[논문]TiO2 나노입자 코팅에 의한 PET섬유의 초발수성에 관한 연구

박성민; 권일준; 김지연; 김창남; 염정현; 윤남식

doi:10.5764/tcf.2009.21.1.030

[국내논문] TiO2 나노입자 코팅에 의한 PET섬유의 초발수성에 관한 연구
A Study on the Super-hydrophobicity of Poly(ethylene terephthalate) Fabric by TiO2 Nano-particles Coating 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.21 no.1, 2009년, pp.30 - 37

박성민 (한국염색기술연구소) , 권일준 (한국염색기술연구소) , 김지연 (한국염색기술연구소) , 김창남 (한국염색기술연구소) , 염정현 (경북대학교 천연염색학과) , 윤남식 (경북대학교 섬유시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Studies on plants such as lotus leaf suggested that dual-scale structure could contribute to super-hydrophobicity. We introduced super-hydrophobicity onto poly(ethylene terephthalate)(PET) fabric with dual-scale structure by assembling $TiO_2$ nano sol. PET fabric was treated with $TiO_2$ sol, water-repellent agent using various parameters such as particle size, concentration. Morphological changes by particle size were observed using field emmission scanning electron microscopy(FE-SEM) and AFM measurement, contact angle measurement equipment. The contact angle of water was about 138.5$^{\circ}$, 125.8$^{\circ}$, 125.5$^{\circ}$ and 108.9$^{\circ}$ for PET fabric coated with 60.2nm, 120.1nm, 200nm and 410.5nm $TiO_2$ particles, compared with about 111.5$^{\circ}$ for PET fabric coated with water repellent. When we mixed particle sizes of 60.2nm and 120.1nm by 7:3 volume ratio, the contact angle of water was about 132.5$^{\circ}$. And we mixed particle sizes of 60.2nm and 200nm by 7:3 volume ratio, the contact angle of water was about 141.8$^{\circ}$. Also we mixed particle sizes of 60.2nm and 410.5nm by 7:3 volume ratio, the best super-hydrophobicity was obtained. In this paper, we fabricated various surface structures to the water-repellent surfaces by using four types of $TiO_2$ nano-particles, and we found that the nanoscale structure was very important for the super-hydrophobicity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1차, 2차 패딩에 앞서 발수제에 나노입자를 혼입했을 경우 나노입자의 친수성이기 때문에 발수도를 저하시키는 문제가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 나노입자를 이용해서 나노돌기를 형성시키고 그 나노 돌기 위에 불소고분자를 코팅하여 표면접촉각 개선효과를 확인하고자 하였다.
본 논문에서는 연잎을 모방한 로투스 효과를 구현하고자 폴리에스테르 직물에 TiO₂ 나노입자를 크기별로 제조하여 그에 따른 접촉각 변화를 비교 분석하고 표면 관찰하여 아래와 같은 결과를 얻었다.
이를 통하여 만들어진 극소수성 표면은 여러 크기의 나노입자가 동시에 존재하는 코팅물로써 자연계에 존재하는 극소수성 표면인 연잎과 유사한 구조물을 형성하게 된다. 입자 크기에 따라 접촉각의 변화가 생길 것으로 생각되며 이러한 차이를 본 논문에서 규명하고자 한다.
현재 초소수성 표면을 구현하고자 여러 화학업체에서 초발수제를 개발하여 섬유에 적용하고 있으나, 섬유에 처리 시 내구성이 떨어지거나 초소수성 구현에 한계를 가지고 있다. 초소수성 표면을 구현하기 위한 연구로는 연잎의 표면과 같은 양상의 표면거칠기를 증가시키는 연구가 진행되고 있으며, 이를 위한 방법으로는 플라즈마 삭각, 나노 자기조립, 졸겔 나노입자 합성 및 부착 등의 방법이 있으며, 그 중 플라즈마 삭각 방법은 처리의 균일성 및 재현성이 불량 및 처리된 섬유의 강도가 저하되는 문제가 있으며, 처리매질의 표면에서 나노입자의 자기조립방법은 섬유공정상 적용이 어려운 점이 있어, 본 논문에서는 졸겔법을 이용한 초소수성 표면을 구현하고자 한다. 졸겔법으로 제조된 콜로이드 용액은 섬유가공에 적용하기 쉬우며, 섬유고분자와 직접 결합하여 실용성을 지닌다¹¹⁾.

