KR20140005854A - 습윤 특징을 제어하기 위한 계층적으로 구조화된 표면 - Google Patents

Abstract

습윤 특징의 향상된 제어를 가지는 계층적 표면 및 이를 형성하기 위한 방법이 기술된다. 상기 계층적 표면은 하나 이상의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조; 하나 이상의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조를 포함하며, 여기서 하나 이상의 2차 특징적 형상의 크기는 하나 이상의 1차 특징적 형상의 크기보다 크다. 게다가, 상기 1차 구조 및 2차 구조는 상승작용에 의해 1차 구조 또는 2차 구조 단독보다 향상된 기계적 특성 및 습윤 특징의 제어를 제공한다.

Description

습윤 특징을 제어하기 위한 계층적으로 구조화된 표면{HIERARCHICALLY STRUCTURED SURFACES TO CONTROL WETTING CHARACTERISTICS}

관련 출원에 대한 교차-참조

본 출원은 2010년 7월 19일에 출원된 미국 특허출원 제61/365,615호의 빠른 우선일에 대한 이익을 주장하며, 상기 문헌의 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참고로서 포함된다.

배경

액체에 의한 습윤에 저항성을 갖는 구조는 집중적으로 연구되어 왔다. 한 가지 제안된 구조는 고표면적의 구조화된 표면을 만드는 것이다. 그러나, 고표면적의 구조화된 표면 코팅을 제조하기 위한 방법은 전형적으로 극도로 복잡하고, 비싸고, 다단계이고, 순차적이고 낮은 처리율의 나노제조법(nanofabrication method)에 의존하고 있다.

요약

본 발명은 표면의 습윤 특징을 제어하기 위해 계층적으로 구조화된 표면에 관한 것이다. 특정 구체예에서, 1차 구조 및 2차 구조를 가지는 기판을 포함하는 제품이 기술된다. 특정 구체예에서, 2차 구조는 상기 기판 위에 배치되고 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치된다. 특정 구체예에서, 1차 구조는 나노규모의 크기를 가지는 적어도 하나의 1차 특징적 형상을 가지고 2차 구조는 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 크기를 가지는 적어도 하나의 2차 특징적 형상을 갖는다. 특정 구체예에서, 1차 구조 및 2차 구조는 1차 구조 또는 2차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공한다.

특정 구체예에서, 계층적 구조화된 표면을 제조하기 위한 방법이 기술된다. 특정 구체예에서, 상기 방법은 기판을 제공하는 단계; 나노규모의 크기를 가지는 적어도 하나의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조를 제공하는 단계; 및 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 크기를 가지는 적어도 하나의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조를 제공하는 단계를 포함한다. 특정 구체예에서, 2차 구조는 상기 기판 위에 배치되고 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치된다. 특정 구체예에서, 1차 구조 및 2차 구조는 1차 구조 또는 2차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공한다.

특정 구체예에서, 1차 구조는 다수의 돌기를 포함하고 2차 구조는 상기 돌기의 표면으로부터 연장되는 다수의 돌출부를 포함한다.

특정 구체예에서, 1차 구조, 2차 구조 및 3차 구조를 가지는 기판을 포함하는 제품이 기술된다. 특정 구체예에서, 3차 구조는 상기 기판 위에 배치되고, 2차 구조는 상기 3차 구조의 적어도 일부 위에 배치되고, 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치된다. 특정 구체예에서, 1차 구조는 나노규모의 크기를 가지는 적어도 하나의 1차 특징적 형상을 가지고, 2차 구조는 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 크기를 가지는 적어도 하나의 2차 특징적 형상을 가지며, 3차 구조는 상기 2차 특징적 형상의 크기보다 큰 크기를 가지는 적어도 하나의 3차 특징적 형상을 갖는다. 특정 구체예에서, 1차 구조, 2차 구조 및 3차 구조는 1차 구조, 2차 구조 또는 3차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공한다.

특정 구체예에서, 계층적 구조화된 표면을 제조하기 위한 방법이 기술된다. 특정 구체예에서, 상기 방법은 기판을 제공하는 단계; 나노규모의 크기를 가지는 적어도 하나의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조를 제공하는 단계; 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 크기를 가지는 적어도 하나의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조를 제공하는 단계; 및 상기 2차 특징적 형상의 크기보다 큰 크기를 가지는 적어도 하나의 3차 특징적 형상을 가지는 3차 구조를 제공하는 단계를 포함한다. 특정 구체예에서, 3차 구조는 상기 기판 위에 배치되고, 2차 구조는 상기 3차 구조의 적어도 일부 위에 배치되고, 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치된다. 특정 구체예에서, 1차 구조, 2차 구조 및 3차 구조는 1차 구조, 2차 구조 또는 3차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공한다.

