기획특집: 기능성 유기 신소재 - cheric.org · 기획특집: 기능성 유기 신소재 12 공업화학 전망, 제15권 제1호, 2012 Figure 1. 자연에서 발견되는

KIC News, Volume 15, No. 1, 2012 11

나노 구조를 이용한 초발수 표면 특성 제어 기술

임 호 선

전자부품연구원 전자소재응용연구센터

Development of Nanostructured Superhydrophobic Surfaces

Ho Sun Lim

Electronic Materials & Device Research Center, Korea Electronics Technology Institute,

Gyeonggi-do 463-816, Korea

Abstract: 각종 스마트 전자 기기 및 부품 소자의 성능에 대한 기대치가 높아짐에 따라 소재의 표면 특성을 제어할

수 있는 기술에 대한 수요가 증대되고 있다. 기본적으로 고체 표면에서의 액체의 거동은 표면의 기하학적인 나노 구조

와 화학적인 조성에 의하여 결정된다. 특히 낮은 표면 에너지를 가지는 소재와 표면의 나노 고차 구조를 결합하면

물방울이 맺히지 않고 쉽게 굴러 떨어지는 초발수 표면을 구현할 수 있다. 표면 나노 구조는 소재 표면의 젖음성을

증폭시키는 데 핵심적인 역할을 하며, 초발수 표면을 구현하기 위한 기본 토대가 된다. 본 논문에서는 표면의 나노

구조를 이용하여 초발수 표면의 특성을 제어하기 위한 최근의 연구 결과를 소개하고자 한다. 또한 나노 구조를 제조하

는 다양한 기술들에 대하여 소개하고 초발수 표면의 연구 개발에 대한 기술적 진보에 대하여 논의하고자 한다.

Keywords: superhydrophobic surfaces, nanostructures, biomimetics, lotus effect

1. 서 론

1)

21세기 소재 산업에 있어서 고체 표면에서 액체

의 젖음 거동(wetting behavior)을 효과적으로 제

어할 수 있는 기술은 과학적․산업적인 응용 측면

에서 매우 중요하게 부각되고 있다. 기본적으로

소재 표면의 젖음성은 표면에너지에 의해서 결정

되지만 표면의 미세 구조를 마이크로와 나노 수준

의 복합적인 구조로 제어하면 젖음성(wettability)

이 극단적으로 감소하여 물에 대한 표면 접촉각이

150° 이상이 되는 초발수 표면(superhydrophobic

surfaces)을 구현할 수 있다[1]. 가장 낮은 표면에

너지를 가지는 -CF3기의 경우도 물의 접촉각

(contact angle)이 최대 120°에 불과한 반면에 나

노 고차 구조를 가지는 표면에 불소를 처리하면

물방울이 잘 맺히지 못하고 쉽게 굴러 떨어지는

†주저자 (E-mail: [email protected])

초발수의 특성을 보이게 된다[2]. 이렇게 인공적으

로 만들어진 대부분의 초발수 표면들은 자연에 존

재하는 초발수 표면 구조에 착안하여 개발되었다.

일반적으로 초발수성을 가지는 자연의 소재는 연

꽃 잎, 벼 잎 등의 식물과 매미날개, 나비날개와

같은 곤충, 게코 도마뱀의 발바닥, 소금쟁이 다리

등 200여 가지가 넘으며, 이들의 표면은 150°보다

높은 접촉각을 지니기 때문에 물에 대한 반발력이

심해져 물방울이 약간의 기울임에도 쉽게 굴러 떨어

지는 초발수 특성을 관찰할 수 있다(Figure 1)[3-6].

연못에 사는 연잎은 항상 표면을 깨끗하게 유지

하고 있다. 이는 연잎 표면이 수십 나노 크기의 섬

모들이 덮고 있는 울퉁불퉁한 마이크로 돌기 구조

를 가지고 있으며, 이 표면을 표면에너지가 낮은

소수성의 왁스가 코팅되어 있어 물과의 접촉을 최

소화할 수 있기 때문이다[3]. 이때 비가 오면 빗물

에 의해 오염물이 쉽게 씻겨버리는 자기 정화(self-

cleaning)의 기능을 보이게 된다. 이런 기능을 소

기획특집: 기능성 유기 신소재


12 공업화학 전망, 제15권 제1호, 2012

Figure 1. 자연에서 발견되는 초발수 표면의 예.

