Recently nanoscience and nanotechnology have been studied intensively, and many plants, insects, and animals in nature have been found to have nanostructures in their bodies. Among them, lotus leaves have a unique nanostructure and microstructure in combination and show superhydrophobicity and a sel...
Recently nanoscience and nanotechnology have been studied intensively, and many plants, insects, and animals in nature have been found to have nanostructures in their bodies. Among them, lotus leaves have a unique nanostructure and microstructure in combination and show superhydrophobicity and a self-cleaning function to wipe and clean impurities on their surfaces. Coating films with combined nanostructures and microstructures resembling those of lotus leaves may also have superhydrophobicity and self-cleaning functions; as a result, they could be used in various applications, such as in outfits, tents, building walls, or exterior surfaces of transportation vehicles like cars, ships, or airplanes. In this study, coating films were prepared by dip coating method using polypropylene polymers dissolved in a mixture of solvent, xylene and non-solvent, methylethylketon, and ethanol. Additionally, attempts were made to prepare nanostructures on top of microstructures by coating with the same coating solution with an addition of carbon nanotubes, or by applying a carbon nanotube over-coat on polymer coating films. Coating films prepared without carbon nanotubes were found to have superhydrophobicity, with a water contact angle of $152^{\circ}$ and sliding angle less than $2^{\circ}$. Coating films prepared with carbon nanotubes were also found to have a similar degree of superhydrophobicity, with a water contact angle of 150 degrees and a sliding angle of 3 degrees.
Recently nanoscience and nanotechnology have been studied intensively, and many plants, insects, and animals in nature have been found to have nanostructures in their bodies. Among them, lotus leaves have a unique nanostructure and microstructure in combination and show superhydrophobicity and a self-cleaning function to wipe and clean impurities on their surfaces. Coating films with combined nanostructures and microstructures resembling those of lotus leaves may also have superhydrophobicity and self-cleaning functions; as a result, they could be used in various applications, such as in outfits, tents, building walls, or exterior surfaces of transportation vehicles like cars, ships, or airplanes. In this study, coating films were prepared by dip coating method using polypropylene polymers dissolved in a mixture of solvent, xylene and non-solvent, methylethylketon, and ethanol. Additionally, attempts were made to prepare nanostructures on top of microstructures by coating with the same coating solution with an addition of carbon nanotubes, or by applying a carbon nanotube over-coat on polymer coating films. Coating films prepared without carbon nanotubes were found to have superhydrophobicity, with a water contact angle of $152^{\circ}$ and sliding angle less than $2^{\circ}$. Coating films prepared with carbon nanotubes were also found to have a similar degree of superhydrophobicity, with a water contact angle of 150 degrees and a sliding angle of 3 degrees.
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문제 정의
본 연구에서는 비교적 저가의 고분자인 폴리프로필렌을 선택하고 또한 단순하고 저가의 공정인 딥코팅 방법으로 균일한 코팅막을 형성하고 탄소나노튜브를 첨가 또는 부가하여 나노와 마이크로의 계층구조를 갖는 초소수성 코팅막을 제조하고자 하였다.
제안 방법
Fig. 1의 마이크로 구조와 나노구조를 갖는 코팅막 모식도와 같이 고분자로 마이크로 구조를, CNT로 나노구조를 만들어 계층구조를 갖는 초소수성 코팅막을 제조하고자 하였다. Table 1에 제시한 공정에 따라 코팅을 실시하여 PM, PEC, PMC, PMEC의 네 가지 시편을 제조 하였다.
각각의 각도는 3-4개의 데이터를 평균하였고 그 편차를 계산하였다. 광학현미경(니콘, 일본)과 전계방사형 주사전자현미경(히타치, 일본)으로 미세구조를 관찰하였다.
기판을 가열하여 온도 차이를 줄인 경우에는 가열하지 않아 온도 차이가 큰 경우보다 코팅막 두께가 얇아졌으며 초소수성은 나타나지 않았다. 그 이유를 알아보기 위하여 주사전자현미경 미세구조를 관찰하였다. Fig.