제안 방법

졸을 부피비로 KS K 0905 규격의 폴리에스테르 표준백포에 1차로 170℃에서 1분간 큐어링 처리하였다. 2차로 1000㎖ 메스플라스크 안에 발수제 5g을 넣고 표시선까지 증류수를 채워서 o.w.s. 0.5% 불소고분자의 탄소수가 6개인 플르오르 실란계 발수제(Unidyne TG-5521, Daikin)를 사용하여, 180℃에서 1분간 큐어링하여 처리하였다. 여기서 o.
TiO₂ 졸과 발수제 처리된 폴리에스테르 직물의 표면 상태를 측정은 표면 미세구조 변화를 나노 레벨까지 관찰가능 한 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-7500A, JEOL)을 사용하였으며, 가속전압 1kV, 전류 9mA로 측정하였다. 또한 원자력간현미경(AFM, Digital instruments, NanoScope Multimode)으로 표면 형상을 알아보았다.
TiO₂ 졸과 발수제 처리된 폴리에스테르 직물의 표면성상 및 물리적 특성변화는 표면자유에너지 변화, 즉, 표면장력의 변화를 확인할 수 있는 접촉각을 측정함으로서 확인이 가능하여 접촉각측정기(DSA100, Kruss, Germany)를 사용하여 측정 하였다. 각 측정에서 용액은 10㎕의 양만큼 떨어뜨린 후 측정하였으며, 3회 반복 측정하여 평균값과 편차를 구하였다.
5%부터 발수도가 떨어지기 시작했다. TiO₂ 졸의 입자 크기에 따른 발수도를 알아보기 위해 본 논문에서는 발수제 처리 o.w.s. 0.5%를 고정하여 2차 패딩하였다. 1차, 2차 패딩에 앞서 발수제에 나노입자를 혼입했을 경우 나노입자의 친수성이기 때문에 발수도를 저하시키는 문제가 발생하였다.
TiO₂ 졸의 입자크기에 따른 발수성을 알아보기 위해 먼저 발수제만 폴리에스테르 직물에 패딩하여 발수성이 떨어지는 시점을 알아보기 위해 발수도 측정을 하였다. 발수도 측정은 AATCC 22 방법으로 250mL의 증류수를 25초간 분무하여 평가하였으며, 규격에 따라 발수도 평가는 100, 90, 80, 70, 50, 0으로 표기하였다.
졸과 발수제 처리된 폴리에스테르 직물의 표면성상 및 물리적 특성변화는 표면자유에너지 변화, 즉, 표면장력의 변화를 확인할 수 있는 접촉각을 측정함으로서 확인이 가능하여 접촉각측정기(DSA100, Kruss, Germany)를 사용하여 측정 하였다. 각 측정에서 용액은 10㎕의 양만큼 떨어뜨린 후 측정하였으며, 3회 반복 측정하여 평균값과 편차를 구하였다. 이 때 증류수를 사용하였으며, 디지털 카메라를 이용하여 사진으로 촬영해 소수성을 평가하였다.
5nm의 입자를 얻을 수 있었다. 나노졸 제조는 전구체 (TTIP)의 농도 뿐 아니라 교반속도, 촉매, 온도 등의 조건에 따라 나노입자의 크기가 달라지는데, 본 논문에서는 전구체인 TTIP의 몰비 변화로 다양한 입자 크기의 TiO₂ 졸을 제조하였다. TTIP의 몰비가 커지면 입자의 크기가 커지며, 그와 반대로 TTIP의 몰비가 작아지면 입자의 크기는 작아진다.
