물에 젖지 않는 초소수성 패턴 프린팅 기술 개발

물에 젖지 않는 초소수성 패턴 프린팅 기술 개발

 

등록일 2016-11-21

 

 

 
물에 젖지 않는 초소수성 패턴 프린팅 기술 개발
 

□ 연꽃잎, 나비의 날개 표면은 물에 잘 젖지 않는다. 이러한 초소수성* 표면을 갖도록 레이저 프린터로 빠르게 출력할 수 있는 기술이 개발되었다.
   *초소수성 표면(Superhydrophobic surface) : 물과 친하지 않는 성질인 소수성이 매우 강한 표면 상태

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 천두만 교수(울산대) 연구팀이 초소수성 표면을 가지는 패턴을 상용 레이저 프린터로 간단히 출력할 수 있는 프린팅 기술을 개발하였다고 밝혔다.

□ 이는 소수성을 가지는 실리카(SiO2) 나노입자*를 프린터 토너분말과 배합하여 기존 레이저 프린터에서 물에 젖지 않는 초소수성 패턴을 프린팅할 수 있는 최초의 기술이다. 이 기술은 기존의 레이저 프린터를 이용하여 토너만 교체하면 수 초 이내로 빠르게 출력할 수 있다. 제작공정 또한 단순한 프린팅 공정으로 간단하다.
    *실리카(SiO2) 나노입자 : 직경이 100nm 이하의 아주 작은 실리카 입자. 지표의 토양을 이루고 있는 쉽게 구할 수 있고 가격이 저렴한 실리카 소재를 기반으로 화학적 처리를 통해 물이 잘 묻지 않는 소수성 표면을 가지도록 처리된 입자이다. 

□ 기존 연구에서는 초소수성 표면을 가지는 패턴을 제작하기 위해서는 화학적으로 초소수성 표면을 만드는 단계, 친수성 패턴을 잉크젯으로 프린팅하는 단계 및 후처리 단계의 복잡한 공정이 요구되었고, 패턴 프린팅을 위해서는 별도의 전용 프린팅 장비가 필요하였다. 그러나 이번에 개발된 기술은 상용 레이저 프린터에 토너만 교체하여 간단하고 빠르게 임의의 초소수성 패턴을 출력할 수 있다.

□ 천두만 교수는“이 연구성과는 상용 레이저 프린터를 활용하여 초소수성 표면을 가진 프린팅이 가능하도록 한 최초의 연구이다. 자가세정, 안개에서의 물 포집, 액체의 모양 및 위치제어를 이용한 개방형 랩온어칩, 세포부착 방지를 이용한 선택적 세포배양 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

□ 이 연구성과는 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었으며, 국제적인 학술지‘사이언티픽 리포츠’(Scientific Reports) 11월 8일자에 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용 
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Laser Printing of Superhydrophobic Patterns from Mixtures of
   Hydrophobic Silica Nanoparticles and Toner Powder
   - 저자 정보 : 천두만(울산대학교, 교신저자), 오치빈(울산대학교, 제1저자)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 초소수성 표면(Superhydrophobic surface)은 자가세정, 액적제어*, 항력감소* 등의 고유한 특성으로 인해 관련 연구가 많이 진행되고 있음. 초소수성 표면제작을 위해서는 복잡한 공정이 요구되고 인체에 해로운 화학약품의 사용 등의 한계가 있음.
     *액적제어 : 액체 물방울의 형상이나 위치를 제어하는 것으로 미세 유체를 이송하거나 크기를 변경할 때 사용되는 기술로 미량의 액체를 흘려보내면서 진단하는 랩온어칩 분야에 필수적인 기술
      *항력감소 : 물체가 공기나 물속에서 이동할 때 이동을 방해하는 힘인 항력(Drag force)을 유체역학적인 방법으로 표면의 특성을 통해 감소시킴.
   ○ 연구팀은 초소수성의 패턴 제작이 간단하게 가능할 수 있도록 기존의 상용 레이저 프린터를 기반으로 초소수성 패턴의 제작이 가능한 기술을 연구함. 

