KR20230067143A - 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성/극친수성 패턴을 형성하는 방법 및 극소수성/극친수성 패턴을 갖는 기판 - Google Patents

2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성/극친수성 패턴을 형성하는 방법 및 극소수성/극친수성 패턴을 갖는 기판 Download PDF

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Abstract

극소수성/극친수성(SPHo/SPHi) 패턴 표면은 비등, 세포배양 및 물 수확과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있기 때문에 최근 그의 제작 공법 기술이 주목되어 왔다. 자연에서 볼 수 있는 패턴 표면은 바나나잎, 나미브 사막 벌레와 같이 3차원적 곡면을 이루고 있는 경우가 대부분이다. 그러나 현재까지 개시된 패턴 표면 제작 기술은 레이저, 자외선 등 빛의 종류를 이용하여 평면에만 한정된다는 한계가 있었다.
본 발명에서는 알루미늄을 이용하여 3차원 물체에도 적용할 수 있는 SPHo/SPHi 패터닝 공법을 발명하였다. 본 발명은 극소수성 특성이 부여된 코팅 면이 친수성 표면 처리 용액 내에서 화학반응을 일으키지 않는다는 점에 착안하여 발명한 것이 본 발명의 핵심이며, 표면 구역을 나누어 코팅 유무에 따라 접촉각이 10° 미만, 150° 이상의 극소수성/극친수성 패턴 표면을 구현하여 본 발명을 완성하게 되었다. 또한, 패턴 표면은 튜브의 내벽과 같이 레이저가 도달할 수 없는 영역에도 원하는 대로 패터닝할 수 있는 특징을 갖는다. 본 발명에 의해 종래 2차원 물품으로 제한되었던 SHPi/SHPo 패턴 표면을 3차원으로 확대하여 적용함으로써 응용 분야를 획기적으로 확대할 수 있는 산업상 유용한 발명이다.

Description

2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성/극친수성 패턴을 형성하는 방법 및 극소수성/극친수성 패턴을 갖는 기판 {FABRICATION METHOD OF SUPER-HYDROPHOBIC/HYDROPHILIC PATTERNING ON THREE-DEMENSIONAL OJBECTS}
본 발명은 2차원 또는 3차원 물체의 표면의 원하는 부위에 극소수 및 극친수 패턴의 형성방법에 관한 것이다.
더 상세히는, 먼저 기판의 극친수성(이하, "SHPi"라 칭하기도 한다.)을 갖는 부위와 극소수성(이하, "SHPo"라 칭하기도 한다.) 부위를 갖는 부위를 설정하고,
극친수성을 형성하고자 하는 부위를 먼저 마스킹하여 보호하고, 마스킹이 되어 있지 않은 부분에 대해 화학적으로 처리하여 마이크로미터 사이즈의 에칭 작업을 한 후, 이 부분을 알칼리 화합물로 처리하고, 비등수로 산화시켜 나노미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖도록 하고, 이렇게 처리된 나노미터 표면 거칠기를 갖는 표면을 플루오르화제로 코팅하여 표면을 극소수화하고;
기판의 상기 처리 단계로부터 보호된 마스크 부착 부위로부터 마스크를 제거하고, 제거한 부분에 대하여 상기와 동일한 화학 또는 물리적 수단을 이용하여 마이크로 사이즈의 에칭 작업을 한 후, 이 부분을 산화제 등으로 처리하여 나노 표면 거칠기를 갖도록 하여 극친수성 표면을 갖도록 하는 것;
을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성(SHPo/SHPi) 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
습윤성은 표면의 화학적 조성과 구조에 의해 강하게 형성되는 결정적인 표면 특성이다. 습윤성 변형은 놀라운 습윤성 및 물리화학적 특성으로 인해 다양한 분야에서 수많은 잠재적 응용을 가지고 있음이 알려져 있다. 일반적으로 초습윤성은 고체 표면에 대한 물방울의 접촉각(WCA)으로 설명되는 고체 표면의 고유한 특징이다. 극소수성(SHPo; WCA > 160°) 및 극친수성(SHPi, WCA < 5°)과 같은 습윤성은 각각 물을 밀어내고 부착하는 두 가지 속성이 있다.
흥미롭게도 일반적인 극소수성 표면을 가진 자연 풍부한 연꽃 잎과 장미꽃잎뿐만 아니라, 전형적인 SHPo 표면을 가진 물이끼와 수염 탈란드시아(Tillandsia usneoides) 잎. 그리고 사막 딱정벌레와 바나나 잎은 이중 SHPo 및 SHPi 표면 습윤 패턴을 포함한다. 극소수성/극친수성 습윤 거동이 결합된 패턴 표면은 이들의 선택적 습윤 특성 때문에 미세유체 장치, 비등 열 전달, 유수 분리(oil/water separation), 세포 배양, 응축 열 전달 및 안개 포집 등의 산업 응용 분야에서 많은 관심을 끌었다. 자연에서 영감을 받은 표면은 다양한 실제 산업 응용 분야에 대한 초습윤성을 탐구하기 위해 엔지니어와 과학자의 관심을 끌었다.
현대 시대에 나노 기술의 급속한 발전은 기초 과학 연구를 실용적인 산업 응용분야로 움직이게 하였다. 그 결과, 극소수성 또는 극친수성 표면 재료에 대한 연구는 급속한 발전 단계에 접어들었다.
알루미늄(Al)은 필수적인 금속으로서 그의 고유한 열 및 전기 전도성, 우수한 작업성, 경량 및 저렴한 가격 때문에 산업재로 선택되어 왔다. 수많은 연구자들이 소수성 알루미늄 기판의 표면을 개발하여 생물학적 오염 방지, 결빙 방지, 셀프 세척, 부식 방지, 유수분리, 응축 열 전달, 물 포집 및 마찰전기 나노발전기를 포함한 많은 산업 분야에 적용되어 왔다. 또한, 친수성 알루미늄 기판의 표면은 비등열 전달, 증기열 전달, 물 포집 및 물 증발과 같은 산업 분야에서 사용되었다. 또한, Al에 초소수성/초친수성 패턴 표면의 개발도 계속하여 보고되었다. 전기화학적 가공, 레이저 처리, 레이저 처리를 이용한 화학 가공 및 마이크로플라즈마 처리를 포함한 각종 기술이 습윤성을 향상시키기 위해 알루미늄 기판의 표면을 개선하여 습윤능을 향상사켜 사용되었다. 알루미늄 이외의 다른 물질로 확장될 때 자외선(UV) 보조 화학 반응 및 스템핑하여 패터닝하는 방법도 보고되었다(비특허문헌 1).
