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연잎 효과를 모방한 초발수 표면 연구- 전산모사 해석을 통한 최적의 초발수 표면 도출

EDISON SW 활용 경진대회 논문집. 제5회(2016년), 2016 Mar. 22, 2016년, pp.67 - 74  

최세용 (부산대학교 나노과학기술대학 나노에너지공학과) ,  안성배 (부산대학교 나노과학기술대학 나노에너지공학과) ,  김효정 (부산대학교 나노과학기술대학 나노에너지공학과) ,  장준경 (부산대학교 나노과학기술대학 나노에너지공학과)

초록
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초발수 표면은 표면이 젖지 않으면서 물방울이 자유롭게 움직일 수 있는 표면을 말한다. 이는 자연에서 많이 관찰되며 예를 들면 연잎, 나비와 곤충의 다리가 대표적이다. 일반적으로 초발수 표면은 물방울과 접촉할 때 이루는 각이 $150^{\circ}$보다 크며, 표면을 $5^{\circ}$정도 기울이면 물방울이 굴러가기 시작한다. 특히 연잎 표면을 자세히 보면 마이크로/나노단위의 미세한 돌기가 표면 위에 존재한다. 이러한 연잎 표면의 구조에 따른 특성을 모방하여 표면 위에 인위적으로 다양한 모양, 크기의 돌기를 만들어 표면의 초발수 특성을 향상시키는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 연구가 다양하고 광범위하게 진행되면서, 학문적인 원인 분석 외에도 산업에서의 활용가능성이 주목받고 있다. 이에 따라 이 논문은 전산모사 방법을 사용하여 표면 돌기와 관련된 다양한 변수(돌기의 모양, 높이, 너비, 돌기 사이의 간격, 표면과 물 분자 간의 에너지)에 따라 표면의 초발수 특성이 어떻게 변하는지 연구해보고, 초발수 현상의 특징과 그 발생 원인을 이해하는데 목적을 두며 이러한 연구결과는 실제 산업현장에서 최적의 초발수 표면을 제작하는데 도움을 줄 것이다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 실험에서는 위의 방법 중 물리적인 방법만으로 표면에 돌기를 만들어 초발수 특성을 갖는 표면을 만드는 방법에 초점을 맞추고 연구를 진행했다. 그리고 표면에 나노 사이즈의 돌기를 설정할 때 돌기의 모양, 돌기의 너비, 돌기 사이의 간격에 변화를 주어 초발수 특성이 잘 나타나는 조건을 찾는 것이 이 연구의 목적이다.
  • 하지만 이 실험에서는 단일 돌기에 대한 결과를 계산하 것이므로, 추후 큰 돌기 위의 작은 돌기를 계층적으로 만들어서 그 영향을 알아보고 실제 계층적 표면 구조를 가진 연잎 표면이 왜 좋은 초발수 특성을 나타내는지에 대하여 연구해 볼 수 있을 것이다. 또한 돌기의 너비, 높이, 돌기 사이의 간격 범위를 실제 실험 범위로 확장시켜 연구를 진행할 필요가 있으며, 이 결과를 바탕으로 실생활에 응용할 수 있는 가장효율적인 구조를 찾는 것이 최종적인 목표이다.
  • 이 실험에서는 위의 방법 중 물리적인 방법만으로 표면에 돌기를 만들어 초발수 특성을 갖는 표면을 만드는 방법에 초점을 맞추고 연구를 진행했다. 그리고 표면에 나노 사이즈의 돌기를 설정할 때 돌기의 모양, 돌기의 너비, 돌기 사이의 간격에 변화를 주어 초발수 특성이 잘 나타나는 조건을 찾는 것이 이 연구의 목적이다.
  • 이 실험은 격자 기체 기반의 몬테카를로 방법을 사용하여 물리적 방법으로 제작할 수 있는 직사각형, 원통형 돌기를 만들고 돌기의 높이, 너비, 돌기 사이 간격과 b의 값에 따라 물방울이 어떤 상태로 존재하는지 알아 보았다.

가설 설정

  • 주어진 돌기 조건에서 각 상태에 대한 에너지를 구할 때에는 Figure7과 같이 표면에 돌기가 하나만 있는 시스템을 구성한다. 이때 실제 돌기가 있는 표면 위에 존재하는 물방울은 돌기에 비해 매우 크고 돌기 하나만 떼어내어 그 돌기가 연속적으로 반복된다고 가정하고 계산을 수행한다. 이러한 방법을 연속적인 경계조건(Peridic Boundary Condition, PBC)라고 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전산모사는 어느 분야에 광범위하게 활용되고 있는 방법인가? 직접 나노 크기의 돌기가 있는 표면을 만들고 이를 이용해서 실험을 하기는 제약이 많이 있기 때문에, 컴퓨터 프로그램을 이용한 전산모사 방법을 사용해 연구를 진행한다. 전산모사는 생체 분자에서부터 재료 분야에 이르기까지 자연과학이나 공학 등 여러 분야에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있는 방법이다. 전산모사 방법을 사용하면 실험적으로 얻기 힘든 분자 수준의 정보를 얻을 수 있으며, 실험만으로는 설명하기 힘든 현상들을 이해하는 데 많은 도움을 줄 수 있다.
자연 상태에서 초발수 특성을 가지는 대표적인 예로는 어떠한 것들이 있는가? 이러한 제품들이 방수 효과를 가질 수 있는 원리 중 일부는 자연에서 그 답을 찾을 수 있다. 자연 상태에서 표면은 젖지 않고 물방울은 쉽게 미끄러지는 특성을 가지는 대표적인 예로는 연잎 표면, 게코(Geko) 도마뱀의 발, 나비, 곤충의 다리와 날개 등이 있다(Figure2 참고). 그 중에서 대표적으로 연잎에 대해서 조사해본 결과 연잎 표면에는 미세한 돌기가 존재하고 있으며 이로 인해 표면에 물이 스며들지 않고 표면 위를 굴러다닌다는 사실을 알게 되었다.
일반적으로 몬테카를로 방법은 어떠한 경우에 자주 사용되는가? 일반적으로 몬테카를로 방법은 계산하려는 값이 복잡한 경우에 근사적으로 계산할 때 사용하는 확률적인 계산 알고리즘으로서 수학이나 물리학 등에 자주 사용된다. 이를 이 실험에 적용하면 주어진 초기의 상태에서 다음 상태로 변화할 때 각각의 에너지들을 서로 비교하여 에너지가 낮은 방향으로 상태를 변화하게 하며 이 과정을 반복하여 에너지가 가장 안정한 위치를 찾을 때까지 상태를 변화시키는 방법이다.
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