2-7 발수, 발유 기능
(1) 고체 표면의 젖음성에 관한 이론
고체 표면이 물이나 기름을 튕겨낸다고 하는 현상은 액체와 고체와의 젖음성에 관한 것이다.
표면에 물방울이 낙하된 상태에서는 액체와 고체, 고체와 기체 및 기체와 액체 간에 계면 장력이 작용하고, 표면의 젖음성이 결정된다. 그 젖음성을 정량화 하는 것으로 물방울의 접촉각 θ가 있고, 그 관계를 제시한 Young식이 있다.
γS = γSL + γLcosθ
여기서γS, γL, γSL은 각각 고체의 표면장력, 액체의 표면 장력, 고체-액체 간에 움직이는 표면장력이다(도3.29).
Wenzel은 거칠음이 있는 표면에 뚜렷하게 액체가 접하는 듯한 면에 있어서 젖음성에 관하여 다음 식을 도입하였다.
cosθ* = r cosθ
여기서 θ*은 외관의 접촉각, θ는 평활한 표면에 있어서 실제 접촉각을 나타내고, r은 rough factor라고 불리는 계수로 표면 면적과 외관의 면적비(Aact/Aapp)로 산출되는 거칠기를 나타낸다(도2.40). 이 식에서 보듯 거칠기에 의해 원래의 표면의 성질(친수/소수)이 더욱 강해져, 친수성인 표면은 보다 친수성으로, 또한 소수성인 표면은 더욱 소수성으로 된다. 한편으로 Cassie는 2가지의 다른 성분(표면 자유 에너지)으로 구성되는 불균일한 평활 표면의 접촉각을 다음의 식으로 나타내었다.
cosθ* = Ф1cosθ1 + Ф2cosθ2
여기서 Ф1, Ф2는 성분 1, 2의 영역 비율로, 접촉각 θ1, θ2는 성분1, 2 표면 상에 실제 접촉각을 나타낸다. 구조의 주기가 마이크로 오더로 깊은(종횡비가 큰) 구조를 만들면 바닥부에 공기가 trap되어 전식의 좌변의 1항이 작아지기 때문에, 접촉각이 큰 소수성으로 된다. 또한, Cassie는 물방울이 접하는 계면을 고체와 공기(성분2, θ2=180°)로부터 되는 복합상으로 파악하여, 큰 거칠기를 갖는 표면의 접촉각을 이하와 같이 나타내었다(도2.41).
cosθ* = Ф1cosθ1 – Ф2
이 모델도 Wenzel과 동일하게 자주 참조되는데, 모두의 조합에 적합 가능한 것은 아니고, 또한 복잡한 모델도 제안되고 있다. 이들의 상세한 것에 대해서는 다른 문헌이나 서적에서 보고되고 있기 때문에 본항에서는 생략한다.
(2) 발수성의 지표
접촉각을 지표로 한 발수성에 대한 정의는 이하와 같다. 도2.42와 같이 고체 표면에 물방울이 있는 상태를 생각한다. 도2.42는 물방울을 수평 방향으로 볼 때, 물방울의 형태가 표면의 발수성에 의해 변화하는 것을 나타내고 있다.
이 때의 θ를 접촉각이라고 하고, 발수성의 지표로서 이용된다. 실제의 측정 장치에서는 CCD 카메라와 영상 해석 S/W를 이용하여 접촉각을 측정한다. Θ는 0~180°의 수치를 취하고, θ가 큰 만큼 발수성이 높은 표면이고, θ가 작을수록 발수성이 낮은 표면이다. 접촉각이 150°를 초과하는 경우를 “초발수” 라고 정의하고, 90° 정도 이상을 “발수성이 있다.”라고 하고, 이러한 발수 기능은 접촉각을 가져 정량적으로 평가하는 것이 가능하다.