[논문]액적의 구름저항에 대한 정접촉각 및 거칠기의 영향

조원경; 조상욱; 김두인; 김대업; 정명영

doi:10.6117/kmeps.2016.23.1.023

액적의 구름저항에 대한 정접촉각 및 거칠기의 영향
Effects of Static Contact Angle and Roughness on Rolling Resistance of Droplet 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.1, 2016년, pp.23 - 28

조원경 (부산대학교 광메카트로닉스공학과) , 조상욱 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과) , 김두인 (부산대학교 BK21+나노융합인지메카트로닉스공학 사업단) , 김대업 (한국생산기술연구원 전북지역본부 탄소경량소재응용그룹) , 정명영 (부산대학교 광메카트로닉스공학과)

초록
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본 연구에서는 소수성 구현을 위한 표면 거칠기가 접촉각과 접촉각 이력에 미치는 영향을 평가하였다. 초발수 특성을 극대화하기 위해, 액적이 이동하기 위해 필요한 구름저항력을 제안하였으며, 이에 대한 평가를 통하여 표면에 형성한 패턴이 접촉각 이력 및 구름저항력에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 초발수 특성이 요구되는 실제 응용을 위해서는 액적의 이동에 필요한 에너지를 최소화하기 위하여 접촉각을 극대화하고 동시에 접촉각 이력을 최소화하기 위한 표면 패턴 형상의 최적화가 요구됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of the contact angle (CA) and contact angle hyteresis (CAH) of planar and nano-patterned surfaces on rolling resistance of water droplet were studied. Based on the investigation on the CAH of water droplet on surfaces with various static wettability, it was found that the rolling resistance coefficient of water droplet is highly influenced by the surface pattern as well as CAH. The observed results suggest that the optimal surface patterns should be designed in order to minimize the rolling resistance of water droplet for the practical applications where superhydrophocitiy is required.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 초발수 표면에서 액적의 이동에 필요한 최소한의 외력을 평가하기 위하여 구름저항력 및 구름 저항 계수를 정의하였으며, 접촉각을 향상시키기 위한 나노스케일 패터닝이 구름저항력에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 이를 통하여 표면 패터닝이 접촉각 및 접촉각 이력(contact angle hysteresis, CAH)에 영향을 미치는 메카니즘을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 접촉각 및 접촉각 이력에 대한 표면의 거칠기의 영향을 평가하였다. 다양한 접촉각을 가지는 평탄한 시편과 나노임프린트 공정을 이용한 나노패턴 시편에 대한 정접촉각 및 동접촉각 평가를 실시하였다.
본 논문에서는 초발수 표면에서 액적의 이동에 필요한 최소한의 외력을 평가하기 위하여 구름저항력 및 구름 저항 계수를 정의하였으며, 접촉각을 향상시키기 위한 나노스케일 패터닝이 구름저항력에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 이를 통하여 표면 패터닝이 접촉각 및 접촉각 이력(contact angle hysteresis, CAH)에 영향을 미치는 메카니즘을 규명하고자 한다.

가설 설정

16) 전진 접촉각과 후진 접촉각은 액체-고체-기체 계면이 이동할 때의 에너지 변화에 의해 결정된다.결과적으로 이 전진-후진 접촉각의 차이가 클수록 액적의 구름 저항력이 커진다.