미끄러짐각 측정기와 접촉각 측정기(SEO, 한국)로 미끄러짐각과 접촉각을 측정하였다. 접촉각은 30 µl 정도 크기의 물방울을 떨어뜨리고 그 투사영상을 찍어 측정하였다.
코팅시 130도로 가열한 고분자 용액의 온도와 가열하지 않은 슬라이드글라스 기판의 온도 간에 차이가 존재 한다. 온도 차이를 줄이는 것이 효과가 있는지 보기위하여, 기판을 80℃로 가열함으로써 온도 차이를 비가열시의 105도에서 가열시의 50도로 줄여 코팅을 시도하였다. 기판을 가열하여 온도 차이를 줄인 경우에는 가열하지 않아 온도 차이가 큰 경우보다 코팅막 두께가 얇아졌으며 초소수성은 나타나지 않았다.
접촉각은 30 µl 정도 크기의 물방울을 떨어뜨리고 그 투사영상을 찍어 측정하였다.
탄소나노튜브(카본나노텍, 한국)는 장경비 30-80, 직경 110-170 nm, 길이 5-9 µm의 것을 사용 하였다. 탄소나노튜브는 강도 3, 듀티 사이클 30% 조건 하에 초음파 분산기(브랜슨, 미국)로 30분간 분산하였다.
폴리프로필렌 고분자 용액에 탄소나노튜브를 첨가하거나 또는 추가 코팅처리하여 딥코팅 방법으로 초소수성 코팅막을 제조하였다. 폴리프로필렌 고분자만을 이용한 코팅막은 1 µm 입자 크기에 5-20 µm 크기의 딤플 구조를 형성하였고 접촉각 152° , 미끄럼각 2도의 초소수성을 나타내었으며 폴리프로필렌 고분자와 탄소나노튜브를 이용한 코팅막은 2-3 µm 입자 크기에 20-60 µm 크기의 딤플 구조와 수백 나노미터 크기의 나노구조를 형성하였고, 접촉각 150° , 미끄럼각 3도의 초소수성을 나타내었다.
대상 데이터
1의 마이크로 구조와 나노구조를 갖는 코팅막 모식도와 같이 고분자로 마이크로 구조를, CNT로 나노구조를 만들어 계층구조를 갖는 초소수성 코팅막을 제조하고자 하였다. Table 1에 제시한 공정에 따라 코팅을 실시하여 PM, PEC, PMC, PMEC의 네 가지 시편을 제조 하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 PM은 비용매 MEK 를 포함하는 용매 자일렌에 폴리프로필렌을 녹여 제조한 용액을 사용하여 코팅한 것이고 PEC와 PMC 시편은 자일렌에 폴리프로필렌을 녹여 제조한 용액에 CNT를 각각 0.
탄소나노튜브(카본나노텍, 한국)는 장경비 30-80, 직경 110-170 nm, 길이 5-9 µm의 것을 사용 하였다.
평균분자량 250,000 g/mol 인 이소택틱폴리프로필렌(시그마알드리치, 미국)과 메틸에틸케톤(삼천, 한국), p-자일렌(준세이, 일본)을 사용하여 고분자용액을 제조하였다. 폴리프로필렌을 자일렌에 40 g/l의 농도로 넣고 130°C로 가열하여 녹였다.
데이터처리
접촉각은 30 µl 정도 크기의 물방울을 떨어뜨리고 그 투사영상을 찍어 측정하였다. 각각의 각도는 3-4개의 데이터를 평균하였고 그 편차를 계산하였다. 광학현미경(니콘, 일본)과 전계방사형 주사전자현미경(히타치, 일본)으로 미세구조를 관찰하였다.
성능/효과
4) 초소수성 코팅막은 적절한 크기의 요철이 있어야 하며 또한 낮은 자유에너지의 소수성 표면을 갖고 있어야 한다.5) 이러한 조건에 맞는 코팅막을 제조하면 연잎 효과를 갖는 초소수성 표면을 인위적으로 구현할 수 있다.
