바이오/재료/화학

Fine Chemical _2018.1 특집 요약 (p5~56)

초 발수성∙초 친수성 표면의 제작과 응용 기술

● 특집에 있어서
Tatsuhiko Yajima / 사이타마(埼玉)공업대학 공학부 생명환경화학과/ 대학원공학연구과 응용화학 전공교수

고체 표면의 기본적 성질인 친수성과 발수성은 고체 표면의 기능과 깊이 관련된 것으로써 인쇄, 자동차, 전시, 의료, 의류, 화장품 등, 산업에서 생활까지 광범위한 분야에서 응용되고 있다. 고체 표면의 이러한 성질은 2개의 인자에 의해 형성된다. 하나는 표면에 존재하는 원소 및 관능기(官能基) 또는 그 배열 등 화학적 성질을 바탕으로 한 인자이고, 또 하나는 표면의 미세한 요철 구조, 즉 형태학(Morphology)을 바탕으로 한 물리적 인자이다.

화학적 인자에 대해서는 수소 결합 및 응집력과 관계되어 있어, 오래 전부터 수 많은 기초 연구가 추진되어왔다. 또한 물리적∙형태학 인자에 대해서는 주로 고체 표면의 미묘한 요철 형태를 이용, 물과의 접촉 면적 증대 및 물과 고체의 경계 면에 공기가 잔류함으로써 나타나는 효과가 있어, 전자는 WENZEL, 후자는 Cassie-Baxter 효과로서 알려져 있다.

초 친수성과 초 발수성은 화학적인 개질(改質)만으로는 만들어지지 않아 표면의 미세한 요철 구조를 물리적으로 제어할 필요가 있다. WENZEL 이론과 Cassie-Baxter 이론은 이를 위한 기초를 제공해준다.

이번 특집에서는 현대의 최첨단 과학기술 과제의 하나인 초 친수성과 초 발수성, 특히 초 발수성 및 초 친수성 표면 제작과 응용 기술에 관한 특집을 기획. 이 분야에서 활약하고 있는 연구자들로부터 논문을 제공받았다.

(a)포토크로믹 (Photochromic)화합물인 디아릴에텐 광이성화(光異性化)를 이용해 표면의 형태를 가역적으로 변화시켜 표면의 습윤성을 컨트롤하는 신기술. (b)코팅으로 재료 표면에 또 다른 기능을 부여해 보다 높은 수준의 기능을 실현하기 위한 ‘기능성 박막’ 연구가 활발하게 이루어지고 있어, 이러한 시점에서 금속 재료에 초 발수성 코팅을 시행하면서 내식성(耐蝕性) 기능을 실현하는 기술. (c)친환경적이고 상온 상압의 조건 하에서 성막이 가능한 웨트 프로세스(습식법)에 의한 기능성 박막, 특히 초 발수성∙초 친수성 박막 코팅 기술. (d)대기압 플라즈마 제트를 이용한 고분자 재료의 습윤성 제어 및 발수 코팅 기술. (e)투명한 고 발수성 박막을 실온에서 생성할 수 있어, 미세한 요철 구조 표면에 도포하는 것만으로 초 발수성 표면을 용이하게 실현할 수 있는 불소계 코팅제에 관한 기술 등, 이번 특집에서는 연구자들이 신기술과 최신 동향이 친절하게 소개 및 해설해주었다. 다시 한번 깊은 감사의 말씀을 전한다.

이번 기획에 관한 연구 및 기술 개발이 더욱 진전되어 많은 유익한 지식이 축적되고 그에 대한 응용이 더욱 확대되기를 기대하는 바이다.

● 초 친수∙초 발수화의 메커니즘과 제어 기술 및 평가 법
Tatsuhiko Yajima / 사이타마(埼玉)공업대학 공학부 생명환경화학과/ 대학원공학연구과 응용화학 전공교수

고체 표면의 기본적 성질인 친수성과 발수성은 고체 표면의 기능과 깊이 관계된 것으로, 인쇄, 자동차, 전시, 의료, 의류, 화장품 등, 산업에서 생활까지 광범위한 분야에서 응용되고 있다. 고체 표면의 이러한 성질은 2개의 인자에 의해 이루어져있다. 하나는 표면에 존재하는 원소 및 관능기(官能基) 또는 그 배열 등 화학적 성질을 바탕으로 한 인자이고, 또 하나는 표면의 미세한 요철 구조, 즉 형태학(Morphology)를 바탕으로 한 물리적 인자이다. 본 논문에서는 우선, 친수성∙발수성에 관한 화학적 기초와 원리에 대해 설명하고, 이어 초 친수화∙초 발수화의 메커니즘과 제어 기술 및 그 평가 방법에 대해 설명하겠다.