그러나, 상기 방법들은 고비용, 더 긴 반응 시간과 같은 특정 단점을 가지며, 평평한 표면에서만 사용될 수 있다. 그러나 우리가 자연에서 모방하고자 하는 패턴의 표면은 평평하지 않고, 입체적인 형태는 패턴 젖음의 역할로 효과적으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 나미브사막 딱정벌레의 껍질은 물 수확을 위해 반구형 모양을 가지고 있으며, 바나나 잎의 표면은 물을 효과적으로 수집하기 위해 V 모양이다. 따라서 자연 표면을 적절하게 모방하여 능력을 증명하고 적용하기 위해서는 다양한 모양에 매우 적합하고 3D 알루미늄 기판의 표면에 초소수성/초친수성 패턴을 제작할 수 있는 간단하고, 저렴하며 효율적인 방법이 요구되어왔다.
이에 대해 상세히 설명하면, 특허문헌 1에는 자기조립단분자막을 이용한 패턴 형성 방법으로, 이 발명에 따른 자기조립단분자막을 이용한 패턴 형성방법은, 기판상에 소수성을 가지는 소수성 자기조립단분자막 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판 중 상기 소수성 자기조립단분자막 패턴이 형성된 영역 이외의 영역에 친수성을 가지는 친수성 자기조립단분자막 패턴을 형성하는 단계; 상기 소수성 자기조립단분자막 패턴 및 친수성 자기조립단분자막 패턴이 형성된 기판상에 촉매제막을 형성하는 단계; 상기 자기조립단분자막 상에 전도성 중합체 막을 형성하는 단계를 포함하는 것이 개시되어 있다. 그러한 이 발명은 초소수성/초친수성 패턴이 아닌 것으로 보인다.
또한, 특허문헌 2는 친수성 및 소수성 패턴 형성 장치 및 이를 이용한 친수성 및 소수성 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 이 발명에 따른 친수성 및 소수성 패턴 형성 장치는 내부공간이 형성된 챔버 부재, 상기 챔버 부재의 일측에 형성되어 상기 챔버 부재 내부로 반응 가스를 주입하는 가스 공급 유닛, 상기 챔버 부재의 일측에 형성되어 반응 가스가 배출되는 가스 배출 유닛, 상기 챔버 부재 내부에 배치되어 기재가 안착되는 지지 부재, 상기 지지 부재로부터 이격되도록 배치되어 상기 기재로 두 영역 이상의 파장으로 이루어진 자외선을 조사하는 자외선 조사 부재, 상기 챔버 부재 내부에 배치되어 상기 자외선 조사 부재로부터 조사된 자외선이 기재로 집광되게 하는 적어도 하나의 반사 부재 및 상기 기재로부터 이격되게 배치되어 상기 기재의 특정 영역을 차단하여 상기 기재에 조사되는 자외선의 일부가 차단되게 하는 마스크 부재를 포함할 수 있음이 개시되어 있다. 그러나 이 발명의 경우에는 일부 단순한 형태의 3차원에도 적용 가능한 것으로 보이나 튜브의 내벽과 같은 언더컷/새도우 부분에는 UV가 직접적으로 닿을 수 없는 부분으로, 패터닝이 불가능하다.
그리고 특허문헌 3은 극소수성 표면 형성 방법에 관한 것으로, 이 발명은 플라스마 식각과 증착만으로 극소수성 표면을 구현할 수 있는 방법에 관한 것이다. 이 발명의 극소수성 표면은 부착일(work of adhesion)이 3mJ/㎡ 이하로 매우 작아 자가세정(self-cleaning) 표면, 흐림 방지(anti-fogging) 표면, 자동차 유리 표면, 약물전달 소자 등 다양한 분야에 응용될 수 있음을 개시하고 있다. 이 발명은 친수 또는 소수성의 극대화를 위해 표면구조를 제작하는데 플라스마 식각을 이용하고 있으나, 이러한 공정은 3차원형상에는 적용이 어려움이 있다.
특허문헌 4는 극소수성 패턴을 갖는 바이오칩 및 극소수성 패턴을 갖는 바이오칩 제조방법에 관한 것으로서 그 공정은 투명 기판을 준비하는 단계; 레이저를 준비하는 단계; 상기 레이저를 상기 투명 기판으로 조사하여 상기 기판 표면에 극소수성 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판에 대하여 열처리를 하는 열처리 단계를 포함하는 극소수성 패턴을 갖는 바이오칩 제조방법을 제시하고 있다. 이 발명은 투명한 물체의 표면에 레이저를 이용하여 극소수성 패턴을 형성할 수 있고, 극소수성 패턴 사이에 서로 이웃하는 친수성 구간에 선택적으로 시험 대상을 배치하여, 시험 대상의 관찰을 비교하며 수행할 수 있음이 개시되어 있다.
그러나 상기 특허문헌 1~4에 기재된 발명은 모두 3차원의 복잡한 형상을 가진 물체의 표면에는 패터닝이 불가능하며, 이들 발명 모두 자외선이나 레이저와 같은 빛의 일종을 이용하거나 스핀코팅과 같이 평면에만 적용 가능한 기술이 사용되고 있다.
한편, 비특허문헌 1은 간단한 금속 기반 극친수성/극소수성 패터닝 공법에 관한 것으로, 물리적으로 코팅액이 표면과 접촉하지 못하도록 다른 고체로 눌러주는(스템핑하는) 방법을 이용하였는데 이 역시 평평하지 않는 부분에는 적용될 수 없다. 또한, 이러한 물리적으로 스템핑하는 부분의 표면구조가 손상될 수밖에 없는 문제점도 내포하고 있다.