재의 표면에 응용하여 물에 대한 접촉각이 150°보

다 크고 미끄럼각(sliding angle)이 10°보다 작아

약간의 경사에도 쉽게 물이 굴러 떨어지게 만든

표면이 “초발수 표면”이다. 이런 현상은 연잎의

표면 외에도 매미 날개, 소금쟁이 다리, 사막의 딱

정벌레 등껍질, 게코 도마뱀 발바닥 등의 예에서

도 관찰할 수 있다. 흥미롭게도 사막의 딱정벌레

는 소수성의 등껍질 표면에 붙어 있는 수백 µm 크

기의 친수성 돌기들이 공기 중의 수분을 응축시켜

물이 귀한 사막에서도 용이하게 물을 얻을 수 있

다[7]. 또한 볏잎의 표면은 소수성 돌기들이 한 방

향으로 배열되어 있어 물방울이 한쪽으로만 굴러

떨어지는 이방 젖음 거동(aniostropic wetting beha-

vior)을 보인다[8].

첨단 스마트 기기가 고성능화와 더불어 점점 복

잡․다양해짐에 따라 많은 연구자들은 이런 자연

의 흥미로운 나노 구조에 관심을 갖기 시작하였으

며, 인공적으로 생체 재료의 기하학적인 구조 뿐

아니라 특성까지 유사하게 모사하고자 많은 노력

을 기울이고 있다. 그 중에서 연잎의 표면을 모사

한 초발수성 표면 제조 기술은 그 특이한 특성 때

문에 학술적인 표면 과학의 분야 뿐 아니라 건축

자재, 화장품, 섬유․의복, 교통 표지판, 고성능 전

자부품 등 여러 산업 분야에 걸쳐 매우 광범위하

게 이용될 것으로 기대된다. 지금까지 초발수 표

면은 발수성, 발유성, 방오성, 윤활성, 비점착성,

저표면장력 등의 기능성 부여를 목적으로 주로 사

용되어 왔지만, 최근에는 LCD, PDP, LED, 휴대

폰 등과 같은 디스플레이 소자, 안경, 렌즈와 같은

광학 소자, 자동차, 조선, 항공기, 건축 외장재 등

다양한 응용 방안들이 모색되고 있다. 특히 향후

차세대 첨단 디스플레이 필름, 기능성 광학 필름,

착설 방지 건재나 시계 확보를 위한 자동차용 유

리 등의 기능성 코팅 소재 분야에 유용하게 적용

될 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 각종 기능성

나노 소재 및 부품 소재의 기술 개발은 기존의 기

술 수준을 뛰어 넘는 우수한 성능이 요구되고 있

으며, 생체의 원리는 새로운 기능 소재를 위한 유

용한 해법을 제시할 수 있을 것이다.

본 기고에서는 자연의 흥미로운 특성을 인공적

으로 모사하여 표면 나노 구조가 제어된 초발수

표면에 관한 최근의 연구 결과를 소개하고자 한

다. 또한 나노 구조가 표면 특성의 변화에 어떠한

영향을 미치는지를 소개하고, 향후 실생활에 응용

하기 위한 연구 개발의 발전 방향에 대해 논의하

고자 한다.

2. 나노 구조 표면의 젖음성에 대한 이론적

고찰

나노 구조를 가지는 초발수 표면에서 물은 나노

구조 사이에 침투하거나 표면 위에 부유하게 되는

데, Wenzel과 Cassie-Baxter는 편평한 표면에서의

접촉각(θ)보다 커지는 현상을 이론적인 모델에 근



Figure 2. 초발수 거동을 설명하기 위한 두 가지 이론. (a) Wenzel과 (b) Cassie-Baxter 모델[9-11].

거하여 서로 다른 두 가지 이론을 제시하였다

(Figure 2)[9,10].

Wenzel 이론의 기본적인 가정은 액체와 표면이

완전히 접촉하는 단일상을 가진다는 것으로 평형

상태에서의 접촉각(θw)은 표면 거칠기의 비(r)에

비례하며 다음과 같이 표현할 수 있다[9].

cosθw = r cosθ

거칠기의 비는 실제 표면적과 투사된 면적의 비

를 의미하며, 거친 표면에서는 항상 r > 1의 값을

가지기 때문에 낮은 표면에너지를 가지는 소수성

표면은 접촉각이 더 커지게 되고, 높은 표면에너

지를 가지는 친수의 표면은 접촉각이 더 작아지려

는 경향을 보이게 된다. 즉, 표면 나노 구조는 표

면의 친수성과 소수성을 크게 증대시킬 수 있다.

따라서 Wenzel의 이론에 따른 초발수 표면을 구

현하기 위한 필수적인 요건은 낮은 표면에너지를

가지면서 표면 거칠기가 크게 증가해야 한다는 것

이다. 또한 Wenzel의 모델은 초친수의 상태도 설

명할 수 있는데 초발수 표면과 반대로 높은 표면

에너지의 나노 구조 표면을 형성하게 되면 물방울

이 완전히 펴지는 현상을 관찰할 수 있다.

한편, Cassie-Baxter 모델은 나노 구조 표면에

물방울이 스며들지 못하고 부유하게 하는 큰 기체

의 분율을 가지는 복합적인 상태를 가정하였다.

