본질적으로 강한 소수성

물이 고체 표면에 젖는 방법은 표면 화학 조성에 의존하는 표면 에너지와 친수성과 소수성을 조장하는 표면 거칠기의 두 가지 인자에의 의존한다. 금 속과 금속 산화물 표면은 표면 에너지가 높아서 대부분은 친수성이다. 이들 에게 소수성을 나타내려면 표면 에너지가 낮은 고분자로 덮어야 한다. 그러 나 고분자는 고온이나 마모 저항이 약하므로 소수성 고분자 표면이 가혹한 조건에 노출되면 버티지 못한다.

란탄 계열 원소 산화물들은 그 전자 구조가 특별하여 소수성이며, 마모되 거나 1,000℃에 한 시간 유지해도 소수성을 유지한다고 Kripa Varanasi 등이 Nature Materials 12, pp.315～320, (2013) 에 발표하였다. 강한 소수성의 희토 류 금속산화물(Rare-earth oxides: REOs)은 자동 세척과 내식성 표면이 필요 한 곳에 널리 이용될 수 있다.

Varanasi 등이 란탄 계열 원소 산화물들 표면 위의 물방울과의 접촉각 (Contact angles: CAs)을 측정한 결과, 이들 REOs은 CAs가 100°～115°(참고 로 Teflon의 CA는 ~119°)로 비슷한 소수성을 보인다. 접촉각의 산-염기 이론 을 사용한 화학적 특성은 모든 표면이 비극성이다.

실제로 표면 극성은 표면 에너지와 비례하고, 극성이 증가하면 물과 고체 사이의 계면 에너지가 감소하여 CA가 감소한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 보통 고분자의 표면 습윤성은 표면 극성으로 설명할 수 있다. 비극성인 polyethylene, polytetrafluoroethylene, 그리고 polysiloxane은 소수성이고, 극 성인 poly methyl methacrylate와 poly vinyl alcohol은 친수성이다.

따라서 일반 금속과 세라믹스는 금속 원소의 불포화 전자 즉 다른 원자에 배위할 수 있는 부대 전자 때문에 생기는 높은 극성으로 친수성이 된다. 예 를 들면, 친수성인 알루미나에서 빈 3 p 궤도가 노출되면 계면에 있는 물의 산소 원자와 반응한다. 그러나 란탄계 REOs에서 빈 내부 4 f

궤도는 바깥 궤 도로 완전히 막히게 된다. 이것이 표면에서 수소 결합 네트워크 형성을 방해 한다.

표면 거칠기가 나노 단위나 마이크론 단위이면 CAs가 65°(이 수는 물과 이루는 구조 차이를 기준으로 친수성과 소수성의 경계를 나타낸다.) 이하로 친수성이다. CA > 65°에서 소수성 표면이고, CA > 150°이면 초 소수성이다. 따라서 나노 구조 자체가 표면 습윤성을 높일 수 있으므로 REO 표면을 경 면 연마한 후라도 나노 단위 표면 거칠기가 어느 정도 남아 있어서 높은 물 접촉각을 얻을 수 있다. 이것은 REO 단결정의 평탄한 결정면 위에서 접촉각 을 측정함으로 확인할 수 있다.

Varanasi 등은 나노선의 에칭된 풀 모양을 한 실리콘 미세 기둥 위에 산화 세륨 박막을 증착하여 란탄 계열 REOs 초소수성 기판의 거칠기를 이용하였 다. REO와 실리콘 사이의 열팽창계수가 맞지 않고 조직이 부서지기 쉬워서 매끈한 REO 표면에 비해 거친 표면을 가진 REO가 고온이나 마모에 견디지 못한다.

고온 내구성을 높이려면 순수한 REO 표면을 직접 미세 가공할 수 있다. 또 REO 물질을 코팅으로 사용하려면 기판과 REO 표면 사이에 완충 층을 도입하여 열팽창 차이를 줄여서 조직의 안정성을 높이고, 초소수성을 튼튼하 게 유지할 수 있을 것이다.

출처 : Ye Tian and Lei Jiang, “Intrinsically robust hydrophobicity”,

Nature Materials , 12,

2013, pp.291~292