Experimental Investigation of Nano/microstructures Integrated on Functional Polymeric Materials for Controlled Surface Adhesion

Abstract

일반적으로 고분자 물질은 비교적 간단한 제조방법을 가지고 다양한 물질과의 합성을 통해 기능성 표면을 가질 수 있기 때문에 다양하게 활용되고 있다. 나노/마이크로 구조가 폴리머 물질로 집적화 될 경우 표면 부착력의 변화를 가져오는 기능성 표면의 제조가 가능하다. 본 연구에서는 부드러운 고분자 물질을 사용하여 나노/마이크로 구조를 집적화 하고 이를 통해 액적의 표면 부착력을 변화시키며 특유의 기능성을 가지도록 하는 연구를 수행하였다. 첫째, 고분자 물질을 사용하여 마이크로 스케일 래칫구조와 나노 스케일 딤플구조로 이루어진 계층구조를 형성할 경우 액적을 일방향으로 흐르도록 하는 기능성 표면을 얻을 수 있다. 마이크로 스케일 래칫구조는 액적에 대해서 일방향으로 흐르도록 하는 힘을 유도하며 나노 스케일 딤플 구조체는 표면에 대한 부착력을 크게 낮추어 액적의 흔적이 남지 않고 제거할 수 있도록 하는 기능적 역할을 한다. 이를 통해 초발수성을 비롯하여 초발유성의 고분자 계층구조체를 제작할 수 있었으며 일방향으로의 액적 거동 조절과 함께 일정한 형상을 가지는 트랙 형태의 계층구조 위에서도 외부의 힘을 최소화 한 상태에서 액적의 거동이 가능함을 검증하였다. 둘째, 고분자 기반의 재료로 다공성 구조를 형성하여 공기층의 유지 성능을 향상 시키고 매우 낮은 표면 에너지를 가지는 나노 스케일 파티클 형태의 고분자 돌기 형성을 통해 물에 대한 부착력을 크게 낮추어 결과적으로 부력의 상승을 가능하게 하는 계층구조체의 제작에 대하여 연구하였다. 마이크로 스케일 다공성 구조체와 함께 제작된 나노 스케일 돌기 형태의 고분자 형성은 물 위에서 면적 대비 무거운 무게에 대해서도 뛰어난 부력 상승 효과를 가져올 수 있음을 검증하였고 다양한 환경 속에서 액체와의 상호 작용이 뛰어난 고분자 부표로 응용될 수 있음을 의미한다. 셋째, 액적의 부착력을 크게 높이기 위해 표면처리가 된 계층구조 실리콘(Si) 니들 어레이의 고분자 박막 필름으로의 전사를 통해 세포부터 조직 단계의 표면까지 모두 부착력이 상승된 고분자 기반 패치를 제작하였다. 고부착력의 계층구조 실리콘 니들 어레이는 일반적인 반도체 건식 식각 공정과 습식 식각 공정을 통해 마이크로 스케일의 높이를 가지고 다공성 나노구조 형상의 표면을 가지도록 제작되었으며 고분자 박막 필름으로의 전사는 고분자가 유기 용매와 만날 때 부피가 변화하며 변형이 일어나는 성질을 이용하여 균일하고 일정한 높이로 전사가 가능한 방법을 고안하였으며 실리콘 니들 어레이 제작 시 각 니들의 아랫부분에 언더컷 형상을 제작하여 고분자의 변형 시 응력이 집중되도록 하였다. 이렇게 제작된 계층구조 실리콘 니들이 집적화 된 고부착력 고분자 박막 필름은 셀과의 상호작용 효율 상승과 함께 곡면의 표면에도 균일한 부착을 가능하게 하여 약물 전달의 효율을 상승시키는 결과를 가져왔다. 본 연구에서 제작된 고분자 기반의 계층구조는 저부착성 표면을 가지는 래칫구조 위에서 액적의 일방향성 거동, 물 위에서 부력을 상승하거나 고부착성 계층구조 실리콘 니들의 고분자 필름 위로의 집적화를 통해 다양한 형상을 가지는 곡면으로의 부착성을 향상시킬 수 있었다.; Soft polymer materials have simple manufacturing and tuning methods for integration with various nano/microstructures for functional and controlled surface adhesion. Micro-scale structures have mechanical interaction property between the surface and the liquid, while nano-scale structures can modify the surface adhesion. The purpose of this study is to design unique nano/microstructures and integrate functional hierarchical structures on polymeric materials. Three different engineered hierarchical polymeric designs are introduced to improve the mechanical interaction characteristics with the controlled surface adhesion over liquid phase materials. First, ratchet-like polymer hierarchical structures are fabricated by simple molding process to enable directional roll-off of droplets. Micro-scale ratchet-like structures for generating directional moving force are optimally designed to maximize the directional moving force, and nano-scale dimple structures are integrated on micro-scale ratchet-like structures for rolling-off droplets. Droplets with diverse surface energies are shown to roll-off directionally by minimized external forces, and two-dimensional droplet control is also possible on curved tracks, such as U- and S-shapes. Second, porous polymer hierarchical structures are fabricated by etching and coating method to improve the floating performance on water. The microporous structures are fabricated by high-temperature and high-pressure steam etching in vessel during the cross-linking of polymers. After the formation of microporous polymer structures, the superhydrophobic nanoparticles are coated for the low adhesive surface. The superhydrophobic hierarchically structured polymer buoys have very low adhesion with water and contain more air pockets for enhanced floating to support the heavier forces on it. The critical immersion depth and weight are demonstrated to verify the improvement of superbuoyancy. Third, hierarchical silicon needles integrated onto polymer thin film is fabricated to improve the adhesion of liquid on silicon needles and conformal contact on curved shapes with flexible thin film. The hierarchical silicon needles are fabricated by conventional anisotropic dry etching for micro-scale height and metal-assisted chemical etching for nano-scale texturing on the surface. Then, a novel polymer swelling method for transferring hierarchical silicon needle arrays onto the flexible polymer thin film is developed. The well-organized silicon hierarchical needle arrays with high aspect ratio embedded onto polymer thin film not only contain more liquid-based transfer materials but also enable conformal contact on the rounded surface from cell-level to tissue-level structures for efficient interaction. In conclusion, three different engineered designs of hierarchical structures are integrated with soft polymer materials for controlled surface adhesions and functional mechanical interactions of liquid-phase.