Development and Application of Superwettable Surfaces based on Nanotechnology

Abstract

Superwettable surfaces having superhydrophobic or superhydrophilic properties have attracted a lot of attention from many researchers because the surfaces can be usefully applied in various applications such as anti-fouling surfaces, self-cleaning surfaces, medical applications, optical applications, and oil/water separation materials. Although many researchers have developed fabrication methods of superwettable surfaces for functional uses, practical applications of these surfaces are still hindered by complex, high-cost, and toxic fabrication process. In this thesis, easy and eco-friendly fabrication methods of superwettable surfaces for practical applications are presented. First, simple and repeatable replication methods of superhydrophobic polymer films and tubes are developed to overcome limitations of conventional methods. The superhydrophobic films and tubes can be fabricated repeatedly using a single mold because the mold is not damaged by replication and detachment process. The superwettable films and tubes show special properties including excellent mechanical durability, flexibility, and optical property, so that they can be used to improve functions of various applications such as solar cells, and medical devices. Further, eco-friendly superhydrophobic coating method is developed in this thesis. Polydimethylsiloxane and ammonium bicarbonate, which are well known as non-toxic materials, are used as coating materials for superhydrophobic coatings. The durability of the superhydrophobic surfaces coated with the proposed method and applicability to various substrates are demonstrated. Next, for a wastewater treatment, superhydrophilic functional filters and a new concept of oil/water separation device are developed. The filters can be simply fabricated by dip process, so that large-sized functional filters can be easily produced, enabling treatment of large amounts of oily wastewater. When using the developed device and superhydrophilic functional filter, oil and water can be continuously separated with high efficiency. Furthermore, simple methods for fabrication of biomass filters are presented in this dissertation. The excellent durability and high oil/water separation capability of the green biomass filter are also demonstrated. The studies presented in this thesis will increase the practical applicability of superwettable multifunctional surfaces to various fields.