0%, Yakuri]을 사용하였다. 또한 TiO₂ 졸의 입자 크기를 조절하기 위해 TTIP의 몰 비를 조절하여 입자를 제조하였다.
졸과 발수제 처리된 폴리에스테르 직물의 표면 상태를 측정은 표면 미세구조 변화를 나노 레벨까지 관찰가능 한 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-7500A, JEOL)을 사용하였으며, 가속전압 1kV, 전류 9mA로 측정하였다. 또한 원자력간현미경(AFM, Digital instruments, NanoScope Multimode)으로 표면 형상을 알아보았다.
란 부피용액속에 투입된 조제의 무게비를 의미하며 단위로는 g/ℓ를 사용한다. 또한 입자 크기가 다른 TiO₂ 졸을 혼합하여 위와 같은 조건으로 1차 코팅한 후 발수제를 2차로 처리하여 그에 따른 물성을 평가하였다.
졸의 입자크기에 따른 발수성을 알아보기 위해 먼저 발수제만 폴리에스테르 직물에 패딩하여 발수성이 떨어지는 시점을 알아보기 위해 발수도 측정을 하였다. 발수도 측정은 AATCC 22 방법으로 250mL의 증류수를 25초간 분무하여 평가하였으며, 규격에 따라 발수도 평가는 100, 90, 80, 70, 50, 0으로 표기하였다.
본 논문에서는 졸겔법을 이용해 여러 크기의 TiO₂ 나노 입자를 제조하여 이를 PET 섬유에 처리하여 듀얼스케일의 표면 돌기를 생성토록 하였다. 이를 통하여 만들어진 극소수성 표면은 여러 크기의 나노입자가 동시에 존재하는 코팅물로써 자연계에 존재하는 극소수성 표면인 연잎과 유사한 구조물을 형성하게 된다.
9는 자연계에 존재하는 연잎의 미세 구조와 같은 원리를 이용해 듀얼스케일의 나노돌기를 만들어 그에 따른 접촉각을 측정한 결과이다. 세부조건으로서 TiO₂ 졸 입자 중 가장 작은 60.2nm 크기의 입자와 120.1nm, 200.0nm, 410.5nm의 입자를 5:5 비율로 혼합한 후 o.w.s. 2%, o.w.s. 4% TiO₂ 졸을 1차 패딩 후 2차로 같은 조건으로 발수제를 처리하였다.
각 측정에서 용액은 10㎕의 양만큼 떨어뜨린 후 측정하였으며, 3회 반복 측정하여 평균값과 편차를 구하였다. 이 때 증류수를 사용하였으며, 디지털 카메라를 이용하여 사진으로 촬영해 소수성을 평가하였다.
제조된 입자의 결정성을 알아보기 위해 XRD(X-ray diffraction, D/max 2500, Rigaku)의 회절분석에 사용된 X선 파장은 Cu-Kα1(λ=1.540598Å)을 사용하였으며, 스캔 속도 8°/min, 2θ는 10°∼80°, 출력전압과 전류는 각각 40kV, 20mA이었다.
제조된 입자의 균일한 입자분포와 크기를 알아보기 위해 입도분포분석기(ELS-8000, OTSUKA)로 분석하였으며, 측정횟수는 50회이다.

