용액 공정 기반의 표면 미세구조 제어 및 기능성 코팅 응용 = Control of Surface Microstructure and Functional Coating Applications based on Solution Processes

국문 초록 (Abstract)

자연계의 연잎 효과를 모방한 초소수성 표면은 자가 세정, 방오, 유수 분리 등 다양한 산업적 응용 잠재력으로 인해 활발히 연구되어 왔다. 그러나 기존의 초소수성 코팅 기술은 실질적인 상용화에 있어 기계적 내구성의 취약성과 공정의 복잡성 및 3차원 기판 적용의 한계라는 두 가지 중대한 난제에 직면해 있다. 대부분의 기존 방식은 나노 입자를 표면에 부착하거나 미세 구조를 식각하는 방식에 의존하므로, 외부 마찰이나 충격에 의해 입자가 탈락하거나 구조가 손상되어 기능을 상실하기 쉽다. 또한, 복잡한 다단계 공정이나 가시선 확보가 필요한 스프레이 및 증착 방식은 튜브 내부나 복잡한 형상의 기재에 균일한 코팅을 형성하는 데 제약이 따른다.
본 연구에서는 이러한 한계점들을 극복하기 위해, 에틸 시아노아크릴레이트(ECA)와 옥타데실트리클로로실란(OTS)을 활용한 두 가지 상호 보완적인 혁신적 코팅 플랫폼을 개발하고, 그 특성을 체계적으로 분석하였다.
본 논문의 제1부에서는 순간접착제의 주성분인 ECA의 경화 유도 주름 현상을 제어하여 물리적 내구성이 탁월한 초소수성 표면을 구현하였다. ECA의 음이온 중합 과정에서 경화 촉진제를 도입하여 표면층과 내부층 간의 경화 속도 차이를 인위적으로 극대화함으로써, 수백 마이크로미터 규모의 견고한 계층적 주름 구조를 자발적으로 형성하였다. 이 구조는 물방울을 효과적으로 떠받치는 Cassie-Baxter 상태를 유도하여 플라즈마 및 실란 후처리 후 157도 이상의 높은 접촉각을 달성하였다. 특히, 나노인덴테이션 및 마이크로 스크래치 시험 결과, ECA 고유의 높은가교 밀도와 강력한 기판 접착력이 결합되어 10 N 이상의 높은 임계 하중에서도 박리되지 않는 독보적인 계면 내구성을 입증하였다. 이는 기존 나노 입자 기반 코팅의 고질적인 문제인 입자 탈락 현상을 원천적으로 해결한 성과이다.
제2부에서는 ECA 공정의 장비 의존성을 보완하고 3차원 기판 적용성을 획기적으로 확장하기 위해, OTS의 증발 유도 자기 조립(Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA) 메커니즘을 이용한 단일 단계 코팅 공정을 확립하였다. 아세톤 용매의 빠른 증발 속도를 열역학적 구동력으로 활용하고, 전구체 농도와 공정 온도를 최적화함으로써, 별도의 템플릿 없이도 꽃 모양의 마이크로/나노 계층 구조를 수직 성장시키는 데 성공하였다. 주사전자현미경과 투과전자현미경 분석을 통해 형성된 나노 시트들이 고도로 정렬된 라멜라 결정 구조를 가짐을 확인하였으며, 이는 160도 이상의 뛰어난 초소수성을 발현하는 기하학적 토대가 되었다.
특히, 이 EISA 공정은 용액의 침투와 증발이라는 자연스러운 물리적 현상에 기반하므로, 미세한 유리 모세관 내벽과 같은 복잡한 3차원 곡면에도 균일하고 조밀한 코팅을 가능하게 하였다. 또한, 제작된 3차원 구조체는 대기 중에서는 물을 강력하게 반발하고 수중에서는 오일이나 기포를 유인하는 이중 젖음성을 나타냈다. 본 연구에서는 이를 Young-Laplace 모세관 압력 이론에 적용하여, 외부 동력 없이도 물의 침투는 차단하고 오일이나 수중 미세 기포만을 선택적으로 흡수 및 제거하는 고효율 유체 제어 시스템을 구현하였다.
결론적으로, 본 연구는 ECA를 이용한 고내구성 확보와 OTS를 이용한 공정 단순화 및 응용성 확대라는 두 가지 접근법을 통해 차세대 초소수성 코팅 기술의 핵심 과제를 해결하였다. 개발된 기술은 극한 환경에서의 표면 보호, 미세 유체 시스템 제어, 해양 오염 정화 등 다양한 산업 분야에 실질적인 솔루션을 제공할 수 있는 원천 기술로서 높은 공학적 가치를 지닌다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Superhydrophobic surfaces mimicking the natural Lotus effect have been actively studied for their diverse industrial potential, including self-cleaning, anti-fouling, and oil-water separation. However, conventional superhydrophobic coating technologies face two major challenges for practical commercialization: the vulnerability of mechanical durability and the complexity of processes with limitations in application to 3D substrates. Most existing methods rely on attaching nanoparticles or etching microstructures, which often leads to the loss of functionality due to particle shedding or structural damage under external friction or impact. Furthermore, complex multi-step processes or spray and deposition methods requiring line-of-sight restrict the formation of uniform coatings on the inner surfaces of tubes or complex-shaped substrates.
To overcome these limitations, this study developed and systematically analyzed two complementary innovative coating platforms utilizing Ethyl Cyanoacrylate (ECA) and Octadecyltrichlorosilane (OTS).
In Part 1, a superhydrophobic surface with excellent physical durability was realized by controlling the 'curing-induced wrinkling' phenomenon of ECA, the main component of instant adhesives. By introducing a curing accelerator during the anionic polymerization of ECA, the curing rate disparity between the surface skin layer and the bulk layer was artificially maximized, leading to the spontaneous formation of robust hierarchical wrinkle structures on the scale of hundreds of micrometers. These structures induced a stable Cassie-Baxter state, achieving a high water contact angle of over 157° after plasma and silane post-treatment. Notably, nanoindentation and micro-scratch tests demonstrated distinct interfacial durability, with the coating withstanding a high critical load of over 10 N without delamination, attributed to the inherent high cross-linking density and strong substrate adhesion of ECA. This achievement fundamentally resolves the particle shedding issue associated with conventional nanoparticle-based coatings.
In Part 2, to complement the equipment dependence of the ECA process and significantly expand applicability to 3D substrates, a 'one-step' coating process using the 'Evaporation-Induced Self-Assembly (EISA)' mechanism of OTS was established. Utilizing the rapid evaporation rate of acetone solvent as a thermodynamic driving force, and by optimizing the precursor concentration and process temperature, flower-like micro/nano hierarchical structures were successfully grown vertically without any templates. FE-SEM and TEM analyses confirmed that the formed nano-sheets possessed a highly ordered lamellar crystalline structure, which served as the geometric foundation for exhibiting superior superhydrophobicity with a contact angle exceeding 160°.
In particular, since this EISA process is based on the natural physical phenomena of solution infiltration and evaporation, it enabled uniform and dense coating even on complex 3D curved surfaces, such as the inner walls of narrow glass capillary tubes. Furthermore, the fabricated 3D structures exhibited amphiphilicity, strongly repelling water in air while attracting oil or bubbles in water. Applying the Young-Laplace capillary pressure theory, this study implemented a high-efficiency fluid control system that selectively absorbs and removes only oil or underwater micro-bubbles while blocking water intrusion without external power.
In conclusion, this study addressed the key challenges of next-generation superhydrophobic coating technologies through two approaches: securing high durability using ECA and simplifying the process and expanding applicability using OTS. The developed technologies possess high engineering value as source technologies capable of providing practical solutions for various industrial fields, including surface protection in harsh environments, microfluidic system control, and marine pollution remediation.

