1. 서 론
1)21세기 첨단 스마트 소재 산업에 있어서 고체 표면에서의 젖음 특성(wettability)을 효과적으로 제어할 수 있는 기술은 응용 제품의 성능을 획기 적으로 개선할 수 있는 가능성을 가지고 있어 중 요하게 인식되고 있으며, 과학적, 산업적인 응용 분야로 광범위하게 적용할 수 있어 기능성 스마트 표면의 특성 제어 기술에 대한 수요가 증대될 것 으로 기대되고 있다. 젖음 특성은 고체 표면에서 가장 중요하고 기본적인 특성 중 하나로 일반적으 로 표면의 화학적 구조와 표면의 기하학적 입체 구조에 의해서 결정된다[1-3].
표면 젖음 특성에 대한 연구의 시초는 1800년
주저자(E-mail: [email protected])
대로 거슬러 올라가 가장 고전적인 액체-고체 상 호작용 이론인 표면 위 액체의 평형 거동에서 시 작되었다. Figure 1에는 주요 표면 젖음 특성 관련 연구의 시간에 따른 발전 동향을 간략히 도시하였 다. 1805년 Thomas Young에 의해 고체 표면 위 액체의 접촉각(contact angle)으로 표면에너지를 계산할 수 있는 Young’s equation이 제시되었고, 이는 고체, 액체 및 기체 계면의 접촉각과 표면 장 력 사이의 관계로 표현된다[Figure 2(a)][4]. 접촉 각은 액체가 고체 표면과 접촉했을 때 기체와 액 체, 액체와 고체, 고체와 기체 사이의 상호작용 관 계에 따라 특정한 액체의 모양을 보이게 된다. 즉, 이들 3상의 평형상태에서 액체가 고체 표면과 접 촉하였을 때 보이는 각도를 의미한다. 고체 표면 에서 물방울의 젖음 거동은 표면에서 측정되는 물 방울 접촉각(θ )을 지표로 4가지 범주로 분류할 수
자극 응답성 초발수-초친수 표면 특성 제어 기술
임 가 현ㆍ노 유 진ㆍ임 호 선† 숙명여자대학교 화공생명공학부
Stimuli-responsive Smart Surface with Reversibly Switchable Wettability
Ka Hyun Lim, Yoo Jin Rho, and Ho Sun Lim†
Department of Chemical and Biological Engineering, Sookmyung Women’s University, Seoul 04310, Republic of Korea
Abstract: 가역적인 표면 젖음성의 제어가 가능한 스마트 표면은 첨단 센서, 기능성 멤브레인 등 여러 산업분야에 적 용될 수 있는 계면제어 기술로써 많은 관심을 받을 것으로 기대된다. 표면의 젖음성은 표면의 화학적 구조와 기하학적 입체 구조에 의해 영향을 받는 데, 특히 외부자극에 의해 소재 물성을 가변시킬 수 있는 스마트 고분자 소재를 나노구 조가 제어된 표면에 도입함으로써 표면의 젖음성을 초발수에서 초친수로 가역적으로 전환시킬 수 있는 스마트 표면을 효과적으로 구현할 수 있다. 자극 응답성 스마트 소재는 인가하는 외부자극에 따라 물리적 자극(빛, 온도, 전기, 자기) 과 화학적 자극(pH, 용매, 이온)으로 구분할 수 있으며, 이를 복합적으로 적용한 이중/다중 유발 자극에 반응하는 소재 가 있다. 본 기고문에서는 외부자극에 응답하는 자극응답성 고분자를 나노 구조 표면에 도입하여 초발수에서 초친수 로의 가역적인 젖음성 변화가 가능한 고기능성 스마트 표면의 최근 연구 동향과 미래 전망에 대해 소개하고자 한다.
이런 다양한 외부자극을 이용한 표면 특성의 가역적 제어 기술을 통해 물-오일의 분리, 바이오센서, 약물 전달, 소프트 로보틱스와 같은 스마트 소재의 잠재적 발전 가능성 또한 엿볼 수 있을 것으로 기대된다.
Keywords: superhydrophobicity, superhydrophilicity, swithchable wettability, external stimuli, responsive surface
있는데, 일반적으로 접촉각이 10° < θ < 90° 범위 인 고체 표면을 친수성 (hydrophilicity) 표면이라 하고, 90° < θ < 150° 범위인 고체 표면을 소수성 (hydrophobicity) 표면이라 한다. 특히 접촉각이 0°
< θ < 10° 범위인 물방울이 완전히 펴지는 극단적 인 젖음 특성을 갖는 고체 표면을 초친수성 (superhydrophilicity) 표면이라 하고, 접촉각이 150° < θ < 180° 범위로 물방울이 표면에 맺히지 않고 쉽게 굴러 떨어지는 고체 표면을 초발수성 (superhydrophobicity) 표면이라 한다. Young이 제 시한 모델은 표면이 비교적 매끄럽고 화학적으로 균질한 이상적인 고체 표면 위에서 적용이 가능하 다. 하지만, 대부분의 표면은 일정 수준의 거칠기 를 띄고 있으므로 Young’s equation으로 설명되는 표면에너지는 상당한 편차를 유발할 가능성이 존 재하고, 이런 비이상적인 표면의 접촉각은 Wenzel (1936년)과 Cassie-Baxter (1944년)에 의해 제시된 모델에 의해 수정 보완되었다.
Wenzel과 Cassie-Baxter는 표면의 젖음 특성에 미세 구조가 어떻게 영향을 주는지 서로 다른 두 가지 관점으로 이 현상을 설명하였다. Wenzel의 모델은 액체 방울이 고체의 접촉면과 완전히 밀착 하여 단일상을 갖는다고 가정하고, 표면의 미세 구조 때문에 액체와 고체 표면 사이에 모세관 현 상이 작용하여 임계 접촉각(critical contact angle)
Figure 2. Schematics of the key concepts in liquid-solid interactions: (a) Young’s equation [4], (b) Wenzel’s equation [5], (c) Cassie-Baxter equation [6], and (d) Contact angle hysteresis.
이하에서는 액체가 표면에 완전히 스며들고 반대 로 임계 접촉각 이상에서는 액체를 밀어낸다고 발 표하였다[5]. Wenzel의 이론[Figure 2(b)]에 의하 면 거칠기 인자(roughness factor, r)가 젖음성 혹 은 비젖음성을 강화시키는데, 요철이 존재하는 표 면에서는 항상 r > 1의 값을 갖기 때문에 낮은 표 면에너지를 갖는 표면은 덜 젖게 되고 높은 표면 에너지를 갖는 표면은 더 젖게 되는 결과를 가져 오게 된다. 즉, 스마트 표면의 나노 구조에서 물방 울을 떨어트렸을 때, 물방울이 표면 위에 부유하
Figure 1. The timeline of major advances in the field of water repellent phenomena.
