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미세구조를 갖는 소수성 표면에서의 액적 젖음 및 열전달 특성
이 성 혁 중앙대학교 기계공학부
부교수
shlee89@cau.ac.kr
일반적으로 액적이 표면과 상호작용을 일으키면서 나타나는 물리적 현상은 일상생활 및 다양한 산업응용분야에서 관찰되며 열 및 물질전달 그리고 표면개질 등 다양한 방식으로 적용되고 있다. 이러한 액적과 표면 과의 상호작용 현상은 스프레이 페인팅, 박막 코팅, 연소기관 내 스프레 이, 건축재료, 화재진압, 솔더링, 잉크젯 프린트, 금속담금공정에 쓰이는 분무냉각시스템, 원자로 건물살수 계통설비 및 바이오 분야 등과 같은 다 양한 분야에서 응용될 수 있다(그림 1 참조).
다양한 미세구조를 이용해 개질된 표면에서 나타나 는 액적의 젖음 및 열/물질전달에 대한 연구동향을 간략히 소개하고자 한다.
[그림 1] 액적-표면 상호작용의 응용분야
최근에는, 금속 혹은 폴리머 표면 성질을 개질 함으로써 액체의 젖음 특성을 예측가능하면서 능 동적인 형태로 변화시키고자 하는 연구들이 활발 히 진행 중이며 동력기관의 윤활성능 향상, 바이오 분야 및 자가세척 관련 응용분야 등에 응용될 수 있 을 것으로 기대된다. 실제로 액적과 고체표면간 상 호작용에 관한 연구는 액체-기체-고체 간의 접촉 현상을 “이해하는 것”(understanding)으로 출발하 여 “제어가능한”(controllable) 주요 인자들을 분석 함으로써 상기에서 언급한 다양한 분야에서 성능 향상기술, 부품 내구성 및 신뢰성 향상 기술 등에 기여할 수 있다.
액적의 젖음 특성에 미치는 주요인자
액적과 표면과의 상호작용에 주로 영향을 미치 는 인자는 그림 2에서와 같이 유체물성과, 충돌조 건, 그리고 표면특성 등이 있다. 잘 알려진 바와 같 이 유체의 물성과 충돌조건에 따른 액적의 대표적 동적거동은 고착(sticking), 되튀김(rebounding), 퍼짐(spreading), 스플래시(splash) 등이 있다.
Worthington(1876)의 연구가 보고된 이후 많 은 연구자들은 주로 유체물성과 충돌조건을 변화 시킴으로써 제어 인자를 발견하였고, 이러한 제어 인자들은 다양한 산업분야에 대한 최적설계기법에 적용되어 왔다. 최근, 표면가공기술 및 미세 제작기 술의 비약적 발전에 힘입어 표면구조의 미세설계
가 가능하게 되었으며 표면 성질을 개질하여 액적 의 동적거동과 열/물질전달 특성을 “제어가능”하 도록 설계하는 노력이 활발하게 진행되어 왔다.
미세구조를 갖는 소수성 표면 제작
우선 표면의 젖음 특성은 크게 친수성(hydro- philicity)과 소수성(hydrophobicity)로 구분할 수 있 다. 친수성의 경우는 액적의 평형접촉각이 90도 이 하인 경우를 나타내며 소수성은 90도 이상을 나타 낸다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 많은 연구자들은 다양한 미세구조를 갖는 표면을 제작하여 초소수 성표면(super-hydrophobic surface)을 제작하고 자가세척(self-cleaning) 혹은 다양한 응용분야에 적용하기 위한 기초연구를 수행하였다.
또한, 그림 4에서 볼 수 있듯이 우리가 일상생
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[그림 2] 액적-표면과의 상호작용에 미치는 주요인자
[그림 3] 초소수성 표면 제작 및 충돌액적의 동적거동에 관한 연구사례1,2)
[그림 4] 연꽃잎의 미세구조와 다양한 초소수성 미세구조 표면 사례3,4)
활에서 자주 접하는 연꽃잎은 잘 알려진 바와 같이 초소수성의 특징을 갖는다. 이러한 연꽂잎에 대한 표면특성을 다양한 방법으로 모사하여 초소수성 표면을 제작하려는 연구가 최근까지 매우 활발하 게 진행되어 왔다. 예를 들면, 나노섬유(nanofiber) 를 이용한 초소수성 표면과 리소그라피를 이용한 다양한 형상의 미세구조제작 등 표면의 젖음성질 을 개질하는 기술이 꾸준히 개발되었다. 그러나 대 부분의 연구들은 연꽂잎 구조를 기초로 접촉각을 크게 만드는 엠보싱(embossing)형태의 미세구조 를 제작하여 왔기 때문에 실제 산업사회에서 응용 하는 경우 표면마찰 및 외부 환경의 섭동에 의한 구 조 강건성(robustness) 및 내구성 측면에서 풀어야 할 많은 문제점이 존재한다. 따라서 상용화측면에 서 엠보싱형태의 미세구조는 추가적인 코팅 혹은 재료선정, 그리고 제한적인 응용범위 등 아직도 해 결해야 할 많은 문제를 가지고 있다.