목차 (Table of Contents)

• Nomenclatures III
• List of Figures V
• 국문초록 VII
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 2
• 1.3 연구 목적 3
• 1.4 연구 개요 4
• 제 2 장 관련 이론 6
• 2.1 초소수성 표면의 젖음성 모델 및 전이 이론 6
• 2.2 ECA 박막의 기계적 내구성 평가 및 주름 형성 원리 7
• 2.3 OTS의 증발 유도 자기 조립(EISA) 및 결정 성장 메커니즘 10
• 2.4 모세관 압력과 선택적 유체 제어 이론 11
• 제 3 장 Part 1. ECA 주름 구조 기반 고내구성 코팅 13
• 3.1 주름진 ECA 표면의 화학적 개질 및 특성 분석 13
• 3.1.1 플라즈마-OTS 복합 표면 처리 공정 13
• 3.1.2 ATR-FTIR 분광학적 표면 분석 15
• 3.2 표면 미세 구조 제어 및 젖음성 특성 평가 16
• 3.2.1 경화 메커니즘에 따른 표면 형상 분석 17
• 3.2.2 표면 구조와 젖음성의 상관관계 21
• 3.3 기계적 내구성 및 계면 접착 성능 평가 23
• 3.3.1 나노인덴테이션을 통한 코팅층의 역학적 특성 분석 23
• 3.3.2 마이크로 스크래치 시험을 통한 계면 접착 강도 평가 25
• 3.4 Part 1 요약 및 3차원 곡면 적용을 위한 공정 단순화의 필요성 29
• 제 4 장 Part 2. OTS Flower-like 구조를 이용한 초소수성 표면 30
• 4.1 서론 및 연구의 차별성 30
• 4.2 OTS Flower-like 구조 형성 메커니즘 30
• 4.2.1 용매 조성 및 급속 증발 공정 30
• 4.2.2 가수분해 및 자가 조립에 의한 결정 성장 원리 32
• 4.3 공정 변수에 따른 구조 제어 및 화학적 특성 분석 34
• 4.3.1 OTS/용매 농도에 따른 미세 구조 변화 34
• 4.3.2 공정 온도에 따른 결정 성장 및 젖음성 제어 39
• 4.3.3 용매 종류에 따른 자기 조립 거동 및 형성 원리 47
• 4.3.4 최적화된 구조체의 미세 구조 및 화학적 결정성 분석 53
• 4.4 플라즈마 처리에 따른 안정성 평가 53
• 4.5 다차원 기판 응용 및 선택적 유체 제어 56
• 4.5.1 3차원 곡면 기판 적용성 56
• 4.5.2 선택적 오일 회수 및 미세 기포 제어 응용 57
• 제 5 장 결론 62
• 5.1 연구 결과 종합 62
• 5.2 향후 연구 방향 63
• 참고문헌 65
• 영문초록 68