거나 나노 구조 사이에 침투하게 되는데 이 현상 을 표면 나노 구조에 의해 친수, 소수 특성이 증폭 되는 Wenzel의 이론으로 설명할 수 있다. 반면에 Cassie-Baxter는 요철이 있는 표면에 액체 방울이 떨어지게 되면 접촉면에 공기층이 섞여 있다고 가 정하여 물방울이 스며들지 못하고 증가된 소수성 을 갖게 된다고 설명하였다[Figure 2(c)][6]. 이는 공기가 가장 소수성이 높은 특성을 가지는 매질이 기 때문에, 실제로 공기중에 물방울이 존재하는 것과 유사한 환경에 물방울이 노출되는 효과가 있 게 된다. 일반적으로 초친수-초발수 전이가 가능 한 스마트 표면은 임계 접촉각 부근에서 발생하며 초친수 특성을 보이는 경우 Wenzel의 모델이, 초 발수 특성을 보이는 경우는 Cassie-Baxter의 모델 로 설명할 수 있다[7]. 특히 액체가 쉽게 굴러 떨 어지는 특성의 경우는 공기와 액체가 접하게 되는 Cassie-Baxter의 이론이 잘 맞게 된다.
또한, 기판을 기울였을 때 쉽게 액체 방울이 굴 러 떨어질 수 있는지 또한 고려해야 할 중요한 요 소 중 하나이다. 이런 특성은 미끄럼각(sliding an- gle)과 접촉각 이력현상(contact angle hysteresis) 으로 설명되는데, 미끄럼각은 액체 방울이 굴러 떨어지기 시작하는 각도를 말하며 접촉각 이력현 상은 액체 방울의 전진각(advancing contact angle,
θ
A)과 후진각(receding contact angle, θR)의 차이로 이 둘은 같은 값을 의미한다[Figure 2(d)]. 앞서 언 급한 두 모델을 비교하자면, 액체와 표면의 완전 밀착을 가정한 Wenzel의 모델에 비해 액체와 고 체표면 사이에 공기층이 존재하여 접촉면적이 작 은 Cassie-Baxter 모델이 더 작은 미끄럼각을 갖기 때문에 액체방울이 쉽게 굴러 떨어지게 된다[7].이렇게 액체-고체 계면에서의 상호작용을 다룬 주 요 이론들은 최근 몇 십여 년 동안 수천 건이 인용 되었으며, 기본적인 젖음 특성을 시작으로 초발수 -초친수 연구 분야의 현상을 설명하는 중요한 기 본 개념으로 사용되고 있다.
자연은 과학자에게 있어 혁신적인 영감의 원천 이라고 알려져 왔다. 초발수 및 초친수와 같은 특 수한 젖음 특성 연구 역시 개념적인 이론과 더불
어 자연에서 관찰되는 다양한 천연표면에서 영감 을 받아 발전되었다. 다양한 천연 모델 중에서 일 부 식물의 잎은 더러운 서식지에서도 문제없이 생 존할 수 있는 자기 정화(self-cleaning) 기능을 가 지고 있다. 이런 기능을 갖는 대표적인 식물은 연 꽃으로 더러운 연못에서 자라지만 연잎의 표면은 항상 깨끗한 모양을 유지하고 있는 것을 발견할 수 있다[8]. 이는 연잎 표면이 소수성의 왁스가 코 팅된 수십 나노 크기의 돌기 구조를 갖고 있어 물 에 대한 반발력이 극단적으로 높아져서 물방울이 표면에서 쉽게 굴러 떨어지고, 이때 이물질이 함 께 표면에서 제거되기 때문이다. 이런 현상을 모 사하여 1977년 Wilhelm Barthlott와 Ehler가 연잎 표면에서의 소수성 미세 나노 구조 표면에 의한 자가 세정 특성을 연구하였으며, 이러한 자가 세 정 및 초발수 특성을 연꽃 효과(lotus effect)로 처 음 기술했다[9]. 오래 전부터 수많은 과학자들이 이러한 자연에서 오는 흥미로운 기능성 표면 구조 를 연구하고 생체 모방 스마트 표면을 인공적으로 구현하기 위해 노력하였고, 1996년 150° 이상의 접촉각과 5° 이하의 미끄럼각을 갖는 초발수 표면 (superhydrophobic surfaces, SHSs) 합성에 성공하 여 독일의 STO사에서 Lotusan이라고 하는 자가 세정 페인트의 개발로 이어졌다[10]. 2000년대에 들어서면서 일반적인 초발수 표면에 부가 기능을 추가로 부여하여 표면에너지가 낮은 액체의 젖음 성을 극복하고자 고체 표면에 re-entrant 곡률 구조 를 도입, 초발유 특성을 가지는 연구가 진행되었 다[11-12]. 하지만, 이런 복잡한 표면 구조는 향상 된 발수성을 가짐에도 불구하고 표면과 액체 사이 의 고차원적인 공극 구조로 인해 가혹한 환경 조 건에서는 취약할 뿐 아니라 re-entrant 구조를 구현 하기가 복잡하고 어렵다는 단점을 가지고 있어 제 한된 연구만 이루어 졌다. 이런 문제점을 해결하 고자 re-entrant 곡률 구조와 유사한 고체 표면에 비혼화성 윤활제를 침투시켜 매끄러운 액체층을 생성하는 새로운 기능성 표면 SLIPS (slippery liq- uid infused porous surfaces, 2011)가 연구되었으 며, 이는 개발자들을 중심으로 Adaptive Surface
Technology를 창업하여 사업화가 진행중이다[13-14].
초발수 및 초친수의 단일 특성을 향상시키는 소 재의 개발은 전 세계 많은 연구 그룹에서 2000년 이후로 활발하게 이루어져 왔다. 하지만, 주어진 환경 변화에 수동적으로 대응하기만 해서는 능동 형 첨단 스마트 산업의 환경 변화에 따른 요구를 충족시키기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 2000년 대 초부터 외부 자극 응답성 고분자 소재를 고체 표면에 도입하여 기존에 볼 수 없었던 능동적으로 표면 특성을 제어하는 연구가 일부 연구 그룹에서 진행되었다. Figure 3은 젖음성의 가역적인 변환 이 가능한 스마트 표면에 도입되는 대표적인 외부 자극의 종류와 외부자극 응답성 스마트 표면의 응 용 분야를 간략히 도식화하였다.
빛, 온도, 전기장, pH 등의 외부 자극은 표면의 화학적 구조 혹은 기하학적 미세 구조를 변화시켜 스마트 표면의 계면 특성을 제어하기 위해 사용될 수 있다[15]. 일반적으로 요철이 없는 편평한 표면 에 도입된 자극 응답성 표면은 외부 자극에 의해 작은 표면에너지 변화를 보이는데 반해, 나노 수 준의 미세 구조를 가지는 표면에서는 젖음성이 큰 변화를 보였다[16]. 따라서, 표면에너지와 표면의 기하학적 구조를 적절하게 제어하면 초발수에서
초친수 상태로의 가역적 전환이 가능한 스마트 표 면을 손쉽게 구현할 수 있다. 이때, 중요한 것은 외부 자극에 응답하는 스마트 표면을 구현하기 위 해 표면의 기하학적 구조와 화학적 조성을 어떻게 제어할 것인지이다. 따라서 본 기고문에서는 다양 한 외부 자극에 응답하는 소재가 표면 나노 구조 에 도입된 기능성 스마트 표면의 젖음성이 가역적 으로 제어되는 것에 대한 최근 연구 결과를 소개 하려고 한다. 그리고 가역적 젖음성을 가진 스마 트 반응 표면의 응용 분야를 간략하게 소개하고 관련 연구 개발의 전망에 대해 고찰해 보고자 한다.