대상 데이터

TiO₂ 졸 제조는 Fig. 1과 같이 전구체로 TTIP [Titanum(Ⅳ) isopropoxide, 98.0% Junsei], 용매로 초순수와 에탄올[C₂H₅CH, 95.8%, Duksan], 촉매로 질산[HNO₃, 62.0%, Yakuri]을 사용하였다. 또한 TiO₂ 졸의 입자 크기를 조절하기 위해 TTIP의 몰 비를 조절하여 입자를 제조하였다.

성능/효과

(a)는 TiO₂ 졸을 처리하지 않고 발수제만 처리하여 찍은 사진이며 일반발수제 처리 양상과 비슷한 형상을 띠었다. (b)는 410.5nm의 입자 비율이 많이 들어가 사진과 같이 나노돌기가 매우 큰 것을 확인할수 있었으며, 60.2nm 입자의 비율을 높여감에 따라 연잎 모양의 듀얼스케일 형상을 띠는 것을 확인하였다. (g)는 6,500배의 배율로 관찰한 사진으로 섬유 표면상에 TiO₂ 나노돌기가 균일하게 부착되어 있는 현상을 확인할 수 있었으며 (h)는 100,000배의 배율로 관찰한 사진으로 라즈베리 (raspberry) 구조의 형상을 관찰할 수 있었다.
1. 입자가 60.2nm일 때 접촉각은 138.5°이며 입자가 커질수록 접촉각은 작아졌지만 발수제 단독으로 처리한 경우에 비하여 더 큰 접촉각을 얻었다.
2. 입자 60.2nm와 120.1nm, 200.0nm, 410.5nm의 입자를 5:5 비율로 혼합한 후 접촉각을 측정한 결과 60.2nm/410.5nm의 경우 155.4°로 초발수 성능을 나타내었다.
3. 60.2nm의 입자와 410.5nm의 입자를 7:3의 비율로 혼합하였을 때 가장 큰 접촉각을 얻었다.
60.2nm의 입자와 410.5nm의 입자의 비율 7:3일때 접촉각이 161.5°로 가장 크게 나타났으며, 1:9의 비율로 혼합한 경우 112°로 가장 작게 나왔다.
o.w.s. 2%, o.w.s. 4% TiO2 졸을 처리한 폴리에스테르 직물의 접촉각을 측정한 결과 ±3° 오차범위 안에서 비슷하게 나왔으며, 60.2nm/120.1nm 혼합한 경우 접촉각은 132.5°, 60.2nm/200.0nm의 경우 141.8°, 60.2nm/410.5nm의 경우 155.4°로 극소수성을 나타내었다.
173M 이상을 투입하여 TiO₂ 졸을 제조할 경우 피크의 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 강도가 감소하는 것은 무결정상을 나타내는 것을 의미하며, 제조된 용액을 확인한 결과 콜로이드 상태를 유지하지 않고 입자가 가라앉은 것을 확인할 수 있었다.
3°에서 결정형을 띠는 것을 확인했다. 그러나 TTIP 1.173M 이상을 투입하여 TiO₂ 졸을 제조할 경우 피크의 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 강도가 감소하는 것은 무결정상을 나타내는 것을 의미하며, 제조된 용액을 확인한 결과 콜로이드 상태를 유지하지 않고 입자가 가라앉은 것을 확인할 수 있었다.
8°로 별다른 차이를 보이지 않았다. 이처럼 물방울과 나노돌기와의 접촉면적이 커지면 접촉각이 줄어들어 결과적으로 친수성을 증가시킴을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연잎의 표면과 유사하게 만들기 위해 표면거칠기를 증가시키는 방법에는 어떤 것들이 있는가?	현재 초소수성 표면을 구현하고자 여러 화학업체에서 초발수제를 개발하여 섬유에 적용하고 있으나, 섬유에 처리 시 내구성이 떨어지거나 초소수성 구현에 한계를 가지고 있다. 초소수성 표면을 구현하기 위한 연구로는 연잎의 표면과 같은 양상의 표면거칠기를 증가시키는 연구가 진행되고 있으며, 이를 위한 방법으로는 플라즈마 삭각, 나노 자기조립, 졸겔 나노입자 합성 및 부착 등의 방법이 있으며, 그 중 플라즈마 삭각 방법은 처리의 균일성 및 재현성이 불량 및 처리된 섬유의 강도가 저하되는 문제가 있으며, 처리매질의 표면에서 나노입자의 자기조립방법은 섬유공정상 적용이 어려운 점이 있어, 본 논문에서는 졸겔법을 이용한 초소수성 표면을 구현하고자 한다. 졸겔법으로 제조된 콜로이드 용액은 섬유가공에 적용하기 쉬우며, 섬유고분자와 직접 결합하여 실용성을 지닌다11).
	나노기술은 무엇인가?	나노기술은 직경 1~100nm 크기의 원자나 분자를 조작/제어하여 물질의 구조와 배열을 변화시켜, 새로운 기능이나 우수한 특성을 만들어내는 기술이다1,2). 입자가 나노화되면 비표면적이 상당히 넓어져서 나노재료의 접착력이 크게 강화되고, 내구성이 증가되며, 동시에 특별한 기능성이 나타난다.
	로투스 효과를 응용한 연구 개발 예시에는 어떤 것이 있는가?	로투스 효과를 가지는 표면의 소수성을 결정하는 요소는 표면거칠기와 표면에너지인데, 이 두 가지 조건을 변화시킴으로써 소수성 정도를 조절할 수 있으며, 초소수성 표면을 구현할 수 있다3-9). 이러한 연구는 독일의 화학회사 BASF에서 연잎이 물방울과 먼지 입자들에 반발하는 원리를 이용하여 스프레이 코팅제를 개발하고 있으며 이 가공제는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 왁스와 같은 소수성 고분자들을 나노입자들과 결합시켜 이를 종이나 가죽, 석조 구조물 등과 같은 표면에 분사 후 표면이 마르면서 나노구조 코팅막을 형성시켜 초소수성 표면을 구현한다. 또한 나노입자들 간의 분자들 사이에 영향을 미치는 van der waals 상호작용에 의해 나노입자들이 서로 들러붙고 구부러지고 침강하여 마이크로 입자위에 나노입자가 존재하는 듀얼스케일 구조가 생성되며 이러한 구조는 연잎의 미세구조물과 유사한 특성을 보여 발수성을 나타낸다10).

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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