 2. 연구내용
   ○ 상용 레이저 프린터에서 사용하는 토너와 소수성을 가지는 실리카 나노입자를 배합하여 레이저 프린터를 통해 바로 초소수성 패턴을 제작할 수 있는 방법을 개발함.  초소수성과 인쇄 품질을 고려하여 토너와 실리카 나노입자의 배합 비율에 따른 적심성* 변화와 인쇄 품질을 평가하여 초소수성이 되면서 적절한 인쇄 품질을 확보할 수 있는 최적의 배합비율을 도출함.
     *적심성 : 습윤성이라고도 하는데 어떤 고체면에 대한 어떤 액체의 젖기 쉬운 정도를 나타내는 것으로 적심성이 높은 깨끗한 유리에 대해 물은 쉽게 부착될 수 있고, 적심성이 낮은 연꽃 잎에는 물의 부착이 어려움
   ○ 제작된 표면구조를 분석하여 출력된 패턴에서 마이크로/나노 계층구조를 가지는 구조를 확인하였고 초소수성 표면을 가질 수 있는 메커니즘을 규명함. 다양한 패턴을 제작하여 자가세정 효과, 액적 제어* 등의 적용 가능성을 평가함.

3. 연구 성과
   ○ 상용 레이저 프린터를 이용하여 초소수성 패턴의 프린팅이 쉽게 가능하게 되어 고가의 장비나 유해한 재료를 사용하지 않고 짧은 시간에 패턴을 제작할 수 있어 초소수성 표면을 가지는 패턴 연구의 발전을 기대할 수 있음.
   ○ 자가세정, 안개에서의 물 포집*, 액체 모양 및 위치제어를 이용한 개방형 랩온어칩*, 세포부착 방지를 이용한 선택적 세포배양 등을 위한 패턴 연구가 가능하게 되어 초소수성 패턴의 응용분야 연구를 가속화 시킬 수 있고, 이 기술을 기반으로 미래에는 일회용 개방형 랩온어칩, 세포배양 칩 등을 언제 어디서나 출력하여 사용할 수 있을 것으로 기대됨.
     *물 포집(Water collection) : 물이 부족한 사막에 사는 딱정벌레가 안개에서 효율적으로 물을 포집하는 현상을 이용하여 초소수성 패턴을 통해 수증기가 효율적으로 응축되어 물을 효과적으로 포집하는 기술
      *개방형 랩온어칩 : 미량의 액체를 흘려보내면서 진단하는 랩온어칩에서 유체가 흐르는 통로가 밀폐되어 있지 않고 개방되어 있는 형태
   ○ 프린팅 산업에 새로운 응용분야의 개척을 통해 고부가가치의 기능성 토너 생산 및 프린터 개발을 통해 산업적으로도 기여할 수 있을 것으로 판단됨.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 연꽃잎, 나비의 날개 등 자연계에서 관찰될 수 있는 초소수성 표면(Superhydrophobic surface)은 자가세정, 액적제어, 항력감소 등의 고유한 특성으로 인해 관련 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 표면은 신발이나 의류의 표면오염을 방지하고, 오염으로 인해 발전효율이 저하되지 않도록 태양전지 패널을 깨끗하게 하거나 물 얼룩이 발생되지 않는 거울이나 유리 등에 적용될 수 있는 등 다양한 응용분야가 있다. 또한 최근에는 초소수성 표면을 가지는 패턴을 통해 세포의 배양이나 세균의 증식을 막는 등의 바이오분야에의 연구에도 적용되고 있다.
  ㅇ 하지만 이러한 다양한 적용 가능분야에도 불구하고 상용화가 느린 이유는 제작방법의 어려움과 패턴 제작 기술의 진입장벽으로 인해 연구가 쉽게 진행되지 못하기 때문이다. 이러한 초소수성 표면의 경우 일반적으로 낮은 표면에너지와 나노/마이크로 구조의 요철구조를 통해 구현될 수 있고, 많은 연구자들에 의해서 다양한 제작방법이 연구되고 있지만, 초소수성 표면제작을 위해서는 복잡한 공정이 요구되고 인체에 해로운 화학약품의 사용 등의 한계가 있었다. 이에 연구팀은 초소수성의 패턴 제작이 간단하게 가능할 수 있도록 기존의 상용 레이저 프린터를 기반으로 초소수성 패턴의 제작이 가능한 제작기술을 연구하였다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 상용 레이저 프린터에서 사용하는 토너와 소수성을 가지는 실리카(SiO2) 나노입자를 배합하여 레이저 프린터를 통해 바로 초소수성 패턴을 제작할 수 있는 방법을 개발하였다.