2. 물리적 자극에 의한 표면 특성 제어
2.1. 광 응답(Photoresponse)
다양한 외부 환경 자극 중에서 빛을 이용해 소 재의 표면 특성을 제어할 수 있는 스마트 소재를 광응답 소재(photo-responsive material)라 한다.
일반적으로 빛의 자극으로 인해 광 응답 소재가 도입된 표면에서의 활성 분자가 화학적 조성 또는 극성의 가역적 변화를 일으켜 표면에너지의 변화 를 유도하여 젖음 특성을 제어한다. 아조벤젠, spi- ropyran, diarylethene, cinnamic acid, pyrimidine 은 광발색성(photochromic) 분자로 대표되는 광응 답 소재들이다[16]. 이런 광발색성 분자들은 특정 파장을 흡수하면 분자의 구조가 바뀌는 광이성질 화(photoisomerization) 특성을 갖고 있는데 이런 성질을 이용해 소재의 물리적, 화학적 특성을 변 화시킬 수 있다.
아조벤젠은
trans구조에 자외선(365 nm)을 조
사하게 되면 불안정한 구조인 cis 구조로 변화하 며 쌍극자 모멘트가 증가하고, 다시 가시광선(>440 nm)을 조사하게 되면 cis 구조는 trans 구조로 가역적인 변화가 이루어진다[17]. 이렇게 아조벤 젠은 trans-cis 이성질화 특성이 우수하여 자외선 및 가시광선을 조사하였을 때 표면 극성이 전이를 일으키기 쉬워 표면 젖음성을 조절하는 것이 용이 하다. 아조벤젠이 도입된 스마트 표면은 표면의 미세구조가 제어된 나노구조 표면과 결합하여 빛
Figure 3. Diagram of switchable wettability categories, external stimuli consisting of temperature, light, electricity, magnetism, pH, and ions control the microstructure and chemical composition to control wettability. All of these studies can be applied in a variety of fields.
을 조사하였을 때 초발수에서 초친수로의 전이가 가능하였다. Polydopamine(PDA)으로 전처리된 다공성 메쉬에 Ag 나노 구조와 aminoazobenzene (AABN)을 개질시킨 표면에 자외선 혹은 가시광 을 조사하였을 때, 초발수성에서 초친수성으로의 가역적인 변환이 이루어지는 것을 볼 수 있다 (Figure 4)[17]. 젖음성의 가역 변화는 trans 구조 아조벤젠의 소수성 벤젠 고리와 Ag 나노 구조의 친수성 그룹, cis 구조 아조벤젠의 극성 아조기가 교대로 노출되면서 나타난다. 자외선을 조사하면 AABN의 N=N 결합이 회전하여 분자가 바르게 서있는 trans 형태에서 분자가 누워 있는 cis 형태 로 이성질화가 일어나 아조벤젠의 극성이 증가하 고 친수성 Ag 나노 구조가 노출되게 된다. 여기에 다시 가시광선을 조사하게 되면 분자 구조는 cis 에서
trans 형태로 변형되고 초발수성으로 다시
돌아와 큰 접촉각의 증가를 보여준다.TiO2, ZnO, SnO2, WO2와 V2O5과 같은 무기 금 속 산화물(inorganic metal oxide)은 자외선 광 조 사를 통해 초발수-초친수로의 가역적인 표면 특성 변화를 보인다[18-20]. 빛에 감응하는 무기 금속 산화물은 주로 자외선 광 조사와 열처리를 통해서
oxygen vacancy 생성이나 수산기의 형성을 유도 하여 표면의 화학적 극성을 바꿔주어 젖음 특성을 가역적으로 제어한다. 그 중에서도 우수한 화학적 안정성을 갖는 TiO2를 예시로 젖음 특성의 가역적 전환 메커니즘을 간략히 설명해보면 다음과 같다.
자외선 광을 조사하게 되면 TiO2의 전자는 원자가 밴드(valence band)에서 전도성 밴드(conduction band)로 이동하고 광유도 전자 정공 쌍(photo-in- duced electron hole pair)이 형성된다. 그리고 Ti-O 결합이 끊어지면서 oxygen vacancy가 나타 나게 되면 수산기가 흡착되려는 성질이 강해지며 초친수를 띄게 된다. 이때, 전환된 초친수성 표면 이 다시 광 조사 혹은 열처리 과정을 거치면 수산 기의 결함 부위에 더 강한 결합을 갖는 산소 원자 로 대체되어 원래의 젖음 특성(초발수)으로 돌아 온다. 금속 산화물을 이용한 대다수의 연구는 공 기 중에서 발생하는 현상을 토대로 기술되어 왔 고, 일반적이지 않은 환경에서 표면 특성의 가역 적인 제어는 여전히 어려운 과제 중 하나이다. 특 히 오일에서 젖음성 제어의 오일-물 분리막을 중 심으로 응용성이 나날이 증가하고 있다. 오일에서 의 초발수 특성은 물에 의한 부식으로 인해 오일 로 윤활해야 하는 상황에 효과적으로 적용할 수 있고, 오일에서의 초친수 특성은 물이 함유된(혹 은 제한된 화학반응을 갖는) 오일을 정제할 때 유 용하게 사용할 수 있다. 이러한 특성은 스마트 장 치 개발을 위한 기능성 소재를 제공할 뿐만 아니 라 젖음성에 영향을 미치는 내부 메커니즘을 깊이 이해하는데 중요한 개념이 된다. 그렇기 때문에 최근 오일과 같은 특수한 환경에서의 초발수와 초 친수 특성 사이의 가역 전환 연구가 많이 이루어 지고 있다. Figure 5(b)는 간단한 양극 산화 및 가 열 공정을 통해 Ti시트 위에 오일 환경에서의 젖 음성 스위칭이 가능한 TiO2 나노 튜브를 구현하였 다. 평평한 TiO2 필름의 경우, 자외선 조사 시 oxygen vacancy가 형성되고 하이드록실 그룹이 노출되면서 그들 사이의 수소 결합 형성으로 모세 관 힘에 의해 물이 TiO2 나노 튜브로 들어가고 물 방울이 표면을 더 젖게 하는 데 도움을 준다. 그
Figure 4. Structural transformation mechanism of photo- responsive molecules and wettability transformation of water contact angle (WCA) / oil contact angle (OCA) in the modified copper mesh under UV and visible light [17].
결과, 오일 환경 속에서도 초친수성을 가질 수 있 다. 또한 계속된 열처리는 나노 튜브가 원래 상태 (초발수)로 돌아가도록 하여 가역적 표면 특성의 전환이 일어난다[18]. 그 외에도 펨토초 레이저 제 거(femtosecond laser ablation)를 통해 Ti 기판 위 에 나노 스케일의 계층구조를 갖는 TiO2 를 규칙 적으로 배열하여 광 조사와 암실 환경에 노출하는 것을 번갈아 수행하여 물 속에서도 가역적인 변화 가 가능한 초발유-초발수 특성 제어 기술이 개발 되었다[Figure 5(c)][21].
