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문제 정의
- 돌기형상의 마이크로 구조물의 크기와 간격에 따른 접촉각의 변화는 본 학술지에 이미 발표된 바 있다.(13) 이에 본 연구에서는 나노 구조물이 접촉각의 증감에 미치는 영향을 추가로 분석하고자 한다. 이를 위하여 돌기형태의 마이크로 구조물 위에 나노 구조물을 형성하였다.
- 본 논문에서는 돌기 형태의 나노 구조물이 접촉각에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 이론적, 실험적으로 규명하였다. 나노 구조물의 영향을 정확히 분석하기 위하여 마이크로 단일 구조물과 마이크로 나노 복합 구조물을 각각 제작하여 측정하였다.
가설 설정
- 이 경우 접촉각은 Wenzel 과 Cassie 에 의해 제안된 모델에 의해 결정된다. (15,16) 본 연구에서는 마이크로 나노 복합구조의 요철에 의한 젖음 특성을 세가지 가정하에 이론적으로 해석하였다.
- (17) 본 연구에서는 마이크로 나노 구조체가 모두 물에 젖는다고 가정하여 Wenzel-Wenzel 의 젖음형태로 정의하였다.
- Cassie 의 모델은 Fig. 1(b)에서와 같이 요철이 있는 고체표면에 액체방울이 떨어졌을 때, 액체방울이 요철에 의해 떠받쳐져 요철 위에 얹혀있는 경우를 가정한 것이다. 이 때의 접촉각 # 는 다음과 같이 계산된다.
- Cassie-Cassie 젖음 특성은 나노 구조물에 의해 물방울을 떠받치는 것으로 가정하였다. Solid fraction 은 식 (7)과 같이 분자항에는 나노 구조물의 윗면적을, 분모항에는 투영면적을 대입하였다.
- Wenzel 의 모델은 Fig. 1(a)에서와 같이 요철이 있는 고체표면에 액체방울을 떨어뜨렸을 때, 액체방울이 요철의 바닥까지 완전히 적시는 경우를 가정한 것이다. 이 때의 접촉각 # 는 다음의 식으로 표현된다.
- Wenzel-Cassie 젖음특성은 나노 구조물은 물에젖고, 마이크로 구조물에 의해 물방울을 떠받치는 것으로 가정하였다. 따라서, 식 (8)과 같이 분자항에는 나노 구조물의 겉면적과 마이크로 구조물의 윗면적을, 분모항에는 투영면적을 대입하였다.
- Wenzel-Wenzel 젖음 특성은 마이크로 나노 복합 구조가 모두 물에 젖는다고 가정하였다. 이러한 가정하에 거칠기율은 식 (6)과 같이 분자항에 마이크로 나노 구조물의 전체 겉면적을, 분모항에는 투영면적을 대입하였다.
- 1(c)와 같이 Wenzel 과 Cassie 의 이론이 혼재해 있는 Wenzel-Cassie 의 상태에 대해 이론적으로 해석하였다. 나노 구조물은 물방울이 젖고, 마이크로 구조물은 물방울을 떠 받쳐진다고 가정하였다. 따라서, solid fraction 에서 물방울이 닿는 면적을 나노 구조물의 표면적에 마이크로 구조물의 윗면적을 더한 값으로 대입하였다.
- 본 연구에서는 나노 구조물에 의해 물방울이 떠받치는 것으로 가정하여 Cassie-Cassie 의 젖음 형태로 정의하였다. 이러한 가정에 의한 solid fraction 을 재해석하였다.
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