초소수성 표면과 자가세정작용

특히 연잎은 표면을 깨끗하게 유지하기 위하여 물방울이 쉽게 굴러 떨어지는 초소수성 표면을 가지고 있으며, 이를 lotus effect라 부르기도 한다[9-11, 51-53]. 1963년 Dettre와 Johnson에 의하여 최초로 연구가 수 행된 이래로, 연잎의 특성을 모방하기 위한 연구들이 꾸준히 진행되어 왔다. 연잎의 표면은 Figure 12와 같이 지름 5～10㎛, 높이 0.5～1.0㎛의 마이크로 돌기 위에 10～30㎚ 크기의 나노 사이즈의 돌기가 분포되어 있 는 마이크로-나노의 이중구조를 가지고 있다. 또한 그 위에는 epicuticular hydrocarbon wax tubules라 알려진 표면에너지가 낮은 화 학물질로 덮여있다. Koch 등[51]의 연구에 따르면 편평한 왁스 표면 위 에서는 물방울의 접촉각이 약 110°였던 반면, 연잎 위에서는 164°의 높 은 접촉각을 기록하였다. 따라서 연잎의 초소수성은 낮은 표면에너지를 가지는 왁스성분과 표면 돌기의 이중 거칠기 구조가 조합됨에 따른 결과 이며, 이를 통하여 초소수성 표면을 이루기 위해서는 낮은 표면에너지와 마이크로-나노의 이중 거칠기가 핵심적인 요소임을 알 수 있다.

이렇듯 자연계에 존재하는 초소수성 표면이 마이크로-나노 수준의 이 중구조와 표면에너지가 낮은 화합물로 이루어진다는 사실이 밝혀진 후, 물리적 혹은 화학적 방법으로 초소수성 표면을 구현하려는 수많은 연구 들이 진행되고 있으며, 섬유분야에서도 직물 고유의 거칠기를 활용하여 초소수성 표면을 구현하려는 다각적인 방법들이 시도되고 있다.

Figure 12. SEM images of the lotus(nelumbo nucifera) leaf surface[51].

초소수성 표면의 대표적인 특징 중 하나는 물방울의 roll-off 현상으로 표면에 붙은 오구를 제거하는 자가세정작용(self-cleaning)이다[53-56].

Figure 13은 초소수성 표면에서의 자가세정작용을 나타낸 개념도이다.

편평한 표면에서와 달리, 이중구조의 거칠기를 가지는 초소수성 표면에 서는 물방울이 구형을 이룬다. 표면이 일정 각도로 기울어지면 물방울은 쉽게 굴러 떨어지며, 이와 동시에 표면의 오구 입자는 굴러 떨어지는 물 방울에 부착되어 표면에서 제거된다[53].

따라서 효과적인 자가세정기능을 구현하기 위해서는 물방울의 roll-off 현상이 필수적으로 일어나야 한다. 또한 자가세정작용은 오구입자와 고 체표면과의 결합력보다 물방울과의 접착력이 더 클 때 일어나는 현상이 므로, 고체표면과 오구입자와의 결합력을 약하게 만들 필요가 있다[54].

이는 낮은 표면에너지와 큰 표면 거칠기를 통하여 높은 접촉각과 낮은 접촉각 히스테리시스를 실현했을 때 가능하다.

Figure 13. Schematic illustration of the self-cleaning mechanism.

(a) A normal smooth surface, and (b) a superhydrophobic surface[53].