4는 기판을 가열하여 제조한 코팅막 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다. 가열하지 않은 경우와 비교하여 입자가 성장하였고 기공율이 대폭 줄어들어 미세구조상 딤플구조가 거의 없어진 것을 알 수 있다. 이는 기판 온도가 높아서 고분자의 입성장과 치밀화가 빠르게 일어났기 때문인 것으로 사료된다.
이와 같이 미끄러짐각은 서로 유사하지만 접촉각으로 볼 때 PMEC 시편이 가장 높은 초소수성을 갖는 것으로 나타났다. 탄소나노튜브를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우를 비교하면 서로 유사한 결과를 보여서 탄소나노튜브에 의한 초소수성 증진 효과는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다. Fig.
폴리프로필렌 고분자만을 이용한 코팅막은 1 µm 입자 크기에 5-20 µm 크기의 딤플 구조를 형성하였고 접촉각 152° , 미끄럼각 2도의 초소수성을 나타내었으며 폴리프로필렌 고분자와 탄소나노튜브를 이용한 코팅막은 2-3 µm 입자 크기에 20-60 µm 크기의 딤플 구조와 수백 나노미터 크기의 나노구조를 형성하였고, 접촉각 150° , 미끄럼각 3도의 초소수성을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연잎이 표면에서 물방울을 밀어내는 것은 어떤 특성 때문인가?
나노과학기술이 발달함에 따라 자연에 존재하는 나노 구조물을 모사하려는 연구가 진행되고 있다. 수생식물인연잎은 초소수성을 갖고 있어 물방울을 밀어낸다. 연잎의 표면은 마이크로구조와 나노구조의 계층적 구조로 이루어져 물방울에 의하여 연잎 표면이 젖지 않으면서 물방울이 미끄러지며 불순물을 포집하여 굴러 떨어지는 효과, 즉 연잎 효과라고 불리는 자기 세정 기능을 갖고 있다.
자기세정기능을 갖고 있는 코팅막의 장점은 무엇인가?
연잎의 표면은 마이크로구조와 나노구조의 계층적 구조로 이루어져 물방울에 의하여 연잎 표면이 젖지 않으면서 물방울이 미끄러지며 불순물을 포집하여 굴러 떨어지는 효과, 즉 연잎 효과라고 불리는 자기 세정 기능을 갖고 있다.1) 이러한 자기세정기능을 갖고 있는 코팅막은 건축물 외벽, 태양전지, 자동차 외장 철판 등 에 이용할 경우2-3) 우천시의 빗물이나 소량의 세정수만으로도 표면의 먼지를 씻어 낼 수 있으므로 에너지와 비용을 절감하고 부식이나 열화를 방지할 수 있어서 수명도 늘릴 수 있다.
초소수성 표면을 구현하기 위한 조건은 무엇인가?
자기 세정 기능을 갖는 초소수성 코팅막은 물방울에 대한 접촉각이 150o 이상이어야 하며 기울일 때의 미끄러짐각이 작아야 한다.4) 초소수성 코팅막은 적절한 크기의 요철이 있어야 하며 또한 낮은 자유에너지의 소수성 표면을 갖고 있어야 한다.5) 이러한 조건에 맞는 코팅막을 제조하면 연잎 효과를 갖는 초소수성 표면을 인위적으로 구현할 수 있다.
참고문헌 (12)
W. R. Hansen and K. Autumn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102(2), 385 (2005).
W. A. Zisman, Contact Angle, Wettability, and Adhesion (in Advances in Chemistry), Vol. 43, p. 1-51, American Chemical Society, Wasington, USA (1964). DOI: 10.1021/ba-1964-0043.ch001.
H. Y. Erbil, A. L. Demirel, Y. Avci and O. Mert, Science, 299, 1377 (2003).
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