[논문]초발수성 및 발수성 알루미늄 양극산화피막의 최신 연구 동향

이정훈

doi:10.5695/jkise.2018.51.1.11

초발수성 및 발수성 알루미늄 양극산화피막의 최신 연구 동향
Superhydrophobic and Hydrophobic Anodic Aluminum Anodic Oxide Layer: A Review 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.51 no.1, 2018년, pp.11 - 20

이정훈 (부경대학교 금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrophobic and Superhydrophobic surfaces are promising technology for the surface finishing of metallic materials due to its water-repellency. Realization of highly water-repellent surface on aluminum and its alloys provides various functionalities for real application fields. In order to realize the hydrophobic/superhydrophobic surfaces on aluminum and its alloys, various technologies have been demonstrated. Especially, traditional anodic oxidation for aluminum has been widely employed for the morphological texturing of surfaces, which is essential to enhance the hydrophobic efficiency. De-wetting superhydrophobic surface on aluminum provides various exceptional properties, such as anti-corrosion, anti-/de-icing, anti-biofouling, drag reduction, self-cleaning and liquid separation. Nevertheless, the durability and stability of superhydrophobic surfaces still remain challenges for their actual applications in engineering systems and industry. In this review, the theoretical/experimental studies and current technical limitations on the hydrophobic and superhydrophobic surface using anodic oxidation of aluminum have been summarized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그 밖에도 경량의 항공소재로써 가져야할 방빙성능, 미생물의 오염에 대한 저항성 등에 대해서도 다루어 졌다. 이와 같은 초발수 및 발수 처리는 알루미늄 합금의 표면에 기능성을 부여하는 매우 효과적인 방법중의 하나라고 할 수 있으며 여기서는 그 성능 구현을 위한 방법 및 응용과 한계에 대하여 기술하기로 한다.

가설 설정

4. Schematic images of (a) anodic aluminum oxide and (b) porous structure of anodic aluminum oxide with increasing porosity.
즉, 이 계면의 길이가 길수록 표면에서 액적의 이동성이 감소하여 표면에 잘 달라붙어 있게 되고, 길이가 짧을수록 이동성은 증가하여 표면에서 쉽게 이동한다. 매끄러운 표면(그림 5(a))에 비하여 기둥형의 경우(그림 5(b)) 각 기둥이 불연속적으로 분리되어 있어서 액적의 이동을 위하여 움직여야 할 계면의 길이가 상대적으로 짧다. 반면, 기공형의 경우(그림 5(c)) 고체가 연속적으로 연결되어 있고, 기공의 분포 때문에 계면의 길이가 매끄러운 표면에 비하여 길어진다.

제안 방법

수용액에서 화학적 혹은 전기 화학적인 방법을 사용하여 알루미늄 표면을 식각함으로써 형상을 만드는 방법이 가장 널리 활용되었다. 알루미늄의 화학적인 반응성을 활용하여 강산 혹은 강알칼리에서 알루미늄에 표면 거칠기를 만들었으며, 불소화합물 또는 지방산이 표면에너지를 낮추는 물질로 활용되어 거칠어진 표면에 박막으로 코팅 되었다[48-50]. 또한 지방산 용액에서 표면의 식각과 낮은 표면에너지를 가지는 물질의 코팅을 동시에 진행하는 연구도 진행 되었다[51].

대상 데이터

표면에너지가 낮은 물질을 모재 표면에 직접 코팅하면서 기하학적 형상을 가지도록 하는 방법(그림3(b))역시 활용된다. 소수성을 가지는 그래핀 산화물 복합소재[36-38] 또는 Polypyrrole[39-40]이 코팅 소재로 활용되어 금속소재에 적용 되었다. 상용 금속소재에 가장 널리 활용되는 방법은 소재 표면에 산화 또는 코팅에 의해서 표면에 다공성 구조물을 형성하고, 그 표면에 표면에너지가 낮은 물질을 코팅 하는 것이다(그림 3(c)).