Cassie-Baxter 모델에서 접촉각(θc)은 다른 상들의

모든 기여의 합으로 나타낸다[10].

cosθc = f1 cosθ1 + f2 cosθ2

f1, f2는 상 1과 2의 표면 분율이고, θ1, θ2는 상

1과 2에서의 접촉각이다. 일반적으로 고체의 분율

은 f로 표현되고 기체의 분율은 (1 - f)로 표현하며,

기체의 접촉각은 180°이므로 위 식을 단순화하면

얻어지는 접촉각은 다음과 같다.

cosθc = f (1 + cosθ) - 1

θc는 θ를 갖는 표면의 고체 분율에 의존하는 함

수이며, 따라서 Cassie-Baxter 모델에 의존하여 초

발수 표면을 얻기 위해서는 고체 표면의 기여도,

즉 접촉면을 최대한 작게 하거나 소수성이 큰 소

재를 사용해야 유리하다.

이처럼 초발수 표면을 구현하기 위해서는 낮은

표면에너지와 복합적인 나노 고차 구조가 필수적

이며, 일반적으로 접촉각 150° 이상의 표면을 초

발수 표면이라 정의하지만, 기판을 기울였을 때


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물이 쉽게 굴러 떨어질 수 있는 지 또한 중요하게

고려되는 사항이다. 이는 접촉각 이력현상(contact

angle hysteresis)으로 설명되는 미끄럼각에 의존

하는 데 물과 표면의 완전 접촉을 가정한 Wenzel

상태에 비해 물-고체 계면에 공기층이 존재하여

낮은 접촉면적을 가지는 Cassie-Baxter 상태가 조

금 더 낮은 미끄럼각을 가지기 때문에 물방울이

잘 굴러 떨어진다. 따라서 초발수 표면에서 미끄

럼각의 감소는 Wenzel 상태로부터 돌기 표면에서

물방울이 기체층에 의해 부유하게 되는 Cassie-

Baxter 상태로의 전이를 의미한다[11].

3. 나노 구조를 이용한 초발수 표면

나노구조를 이용하여 초발수 표면을 구현하기

위한 방법은 다음의 2가지로 분류할 수 있다. 하나

는 나노 구조 표면을 만들고 불소계 화합물 같이

낮은 표면에너지를 가지는 소재를 코팅하는 방법

이고, 다른 하나는 낮은 표면에너지를 가지는 소

재를 이용하여 직접 나노 구조 표면을 구현하는

방법이다. 소수성 소재를 이용하여 초발수 특성을

구현하는 방법은 초발수 나노 구조 표면을 별다른

처리 없이 한 번에 구현할 수 있다는 장점이 있으

나 재료의 특성에 전적으로 의존하기 때문에 많은

연구는 전자의 방법으로 진행되고 있다. 반대로

전자의 방법은 다양한 종류의 소재 표면에 낮은

표면에너지를 가지는 소재로 간편하게 처리함으

로써 초발수 특성을 구현할 수 있는 장점을 지니

고 있으나, 불소화 처리와 같은 표면의 소수화를

위한 후처리 공정이 들어간다는 단점이 있다. 그

러나 초발수 표면을 구현하기 위해 사용되는 이

두 가지 접근법이 크게 다르다 할지라도 응용 분

야 및 요구 특성에 맞게 다양한 방법을 복합적으

로 사용하여 나노 구조를 설계하고 표면 특성을

제어하여 초발수 표면을 구현할 수 있다.