1. 특허공개 10-2007-0027169 2. 특허등록 제10-1727241호 3. 국제특허 PCT/KR2016/006004 4. 특허등록 제10-21066491호
전술한 바와 같이, 종래 기술은 3차원의 형상 물체의 표면에는 패터닝이 가능하지 않았다. 즉, 자외선이나 레이저와 같은 빛의 일종을 이용하거나 스핀코팅과 같은 방식을 이용하기 때문에 물체의 평면에만 적용 가능한 것이었다. 이에 본 발명에서는 3차원의 복잡한 형상을 가진 물체의 표면에도 용이하고 저렴하게 SHPi/SHPo 패터닝을 형성하는 방법을 제공하여, 종래 당해 분야에서 해결하고자 하였던 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 SHPi/SHPo을 부여하고자 하는 물체의 표면의 부분 중, SHPi을 부여하고자 하는 부분에 대해서 우선, 필름으로 마스킹하고, 마스킹되지 않은 표면을 화학적 처리를 하여 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성한 후, 다시 산화하여 표면을 나노미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖는 표면을 형성한 후, 이를 불소계 수지 등으로 코팅하여 극소수성 표면을 형성하고; 또한, 상기에서 마스킹된 부분의 마스크를 제거한 후, 상기의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기 형성 및 나노미터 사이즈의 표면 거칠기 형성의 작업을 행하여 SHPi 표면을 형성하는 방법에 의해 3차원의 물체, 특히 미세, 복잡한 소형 구조물 등의 물체의 표면에도 용이하고 저렴하게 SHPi/SHPo 패터닝을 동시에 형성하는 방법을 제공하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명에 의해 종래 2차원 물품으로 제한되었던 SHPi/SHPo 패턴 표면을 3차원으로 확대하여 적용함으로써 응용 분야를 획기적으로 확대할 수 있는 산업상 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SHPi/SHPo 패턴 형성 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 방법에 있어서 각 표면 화학 처리에서의 형태학적 전이의 개략도로서, (a, b, c)는 SPHo 표면의 제조 공정을 나타내고, (d, e)는 SPHi 표면의 제조 공정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제작된 SHPi/SHPo 표면의 토폴러지의 FE-SEM으로 관찰한 이미지 사진을 나타낸다.
도 4는 알루미늄 기판의 처리 전, SHPi/SHPo 패턴 처리 후의 처리 표면의 상세 단면도를 (a, d)에 나타내고, (b, c, e, f)에 EDS로 분석한 각 표면의 화학적 조성을 나타낸다.
도 5는 (a) 및 (b)는 물접촉가 측정 장치로 촬영한 (사진 내 작은 사진 포함)의 극친수성 알루미늄 표면 및 극소수성 알루미늄 표면을 나타내고 (사용된 물방울의 사이즈는 디지털 사진을 위해 10㎕인 것을 사용하고, 접촉각 측정 장치를 위해 5㎕인 것을 사용하었다. (c)는 SHPi/SHPo 패턴 법을 위해 선형 디자인을 나타내고, (d)는 컬러 염료수로 패턴화한 표면의 디지털 사진을 나타낸다.
도 6의 (a),(c)은 3차원 표면상에 SHPi/SHPo 패턴화를 적용한 개념도이고, (b)는 반구체 알루미늄 각의 외부 표면 위에 도트-패턴의 디지털 사진이고, (d)는 알루미늄 튜브의 내부 표면에 라인 패턴한 것의 디지털 사진다.
도 7의 (a, b)는 표면의 상세 횡단면도이고, (c, d)는 EDS 매핑에 의해 분석된 각 표면의 원소 매핑을 나타낸다.
도 8은 알루미늄의 친수성 표면(a)과 소수성 표면(b)의 디지털 사진 및 물접촉각 측정기로 촬영(삽입된 작은 사진)을 나타낸 것으로, 소수성 표면은 알루미늄 표면상이 HDFS의 코팅된 결과를 나타낸다.
이하, 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 이용되는 기판의 재료로서는 철, 비철 금속, 세라믹, 유리, 이들의 합금 등을 사용할 수 있고, 이들 기판의 물질에 특히 한정되는 것은 아니다. 다만, 실시예에서는 편의상 알루미늄을 예를 들어 설명한다.
이하, 먼저 도 1(a)~(d)를 참고로 하여 알루미늄 기판의 극소수성 패턴의 형성에 관하여 설명한다.
우선, 알루미늄 기판을 세정하여 기판 표면에서 오물을 제거한다. 이 세정은 공지의 방법, 예컨대, 에탄올 및/또는 탈이온수 중에서 초음파 등의 처리를 들 수 있다.
도 1의 (a)에 나타난 바와 같이, 우선, 알루미늄의 기판의 극친수성으로 하여야 할 부위를 필름으로 마스킹하였다. 마스킹에 이용될 수 있는 필름은 캡톤(Kapton)과 같은 폴리이미드, PTFE, FEP, PFA와 같이, 산, 알칼리에 대한 내화학성, 고온에서의 내열성이 요구된다. 즉, 이러한 요구를 만족하는 필름이면, 특히 한정되는 것은 아니다. 상세히는 본 발명의 제작 공정 중, HCl 용액, 끓는 물 및 n-헥산으로 처리하는 SHPi/SHPo 공정에 대해 어떠한 변화나 반응이 없는 마스킹 재료이어야 한다.
이하, 우선, 기판의 마스킹되지 않은 부분에 대해 극소수성 공정에 대해 설명한다.
먼저, 이하의 공정에 의해 기판의 표면에 마이크로미터 및 나노미터 사이즈의 표면 거칠기 구조를 형성하는 공정을 행한다. 즉, 도 1(b)에는 기판에 마스킹이 부착되지 않은 부분에 에칭을 행하여 마이크로미터 단위의 표면 거칠기를 형성하는 공정을 나타낸다. 이러한 표면 거칠기의 공정은 후술하는 화학적 에칭 방법을 이용할 수 있다.
