[싱가포르] 나노임프린트 방법으로 제조된 물 고정 나노구조
싱가포르 연구진은 나노임프린트 방법을 이용해서 물 고정 나노구조를 만드는데 성공했다.
이번 연구진은 새로운 표면을 가진 폴리머 박막을 만드는데 나노임프린팅 방법을 사용했다. 이 폴리머 박막은 장미 꽃잎과 유사한 표면을 가지고 있고, 고함수(high water) 고정력(pinning force)을 가지고 있기 대문에 다양한 투명 박막을 만드는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
물방울이 거꾸로 되는 경우에도 물방울이 부착되는 표면에 강한 물 고정 특성을 가지기 때문에 이것이 가능했다. 장미 꽃잎과 연잎은 초소수성을 가지지만, 그들의 물 고정 특성은 서로 다르다. 즉, 장미 꽃잎의 물방울은 부착되지만 연잎은 굴러 떨어진다. 두 개의 잎은 마이크로크기 및 나노크기의 표면 형상에서 차이가 나고, 이런 형상의 차이는 물 고정 힘을 변화시킨다. 장미 꽃잎은 나노크기의 주름을 가진 마이크로 크기의 원뿔형 돌출부가 거의 균일하게 분포되어 있지만, 연잎은 마이크로크기의 돌출부가 무작위로 분포되어 있다.
A*STAR 산하의 재료 공학 연구소(A*STAR Institute of Materials Research and Engineering)와 싱가포르 기술디자인대학(Singapore University of Technology and Design)의 연구진은 원추형 또는 포물선 모양을 가진 나노크기 돌출부가 균일하게 분포된 패턴을 만들었다. 이번 연구진은 이런 연속적인 패턴을 가진 표면 위의 물 고정 힘이 나노기둥 구조 또는 나노크기 격자로 구성된 표면과 패턴이 형성되지 않는 표면의 물 고정 힘보다 훨씬 더 크다는 것을 발견했다. 그 후에 이번 연구진은 패턴이 형성되지 않고 소수성을 가진 다양한 폴리머 박막 위에 나노돌출부를 패터닝함으로써 높은 물 고정 힘을 달성했다. 폴리머는 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)이 사용되었다.
물 고정 효과를 재현할 수 있는 다른 방법들은 몰드로서 장미 꽃잎을 사용하지만, 특별한 주의를 기울이지 않는다면, 재생된 패턴 속에 결함과 불일치가 존재할 수 있다. 레이저 어블레이션(laser ablation), 액체 플레임 스프레이(liquid flame spray), 화학 기상 증착과 같은 패턴을 만들 수 있는 상향식 방법들이 존재하지만, 이런 방법들은 만들 수 있는 패턴의 유형과 크기가 제한적이다.
이와는 대조적으로, 나노임프린팅 방법들은 다재다예하고 대면적 표면을 제조할 수 있고, 롤-투-롤(roll-to-roll) 기술과 결합될 수 있는데, 이것은 상용화를 더 쉽게 할 수 있게 한다.
패턴이 형성된 폴리카보네이트 표면들은 ‘커피-링(coffee-ring)’ 효과를 감소시킨다는 것이 증명되었다. 커피-링 효과는 용질이 함유된 액적이 증발될 때 불균일하게 증착된 박막이 남는 것을 의미한다. 커피-링 효과의 완화는 마이크로유체 기술들을 도울 수 있고, 패턴이 형성된 표면들은 일반적으로 건조 지역에서 이슬을 수집하는데 사용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Langmuir에 “Bioinspired Ultrahigh Water Pinning Nanostructures”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/la4034996).
그림. 수직으로 유지될 때 패턴이 형성된 폴리카보네이트 박막에 부착되는 물방울.
Nanoimprinted, bioinspired ultrahigh water pinning nanostructures
A*STAR researchers have used nanoimprinting methods to make patterned polymeric films with surface topography inspired by that of a rose petal, producing a range of transparent films with high water pinning forces ("Bioinspired Ultrahigh Water Pinning Nanostructures").
A surface to which a water droplet adheres, even when it is turned upside down, is described as having strong water pinning characteristics. A rose petal and a lotus leaf are both superhydrophobic, yet dissimilarities in their water pinning properties cause a water droplet to stick to a rose petal but roll off a lotus leaf. The two leaf types differ in their micro- and nanoscale surface topography and it is these topographical details that alter the water pinning force. The rose petal has almost uniformly distributed, conical-shaped microscale protrusions with nanoscale folds on these protrusions, while the lotus leaf has randomly distributed microscale protrusions.
The imprinted surfaces developed by Jaslyn Law and colleagues at the A*STAR Institute of Materials Research and Engineering and the Singapore University of Technology and Design have uniformly distributed patterns of nanoscale protrusions that are either conical or parabolic in shape. The researchers found that the water pinning forces on these continuously patterned surfaces were much greater than on non-patterned surfaces and surfaces composed of isolated nanopillared structures or nanoscale gratings.
They could then achieve high water pinning forces by patterning the nanoprotrusions onto polymeric films with a range of different non-patterned hydrophobicities, including polycarbonate, poly(methyl methacrylate) and polydimethylsiloxane.
“Other methods that recreate the water pinning effect have used actual rose petals as the mold, but unless special care is taken, there are likely to be defects and inconsistencies in the recreated pattern,” says co-author Andrew Ng. “While bottom-up approaches for making patterns — for example, laser ablation, liquid flame spray or chemical vapor deposition — are more consistent, these methods are limited in the types of patterns that can be used and the scale at which a substrate can be patterned.”
In contrast, nanoimprinting methods are capable of fabricating versatile and large-scale surfaces, and can be combined with roll-to-roll techniques, hence potentially enabling more commercial applications. The patterned polycarbonate surfaces were also shown to reduce the ‘coffee-ring’ effect: the unevenly deposited film left behind upon the evaporation of a solute-laden droplet.
This mitigation of the coffee-ring effect may assist microfluidic technologies and, more generally, the patterned surfaces could be used in arid regions for dew collection or in anti-drip applications such as in greenhouses.
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