해외과학 기술 동향/유연한 다공성 물질, 초발수 초발유성 마시멜로 겔 개발
2013년 09월 25일
 
일본 교토대 이학 연구과의 연구 그룹은 발수성 표면을 가진 유연한 다공성 재료인 "마시멜로 겔"의 다공 표면에 발유성 분자를 결합시켜 표면 에너지를 저하시킴으로써 " 초발수· 초발유성(물방울·유적 접촉각이 150도 이상) 마시멜로 겔"의 개발에 성공했다. 본 연구 성과는 독일 화학 잡지 "Angewandte Chemie International Edition" 온라인판에 2013년 9월 5일 게재되었다.

[개요]
발수성, 발유성 표면은 오염 방지 등의 응용 면에서 주목 받고 있는 성질이다. 하지만, 그러한 표면의 제작은 쉽지 않고 표면 미세 가공 기술 등을 구사한 다양한 방법이 고안되었다. 일본에 연구 그룹은 올해 1월에 발수성 표면을 가진 유연한 다공성 재료인 "마시멜로 겔"을 발표했다. 이 물질은 내부에 다수의 기공을 가진 "다공성 물질"이며, 물을 매우 잘 튕겨내는 "초발수성"(물방울 접촉각 150도 이상)을 가진 한편, 기름과는 잘 어울리는 성질 때문에 스펀지를 짜듯 물에서 기름을 신속하게 분리 회수할 수 있다.

이 마시멜로 겔의 세공 내 표면에 발유성의 분자를 결합시켜 표면 에너지를 저하시키면 물뿐만 아니라 기름까지도 잘 튕겨내는 다공성 물질을 얻을 수 있다고 생각해 연구를 실시했다. 실제로 발수성과 초발유성을 가진 유연한 다공체는 지금까지 제작된 사례가 없다. 게다가, 복잡한 고가의 도구가 필요하지 않아, 고등학교 화학 실험실에서도 재현할 수 있는 간단한 방법으로 제작할 수 있어 폭넓은 분야에서의 응용이 기대된다.

[배경]
발수성 표면은 셀프 클리닝 효과(Self-cleaning, 자정) 효과를 가진 메인티넌스 프리(Maintenance-free)의 창문과 외벽 등 오염 방지 관점에서 실용화가 이루어지고 있다. 하지만, 연기와 배기 가스 등 유상의 오염 물질에 대한 효과는 낮아, 오염 방지 특성의 개선이 요구되고 있었다. 해결책의 하나는 발수성, 발유성 표면의 이용인데, 발수성 표면에 비해 그 제작이 어려운 것으로 알려져 있다. 사실 초발수성은 연잎이나 곤충의 눈 등 주변에서도 많이 볼 수 있는 성질이지만, 초발수성, 초발유성을 가진 건조 표면은 자연계에는 존재하지 않는다.

초발수성, 초발유성을 실현하기 위해서는, (1) 표면에 미세 요철 구조를 형성하고, (2) 표면을 플루오르화 알킬 체인 등으로 덮을 필요가 있다. 발수성에 비해 필요한 조건이 많아 초발수성, 초발유성 표면의 보고 예는 많지 않다. 또한 초발수성, 초발유성 표면의 보고 그 대부분은 박막 코팅에 관한 기술이며, 마모, 박리 등에 의해 특성을 잃게 되는 것이 문제가 되고 있었다.

[연구 방법 및 결과]
본 연구 그룹은 수 년 전부터 3관능성 실리콘 알콕사이드와 2관능성 실리콘 알콕사이드를 전구체(모노머)로 공중합시킴으로써 얻을 수 있는 유연한 다공성 재료 "마시멜로 겔"에 대한 연구를하고 있다. 이 겔은 전구체의 유기 치환기 R1과 R2를 선택하여 고분자 네트워크 기능을 갖게 할 수 있다. 이번에는 유기 치환기로 비닐기를 도입하여 이 연구 성과의 기초가 되는 마시멜로 겔을 합성했다. 다양한 고분자와 수지가 비닐기를 갖는 화합물을 중합시켜 만들어지는 것으로부터 상상할 수 있듯이 비닐기는 "분자끼리를 붙이는 데" 유용한 유기기이다.