초젖음성 표면은 액체와의 접촉을 제어할 수 있어 미세유체전달, 자가세정, 유수분리 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다. 하지만, 기존 초젖음성 표면 제작 방법은 공정이 매우 복잡하고, 제작된 표면이 강건하지 않으며, 제작 공정 중 유해 물질을 사용해야한다는 단점이 있다. 본 연구에서는 기존의 한계들을 극복하는 초젖음성 표면 제작 방법을 개발하였고 제작된 표면의 산업적 응용 가능성을 검증하였다. 첫 번째 연구 주제는 투명하고 유연한 초발수성 필름의 제작 방법을 제시한 것으로, 알루미늄 표면에 마이크로/나노 구조를 형성하고, 이 구조를 폴리디메틸실록세인 (PDMS) 에 복제한 후, 경화된 PDMS 복제물을 에탄올 용액 속에서 몰드로부터 떼어내어 초발수성 필름을 제작하였다. 본 제작 방법은 알루미늄 몰드를 녹이지 않고 초발수성 필름을 반복 제작할 수 있어 생산성이 매우 뛰어나며, 제작된 필름은 PDMS 자체의 낮은 표면에너지와 몰드로부터 복제된 마이크로/나노 구조를 갖고 있어 후처리 공정 없이 초발수성을 나타냈다. 또한, 유연성과 물리적 내구성을 지녔으며, PDMS의 투명한 특성과 표면 마이크로/나노 구조로 인해 제작된 필름은 투명함과 동시에 표면에서 빛의 반사율을 낮추는 독특한 광학적 특성을 보였다. 이 광학적 특성으로 인해 제작한 필름을 태양전지판 위에 부착하였을 때, 태양전지 표면에서 빛의 손실을 줄일 수 있었으며, 그 결과 태양전지의 효율을 약 11% 향상시킬 수 있었다. 본 연구에서 제안한 유연하고 투명한 초발수성 폴리머 필름 제작 방법은 생산성이 뛰어나며, 제작된 필름의 물리적 특성과 광학적 특성으로 인해 다양한 곳에 응용될 것으로 기대된다. 두 번째 연구 주제는 내부 표면에 초발수성을 나타내는 유연한 튜브의 제작 방법을 제시한 것으로, 마이크로/나노 구조를 갖는 원기둥 형태의 알루미늄 표면 구조를 PDMS 에 복제한 후 경화된 PDMS를 헥산 용액 속에서 몰드로부터 분리하여 초발수성 튜브를 제작하였다. 경화된 복제물을 분리하는 과정에서 3차원 형상의 튜브 복제물을 몰드로부터 떼어내는 것이 불가능하기 때문에 PDMS가 유기 용액에 의해 팽윤되는 현상을 이용하여 복제물을 분리하였다. 알루미늄 몰드와 경화된 PDMS 복제물을 헥산에 담갔을 때, PDMS가 헥산에 의해 팽윤되었고 이 과정에서 복제물이 몰드로부터 점차 분리되었다. 20분의 침지 후 PDMS 복제물이 몰드로부터 완전히 분리되어 3차원 튜브 형태를 얻을 수 있었고, 팽윤된 PDMS 복제물을 20분간 건조하면 복제물 내 헥산이 모두 증발하여 팽윤되었던 복제물이 본래의 크기로 돌아가 원하는 PDMS 튜브를 얻을 수 있었다. 제작한 튜브는 PDMS 자체의 낮은 표면에너지와 내부 표면에 알루미늄 몰드로부터 복제된 마이크로/나노 구조를 갖고 있어 초발수성을 보였다. 본 연구에서 제안한 제작 방법으로 고-종횡비의 튜브를 쉽게 제작할 수 있었으며, 복제 및 분리 과정에서 몰드의 손상이 발생하지 않아 하나의 몰드로 초발수성 PDMS 튜브의 반복 제작이 가능하여 생산성이 매우 뛰어났다. 초발수성 튜브는 Cassie-Baxter 이론에 따라 표면에 공기층을 갖고 있어 유체 저항이 낮아지게 된다. 실험을 통해 초발수성 PDMS 튜브를 사용하였을 때, 유체 이송 능력이 향상되었음을 증명하였다. 또한, 튜브 표면에 혈액이 묻지 않는 특성을 증명하였다. 본 연구에서 제안한 PDMS 튜브 제작 방법은 종래 방법으로 제작하기 어려웠던 초발수성 튜브 제작의 어려움을 극복하였으며, 항력 감소와 혈액 오염 방지 특성으로 인해 유체 및 바이오 분야에 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 세 번째 연구 주제는 친환경 초발수성 코팅 방법에 관한 것으로, 무해한 물질로 널리 알려져 인체, 식품 등에 사용되는 PDMS와 암모늄 바이카보네이트만을 이용한 초발수성 코팅 방법을 제시한 것이다. 종래 초발수성 코팅에서는 플루오로기가 포함되어 있는 실레인 계열의 코팅 물질과 이를 희석하기 위한 헥산, 톨루엔과 같은 유기 용매가 사용된다. 이 때 사용되는 물질은 인체와 환경에 매우 유해한 물질로 코팅 물질의 사용에 많은 주의가 필요하며 특수 폐기 처리 비용이 추가된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 친환경 물질만을 사용한 초발수성 코팅 방법을 제시하였다. PDMS와 암모늄 바이카보네이트를 1:2 비율로 혼합하여 코팅 물질을 제조한 후, 표면 거칠기가 형성 되어있는 금속 기재를 코팅 물질과 밀폐용기에 두고 80°C로 승온시키면, 암모늄 바이카보네이트가 물, 이산화탄소, 암모늄으로 분해된다. 이 때, 분해된 분자들은 PDMS와 금속 기재 표면과의 결합을 유도하고, 이로 인해 금속 표면에 PDMS 코팅층이 형성된다. 금속 기재 표면에 형성되어 있던 마이크로/나노 구조와 함께 소수성인 PDMS 코팅층으로 인해 초발수성 표면이 형성된다. 코팅 공정이 끝난 후 코팅 물질은 실리콘 경화물로 쉽게 폐기할 수 있으며, 코팅 공정 중 어떠한 유해 물질도 발생하지 않아 초발수성 표면을 매우 간단하고 환경 친화적인 방법으로 제작할 수 있다. 제작된 초발수성 표면은 화학적으로 강건하며, 표면 형상이나 크기에 구애받지 않고 초발수성 표면을 제작할 수 있어 산업에 유용하게 사용될 것으로 기대한다. 네 번째 연구 주제는 물과 기름의 혼합물을 분리하기 위한 초젖음성 필터와 연속 분리 장치의 제작에 관한 것이다. 초젖음성 필터의 제작을 위해 상용 심층여과 필터를 하이드로젤 물질로 코팅하였다. 이 과정에서 하이드로젤 물질의 강건한 접착을 위해 필터 표면에 중간접착층을 형성하였고, 그 결과 물리적 충격에도 초젖음성을 잃지 않는 강건한 초친수성 심층여과 필터를 제작할 수 있었다. 초친수성 필터는 물과 기름의 혼합액 중에서 물만을 선택적으로 통과시킬 수 있는데, 이 때 통과하지 못한 기름이 필터 외부에 쌓여 필터에 가하는 압력이 지속적으로 높아지게 되고 대량의 유폐수 처리 시 결국 필터의 성능이 저하되어 유수분리가 제대로 이루어지지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위해 압력 조절 시스템을 설계하여 일정 수준 이상의 기름이 쌓이면 기름을 자동으로 배출하도록 하였고, 그 결과 대량 물/기름 혼합물의 연속 분리가 가능한 장치를 설계할 수 있었다. 이 연구를 통해 기존 유수분리 연구의 한계를 극복하였고, 강건한 심층 여과 필터와 연속 유수분리 장치로 대량 유폐수의 연속 처리 가능성을 보여주었다. 마지막 연구 주제는 친환경 목재를 이용한 에멀젼 분리 멤브레인 제작에 관한 것이다. 나노기술을 적용하여 미세 기공과 선택적 초젖음성을 갖는 목재 멤브레인을 제작하였다. 극친수성과 수중 극소유성을 보이는 목재 멤브레인은 매우 유연하며, 물리적 내구성과 화학적 내구성을 지니고 있어 가혹한 환경에서도 다양한 용도로 사용 가능함을 실험을 통해 증명하였다. 특히, 제작한 목재 멤브레인은 수 µm 직경의 에멀젼화 된 기름 입자를 고효율로 제거할 수 있어 수처리 분야에 유용하게 사용 가능하다. 본 연구는 친환경 물질인 목재를 이용한 폐수 내 오염물 제거에 관한 것으로, 유폐수 처리 외에도 친환경 기재를 이용한 미세 입자의 여과를 필요로 하는 다양한 산업군에 유용하게 적용될 것이다.