이들 방법에서, 도 1(b)은 화학적 방법에 의한 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 방법을 예시한 것이다. 즉, 염산, 불산, 인산, 황산, 질산, 아세트산과 같은 무기산의 강산, 예컨대 2M~4M 정도의 수용액을 실온에서 약 4~6분간 담가 놓았다가 꺼내어 탈이온수로 세정하면 알루미늄 기판 상이 마이크로미터 사이즈의 에칭이 행하여진다. 그러나 알루미늄 표면을 직접 무기산으로 처리하면, 미반응 부분이 생기거나, 마이크로미터 사이즈로 형성되지 않을 가능성이 있으므로, 무기산으로 처리하기 전에 알루미늄 기판을 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철과 같은 알칼리 화합물의 1~2M의 수용액에 40~90초 침지하여 기판의 표면을 약간 산화시켜 부드럽게 하고, 이를 꺼내 탈이온수로 세정한 후, 무기산으로 처리하여 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 것이 바람직하다.
도 1(c)에서는 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖는 상기 알루미늄 기판을 다시 산화시켜 나노 단위의 표면 거칠기를 형성하는 공정을 예시한 것이다.
즉, 상기 도 1(b)에서 얻어진 마이크로 단위의 표면 거칠기를 갖는 알루미늄 기판을 탈이온수(DI water)로 세척하고, 0.8~1.2M NaOH 수용액에 극히 짧은 시간, 예컨대, 약 1~5초 소킹(soak) 한 후, 탈이온수로 세척하고, 이를 90℃ 이상, 바람직하기로는 비등하는 탈이온수에 3분 이상 침지 후 산화시켰다. 이렇게 하여 산화막이 형성된 표면을 갖는 기판을 50~70℃, 바람직하게는 60~70℃로 제어되는 건조 오븐에서 20분 이상 건조하여 알루미늄 기판상의 나노미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성한 기판을 얻었다. (NaOH 수용액에 약 1~5초 소킹한 후의 작용에 대해서는 하기 도 2의 설명에서 상세히 후술한다.)
상기에서 염기처리를 위해 사용한 수산화나트륨(NaOH) 대신에, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철에서 선택된 알칼리 용액을 사용할 수 있으며, 이러한 알칼리 수용액을 사용하는 것이 본 발명의 범위를 벗어나는 것은 아니다.
도 1(d)는 상기의 나노미터 사이즈의 표면 거칠기 공정을 끝낸 기판 표면에 대해 소수화 공정을 나타내는 도이다.
즉, 상기에서 나노미터 표면 거칠기 공정이 완료된 알루미늄 기판을 건조한 후, 약 800:1 내지 1200:1(v/v)로 n-헥산으로 희석한 불소계 수지의 혼합물에 기판을 담그고 일정시간, 예컨대 약 10분간 자기조립단분자막(SAM) 코팅한다. 그런 다음 표면을 다시 50~70℃의 오븐에서 15분 이상 건조시켜 완료한다.
상기에서 불소계 수지로서는 헵타데카플루오로데실트리메톡시실란(HDFS), 트리데카플루오로트리클로로실란, 트리데카플루오로-1,2,2,2-테트라하이드로옥틸트리에톡시실란, 퍼플루오로알콕시알칸, 플루오로네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 등을 들 수 있다.
상기의 불소계 수지의 코팅 작업에 의해 상기 알루미늄 기판의 노출된 부분에 대한 극소수화 패터닝 공정이 완료된다.
다음에, 도 1(e)~(g) 및 도 2(a)~(e)를 참고로 하여 알루미늄 기판의 극친수성 패턴의 형성에 관하여 설명한다.
도 1(e)는 상기에서 알루미늄 기판에서 극소수화 패터닝 공정이 완료된 부위와 마스킹을 떼어낸 상태를 나타낸다.
도 1(f)는 상기에서 얻어진 알루미늄 기판을 상기 도 1(b)와 동일하게 화학 처리하여 마스킹되어 있었던 부위에 대해 에칭하는 공정을 나타낸다. 화학 에칭에 의해 마스킹이 탈리된 부위가 마이크로미터 단위의 표면 거칠기가 행하여진다.
도 1(g)는 상기에서 얻어진 마이크로 단위의 표면 거칠기를 갖는 상기 알루미늄 기판을 다시 산화공정에 의해 상기 도 1(c)와 동일하게 나노미터 크기의 표면 거칠기를 형성하는 공정을 예시한 것이다. 참고로, 상기 도 1(b)~(d)의 공정에 의해 극소수화된 패턴 부위는 불소계 수지로 코팅되어 있어, 상기 공정 1(f) 내지 1(g)의 공정에 의해 어떠한 영향이나 변화를 받지 않는다.
이렇게 얻어진 부위는 알루미늄 기판의 표면이 나노 단위로 표면 거칠기가 형성되어 있어, 즉, 작은 -OH 기가 무수히 형성되어 극친수성을 갖게 된다.
전술한 도 1(a)~(g) 공정에 의해 알루미늄 기판의 표면은 극소수성/극친수성 패턴닝이 완료된다.
전술한 도 1의 공정을 도 2를 참고로 하여, 기판의 각 표면 화학 처리에서 형태학적 변이를 살피면서 다시 더 상세히 설명한다.
상기에서 마스킹 필름으로 보호되지 않는 영역은 극소수성 특성을 얻기 위해 화학적 처리하여 표면 거칠기('표면 개질'이라고도 함) 공정을 거친다. 화학적 표면 개질은 SHPi/SHPo으로 변화시켜 친수성/소수성을 극대화하는 것이다. 이 원리는 Wenzel과 Cassie-Baxter의 이론으로 잘 알려져 있다.
겉보기 접촉각(CA) θ*은 다음과 같이 표현할 수 있다.
cosθ*=f1cosθ-f2
(식중, θ는 평면에서의 접촉각이고, f1 및 f2는 각각 고체-액체 및 고체-공기 분율(f1+f2=1)이다.)
도 2(a)는 첫 번째 에칭 단계에서 알루미늄 기판이 HCl에 의해 에칭되는 것을 보여준다. 염산 수용액에서 알루미늄은 수소가스가 발생하면서 식각되며, 그 화학식은 다음과 같다.
2Al(s) + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2(g)
에칭 공정을 거친 알루미늄 기판의 표면에는 약 1~5㎛ 크기의 입방체 미세구조가 형성된다.
