의 표면은 연꽃잎(이방성이 거의 0에 가깝다)보다 이방성이 더 높다고 표현할 수 있다[
19]. 많은 연구들이 이러한 젖음성 표면에 대한 연구를 보고해왔지만, 이방성을 제어할 수 있는 구체적이며 구조적인 설계원리를 제시한 것은 드물다. 특히, 단일 물질로 구성된 표면에서 액적의 구름에 대한 이방성을 제어할 수 있다면 그 활용성은 더욱 높아질 것이다.
이에 본 연구에서는 멀티스케일 계층 구조를 지닌 단일 물질 표면을 통해 액적의 구름에 대한 이방성을 제어할 수 있는 표면 제작 방법을 제시하고자 한다. 먼저 전통적인 반도체 실리콘 웨이퍼 몰드 공정을 이용하여 미세 기둥 구조와 액적의 구름 방향을 제어할 수 있는 미세 줄무늬 구조를 제작하였다. 이와 별개로 액적의 구름 정도를 제어하기 위한 미세 원뿔 패턴을 제작하였다. 각각 제작된 기둥/줄무늬 구조와 원뿔 패턴을 고분자로 복제하면서 부분경화 방법을 통해 각각의 구조를 하나의 몰드로 병합하였다. 완성된 최종 몰드는 기둥/줄무늬 구조의 최상단 표면에 원뿔 패턴이 새겨진 멀티스케일 계층 구조를 지님을 확인하였다. 이를 다시 PDMS로 복제하여 실험에 사용할 샘플들을 얻을 수 있었다. 제작된 고분자 멀티스케일 계층 표면에서는 액적이 마이크로 줄무늬 구조를 따라 구르는 이방성을 나타냈으며, 표면의 원뿔 패턴에 의해 그 정도가 제어되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 활용하여 다양한 응용 가능성을 제시하는 실험을 추가적으로 제시하였다.
2. 본론
2.1 각 구조의 고분자 복제 및 PDMS 샘플 제작
줄무늬, 기둥, 원뿔 구조를 제작하기 위해 전통적인 반도체 실리콘 웨이퍼 몰드 공정을 활용하여 각각의 구조가 형성된 실리콘 마스터 몰드 먼저 제작하였다. 실리콘 마스터 위에 PDMS 주재료와 경화제를 10 : 1로 혼합한 중합체를 부은 후 70°C에서 2시간 이상 열경화를 진행하였다. 이를 통해 줄무늬 및 기둥 구조를 지닌 PDMS 샘플을 직접적으로 얻을 수 있었으며, 이후 이를 기반으로 멀티스케일 계층 구조 제작을 위한 복제 공정을 진행하였다.
구체적인 제작 공정은 다음과 같다.
Fig. 1(a)는 실리콘 마스터에서 복제한 줄무늬/기둥 구조의 PDMS 몰드를 나타낸다. 이후
Fig. 1(b)와 같이 광경화성 고분자인 NOA (Norland Optical Adhesive)를 스포이드를 활용하여 PDMS 몰드 위에 도포하고, Glass Primer가 처리된 PET 필름을 밀착시켜 NOA가 몰드 구조를 완전히 채우도록 하였다. 도포된 NOA의 두께는 약 0.23 mm이다. NOA는
Fig. 1(c) 단계에서 UV를 이용해 줄무늬 구조를 가진 몰드를 사용할 때는 1분, 기둥 구조를 가진 몰드일 때는 9초의 시간으로 부분 경화를 진행하였다. 이어
Fig. 1(d)에서 PDMS 몰드로부터 분리하여 양각 줄무늬 또는 기둥 구조를 가진 부분 경화된 NOA 몰드를 얻을 수 있었다.
