탄소 나노 입자를 이용한 곡면 SLIPS 구현 및 그 위에서의 액적 거동 연구

Abstract

최근, 벌레잡이 통풀을 본떠 새로운 자연 모사 표면으로 제안된 SLIPS(Slippery Liquid-Infused Porous Surface)는 전통적인 초소수성 표면에 비해서 많은 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 저진공 분위기에서의 글로 방전을 통해 합성되는 다공성 탄소 나노 입자 네트워크를 이용하여 표면의 성분 물질이나 크고 작은 표면 구조에 상관 없이 폴리에틸렌 직물부터 금속 표면, 유리관 내부에 이르기까지 다양한 표면에 대해 쉽게 SLIPS를 처리하는 방법을 제안했다. 직물 SLIPS를 이용한 방오실험에서, 표면에 묻은 케첩을 제거한 뒤에도 표면이 발수성을 유지하고 있음을 파악하였고, 표면이 글리세롤 액적에 접촉하더라도 표면이 오염되지 않고 액적이 쉽게 굴러떨어지는 것을 확인하였다. 또한, 낮은 온도에서 수증기 응결에 의한 영향을 비교한 결과, 수증기 응결에 의해 초소수성을 잃고 물방울이 붙잡히는 초소수성 직물 표면에 비해 직물 SLIPS는 수증기 응결 뒤에도 낮은 미끄러짐 각도를 유지했다. 한편 SLIPS 튜브 내 액적 거동에 대해서는 미끄러짐 각도와 미끄러짐 속도, 부피 손실량을 분석하였다. 일반 유리관 내 액적의 미끄러짐 각도는 액적 부피가 작아짐에 따라 점점 증가하며 일정 부피 이하에서는 기울임만으로 액적이 이동하지 않게 되는 반면, SLIPS 튜브에서는 5도 이하의 낮은 미끄러짐 각도를 유지하였다. 튜브 내 액적의 미끄러짐 속도는 액적의 부피가 증가할수록, 액적의 기울임 각이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 미끄러짐 속도를 스케일링 분석한 결과, 액적 어느 부분의 점성이 주도적으로 속도에 영향을 미치느냐에 따라 캐필러리 수와 본드 수 사이의 거듭제곱이 1과 3/2으로 정해졌으며 그 사이에 천이 범위가 관찰되었다. 한편, 유리관 내에서 액적이 이동하면서 남기는 자취 액막에 의한 액적 손실이 액적의 캐필러리 수의 5/3승에 비례해 발생하는데 비해 SLIPS 관에서는 액적 손실이 발생하지 않았다. 이러한 접근법은 SLIPS가 적용 가능한 표면과 구조물의 범위를 넓힐 수 있으며, 방오, 방담 직물이나 적은 양의 액적을 온전히 이송하는 튜브로써 적용될 수 있다.

Recently, Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) emulating Nepenthes pitcher plants was proposed as a novel nature-inspired surface, which has many advantages over conventional superhydrophobic surfaces. In this study, we show that this slippery surface can be formed on various substrates including fabrics and inner surfaces of tubes using porous carbon nanoparticle networks synthesized by glow discharge deposition at low vacuum environment. The surface is highly slippery so that it does not allow water, glycerol and ketchup to stay on it. SLIPS fabric also remains slippery even after vapor condensation in low temperature environment. In the case of SLIPS tube, we evaluate its advantages compared to bare glass tube. For SLIPS tube, sliding angles of water slug of various volume stay smaller than 5 degrees while sliding angle increases with a decrease in the slug volume for glass tube. By measuring volume loss, we also find that water slug leaves negligible trailing film behind on SLIPS tube. Our study can offer a facile pathway to achieving lubricant-infused slippery surfaces for future applications, such as glasses capable of resisting fogging and icing.