이어서, 수산화나트륨(NaOH) 수용액에 의해 알루미늄의 표면이 약간 겔화되고, 이를 끓는 물에 넣으면, 표면이 빠르게 산화되고, 약 10~50nm 크기의 플레이크 형태의 나노 구조가 형성된다. 끓는 물 처리를 통한 나노구조 형성의 원리는 다음과 같다.
2Al(s) + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
Al2O3(s) + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
Al(OH)4·nH2O → γ-Al(OH)3 (s)
알루미늄 기판의 표면은 끓는 물 처리 전에 염기성 NaOH 용액에 잠시 담그면 알루미네이트 하이드로겔로 변하여 약간 겔 형태로 된다. 겔화된 알루미네이트 하이드로겔이 고온의 물과 접촉하면 깁사이트로 결정화되며, 이때, 한정된 표면적에서의 부피 증가는 서로 밀어내는 작용을 하게 되고, 그 결과, 밖으로 삐죽삐죽한 모양의 나노 플레이크 형태를 형성하게 된다. 알루미늄은 그 자체가 친수성을 띄기 때문에 에칭을 통한 마이크로 구조 형성만으로도 대폭 증가된 친수성 성질이 확인된다. 또한, 나노 구조를 추가하면 훨씬 더 조밀한 표면 거칠기를 추가로 부가하여 표면적을 증가시킴과 동시에 깁사이트가 화학적으로 강한 친수성을 보이기 때문에, 최종적으로 얻어지는 표면은 강력한 극친수성 표면이 얻어진다. 이렇게 제작된 극친수성 표면을 불소계수지와 n-헥산의 혼합 용액에 넣으면 불소계 수지가 친수성 표면 사이에 화학적 결합 반응이 일어난다(도 2c). 불소계 수지의 분자 구조는 친수기와 반응하는 실리콘(Si) 부분과 물을 밀어내는 불소(F) 부분으로 구성되어 있다. 여기서 친수기와 반응하는 실리콘 부분이 염소(Cl) 분자를 떼어내고 친수성 표면의 히드록시기와 화학 결합을 형성하는 방식으로 자기조립단분자막(Self-Assembed Monolayer, SAM)이 형성된다. 불소계 수지의 SAM 코팅이 완료되면 표면이 화학적으로 소수성이 되며 마이크로/나노 구조로 특성이 극대화되어 극소수성 특성이 나타난다. SAM 코팅은 분자 수준의 코팅이므로 기존의 마이크로/나노 구조를 바꾸지 않고 표면 에너지만 낮춰주는 작용을 한다.
불소계 수지 코팅 공정에 의해 극소수성 패턴 작업이 끝나면, 마스킹 필름을 제거한 후, 2차 표면 처리, 즉 극친수 패턴 형성 공정이 시작된다(도 2d~e). 두 번째 공정에서는 불소계 수지 코팅이 마스킹 역할을 한다.
나머지 공정은 상기 마이크로/나노 표면구조 제작방법과 동일하게 진행된다. 염산 에칭하고, 끓는 물에서의 산화 처리하는 중에도 불소계 수지 코팅으로 보호된 표면은 극소수성 표면은 유지된다. 불소계 수지, 예컨대 HDFS의 알칸 쇄에는 불소원자들이 결합되어 있어 이러한 분자들은 산이나 알칼리 등의 화합물들의 수용액에 비반응성이어서, 상기 수용액 공정인 마이크로/나노 구조 제작 공정에 대해 내성을 갖는다.
이러한 사실은 첨부된 도 7에 의해 입증된다. 즉, 도 7의 (a, b)는 표면의 상세 횡단면도이고, (c, d)는 EDS 매핑에 의해 분석된 각 표면의 원소 매핑을 나타낸다. 이 도면에서, 노출된 도트 영역만 반응하고 다른 표면은 극소수성(SPHo) 표면으로 보호되어 반응하지 않는 것으로 관찰되었다.
본 발명에서 극소수성 표면 개질 영역이 매체 내에서 보호된다는 점을 이용하여 3차원 표면에도 적용 가능한 SHPi/SHPo 패턴 공법을 확립하였다. 먼저, 친수표면으로 적용하고자 하는 부분을 Kapton 필름으로 마스킹한 후, 나머지 노출된 부분을 극소수성으로 개질한다. 그 후, 마스킹된 필름(예, Kapton 필름)을 제거하고, 그 다음, 친수성 표면처리를 행한다. 이때, 국소수성 표면을 제외한 나머지 부분만 극친수성으로 개질되어 패턴 표면이 완성된다. (이 프로세스를 본 발명자들은 SPAC 방법이라고 명명하였다.) SEM과 EDS를 이용하여 표면공정에 따라 노출된 표면이 개질되는 것을 확인하였으며, 이 과정에서 Kapton 필름과 HDFS로 보호된 표면은 각각 상태로 유지됨을 확인하였다.
결론적으로, SHPi/SHPo 패턴 공법을 이용하여 기준에 불가능하였던 3차원 입체 구조의 표면에 극친수성/극소수성 패턴 표면을 적용할 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명에 의해 물 수확, 비등, 응측열 전달, 세포 배양 등의 연구분야를 2차원 표면에서 3차원 표면으로 적용할 수 있다.
이하 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아님은 명백하다.
실시예 1
두께 1mm의 Al(Al5052; 알루미늄 최소 97%인 판상물, 얇은 벽 튜브(직경 100mm, 높이 50mm, 벽 두께 3mm) 및 반구형 쉘(직경 60mm)을 기판으로 사용했다. 염산(HCl), 수산화나트륨(NaOH), n-헥산(삼천화학(주)) 폴리이미드 필름(Kapton, 서경(주)) 및 (헵타데카플루오로-1,1,2-2-테트라히드라데실)디메틸클로로실란 (HDFS)(JSIsilicone)는 시판의 것을 구입하여 사용하였다. 모든 알루미늄 판상물은 먼저 에탄올 및 탈이온수에서 초음파 처리하여 불순물을 제거하였다.
충분히 세척된 Al 판상물, 튜브 및 반구는 동일한 SHPi/SHPo 패터닝 공법은 도 1에 따라 행하였다.