이론/모형

두번째 효과는 표면의 구조물이 Cassie-Baxter 모델에 따라 부식성 용액에 젖는 현상에 기인한다. Cassie-Baxter 모델에 따라 부식성 용액이 구조물에 접촉하면, 그 표면만 접촉하게 되고, 접촉하고 있지 않는 물방울의 아래쪽은 공기로 채워진다.
이와는 달리 물방울에 의해 젖은 표면의 전체 면적에 대한 비율을 f라 할 때, 만일 매끄러운 표면에서의 접촉각(θ₀)이 cos^-1((f-1)/(r-f))보다 작다면, 거친 표면을 걸쳐서 불균일하게 물방울이 젖게 된다. 이러한 불균일한 젖음(그림 1(c))은 아래 수식 (3)의 Cassie-Baxter 모델[27]을 이용해 설명 한다.

성능/효과

또한, 기공의 내부에 모세관 현상에 의해서 물이 흡수될 수도 있겠지만, 기공의 벽에 코팅된 발수성 물질이 접촉각을 크게 만들고, 한쪽 끝이 막혀있는 기공 구조로 내부 공기압이 존재함으로써 기공 내부로 물이 침투하려는 모세관 힘을 약하게 만드는 원인이 된다. 그 결과 발수성의 양극산화피막은 알루미늄의 내식성을 크게 향상시킨다.

후속연구

초발수성을 구현하기 위하여 기둥형 구조물을 활용하게 되는데, 이는 표면장력이 큰 물의 경우 기둥과 기둥 사이에 물방울이 걸쳐져서 기둥의 벽면에 닿지 않지만 표면장력이 낮은 유기 용매의 경우 쉽게 젖게 된다. 이를 극복하기 위해서 MEMS를 활용하여 다양한 구조물이 제안되었지만, 상용 소재인 알루미늄 및 그 합금에 적용하는데 있어서는 많은 연구가 필요하다. 또한 초발수성을 위한 기둥형 구조물을 구현하기 위한 기공률이 매우 높은 침상형 양극산화피막은 그 구조가 연속되지 않고 서로 고립되어 있기 때문에 외부의 기계적 충격에 의해서 쉽게 손상되어 실제 제품에 적용하기가 어렵다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발수성(소수성, Hydrophobic)의 효과는 무엇인가?	표면 에너지가 낮은 물질과 물리적 표면 형상의 시너지 효과로 물방울 아래에 액체/고체의 접촉 면적을 줄임으로써 발수성은 구현된다[1-3]. 이러한 효과로 표면은 물에 젖지 않으며, 물이 고체에 접촉하는 면적이 매우 낮기 때문에 표면에서 물방울의 이동성이 매우 높다. 이러한 특성을 상용 소재에 구현하기 위하여 표면 에너지가 낮은 다양한 물질과 표면의 물리적 형상을 제어하기 위한 다양한 방법들이 제안되었다.
	알루미늄을 다공성 구조물로 활용하기 위해 개선해야할 사항은?	그 결과 다양한 구조의 알루미늄 양극산화피막이 제안되고 초발수성을 구현하기 위하여 활용되어왔다. 그리고 그 응용분야에 따라서 적합한 구조의 양극산화피막을 최적화 하는 연구 역시 진행되었으나 실제 공정에 적용하여 제품화하기에는 구조의 강건성, 공기층의 안정성 및 성능의 내구성이 개선되어야 한다. 이를 위하여 새로운 형상의 구조물 혹은 윤활유의 침지와 같은 대체 기술이 개발되었음에도 상용화 되지는 못하였고, 이를 극복하기 위한 기술 개발이 지속적으로 이루어져야 한다.
	발수성의 원리는 무엇인가?	연꽃 잎 효과로 잘 알려진 물에 대한 젖음성을 감소시킨 발수성(소수성, Hydrophobic) 표면은 기존의 표면처리 분야에서 풀지 못한 다양한 문제를 해결할 수 있는 잠재적 해결책으로 관심을 모으고 있다. 표면 에너지가 낮은 물질과 물리적 표면 형상의 시너지 효과로 물방울 아래에 액체/고체의 접촉 면적을 줄임으로써 발수성은 구현된다[1-3]. 이러한 효과로 표면은 물에 젖지 않으며, 물이 고체에 접촉하는 면적이 매우 낮기 때문에 표면에서 물방울의 이동성이 매우 높다.

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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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