3.1. 하향식(Top-Down) 방법

하향식 방법은 공작기계나 레이저를 이용하여

구조물을 새기고, 주형을 뜨거나 기계 가공에 의

해 나노 구조를 제작하는 나노 패턴 공정 기술이

다. 포토리소그래피(photolithography) 기술은 마

스크를 통해 기판에 빛을 조사하여 원하는 모양을

전사하는 방법으로 나노 구조 표면을 정교하게 만

들 수 있는 대표적인 하향식 공정 기술이다. X-선

(x-ray) 리소그래피를 사용하여 실리콘 웨이퍼에

스파이크 형태의 규칙적인 나노 구조물을 제조하

고, 수 nm 두께로 금을 증착한 후 낮은 표면에너

지를 가지는 hexadecanethiol을 표면에 코팅하면

접촉각이 161°가 넘는 초발수 표면을 제조할 수

있다[12]. 이때 스파이크의 폭은 1∼2 µm, 간격은

1∼5 µm, 높이 1∼4 µm로 조절하였으며, 폭, 간

격, 높이에 따라 다른 발수 특성을 보인다. 또한

전자빔(e-beam) 리소그래피를 이용하여 기둥 사이

의 간격이 300 nm로 일정한 나노 구조 표면을 제

조하여 octadecyltrichlorosilane을 기상 증착하거

나 용액 코팅하면 표면의 소수성을 증가시킬 수

있다(Figure 3)[13]. 이렇게 제조된 표면은 기판과

물의 접촉면이 최소화되기 때문에 약간의 기울임

에도 쉽게 물이 굴러 떨어지는 초발수 특성을 보

인다. 또한 리소그래피를 이용한 나노 구조 제조

기술은 나노 기둥 구조의 표면 뿐 아니라 규칙적

인 나노 홀(hole) 구조를 갖는 표면도 제조할 수

있는 데 이때 표면과 물의 접촉면이 넓어지기 때

문에 Wenzel 상태의 물방울 젖음 거동을 관찰할

수 있다. 포토리소그래피를 이용해 제조되는 초발

수 표면은 표면의 소수화를 위해 추가적인 표면처

리가 필요하지만, 이 기술의 장점은 특성 분석이

비교적 간단하고 표면 젖음성 거동에 대한 모델링

에 유용하게 사용될 수 있다는 점이다.

자연의 기능성 나노 구조를 모사하기 위한 유용

한 방법 중 하나는 실제 자연의 구조물을 몰드로

이용하여 유사한 구조체를 복제하는 것이다. 연잎

이나 매미의 날개는 자연에서 흔하게 관찰되는 초

발수 나노 구조를 가지고 있으며, 이를 몰드로 사

용하여 poly(dimethyl siloxane) (PDMS)을 주조한

후 떼어 내면 음각의 연잎 구조가 만들어진다[14].

이 몰드로 연잎의 모양을 모사한 복제품을 만들면

6 µm 간격의 작은 돌기들로 구성된 자연계의 연



Figure 3. 전자빔 리소그래피를 이용해 제조한 나노 기둥

및 나노 홀 표면의 SEM 사진[13].

잎과 거의 유사한 구조를 갖는 것을 확인하였다

(Figure 4(a)). 이 복제 표면은 돌기들 사이의 복잡

한 나노 구조도 동일하게 모사되었으며, PDMS의

낮은 표면에너지에 기인하여 160도가 넘는 접촉

각을 가지는 초발수 특성을 보인다. 또한 포토리

소그래피 기술로 폭 25 µm, 깊이 80 µm의 사각

기둥을 수십 µm 간격으로 배열한 몰드를 사용하

여 초발수 특성을 보이는 PDMS 복제품을 제조할

수 있다[15].

나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithogra-

phy)는 열가소성 고분자에 유리 전이 온도 이상의

열을 가하고 단단한 몰드에 압력을 가하여 패턴을

전사하는 공정으로 몰드의 모양에 의존하여 수

nm 이하의 매우 작은 모양의 패턴을 형성할 수 있

다. 양극 산화 알루미늄(anodic aluminum oxide,

AAO) 막을 몰드로 하여 polystyrene (PS) 표면에

나노임프린트 기술을 적용하면 알루미늄을 녹여

낸 후에 나노 구조를 가지는 PS 표면을 얻을 수

있다[16]. PS 나노 기둥의 직경은 AAO 막의 구멍

크기를 조절하여 변화시킬 수 있으며 또한 나노

기둥의 길이는 AAO 막의 두께를 변화시켜 조절

할 수 있다. 이 표면은 155.8°의 접촉각을 가지며

Figure 4. 몰드를 이용하여 제조한 초발수 나노 구조 표면.

(a) 실제 연잎과 양각의 PDMS 복제품[14], (b) AAO 막을

이용해 제조한 PS 나노 튜브[17].

물방울은 쉽게 굴러 떨어진다. 또한 PS 를 유리에

코팅하고 유리 전이온도 이상의 온도에서 AAO

막을 몰드로 이용하여 모세관 힘(capillary force)

에 의해 PS 나노 튜브 구조를 형성할 수 있다

(Figure 4b)[17]. 이 표면은 162 ± 1.7°의 접촉각을

보인다. 흥미로운 것은 이 표면을 거꾸로 뒤집어

도 물방울이 떨어지지 않는데 이것은 게코 도마뱀

의 발바닥과 같이 물분자와 PS 나노 튜브가 van

der Waals 힘에 의해 강하게 붙어있기 때문이다.

이처럼 원하는 구조를 갖는 주형을 사용하여 모양

을 복제하고, 연속적으로 복제품을 떼어내거나 주

형을 녹여내는 기술을 이용하여 효과적으로 초발

수 나노 구조 표면을 구현할 수 있다.

표면의 플라즈마(plasma) 처리 기술은 산소, 염

소, 불소와 같은 반응성 원자나 이온들이 기체 방

전하는 효과를 이용하여 표면의 소수성을 증가시

키는 간편한 방법이다. 저밀도 polyethylene (LDPE)

에 연속적으로 산소와 CF4 플라즈마를 처리하여

제조한 표면은 170°의 큰 접촉각과 5° 이하의 낮

은 미끄럼각을 보이고, 20 nm에서 400 nm 범위의

표면 거칠기를 가진다[18].