즉, 마스킹은 극친수성 특성을 유지하고자 하는 영역에 캡톤(Kapton, 폴리이미드 상품명) 필름을 부착하였다. 그런 다음 노출된 부분에 마이크로미터/나노미터 표면 구조 제작 공정을 적용했다(도 1b-c). 마스킹된 기판을 상온에서 1M NaOH 용액에 1분간 침지한 후, 탈이온수로 세척하고, 즉시 3M HCl 용액에 실온에서 5분간 침지하여 에칭 공정을 진행하였다. 에칭 후 표면을 탈이온수로 세척하고 1M NaOH 용액에 약 3초간 담근 후 탈이온수에서 90℃ 이하의 온도에서 3분간 산화시켰다. 그런 다음, 산화된 표면을 60℃로 조절된 건조 오븐에서 20분 이상 건조했다. 건조가 완료되면 1000:1의 부피비로 희석된 n-헥산과 HDFS의 혼합물에 기판을 담그고 10분간 자기조립단분자막(SAM) 코팅을 하였다(도 1d).
그런 다음, 표면을 다시 60℃의 오븐에서 20분 이상 건조시켰다. 이 지점까지 단계를 따라 노출된 부위는 극소수성 속성을 얻었다.
이어서, 마스킹을 제거하고 상기의 마이크로/나노 표면 거칠기 형성 공정을 동일하게 반복했다(도 1e-g). 공정이 완료되면 마스킹되지 않은 표면은 극소수성으로 남아 있고, 이전에 마스킹된 표면은 극친수헝 속성의 패턴이 형성된다.
<상기 실시예 1에서 제작된 극초수성/극친수성 특성>
상기 실시예 1에서 제작된 극초수성/극친수성 표면을 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)(SU6600, HITACHI, Japan)에 의해 부착된 고해상도 전계 방출 전자 현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석하였다. 표면의 젖음성 전이를 객관적으로 평가하기 위해 물접촉각(WCA) 분석기(Smart Drop, FemtoFAB)를 이용하여 각 표면에 대해 5개의 다른 위치에서 WCA를 측정하고, 이를 평균화했다.
<상기 실시예 1에서 제작된 극초수성/극친수성 표면의 형태학적 분석>
표면 토폴러지는 FE-SEM으로 관찰하여 분석하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3은 각 표면처리 단계에서 FE-SEM으로 관찰한 경계 및 좌우 각 표면의 이미지로서, 왼쪽의 텍스트 상자는 중간 열에 있는 FE-SEM 이미지의 왼쪽 및 오른쪽 상태를 보여주는 가이드이다. (a,b) 이미지는 에칭 및 산화 공정 후 캡톤 필름을 제거한 후의 관찰 이미지이며, (c,d)는 캡톤 필름이 제거된 표면의 에칭 및 산화 공정 후 관찰된 이미지이다.
도 3에서 보호영역(마스킹된 부위)과 비보호영역의 경계는 도 3(a-d) II에서 볼 수 있다. Fig. 3(a, b) I에서 Al로 덮인 캡톤 필름(왼쪽)은 평평하고 매끄러운 표면을 보였다. 평평한 부분의 약간 홈이 있는 선은 알루미늄 합금 제조 중 압연 공정에서 발생한 것으로 추정된다. 대조적으로, Kapton 필름이 덮이지 않은 영역(오른쪽)은 도 3(a) III에서 볼 수 있는 것처럼 입방체 미세 구조를 나타낸다. 도 3(b) I는 또한 켑톤 막이 덮인 영역의 평평한 표면과, 도 3(b) III에서 끓는 물에서 HCl에 의한 에칭 및 산화 후, 알루미늄 기판의 표면에 형성된 마이크로/나노 단계적 구조를 보인다. [3(b) III 확대도의 작은 삽입 도는 마이크로 스케일 큐브에서 단계적 플레이크 유사 구조를 나타낸다.] 따라서 캡톤 필름으로 덮인 부분은 손상되지 않았음을 확인하였다. 오른쪽에 HDFS로 불소화하고 켑톤 필름을 제거한 후, 나머지 공정에 따라 표면도 관찰 및 분석되었다(도 3c 및 d). 도 3c (I)에 나타난 바와 같이, HCl 수용액에 디핑 후, 입방체 구조가 얻어졌다. 동시에, 마이크로/나노 단계적 구조가 도 3c (III)의 알루미늄 기판의 표면에 지속되어 HDFS 코팅 표면이 에칭 공정에 의해 손상되지 않았음을 확인했다. 그 결과, Fig.3 (I&III)의 우측과 좌측에서 볼 수 있는 바와 같이, 최종 산화 공정 후에 마이크로/나노 구조가 명확하게 제작되었다.
<상기 실시예 1에서 제작된 SHPi/SHPo 표면의 화학 분석>
표면 거칠기를 행한 알루미늄 기판의 표면의 원소 조성 및 중량비를 확인하기 위해 EDS 분석을 수행하였다. 도 4(a-b)는 표면 거칠기를 행한 알루미늄 기판의 표면의 개략도를 보여준다. 개략도를 통해 각 표면이 어떤 요소로 구성되어 있는지 유추할 수 있다. 도 4(b-f)의 EDS 스펙트럼은 수정된 알루미늄 기판의 표면이 Al, F, O, Si 및 Mg 원소를 포함할 수 있음을 보여준다. 추가 원소 Mg의 출현은 기판으로 사용된 5052 Al 합금의 고유 불순물 때문이다. 도 4(b-c)의 스캔 영역은 각각 도 4a의 표면의 왼쪽과 오른쪽을 나타낸다. 유사하게, Fig. 4(e-f)는 도 4d의 스캔 영역의 좌우 표면을 나타낸다. 마이크로 및 마이크로/나노 구조에서 Al, F, Si 및 O의 원소 중량%는 도 4(b, e)에서 볼 수 있듯이 각각 95.79, 0.30, 0.25, 1.04 및 82.35, 0.38, 0.00, 15.34이다. Owt%의 큰 차이는 표면상의 수산화알루미늄(Al2(OH)3) 층의 존재에 해당하며, 이는 원소 매핑 결과와 잘 일치한다. 도 4(c,f)의 원소 중량%는 코팅된 마이크로/나노 구조의 선택된 두 스캔 영역 모두에서 우수한 일관성을 보여준다. 코팅층을 구성하는 HDFS에서 검출된 일정량의 불소와 규소 원소가 명확하게 보이나 도 4(b, e)에서는 거의 검출되지 않았다.
