소수성 표면의 장단점 분석과 결론

소수성을 띄는 나노구조는 다른 분야에 응용될 가능성이 높은것들 중 하나이다. 하지만 소수성 나노구조를 사용하는것이 항상 이익은 아니다.

지금까지 알아본 소수성 나노구조의 장단점은 다음과같다.

장점
1. Friction Drag를 줄여 최고속도를 높일 수 있다.
2. Drag를 줄여 이동시 에너지효율을 늘릴 수 있다.
3. 표면의 청결함을 쉽게 유지할 수 있다.
4. 녹과같은 문제를 해결할 수 있다.
5. 물과 흡착되지 않는 성질 자체가 유용하게 쓰일때가 있다.
6. 여러 종류의 구조가 있어서 각 상황마다 적합한 구조를 골라서 사용할 수 있다.

단점
1. 만드는데 돈이 들어간다.
2. 여러 종류의 구조가 있지만 모든 상황에서 효율적이지는 않다.
3. 증기, 고온고압등에서는 제대로 능력이 발휘되지 않을 수 있다.
4. 물 외에 다른 유체 내에서의 동작을 보증하지 못한다.
5. 표면이 갈리거나 손상이 가는 경우에는 나노구조가 망가져서 능력을 잃을 수 있다.

따라서 자신이 사용하려는 목적이 소수성 나노표면을 통해 잘 해결될지, 그 외에 부작용이나 문제점이 생기지는 않는지를 장단점과 함께 잘 따져서 사용을 해야한다.

응용된 로봇의 예

앞서 우리는 소수성 나노표면을 어떤 분야에 적용할 수 있을지 알아보았다.

아직 소수성 나노표면을 로봇에 적용하려는 시도가 많지 않아서 많은 예를 들 수는 없다. 하지만 실제로 만든 로봇이 몇개 존재 한다.

그 로봇 중 하나가 water strider이다. 이 로봇은 소금쟁이와 비슷한 형태를 띈 로봇이다.

이 로봇의 다리는 돌기모양의 나노구조로 쌓여있어서 소수성을 띄고, 이를 통해 물에 떠있을 수 있는 능력과 물 위에서 움직일때의 drag를 최소화 시켰다.



다른 로봇의 예로는 seasworm을 들 수 있다. 이 로봇은 바다에서 기름유출사고가 일어났을때 기름을 회수하는 로봇이다.

이 로봇은 소수성을 띄는 나노구조를 포함한 섬유로 이루어진 벨트를 돌려서 기름을 흡수/제거 하는 로봇이다. 기존에 배를 사용하여 제거하는방식보다 간편하고 경제적이다.

응용가능성 있는 분야

앞서 우리는 소수성표면이 난류에서 효과적이며, 난류가 될 시점에서는 이미 마찰저항을 줄여봤자 별 소용이 없다는것도 알았다.

그렇다면 어떻게 해야할까?

첫째는 마찰저항으로 인한 에너지손실이 조금이라도 아쉬운 분야에 적용을 하는것이고 둘째는 형상저항이 없는 분야에 적용을 하는것, 셋째는 저항의 관점이 아니라 흡착자체가 되지 않는다는것에 착안하는 분야이다.

첫째의 예시로 물 안에서 움직이는 소형로봇을 생각해보자. 소형로봇들이 대형로봇들에 비해 가지는 가장 큰 어려움은 바로 배터리문제이다. 크기가 작기때문에 배터리가 작아지게되고 로봇을 움직일 수 있는 시간이 짧다. 따라서 이런 로봇은 조그마한 에너지손실이라도 최대한 줄여서 에너지효율을 극대화하여햐한다.

둘째의 예시는 파이프를 생각할 수 있다. 물을 운반하는 파이프가 물을 운반하다보면 파이프의 마찰저항으로 인해 pressure drop이 일어나는데, 이를 소수성 표면으로 어느정도 극복할 수 있다. 파이프는 애초에 형상저항이 적거나 거의 없기때문에 마찰저항이 줄어드는것으로도 큰 효과를 볼 수 있다. 또 파이프의 큰 문제 중 하나인 녹을 폴리머를 사용한 나노구조를 사용함으로서 극복할 수 있다.

셋째의 예시는 물주전자의 주둥이를 생각할 수 있다. 주전자를 기울여 물을 따를때, 물과 주전자 사이의 인력으로 인해 물이 떨어지지 않고 주전자의 표면을 타고 의도치 않은 장소로 흘러내리는 경험을 누구나 했을것이다. 주전자 주둥이에 나노구조를 적용하면, 물이 표면을 타고 흘러내리지 않고 잘 떨어지는 주전자를 만들 수 있다.


위의 세가지는 가장 단순하고 생각해내기 쉬운 예시일 뿐이다. 위에 언급한 분야 외에도 수많은 분야에 소수성 나노구조가 응용될 수 있다.

Drag reduction

물체가 유체 내에서 받는 저항은 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 하나는 마찰저항(friction drag)이고 다른 하나는 형상저항(form drag)이다.

형상저항은 물체의 모양으로 인해 나타나는 저항이고 마찰저항은 물체 표면에서 유체의 끌림으로 인해 나타나는 저항이다.

소수성 나노구조는 이 두 종류의 저항 중 마찰저항을 줄일 수 있다.

그러면 이 특성이 어느 상황에서 얼마나 저항을 줄일 수 있는가? 이에 대한 데이터는 아래에 있다.

위에 제시한 그래프들을 분석해보자. 먼저 위의 그래프들을 두가지 정보를 담고있는데, 하나는 흐름이 층류(laminar flow)일때, 다른 하나는 난류(turbulent flow)일때이다.