Fig. 1(e)에서는 부분 경화된 NOA 구조체 위에 원뿔 구조를 지닌 NOA 몰드를 정렬 및 압착하여 멀티스케일 계층 구조 형성을 위한 공정을 수행하였다. 여기서 사용된 NOA 기반의 음각 원뿔 몰드는 양각 구조를 가진 원뿔 마스터 몰드 위에 NOA를 도포한 후 UV를 이용한 완전 경화 과정을 통해 제작되었다. 완전 경화는 동일한 광 세기 조건 하에서 약 100분간 진행되었다. 이어
Fig. 1(f) 단계에서 다시 UV 조사를 하여 전체 NOA 구조체를 완전 경화시켰으며, 결과적으로 줄무늬/기둥-원뿔 계층 구조가 형성된 NOA 몰드를 완성할 수 있었다(
Fig. 1(g)). 다음 단계에서는 이 구조를 고분자 복제용 마스터로 사용하기 위해,
Fig. 1(h)와 같이 TMSPMA (3-(Trimethoxysilyl)propyl Methacrylate) 처리를 한 유리판 위에 PFPE (Perfluoropolyether)를 도포하고 UV 경화를 진행하였다. NOA는 계면접착력이 강해 탈형이 어렵기 때문에 후속 공정에서 낮은 표면 에너지를 가지는 PFPE를 이용해 몰드를 제작하더라도 쉽게 분리되지 않는다. 따라서 PFPE 역상 몰드를 안정적으로 얻기 위해 TMSPMA 처리된 유리 기판을 사용하였다. TMSPMA는 실란올기(-SiOH)를 통해 유리 표면의 하이드록실기(-OH)와 반응하여 결합을 형성하고 외부에 노출된 메타크릴레이트기를 통해 PFPE와 같은 고분자와 공유결합함으로써 안정적인 몰드 제작이 가능하다. 이로써 역상 계층 구조가 형성되어 수차례 재사용이 가능한 몰드를 제작하였다. 마지막으로,
Fig. 1(i) 단계에서는 제작된 역상 계층 구조 몰드에 다시 PDMS를 부은 후 열 경화 과정을 거쳐 최종적으로
Fig. 1(j)와 같은 줄무늬/기둥-원뿔 패턴을 갖는 PDMS 샘플을 얻었다.
Fig. 1Process of fabricating Line/Pillar-microcone structure using polymer-based multi-step molding
이렇게 확보된 총 4종류의 구조(줄무늬, 기둥, 줄무늬-원뿔, 기둥-원뿔)의 형태 및 치수는
Fig. 2에 정리하였다. 샘플 1번은 너비(W)와 간격(S)이 각각 20 μm이고 높이(H)가 15 μm인 줄무늬 구조이다. 샘플 2번은 지름(D)과 피치(P)가 각각 20 μm이며 높이(H)가 15 μm인 기둥 구조이다. 샘플 3번은 1번과 동일한 줄무늬 구조를 가지며, 상단 표면에 원뿔 구조가 추가된 멀티스케일 계층 구조로 높이는 10 μm이다. 샘플 4번은 2번과 동일한 기둥 구조 표면에 원뿔 구조를 추가하였으며, 이로 인해 전체 높이는 8 μm이다.
Fig. 2Schematic illustrating of the four fabricated structures defining the width (W), spacing (S), height (H), diameter (D), and pitch (P); The table below presents the detailed values for each sample and also includes the parameters of the fabricated microcone structure (Hc, Dc, Pc, half cone angle, and tip radius), expressed as mean ± standard deviation
또한,
Fig. 3에는 각각의 구조체가 실제로 구현된 후 얻어진 광학현미경(OM) 이미지와 주사전자현미경(SEM) 이미지를 통해 구조의 복제 상태를 시각적으로 제시하였다. 이때, OM은 표면 구조, SEM은 단면 구조 관찰을 위해 활용되었다. OM과 SEM 이미지에 따르면 줄무늬(
Figs. 3(a)와 3(b) 및 3(i))와 기둥 구조(
Figs. 3(c)와 3(d) 및 3(j))가 실리콘 마스터 몰드로부터 결함없이 제작된 것을 볼 수 있다. 줄무늬-원뿔 이미지에서는 표면 위에 원뿔을 형성하기 위해 가한 압력으로 줄무늬의 윗부분이 눌린 형상을 하고 있다(
Fig. 3(k)). 이로 인해 샘플 1번과 비교했을 때 높이는 약 5 μm가 감소하고, 너비는 약 3 μm가 증가하였다(
Fig. 2). 기둥-원뿔 이미지에서도 제작 과정 중 가한 압력으로 기둥이 전체적으로 눌린 형상을 보인다(
Fig. 3(l)). 샘플 2번과 비교하면 높이는 약 7 μm 감소하고, 지름은 3 μm 증가하였다(
Fig. 2). 또한 계층 구조 샘플에서 구조적 결함 없이 균일하게 제작된 것을 알 수 있다. 이는 진행된 고분자 복제 공정이 정밀도와 재현성이 요구되는 구조체 제작에 적합하다는 것을 보여준다.
