Hydrophobicity Evaluation of Oblique Micro-asperities Structures

경사 돌기 표면의 젖음 특성 평가

Abstract

In this study, we evaluate the anisotropic flow of droplets according to the directionality of asperities. We manufacture a mold with an inclined hole by adjusting the jig angle using a high-power diode laser. Using the manufactured mold, we prepare specimens for wettability studies by the micro molding technique. We fabricate twelve kinds of surfaces with micro-asperities inclined at 0°, 15°, 30°, and 45° for asperity pitches of 100 ㎛, 200 ㎛, and 300 ㎛. We evaluate the static and dynamic behaviors of the droplets as a function of the asperities pitch and inclination angles. The anisotropic effect increases as the pitch increases between asperities, and the anisotropic flow characteristics increase as the inclination angle of the asperities increases. On the surface with hole pitches of 100 ㎛ and 200 ㎛, the contact angle of the droplet shows high hydrophobicity at approximately 160°, but on the surface with the 300-㎛ hole pitch, the contact angle is approximately 110°, indicating that the hydrophobic effect rapidly reduces. Additionally, when the inclination angle of the asperities is approximately 30°, the left and right contact angle deviations of the droplet are the lowest, showing that the roll-off angle is relatively low.

1. 서론

초소수성 특성을 지닌 표면을 구현하고 응용하려는 노력은 소재, 자동차 코팅, 반도체, MEMS, 광학, 디스플레이, 장비산업 등 각종 산업분야에서 지속적으로 시도되고 있다. 초소수성 표면제작과 관련된 연구로는 전해질 속에서 전극에 의한 이온의 이동을 통하여 구조를 만들어 내는 electrochemical deposition을 이용한 방식[1,2], wet chemical reaction을 이용해 식각하는 방법[3], 원자 또는 분자 집단이 자발적으로 일정한 패턴으로 배열되는 특성을 활용한 self assembly 기법[4], 반응성 이온 또는 기체상의 화학 용매를 플라즈마의 중성 라디칼 확산을 이용하여 시료와 반응시킴으로써 이루어지는 plasma treatment 기법[5], 기체상의 반응물을 재료 표면에 퇴적시킴으로써 구조를 형성하는 chemical vapor deposition 기법[6], 광경화성수지를적층하여 구조물을만드는 stereolithography 기법[7] 등 다양한 방법 등을 통해 초수성 표면을 제작하려는 연구들이 있어 왔다. 이러한 기존의 초소수성 표면 연구들은 매우 성공적이나 제조공정이 복잡 또는 고비용의 문제가 있고 복잡한 형태를 가진 부품 적용의 한계가 있다. 기존의 초소수성 표면에 관한 연구는 액적의 흐름 방향과는 관계없는 등방성 표면(isotropic surface)에 대한 연구가 대부분이며 최근에는 액적의 유동 제어의 한 방법으로 이방성 흐름(anisotropic flow) 특성을 갖는 초소수성 표면에 대한 연구가 증대되고 있다[8-12]. 주로 단순 grooving의 통한 표면 패턴 제작에 관한 연구들이 주를 이루고 있고 최근에는 돌기 형태가 기울어진 hair 또는 rod의 형태에 관한 연구들도 보고 되고 있다. 이방성 흐름에 대한 선행연구[13]에서 벼 잎 표면에 존재하는 마이크로 돌기의 형상이 잎 끝 방향으로 기울어진 비대칭 콘(cone) 모양을 가지고 있고 벼 잎 돌기의 방향성에 따른 접촉각 이력(hysteresis)의 차이가 있음을 확인한 바 있다.

본 연구에서는 레이저 가공을 통한 몰드를 이용하여 해 경사진 마이크로 돌기구조를 제작하여 액적의 동적 거동을 평가하고자 하였다. 초단펄스 다파장 레이저(ultrashort pulsed multi-wavelength laser)를 이용하여 지그(jig)의 각도를 조절하는 방법으로 경사홀을 갖는 몰드를 제작하였고 마이크로 몰딩(micro molding) 기법을 적용하여 12종의 돌기의 경사각 및 피치가 다른 시편을 제작하였다. 제작된 시편에 대해 액적의 접촉각 및 roll off angle을 측정하여 경사돌기의 이방성 흐름에 대한 영향을 분석하였다.

2. 실험방법 및 내용

Fig. 1은 레이저 가공을 이용한 경사홀 가공 방법에 대한 개략도 및 실험 장치를 도시한 것이다. 초단펄스 다파장 레이저를 이용하여 지그의 각도를 조절하는 방법으로 경사홀을 갖는 몰드 12종 제작하였다. 제작한 몰드는 홀 직경을 50 µm, 홀 깊이를 100 µm로 고정하고 홀 피치 100 µm, 200 µm, 300 µm 각각에 대해 홀 경사각을 0º, 15º, 30º, 45º로 제작하였다.

Fig. 1. Schematics and test rig of laser micro texturing for oblique hole machining.

Fig. 2는 홀(hole) 간의 피치를 100 µm, 200 µm, 300 µm으로 가공한 시편의 표면을 도시한 것이다. 몰드를 이용하여 마이크로 몰딩 기법으로 젖음성을 평가할 시편을 제작하였다. PDMS (Sylgard 184)를 경화제와 10 : 1의 비율로 섞어 진공챔버에서 약 10분간 공기를 제거한 후 PDMS 혼합물을 몰드 위에 부은 뒤 진공챔버에서 기포를 제거한 후 24시간 정도 건조시키는 공정을 거쳤다. Fig. 3은 경사각을 0º 로 두고 홀 피치 100 µm, 200 µm, 300 µm로 제작한 시편과 홀 피치를 100 µm이면서 경사각이 15º, 30º, 45º인 시편의 SEM 이미지를 도시한 것이다. 액적의 접촉각 측정은 시린지 펌프(syringe pump)가 장착된 접촉각 측정기를 사용하여 5 µL의 물방울을 표면에 떨어뜨려 접촉각(contact angle) 및 접촉각이력(hysteresis)을 측정하였다.

