어떤 더러운 입자들도 부착시키지 않는 자동차 표면 코팅, 낙서를 할 수 없는 집의 정면, 진흙이 묻지 않는 구두는 곧 현실화될 수 있을 것이다. 새로운 “fluoropore”는 이런 모든 것을 가능하게 한다. 새로운 유형의 초발수 불소 고분자는 물과 기름 방울이 굴러다닐 수 있게 한다. 독일 연방교육연구부(Federal Ministry of Education and Research, BMBF)는 KIT에 2.85백만 유로의 연구 자금을 제공했다. 이 기초 연구는 보편적으로 사용될 수 있는 새로운 유형의 보호 코팅용 재료를 개발할 목적으로 진행되고 있다.
이 현상은 양배추 잎과 연꽃 식물에서 잘 알려져 있다: 물방울은 부착되지 않고 굴러다닌다. 고전적인 연꽃 효과는 특별한 화학적 특성들을 가진 거친 표면을 만드는데 사용되었다. “그러나 이런 효과는 기름에는 작용하지 않는다. 연꽃 식물은 물을 배척하지만 기름을 배척하지 않는다”고 KIT의 미세구조 기술 연구소(Institute of Microstructure Technology, IMT)의 Bastian Rapp 연구원이 말했다. “발유 표면들은 또 다른 화학적 구조를 가질 필요가 있다. 불소 중합체(fluoropolymer)는 이런 목적에 필요하다”고 이번 연구진은 설명했다. 불소 중합체는 높은 열-저항 및 화학적 안정성을 가진 고성능 플라스틱이다. 테플론은 프라이팬의 항부착(anti-stick) 코팅 재료로서 잘 알려져 있고, 이런 물질 범주에 속한다.
“불소 중합체의 화학적 특성들과 연꽃 식물의 거칠기를 결합할 때, 표면은 물방울과 액적이 굴러다닐 수 있게 할 수 있다”고 Rapp 연구원은 말했다. 이번 연구진은 연구실에서 연꽃 2.0 효과로 이러한 초발수 표면을 제조하는데 성공했다. 그러나 실용적으로 적용할 때, 그들은 비효율적인 안정성을 가진 것으로 판단되었다. 큰 문제는 마모에 대한 민감도이다. 따라서 이번 연구진은 새로운 유형의 불소계 폴리머를 개발하고 있다. 물과 기름은 표면을 따라서 굴러다닐 수 있지만 실용적인 분야에 적용할 수 있을 정도로 훨씬 더 강했다. 이런 폴리머를 “fluoropore”라고 부르고 거의 모든 표면 위에 연꽃 2.0 효과를 가지게 한다.
이 연구 프로젝트는 BMBF에 의해서 시도되었다. 이 프로젝트는 “조절 가능한 습윤성 특성을 가진 나노다공성 테플론을 이용해서 화학적으로 비활성이고 마이크로 크기를 가진 Fluoropore의 개발”이라는 제목으로 진행되었다. 이 연구결과는 높은 산업용 잠재력을 가지고 있다.
모든 유형의 염색에 대항할 수 있는 보편적인 코팅으로서 “fluoropore”가 사용될 수 있다. 한 가지 예로서 겨울에 물이 응축되고 어는 것을 예방할 수 있는 자동차 창유리 코팅을 들 수 있다. 다른 예로서 미세한 기공을 가진 스크린을 들 수 있다. 화학적 특성 및 구조는 가공 산업용 윤활제 냉각제로서 사용되는 기름/물 혼합물의 분리를 가능하게 한다.
현재, 유기 화학, 재료 화학, 프로세스 기술 분야의 전문가들은 이 새로운 재료를 향상시키기 위해서 노력하고 있다. “KIT 미세구조 기술 연구소에서는 주사 힘 현미경과 주사 전자 현미경 등의 구조 분석 장치를 이용해서 다양한 분석을 진행하고 있다”고 Rapp은 강조했다.
그림. 새로운 재료는 물(왼쪽)과 기름(오른쪽)을 배척한다. 이런 액적들은 표면에 부착되거나 젖지 않는다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 12월 3일]
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New material makes water and oil roll off
Car finish, to which no dirt particles adhere, house fronts, from which graffiti paints roll off, and shoes that remain clean on muddy paths – the material “fluoropore” might make all this possible. Both water and oil droplets roll off this new class of highly fluorinated super-repellent polymers. The Federal Ministry of Education and Research (BMBF) has now decided to fund its further development at the KIT with EUR 2.85 million. Fundamental research in this area is aimed among others at making use of this new type of material for universal protective coatings.
The phenomenon is known from lotus plants as well as from cabbage leaves: Water droplets simply roll off. For some time, this classical lotus effect has been used technically for producing rough surfaces with special chemical properties. “However, this trick does not work for oils – the lotus plant repels water, but no oil,” Dr.-Ing. Bastian Rapp of the KIT Institute of Microstructure Technology (IMT) says. “Oil-repellent surfaces need to have another chemical structure, fluoropolymers are required for this purpose,” the scientist explains. Fluoropolymers are high-performance plastics with a high heat resistance and chemical stability. Teflon, the known anti-stick coating material for frying pans, belongs to this category of substances.
“When combining the chemical properties of fluoropolymers with the roughness of the lotus plant, surfaces are obtained, from which both water and oil droplets will roll off,” Rapp says. He has already succeeded in producing such super-repellent surfaces with the lotus 2.0 effect in the laboratory. In practical use, however, they turned out to have an insufficient stability. A big problem is sensitivity to abrasion. Rapp therefore works on developing a new class of fluorinated polymers, from which water and oil roll off and which are far more robust in practical application. These polymers, called “fluoropore”, are to possess the lotus 2.0 effect on nearly any surfaces.
The research project of the young KIT scientist was recently successful in the NanoMatFutur competition for young scientists launched by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF). Rapp’s project “Fluoropore – chemically inert, micro- to nanoporous ‘teflon’ with an adjustable wetting behavior” is granted EUR 2.85 million for the establishment of a young investigator group in the next four years. By the NanoMatFutur competition, the BMBF supports highly qualified young scientists in the areas of materials research and nanotechnology. Funds are granted to application-oriented fundamental research projects with a high industrial implementation potential.
With “fluoropore”, universal protective coatings against any type of staining can be produced. An example is a coating of car window panes to prevent water from condensing and freezing in winter. Other examples are fine-pore screens, whose chemistry and structure allow for the separation of oil/water mixtures used as cooling lubricants in processing industry.
In the young investigator group headed by mechanical engineer Rapp, chemical process engineers and experts of organic chemistry, materials chemistry, and process technology work on the development of the new material. “At the KIT Institute of Microstructure Technology and its Karlsruhe Nano Micro Facility, we can use a large variety of analysis and structurization methods for our work, for example, scanning force and scanning electron microscopes,” Rapp emphasizes.
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