[논문 리뷰] Quantitative testing of robustness on super-omniphobic surfaces by drop impact

Thi Phuong Nhung Nguyen, Philippe Brunet외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 11.

Surface Modification and Superhydrophobicity인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 방울 낙하 실험을 통해 초초미세유착성 실리콘 나노와이어(SiNW) 표면의 내구성에 대한 첫 번째 정량적 측정을 제시한다. 연구는 평탄한 실리콘에서의 양의 접촉각(θ₀)이 증가할수록 액체 침입에 대한 내구성이 기하급수적으로 증가하며, 특히 저표면장력 액체에 대해 수직으로 배치된 나노와이어보다 기울어진 방향으로 배열된 나노와이어가 침입에 대한 저항력을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

The quality of a liquid-repellent surface is quantified by both the apparent contact angle $θ_0$ that a sessile drop adopts on it, and the value of the liquid pressure threshold the surface can withstand without being impaled by the liquid, hence keeping a low-friction condition. We designed surfaces covered with nano-wires obtained by the vapor-liquid-solid (VLS) growth technique, that are able to repel most of the existing non-polar liquids including those of very low surface tension, as well as many polar liquids of moderate to high surface tension. These super-omniphobic surfaces exhibit apparent contact angles ranging from 125 to 160$^{\circ}$ depending on the liquid. We tested the robustness of the surfaces against impalement by carrying out drop impact experiments. Our results show how this robustness depends on the Young's contact angle $θ_0$ related to the surface tension of the liquid, and that the orientational growth of NWs is a favorable factor for robustness.

연구 동기 및 목표

• 동적 낙하 조건 하에서 초초미세유착성 표면의 액체 침입에 대한 내구성을 정량적으로 평가하기 위해.
• 매끄러운 표면에서의 양의 접촉각(θ₀)이 침입의 압력 임계값에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 저표면장력 액체에 대한 침입 저항성을 향상시키는 데 있어 나노와이어 정렬 및 표면 구조가 수행하는 역할을 평가하기 위해.
• 다른 나노와이어 성장 특성을 지닌 두 가지 SiNW 표면 유형(VLS1 및 VLS2)의 성능을 비교하기 위해.
• 외부 낙하 없이도 자발적인 침입이 발생하는 임계 θ₀ 값을 규명하기 위해.

제안 방법

• 수증기-액체-고체(VLS) 성장 방법을 사용하여 수직 및 기울어진 방향의 실리콘 나노와이어(SiNWs)를 형성하고, 저표면 에너지를 가지는 플루오르오-폴리머로 코팅하여 초초미세유착성 표면을 제작하였다.
• 다양한 표면장력(γ)과 해당되는 양의 접촉각(θ₀)을 지닌 액체를 사용하여 이 표면에서 낙하 실험을 수행하였다.
• 액체 방울이 나노와이어 구조에 침투하기 전까지 견딜 수 있는 최대 압력인 침입 임계 압력(Pc)을 측정하였다.
• 촉촉한 상태를 설명하기 위해 Cassie-Baxter 및 Wenzel 모델을 사용하였으며, 식 (1)은 표면 비율과 θ₀에 따라 명시적 접촉각을 연결한다.
• Cassie-Baxter 상태와 Wenzel 상태 사이의 에너지 장벽을 분석하여 비안정 상태인 비착착 상태의 성질을 설명하였다.
• 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하여 방울이 나노와이어 위에 위치한 상태를 시각화하고 Cassie-Baxter 상태를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매끄러운 표면에서의 양의 접촉각(θ₀)은 초초미세유착성 표면의 액체 침입에 대한 내구성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 외부 낙하 없이도 자발적인 침입이 발생하는 임계 θ₀ 값은 얼마인가?
• RQ3 나노와이어 정렬 방식(수직 대 기울어진 방향)은 침입에 대한 압력 임계값(Pc)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 표면 거칠이 및 구조적 무질서는 내구성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 낙하 실험은 초초미세유착성 표면의 내구성 측정에 신뢰성 있고 정량적인 방법으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 침입 임계 압력(Pc)은 양의 접촉각(θ₀)이 증가할수록 기하급수적으로 증가하며, 이는 높은 θ₀일수록 내구성이 크게 향상됨을 의미한다.
• θ₀ < 60° 인 경우 Pc는 0으로 감소하여, 외부 낙하 없이도 액체가 표면 구조에 자발적으로 침투함을 나타낸다.
• 기울어진 방향으로 나노와이어가 배열된 VLS2 표면은 더 수직에 가까운 나노와이어를 지닌 VLS1 표면보다 높은 내구성을 보였다.
• 이 연구는 직립 수직 나노와이어가 내구성을 최대화하지는 않으며, 오히려 나노와이어 성장의 일정한 기울기가 침입 저항성을 향상시킴을 확인하였다.
• 내구성은 유한한 에너지 장벽이 존재해 자발적인 Wenzel 상태 전이를 방지하는, 비안정 상태인 Cassie-Baxter 상태와 강하게 연관되어 있다.
• 저접촉각 히스테리시스(1–2°)로 인해 방울이 쉽게 굴러떨어지므로, 증발 유도 침입보다 낙하 실험 방식이 Pc 측정에 더 신뢰성이 높음을 입증하였다.