16 공업화학 전망, 제15권 제1호, 2012

Figure 5. (a) 촉매가 균일하게 도포된 실리카 표면과 (b) 촉매가 불균일하게 도포된 실리카 표면에서 화학 기상 증착법을

이용하여 제조된 CNT 나노 구조 표면[19,20].

3.2. 상향식(Bottom-Up) 방법

상향식 방법은 나노 입자와 같은 작은 구조물이

나 유-무기 구성 성분을 통합하여 크고 복합한 구

조물을 만드는 기술로 자기조립(self-assembly) 기

술에 기반을 두고 있다. 화학 증착(chemical depo-

sition) 기술은 적당한 기판에 반응 생성물을 자기

조립하거나 증착하는 화학반응으로 무기 재료 박

막을 형성하기 위해 사용된다. 균일하게 촉매가

도포된 실리카 표면에 화학 기상 증착(chemical

vapor deposition, CVD) 기술을 이용하여 제조한

탄소 나노 튜브(CNT)는 15∼50 nm 직경으로 기

판에 거의 수직 배향되어 있으며, 이때의 물 접촉

각은 158.5 ± 1.5°의 값을 보인다(Figure 5(a))[19].

그러나 이 표면은 30°보다 큰 미끄럼각을 보이며,

연잎의 표면을 완벽히 모사했다고 하기는 어렵다.

한편 촉매가 불균일하게 도포된 실리카 표면에 증

착된 CNT는 표면에 수직 배향된 나노 튜브와 마

이크로 크기의 돌기들이 복합적으로 형성된 연잎

의 표면과 유사한 구조를 지닌다(Figure 5(b))[20].

이 표면은 163°의 접촉각을 지니며 5° 미만의 미

끄럼각을 가지는 초발수의 특성을 보였다. 이 결

과는 초발수 특성을 보이기 위해서 표면의 나노

구조가 복합적인 구조를 지닐 때 더 유리하다는

것을 의미한다.

다층 침지법(layer-by-layer deposition)은 양이

온과 음이온을 가지는 고분자나 입자 간의 정전기

적 상호인력을 이용하여 표면에 나노 구조를 형성

하는 방법으로 박막의 두께를 쉽게 조절하고, 다

양한 구조를 용이하게 만들 수 있는 장점이 있다

[21]. 특히 대면적 뿐 아니라 기하학적으로 복잡한

구조의 표면에도 쉽게 적층할 수 있다는 점에서

매우 유용하지만 수동적으로 코팅이 되는 방식이

기 때문에 많은 공정 시간이 소요되며 초발수성을

구현하기 위해서는 소수성 처리가 종종 필요하다.

또한 표면 나노 구조의 기계적 강도 및 거칠기를

증가시키기 위해서 무기 나노 입자를 사용하기도

한다. 가장 대표적인 방법은 양전하를 띠는

polyallylamine hydrochloride (PAH)와 음전하를

띠는 poly(acrylic acid) (PAA) 전해질 고분자를

이용하여 초발수 실리콘 표면을 구현한 것이다

(Figure 6)[22]. 서로 다른 전하를 가지는 두 전해

질 고분자 PAH와 PAA를 다층 침지하여 다층 박

막을 형성하고 충분히 산처리를 해주면 PAA 의

전하밀도가 감소하면서 필름의 표면에는 수 마이

크로 크기의 구멍을 가지고 있는 벌집 모양의 구

조가 형성된다. 이 표면에 실리카 입자를 코팅하

고 불소화 처리를 해주면 접촉각이 170°가 넘고

1°만 기울여도 쉽게 굴러 떨어지는 초발수 특성을

보인다. 또한 PAA로 코팅된 100 nm ZrO2 입자와

PAH를 다층 침지하여 유사한 구조의 나노 구조를

가지는 표면을 제조할 수 있으며, 불소로 소수성

처리 후 초발수 특성을 보이는 것을 확인하였다

[23].

산화물 전구체의 가수분해를 이용하는 졸-젤법



Figure 6. 다층 침지법을 사용하여 제조한 초발수 표면의 SEM 사진과 물방울 모양[22].

(sol-gel)은 자기조립법과 조합하여 투명한 초발수

표면을 구현할 수 있다. 다양한 실리카 전구체의

가수분해와 축합반응의 조절을 통하여 마이크로

수준의 다공성 실리카 나노 구조를 제조할 수 있

으며, 이 때 표면의 화학적 특성은 self-assembled

monolayers (SAMs)를 이용하여 제어할 수 있다

[24]. 이 표면은 90% 이상의 광투과도와 165°의

높은 접촉각을 가졌으며, 실리카 나노 입자와 불

소계 실란화합물을 사용하여 표면에너지와 거칠

기를 제어하여 물 뿐 아니라 기름에서도 강한 반

발력을 보이는 것을 관찰하였다. 또한 다중 수소

결합을 지니는 초분자 실란 화합물은 졸-젤법으로

표면에 코팅하여 나노 구조가 제어된 초발수 표면

을 갖는 유기-무기 나노 복합필름을 제조하였다[25].