제안 방법

각 시편에서의 구름 저항력과 구름 저항 계수를 측정하기 위해 전진 접촉각과 후진 접촉각을 측정하여 접촉각 이력을 계산하고 액적과 표면이 접하고 있는 계면의 길이를 측정하였으며, 액적이 구르기 시작한 각도를 측정하였다. 일반적으로 접촉각을 측정할 때에는 중력에 의한 액적의 변형의 영향을 최소화하기 위해 5~10 μL의 부피에서 측정한다.
본 연구에서는 접촉각 및 접촉각 이력에 대한 표면의 거칠기의 영향을 평가하였다. 다양한 접촉각을 가지는 평탄한 시편과 나노임프린트 공정을 이용한 나노패턴 시편에 대한 정접촉각 및 동접촉각 평가를 실시하였다. 액적의 구름 저항을 평가하기 위해서는 동접촉각 측정법 중경사법이 더 효과적임을 확인하였다.
본 연구에서는 10 μL의 물을 증가 시키며 전진각을 측정하였고 반대로 10 μL의 물을 감소시키며 후진각을 측정하였다.
본 연구에서는 실험 접촉각 이력이 큰표면에서 액적이 구르지 않는 현상이 발생하여 구름저항력을 극복하기 위해 액적의 부피는 50 μL로 일정하게 실험을 진행하였다.
표면거칠기의 영향을 무시할 수 있는 평탄한 시편으로 다양한 접촉각을 가지는 UV 레진(MTR-03) 평탄한 형태로 경화), PMMA (Poly(methyl-methacrylate))필름, PMMA-PC (Poly carbonate) 복합재에 대한 구름저항에 대한 평가를 수행하였다. 접촉각 및 접촉각 이력에 대한 나노스케일 표면 거칠기의 영향을 평가하기 위해 UV 나노임프린팅 공정을 이용하여 원뿔 형태의 어레이를 형성한 표면을 Fig. 3과 같은방법으로 제작하였다.
정접촉각을 측정하기 위해 준비된 시편의 다섯 지점에서 각각 세 번 이상씩 측정하여 모재의 정접촉각을 측정하였다. 접촉각 이력 및 구름 저항력을 측정하기 위해 기존에 접촉각 이력을 측정하는 방법인 틸팅 방법(Fig. 4)을이용하여 전진 접촉각 및 후진 접촉각을 측정하여 접촉각 이력을 평가하였으며, 액적이 구르는 각도를 측정하여 표면과 액적의 구름 저항력과 구름 저항계수를 계산하였다.
정접촉각을 측정하기 위해 준비된 시편의 다섯 지점에서 각각 세 번 이상씩 측정하여 모재의 정접촉각을 측정하였다. 접촉각 이력 및 구름 저항력을 측정하기 위해 기존에 접촉각 이력을 측정하는 방법인 틸팅 방법(Fig.
체적법에 의한 접촉각 이력을 측정하기 위해 50±10 μL의 조건에서 전진각과 후진각을 측정하여 비교하였다.
액적의 접촉각이력 및 구름저항력에 대한 고체 표면의 정접촉각과 표면의 거칠기의 영향을 평가하기 위해 본 연구에서는 네 가지 시편을 준비하였다. 표면거칠기의 영향을 무시할 수 있는 평탄한 시편으로 다양한 접촉각을 가지는 UV 레진(MTR-03) 평탄한 형태로 경화), PMMA (Poly(methyl-methacrylate))필름, PMMA-PC (Poly carbonate) 복합재에 대한 구름저항에 대한 평가를 수행하였다. 접촉각 및 접촉각 이력에 대한 나노스케일 표면 거칠기의 영향을 평가하기 위해 UV 나노임프린팅 공정을 이용하여 원뿔 형태의 어레이를 형성한 표면을 Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 평탄한 UV 레진, PMMA, PMMAPC 복합재의 정접촉각은 각각, 65.6°, 70.9°, 105.4°로 각각 측정되었다.
UV 경화레진을 UV (375-395 nm)에 540 mJ/cm² 조건에서 노광하여 경화시킨 후 몰드와 UV-resin을 분리한다. 실험에 사용한 Si 몰드는 밑단 지름 350 nm, 높이 200 nm를 가지는 원뿔형상이며 벌집구조의 육각 형태로 배열되어 있다.
액적의 접촉각이력 및 구름저항력에 대한 고체 표면의 정접촉각과 표면의 거칠기의 영향을 평가하기 위해 본 연구에서는 네 가지 시편을 준비하였다. 표면거칠기의 영향을 무시할 수 있는 평탄한 시편으로 다양한 접촉각을 가지는 UV 레진(MTR-03) 평탄한 형태로 경화), PMMA (Poly(methyl-methacrylate))필름, PMMA-PC (Poly carbonate) 복합재에 대한 구름저항에 대한 평가를 수행하였다.

이론/모형

이와 같이 경사법에 의해 측정한 접촉각 이력과 구름 저항력과의 유효성을 비교하기 위해 또다른 접촉각 이력 측정법인 체적법을 이용하여 접촉각 이력을 측정하여 비교 평가하였다.