특정 구체예에서, 1차 구조는 기판의 적어도 일부 위에 배치된다.

특정 구체예에서, 적어도 하나의 1차 특징적 형상의 크기는 수십 나노미터이다.

특정 구체예에서, 1차 구조는 다수의 나노섬유, 막대, 나노입자, 나노볼, 돌출부 또는 이들의 조합을 포함한다.

특정 구체예에서, 2차 구조 또는 3차 구조는 다수의 포스트, 벌집, 벽돌(brick), 돌기 및 이들의 조합을 포함한다.

특정 구체예에서, 2차 구조 또는 3차 구조는 다수의 돌출된 구조를 포함하며, 여기서 돌출된 구조의 하부는 돌출된 구조의 상부보다 큰 크기를 갖는다.

특정 구체예에서, 액체는 물, 알코올, 오일 또는 이들의 혼합물이다.

특정 구체예에서, 1차 구조 및 2차 구조 중 적어도 하나는 손상 후 복구가능하다.

특정 구체예에서, 기판은 실질적으로 비평면(non-planar)이다.

특정 구체예에서, 1차 구조는 전도성 중합체를 포함한다.

특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 전해질 용액에서 전압을 인가할 때 작동하는 섬모상(cilia-like) 구조를 형성한다.

특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 디스플레이, 전극, 광학 물질, 터빈, 항균성 표면, 또는 분리막을 위한 코팅을 형성한다.

특정 구체예에서, 물질의 접근을 막는 방법이 기술된다. 상기 방법은 본 명세서에 기술된 계층적 구조를 가지는 제품을 제공하는 단계 및 상기 제품을 물질에 노출하는 단계를 포함한다.

특정 구체예에서, 물질은 액체이다.

특정 구체예에서, 액체는 수성이다.

특정 구체예에서, 액체는 유기성이다.

특정 구체예에서, 물질은 고체이다.

특정 구체예에서, 상기 고체는 얼음, 서리 또는 눈이다.

도면의 간단한 설명
도 1A 및 도 1B는 특정 구체예에 따른 두 가지 예시적인 계층적 구조의 모식도를 나타낸다;
도 2는 특정 구체예에 따라 계층적 구조의 하나 이상의 구조를 개질하기 위한 방법론의 모식도를 나타낸다;
도 3a 내지 도 3e는 특정 구체예에 따라 전기증착 파라미터를 변경함으로써 발생할 수 있는 상이한 형태학을 나타낸다;
도 4A 내지 도 4D는 특정 구체예에 따라 손상 후에 계층적 구조가 복구되는 모식도를 나타낸다;
도 5는 특정 구체예에 따라 계층적 구조가 형성될 수 있는 일부 예시적인 표면을 예시한다;
도 6A 내지 도 6D는 특정 구체예에 따른 (a) 나노포스트(nanopost) 배열 상의 짧은 나노섬유, (b) 나노포스트 배열 상의 길고 엉켜 있는 나노섬유, (c) 나노포스트 배열 상에 장식된 큰 구형 형태 및 (d) 나노포스트 배열 상에 부착된 소형 나노입자의 일련의 SEM 영상을 나타낸다;
도 7A 및 도 7B는 특정 구체예에 따라 중합체 나노섬유 및 나노볼로 장식된 구부러진 나노포스트 배열의 SEM 영상을 나타낸다;
도 8A 내지 도 8D는 특정 구체예에 따른 (a) 나노포스트 상의 나노섬유, (b) 나노포스트의 팁(tip) 상의 나노섬유, (c) 강모상(setae-like) 표면 및 (d) 다공성 역오팔(inverse opal) 구조 상의 나노섬유의 SEM 영상을 나타낸다;
도 9는 특정 구체예에 따른 1차, 2차 및 3차 구조를 가지는 계층적 구조의 SEM 영상을 나타낸다;
도 10은 특정 구체예에 따라 상이한 계층적 및 비계층적 구조에 대한 에탄올/탈이온수 비의 함수로서 접촉각을 나타낸다;
도 11은 특정 구체예에 따라 상이한 용매에 있어서 다양한 상이한 계층적 및 비계층적 구조에 대한 접촉각을 나타낸다;
도 12는 특정 구체예에 따른 상이한 유형의 계층적 및 비계층적 구조에 충돌하는 물방울을 보여주는 고속 카메라로 촬영한 동영상에서 나온 일련의 스틸 영상을 나타낸다;
도 13A 내지 도 13D는 특정 구체예에 따라 손상 후 계층적 구조의 복구 가능성을 보여주는 일련의 SEM 영상을 나타낸다;
도 14a 및 도 14b는 특정 구체예에 따라 기계적 안정성을 향상시키기 위해 나노포스트의 기저 부분을 개질하는 단계를 보여주는 일련의 SEM 영상을 나타낸다;
도 15A 내지 도 15C는 특정 구체예에 따라 모양 변형에 의한 2차 구조의 기계적인 보강을 나타내는 일련의 SEM 영상을 나타낸다;
도 15D 및 도 15E는 특정 구체예에 따라 상기 보강 전후에 압축 하중하에서의 2차 구조의 유한 요소 모델링을 나타낸다;
도 16a 내지 도 16d는 특정 구체예에 따라 Al 합금 상의 계층적 구조의 형성을 보여주는 일련의 SEM 영상을 나타낸다;
도 17은 특정 구체예에 따라 플루오르화 물질을 이용하여 표면 개질된 비코팅 Al 표면과 표면 개질되지 않은 비코팅 Al 표면에 비교하여, Al 표면에 전기화학적으로 증착된 계층적 구조에서의 서리의 형성을 나타낸다.