기존의 실란 화합물을 이용하여 제조된 초발수 표

면 코팅 기술의 경우 고온의 열처리로 안정화 시

켜야 하는 공정상의 단점이 있었던 반면에 초분자

실란을 사용할 경우 다중 수소 결합에 의한 강한

자기조립 특성 때문에 이런 안정화 공정없이 초발

수 나노 구조 표면이 구현되는 장점이 있다.

전기방사법(electrospinning)은 정전기력(electro-

static force)에 의해 낮은 점도 상태의 고분자 용

액을 순간적으로 섬유형태로 방사하여 간편하게

다공성의 나노 구조체를 제작할 수 있는 유용한

기술이다. 특히 전기방사법은 다중 노즐(multi-

nozzel) 을 사용하여 대면적에 빠르게 코팅할 수

있어 초발수 나노 표면을 제조하기 위한 응용가능

성이 매우 크다. 대표적인 예는 organically modi-

fied silicates (ORMOSILs)의 졸-젤 반응과 전기

방사에 의한 나노 섬유 제조 기술을 결합하여 초

발수성을 보이는 기능성 나노 섬유를 제조한 것이

다(Figure 7(a))[26]. ORMOSILs 용액의 졸 형성

조건을 제어하면 방사되는 섬유의 크기 및 형태를

효과적으로 제어할 수 있으며, 특히 500 ℃의 가

혹한 열처리 환경에서도 초발수의 특성이 그대로

보존된다는 것을 관찰하였다. 전기 방사를 통해

제조된 기능성 섬유는 free-standing한 특성을 가

지기 때문에 수처리용 멤브레인이나 가스 필터용

분리막으로 응용될 수 있으며, ORMOSILs 나노

섬유의 오일-물 분리막과 자동차용 에어필터로서

사용 가능성을 평가하였다(Figure 7(b)).

블록공중합체 마이셀 용액을 제조하여 마이셀

이 코팅된 필름을 특정 용매에 노출시키면 사용한

용매, 기체의 습도에 의존하여 다양하게 표면 형


18 공업화학 전망, 제15권 제1호, 2012

Figure 7. 전기 방사법을 이용하여 제조된 ORMOSILs 초

발수 나노 섬유의 (a) 열처리 전과 후의 표면 SEM과 물방

울 사진, (b) 오일-물 분리막 및 자동차용 에어필터로의 적

용 특성 평가[26].

Figure 8. (a) 용매의 선택에 따른 블록공중합체 마이셀 입

자의 형태 제어, (b) 블록공중합체 마이셀 용액을 표면에

코팅하여 제조한 초발수 표면의 SEM 사진; DMF를 사용

하였을 때의 나노 구조 표면(왼쪽), THF (위)와 TCB (아

래)를 사용하였을 때의 나노 구조 표면(오른쪽)[27].

태를 제어할 수 있다. N,N'-dimethylformamide

(DMF)에 녹인 polypropylene-b-poly(methyl meth-

acrylate) (PP-b-PMMA) 블록공중합체 마이셀 용

액은 용매의 농도 변화에 따라 입자의 응집 거동

을 제어하여 연잎과 유사한 표면 구조를 가지는

초발수 표면을 제조할 수 있다(Figure 8)[27]. PMMA

를 잘 녹이는 THF와 1,2,4-trichlorobenzene (TCB)

을 사용하였을 때 마이셀 입자 표면의 PMMA 사

슬들이 완전히 풀어진 형태를 보이기 때문에 코팅

된 표면이 편평한 모폴로지를 가지는 반면에

PMMA에 poor 용매인 DMF를 사용하면 일정 농

도 이상에서 서로 응집되어 연잎과 유사한 표면

나노 구조를 가지게 된다.

3.3. 하이브리드 방법

하향식과 상향식을 결합한 하이브리드 방법은

두 기술의 장점을 결합하여 고차 구조를 만들거나

연잎과 유사한 구조를 만들 때 유리하다. 이 방법

은 대개 하향식 방법을 이용하여 큰 스케일에서

거친 표면을 만들고, 하향식 방법을 이용하여 보

다 정교하게 거칠기를 제어하는 방법이 적용된다.

포토리소그래피로 제조된 마이크로 크기의 실리

콘 사각 기둥에 화학 기상 증착법을 이용하여 10

µm 길이의 이방성으로 배열된 CNT를 성장시켜

초발수 표면을 구현할 수 있다[28]. 또한 CNT의

성장을 조절하여 마이크로와 나노의 고차구조를

가지도록 거칠기를 제어하면 미끄럼각을 크게 감

소시킬 수 있다[29].

