서지주요정보
Study on the fabrication of superhydrophobic surfaces by bottom-up approach and their applications = 초소수성 표면의 상향식 제조 및 응용에 관한 연구
서명 / 저자 Study on the fabrication of superhydrophobic surfaces by bottom-up approach and their applications = 초소수성 표면의 상향식 제조 및 응용에 관한 연구 / Kwangseok Seo.
저자명 Seo, Kwangseok ; 서광석
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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초록정보

Generally, a superhydrophobic surface has properties of extreme water repellency, showing a very high water contact angle greater than $150^\circ$ and a very low water drop roll-off angle less than $10^\circ$. Water drops on a superhydrophobic surface can move freely, while keeping the surface clean by detaching and removing dust from the surface. These surfaces can be easily found in nature, such as a lotus leaf, a clover leaf, a dragonfly and a water strider. There have been various studies on the applications of these unique features. Various applications, such as self-cleaning effect, drag-reduction, a stain-free fabric, water-oil collecting system, and droplet guiding system, have been studied by applying a superhydrophobic surface. For a wide-range of applications of superhydrophobic surfaces, it is necessary to develop low-cost and quick process for the fabrication of a superhydrophobic surface. In this study, simple fabrication of superhydrophobic surfaces by bottom-up approach and their applications are studied. A stable superhydrophobic surface is quickly created by fixing fragile candle soot particles with paraffin wax. It is interesting that a superhydrophobic surface can be made with only a candle. The fabrication does not require further materials and processes, such as additional solvent, surface treatment, drying process or post-treatment. Coating layer fabricated in this way has an improved durability against drop impact by up to a factor of 50, compared to a bare soot coating without paraffin wax treatment. The mechanism behind the durability enhancement has been explained. The simple coating method can be applied to various surfaces, such as metal, ceramic, wood, plastic and even paper. Proof-of-concept demonstrations in the application of this coating method are provided. For a transparent superhydrophobic surface, coating materials should be transparent and hydrophobic. Also, the surface roughness of the final coating should be as small as about 100 nm due to the Mie scattering effect, while maintaining superhydrophobicity. In order to satisfy those particular conditions, usually cumbersome and time-consuming processes were used. In this work, it was found that the controlled combustion of PDMS oil generates hydrophobic silica nanoparticles. A transparent superhydrophobic coating can be successfully created with commercial silicone oil and a spray system. The silicone oil-based process does not require any additional solvent and further processes. It is expected that this process will provide inexpensive and quick fabrication of a transparent superhydrophobic surface and has a strong potential in a wide range of applications. A superhydrophobic magnetic elastomer actuator has been developed for the fast droplet transportation. The large area surface of the magnetic elastomer actuator is successfully coated with an airbrush by employing a solvent/non-solvent method with isotactic polypropylene. The movement of the droplet can be controlled through a local deformation of the surface of the elastomer by the magnetic actuation. The applicability of the devices as a new type of open-surface digital microfluidics is also demonstrated with a simple chemical reaction.