  ㅇ 먼저 초소수성과 인쇄 품질을 고려하여 토너와 실리카 나노입자의 배합 비율에 따른 적심성 변화와 인쇄 품질을 평가하여 초소수성이 되면서 적절한 인쇄 품질을 확보할 수 있는 최적의 배합비율을 도출하였고, 이를 통해 자가세정의 가능 여부를 슬라이딩 각도를 통해 평가하여 초소수성 기능을 가지는 표면을 확보할 수 있었다.
  ㅇ 이를 기반으로 표면구조를 분석하여 출력된 패턴에서 마이크로나노 계층구조를 가지는 구조를 확인하였고 초소수성 표면을 가질 수 있는 메커니즘을 규명하였다. 또한 다양한 패턴을 제작하여 자가세정 효과, 액체의 모양 제어 등의 적용 가능성을 평가하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 이 기술을 통해 레이저 프린터를 통해 초소수성 패턴의 프린팅이 쉽게 가능하게 되어 고가의 장비나 유해한 재료를 사용하지 않고 짧은 시간에 패턴을 제작할 수 있어 초소수성 표면을 가지는 패턴 연구의 발전을 기대할 수 있다. 
  ㅇ 또한 이 기술을 기반으로 자가세정, 안개에서의 물 포집, 액체의 모양 및 위치제어를 이용한 개방형 랩온어칩, 세포부착 방지를 이용한 선택적 세포배양 등을 위한 패턴 연구가 가능하게 되어 초소수성 패턴의 응용분야 연구를 가속화 시킬 수 있을 것으로 기대되고, 이 기술을 기반으로 미래에는 일회용 개방형 랩온어칩, 세포배양 칩 등을 언제 어디서나 출력하여 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
  ㅇ 이와 더불어 새로운 성장동력이 부족한 프린팅 산업에 새로운 응용분야의 개척을 통해 고부가가치의 기능성 토너 생산 및 프린터 개발을 통해 산업적으로도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구팀에서는 금속과 폴리머에 표면 텍스처링을 통한 마이크로 패턴을 제작하여 초소수성 표면을 제작하는 연구를 진행해왔다. 초소수성 표면의 제작공정 개발은 성공적이었으나 초소수성 표면의 형상에 따른 응용연구를 수행하기 위해 초소수성 패턴을 제작하려고 했으나 제작의 어려움으로 연구수행에 문제가 있었다. 그래서 컴퓨터에서 인쇄물을 출력하는 것처럼 워드나 파워포인트로 형상이나 그림을 그리고 그 그림을 출력하여 초소수성 패턴을 제작하는 기술이 있으면 좋겠다는 생각에서 연구를 시작하게 되었다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀은 상용 레이저 프린터에서 사용하는 토너와 소수성을 가지는 실리카 나노입자를 배합하여 레이저 프린터를 통해 바로 초소수성 패턴을 제작할 수 있는 아이디어를 가지고, 먼저 초소수성 특성과 인쇄 품질을 고려하여 토너와 실리카 나노입자의 배합 비율에 따른 적심성 변화와 인쇄 품질을 평가하여 초소수성이 되면서 적절한 인쇄 품질을 확보할 수 있는 배합비율을 도출하였다. 이를 기반으로 표면구조를 분석하여 출력된 패턴에서 마이크로나노 계층구조를 가지는 구조를 확인하였고 초소수성 표면을 가질 수 있는 메커니즘을 규명하였다. 이후 패턴을 제작하여 자가세정 효과, 액체의 모양 제어 등의 적용 가능성을 평가하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이번 연구에서 가장 어려운 점은 아이디어는 있었지만 실제 가능성은 불확실하여 연구에 시간과 연구비를 투자할지 여부를 결정하는 부분이 어려웠다. 하지만 Chi-Vinh Ngo 박사과정생의 노력과 정부의 연구비 지원을 통해 이를 극복할 수 있게 되어 좋은 결과를 얻을 수 있었다.  