성능/효과

1) 초발수는 연잎이 가지는 자기세정효과(self-cleaning)¹⁾ 뿐만 아니라 물이 맺힘으로써 생기는 여러 가지 문제를 줄일 수 있다. 예를 들어, 김 서림 방지(Anti-fogging)^,2) 방오성(Anti-fouling)^,3) 부식 방지(Anti-corrosion)^,4) 소빙성(Icephobicity)^,5) 방수 (Waterproof)⁶⁾ 등의 효과를 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
^8-10) 현재까지는 표면 위에 일정량의 액적을 떨어뜨린 후 고체 표면과 이와 접하는 액적의 표면이 이루는 각인 접촉각을 측정하여 표면의 젖음성 (wettability)을 결정하였으며,¹²⁾ 앞서 언급한 다양한 기능성을 향상시키기 위해 젖음성을 제어하기 위한 연구를 진행해 오고 있다.¹³⁾ 기존에 마이크로/나노 패턴을 표면에 형성하여 표면의 실제 표면적을 극대화 하여 접촉각을 향상 시키는 시도가 있었으며, 정지된 상태의 정접촉각이 크게 향상됨을 확인하였다. 그러나 단순히 접촉각이 큰 것과 액적이 쉽게 이동할 것인가는 다른 문제인 것으로 보인다.
본 연구에서 제안한 구름저항계수를 고찰한 결과 평탄한 시편에 비해 정접촉각이 가장 높은 나노 패턴에서 구름저항계수가 급격히 증가함을 확인하였다. 따라서 접촉각 향상과 동시에 접촉각 이력 최소화를 위한 패턴의 최적화가 요구됨을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 평가 방법 및 결과는 향후 멀티스케일 패터닝을 이용한 초발수 표면 패턴에 적극 활용될 수 있을 것으로 보인다.
이와 같이 상이한 구름저항력 결과는 접촉각 측정과 액적 길이 측정에서 오는 불확도의 증가에 기인한 것으로 보인다. 따라서 정확한 구름 저항력의 평가를 위해서는 정확도를 향상시킬 수있는 경사각을 이용하여 구름저항력을 평가하는 것이 바람직할 것으로 보인다. Fig.
이와 같은 현상은 오히려 접촉각 이력을 증가시키게 되고 이로 인하여 구름저항계수가 급격히 증가한 것으로판단된다. 본 결과를 통해 액적이 쉽게 이동할 수 있도록 접촉각뿐만 아니라 접촉각 이력을 고려하여 액적 구름 저항을 최소화할 수 있는 최적 패턴의 설계가 요구됨을 확인할 수 있다.
평탄한 시편의 경우 접촉각이 증가함에 따라 접촉각 이력도 미세하게 증가하나 액적의 접촉 길이는 감소함을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 구름저항계수를 고찰한 결과 평탄한 시편에 비해 정접촉각이 가장 높은 나노 패턴에서 구름저항계수가 급격히 증가함을 확인하였다. 따라서 접촉각 향상과 동시에 접촉각 이력 최소화를 위한 패턴의 최적화가 요구됨을 확인하였다.
6(c)는 구름 저항력을 계산하기 위해 틸팅법에서 측정한 고체-액체 계면의 길이, 즉 액적이 표면에 젖은 길이를 나타낸 것이다. 세가지 평탄한 표면에서는 Dupre 방정식에 의해 정지되어 있을 때와 마찬가지로 가장 낮은 자유에너지를 갖는 상태, 즉 접촉각에 반비례하는 접촉 길이를 가짐을 확인할 수 있다. 그러나 나노 패턴된 UV 경화 레진에서는 앞서말한 피닝의 영향으로 인해 액적의 접촉 길이가 정지되어 있을 때와는 다르게 가장 크게 늘어나는 것을 확인할 수 있다.
다양한 접촉각을 가지는 평탄한 시편과 나노임프린트 공정을 이용한 나노패턴 시편에 대한 정접촉각 및 동접촉각 평가를 실시하였다. 액적의 구름 저항을 평가하기 위해서는 동접촉각 측정법 중경사법이 더 효과적임을 확인하였다. 평탄한 시편의 경우 접촉각이 증가함에 따라 접촉각 이력도 미세하게 증가하나 액적의 접촉 길이는 감소함을 확인하였다.
액적의 구름 저항을 평가하기 위해서는 동접촉각 측정법 중경사법이 더 효과적임을 확인하였다. 평탄한 시편의 경우 접촉각이 증가함에 따라 접촉각 이력도 미세하게 증가하나 액적의 접촉 길이는 감소함을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 구름저항계수를 고찰한 결과 평탄한 시편에 비해 정접촉각이 가장 높은 나노 패턴에서 구름저항계수가 급격히 증가함을 확인하였다.

후속연구

따라서 접촉각 향상과 동시에 접촉각 이력 최소화를 위한 패턴의 최적화가 요구됨을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 평가 방법 및 결과는 향후 멀티스케일 패터닝을 이용한 초발수 표면 패턴에 적극 활용될 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연잎 효과의 초발수 표면은 어떤 기능이 있는가?	다양한 기능성을 가지는 연잎 효과(Lotus effect)의 초발수(superhydrophobicity)표면을 실제 생활에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 1) 초발수는 연잎이 가지는 자기세정효과(self-cleaning) 1) 뿐만 아니라 물이 맺힘으로써 생기는 여러 가지 문제를 줄일 수 있다. 예를 들어, 김 서림 방지(Anti-fogging), 2) 방오성(Anti-fouling), 3) 부식 방지(Anti-corrosion), 4) 소빙성(Icephobicity), 5) 방수 (Waterproof) 6) 등의 효과를 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
	초발수의 효과는 무엇인가?	1) 초발수는 연잎이 가지는 자기세정효과(self-cleaning) 1) 뿐만 아니라 물이 맺힘으로써 생기는 여러 가지 문제를 줄일 수 있다. 예를 들어, 김 서림 방지(Anti-fogging), 2) 방오성(Anti-fouling), 3) 부식 방지(Anti-corrosion), 4) 소빙성(Icephobicity), 5) 방수 (Waterproof) 6) 등의 효과를 다양한 응용분야에 적용할 수 있다. 7)
	연잎의 표면적 특징은?	연잎은 표면에 마이크로/나노 계층구조를 가지고 이에더해 연잎 자체의 화학적 분자막 코팅으로 표면 에너지를 낮춰 액적과의 접촉을 최소화하여 물에 대한 150° 이상의 접촉각을 보인다. 8-10) 현재까지는 표면 위에 일정량의 액적을 떨어뜨린 후 고체 표면과 이와 접하는 액적의 표면이 이루는 각인 접촉각을 측정하여 표면의 젖음성 (wettability)을 결정하였으며, 12) 앞서 언급한 다양한 기능성을 향상시키기 위해 젖음성을 제어하기 위한 연구를 진행해 오고 있다.

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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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