미세 구조를 이용한 소수성 표면의 응용사례
실제로 많은 연구자들이 미세구조제작기술 을 개발하여 왔으며 다양한 응용분야에 적용하려 는 움직임이 최근에 활발하게 보고되고 있다. 예 를 들어, 결빙형성(ice formation)은 빌딩이나 농
업분야, 수송 분야(항공), 풍력터빈, HVAC 시스템 에 이르기까지 다양한 분야에서 매우 심각한 손상 을 야기시킬 수 있다. 급격한 압력 및 온도변화를 통해 상변화가 발생하면 중요부품 혹은 구조물에 심각한 결빙현상이 발생하기 때문이다. 이러한 문 제점을 표면개질을 통해 해결하려는 노력이 최근 보고되면서 산업계의 관심을 집중시키고 있으며 icephobic 표면에 대한 연구사례가 최근 많은 연구 자들의 이목을 집중시키고 있다.
그림 5 a)에서와 같이, 표면 결빙이 발생하면, 소수성 표면이 점차 친수성 표면으로 변화됨이 관 찰되었다. 실제로 고압전력 전송시 발생하는 이러 한 결빙 형성(ice formation) 현상은 전력네트워크 의 수송 성능을 현저히 저하시키는 문제점을 야기 시킬 수 있다. 그림 5 b)는 초소수성 알루미늄 전도 체가 얼음부착(ice adhesion)특성을 변화시킬 수 있음을 보여주는 것으로 지상 전력수송시스템 설 비에 충분히 적용될 수 있는 기초 연구결과로서 매 우 큰 의미를 갖는다. 이 외에도, 미세구조표면을 비등열전달 현상에 적용함으로써 열전달을 효과적 으로 제어하기 위한 노력도 활발하게 진행되고 있 으며 텍스처 표면을 통해 윤활성능을 향상시키고 자 하는 연구 역시 응용성이 높은 분야로 인식되고 있다.
a) 미세구조를 갖는 표면에서의 결빙에 따른 액적 거동 특성5)
b) 초소수성 표면을 갖는 전력선에 대한 결빙 특성6) [그림 5] 초소수성 표면에 대한 결빙현상 특성에 관한 연구사례
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미세 텍스처링을 이용한 소수성 표면 제작 및 액적 거동 특성
앞서 언급한 바와 같이, 기존에 보고된 대부분 의 소수성 표면들은 미세입자를 무작위로 코팅시 키거나 규칙적으로 설계된 돌출형 미세구조, 즉 엠 보싱형태의 표면구조를 이용하여 표면의 성질을 변화시켰다. 또한, 리소그라피를 이용한 공정의 경 우, 대부분 실리콘을 사용하여 초소수성표면을 제 작하기 때문에 응용성이 다소 제한적일 수 있다. 따 라서 대부분 금속계열을 사용하는 실제 많은 산업 응용분야의 경우, 상기에서 언급된 제작방법이 적 절하지 않을 수 있다. 실제 마찰이나 외부 섭동에 의한 기계적 접촉 등은 미세구조에 국부적 손상을 야기시킬 수 있기 때문에 장치의 내구성 및 신뢰성 확보에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제 점을 해결하기 위해 그림 6과 같이 금속표면에 미 세 홀(hole)을 가공함으로써 친수성인 금속을 소수 성으로 개질하고 열전달 및 젖음 특성을 변화시키 고자 하는 연구가 보고되고 있다.
제작된 텍스처 표면은 금속표면의 표면에너지 를 변화시킴으로써 충돌 후 액적의 퍼짐 특성을 변 화시킬 수 있다. 그림 7에 의하면, 텍스처 홀의 밀 도에 따라서 접촉각은 크게 증가하며 Cassie의 이 론식과도 잘 일치함을 볼 수 있다. 실제로 제작된 소수성 표면에 충돌하는 액적의 동적특성을 살펴 보는 것은 응용성 측면에서 매우 중요하다.
그림 8은 텍스처 홀이 존재하는 경우와 존재하
지 않는 경우에 대한 액적퍼짐 특성을 보여준다. 정 성적인 퍼짐 특성은 유사하게 나타나지만 그림 9 에서 볼 수 있듯이 동적접촉각(dynamic contact angle)과 최대퍼짐직경의 경우, 정량적인 차이를 나타내고 있다. 특히 텍스처 홀 밀도가 증가할수록 동적 접촉각은 증가하며 전반적으로 충돌 직후 급 격한 접촉각 감소를 보여준다.
상기에서 언급한 텍스처 표면에서의 액적충돌 현상은 충돌분무 및 열전달, 그리고 상변화 특성을 연구하는 데에 중요한 기초자료를 제공할 수 있다.
특히, 미세 홀 가공을 통한 표면 텍스처링 기법은 자동차 엔진 내 혹은 윤활이 요구되는 산업기기의
[그림 6] 미세 홀 텍스처링을 이용한 소수성 금속표면 특성7)
[그림 7] 텍스처 홀 밀도에 따른 접촉각의 변화7)
[그림 8] 텍스처 홀 밀도 및 충돌 속도에 따른 액적 퍼짐 특성 변화7)
표면 성능을 개질하는 데에도 응용될 수 있을 것으 로 기대된다.