Fig. 3Top-view OM (a-h) and cross-sectional SEM images (i-l) of line (a,b,i), pillar (c,d,j), line-microcone (e,f,k), and Pillar-microcone (g,h,l) structures, with insets in (k,l) show magnified microcones
2.2 구조 변화에 따른 접촉각 및 구름 거동 분석
제작된 각 구조 표면의 젖음성 및 액적 구름 특성을 분석하기 위해 접촉각과 구름각을 측정하였다. 줄무늬 구조를 가진 샘플은 구조에 대한 수직, 평행 방향으로 나누어 분석하였다(
Fig. 4).
Fig. 5(a)는 제작된 4종류의 샘플에서 접촉각 변화를 나타낸 그래프이다. 평탄한 PDMS 표면(Bare)은 약 112°의 접촉각을 보인 반면, 구조가 추가됨에 따라 전반적으로 접촉각이 증가하였으며, 줄무늬 구조의 평행 방향을 제외한 샘플에서 모두 약 150° 가까이 되는 높은 접촉각을 지님을 확인하였다. 여기서 줄무늬 구조가 있는 샘플은 홈 방향에 평행한 방향이 수직한 방향보다 접촉각이 작게 나타나는 이방성 특성을 보였는데, 이는 물방울이 줄무늬 방향을 따라 쉽게 퍼지기 때문이다. 이와 달리, 줄무늬-원뿔 패턴을 가지는 샘플에서는 수직 및 평행 방향에서 거의 동일한 접촉각을 나타냈다. 이는 원뿔이 물방울이 퍼지지 않도록 하는 역할을 수행하는 것을 의미한다.
Fig. 4Schematic illustrating the directions for measurement of (a) parallel and perpendicular CA and (b) parallel and perpendicular ROA
Fig. 5(a) Contact angle graphs of DI water on bare PDMS and microstructured PDMS surfaces: line (perpendicular/parallel), pillar, line-microcone (perpendicular/parallel), and pillar-microcone and (b) Comparison of measured contact angles with theoretical predictions as a function of surface area fraction (f number)
이러한 공기층을 가지는 초소수성 표면은 Cassie 모델[
20]로 설명할 수 있으며 다음과 같은 식을 사용한다.
여기서
θC는 구조가 있는 재료에서의 접촉각,
θ는 구조가 없는 재료에서의 평형 접촉각,
f는 액체가 닿는 투영 면적의 면적 비율이다.
Fig. 5(b)에서는
식(1)의
f number [
21]에 의한 영향을 분석하였다. 그래프에서
f number에 따라 검은색 선으로 표시된 것은 계산된 이론적 접촉각인
θC, 점으로 표시된 것은 4가지 샘플의 실험적 접촉각을 나타냈다.
f number는 물방울이 접촉하고 있는 면적을 전체 투영 면적으로 나눈 값으로 기둥 구조는
식(2)를 따라 약 0. 196으로 가장 작은 값을 보인다. 이는 공기층이 많다는 것을 나타낸다. 이에 따라 샘플 2번은 높은 접촉각과 강한 소수성을 가지고 이론적 접촉각과 가장 비슷한 값을 보였다. 줄무의 구조인 샘플 1번은
식(3)을 따라 0.5의 값을 보인다. 샘플 1번은 평행 방향에서 실험적 접촉각이 이론적 접촉각과 비슷한 값을 보이지만 수직 방향에서는 약간의 차이를 보인다. 이는 물방울이 평행 방향에서 미세 홈과 같은 방향을 따라 방해를 받지 않고 쉽게 퍼졌지만 수직 방향에서는 미세 홈을 가로지르는 방향이라 쉽게 퍼지지 않고 더 높은 접촉각을 가지기 때문이다.
