보고서 정보
주관연구기관 |
충남대학교 Chungnam National University |
연구책임자 |
조성진
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-05 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO201800005325 |
과제고유번호 |
1711036705 |
사업명 |
개인연구지원 |
DB 구축일자 |
2018-05-05
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키워드 |
초소수성.신축성 소자.고어텍스.나노 구조.기능성 섬유.자연모사.Superhydrophobicity.Stretchable device.Gore-TEX.Nanostructure.Functional fabric.Bio-mimetics.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201800005325 |
초록
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연구의 목적 및 내용
기능성 의류의 핵심인 방수투습 막은 기계적인 변형에 취약(고어텍스: 최대 항복 변형율 9%)할 뿐만 아니라 낮은 발수성(접촉각 130도)을 갖는다. 따라서 기계적인 안정성이 떨어져 기계세탁 시 쉽게 방수성을 잃는 단점을 갖는다. 또한 외부활동용으로 제작된 아웃도어 의류의 경우 늘어나거나 신축성이 적어 착용성 등의 문제가 발생하고 있다. 더구나 이 같은 특수 원단은 미국의 고어, 듀퐁, 일본의 도레이 등과 같은 해외에서 수입하는 상황이 기 때문 대체 신소재 원천 기술 개발이 필수적이다.
본 연구
연구의 목적 및 내용
기능성 의류의 핵심인 방수투습 막은 기계적인 변형에 취약(고어텍스: 최대 항복 변형율 9%)할 뿐만 아니라 낮은 발수성(접촉각 130도)을 갖는다. 따라서 기계적인 안정성이 떨어져 기계세탁 시 쉽게 방수성을 잃는 단점을 갖는다. 또한 외부활동용으로 제작된 아웃도어 의류의 경우 늘어나거나 신축성이 적어 착용성 등의 문제가 발생하고 있다. 더구나 이 같은 특수 원단은 미국의 고어, 듀퐁, 일본의 도레이 등과 같은 해외에서 수입하는 상황이 기 때문 대체 신소재 원천 기술 개발이 필수적이다.
본 연구에서는 최근 큰 관심을 받고 있는 연잎의 자가세정기능이 추가된 기능성 구조물을 제작하고자 한다. 특히 기존에 학문적/산업적인 도전 과제 중 하나인 기계적 변형 조건 하에서 초소수성을 유지할 수 있는 새로운 구조를 나노섬유와 미세 균열 구조 등으로 구현하고자 한다. 최종적으로 기계적 변형(100% 이상)에서도 성능이 유지되는 나노구조 기반의 초소수성 섬유 조직(접촉각 160도 이상)의 원천 기술을 개발하고자 한다.
연구결과
본 연구에서는 섬유구조물과 나노 구조체를 이용해 300%이상의 고인장율에서도 접촉각 160도에 이르는 초소수성을 유지하는 안정한 초소수성 막을 소개한다. 이러한 막은 고유의 초소수성 성질을 1000회의 반복적인 인장 테스트 하에서도 그 초소수성을 유지하는 매우 기계적으로 안정적인 구조임을 실험적으로 확인하였다. 또한 기존의 전기방사라는 공정기술을 이용한 다공성 구조를 기반하기 때문에 기체, 미세 입자, 음파 등을 선택적으로 투과시킬 수 있는 기능성을 갖는다. 또한 새롭게 제작된 초소수성 신축성(stretchable) 막을 이용하여 액적 충돌(drop impact) 실험을 통해 기존의 강성 고체 기반 초소수성표면과 다르게 충돌 입자의 거동이 전혀 다름을 처음으로 확인하였다. 신축성 초소수성 표면은 표면에서 발생되는 액적을 파편화 (fragmentation)현상을 줄일 수 있는 특별한 기능성이 있음을 실험적으로 확인하고 이를 유체역학적으로 분석하였다.
제작된 표면은 이러한 다양한 기능성을 가지고 있을 뿐만 아니라 제작방법 역시 기존의 고가 장비이나 복잡한 공정을 이용하지 않는 매우 경제적인 방법을 사용하였다. 전기 방사(electrospinning)이라는 매우 간단한 나노 섬유 제작방법을 통하여 폴리우레탄(polyurethane) 섬유를 지지구조로 사용하고 표면에 자기조립(self-assembly)의 일종이 저농도 중합(dilute polymerization)을 통하여 표면에 폴리아닐린(polyaniline) 나노 구조물을 전체에 걸쳐 균일하게 형성 시켰다. 마지막으로 낮은 에너지를 갖는 폴리테트라 플루오로 에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE)를 코팅하여 제작하였다.
