펨토초 레이저 텍스처링으로 만든 신축성, 불소 없는 초소수성 실리콘 표면

초록

고신축성 내구성 초소수성 표면은 다양한 응용 분야 관심 대상. 본 연구에서는 에코플렉스 실리콘 엘라스토머에 펨토초 레이저 텍스처링으로 이 표면 구현. 결과 소재 400% 변형까지 발수성 손실 없음; 오히려 신축 시 소수성 향상. 또한 변형 유도 "페탈"에서 "로터스" 습윤 상태 전이 시연, 가역적 액적 포획·방출 가능. 이 레이저 에이블레이션 표면은 불소 무함유, 기계적 견고성, 확장 가능 생산 적합으로 마이크로유체공학, 생체의료 기기, 스마트 텍스타일 매력적.

배경

인공 초소수성 표면은 항력 저감[1], 항바이오파울링[2], 마이크로유체 조작[3], 방빙[4-6], 집수[7], 착용형 전자[8] 등 핵심 역할. 인공 피부, 착용형 기기용 이상 표면은 고신축성, 내구성, 생체적합성, 간편 제조 결합 필요. 전통적 신축성 구현은 경질 기판 패터닝이나 프리스트레인드 엘라스토머 위 마이크로/나노입자 증착[10,11]으로 복잡, 휘발성 유기 용제 사용 잦아 친환경 제조 원칙 상충.

펨토초 레이저 가공은 경질/유연 기판 모두 위 계층적 마이크로/나노구조 생성 청정, 신속 경로 제공[12-18]. 선행 연구 PTFE, PDMS 집중[20,21]; 단 PTFE 비가역 변형[22], PDMS 제한적 탄성률로 100% 미만 변형서 초소수성 제한[21]. 에코플렉스, 500% 신축·생체적합 피부 유사 컴플라이언스 갖춘 초연질 실리콘 엘라스토머[23,24], 레이저 텍스처링 매력적 기판. 본 연구 최초로 에코플렉스 위 펨토초 레이저 에이블레이션으로 고신축, 내구성, 불소 무함유 초소수성 표면 제작, 조절 가능 부착력, 변형 강화 발수성 보고.

방법 및 실험

재료

유연 고무(에코플렉스 00-20) 스무스온사(미국) 구매.

실리콘 엘라스토머 제조

그림 1a와 같이 2 mm 두께 에코플렉스 시트 액체 A, B 성분 1:1 부피비 혼합, 실온 12시간 금형 경화[23].

엘라스토머 초소수성 표면 제작

공기 중 라인-바이-라인 펨토초 레이저 에이블레이션으로 마이크로/나노구조 생성(그림 1b). 엘라스토머 나노테크놀로지 스테이지(XY-트라이포드-세타 6축 시스템, 알리오 인더스트리) 장착, Ti:사파이어 펨토초 레이저(리브라, 코히어런트사, 미국) 100 fs 펄스 폭, 1 kHz 반복률, 800 nm 파장 조사. ×10 대물렌즈(NA 0.24) 집속, 주사 속도 2 mm s⁻¹ 고정. 주사 간격과 레이저 플루언스 변화로 초소수성 성능 최적 표면 형태 구현.

특성 분석

표면 형태 주사전자현미경(SEM, JEOL JSM-7001F), 레이저 주사 공초점 현미경(올림푸스, OSL4100) 관찰. 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 화학적 변화 평가. 접촉각(CA), 미끄럼각(SA) 접촉각계(SEO PHOENIX) 측정.

결과 및 논의

구조와 초소수성 특성

초소수성은 자연 표면 영감 계층적 표면 지형에서 기인[26]. 저부착(LA) 표면, 연꽃 잎 유사, 미끄럼각 10° 미만[27]; 고부착(HA) 표면, 장미 꽃잎 유사, 역전해도 액적 유지[28]. 레이저 파라미터 조절로 에코플렉스 위 두 형태 모두 구현.

그림 1c, 2a-c 레이저 텍스처링 실리콘 엘라스토머 습윤 거동, 표면 형태 표시. HA 표면(SA=180°) 레이저 플루언스 45.4 J cm⁻², 10 µm 간격서 접촉각(CA) 153.1°. 간격 증가시 CA 감소(80 µm서 128°) LA→HA 전이. EDS 스펙트럼(그림 2d,e) 산소 함량 미미 증가 외 화학적 변화 거의 없음.