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구성과는 종이 및 폴리머 필름 위에 직접 초소수성 패턴을 프린팅할 수 있는 기술로 기존의 복잡한 초소수성 패턴 제작방법을 단순한 프린팅 공정으로 대체하였고 초소수성 표면 제작시간을 프린터 출력시간인 장당 수 초 이내로 획기적으로 줄일 수 있어 기존 기술과는 차별화된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

다양한 재료의 표면에 초소수성과 같은 기능성 표면을 제작할 수 있는 저가의 새로운 생산기술을 개발하고 상용화를 통해서 사람들의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 제품을 개발하는 것이 목표이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구에서는 빈 토너 카트리지가 연구에 필요하여 폐토너 카트리지를 확보하기 위해 다른 연구실을 방문하여 수거하기도 하고 폐토너를 수거하는 업체를 통해 폐토너를 구입하기도 하여 연구를 수행할 수 있었다. 

용 어 설 명

1. 사이언티픽 리포츠 (Scientific Reports) 誌
  ○ 사이언티픽 리포츠는 자연과학 분야에서의 국제저명 학술지중 하나로 Nature Publishing Group에서 출판되는 학술지 (피인용지수 : 5.228)

2. 초소수성 표면 (Superhydrophobic surface)
  ○ 물과 친하지 않는 성질인 소수성이 매우 강한 표면 상태로 진흙에서 연꽃잎이 깨끗한 상태로 유지될 수 있는 자가세정 기능을 가질 수 있고, 물방울의 형상을 제어할 수 있으며, 표면에 미생물의 부착을 막을 수 있는 기능 등의 다양한 기능을 가지는 표면

3. 자가세정 (Self-cleaning)
  ○ 표면에 묻어 있는 먼지를 물방울이 포집하여 청소하는 기능을 의미하는 것으로 진흙에서 연꽃잎이 깨끗한 상태로 유지될 수 있도록 하고 태양전지 등 표면의 오염을 빗물로 스스로 청소하게 할 수 있는 기능

4. 소수성 실리카(SiO2) 나노입자 
  ○ 직경 100nm이하의 아주 작은 실리카 입자이며 지표의 토양을 이루고 있는 쉽게 구할 수 있고 가격이 저렴한 실리카 소재를 기반으로 화학적 처리를 통해 물이 잘 묻지 않는 소수성 표면을 가지도록 처리된 입자

그 림 설 명

                

   (그림1) 레이저 프린터를 이용한 초소수성 표면제작 공정 개념도 및 다양한 출력 사례

   좌측 그림은 레이저 프린터를 이용한 초소수성 표면제작 공정의 개념을 보여주는 그림으로 레이저 토너 분말과 소수성 실리카 나노입자를 섞어서 토너 카트리지에 채우고 사용자가 패턴을 디자인하여 출력하면 출력된 곳이 초소수성이 되는 공정으로 종이와 폴리머용지에 출력이 가능하고 오른쪽 그림과 같이 다양한 형태로 출력하여 물방울의 형태나 위치를 제어할 수 있음.

    (그림2) 초소수성 패턴 프린팅을 이용한 응용사례 : (a) 자가세정, (b) 액적 배열, (c)액적 혼합 (검은 색이 출력된 초소수성 표면 부분으로 물에 젖지 않음)

  - 개발된 초소수성 패턴 프린팅 기술을 이용하여 적용이 가능한 응용사례를 보여주는 그림으로 그림 (a)는 먼지나 분말로 오염되어 있는 표면에 물방울을 떨어뜨리면 물방울이 표면에서 젖지 않고 구르면서 오염물질을 포집하여 쓸려 내려가는 자가세정기능과 출력되지 않은 통로를 통해 물이 배출되는 응용사례를 보여주는 그림이고, 그림 (b)는 액적을 배열할 수 있는 형태로 출력하여 선택적 세포배양이 가능함을 보여주는 그림이며, 그림 (c)는 개방형 채널을 이용한 액적의 혼합가능성을 보여주는 예시로 향후 개방형 랩온어칩 분야에 적용이 가능할 것으로 기대함.