[논문]진공 플라즈마 처리를 통한 초소수성 표면 제작 및 특성 평가

나종주; 정용수; 김완두

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.2.143

진공 플라즈마 처리를 통한 초소수성 표면 제작 및 특성 평가
Fabrication of Super Water Repellent Surfaces by Vacuum Plasma 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.2 = no.269, 2008년, pp.143 - 147

나종주 (한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구부) , 정용수 (한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구부) , 김완두 (한국기계연구원 미래기술연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

Super-hydrophobic surfaces showed that contact angle of water was higher than 140 degrees. That surface could be made several methods such as Carbon nano tubes grown vertically, PDMS asperities arrays, hydrophobic fractal surfaces, and self assembled monolayers coated by CVD and so on. However, we fabricated super-hydrophobic surfaces with plasma treatments which were very cost efficient processes. Their surfaces were characterized by static contact angles, advancing, receding, and stability against UV irradiation. Optimal surfaces showed static contact angles were higher than 150 degrees. Super-hydrophobic property was remained after UV irradiation for one week.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 다양한 초소수 표면 제작 공정중 매우 경제적이고 대면적화가 용이한 플라즈마 처리를 통한 초소수 표면 제작 공정 연구와 제작된 표면의 특성 분석을 수행하였다.

제안 방법

거친 표면을 제조하기 위하여 PTFE(Polytetraflouroethylene)를 진공중에서 RF 전원을 사용하여 -700 V의 바이어스 전압으로 스퍼터링하였다. 이때 산소와 아르곤 가스의 비율은 2:1이었으며, 처리시 간은 2시간이었다.
제조된 각각의 시편에 DI(Deionized) water 10㎕의 sessile drop에서 접촉각을 측정하였다. 그리고 sessile drop에 물의 양을 증가시키면서 물방울이 전진할 때의 접촉각인 전진각과 반대로 물을 제거하면서 후진할 때의 후진각을 측정하여 전진 각과 후진각의 차이인 히스테리시스를 계산하였다. 또한, 제조된 표면의 UV 조사에 대한 안정성을 살펴보기 위하여 15 W 용량의 185 nm 파장의 램프 1개와 15 W 용량의 254 nm 파장의 램프 2개를 동시에 켜서 1주일 동안 조사한 후 접촉각을 측정하였다.
이때 산소와 아르곤 가스의 비율은 2:1이었으며, 처리시 간은 2시간이었다. 그리고, PMMA(Poly Methyl Methacrylate) 표면을 2 Torr의 공기 분위기에서 플라즈마로 표면 에칭하여 거친 표면을 만들고 불소화 처리를 하기 위하여 CHF₃ 가스를 채워 4 Torr를유지한 상태에서 플라즈마를 발생시켜 표면을 개질 하였다. 이때 사용한 전극 구조는 2인치 크기의 두구리 전극 중 전원이 가해지는 전극에 시편을 두었다.
제조된 초소수성 표면은 모두 탄화수소분자들로 구성되어 있으며, 이들은 UV조사에 의해 분해가 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 이들의 UV 조사에 대한 안정성을 살펴보기 위하여 UV조사를 일주일 동안 실시한 후에 접촉각 변화를 살펴보았다. Fig.
그리고 sessile drop에 물의 양을 증가시키면서 물방울이 전진할 때의 접촉각인 전진각과 반대로 물을 제거하면서 후진할 때의 후진각을 측정하여 전진 각과 후진각의 차이인 히스테리시스를 계산하였다. 또한, 제조된 표면의 UV 조사에 대한 안정성을 살펴보기 위하여 15 W 용량의 185 nm 파장의 램프 1개와 15 W 용량의 254 nm 파장의 램프 2개를 동시에 켜서 1주일 동안 조사한 후 접촉각을 측정하였다. 이때 시편과 램프 사이의 거리는13 cm였다.
제조된 각각의 시편에 DI(Deionized) water 10㎕의 sessile drop에서 접촉각을 측정하였다. 그리고 sessile drop에 물의 양을 증가시키면서 물방울이 전진할 때의 접촉각인 전진각과 반대로 물을 제거하면서 후진할 때의 후진각을 측정하여 전진 각과 후진각의 차이인 히스테리시스를 계산하였다.
제조된 시편의 표면형상을 측정하기 위하여AFM(Atomic Force Microscope)을 사용하였으며,표면 거칠기는 α-step을 사용하여 플라즈마 처리 전과 후를 비교하였다.