SEM 이미지 100-200 nm 나노입자 덮인 마이크로 리지 네트워크, 국소 용융 급속 냉각 형성[30]. 리지 에지 풍부 나노입자로 캐시-백스터 습윤 상태(저부착), 리지 중심 나노구조 없어 웬첼 상태(고부착) 지지. 레이저 플루언스 136.2 J cm⁻², 간격 30 µm(LA), 50 µm(HA) 선택으로 목표 습윤 영역 달성.

변형 조절 구조와 습윤성

주사 방향 수직(⊥), 평행(∥) 인가 변형 함수 CA, SA 조사. 변형 ε = (L - L₀)/L₀. 그림 3a,b 리지 주기, 홈 폭 변형 하 진화. 평행 신축 그레이팅 압축, 주기 단축, 홈 좁아짐; 리지 중심 접혀 주변 마이크로/나노구조 감쌈(그림 3e). 400% 변형서 주기 20-30 µm 감소(그림 3d), 표면 지형 풍부화. 수직 신축 주기, 홈 폭 신장, 리지 기하 보존(그림 3f-h), 홈 바닥 2차 10 µm 리지 배열 생성.

그림 4 LA, HA 표면 모두 변형 증가시 초소수성 향상, 선행 보고[21,32]와 대조. HA 표면 CA 100% 변형 144.4°→400% 153.6°, SA 12° 하락. "고정" 상태(역전해도 액적 부착)→"굴림" 상태(43° 기울기서 액적 미끄러짐) 전이 ~200% 변형 발생. 평행/수직 신축 유사 경향, HA 표면 400% 최대 CA 156.6°, 최소 SA 9° 달성.

신축 강화 발수 메커니즘

EDS와 400% 변형 후 순수 에코플렉스 CA 불변(그림 5)으로 화학적 변형 아닌 형태 변화 기인 확인. 습윤 상태를 리지 에지 기포(캐시-백스터)와 리지 중심 완전 접촉(웬첼) 조합 모델링. 식 (3)서 거칠기 인자 r 증가(새로 형성된 마이크로 리지 폴딩) 또는 고체 분율 f_S 감소(홈 확대) 시 겉보기 접촉각 상승. 수직 신축 f_S 감소(홈 폭 증가), 평행 신축 r 증가(계층적 특징 추가) 모두 CA 상승, 부착 저하 기여.

내구성

반복 반죽, 비틀림 사이클로 내구성 평가. LA 표면 50 사이클 후 초소수성 유지(그림 7a). HA 표면 평행/수직 방향 300% 변형 50회 신축-이완 사이클; CA, SA 전 사이클 안정(그림 7b,c), 높은 가역성, 기계적 견고성 확인.

액적 수송

가역적 고정-굴림 전이 무손실 액적 이송 가능. 5 µL 물방울 LA 표면 놓으면 접근 HA 표면 고부착으로 포획; 후속 신축 부착 감소로 중력 하 방출. 보충 비디오 전체 사이클 시연(추가 파일 1: 비디오 S1). 이 메커니즘 단순성 자동 마이크로유체 핸들링 적합, 고출력(>100 W) 레이저, 고속 갈바노미터[36,37] 펨토초 레이저 가공 확장성 산업적 실행 가능성 시사.

결론

최초로 에코플렉스 실리콘 엘라스토머 위 불소 무함유 초소수성 표면 400% 변형 유지·발수성 향상 입증. 레이저 플루언스, 간격 조절로 LA, HA 형태 구현, 변형 유도 고정→굴림 전이 가역적 액적 포획·방출 가능. 표면 반복 기계적 사이클링 우수 내구성, 확장 가능 펨토초 레이저 제작 호환. 고신축, 제어 가능, 견고 표면으로 생체의료 기기, 마이크로유체 시스템, 스마트 착용 기술 큰 기대.

데이터 및 재료 가용성

본 연구 생성/분석 데이터셋 교신 저자 요청 시 제공 가능.

약어

CA:

접촉각

HA:

고부착

LA:

저부착

PDMS:

폴리디메틸실록세인

PTFE:

폴리테트라플루오로에틸렌

SA:

미끄럼각