EDS에 의한 원소 매핑은 표면 원소 조성과 알루미늄 기판의 표면에서의 분포에 대한 정확한 정보를 확인하기 위해 실험되었다. 도 7의 (c, d)은 Al(녹색), F(노란색) 및 O(빨간색) 요소의 존재를 나타낸다. 원소 Al은 도 7(c)의 왼쪽에서 약간 더 높은 밀도를 가졌으나, 원소 O와 F는 Al2(OH)3와 HDFS 층으로 인해 오른쪽에서 더 높은 밀도를 가졌다. 그러나 도 7(d)의 왼쪽에 비해 HDFS 코팅 영역에서 요소 F만 더 높았다.
<평면 및 3차원 물체의 표면에 본 발명 방법의 적용>
본 발명의 방법을 사용하여 다양한 표면에 SHPi/SHPo 패턴을 적용하였다. 먼저, WCA를 측정하여 제작된 극친수성 및 극소수성 표면이 본 발명의 방법에 의해 올바르게 구현되었는지 확인한 결과를 도 5에 나타냈다.
도 5는 물접촉각(WCA) 측정 장치로 촬영한 (a) 극친수성 알루미늄 기판의 표면 및 (b) 극소수성 알루미늄 기판의 표면의 디지털 사진과 삽입 사진과 (c) 본 발명의 방법을 위한 라인 아트 디자인 및 (d) 착색된 물로 패턴화된 표면의 디지털 사진을 나타낸다. 사용된 물방울의 부피는 디지털 사진의 경우 10㎕, WCA 측정 장치의 경우 5㎕이었다. 눈금 막대는 10mm이다.
극친수성 및 극소수성은 약 30㎕의 물방울을 5×5㎠ 알루미늄 기판의 중앙에 놓았을 때 육안으로 명확하게 식별할 수 있었다. 물방울은 극친수성 표면과 접촉하자마자 표면을 따라 퍼지기 시작했으며, 둥근 어두운 색은 표면이 물로 젖었음을 나타낸다(참고, 도 5(a)). 극소수성 표면에서 물은 구슬처럼 완벽하게 둥근 모양을 유지했다. 또한, 물방울 아래의 표면은 전혀 젖지 않았고 표면이 약간 기울어져도 쉽게 굴러 떨어졌다. 도 5(a)와 (b)의 우측 상단 모서리에서 물접촉각 측정기를 이용하여 관찰하였으며, 극친수성에서 10°미만과 극소수성에서 160°이상이 각각 측정되었다. 표면 거칠기가 없는 평평한 표면의 HDFS 코팅은 습윤성에서 약간의 변화만 얻을 수 있다. 도 8(a)에 나타난 바와 같이, 일반 알루미늄 기판의 표면은 기본적으로 친수성으로 접촉각이 약 70°정도를 나타내었으며, HDFS로 코팅된 표면은 접촉각이 약간 증가된 110°의 약간의 소수성을 나타내었다(도 8(b)). 따라서 마이크로/나노 구조의 표면이 젖음성을 극대화되었음을 확인하였다. 도 5(c)는 'CHOSUN'이라는 글자와 2mm 폭의 줄로 이루어진 디자인을 나타내고, 도 5(d)는 Al 기판에 본 발명의 방법으로 패터닝된 면을 제작한 후, 친수성 표면에만 물이 젖어있는 모습을 보여준다. 문자와 줄은 극친수, 나머지 부분은 극소수성 표면이 잘 구현되어 물이 문자 영역에 갇혀 있는 것이 확인된다. 파란색과 빨간색 수성 잉크를 각각 물에 염색하여 보면 서로 떨어져 있는 친수 표면에 독립적으로 액체를 적게 할 수 있음을 할 수 있다. 또한, 아래에 이어져 있는 줄로 된 무늬를 보면 왼쪽에는 파란색, 오른쪽에는 빨간색 액체를 주입하여 가운데서 혼합되는 모습도 관찰할 수 있다. 즉, 본 발명에 의해 한 표면에서의 액체 거동을 원하는 대로 조절할 수 있음이 입증되었다.
3차원 물체에 본 발명의 방법을 적용한 모습을 도 6에 나타내었다. 도 6(a)에 나타난 바와 같이, 직경 6cm의 반구형 알루미늄 쉘에 직경 5mm 정도의 원형 점박이 필름을 부착하고, 본 발명의 방법을 적용하였다. 그 결과, 원형 점박들만 친수성 표면을 나타내고, 나머지는 극소수성 표면을 갖는 패턴이 반구형 쉘 표면에 성공적으로 적용된 것이 확인되었다(도 6(b)). 자주색으로 염색된 물에 잠긴 극소수성/극친수성 표면의 결과는 도 8에 의해 확인된다. 도 8에서 점(DOT)만 자주색 물에 젖고 나머지 표면은 깨끗한 상태로 유지되는 것을 확인했다. 또한, 도 6(c)와 (d)에서 직경 10cm, 높이 5cm의 알루미늄 튜브 내벽에 두께 5mm의 빗금을 본 발명의 방법으로 완벽하게 적용한 것을 보여주고 있다. 반구형 쉘의 패턴 표면이 전부 외부로 드러나 있는 반면에 튜브의 내벽에 패턴 표면을 적용함으로써 더욱 중요한 의미를 갖는다.
기존 보고되어 있는 UV 또는 레이저 등을 이용한 패터닝 공법은 튜브 내벽과 같은 보이지 않는 부분(shadow area)에는 적용할 수 없거나, 가능하더라도 빛의 왜곡을 조절하기 어려울 것이다. 따라서 튜브형, 구형, 굴곡이 심한 소형의 3차원 물체에 본 발명의 방법을 적용함으로써 얻어지는 SHPi/SHPo 패턴 표면은 그의 적용 범위는 획기적으로 확대될 것으로 기대된다.