대상 데이터

UV조사 실험에 사용된 파장인 185nm, 254nm 는 각각 6.7eV와 4.9eV의 에너지를 가진다. Table 3은 탄화수소 분자들의 결합 종류와 결합에너지를 나타내었다.

성능/효과

소수성을 가진 PTFE 표면을 진공 스퍼터링 방법으로 표면 거칠기를 증가시켜 물에 대한 접촉각 150°를 얻을 수 있었으며, 85°의 접촉각을 가지는 PMMA 표면을 플라즈마 에칭과 불소화 처리를 통하여 152°의 초소수성 표면을 제작할 수 있었다. 그리고 초소수성을 가진 PMMA 표면은 일주일 동안의 UV 조사 실험에서도 매우 안정적임을 확인할 수 있었다.
그리고 플라즈마 에칭 후 중심선 평균 거칠기가 3.15 ㎛로 증가하였으며, 이때 접촉각이150°로 증가하였다.
5는 플라즈마 에칭된 PMMA 표면에 서의 접촉각을 나타낸 것으로 (a)는 UV조사 전에 측정한 것으로 접촉각이 160°였으며, (b)는 일주일 동안 UV를 조사한 후 변화된 접촉각으로 154°를 보여 주고 있다. 따라서 본 실험에서 제작된 초수성 표면은 비교적 UV조사에 대해 안정적임을 보여 주고 있다.
4에 나타내었다. 사용된 PMMA는 중심선 평균 거칠기가 8.6nm로 매우 평탄한 표면을 가지고 있었으며 플라즈마 에칭 후 중심선 평균 거칠기가 38.6nm 로 증가하였다. 대기압 플라즈마 에칭 시 공기 중에서만 처리된 시편은 물에 대한 접촉각이 측정하기 어려울 정도로 퍼지게 되나 불소화 처리를 하게 되면 Fig.
소수성을 가진 PTFE 표면을 진공 스퍼터링 방법으로 표면 거칠기를 증가시켜 물에 대한 접촉각 150°를 얻을 수 있었으며, 85°의 접촉각을 가지는 PMMA 표면을 플라즈마 에칭과 불소화 처리를 통하여 152°의 초소수성 표면을 제작할 수 있었다.
4의 플라즈마 에칭된 표면에서 돌기 형상들의 종횡비가 매우 낮아 Cassie 모델은 적용되지 않음을 알 수 있다. 이상에서와 같이 플라즈마 에칭을 통하여 비교적 손쉬운 방법으로 초소수 표면을 제작할 수 있었다. 플라즈마는 전극의 크기에 따라 처리되는 시편의 크기를 조절할 수 있기 때문에 매우 큰 시편의 제작도 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거친 표면을 제조하기 위해 PTFE를 진공중에서 무엇을 이용해 스퍼터링 하였는가?	거친 표면을 제조하기 위하여 PTFE(Polytetraflouroethylene)를 진공중에서 RF 전원을 사용하여 -700 V의 바이어스 전압으로 스퍼터링하였다. 이때 산소와 아르곤 가스의 비율은 2:1이었으며, 처리시 간은 2시간이었다.
	초소수성의 응용사례는 무엇이 있는가?	초소수성은 여러 산업 분야에서 관심을 끄는 표면특성이다. 이는 연꽃잎에서 보이는 자정효과를 분석하여 응용하려는 연구에서 시도 되었으며, 그 응용사례는 페인트, (1) 자동차용 유리, (2) 의류 3) , 오염되지 않는 표면 4) 등 다양하다. 이러한 초소수성 표면을 얻기 위하여 여러 가지 방법으로 제조되어 왔으며 5)~9) 최근에는 단분자막 코팅을 통해서도 얻을 수 있는 것으로 알려지고 있다.
	소수성을 가진 PTFE 표면을 진공 스퍼터링 방법을 이용해 제작할 수 있는것은 무엇인가?	소수성을 가진 PTFE 표면을 진공 스퍼터링 방법으로 표면 거칠기를 증가시켜 물에 대한 접촉각 150°를 얻을 수 있었으며, 85°의 접촉각을 가지는 PMMA 표면을 플라즈마 에칭과 불소화 처리를 통하여 152°의 초소수성 표면을 제작할 수있었다. 그리고 초소수성을 가진 PMMA 표면은 일주일 동안의 UV 조사 실험에서도 매우 안정적 임을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (15)

