[논문 리뷰] Simple derivation of Young, Wenzel and Cassie-Baxter equations and its interpretations

S. Banerjee|ArXiv.org|2008. 08. 11.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 표면 미세구조가 발착 거동에 미치는 영향을 설명하기 위해 양의, 웬젤의, 캐시-박스터 방정식을 개념적으로 유도한다. 거칠기나 비균일한 표면은 초기에는 수소화성인 기판에서 수소화성을 향상시킬 수 있지만, 수소화성 기판에서 수화성을 반전시킬 수는 없으며, 이는 발착 제어를 위한 표면 공학에서 근본적인 비대칭성을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper we have derived Young's, Wenzel's and Cassie-Baxter's equations using conceptual model rather than showing rigorous derivation to help the new-comers in this field. We then pointed out that if the substrate is initially hydorphilic then one can modify the surface morphology and make the substrate to become hydrophobic or superhydrophobic. But, if the substrate is initially hydrophobic then one can only make it superhydrophobic but not hydrophilic by modifying the surface morphology using the formalisms mentioned in this paper

연구 동기 및 목표

• 표면 과학 분야의 초보자들이 이해하기 쉽게 양의, 웬젤의, 캐시-박스터 방정식을 개념적으로 유도하는 것.
• 거칠기와 화학적 비균일성으로 인한 표면 미세구조가 마이크로 및 나노 스케일에서 발착 거동에 미치는 영향을 명확히 하는 것.
• 표면 공학을 통한 발착 성질 수정의 기본 한계를 조사하는 것.
• 표면 형상에 의한 수화성과 수소화성의 달성 방식에 있어 비대칭성을 입증하는 것.

제안 방법

• 세상 접선에서의 에너지 최소화와 힘의 평형을 이용해 양의 방정식을 유도한다.
• 웨젤의 접근법에서 표면 거칠기의 영향을 모델링하기 위해 거칠기 비율 요소 r = A_rough / A_flat 를 도입한다.
• 고체상과 기체상의 비율(f_S 및 f_V)에 따라 표면계면 에너지를 평균화하여 캐시-박스터 체계를 적용한다.
• 거칠기 요소 r 과 캐시-박스터 방정식을 결합하여 공기 포획이 있는 복합 표면을 모델링한다.
• 기하학적 추론(dA_LV / dA_SL = cosθ)을 사용해 접촉역수 관계를 유도한다.
• r 및 f_S 의 함수로 θ_CB 의 행동을 분석하여 발착 전환 조건을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면의 거칠기만으로 수화성 기판을 수소화성 또는 초수소화성으로 전환시킬 수 있는가?
• RQ2 표면 형상의 수정이 수소화성 기판을 수화성으로 뒤바꿀 수 있는가?
• RQ3 캐시-박스터 상태와 웬젤 상태 사이의 물방울 이동성과 접촉각에서의 차이는 무엇인가?
• RQ4 캐시-박스터 모델에서 명시적 접촉각이 180°를 초과할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ5 거칠기 비율 r 이 발착 상태와 비발착 상태 사이의 전이를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 기본 기판이 수화성일 경우, 표면 거칠기나 화학적 비균일성이 수소화성 또는 초수소화성으로 전환시킬 수 있다.
• 기본 기판이 수소화성일 경우, 표면 형상의 수정은 수소화성을 향상시켜 초수소화성으로 만들 수는 있지만, 수화성으로 뒤바꿀 수는 없다.
• 캐시-박스터 접촉각 θ_CB 는 항상 θ_W 이상임을 보여주며, 복합 상태에서 더 높은 명시적 접촉각을 가짐을 시사한다.
• 수화성 기판(θ_Y < 90°)의 경우, 거칠기 비율 r 을 증가시키면 θ_CB 가 수소화성에서 수화성 거동으로 전환될 수 있다.
• 수소화성 기판(θ_Y > 90°)의 경우, r 을 증가시키더라도 수화성 거동으로의 전환이 일어나지 않으며, 이는 발착 제어에서의 비대칭성을 확인한다.
• 캐시-박스터 상태에서는 웬젤 상태보다 슬라이딩 각도가 낮아, 복합 상태에서 물방울이 더 쉽게 굴러떨어짐을 나타낸다.