알루미나 나노파이버 구조의 제작 및 젖음특성에 기반한 표면 물성 평가 = Fabrication of Alumina Nanofibrous Structures and its Surface Characteristics including Microbiological Properties

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 양극산화 방법을 이용한 알루미나 나노 나노파이버 구조물의 제작 및 특성평가에 대한 연구를 수행하였다.
제 1장에서는 넓은 온도 및 전압 범위에서의 양극산화를 수행하였다. 순수한 알루미늄을 이용하였으며, 1차 양극산화와 이의 제거 공정을 포함하는 전처리를 통해 일정한 크기의 오목한 형상을 갖는 알루미늄 시편을 준비하였다. 이 구조는 나노임프린트 방법을 이용한 양극산화와 같은 원리로 초기 형성되는 다공성 구조의 간격을 일정하게 유지하여 양극산화 조건에 따른 알루미나 형상의 경향성을 파악하기 위함이다. 결과적으로 양극산화 조건에 따라 나노포어 구조와 나노파이버 구조가 형성되었다. 양극산화 용액의 온도를 증가시킬수록 나노포어 구조에서 포어의 지름이 확장되었으며 다공률이 높아지는 것을 알 수 있었다. 이후 정렬되지 않은 포어들이 관찰되고 최종적으로는 나노파이버 형상이 제작되었다. 낮은 전압과 높은 전압 모두에서 나노포어 및 나노 파이버의 형성이 관찰되었으나 높은 전압에서 이러한 변화가 더욱 빠르게 일어나는 것을 알 수 있었다. 또한 다른 전압 조건 하에서 나노파이버의 형상이 다름을 확인하였는데, 이는 가해지는 전압에 따른 전류밀도의 변화가 최종적인 파이버의 형상을 변화시킨 것이다. 낮은 전압에서는 안정적인 양극산화 반응으로 인하여 튜브 형상으로 알루미나가 형성되고 결과적으로 매끈한 알루미나 파이버가 제작되지만 높은 전압조건에서는 전류의 변화와 국부적 온도 상승으로 인하여 울퉁불퉁한 알루미나가 형성되어 최종적으로 톱날과 같은 형상의 파이버가 제작된다. 이 연구를 통하여 나노포어 구조 및 나노파이버 구조가 형성되는 조건을 확인할 수 있었으며, 원하는 형상의 구조물을 구현할 수 있는 양극산화 제작조건을 제시하고자 하였다.
제 2장에서는 알루미나 나노 파이버 구조의 젖음 특성에 관한 연구를 진행하였다. 양극산화로 제작된 알루미나 나노 파이버는 마이크로-나노 계층구조를 가지는데, 이러한 계층구조는 표면의 젖음 특성을 극대화 시키는 성질이 있다. 앞선 연구를 통해 나노파이버 구조는 초기 나노포어 구조가 확장되어 나노 파이버 구조로 변화되는 것임을 확인하였다. 포어에서 부터 파이버로 변화하는 각 단계의 표면 구조를 관찰하고 젖음 특성을 파악하였다. 초기 나노포어 구조에서는 친수성 성질이 나타나나 나노 파이버 구조가 완성 될수록 극친수성을 띄는 것을 확인하였다. 또한 이 표면에 간단한 소수성 폴리머 코팅을 통해 소수성 표면을 구현하였다. 소수성 폴리머가 단분자 자가조립을 통해 표면과 공유결합을 하는 것으로 표면 구조의 변화 없이 젖음성만을 변화시킬 수 있다. 소수성 표면 역시 계층구조가 뚜렷해 질수록 커 지는 것을 알 수 있었으며, 나노파이버 구조가 완전히 형성된 표면에서는 극소수성을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 제작 방법은 기존에 복잡한 극친수 및 극소수성 표면 제작을 대체할 수 있는 방법으로 빠르고 간단하게 구조 및 젖음 특성을 부여할 수 있다. 또한 기존 극소수성 표면에 비해 기계적 성질도 우수한 것을 확인하였다. 이는 대면적 3차원 형상에도 적용시켜 극친수/극소수 표면의 응용분야를 실제 산업분야로 넓힐 수 있는 가능성을 제시하였다.
