In this work, a superhydrophobic property was demonstrated on a cylindrical poly-crystalline silicon nanoshell array fabricated by spacer lithography. Nanoshell array showed superhydrophobic property even without chemical coating on the surface with low surface energy material. The proposed structure showed superior water-repellency compared to a conventional pillar structure with an identical structural dimension. This superhydrophobic property is attributed to an air pillar that exists in the nanoshell. Through the calculation of capillary pressure, the stability of the air pillar was confirmed. Furthermore, a droplet impinging test was conducted on the fabricated cylindrical nano-shell array to verify the stability of Cassie state under a dynamic condition. Furthermore, Gibbs free energy difference of two wetting states was calculated to show that the stability of Cassie state can be enhanced by increasing the height of nanoshell array. As a result, various heights of nanoshell array were fabricated and wetting behavior on each of the structure was studied.
Inspired from the structural advantage of nanoshell array, transparent and superhydrophobic PDMS microshell array was fabricated. Self cleaning effect of PDMS microshell array was demonstrated on the solar cell module when dust particle was imposed on the surface. As a result, PDMS microshell array showed superior dust removal effect, hence showing better solar cell efficiency recovery over flat PDMS. Cylindrical shell-like superhydrophobic surface is a promising candidate for self cleaning application in solar cell.
본 연구에서는 초정밀 나노 단위 패터닝 기술인 spacer lithography를 사용한 폴리실리콘 nanoshell 배열 구조의 공정 및 이의 초소수성 표면 특성에 대해서 살펴본다. 본 nanoshell 구조는 낮은 표면에너지를 가지는 화학적 물질의 코팅 없이도 초소수성 표면을 가짐을 보였다. 또한 본 구조는 동일한 구조적 크기를 가지는 기존에 널리 알려진 기둥형 배열 구조에 비해서도 월등한 초소수성 표면 특성을 보였다. Nanoshell 구조의 이러한 특성은 격자 구조 내부에 갇혀있는 공기에 기인한 것인데, 이 격자 구조 내부에서의 모세관 압력을 계산함으로써 격자 구조 내부의 물에 대한 저항성을 입증하였다. 또한 운동 에너지를 가지는 물방울을 표면에 가함으로써 nanoshell 구조의 초소수성 특성의 안정성을 검증하였다. 더 나아가서, 표면의 Wenzel 상태와 Cassie 상태에서의 Gibbs free 에너지 계산에 의해, nanoshell 구조의 높이를 증가시킴으로써 초소수성 특성의 안정성을 개선할 수 있음을 보였다.
Nanoshell 구조의 이러한 구조적인 특성에 영감을 받아, 투명하면서도 초소수성 특성을 가지는 폴리디메틸실록산 (PDMS) microshell 구조를 제작하였다. 또한 본 구조의 초소수성 특성에 기인한 먼지 제거 효과로 인하여, 상용화된 태양전지의 효율 개선에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다. 그 결과 PDMS microshell 구조의 경우, 굴곡이 없는 평평한 PDMS 표면에 비해 월등한 먼지제거 효과를 보임을 확인하였다. 이러한 초소수성 표면의 먼지 제거 기능은, 먼지로 인한 태양전지의 효율 저하를 효과적으로 억제할 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제안한 cylindrical shell 구조는, 이의 자가 세척 효과로 인해서 태양전지에 적용되기에 적합한 표면 구조임을 주장한다.