비닐 트리 메톡시 실란(VTMS, R1은 비닐기)과 비닐 메틸 디메톡시 실란(VMDMS, R2는 비닐기)을 공중합한 마시멜로 겔(MG1)은 올해 1월에 발표되었으며, 이러한 유연성 다공체의 표면은 초발수성에 필요한 요철 형상이 존재하는 것을 알고 있었다. 초발수·초발유성을 실현하기 위한 과제는 어떻게 불화 알킬 체인으로 표면을 덮을 수 있는가 였다. 본 연구 그룹은 마시멜로 겔 표면에 많이 존재하는 비닐기를 불화 알킬 체인을 결합시키는 발판으로 삼기로 했다.

마시멜로 겔은 졸-겔법으로 불리는 방법으로 얻을 수 있다. 전술한 실리콘 알콕사이드 전구체와 양이온성 계면 활성제 등의 시약을 한꺼번에 섞은 출발 용액으로 밀폐 조건 하에서 일정 온도 (일반적으로 80도)로 유지시키는 것만으로, 간단하게 원하는 형태로 합성할 수 있다. 특수 장비와 조건은 필요하지 않다. 이렇게 간단하게 만들 수 있는 마시멜로 겔 표면 수식에 복잡한 프로세스를 사용해서는 합성 면에서의 장점이 없어진다. 그래서, 연구 그룹은 티올-앤-클릭 반응에 주목했다.

티올-앤-클릭 반응은 온화한 조건에서 비닐기와 티올기(-SH)를 정량적으로 부가 반응시키는 것으로, 그린 케미스트리의 관점에서도 주목 받고있는 반응이다. 연구 그룹은 비닐기를 많이 가진 VTMS-VMDMS계 마시멜로 겔을 유기 용매에 담가 거기에 불화 알킬 체인을 갖는 티올(CF3(CF2)7CH2CH2SH)과 라디칼 개시제를 첨가해 60도를 유지했다. 반나절 경과 후 미반응물을 씻어 건조시키면 많은 불화 알킬 체인으로 표면이 덮인 새로운 마시멜로 겔(MG2)을 얻을 수 있었다.

얻어진 겔 MG2에 대해 발유성의 평가에 가장 많이 사용되는 n-헥사데칸과 접촉각을 조사한 결과, 150도 이상을 보여주었다. 여러 다른 액체에 대해서도 비슷한 결과를 얻어, 이 마시멜로 겔은 초발수성-초발유성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.
초발수·초발유성 마시멜로 겔 MG2가 나타내는 독특한 현상으로 물이나 기름에 가라 앉지 않고 표면 장력만으로 액체에 띄울 수 있다.

이러한 것이 가능한 물질은 지금까지 보고된 바 없다. 모든 기공 표면이 불화 알킬 체인으로 덮여, 3차원적인 미세 구조를 내부에 가지고 있어 MG2의 초발수·초발유성은 어떠한 절단면에도 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. 마시멜로 겔은 자유롭게 두께를 바꿀 수 있기 때문에, 코팅 재료와 달리 최표면이 파괴되어도 효과를 유지하는 오염 방지 소재 등의 응용을 기대할 수 있다.

[파급 효과]
초발수성, 초발유성 표면을 가진 재료의 제작 예는 지금까지 없었다. 간단한 합성법에 의해 제작할 수있는 초발수성, 초발유성 마시멜로 겔은 향후 초발수-초발유성 재료 연구에 큰 영향을 미칠 수 있다. 마시멜로 겔의 유연함과 재료의 "두께"를 이용해 지금까지는 생각하지 못했던 응용도 기대할 수 있을 것으로 예상된다.
(자료출처: http://radar.ndsl.kr/, http://www.kyoto-u.ac.jp/)




 
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