계층 구조 샘플은 줄무늬 또는 기둥 구조 상에 원뿔 구조가 형성되어 있다. 이에 따라
식(4)와
식(5)에서 분모인 전체 투영 면적은 기존과 동일하게 유지되며, 분자에는 물방울이 접촉하고 있는 면적인 원뿔의 옆 넓이와 그 개수의 곱을 반영하여 계산하였다. 본 연구에서 제작한 계층 구조는 원뿔 옆면까지 액적이 침윤하면서 실제 접촉 면적이 투영 면적보다 커질 수 있으며, 이에 따라 계산된
f가 1을 초과한다. 이러한 현상을 설명하기 위하여 이를
fCW (Cassie-wenzel Fraction)으로 정의하였다. 여기서 식의 명칭은 하부 줄무늬 및 기둥 구조에서 공기층이 유지되는 Cassie 상태와 상부 원뿔 구조에서 Wenzel 상태를 보이는 이중적 특성을 반영한다. 샘플 4번은
식(4)를 기반으로 약 1.03의
f 값을 보인다. 이는 상부에 형성된 원뿔 구조로 인해 기존 기둥 구조인 샘플 2번보다 큰
f 값을 보이지만, 하부 구조에서 여전히 공기층이 유지되기 때문에 실험적 접촉각이 이론적 접촉각 보다 더 높은 값을 가진다. 샘플 3번은
식(5)를 따라 약 1.48의 값을 가지고 샘플 4번과 같이 하부 구조는 공기층을 유지하고 상부 원뿔 구조는 젖어 있는 부분 침윤 상태이다. 상부 원뿔 구조로 인해 물방울이 퍼지지 않고 핀닝되기 때문에 줄무늬 구조의 평행 방향에서도 높은 접촉각을 보이는 것을 알 수 있다.
즉,
Fig. 5를 통해 알 수 있는 것은 계층 구조를 형성하는 원뿔은 이방성을 보이는 패턴에서 물방울이 퍼지지 않게 하여 더 높은 접촉각과 소수성을 갖게 한다는 것을 입증하였다.
본 연구에서는 액적의 구름 거동을 분석하기 위해 경사각 실험을 수행하였다(
Figs. 6 및
8과
9). 실험에 사용된 액적 체적은 10 μL이며, 샘플은 0.1°/s의 속도로 일정하게 경사시켰다. 임계 경사각은 액적이 경사면을 따라 연속적으로 3 mm 이상 이동하기 시작한 시점을 기준으로 측정하였다.
Fig. 6은 액적의 구름각을 측정한 결과를 나타냈다. 4가지 샘플 중 줄무늬 샘플은 수직과 수평 방향으로 나누어 분석하였다. 샘플 1번에서는 물방울이 평행 방향에서 약 55°에서 굴렀고 수직 방향에서는 구르지 않았다. 이를 구조의 단면을 통해 설명하고 있다.
Fig. 6(a)는 물방울이 수직 방향으로 존재하고 있는 단면의 모습을 보여주고 있는데 이러한 미세 홈의 간섭으로 굴러가지 않는 것을 알 수 있다.