앞서 언급한 기술이 리소그래피 장비 및 증착기

등 복잡하고 고가인 장비를 필요로 하는 데 반해

고분자의 상분리 현상을 이용하여 마이크로 수준

의 복잡한 기하학적인 표면 구조를 간편하게 제어

할 수 있다[30]. 서로 다른 특성의 두 고분자를 블

렌드 하여 기판에 코팅 후 하나의 고분자를 선택

적으로 제거하면 어느 부분을 관찰해도 동일한 표

면 거칠기를 가지는 초발수 표면을 제조할 수 있

다. 또한 이 방법과 유사하게 isotactic polypro-

pylene (i-PP)에 적합한 용매를 선택하고 건조온도

를 조절하면 160°가 넘는 접촉각을 지니는 초발수



Figure 9. 유리 기판에 i-PP 를 녹인 자일렌 용액에 비용매로 MEK를 첨가하고 건조 온도를 달리하여 제조한 초발수 표면

(a) 저온, (b) 고온[31].

Figure 10. CNT와 실란 졸의 수소결합을 통한 안정화 및 스프레이 코팅된 나노 구조 표면의 SEM과 물방울 사진[32].

표면을 쉽게 제조할 수 있다(Figure 9)[31]. i-PP

를 녹인 자일렌 용액에 i-PP의 다양한 비용매를

소량 첨가하고 건조 온도를 달리하면 표면의 망상

구조가 제어된다. 특히 MEK를 비용매로 첨가하였

을 때 가장 좋은 초발수의 효과를 얻을 수 있었다.

4. 기능성 초발수 표면의 기술적 진보

초기 초발수 표면에 대한 연구가 표면 나노 구

조를 제어하여 단순히 물에 대한 접촉각을 크게

만드는 것에 치중해 있었다면 최근의 기술은 단순

히 물을 밀어내는 역할 뿐 아니라 실생활에 적용

하기 위해서 전기 전도성, 광학 특성, 기계적 특성

에 이르기까지 다양한 기능성을 요구하고 있다.

특히 스마트 폰의 활성화와 더불어 투명 전도성

필름에 대한 관심이 높아지고 있으며, 광학적으로

투명하고 전기 전도도가 우수한 초발수 표면에 대

한 기술 수요가 증가하고 있다. 탄소 나노 튜브와


20 공업화학 전망, 제15권 제1호, 2012

실란 졸의 혼합액으로 다양한 기판 소재에 코팅하

여 초발수 나노 구조 필름을 형성할 수 있는 가능

성이 제시되었다(Figure 10)[32]. 탄소 나노 튜브

의 망상 구조는 필름 내부의 나노 구조를 형성하

고, 실란 화합물은 표면의 화학적․기계적인 특성

을 제어하는 역할을 한다. 다중벽 탄소 나노 튜브

(MWNT) 표면의 -OH기와 실란 졸의 상호작용을

통해 안정한 CNT/실란 졸을 형성하며, 이 용액으

로부터 스프레이 코팅된 나노 구조 표면은 초발수

특성 뿐 아니라 90% 이상의 투과도 및 높은 전기

전도성까지 가지는 것을 관찰하였다. 또한 표면의

광학적 특성을 제어하기 위해 가장 유용하게 쓰이

는 방법이 나노 입자를 이용하는 방법인데 소수성

hexamethyldisilizane으로 개질된 실리카 나노 입

자를 이용하여 난반사(antireflection) 특성을 가지

는 초발수 표면을 구현할 수 있다는 것이 보고되

었다[33].

초발수 표면에 대한 연구가 물에 대한 접촉각에

관심을 가졌던 데 반해 최근의 기술은 다양한 액

체에 대한 젖음 거동을 제어하기 위한 연구가 진

행되고 있다. 특히 물보다 낮은 표면 장력을 가지

는 유기 액체의 접촉각이 150° 이상을 보이는 초

발유성에 대한 관심이 급증하고 있으며, 이는 방

오성, 내지문성 등의 또 다른 표면 특성을 제어할

수 있는 기초 연구가 된다[34]. 물에 대한 초발수

특성이 표면에너지와 표면 거칠기의 복합적인 결

과로 인해 나타나는 반면에, 연잎의 표면에서 조

차 hexdecane을 떨어뜨리면 접촉각이 0°에 가까워

진다는 사실을 보더라도 초발유성을 설명하기 위

해서는 또 다른 변수가 존재하며 이에 대한 이론

적 원리는 아직까지 명확히 밝혀지지 않았다. 그

러나 과불소 알킬기(perfluoro alkyl group)로 치환

된 실세스퀴옥산(silsesquioxane) (fluoroPOSS)과

PMMA를 블렌드하여 전기 방사한 나노 섬유 표

면은 물 뿐 아니라 hexadecane이나 decane 등의

오일과 메탄올을 포함한 알콜류도 접촉각이 140°

이상 되는 초발유의 특성을 보인다는 것을 실험적

으로 개발하였다(Figure 11)[35]. 전기 방사된 섬

유가 초발유의 특성을 가질 수 있는 요인으로 나노

섬유의 re-entrant curvature 구조가 local surface

curvature를 가지기 때문이며, 이를 microhoodoo

구조를 이용하여 예측하였다. 이는 re-entrant curva-

ture 구조의 표면에서는 편평한 표면에서의 접촉

각이 어떠한 값, 즉 액체가 낮은 표면 장력을 가지

더라도 기체-액체-고체의 계면을 가질 수 있는 장

점이 있어 국부적으로 Cassie 의 상태가 안정화 되

어 있기 때문에 낮은 표면 장력의 액체도 쉽게 스

며들지 못하는 것이다.