● 디알린에텐 미세 결정 표면으로의 빛의 조사를 이용해 가역적으로 형성되는 초 친수성 표면
Kingo Uchida / 류코쿠(龍谷)대학 이공학부 물질화학과 교수

빛의 조사를 이용해 가역적 이성체(異性體)를 형성하는 포토크로믹 화합물 가운데 디알린에텐은 열 안정성과 결정 형태에서의 반응성 등 뚜렷한 성질을 가지고 있다. 우리 연구팀은 빛의 조사를 통해 가역적인 결정의 성장으로 표면 형태를 변화시켜 표면의 초 발수성 빛 제어에 성공했었다. 이번 연구에서는 새로운 유도체를 분자 설계해 빛의 조사를 통해 초 친수성을 가역적으로 생성하는 시스템을 제작했다.

● 마그네슘합금의 방식 기능 향상을 위한 초 발수 처리 기능
Takahiro Ishizaki 외 3명 / 시바우라(芝浦)대학 공학부 재료공학과 교수

물방울의 접촉 각도가 150도 이상인 표면을 초 발수 표면이라고 부른다. 최근 몇 년 간 초 발수 표면을 금속 재료에 도입해 내식성을 높이려는 연구 개발이 활발하게 추진되고 있다. 본 논문에서는 실용 금속 가운데 최경량인 마그네슘 합금에 초 발수성을 도입하기 위한 기술을 설명하고, 제작된 초 발수 표면의 화학적 특성 및 내식성에 대한 평가를 시행한 연구 사례를 소개한다.

● 웨트 프로세스(습식법) 나노 코팅을 이용한 초 발수∙초 친수성 박막 제작
Mizuki Tenjimbayashi 외 1명 / 게이오기주쿠(慶凝義塾)대학 대학원 이공학연구과 종합디자인공학 전공 머티리얼 디자인과학 박사연구원

최근 친환경적인 재료∙제작 방법이 요구되고 있는 가운데 상온∙상압에서 박막 제작이 가능한 습식법이 주목 받고 있다. 또한 습식법은 자기 조직화로 인해 nm레벨에서의 구조 제어가 가능하다. 습식법 나노 코팅 기술을 통해 박막 표면의 습윤성 제어가 이루어짐에 따라 다양한 기능성 표면 개발이 가능해진다.

● 대기압 플라즈마 제트를 이용한 섬유의 초 발수 가공과 방오(防汚) 특성
Yasuyuki Kobayashi 외 1명 / 지방독립행정법인 오사카산업기술연구소 모리노미야(森之宮)센터 전자재료연구부 표면공학연구실 연구주임

이번 연구에서는 대기압 플라즈마 제트를 이용해 이산화 규소계 피막을 코팅해 섬유 표면의 발수 가공을 시행했다. 표면의 화학적 성질과 요철 구조를 형성함으로써 섬유 표면에 물의 접촉 각도 150도 이상인 초 발수 표면 구축에 성공. 또한 방오(防汚) 효과도 뛰어나 새로운 가공법으로서 보급될 수 있을 것으로 기대된다.

● 불소계 코팅제에 의한 초발수와 그 응용 사례
Takahiro Ito / ㈜Fluoro Technology 대표이사

불소계 코팅제는 투명한 고 발수성 박막을 실온에서 형성할 수 있어, 미세한 요철 구조의 표면에 도포하는 것만으로 초 발수성 표면을 간단히 실현할 수 있다. 아직 초 발수성 표면 구조에서 발생하는 문제점은 많지만, 불소계 코팅제의 개요와 이것을 이용한 초 발수의 실용 사례를 본 논문에서 소개하겠다.

 -- 끝 --