2.2. 온도 응답 (Temperature response) 온도 응답성 고분자는 가역적인 젖음성의 제어 를 위해서 다른 화학 첨가제에 의존하지 않고 열 에 의해 빠르게 반응하기 때문에 다른 외부 자극 에 비해 상당한 이점을 보인다[22-24]. 주로 바이 오 센서, 약물 전달, 단백질 흡착, 세포 배양과 같 은 바이오 분야에서 온도 감응형 고분자를 이용한 많은 연구가 진행되고 있다. 지난 몇 년 동안 가역 변화가능한 젖음성을 갖는 열 응답성 표면은 LCST보다 높거나 낮은 온도에서 상전이를 나타 내는 고분자를 그래프트시키는 방향으로 연구가
진행되어 왔다. 대표적인 온도 응답성 고분자로는 poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAAm), poly(2-isopropyl-2-oxazoline), poly(vinyl methyl ether), poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA)가 있다[25-26]. 특히 PNIPAAm은 물에서 낮은 LCST(대략 32 ℃)를 갖는 뛰어난 온 도 응답성 고분자로 잘 알려져 있다. LCST 이하 의 온도에서는 PNIPAAm 고분자 사슬과 물 분자 사이의 분자 간 수소 결합이 우세하여 수화되면서 높은 표면 에너지를 갖게 된다. 반면에 LCST 이 상의 온도에서는 고분자 사슬이 극성 작용기 사이 의 분자 내 수소 결합이 우세하게 되고 이로 인해 사슬이 조밀하게 수축되어 비극성 고분자 골격이 표면에 노출되면서 낮은 표면에너지를 갖게 된다 [Figure 6(a)][27].
이렇게 표면 나노 구조에 온도 반응성 고분자를 도입하는 방법 외에도 온도 응답성 기능성 표면과 반응할 수 있는 특수한 액체를 설계함으로써 가역 적인 젖음성을 제어하는 방법이 있다. poly(phe- nylethyl methacrylate) (PPhEtMA)와 1H,1H,2H,2H –perfluorodecyltrimethoxysilane (PFDMS)의 혼합 분자 브러시인 PPhEtMA-co-PFDMS를 표면에 그 래프트시켜 제작한 열 응답성 표면은 1-ethyl-3- methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMIm][NTf2]) 액체 이온에 의해 가역적인 젖음성 의 변화를 보여준다[26]. 표면 젖음성의 가역적인 변화는 다른 온도에서 [EMIm][NTf2]와 PPhEtMA- co-PFDMS 브러시 사이의 cation-π interaction의 변화로 인한 것이다[Figure 6(b)]. 저온에서 [EMIm]
[NTf2]는 PPhEtMA 사슬과 함께 특정 용매화 구 조를 형성하는데 이때, [EMIm] 양이온은 cation- π interaction을 통해 벤젠 평면 위와 아래의 p 전 자가 풍부한 위치에서 우선적으로 상호 작용하고, [NTf2] 음이온은 벤젠 평면의 수평 위치에서 우선 적으로 상호 작용한다. 이 경우 PPhEtMA 사슬은 용매화된 상태에 있으며 PFDMS를 보호하기 위해 바깥쪽으로 확장되어 친수성 표면이 생성된다. 온 도를 100 ℃로 상승시키면, PPhEtMA 사슬이 탈 용매화되어 사슬 구조가 붕괴된 상태로 바뀌고
Figure 5. (a) Schematic diagram of the anatase TiO2 (004) facet crystal structure variation under UV irradiation and heating [18]. SEM images of TiO2 nanotube arrays fabricated by anodizing and heating (b)[18], and femtosecond laser-ablated Ti surface (c)[21].
PPhEtMA 사슬에서 [EMIm][NTf2]가 방출되어 저에너지 PFDMS가 노출되고 소수성 표면이 생성된 다. 따라서 [EMIm][NTf2]와 PPhEtMA-co-PFDMS 브러시 사이의 cation-π interaction을 정밀하게 제 어함으로써 이온성 액체에 의해 유도되는 젖음 특 성 변화를 온도 응답성 스마트 표면에 적용할 수 있다.
2.3. 전기장 응답 (electric field responsive) 전기장을 통한 젖음성 조절은 단순성, 효율성, 빠른 응답 특성을 갖는 표면 특성 제어 기술 중 하나 이다[28]. 전기 감응을 통한 젖음성은 액체와 고체 사이에 전위가 가해졌을 때 전하와 쌍극자가 다시 배열되면서 계면 에너지가 감소해 표면 젖음성을 높이는 것이다. 초기의 전기 응답 고분자 연구의 예는 자기 조립 박막(SAMs)이 외부 전기장에 따 라 기하학적 형태를 재배열하는 특성을 이용해서 스마트 표면을 구현한 것이다[29]. Figure 7(a)을 보면 금 표면에 증착된 (16-mercapto)hexadecanoic acid (MHA) 유도체의 저밀도 자기조립 박막은 외 부 전기장에 따라 분자의 입체 구조가 바뀌게 된
다. 전기 자극이 인가되면 분자 사슬 구조가 구부 러지게 되면서 알킬 사슬이 표면에 노출되어 표면 젖음성이 친수에서 소수로 바뀌게 된다.
전도성 고분자인polythiophene, polypyrrole (PPy), polyaniline (PANI) 등을 기반으로 하는 전기 응답 성 스마트 표면 연구도 활발하다[30-31]. 그 중 polythiophene은 낮은 전위(1.05 V)에서 on/off로 스위칭하면서 전도성 고분자의 산화-환원 특성을 변화시켜 친수성-초발수성 전이가 가능한 젖음성 을 갖는 초발수성 polythiophene 표면을 구현할 수 있다[Figure 7(b)][30]. 그 밖에도 전도성 고분자 대신 전도성 무기 재료의 표면 에너지를 변경하여 젖음 특성을 전환시키는 것도 가능하다. 구리 전 극에 Sn층을 전착시키면 구리 전극의 표면에너지 를 상당히 감소시킬 수 있는데, 전위가 켜진 상태 에서는 전착된 Sn층이 물/전극 계면에서 수소 결합 네트워크를 억제하여 전극을 수중에서 초친유성 상태로 전환한다. 전위가 꺼지면 Sn이 전해질에 Sn2+로 용해되어 구리의 표면이 원래의 모습으로 점차 회복되고 하드록실기에 높은 친화력을 나타 내어 초발유성 상태로 돌아간다[Figure 7(c)][32].
Figure 6. (a) The conformation mechanism of the thermo-driven PNIPAAm [27]. (b) The dynamic control of temperature-responsive wettability by an ion liquid ([EMIm][NTf2])[26].
Figure 7. (a) The transition mechanism between straight (hydrophilic) and bent (hydrophobic) molecular conformations of MHA [29]. (b) Doped and undoped or dedoped colloidally templated and electrodeposited polythiophene surface. Inset shows the wetting behavior (contact angle) and the respective applied voltage[30]. (c) The in situ reversible superwetting transition between underwater superhydrophilic and superoleophobic properties by electrochemical atomic alternation [32].