난류의 층류의 차이를 알기 쉽게 설명하자면 층류는 유체가 직선, 혹은 완만한 곡선의 형태를 띄는것이고 난류는 유체에 불규칙한 소용돌이같은것이 있는 흐름을 의미한다.

층류는 레이놀즈수(Re)가 작을때 일어나고 난류는 Re가 클때 일어난다.

먼저 층류를 살펴보면 drag reduction이 생각보다 적음을 알 수 있다. 대체로 smooth surface에서의 이론값과 비슷한 성능을 내는데, 맨 아래에 laminar flow에 대해서 자세히 연구한 그래프를 살펴보면 drag reduction이 없지는 않음을 알 수 있다. 따라서 층류에서의 효과는 미미하다.

난류를 살펴보면, drag reduction이 아주 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 적게는 20%에서 많게는 60%까지 friction coefficient가 줄어들었음을 확인할 수있다. 따라서 난류에서의 효과는 뛰어나다.

위의 데이터분석을 통해 우리는 소수성 표면이 난류(turbulent)에서 효과적임을 알 수 있다.

따라서 우리는 난류에서 활동하는 물체에 나노구조를 적용하는것이 좋다는것을 유추해낼 수 있다.

하지만 한가지 생각해야할것이 있다.

소수성표면이 힘을 발휘하기 위해서는 turbulent이어야 하지만, turbulent가 되는 상황에서는 friction drag와 form drag 중 form drag가 더 dominant한 요소가 된다는것이다.

무슨말이냐 하면, 소수성표면이 효과를 발휘할 시점에서는 이미 마찰저항보다 형상저항이 압도적으로 커져서 마찰저항을 줄여봤자 별 소용이 없다는것이다.

지금까지 소수성표면의 장점을 설명해놓고 이제와서 별 소용이 없다니 이게 무슨 말인지 납득이 안될 수 있다. 하지만 소수성 나노표면이 쓸데없다는것은 아니다.

따라서 뒤에서 적용분야를 논의할때 이 상황을 염두해 두어야 한다.

소수성을 띄는 구조와 원리

소수성을 띄는 나노구조는 여러가지가 있다. 모기의 눈, 나방의 날개, 연꽃의 잎 등 많은 종류가 있고, 이러한 구조들은 서로 약간씩 다른 특징과 구조를 가지고 있다.

이 중 가장 대표적인 예를 꼽으라면 연꽃잎을 고를 수 있을것이다. 

연꽃잎은 소수성으로 인해 물이 흘러 떨어지고 동시에 먼지같은 이물질도 닦여진다 (Self cleaning). 

연꽃잎의 표면을 자세히 들여다 보면 돌기/털의 2중 나노구조로 되어있음을 확인할 수 있다.

연꽃잎의 표면에 많은 돌기들이 솟아있고, 그 돌기들에는 얇은 털들이 많이 나있다. 그리고 그 털들에는 wax같은 물질들이 발라져있다.

애초에 wax처럼 물과 친화도가 적은 물질이 발라져 있는데다가 2중으로 된 나노구조때문에 물이 표면에 흡착되지 못하고 구의 형태를 띄며 붕 떠있는 형상이 된다. 그리고 그 밑에는 나노구조와 그 안을 메꾸고 있는 공기층이 존재하게 된다.

물이 흡착되기 위해선 표면에 골고루 물이 스며들어야 하는데, 물이 스며들기 전에 이미 왁스코팅이 되어있는 구조때문에 공기층을 두고 붕 떠있는 형태가 되어서 소수성이 구현이 되는것이다.

하지만, 아쉽게도 모든 상황에서 소수성이 구현되는것은 아니다. 

물이 물방울의 형태가 아닌 증기의 형태로 닿으면 구조에 의해 걸러지기 전에 구조 안쪽부터 물이 스며들기 때문에 소수성이 구현이 안되며, 고온의 물이 닿으면 적은 표면장력때문에 흡착이 더 잘되는 양상을 띈다.

따라서, 한 구조가 모든 상황에서 효과를 발휘할 수는 없으므로 각각의 상황에 적합한 구조를 사용하여야 한다.

Slip condition

'Slip condition'은 물체의 표면에서 유체가 어떻게 미끄러지느냐에 대한 조건을 말한다.

대부분의 물체는 소수성을 갖고있지 않아 'non-slip condition'을 사용하지만 소수성표면 위에서는 물이 미끄러질 수 있다.

물이 미끄러진다는것은 곧 물체가 유체 속을 움직일때 유체를 덜 끌고간다는것이고, 이는 유체의 속도가 변하는 정도가 줄어듦을 의미한다.

유체의 속도가 덜 변하는것은 물체가 유체에게 하는 일이 적다는것을 의미하므로, 소수성표면은 물체의 에너지손실을 줄여준다.

따라서, 소수성 표면을 유체내에서 활동하는 로봇에 응용한다면 로봇의 에너지효율을 늘릴 수 있다.

소수성이란?

소수성이란 어떤 물체가 물과의 친화력이 적은 성질을 뜻한다. 친화력이 작다는것은 물과 물체의 표면 사이의 인력이 작다는것이다. 

일상생활에서 볼 수 있는 대부분의 물체는 물과의 친화력이 낮지 않으므로 소수성 물체의 특성은 생소하게 느껴질 수 있다.

소수성의 가장 큰 특징은 물체의 표면에서 유체의 slip condition이 non-slip이 아니라는것이다.

대부분의 물체의 표면에서 유체가 흐를때는 표면과 유체 사이의 인력때문에 표면 바로 앞에서 유체의 속도는 0인데 소수성 표면 위에서는 이러한 성질이 사라진다.

이러한 소수성이 발생시키는 특이한 slip condition은 중요한 물리적 특성을 가지고, 이 특성은 로봇 등에 응용하기 좋은 특성이다.