Fig. 6(b)는 물방울이 평행 방향으로 존재하고 있는 단면의 모습을 보여주고 있고 어떠한 구조의 간섭 없이 줄무늬를 따라 잘 굴러갈 수 있는 것을 알 수 있다. 샘플 2번은 기둥 구조이며 약 30°에서 구른 걸 알 수 있다. 줄무늬 구조를 가진 샘플보다 더 잘 구를 수 있는 이유는 위에서 계산한
f number를 통해 알 수 있다. 기둥 구조 샘플의
f number가 줄무늬 구조 샘플보다 작기 때문에 물방울이 접촉하고 있는 고체 면적이 감소하여 부착력 또한 감소하였다. 샘플 3번은 계층 구조로 수직, 평행방향과 상관없이 모두 물방울이 구르지 않았다. 이는 원뿔의 영향으로 설명될 수 있고,
Fig. 6(c)의 Inset에서 구조 표면의 원뿔 패턴을 자세히 보여주고 있다. 줄무늬 구조 위에 제작된 원뿔 패턴 사이로 물방울이 스며들게 되면 접촉하고 있는 고체 면적 또한 증가하게 된다. 따라서 물방울의 부착력이 증가하게 되는데, 이는 자연에서 흔히 볼 수 있는 장미 꽃잎과 유사한 원리를 가진다. 장미 꽃잎은 마이크로/나노 계층 구조를 갖고 있으며 마이크로 구조의 간격이 크기 때문에 물방울이 이 사이로 스며들고 나노구조에는 부분적으로 침투를 하게 된다. 이를 Cassie-impregnating (Cassie-침윤)[
22] 상태라 부른다. 이때 접촉면적은 Cassie-Baxter 상태보다는 크고 Wenzel 상태보다는 작다. 샘플 4번도 계층 구조이지만 약 49°에서 구른 걸 알 수 있다. 이 또한
Fig. 6(c)의 Inset을 통해 구조 표면의 단면을 확인할 수 있다. 이는 샘플 2번인 기둥 구조가 구른 각도보다 조금 늦춰진 결과를 보였다. 이를 통해 알 수 있는 것은 기둥 구조 위에 제작된 원뿔 패턴 사이로 물방울이 스며들어 부착력이 증가해 빨리 구르는 것을 제어할 수 있다는 사실이다.
Fig. 6Roll off angles measured for each microstructured PDMS surfaces. Schematics (a)-(c) show cross-sectional views of droplets on structured surfaces: (a) perpendicular line-type structures, (b) parallel line-type structures and (c) microcone-integrated hierarchical structures. Inset in (c) shows a magnified view of the microcone interface
Fig. 7은 접촉각 및 접촉각 이력을 분석한 결과이다. 일반적으로 물방울이 표면 위에서 일정한 속도로 이동할 때, 물방울의 대칭적인 형태는 이동 방향을 따라 늘어나게 되고, 접촉선의 앞쪽부터 뒤쪽까지 다양한 접촉각의 분포를 나타낸다[
23]. 이때 접촉선 앞부분에서 나타나는 최대 접촉각을 전진 접촉각, 뒷부분에서 나타나는 최소 접촉각을 후퇴 접촉각이라 부르며, 이 둘의 차이를 접촉각 이력이라고 정의한다. 샘플 1번과 2번의 줄무늬와 기둥 구조는 액적 하부에 공기층이 안정적으로 유지되어 Cassie-baxter 상태를 형성한다. 반면, 샘플 3번과 4번에서는 표면 하부는 Cassie-baxter 상태를 보이지만, 상부 원뿔 구조로 인해 위쪽은 물방울이 원뿔 패턴을 따라 퍼져 나가 Wenzel 상태가 나타난다. 이 과정에서 액적의 메니스커스가 원뿔에 핀닝되어 물방울의 이동을 제한하여, 정적 접촉각은 높게 유지되지만 강한 핀닝 효과 때문에 접촉각 이력이 증가하는 현상이 관찰되었다.
Fig. 7Contact angle hysteresis (CAH) versus static contact angle of DI water on various microstructured PDMS surfaces : line (perpendicular/parallel), pillar, line-microcone (perpendicular/parallel), and pillar-microcone
이를 바탕으로 원뿔 패턴을 응용하여 액적의 구름을 제어할 수 있는 표면을 제작하는 실험을 진행하였다.
Fig. 8은 줄무늬 구조를 가진 샘플 1번과 3번을 각각 수직, 평행 방향으로 기울여 액적의 구름각을 비교하였다.
Fig. 8(a)에서 수직 방향으로 물방울을 굴렸을 때는 두 샘플 모두 구르지 않았고
Fig. 8(b)는 평행 방향으로 약 55°가 되었을 때 샘플 1번의 물방울이 구르는 걸 알 수 있었다. 이처럼 마이크로 구조 위에 원뿔 패턴을 형성하여 계층 구조를 제작하면 물방울이 표면을 구를 때 특정 위치에 고정시킬 수 있다.