마지막 장에서는 다른 젖음 특성을 갖는 표면에서 곰팡이의 성장 및 이동을 관찰하였다. 알루미늄은 산업용 구조물 및 부품에 널리 사용되는 재료로 대부분의 열교환기에도 쓰이는 재질이다. 뛰어난 열교환 효율 및 가격적 장점이 있지만 곰팡이에 취약하며 실내 공기중에 곰팡이들을 확산시키는 역할을 하기도 한다. 기존 발표된 연구들은 알루미늄에 은나노입자와 같은 항균성 나노 입자들을 증착하거나 구리나 티타늄 등의 항균성 금속으로 대체하는 해결안을 제시하였으나 화학적 안정성이나 비용 문제로 인하여 실제 알루미늄 열교환기를 대체하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 알루미나 나노파이버 형성으로 젖음성이 개질된 표면을 사용하여 곰팡이의 성장 및 확산에 대하여 관찰 해 보았다. 일반 알루미늄과 일반 알루미늄에 소수성 물질을 코팅한 소수성 표면, 그리고 알루미나 나노파이버가 형성된 극친수표면과 그에 코팅 공정을 더한 극소수성 표면이 연구에 사용된 표면들이다. 각 표면 위에 곰팡이 포자 현탁액 또는 포자 덩어리를 떨어뜨리거나 표면 외부에서 곰팡이를 성장시켜 이동 여부를 확인한 실험이 수행되었다. 결과적으로 일반 알루미늄과 비교하여 극소수성으로 개질된 표면에서 뛰어난 항곰팡이 성질을 갖는 것을 알 수 있었으며, 이는 표면이 직접 오염된 경우, 그리고 표면의 외부에서 오염된 이후 표면으로 이동하는 경우 모두에서 효과적이었음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Studies have been performed to investigate the fabrication of alumina nanofibrous structures and determine the characteristics of the structured surfaces, especially the wetting properties.
First, anodic aluminum oxide (AAO) materials were fabricated under various anodization conditions, specifically electrolyte temperature and electrical potential. Ordered, nanoscale, conformal concave-structured aluminum surfaces were prepared through anodization and removal of the oxide layer. The structures were designed as a nanoimprinted surface to investigate the characteristics of fabricated alumina structures. As a result of anodization, ordered and disordered nanoporous and nanofibrous structures were fabricated depending on the anodization conditions. On the ordered nanoporous structures, pore diameter and porosity increased with an increase in the electrolyte temperature; then, disordered nanoporous structures were observed, and nanofibrous structures were formed finally. The structural changes were observed at both low and high potentials. However, higher potential accelerated the change. The morphology of the nanofibers differed significantly depending on the electrical potentials because of the difference in the applied current density. At a lower potential, long and thin nanofibers were fabricated because the formation and dissolution of alumina were balanced. At a higher potential, rough nanofibers (like saw tooth) were fabricated because alumina formation and dissolution during anodization were not balanced. This investigation of the AAO structural diversification offers a guide to choosing the proper conditions for achieving a desired morphology, and will broaden the utility of AAO materials.
Second, the surface characteristics of alumina nanofibrous structures were measured. Alumina nanofibers fabricated by anodization have hierarchical micro/nano-structures, and the hierarchical structures enhance surface wetting properties. Formation of alumina nanofibrous structures was observed with anodization time, and the contact angles were measured. At first, nanoporous structures were formed and the surface was hydrophilic. With continued anodization, nanopores turned to nanofibrous structures and the wetting gradually increased to result in near-zero contact angle (i.e., superhydrophilicity). A hydrophobic surface was fabricated through a simple coating method using a hydrophobic polymer. After the polymer coating, the morphology of the coated surface did not change because the polymer formed only a monolayer. On specimens coated with the hydrophobic polymer, hydrophobicity increased with the anodization time without change in the surface structures. Therefore, the polymer-coated surface with hierarchical alumina nanofibrous structures shows superhydrophobicity. The method is simple, rapid, and can be used without any additional steps in industrial applications, starting from aluminum specimens of any size or shape. The resulting superhydrophobic or superhydrophilic surface also has excellent mechanical properties, as characterized by the modulus and hardness, compared to other superhydrophobic surfaces. We expect that applications of superhydrophobic and superhydrophilic surfaces will be facilitated by this method.
Last, fungal growth and contaminations were observed on different wetting surfaces. Aluminum is widely used in industrial structures and parts. In particular, most evaporator materials are aluminum because of its suitable mechanical properties, but it has no ability to prevent contamination and growth of microorganisms. Various ways to overcome these problems have been proposed including the application of antibiotic nanoparticles, polymers, or metals. These methods are difficult to apply to the evaporator because of the instability of the resulting chemical and physical structures and the cost. In this study, superhydrophobic surfaces based on alumina nanofibrous structures were used to achieve an antifungal effect while retaining the mechanical properties of aluminum. Fungal growth was investigated on the superhydrophobic surface and compared with growth on superhydrophilic, hydrophilic, and hydrophobic surfaces. Our experimental studies involved both direct and indirect contamination (separately). In both the experiments, fungal contamination was found on the superhydrophilic, hydrophilic, and hydrophobic surfaces. There was no contamination on the superhydrophobic surface in the direct experiment, while in the indirect contamination experiment, there was a small amount of contamination on the superhydrophobic surface, and minute spread. Therefore, only the superhydrophobic surface is effective as an antifungal surface.