미세구조를 갖는 소수성 표면에서의 열전달 특성
일반적으로 상변화현상은 일상생활에서 흔히 관찰할 수 있는 물리적 현상이다. 상 경계에서 발생 하는 비평형 현상은 고체표면에서 접촉선(contact line)을 형성하고 동적/정적인 상태에서 다상간의
상호작용으로 변화하게 된다. 특히, 열전달에 의한 액적 증발현상은 마이크로 열펌프, 핵비등, 코팅유 동 및 잉크젯프린터 등 다양한 응용분야에서 적용 될 수 있다.
미세구조를 갖는 소수성 표면의 경우, 액체- 기체-고체간의 접촉면에서 meniscus가 형성되 고 천이영역(transition region)에서 강한 증발현 상이 발생하게 된다.9) 따라서 표면의 특성에 따 라서 접촉면의 특성이 다르게 나타나므로 열전 달 특성도 상이하게 관찰된다. 그림 10은 OTS (octadecyltricholorosilane)와 AKD(alkyl ketene dimmer)를 이용한 소수성, 초소수성 그리고 친수 성 표면에서의 액적 증발현상을 가시화한 것이다.
[그림 9] 충돌 후 텍스처 표면에서의 동접촉각 변화 및 최대퍼짐직경 7)
[그림 10] 소수성 및 초소수성 표면과 친수성표면에서의 액적 증발특성 8)
[그림 11] 실리콘 소수성 표면에서의 액적증발특성 10,11) [표 1] 친수성 및 소수성 표면에서의 접촉각 및 증발시간8)
Surfaces Contact angle Center-height (mm)
Evaporation time (min)
AKD 160.59 1.7963 42.0
OTS 122.52 1.4005 27.5
Glass 58.64 0.8348 19.0
그림에서 동일한 부피의 액적의 경우 초소수성, 즉 접촉각이 증가할수록 증발시간이 증가함을 확인할 수 있다(표 1 참조).
AKD 혹은 OTS를 이용한 소수성표면들과 달 리, 친수성 특성을 갖는 실리콘웨이퍼 표면에(그림 11 참조) 규칙적인 미세구조를 갖도록 가공함으 로써 소수성을 가진 기능성 표면을 제작할 수 있다.
그림 11은 소수성을 가진 실리콘 표면에서의 액적 증발특성을 관찰한 예를 보여준다.
한편, 증발현상과 더불어 상변화의 중요한 현 상중의 하나인 응축현상은 다양한 산업영역에 응 용될 수 있다. 이러한 응축현상도 표면특성을 개 질함으로써 제어가능한 인자를 도출할 수 있으 며 아직까지도 이 부분은 많은 연구자들에 의해 연구가 진행되고 있는 분야이다. 실제로 응축액 (condensate)에 의해 젖지 않는 표면에서는 액적 형태의 응축이 발생하고 일반적으로 액막 형태의 응축보다 상변화 열전달에 있어서 약 10배 정도 효 율적이다.[12] 따라서 효율적인 응축현상을 제어하 기 위해서는 응축액이 빠르게 제거되어야 한다. 그 렇지 않으면 액적간의 융합(coalescence)현상에 의해 액적의 크기가 증가하게 되고 열전달을 저해 하는 요인이 될 수 있다. 그림 12는 parylene 코팅 된 텍스처 표면에서 응축된 액적들의 생성 및 융합 에 대한 실험결과를 보여준다. 일반적으로 Wenzel 상태에서의 액체 침투현상이 나타나고 이러한 응
축현상은 표면 에너지와 밀접한 관련성이 있는 것 으로 파악되고 있다. 그림 13 a)는 전형적인 매끄 러운 소수성 표면에서의 액적 응축현상을 나타내 며 그림 13 b)는 초소수성에 대한 액적 응축현상 이다. 그림에서 볼 수 있듯이 매우 상이한 현상이 나타나며 특히, 일반 소수성 표면에서는 액적에 대 한 강제 제거가 요구되는 반면 초소수성표면에서 는 자체적으로 제거되어 액적성장이 감소하는 현 상을 관찰할 수 있다.
맺음말
지금까지 다양한 미세구조를 이용해 개질된 표 면에서 나타나는 액적의 젖음 및 열전달 특성에 대 한 연구동향을 간략히 소개하였다. 최근 표면개질 을 통해 물리 현상을 제어하려는 활발한 연구노력 이 수행되고 있으며 향후 스프레이 페인팅, 박막 코 팅, 연소기관 내 스프레이, 건축재료, 화재진압, 솔더 링, 잉크젯 프린트, 분무냉각시스템, 원자로 건물살 수 계통설비 및 바이오 분야 등과 같은 다양한 산업 영역에서 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌
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[그림 12] 초소수성 표면에서의 응축된 액적 생성 및 상호작용 13)
[그림 13] 초소수성 표면에서의 응축된 액적 생성 및 상호작용12)
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