표면 자유 에너지와 거칠기를 결합한 비이상 저에너지 표면의 습윤성 예측

초록

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본 논문은 전통적인 평탄 표면 전용인 표면 자유 에너지(SFE) 개념을 거칠기와 결합해 ‘정규화 표면 자유 에너지(NSFE)’라는 새로운 파라미터를 정의한다. NSFE를 이용해 저에너지(저 SFE) 거친 표면에서의 액체 접촉각을 예측하고, 네 개의 실험적 코팅 사례를 통해 모델의 정확성을 검증하였다.

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상세 분석

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이 연구는 기존의 SFE 측정이 이상적인 평탄 표면에만 적용 가능하다는 한계를 인식하고, 실제 거친 표면의 습윤성을 정량화하기 위한 새로운 접근법을 제시한다. 핵심 아이디어는 BS EN 828:2013 표준식(0.5 γ_lg (1+cosθ)=√(γ_sg^d γ_lg^d)+√(γ_sg^p γ_lg^p))에서 Young 접촉각 θ_Y를 실제 거친 표면에서 측정되는 겉보기 접촉각 θ_α로 대체함으로써, ‘정규화된’ 분산·극성 성분(γ_sg^d* , γ_sg^p*)을 도출한다. 두 종류의 액체(하나는 분산 성분이 우세하고, 다른 하나는 극성 성분이 우세함)를 이용해 두 미지 변수인 γ_sg^d와 γ_sg^p를 풀고, 이를 합산해 NSFE(γ_sg*)를 계산한다. 이후 세 번째 액체의 접촉각을 예측할 때는 NSFE와 알려진 액체의 표면 장력을 대입해 단일 미지 변수인 θ_α만을 구하면 된다.

모델 적용 범위는 명확히 제한된다. 첫째, Eq. 1의 전제인 ‘액체의 평형 증기압이 0’이라는 조건은 저표면 에너지·소수성 표면에만 성립한다. 따라서 고에너지 표면이나 친수성 표면에는 적용할 수 없다. 둘째, 두 기준 액체는 각각 극단적인 분산·극성 특성을 가져야 하며, 실제 실험에서는 디아이오도메탄(분산 우세)과 물(극성 우세)을 사용하였다. 이 두 액체가 완벽히 순수한 분산·극성 액체가 아니므로 오차가 발생할 수 있다.

검증 단계에서는 네 가지 서로 다른 코팅(실리카 + PFOTS, 촛불 그을음‑실리카 코팅, 실리카 나노튜브‑PFDTS, 실리카 나노필라멘트‑PFDTS)을 선택하였다. 각 코팅은 SEM 이미지로 거칠기와 미세구조를 확인했으며, 표 1에 액체들의 γ_lg^d, γ_lg^p 값을, 표 2에 실험적으로 측정된 접촉각과 모델이 예측한 접촉각을 제시했다. 결과적으로 극성 성분이 거의 없는 액체(예: 디아이오도메탄)의 경우 예측 오차가 2~3° 이내로 매우 작았으며, 이는 NSFE가 거칠기와 SFE를 효과적으로 통합한다는 증거이다. 반면, 극성 액체에 대한 오차는 다소 커졌는데, 이는 모델 가정(두 기준 액체의 순수성, 표면의 이중상(고체·공기)만 존재) 위반 가능성 때문으로 해석된다.

논문의 의의는 두 가지이다. 첫째, 복잡한 접촉각-거칠기 관계를 단순화해 실험적으로 접근 가능한 ‘정규화 표면 자유 에너지’라는 새로운 물리량을 제시함으로써, 저에너지 거친 표면의 습윤성을 빠르게 예측할 수 있게 되었다. 둘째, 모델 검증 과정에서 오차 원인을 체계적으로 분석함으로써, 향후 고에너지 표면이나 다중상(예: 고에너지 기판 위에 저에너지 코팅)에도 적용 가능한 확장 모델 개발의 방향성을 제시한다.

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