Fero GMBH, 2002, 'Self-Cleaning Paint Coating and a Method and Agent for Producing the Same,' WO02/064266 A2
Ashland Inc., 2002, 'Water Repellent Glass Treatment for Automotive Applications,' US6,461,537 B1
Nano-Tex, LLC., 2003, 'Water Repellent and Soil-Resistance Finish for Textiles,' US6,544,594 B2
BASF Aktiengeselischaft, 2004, 'Compositions for Producing Difficult-to-Wet Surface,' US6,683,126 B2
Bartell, F. E. and Shepard, J. W., 1953, 'Surface Roughness as Related to Hysteresis of Contact Angle. I. The System Paraffin-Water-Air,' J. Phys. Chem., Vol.57, pp. 211~215

상세보기
Wei Chen, Alexander Y. Fadeev, Meng, Che Hsieh, Didem Oner, Jeffrey Youngblood, and Thomas J. McCarthy, 1999, 'Ultrahydrophobic surfaces: Some Comments and Examples,' Langmuir, Vol. 15, pp. 3395~3399

상세보기
Satoshi Shibuichi, Tomohiro Onda, Naoki Satoh, and Kaoru Tsujii, 1996, 'Super Water-Repellent Surfaces Resulting from Fractal Structure,' J. Phys. Chem., Vol. 100, pp. 19512~19517

상세보기
Ren, Z. F., Huang, Z. P., Xu, J. W., Wang, J. Bush, H., P., Siegel, M. P. and Provencio, P. N., 'Synthesis of Large Arrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes on Glass,' 1998, Science, Vol. 282, pp. 1105~1107

상세보기
Kenneth K. S. Lau, Jose Bico, Kenneth B. K. Teo, Manish Chhowalla, Gehan A. J. Amaratunga, William I. Miline, Gareth H. McKinley, and Karen K. Gleason, 2003, 'Superhydrophobic Carbon Nanotube Forests,' Nano Letters, Vol. 3, No. 12, pp. 1701~1705

상세보기
Atsushi Hozumi and Osamu Takai, 1997, 'Preparation of Ultra Water-Repellent Films by Microwave Plasma-Enhanced CVD,' Thin Solid Films, Vol. 303, pp. 222~225

상세보기
Wenzel, R. N., 'Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water,' 1936, Ind. Eng. Chem., Vol. 28, p. 988

상세보기
Zisman, W. A., 1963, 'Relation of the Equilibrium Contact Angle to Liquid and Solid Constitution,' Advances in Chemistry Series, Vol. 43, pp. 1~50
Cassie, A. B. D. and Baxter, S., 'Wettability of Porous Surfaces,' 1944, Trans Faraday Soc., Vol. 40, p. 546

상세보기
Suh Kahp Y. and Jon Sangyong, 2005, 'Control over Wettability of Polyethylene Glycol Surfaces Using Capillary Lithography,' Langmuir, Vol. 21, pp. 6836~6841

상세보기
Rocio Redon, A. Vazquez-Olmos, M. E. Mata-Zamora, A. Ordonez-Medrano, F. Rivera-Torres, and J. M. Saniger, 'Contact Angle Studies on Anodic Porous Alumina,' J. of Colloid and Interface Science, Vol. 287, pp. 664~670

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증