Figure 8. (a) The conformation mechanism of the cellulose-g-PAA and cellulose-g-PAM paper [35]. (b) Schematic diagram of switchable wettability of the as-fabricated CF-P4VP in water with different pH values and water contact angles and oil contact angles under water of CF-P4VP at different pH values [39]. (c) Dynamic contact angle for water drops of different pH values on the Fe3O4/MA-TiO2/PI membrane [40].
3. 화학적 자극에 의한 표면 특성 제어
3.1. pH 응답(pH response)
많은 자극 응답성 스마트 표면은 구현하는 데 비용이 많이 들고, 복잡한 공정 프로세스를 이용 하는 경우가 많아 적용이 제한되는 경우가 종종 있다. 하지만 pH 응답성 소재는 추가적인 특성 제 어 장비 없이도 외부 환경을 일정하게 유지하는 것이 용이하기 때문에 활용면에서 다른 응답성 소 재에 비해 더 편리하게 조작할 수 있다. 일반적인 pH 응답성 소재는 카르복실기, 피리딘 및 아민기를 함유하고 있으며, pH 변화에 따른 이들 기능기의 양성자화(protonation)와 탈수소화(deprotonation) 를 통한 이온화에 의해 젖음 특성을 가역적으로 제어할 수 있다[33-35]. 바이오매스 추출 셀룰로오 스 기반의 초발수 표면은 pH 변화에 따라 초발수 에서 초친수로 표면 특성을 제어할 수 있다[Figure 8(a)][35]. Cellulose-g-PAA와 cellulose-g-PAM 은 셀룰로오스 표면에 그래프트 된 acrylic acid (AA) 와 acrylamide (AM)가 pH 변화에 의해 전기적으 로 중성인 형태에서 이온화되기 때문에 표면의 젖 음성을 소수성에서 친수성으로 가역적으로 제어 할 수 있다. Cellulose-g-PAA는 pH가 점차 증가할 수록 PAA의 카르복실기가 탈수소화되면서 음이 온의 형태로 이온화 되고, 표면특성이 초친수로 전환된다. 여기에 다시 pH를 낮춰주면 초발수로 의 가역 전환이 가능하다. Cellulose-g-PAM의 경 우에는 pH가 점차 감소할수록 PAM의 아마이드 기가 양성자화되면서 양이온의 형태로 이온화 되 고, 초친수로 표면 특성이 변화한다. 마찬가지로 pH를 다시 높여주면 초발수로의 표면 특성 가역 전환이 가능하다[36-37].
pH 자극 응답성 고분자인 poly(4-vinyl pyridine) (P4VP)이 그래프트 된 다공성 carbon foam (CF) 표면은 pH에 응답하여 표면특성을 극단적으로 변 화시킬 수 있다. P4VP 사슬은 pH에 따라 가역적 으로 피리딜기의 탈수소화와 양성자화가 일어나 며, 이는 CF-P4VP 표면의 젖음성을 크게 변화시 킨다[38]. pH 7에서 P4VP의 피리딜기의 탈수소화
가 일어나는데, 이때 피리딜기가 중성을 띠면서 정전기적 반발력이 작용하지 않아 표면에 사슬이 응집된다. 그로 인해 CF-P4VP 표면에서 초발수 및 초친유 특징을 보이게 된다. pH 1에서는 탈수 소화 되었던 피리딜기가 양성자화 되면서 양이온 간의 정전기적 반발력이 작용하게 되고 사슬 구조 의 팽창이 일어난다. 그로 인해 CF-P4VP 표면은 초친수/초발유 특성을 회복하게 된다. 이러한 CF-P4VP 표면 특성을 이용하여 오일의 흡착 및 배출 조절이 가능한 필터 및 멤브레인을 구현할 수 있다[Figure 8(b)][39].
Fe3O4 나노입자 분산액과 myristic acid (MA)와 반응한 TiO2 전구체로 표면처리된 polyimide (PI) 나노 멤브레인은 pH 변화에 따라 초발수-초친수 로 전이되는 특성을 보인다[Figure 8(c)][40]. MA 가 그래프트 된 TiO2 전구체는 TiO2와 MA의 결 합으로 형성된 카르복실 그룹의 양성자화와 탈수 소화에 의해 젖음성이 조절되며, Fe3O4 나노입자 및 PI의 나노 섬유 구조에 의해 표면 거칠기를 조 절해 접촉각 변화를 증폭시킬 수 있다. Fe3O4/ MA-TiO2 코팅액은 pH 7~10에서는 TiO2 의 표면 에서 MA의 소수성 알킬 사슬이 위치해 발수 성질 을 띄게 되며, Fe3O4에 의해 PI 멤브레인 표면의 계층적 마이크로/나노 구조가 형성되어 발수성이 더욱 증폭된다[41]. 반대로 pH 12~14에서는 카르복 실기의 탈수소화 반응에 의해 titanium-carboxylate 의 배위결합이 끊어지며 이온화되게 된다[42-44].
코팅면에서 MA의 이온화는 표면에너지를 증가시 키고, 국부적으로 물의 표면장력을 감소시켜 PI 멤브레인 표면이 친수성을 보이게 된다. 결과적으 로 pH 7~10의 물방울을 떨어뜨리면 150° 이상의 접촉각을 가지는 초발수 특성을 보이지만, 물방울 의 pH가 증가하게 될수록 접촉각이 감소해 0°의 매우 작은 접촉각을 갖는 초친수의 상태로 변화한 다. 이 PI 멤브레인은 물에 대한 젖음성과 오일에 대한 젖음성을 적절하게 제어하여 오일과 물을 효 과적으로 분리하는 스마트 분리막으로 사용될 수 있을 것이다.
3.2. Ion 응답(Ion response)
이온 교환은 양이온과 음이온 사이에서 결합하 고 있는 이온이 교환되는 가역적인 과정으로 다른 수화에너지를 가지는 이온의 상호 교환을 통해 표면 특성을 제어할 수 있다[Figure 9(a)][45].
(R)-3-((2-(5-(1,2-dithiolan-3-yl)pentanami- do)propyl)dimethyl-ethylammonio)iodide (DAE), (R)-3-((2-(5-(1,2-dithiolan-3-yl)pentanami- do)propyl)dimethylammonio)ethyl acetate (DAEAc) 와 같은 4차 암모늄기(quaternary ammonium groups) 를 가지는 (R)-리포산 유도체는 결합하고 있는 짝 이온(counteion)의 교환을 통해 표면의 젖음 특성 제어를 할 수 있다. DAE은 단순히 4차 암모늄기 를 갖고, DAEAc는 pH 가수분해성 에스테르기를 갖는 카르복실 베타인 에스테르(carboxybetaine ester) 함유 4차 암모늄기를 갖는다. 두 유도체 모 두 Cl-와 perfluoro octanoate (PFO-) 짝이온의 교 환에 의해 가역적 초발수-초친수 스위칭이 가능하 다[Figure 9(b,c)]. DAEAc는 추가적으로 카르복실 베타인의 가수분해에 의해 비가역적인 초발수-초 친수 스위칭도 가능하다. DAE와 DAEAc 유도체 가 개질된 표면을 과불소기를 함유한 PFO- 용액 에 침지 시켰을 때 각각 151° 이상의 접촉각을 갖
는 초발수 상태로 변화한다. 이 결과는 소수성을 가지는 PFO-와 4차 암모늄 사이에 강한 정전기적 상호인력이 발생하기 때문에 나타난다[46-48]. 반 대로 표면을 Cl- 용액에 침지 시키면 Cl-의 낮은 수화에너지 때문에 5° 이하의 접촉각을 갖는 초친 수 상태로 변화한다.