Fig. 9은 한 샘플에 기둥 구조와 기둥-원뿔 구조를 함께 구현하였다. 이 샘플을 제작하는 방법은 다음과 같다. 우선 양각 기둥 구조를 가진 부분 경화된 NOA 몰드 (
Fig. 9(a)) 위에 부분적으로 형성이 된 원뿔 구조를 지닌 NOA 몰드를 정렬 및 압착하는 공정을 수행한다(
Fig. 9(b)). 이후
Fig. 9(c)에서 UV 조사를 하여 전체 NOA 구조체를 완전 경화시켜 샘플 2번과 4번이 함께 있는 표면을 구현하였다(
Fig. 9(d)). 이렇게 제작된 구조 단면은
Fig. 9(e)의 SEM 이미지를 통해 확인할 수 있다.
Fig. 9(f)에서는 이 샘플을 이용한 실험을 진행하였다. 샘플 2번과 4번 구역에 각각 물방울을 올려 기울인 결과, 약 30°에서 샘플 2번에 있던 물방울이 먼저 구르고 약 40°에서 샘플 4번에 있던 물방울이 뒤늦게 구른 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 마이크로 구조 위의 원뿔 패턴이 액적의 구름을 제어할 수 있다는 것을 보여주었다.
Fig. 8Droplet roll-off observations on sample #1 and sample #3 under tilting in (a) perpendicular and (b) parallel directions
Fig. 9(a)-(d) Process of fabricating hierarchical pillar structure by molding microcones onto pre-patterned NOA pillars, (e) cross-sectional SEM images of regionally divided pillar (sample #2) and pillar-microcone (sample #4) structures on the same surface, and (f) droplet roll-off observations on each region
3. 결론
본 연구에서는 액적의 구름을 제어할 수 있는 단일 물질 표면인 멀티스케일 계층 구조를 제작하였다. 이를 위해 반도체 공정 기술을 사용하여 샘플 제작에 필요한 줄무늬, 기둥, 원뿔 패턴을 가지는 실리콘 웨이퍼를 제작하였다. 또한 제작된 웨이퍼에서 소프트 리소그래피 방식을 활용하여 고분자로 복제를 진행하였고 반영구적으로 복제가 가능한 줄무늬, 기둥, 줄무늬-원뿔, 기둥-원뿔 몰드를 만들었다. 실험 결과에 따르면, 이방성인 줄무늬 구조를 가지는 샘플에서 원뿔 구조가 평행 방향으로 물방울이 퍼지는 것을 막는 역할을 하여 물방울이 구르지 않게 하였고 기둥 구조를 가지는 샘플에서는 물방울이 더 높은 각도에서 구르게 하였다. 이는 샘플이 Cassie-baxter 상태에서 Cassie-impregnating 상태가 된 것을 보여준다. 또한 응용 실험을 통해 원뿔 패턴이 형성된 멀티스케일 계층 구조를 원하는 위치에 제작하면 물방울을 고정시키거나 구르는 속도를 제어할 수 있다는 점을 입증하였다. 이와 같은 연구 결과는 미세유체공학, 기능성 코팅, 생명과학 분야 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
ACKNOWLEDGMENTS
본 연구는 한국전자통신연구원 신개념선행연구사업 (No . 24YB1900)의 지원으로 수행되었습니다.
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Biography
- Min Ji Kim
Integrated master & doctor candidate in the Department of Mechanical Engineering, Sogang University. Her research interests include TENG and multiscale fabrication.
- Seong Min Kim
M.S. candidate in the Department of Mechanical Engineering, Sogang University. His research interests include Hydrogels, Advanced optical films, Polymer brushs, and Energy devices.
- Ji Seong Choi
Integrated master & doctor candidate in the Department of Mechanical Engineering, Sogang University. His research interests include Biomimetics, Antireflection, Hydrogels, and Perovskite solar cells.
- Seong Min Kang
Associate Professor in the Department of Mechanical Engineering, Sogang University. His research has been focused on nano/micro materials and multi-functional surfaces.