초소수성 표면이라 함은 $150^\circ$ 이상의 물방울의 접촉각을 가지며, $10^\circ$ 이하의 구름각 (roll-off angle)을 가지는 표면을 말한다. 이들 표면은 실제 고체 표면과 물이 접촉하는 면적이 매우 작기 때문에, 매우 우수한 발수 특성과 매우 낮은 접촉각 이력(contact angle hysteresis)을 갖는다. 표면 위에서 물방울이 자유롭게 굴러다니기 때문에 표면 위의 먼지 등의 제거가 쉬워 항상 깨끗한 표면을 유지할 수 있다. 자연계에서 대표적으로 연꽃 잎을 들 수 있다. 이런 초소수성 표면은 고층 빌딩의 유리 혹은 태양전지 등에 활용될 수 있고, 물방울을 제어하는 마이크로 플루이딕스나 액적 수송 시스템에 응용할 수 있다. 또한, 선택적 젖음성에 따라서 물과 기름을 분리할 수 있는 분리막의 개발도 가능하며, 물방울과 표면 사이의 접촉 면적이 작아 항력 감소 효과도 기대할 수 있다. 이런 초소수성 표면의 다양한 활용을 위해서는 값싸고 빠른 제조 공정 개발이 필수적이다. 이 연구에서는 이를 위해 상향식 방식의 초소수성 표면 제조 및 그 응용에 관해 연구하였다. 일반적으로 탄화수소를 그을릴 때 나오는 소수성 나노 입자인 검댕을 파라핀 왁스로 고정하여 안정적인 초소수성 표면을 만들었다. 결론적으로 파라핀 왁스만으로 초소수성 표면을 만들 수 있는 공정으로, 완전히 비용매 방식으로 일반적으로 초소수성 표면 제조에 필요한 표면처리 공정, 건조 공정 및 후처리 공정 등이 필요 없다. 따라서 아주 값싸고 간편하게 초소수성 표면을 만들 수 있으며, 다양한 종류의 표면에 적용 가능함을 보였다. 또한, 이를 이용하여 물과 기름을 분리할 수 있는 초소수성 메쉬, 물방울을 자를 수 있는 초소수성 칼날 및 액적 제어를 위한 초소수성 트랙을 만들어 보임으로써 이들의 활용 가능성을 입증하였다. 투명한 초소수성 표면을 만들기 위해서 코팅할 물질이 투명해야 하며 나노미터 수준의 코팅층 두께가 추가적으로 요구된다. 따라서 기존에는 이들 조건을 맞추기 위해서 몇 단계의 공정이 필요했다. 이를 해결할 수 있는 방안으로 PDMS oil을 높은 온도에서 연소시키면 부산물로 소수성 나노 실리카 파티클을 얻을 수 있음을 발견하였다. 이를 이용하여 투명 초소수성 표면을 아주 값싸고 간편하게 만들 수 있는 공정을 개발하였다. 본 공정은 비용매 방식인 동시에 추가적인 건조공정과 표면 처리가 필요 없으며, 수 초내로 투명 초소수성 표면 제작이 가능하다. 앞으로 투명 초소수성 표면의 공정에 있어 획기적인 발전이 될 것으로 보인다. 마그네틱 엘라스토머와 초소수성 표면을 이용하여 새로운 형태의 액적 제어 시스템을 개발하였다. 대면적의 엘라스토머 표면에 초소수성 코팅을 하기 위해 용매/비용매 방식을 스프레이 방식으로 개량하였다. 자기장을 이용하여 마그네틱 엘라스토머 표면에 가역적으로 국부적 지형 변화를 유도할 수 있었다. 이 안에 액적을 가두어서, 마이크로플루이딕스에 필요한 기본 동작을 수행할 수 있었다. 가열이나 다른 외부 물질과의 접촉없이 빠른 속도로 액적을 제어할 수 있기 때문에 차후 액적 제어 시스템에서 많이 활용될 것으로 보인다. 손쉽게 제작 가능한 상향식 방식의 초소수성 표면의 제조와 그와 관련된 응용에 관한 본 연구로부터 초소수성 표면에 대한 깊은 이해와 보다 넓은 활용을 기대해 본다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 15038
형태사항 xii, 117 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 서광석
지도교수의 영문표기 : Do Hyun Kim
지도교수의 한글표기 : 김도현
수록잡지명 : "Candle-based process for creating a stable superhydrophobic surface". CARBON, v.68, pp. 583-596(2014)
수록잡지명 : "A superhydrophobic magnetic elastomer actuator for droplet motion control". Polymers for Advanced Technologies, v.24.no.12, pp. 1075-1080(2013)
Appendix: 1, Derivation of the Young's equation. - 2, Derivation of the Wenzel equation. - 3, Derivation of the Cassie-Baxter equations
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including references
주제 Superhydrophobic surface
Paraffin wax
Silicone oil
Nanoparticles
Magnetic elastomer
초소수성 표면
파라핀 왁스
실리콘 오일
나노파티클
마그네틱 엘라스토머
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