4. 다중 자극에 의한 표면 특성 제어
자연에서 발견되는 많은 생체 시스템은 한 가지 자극이 아닌 다양한 자극이 복합적으로 작용한다.
첨단 나노 소자의 발전에 따라 그 복잡함이 증가 하고, 다중 자극에 응답하는 스마트 표면에 대한 표면 제어 기술의 관심은 나날이 증가하는 추세이 다. 다중 자극에 효과적으로 반응하는 스마트 표 면을 구현하기 위해서는 적합한 자극을 선택하고 그들 사이의 균형을 적절히 유지할 필요가 있다.
과불소기와 carboxylate 반응으로 결합된 TiO2
입자는 pH 또는 자외선과 열의 조사에 의해 표면 젖음성을 가역적으로 제어할 수 있는 스마트 표면 을 구현할 수 있다[Figure 10(a)][49]. pH 1의 강한 산 환경에서 TiO2 입자가 코팅된 표면은 과불소기
Figure 9. (a) Switchable wettability by ion exchange between Cl- and perfluorooctanoate ions (PFO-)[45]. Reversible behavior on structured (square) and plain (circle) gold surface modified with (b) DAE and (c) DAEAc cover sequential counterion exchange cycle with Cl- and PFO- counterions[45].
에 의한 소수성 및 입자에 의한 요철의 영향으로 접촉각 150°의 초발수의 특성을 보이지만, pH 13 의 강한 염기 환경에서는 titanium−carboxylate 결 합이 깨지게 되어 표면은 접촉각 0°의 초친수의
상태로 변화한다[Figure 10(b)][50]. 또한 TiO2 유 도체가 코팅된 스마트 표면에 자외선을 조사하면 초발수에서 초친수로 표면 특성이 변화한다. 이 결과는 자외선을 조사하게 되면 많은 전자-전공쌍
Figure 10. (a) Mechanism diagram of the fabrication of the pH-responsive smart superwettable fabric[49]. (b) WCA transition of the smart superwettable fabric surface with a cyclic treatment of acidic and alkali solutions[49]. (c) WCAs of the as-prepared superwettable fabric after the cyclic alternation of UV irradiation and heat treatment[49]. (d) Measurement of cloud point, as indicator for LCST range, at different pH values for the prepared acrylamide-based polymer coating materials[52].
이 생성되어 TiO2 표면이 O2 및 H2O와 반응하기 때문에 일어난다. 결과적으로 TiO2 표면과 과산화 물 중간체가 반응해 Ti-O-H 결합을 형성하고, 이 는 물과의 친화력을 향상시켜 궁극적으로 초친수 의 상태로 변화한다. 이렇게 초친수의 상태로 변 화한 스마트 표면을 고온에서 열처리를 해주면 Ti-O-H 그룹의 탈수 반응에 의해 Ti-O-H 결합이 감소하고 Ti-O 결합이 증가하게 되면서, 초발수 특성이 다시 나타난다[Figure 10(c)][51]. 이처럼 표면처리된 TiO2 입자가 pH와 자외선 그리고 열, 세 가지 자극에 복수로 응답하는 거동을 보이는 특성을 스마트 표면에 효과적으로 이용할 수 있다.
반면에 한가지 자극에 대해 응답하는 소재들을 조합 해 다중 자극 응답성 스마트 표면을 구현할 수도 있다(Figire. 10d)[52]. 대표적으로 pH 자극 응답성 물질인 polyacrylic acid (PAAc)와 온도 자 극 응답성 PNIPAAm로 구성된 공중합체를 이용 하면 pH와 온도에 각각 응답하여 초친수-초발수 전이가 가능한 스마트 표면을 구현할 수 있다. 또 한 표면 마이크로 패터닝(micropatterning)을 통해 표면 거칠기를 제어해 접촉각 변화의 차이를 증폭 시킬 수 있다[53]. 이 표면은 PNIPAAm 코팅 표면 처럼 온도 변화에 따라 젖음성이 변화하는데, 공 중합체 내 AAc의 비율이 증가하게 되면 LCST가 증가하여, 초친수-초발수 전이 온도도 증가하게 된다. pH 7에서 AAc의 탈수소화가 일어나게 되 고, 이로 인해 약간의 증가에도 LCST는 크게 증 가한다. pH 3에서는 AAc의 양성자화가 일어나게 되고, LCST의 증가가 상대적으로 작게 일어난다.
추가로 pH 조절을 통해 하이드로겔 코팅의 젖음 성을 향상시켜, 초발수-초친수 상태를 만들어줄 수 있다[54]. 그 결과 pH 11에서 초친수성, pH 2 에서 초발수성을 보이는 다중 응답 특성의 표면 구현이 가능하다.
5. 결론 및 전망
본 기고문에서는 물리적 자극(온도, 빛, 전기장, 자기장) 및 화학적 자극(pH, 이온), 다중 자극을
포함한 외부 자극에 의해 물에 대한 표면의 젖음 성이 제어되는 스마트 자극 응답성 표면의 최근 발전 및 연구 동향에 대해 살펴보았다. 초발수-초 친수로 표면의 젖음성 전이를 효과적으로 조절하 기 위해서는 표면의 화학적 조성, 표면에너지, 표 면 미세구조를 정교하게 제어할 수 있는 기술의 확보가 선행되어야 한다. 더 나아가 스마트 자극 응답성 고분자의 일상생활을 포함한 다양한 산업 분야에서의 응용 가능성을 고려하면, 다음과 같은 분야에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
1. 오일과 물의 분리(oil-water separation)를 위한 스마트 분리막
2. 선박 및 잠수함 등의 생물학적 오염(Anti-bi- ofouling)을 방지하기 위한 기능성 방오 코팅 소재
3. 사막과 같은 물 부족 지역에서 안개를 모아 주기 위한 스마트 물 응축 시스템(water con- densation system-fog collection) 구축 4. 의료용 기기, 전자 기기 등에 적용되는 습기
방지 코팅 소재
5. 자동차 내/외장재, 디스플레이, 건물 외벽 등에 적용되는 자기 정화(self-cleaning) 코팅 소재 6. 항공기, 풍력 발전 터빈 등에 적용되는 방빙
코팅 소재
이처럼 자극 응답성 스마트 표면 제어 기술이 다양한 산업분야에 적용 가능함에도 불구하고 약 한 기계적 강도와 내구성, 다중 자극 응답성 스마 트 소재의 부족은 자극 응답성 스마트 표면의 실 제적인 응용을 저해한다. 따라서 복잡 다양한 자 극에 응답할 수 있는 다중 응답 스마트 소재를 개 발하고, 기계적/열적 안정성을 향상시키면 실제 응용 기술에 접목해 새로운 스마트 나노 표면을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 첨단 산업 분 야에 응용 가능할 것으로 기대된다.