Fig. 2. Molds machined by femto-second laser.

Fig. 3. SEM Images of molded surfaces with hole pitch of (a) 100 µm, (b) 200 µm, (c) 300 µm with non-oblique angle, and oblique angle of (d) 15°, (e) 30°, (f) 45° with hole pitch of 100 µm.

3. 실험결과 및 분석

Fig. 4는 제작한 12종의 시편에 대해 액적의 접촉각을 측정한 결과이다. 경사 돌기의 경우 액적의 왼쪽과 오른쪽의 접촉각 다르게 나타나는데 Fig. 4(a)의 결과는 각 시편별로 3회 측정하여 좌우 평균값으로 계산한 값이다. 홀 피치 100 µm와 200 µm에서는 액적의 접촉각이 약 160º 정도로 높은 소수성을 보이지만 300 µm에서는 접촉각이 약 110º 정도로 소수성 효과가 급격히 줄어듦을 알 수 있다. 이는 홀 피치 200 µm 이하에서는 액적이 돌기 구조 사이를 침투하지 못하고 liquid-air 계면을 형성하는 Cassie-Baxter 상태를 유지하고 있으나 홀 피치 300 µm 시편에서는 돌기 간격이 커지면서 액적이 기공을 침투하여 liquid-solid 계면이 커져 Wenzel 상태로 바뀐 것으로 생각된다.

Fig. 4. Static contact angles on 12 kinds of surfaces and their images of water droplet on each surface.

Fig. 5는 홀 피치 100 µm와 200 µm인 시편들에 대해 돌기 경사각에 따른 액적의 좌우 접촉각을 도시한 것이다. Fig. 5(a)의 홀 피치 100 µm에서는 돌기의 경사 방향(right)과 역경사 방향(left)의 접촉각이 크게 다르지 않으나, Fig. 5(b)의 홀 피치 200 µm에서는 좌우 접촉각이 100 µm에 비해 상대적으로 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 즉, 돌기간 간격이 적을 때는 돌기의 경사각이 증가하여도 액적의 좌우 접촉각 차이를 유발하지 않으나 돌기간 간격이 커지면서 액적이 돌기와 접하는 면적차이의 영향이 커지는 것으로 생각된다. Fig. 5(c)는 액적의 좌우 접촉각 차이를 도시한 것인데, 홀 피치 200 µm 시편에서는 30º 돌기 경사각을 갖는 시편의 좌우 접촉각 편차가 가장 적음을 알 수 있다.

Fig. 5. Comparison of left and right contact angles for surfaces with hole pitches of 100 µm and 200 µm.

Fig. 6과 Fig. 7은 홀 피치 100 µm와 200 µm인 시편들에 대해 시편을 기울여서 액적이 돌기의 경사방향과 역경사방향으로 흐를 때 액적이 굴러 떨어지는 roll-off angle을 측정한 결과이다. Fig. 6의 홀 피치 100 µm 시편들에서는 돌기의 경사각이 달라도 액적이 돌기의 경사방향와 역경사 방향으로 흐를 때 roll-off angle의 차이가 크지 않음을 알 수 있다. Fig. 7의 홀 피치 200 µm 시편에서는 전체적으로 홀 피치 100 µm 시편들에 비해 높은 roll-off angle을 가짐을 확인할 수 있다. 또한 액적이 돌기의 경사 방향으로 흐를 때 roll-off angle이 더 작으며 돌기 경사각이 커질수록 그 차이는 더 커지는 것을 알 수 있다. 흥미로운 점은 30º의 돌기 경사각을 갖는 시편이 가장 작은 roll-off angle을 보이는데 이는 Fig. 5(c)의 접촉각 편차에 대한 실험 결과에서 돌기 경사각 30º 시편이 좌우 접촉각의 차이가 거의 없기 때문에 액적이 좀 더 낮은 경사 각도에서도 잘 굴러가는 것으로 생각된다.

Fig. 6. Roll off angle with oblique angle of asperities for surface with hole pitch of 100 µm and their images of water droplet on each surface.

Fig. 7. Roll off angle with oblique angle of asperities for surface with hole pitch of 200 µm and their images of water droplet on each surface.

4. 결론

본 연구에서는 경사진 마이크로 돌기구조를 제작하여 액적의 동적 거동을 평가하고자 하였다. 초단펄스 다파장 레이저를 이용하여 지그의 각도를 조절하는 방법으로 경사홀을 갖는 몰드를 제작하였고 마이크로 몰딩기법을 적용하여 12종의 돌기의 경사각 및 피치가 다른 시편을 제작하였다. 제작된 시편에 대해 액적의 접촉각 및 roll off angle을 측정하였다. 돌기간의 피치가 작을 때는 액적의 이방성 흐름 특성이 나타나지 않고 돌기간의 피치가 커지면 돌기의 경사각이 액적과의 접촉면적에 영향을 주어 이방성 효과가 커짐을 알 수 있었다. 또한 돌기의 경사각이 증가함에 따라 이방성 흐름 특성이 증가 하나 돌기의 경사각이 30º 정도일 때는 좌우 접촉각 편차가 작아 roll off angle이 상대적으로 낮음을 알 수 있었다.