높은 표면에너지의 소재를 표면 나노 구조와 조

합하면 물이 완전히 펴지는 초친수 표면을 구현할

수 있다. 초발수 표면과 초친수 표면은 나노 구조

를 이용한다는 구조적 관점에서 동일하게 접근할

수 있다. 최근에는 소재 표면의 화학조성을 능동

적으로 제어하여 표면 특성을 초발수에서 초친수

로 가역적으로 변화시킬 수 있는 연구가 수행되고

있다. 온도, 빛, 전기장, pH, 용매 등 외부자극에

응답하여 소재의 표면에너지가 변화될 수 있는 소

재를 나노 구조 표면에 적용하면 초발수-초친수

표면특성을 자유자재로 제어할 수 있는 기능성 스

마트 표면을 구현할 수 있다[36-40]. 빛에 의해 화

학 구조가 변화하는 아조벤젠(azobenzene) 유도체

를 표면 미세구조가 제어된 표면에 코팅하여 빛의

조사에 의해 표면 특성이 초발수에서 초친수로 제

어되는 표면을 구현하였다[38]. 또한 최근에는 한

가지 자극이 아닌 여러 자극에 복합적으로 작용하

는 기능성 표면 기술에 관한 연구가 진행되고 있

다. 이런 외부자극을 인가하여 표면 특성을 제어

할 수 있는 기술은 미세유체기기(microfluidic devi-

ces), 바이오/화학 센서, 약물전달 시스템, 멤브레인

등에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

5. 맺음말

자연에서 볼 수 있는 초발수 표면의 나노 구조

는 다양한 산업 분야에 응용할 수 있는 유용한 정

보를 제공한다. 연잎의 표면 미세 구조를 인공적

으로 모사하여 물에 대한 젖음성을 효과적으로 제

어할 수 있는 기능성 스마트 표면은 표면의 화학



Figure 11. (a) 전기 방사된 fluoroPOSS 표면과 (b) micro-

hoodoo 구조의 SEM 사진, (c) fluoroPOSS 스핀 코팅된 편

평한 표면에서 오일의 접촉각, (d) 실란 처리된 microhoo-

doo 표면에서 다양한 용매에 대한 접촉각[35].

구조와 미세 나노 구조의 적절한 조합으로 이루어

지며, 건물 외벽, 자동차 내․외장재 등에 발수성,

발유성, 방오성 등의 기능성 부여를 목적으로 주

로 사용되어 왔다. 또한 최근에는 첨단 스마트 디

스플레이, 기능성 광학 필름, 자동차용 유리 등의

기능성 향상을 위한 다양한 기술들이 요구되고 있

어 기능성 초발수 표면을 효과적으로 구현하기 위

해서는 표면에너지와 표면 미세구조를 정교하게

제어할 수 있는 기술의 확보가 선행되어야 한다.

그러나 이런 기능성 초발수 표면 제어 기술이 다

양한 산업 분야에 적용될 가능성이 높음에도 불구

하고 표면 미세구조에 의한 약한 기계적 강도, 화

학적으로 취약한 내구성은 초발수 표면의 실제적

인 응용 가능성을 떨어뜨린다. 따라서 초발수 표

면을 실생활에 광범위하게 적용하기 위해서는 표

면 나노 구조와 표면의 화학적인 조성에 대한 학

문적 이해와 미세 나노 구조를 정교하게 개발할

수 있는 산업화 기술을 접목하여 기계적․열적 안

정성을 향상시키고, 새로운 기능성 초발수 표면을

개발한다면 첨단 산업 분야로의 응용 가능성이 높

아질 것을 기대된다.

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임 호 선

2002 서울시립대학교 환경공학부

학사

2004 포항공과대학교 환경공학부

석사

2008 포항공과대학교 화학공학과

박사

2008 포항공과대학교 고분자

연구소 박사후 연구원

2009∼2011 Massachusetts Institute of

Technology, Postdoctoral

Associate

2011∼현재 전자부품연구원 선임연구원

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기획특집: 기능성 유기 신소재 - cheric.org · 기획특집: 기능성 유기 신소재 12 공업화학 전망, 제15권 제1호, 2012 Figure 1. 자연에서 발견되는