References
1. M. Calliea and D. Quéré, On water repellency,
Soft Matter, 1, 55-61 (2005).
2. H. Zhu and Z. Guo, Understanding the sep- arations of oil/water mixtures from immiscible to emulsions on super-wettable surfaces, Journal of
Bionic Engineering, 13, 1-29 (2016)
3. G. D. Crevoisier, P. Fabre, J. M. Corpart and L. Leibler, Switchable tackiness and wetta- bility of a liquid crystalline polymer, Science, 285, 1246-1249 (1999).
4. T. Young, An essay on the cohesion of fluids.
Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 95, 65–87 (1805).
5. R. N. Wenzel, Resistance of solid surfaces to wetting by water, Transactions of the Faraday
Society, 28, 988-994 (1936).
6. A B D Cassie and S. Baxter, Wettability of porous surface, Transactions of the Faraday
Society, 40, 546–551 (1944).
7. A. Lafuma and D. Quéré, Superhydrophobic states, Nature Materials, 2, 457-460 (2003).
8. W. Barthlott and C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta, 202, 1-8(1997).
9. B. Wilhelm and N. Ehler, Raster-Elektronen- mikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten, Tropische und Subtropische
Pflanzenwelt, Mainz: Akademie der Wiss. u.
d. Literatur; Wiesbaden: Steiner [in Komm.], German, 19, 1-105 (1977).
10. T. Onda, S. Shibuichi, N. Satoh, and K.
Tsujii, Superwater-repellent fractal surfaces,
Langmuir, 12, 2125–2127 (1996).
11. A. Ahuja et al., Nanonails: a simple geometrical approach to electrically tunable superlyophobic- surfaces. Langmuir, 24, 9–14 (2008).
12. A. Tuteja et al., Designing superoleophobic surfaces, Science, 318, 1618–1622 (2007).
13. T. Wong et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omni- phobicity, Nature, 477, 443–447 (2011).
14. A. Lafuma and D. Quéré, Slippery pre-suffused surface, Europhys. Lett., 96, 56001 (2011).
15. X. Feng and L. Jiang, Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces, Adv. Mater., 18, 3063-3078 (2006).
16. G. Möller, M. Harke, H. Motschmann, H. and D. Prescher, Controlling micro droplet formation by light, Langmuir, 14(18), 4955–4957 (1998).
17. X. Qu, N. Liu, F. Zhang, Y. Li, L. Feng, and L. Jiang, Aminoazobenzene @ Ag modified meshes with large extent photo-response:
Towards reversible oil/water removal from oil/water mixtures, Chemical Science, 10, 4089 –4096 (2019).
18. H. Kang, Y. Liu, H. Lai, X. Yu, Z. Cheng, and K. Jiang. Under-oil switchable super- hydrophobicity to superhydrophilicity transition on TiO2 nanotube arrays, ACS Nano, 12, 1074 –1082 (2018).
19. Y. Pan, W. Kong, B. Bhushan, X. Zhao, Rapid, ultraviolet-induced, reversibly switchable wettability of superhydrophobic/superhydrophilic surface, Beilstein Journal of Nanotechnology, 10, 866–873 (2019).
20. P. Raturi, K. Yadav, J. Singh. ZnO-nanowires- coated smart surface mesh with reversible wettability for efficient on-demand oil/water separation, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 6007–6013 (2017).
21. J. Yong, F. Chen, Q. Yang, U. Farooq, and X. Hou. Photoinduced switchable underwater superoleophobicity-superoleophilicity on laser modified titanium surfaces, Journal of Materials
Chemistry A, 3, 10703–10709 (2015).
22. L. Chen, T. Yang, Y. Niu, X. Mu, Y. Gong, Y. Feng, N. Rooij, Y. Wang, H. Li, and G.
Zhou. Building a smart surface with converse temperature-dependent wettability based on poly(acrylamide-co-acrylonitrile). Chem. Commun.,
56, 2837–2840 (2020).
23. Y. Song et al., Temperature-tunable wettability on bioinspired structured graphene surface for fog collection and unidirectional transport.
Nanoscale, 10, 3813–3822 (2018).
24. E. Velayi and R. Norouzbeigi, Annealing temperature dependent reversible wettability switching of micro/nano structured ZnO super- hydrophobic surfaces. Appl. Surf. Sci. , 441, 156–164 (2018).
25. T. Banuprasad, T. Vinay, C. Subash, S. Varghese, S. George, S. Varanakkottu. Fast transport of water, droplets over a thermo-switchable surface using rewritable, wettability gradient. ACS Applied
Materials & Interfaces, 9, 28046–28054 (2017).
26. L. Chang, H. Liu, Y. Ding, J. Zhang, L. Li, X. Zhang, M. Liu, L. Jiang. A smart surface with switchable wettability by an ionic liquid.
Nanoscale, 9, 5822–5827 (2017).
27. W. Zhang, N. Liu, Q. Zhang, R. Qu, Y. Liu, X. Li, Y. Wei, L. Feng, and L. Jiang, Thermo-driven controllable emulsion emulsion separation by a polymer decorated membrane with switchable wettability, Angew. Chem. Int.
Ed., 57, 5740–5745 (2018).
28. F. Mugele and J. Baret, Electrowetting: From basics to applications, Journal of Physics
Condensed Matter, 17, R705–R774 (2005).
29. J. Lahann, S. Mitragotri, T. Tran, K. Kaido, J. Sundaram, I. Choi, S. Hoffer, G. Somorjai, and R. Langer, A reversibly switching surface,
Science, 299, 371–374 (2003).
30. R. Pernites, C. Santos, M. Maldonado, R.
Ponnapati, D. Rodrigues, and R. Advincula, Tunable protein and bacterial cell adsorption on colloidally templated superhydrophobic poly- thiophene films, Chemistry of Materials, 24, 870–880 (2012).
31. Q. Zhang, J. Kang, Z. Xie, X. Diao, Z. Liu,
and J. Zhai, Highly efficient gating of elec- trically actuated nanochannels for pulsatile drug delivery stemming from a reversible wettability switch, Adv. Mater., 30, 1703323 (2018).
32. Q. Wang, B. Xu, Q. Hao, D. Wang, H. Liu, and L. Jiang, In situ reversible underwater superwetting transition by electrochemical atomic alternation, Nature Communications, 10, 1212 (2019).
33. Bin Du, Feng Chen, Rubai Luo, Huailin Li, Shisheng Zhou, Shiyi Liu, and Jie Hu, Super- hydrophobic surfaces with ph-induced switch- able wettability for oil−water separation, ACS
OMEGA, 4, 16508-16516 (2019).
34. Xinjuan Zeng, Kangquan Yang, Chaoyun Huang, Kai Yang, Shouping Xu, Li Wang, Pihui Pi, and Xiufang Wen, Novel ph-res- ponsive smart fabric: from switchable wetta- bility to controllable on-demand oil/water sep- aration, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7, 368-376 (2019).