연구결과의 활용계획
본 연구들 토대로 학문적으로 JCR 상위 20% 저널을 포함 총 3개의 논문을 게재완료하였으며 국내외 학회 22편의 논문을 발표하였으며 일부의 경우 학회의 우수논문을 수상하였다. 현재 관련 연구 결과물을 토대로 상위 1% SCI 저널에서 리뷰 중에 있다.
또한 산업적으로 관련 특허 4개가 출원, 1개 등록 중이며 현재 기업과 MOU 계약을 체결하고 2개의 회사에 기술이전을 준비 중으로 학술적 성과에 그치지 않고 산학협력 형의 실용적인 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서 얻어진 고신축성, 가스투과성, 초소수성막과 그 경제적, 효과적 제작기술은 수분 배출을 하는 기능성 의류 소재, 액체/기체 분리막 기술, 신축성 전자소자의 표면 방수 패키징, 리튬 공기전극의 공기극 등 다양한 응용소자에 적용될 수 있을 것이다.
( 출처 : 한글요약문 5p )
Abstract
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Purpose&contents
This study focuses on developing a superhydrophobic, thus self-cleaning surface that is recently gaining attention. A membrane that sustains superhydrophobicity under strain has been an academic/industrial challenge. Such a membrane can be realized through nanofibrous structures
Purpose&contents
This study focuses on developing a superhydrophobic, thus self-cleaning surface that is recently gaining attention. A membrane that sustains superhydrophobicity under strain has been an academic/industrial challenge. Such a membrane can be realized through nanofibrous structures and nano cracks. The final goal of the study is to fabricate a gas breathable membrane that can withstand extremely harsh deformation conditions.
Result
we developed a novel, durable, superhydrophobic fibrous membrane under extremely harsh deformation conditions. This membrane showed excellent superhydrophobic properties under ≥ 300% strain, maintaining its wetting behavior for 1,000 stretching cycles. During the high deformation application, nanocracks formed in the microfibers. To better understand this effect, we analyzed the morphological change and the wetting behavior of the cracks.
Droplet impact on solid surfaces is a key phenomenon encountered in practical applications, such as ink-jet printing, spray coating, water cleaning or cooling, and the combustion of liquid fuels. Thus, along with the analysis of the membrane's static wetting properties, we also investigated the behavior of impact droplets on the membrane for various states of the substrate under dynamic conditions, using a high-speed camera. This is the first droplet impact study on a stretchable, superhydrophobic surface, which has not to our knowledge been described previously. Our results showed that the stretchable membrane suppressed fragmentation (e.g., splashing) and bouncing of the impact droplet, compared with rigid, superhydrophobic surfaces. Unlike typical superhydrophobic membranes, the electrospun matrix has numerous micropores in the membrane.
These pores allow the penetration of gas, acoustic waves, and tiny particles; however, water is not allowed to pass. To verify the breathability, we have evaluated the gas breathability using phenolphthalein pH indicator solution, an ammonia solution, O2 gas and a sensor.
Expected Contribution
We have successfully developed a novel, superhydrophobic nanostructured fibrous membrane with a rubberlike stretchability and gas-breathability. This membrane was fabricated using simple, economical processes, including electrospinning and dilute polymerization. The membrane maintained excellent superhydrophobicity under harsh dynamic conditions, such as cyclical stretching.
The membrane's high durability and superhydrophobicity were attributed to regularly formed cracks in the fibers of the nanostructures. These cracks in the fibers helped to release the interfacial stress that occurred during the high deformation and minimized the contact area between the liquid-solid interface, due to the hierarchical architecture consisting of microfibers, nanostructures on fibers, and ordered cracks. Also, we observed that the stretchable membrane exhibited unique impact behaviors, such as the suppression of splashing, ejecting, and bouncing, compared with the typical hard superhydrophobic surface.
( 출처 : SUMMARY 6p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 17
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 18
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 19
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 20
- 8. 참고문헌 ... 20
- 9. 연구성과 ... 21
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 21
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 21
- 12. 기타사항 ... 22
- 별첨1. 대 표 연 구 성 과 ... 23
- 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 39
- 끝페이지 ... 47
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