Claims (29)

  1. 기판의 극친수성을 형성하고자 하는 부위만을 마스킹하여 보호하고,
    기판에 마스킹이 되어 있지 않은 부분을 화학적 수단에 의해 에칭 작업하여 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하고,
    이 기판을 다시 산화 처리하여 나노미터 표면 거칠기를 형성하고,
    이렇게 형성된 표면을 소수화제로 코팅하여 극소수성 표면으로 하고;
    기판 부착된 마스크를 제거하고,
    제거된 부분에 대하여 화학적 수단에 의해 에칭 작업하여 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하고,
    이 기판을 다시 산화 처리하여 나노미터 표면 거칠기를 형성하여 극친수성 표면을 갖도록 하는 것;
    을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    기판이 철, 비철 금속, 세라믹, 내열 유리, 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    기판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    마스킹을 폴리이미드, PTFE, FEP 또는 PFA 테이프로부터 선택된 것을 이용함을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  5. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    마스킹을 캡톤(Kapton)을 이용함을 특징으로 하는, 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정이 무기산을 이용함을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  7. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정에서의 무기산이 염산, 불산, 인산, 황산, 질산 및 아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  8. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정에서의 무기산이 염산인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  9. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정에서의 무기산이 염산이고, 그의 농도가 2~4M인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  10. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정이 2~4M 염산 수용액에 4~6분 담가 놓았다가 꺼내 탈이온수로 세정하는 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  11. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정이 기판에 무기산으로 처리하기 전에, 알루미늄 기판을 알칼리 화합물의 수용액에 기판의 표면을 산화시킨 후에 무기산으로 에칭하여 기판의 표면에 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 행하는 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    알칼리 화합물이 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄 및 수산화철로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 그의 농도가 1~2M의 수용액인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서
    마스킹이 부착되지 않은 기판의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖는 기판을 다시 산화시켜 나노 표면 거칠기를 형성하는 공정이, 기판의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖는 기판을 알칼리 화합물의 수용액에 디핑하여 알루미네이트 하이드로겔로 한 후, 이를 90℃ 이상의 물에 넣어 산화시킴을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  14. 청구항 1 또는 13에 있어서
    알칼리 화합물이 수산화나트륨(NaOH), 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄 및 수산화철로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서
    알칼리 화합물이 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 극소수성을 갖는 기판을 제작하는 공정이, 나노미터 사이즈의 표면 거칠기가 형성된 기판에 불소계 수지와 n-헥산의 혼합물에 담가 자기조립단분자막을 코팅함을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  17. 청구항 1 또는 16에 있어서,
    불소계 수지가 헵타데카플루오로데실트리메톡시실란(HDFS), 트리데카플루오로트리클로로실란, 트리데카플루오로-1,2,2,2-테트라하이드로옥틸트리에톡시실란, 퍼플루오로알콕시알칸, 플루오로네이티드에틸렌프로필렌 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    불소계 수지가 헵타데카플루오로데실트리메톡시실란(HDFS)인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  19. 청구항 1 또는 16에 있어서,
    마스킹이 부착되지 않은 알루미늄 기판의 표면에의 극소수성을 갖는 기판을 제작하는 공정이, 나노미터 사이즈의 표면 거칠기가 형성된 기판에 불소계 수지와 n-헥산의 혼합물에 담가 자기조립단분자막을 코팅함을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    불소계 수지와 n-헥산의 혼합물이 헵타데카플루오로데실트리메톡시실란와 n-헥산이고, 그의 혼합비가 800:1 내지 1200:1(v/v)인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  21. 청구항 1에 있어서,
    알루미늄 기판의 표면의 마스크를 제거한 기판의 표면에 무기산을 이용하여 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성함을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  22. 청구항 1 또는 21에 있어서,
    알루미늄 기판의 표면의 마스크를 제거한 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정에서의 무기산이 염산, 불산, 인산, 황산, 질산 및 아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  23. 청구항 1 또는 21에 있어서,
    알루미늄 기판의 표면에의 마스크를 제거한 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정에서의 무기산이 염산이고, 그의 농도가 2~4M인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  24. 청구항 1 또는 21에 있어서,
    알루미늄 기판의 표면에의 마스크를 제거한 알루미늄 기판의 표면에의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하는 공정이 기판에 무기산으로 처리하기 전에, 기판을 알칼리 화합물의 수용액에 기판의 표면을 산화시킨 후에 무기산으로 에칭하여 기판의 표면에 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 행하는 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  25. 청구항 1 또는 21에 있어서,
    알칼리 화합물이 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄 및 수산화철로 이루어진 군에서 선택된 1종이고, 그의 농도가 1~2M의 수용액인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  26. 청구항 26에 있어서,
    알칼리 화합물이 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  27. 청구항 1 또는 21에 있어서,
    알루미늄 기판의 표면에의 마스크를 제거한 기판의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖는 기판을 다시 산화시켜 나노 표면 거칠기를 형성하는 공정이, 기판의 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 갖는 기판을 알칼리 화합물의 수용액에 디핑하여 알루미네이트 하이드로겔로 한 후, 이를 90℃ 이상의 물에 넣어 산화시켜 극친수성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 2차원 또는 3차원 물체의 표면에 극소수성 및 극친수성 패턴을 형성하는 방법.
  28. 기판의 극친수성을 형성하고자 하는 부위만을 마스킹하여 보호하고,
    기판에 마스킹이 되어 있지 않은 부분을 화학적 수단에 의해 에칭 작업하여 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하고,
    이 기판을 다시 산화 처리하여 나노미터 표면 거칠기를 형성하고,
    이렇게 형성된 표면을 소수화제로 코팅하여 얻어진 극소수성 표면; 및
    기판 부착된 마스크를 제거하고,
    제거된 부분에 대하여 화학적 수단에 의해 에칭 작업하여 마이크로미터 사이즈의 표면 거칠기를 형성하고,
    이 기판을 다시 산화 처리하여 나노미터 표면 거칠기를 형성하여 얻어진 극친수성 표면;
    을 갖는 기판.
  29. 청구항 28에 있어서,
    기판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 기판.
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