35. Meixiao Cheng, Hui He, Hongxiang Zhu, Wei Guo, Wenbo Chen, Fei Xue, Shile Zhou, Xingjuan Chen, and Shuangfei Wang, Preparation and properties of pH-responsive reversible- wettability biomass cellulose-based material for controllable oil/water separation, Carbohydrate
Polymers, 203, 246-255 (2019).
36. Zhongjun Cheng, Hua Lai, Ying Du, Kewei Fu, Rui Hou, Chong Li, Naiqing Zhang, and Kening Sun, pH-induced reversible wetting transition between the underwater superoleo- philicity and superoleophobicity, ACS Applied
Materials & Interfaces, 6, 636-641 (2014).
37. Zhao Dang, Libin Liu, Yan Li, Yu Xiang, Gailan Guo, In situ and ex situ ph-responsive coatings with switchable wettability for controllable oil/water separation, ACS Applied
Materials & Interfaces, 8, 31281-31288 (2016).
38. S. Fujii, E. S. Read, B. P. Binks, and S. P.
Armes, Stimulus-Responsive Emulsifiers Based on Nanocomposite Microgel Particles, Adv.
Mater., 8, 1014-1018 (2005).
39. Yuheng Xu, Zedong Zhang, Xiangfei Geng, Jing Jin, Muzaffar Iqbal, Aijuan HanBin Ding, and Junfeng Liu, Smart carbon foams with switchable wettability for fast oil recovery,
Carbon, 149, 242-247 (2019).
40. Wenjing Ma, Mengjie Zhang, Yuansheng Li, Mengmeng Kang, Chaobo Huang, and Guodong Fu, Flexible, durable and magnetic nanofibrous membrane with pH-switchable wettability for efficient on-demand oil/water separation, Environmental Science Nano, 6, 3699-3711 (2019).
41. B. Liu and F. F. Lange, Pressure induced transition between superhydrophobic states:
Configuration diagrams and effect f surface feature size, Colloid & Interface Science, 298, 899–909 (2006).
42. J. Li, Z. Jing, F. Zha, Y. Yang, Q. Wang and Z. Lei, Facile, Spray-coating process for the fabrication of tunable adhesive superhydro- phobic surfaces with heterogeneous chemical compositions used for selective transportation of micro-droplets with different volumes, ACS
Applied Materials & Interfaces, 6, 8868-8877
(2014).43. K. Feng, G. Hong, J. Liu, M. Li, C. Zhou and M. Liu, Fabrication of high performance superhydrophobic coatings by spray-coating of polysiloxane modified halloysite nanotubes,
Chemical Engineering, 331, 744-754 (2018).
44. J. Zhang and S. Seeger, Polyester materials with superwetting silicone nanofilaments for oil/water separation and selective oil absorp- tion, Advanced Functional Materials, 21, 4699-
4704 (2015).
45. Jaroslav Mosnáček, Anton Popelk, Josef Osicka, Jaroslav Filip, Marketa Ilcikova, Jozef Kollar, Ammar B. Yousaf, Tomas Bertok, Jan Tkac, and Peter Kasak, Modulation of wettability, gradient and adhesion on self-assembled mono- layer by counterion exchange and pH, Colloid
& Interface Science, 514, 511-521 (2018).
46. Shu-Han Hsu, David N. Reinhoudt, Jurriaan Huskens, and Aldrik H. Velders, Lateral inter- actions at functional monolayers, Materials
Chemistry, 21, 2428-2444 (2011).
47. Shuang Li, Paul Cao, Ramon Colorado, Xiaoping Yan, Irmgard Wenzl, Olga E.
Shmakova, Michael Graupe, T. Randall Lee, and Scott S. Perry, Local packing environment strongly influences the frictional properties of mixed CH3- and CF3-terminated alkanethiol SAMs on Au(111), Langmuir, 21, 933-936 (2005).
48. Josef Osicka, Marketa Ilčiková, Anton Popelka, Jaroslav Filip, Tomas Bertok, Jan Tkac, and Peter Kasak, Simple, Reversible, and Fast modulation in superwettability, gradient, and adsorption by counterion exchange on self- assembled monolayer, Langmuir, 32, 54915- 55499 (2016).
49. Lili Ma, Jinmei He, Jiaxin Wang, Yichen Zhou, Yu Zhao, Yuangang Li, Xiangrong Liu, Lei Peng, and Mengnan Qu, Functionalized Superwettable fabric with switchable wetta- bility for fficient oily wastewater purification, in situ chemical reaction system separation, and photocatalysis degradation, ACS Applied
Materials & Interfaces, 11, 43751-43765 (2019).
50. Liping Wen, Ye Tian, Lei Jiang, Bioinspired super-wettability from fundamental research to practical applications, Angew. Chem. Int. Ed., 54, 3387-
3399 (2015).
51. Changrui Gao, Zhongxue Sun, Kan Li, Yuning Chen, Yingze Cao, Shiyan Zhang, and Lin Feng, Integrated oil separation and water purification by a double-layer TiO2-based mesh, Energy & Environmental Science, 6, 1147-1151 (2013).
52. Ibrahim M. A. ElSherbiny, Ahmed S. G.
Khalil, and Mathias Ulbricht, Tailoring Surface characteristics of polyamide thin-film composite membranes toward pronounced switchable wettability, Advanced Materials Interfaces, 6, 1801408 (2019).
53. I. M. A. El-Sherbiny, A. S. G. Khalil, M.
Ulbricht, Surface micro-patterning as a prom-
ising platform towards novel polyamide thin- film composite membranes of superior perform- ance, Membrane Science, 529, 11-22 (2017).
54. Sanchuan Yu, Zhenhua Lü, Zhihai Chen, Xuesong Liu, Meihong Liu, and Congjie Gao, Surface modification of thin-film composite polyamide reverse osmosis membranes by coating N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid copolymers for improved membrane properties,
Membrane Science, 371, 293-306 (2011).
55. Ho Sun Lim, Joong Tark Han, Donghoon Kwak, Meihua Jin, and Kilwon Cho, Photo- reversibly switchable superhydrophobic surface with erasable and rewritable pattern, J. Am.
Chem. Soc, 128, 14458-14459 (2006).
임 가 현
2016~2020 숙명여자대학교 화공생명공학부 학사
2020~현재 숙명여자대학교 화공생명공학과 석사
노 유 진
2016~2021 숙명여자대학교 화공생명공학부 학사
2021~현재 숙명여자대학교 화공생명공학과 석사
임 호 선
2002 서울시립대학교 환경공학부 학사 2004 포항공과대학교 환경공학부
(고분자공학 전공) 석사 2008 포항공과대학교
화학공학과(고분자공학 전공) 박사 2009~2011 Massachusetts Institute of
Technology, Materials Science &
Engineering, Postdoctoral Associate
2011~2016 한국전자기술연구원 선임연구원 2016~현재 숙명여자대학교 화공생명공학부
부교수
![[기획특집: 기능성 유기 신소재] 나노 구조를 이용한 초발수 표면 특성 제어 기술](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)