나노 또는 마이크로 크기의 구조를 가진 Polymer의 표면에 대한 연구는 다양 한 응용분야에 적용할 목적으로 많은 관심을 끌고 있다. 대표적인 분야가 물이 나 기름이 잘 묻지 않는 필름소재, 투과성 소재, 그리고 섬유소재 분야 등이다.
여기에 더하여 단백질 및 Cell 흡착 분야 등도 관심을 끌고 있다[90-92]. 발수성 폴리머 표면의 제조는 화학물질의 coating을 이용한 화학적 습식 방법[91],
fluorocarbon 플라즈마를 이용한 표면처리 방법[94-97], 또는 O2 등 non-
fluorocarbon 플라즈마로 전처리후 화학반응에 의한 coating 물질을 생성하는 방
법[98-100] 등이 있다.
표 A.1.1 에 플라즈마 건식처리와 화학적 습식 (Chemical Wet) 처리 간의 특 징 및 장단점을 나타내었다[99]. 화학적 습식방법에 의한 처리방법은 각종 용액 을 사용하므로 다량의 폐액 및 휘발성 유기용제에 의한 오염과 같은 심각한 환 경 오염을 야기할 수 있다. 비용측면에서도, 화학적 습식 식각의 경우 용액을 이용한 복잡한 제조공정과 폐액 재처리 시설 및 비용 등이 필요하게 된다. 이 에 비해 플라즈마 처리 기술은 건식기술로 폐액이 생성되지 않으므로 친환경적 인 기술로 플라즈마 처리 공정을 포함한 간단한 공정으로 구성이 가능하며 폐 액 처리 공정이 불필요하여 저비용의 장점을 갖는다. 양산성 측면에서도, 단순 한 공정 및 소요비용이 적다는 장점을 지니게 된다.
표 A.1.1 플라즈마 건식처리와 화학적 습식 처리 간 장단점 비교 [101]
특징 및 장단점 플라즈마 건식 화학적 습식 (Chemimical Wet) 기본 단위공정 수 2 ~ 3 공정 6 ~ 7 공정 이상.
제조 Film 특성
건식 플라즈마 기술 적용으로 방오 기능, 균일도, 표면경도, 측면에서 우수.
경도, Haze 측면에서 취약함.
비용
단순 공정으로 초기투자비가 적고 유지비를 제외한 환경처리 비용이 거의 없어 원가 경쟁력 우수.
복잡한 공정으로
초기투자비와 유지 관리비가 많이 들며,
폐액 처리 비용이 많이 들어 원가 상승 요인이 매우 큼.
친환경 측면
폐액 배출이 없고 배기가스처리가 용이한 친환경 기술
다량의 폐액, Fume 발생으로 대기, 수질, 토양 등
환경오염 유발.
물체의 표면은 물과 같은 액체에 대한 특성에 따라 소수성 (Hydrophobic)과 친수성 (Hydrophilic)으로 나뉜다. 소수성은 앞에서 잠시 언급한 바와 같이 폴리 머, Film, 섬유 등에 응용되며 친수성의 경우도 그 필요성에 따라 도료나 coating 등 다양한 곳에 응용되는 성질이다. 그 중에서도 발수성의 응용분야는 점차 그 저변을 넓혀가고 있는 상황이다. 이러한 소수성과 친수성의 성질에 대한 연구 는 오래 전부터 이뤄져 왔다[102, 103]. 가장 잘 알려진 소수성의 현상은 연잎이 나 토란잎에서의 물방울의 거동과 자정작용이다. 연잎의 표면을 전자현미경으
로 관찰하여 그 표면이 그림 A.1.2에서 볼 수 있는 바와 같이 20~40 μm 로 떨 어진 봉우리로 굴곡을 갖는 표면임을 확인하였다 [104]. 또한, 연구를 통해 표 면이 갖는 Roughness 와 더불어 낮은 표면 에너지를 갖는 경우, 접촉각 150도 에 이르는 초소수성 표면을 갖는다는 것을 확인하였다. 표면 거칠기가 소수성 에 미치는 영향에 대해 몇 가지 모델이 Wenzel [102], Cassie 와 Baxter [103] 연구 그룹에 의해 제시되었다. Wenzel model 에 의하면 표면 거칠기가 증가할수록 소수성이 증가하며 Cassie와 Baxter가 제시한 모델에서는 액-고 표면상호작용에 서공기와의 접촉률이 주요소가 된다고 된다고 보고하였다. 이러한 표면의 거칠 기와 함께 중요한 요소 중 하나인 낮은 표면에너지에 대한 연구가 진행되어 각 화학결합이 갖는 표면에너지 값을 통해 결합 간 표면 에너지의 대소를 파악하 게 되었다.
그림. A.1.1 소수성과 발수성의 접촉각 [105]
그림. A.1.2 초소수성을 갖는 연잎의 이미지 및 구조 모사도 [106]
표 A.1.2 결합별 표면 에너지 [107]
Surface constitution
Surface Tension (mJ m-2, 20℃)
- CF3 6
- CF2 - 18
- CH2 - 31
PET 43
Zisman 등[107]에 의하면 표면의 최외각 분자층이 접촉각에 영향을 주게 되는
데 CFn 기능기와 같은 Fluorocarbon 결합이 낮은 표면에너지를 갖도록 한다고 알려져 있다. 표 A.1.2에서 볼 수 있는 바와 같이 CF3, CF2의 경우 상당히 낮은 값을 가지게 되며 CH2의 경우 상대적으로 큰 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 표 면 거칠기와 함께 상대적으로 낮은 표면 에너지의 결합을 가지고 있는 표면이
보다 소수성을 띠게 된다. 이러한 mechanism이 확인된 이후 인공적인 방법으로 소수성과 친수성을 가진 표면을 구현하기 위한 연구가 계속되어 왔다. 다음 절 에서는 종래의 연구에 대해 간략히 살펴보고자 한다.