A study on fabrication and applications of nano engineered super-wettability surfaces

Abstract

본 논문에서는 마이크로 나노 구조물의 제조방법과 그로 인해 제작된 표면의 여러 특성에 대해 조사하였고, 그 중 특히 젖음성에 대한 연구와 그 응용에 대해서 연구를 수행하였다.. 첫 번째 주제는 알루미늄 합금에 조정 된 초 소수성 표면을 가진 수직 중합 구조를 위한 손쉬운 제조 방법을 제시한다. 이 방법은 자체 조립 단층 (SAM) 코팅에 사용되는 헵타 데카 플루오로 -1,1,2,2- 테트라 하이드로 데실 트리클로로 실란 (HDFS)을 수직 중합하는 단계를 포함하며, 수직 중합은 일반적으로 공정 결함으로 간주된다. 베이스 구조를 제조하기 위해, 수산화 알루미늄을 생성하여 나노 구조를 형성 하였다. HDFS를 SAM으로 코팅하고 이 표면에서 다양한 시간 동안 마이크로 플레이크 제조를 수행 하였다. 이 공정을 통해 HDFS의 수직 중합에 의해 마이크로 플레이크를 제조 하였다. 10-30 분 동안 코팅 된 샘플은> 168.3 °의 물 접촉각 (θ_C) 및 <11.8 °의 가장 낮은 물 슬라이딩 각도 (θ_S)를 나타냈다. 30 분 후, 물방울은 1 μm를 초과하여 크기가 증가 된 미세 구조에 달라 붙어 θ_S가 증가 하였다. 이 마이크로 / 나노 이중 스케일 플레이크 표면은 위험한 에칭 공정 없이 제작되었으며 초 소수성 표면을 필요로 하는 다양한 산업 분야에 쉽게 적용될 수 있다. 두 번째 주제는 다양한 응용 분야를 가지고 있으며 많은 분야에서 활발히 연구되고 있는 초 습성 표면이다. 그러나, 초 젖음성 메쉬에서의 물방울 투과율은 연구되지 않았다. 이 작업은 표면에 젖음성이 있는 알루미늄 메쉬의 물방울 투과율에 관한 것입니다. 반영구적 및 비 에칭 공정으로 표면 구조를 제작 한 메쉬는 메쉬 구조의 강도 저하 없이 젖음성이 우수하다. 이 공정에 의해, 인치당 다양한 메쉬 기공 및 낙하 각도를 따라 물방울 투과율을 측정 하였다. 또한 낙하 높이에 따른 물방울 투과율을 초 소수성 메쉬로 측정 하였다. 결과적으로, 초 친수성 메쉬는 인치당 높은 기공에서 친수성 표면을 갖는 베어 메쉬와 유사한 투과성 거동을 나타내고 높은 낙하 각도를 나타내고, 초 소수성 120 메쉬는 14.75 %의 투과율로 다양한 상황에서 가장 낮은 물방울 투과성을 나타낸다. 마지막 주제는 미세 유체, 운송 및 우주 장치와 같은 응용 분야에서 심각한 오작동 원인 인 표면에 수중 기포가 부착되는 것이다. 그러나, 튜브 내부의 수중 기포의 자발적이고 추가적인 무동력 운송을 실현하는 것은 여전히 어려운 일이다. 초 친수성 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 튜브가 기포 기피제로서 주목을 받고 있지만, 산소 플라즈마 처리를 통해 제조 된 초 친수성 PDMS는 노화에 약하다는 단점이 있다. 우리는 빠른 노화의 단점을 극복 기포에 대한 자기 제거 능력을 가진 튜브를 제시한다. 친수성 소기성을 나타내는 계층 적 나노-미세 구조를 갖는 Silwet L-77을 함유하는 PDMS를 제조 하였다. Silwet L-77과 함께 제작 된 PDMS 튜브를 사용하여 제작 된 튜브 표면에 부착 및 분리되는 기포의 메커니즘을 조사하기 위해 기포의 접착 및 포화 실험을 수행했다. Silwet L-77을 사용하여 개발 된 PDMS는 기포 제거율이 97.7 %로 강력한 자체 제거 효과를 나타낸다. 순응 및 포화 실험은 투명한 초 친수성 수중 호기성 PDMS가 튜브 표면에 부착 된 기포를 자발적으로 분리하기 위한 잠재적으로 탁월한 도구임을 시사한다.

In this study, it have been performed to investigate the fabrication of micro nano structures and determine the characteristics of the structured surfaces, especially the wetting properties. First topic presents a facile fabrication method for vertical polymerised structures with a tuned superhydrophobic surface on an aluminium alloy. This method includes vertically polymerising heptadecafluoro-1,1,2,2-tetra-hydrodecyltrichlorosilane (HDFS), which is used for self assembled monolayer (SAM) coatings, wherein vertical polymerisation is normally considered a process defect. For fabricating the base structure, aluminium hydroxide was generated to form a nanostructure. HDFS was coated as an SAM and microflake fabrication was carried out on this surface for various lengths of time. Microflakes were fabricated by vertical polymerisation of HDFS through this process. Samples coated for 10-30 min showed the water contact angle (θ_C) of > 168.3° and the lowest water sliding angle (θ_S) of < 11.8°. After 30 min, the water droplet clung to the microstructure that increased in size beyond 1 μm, thereby increasing of θ_S. This micro/nano dual-scale-flake surface was achieved without any hazardous etching processes and can be facilely applied in various industrial fields that require superhydrophobic surfaces. Second topic is super-wettability surface which has various applications and actively studied in many fields. However water droplet transmissivity on super-wettability mesh was not be studied. This work is about water droplet transmissivity of an aluminum mesh with super-wettability on its surface. The mesh which fabricated surface structures with semi-permanent and non-etching process has super-wettability without strength drop of mesh structure. With this process, water droplet transmissivity was measured along various mesh pore per inch and dropping angle. Also water droplet transmissivity along dropping height was measure with superhydrophobic mesh. As a result, superhydrophilic mesh shows similar transmissivity behavior with bare mesh which has hydrophilic surface at high pore per inch and high dropping angle, superhydrophobic 120 mesh shows lowest water droplet transmissivity in various situation with 14.75 % of transmissivity. Last topic is adherence of underwater air bubbles to surfaces which is a serious cause of malfunction in applications such as microfluidics, transport, and space devices. However, realizing spontaneous and additional unpowered transport of underwater air bubbles inside tubes remains challenging. Although superhydrophilic polydimethylsiloxane (PDMS) tubes are attracting attention as air bubble repellents, superhydrophilic PDMS, which is fabricated via oxygen plasma treatment, has a disadvantage in that it is weak against aging. Here, we present a tube with self-removal ability for air bubbles that overcomes the drawback of rapid aging. PDMS containing Silwet L-77 with a hierarchical nano-microstructure exhibiting subaqueous aerophobicity was fabricated. We conducted adherence and saturation experiments of air bubbles using the fabricated PDMS tube with Silwet L-77 to investigate the mechanism of bubbles adhering to and separating from the fabricated tube surface. The developed PDMS with Silwet L-77 exhibits a strong self-removal effect with an air bubble removal of 97.7%. The adherence and saturation experiments suggest that the transparent superhydrophilic–underwater aerophobic PDMS is a potentially exceptional tool for spontaneously separating air bubbles attached to tube surfaces.