상세한 설명

본 발명은 액체에 의한 습윤 거동을 제어할 수 있는 표면에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 물, 알코올, 오일과 같은 예시적 액체, 및 다양한 기타 저표면장력 액체에 달하는 다양하고 여러 부류인 액체에 의한 습윤 거동을 제어할 수 있는 다중-계층적 구조화된 표면에 관한 것이다. 습윤 거동은 초소수성, 초친수성, 초소유성, 초친유성 등을 비롯한 소수성, 친수성, 소유성 및 친유성을 포함할 수 있다(단, 이에 제한되지 않는다). 본 명세서에서 사용하는 초소수성(superhydrophobicity)이란, 물에 의해 습윤되지 않는, 전형적으로는 물방울에 대해 높은 접촉각(>150°) 및 낮은 경사각(<10°)을 가지는 표면의 특성을 일컫는다. 본 명세서에서 사용하는 초친수성(superhydrophilicity)이란, 물에 의해 습윤되는, 전형적으로는 물방울에 대해 매우 낮은 접촉각(거의 제로)을 갖는 표면의 특성을 일컫는다. 본 명세서에서 사용하는 초소유성(superoleophobicity)이란, 오일 또는 탄화수소에 의해 습윤되지 않는, 전형적으로는 오일 액적에 대해 높은 접촉각(>150°) 및 낮은 경사각(<10°)을 갖는 표면의 특성을 일컫는다. 본 명세서에서 사용하는 초친유성(superoleophilicity)이란, 오일 또는 탄화수소에 의해 습윤되는, 전형적으로는 오일 또는 탄화수소의 액적에 대해 매우 낮은 접촉각(거의 제로)을 가지는 표면의 특성을 일컫는다.

다양한 수준의 다중-계층적 구조화된 표면이 본 발명의 범위 내에 속한다. 아래에서 보다 자세하게 기재하는 바와 같이, 본 발명은 향상된 습윤 특징의 제어를 제공하는 하나 이상의 구조적 형상을 가지는 특정한 구조를 갖는 표면을 제공한다. 하나 이상의 상이한 유형의 구조가 존재할 수 있고, 각각의 특정 유형의 구조는 특정한 형상 크기를 특징으로 한다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 형상 크기는 구조의 특정한 특징적인 속성의 크기, 가령 평균적 또는 주기적 구조간 거리, 개별적인 나노규모 형상의 직경, 개별적인 나노규모 형상의 길이 등을 포함하는 것으로 이해된다.

특정 구체예에서, 본 발명의 계층적 구조는 향상된 액체의 습윤 저항성을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 계층적 구조는 기타 종래의 초소수성 표면에 비해 향상된 초소수성을 제공할 수 있다.

특정 구체예에서, 본 발명의 계층적 구조는 습윤한 액체에 대해 향상된 성질을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 계층적 구조는 기타 종래의 초친수성 표면에 비해 향상된 초친수성을 제공할 수 있다.

계층적 구조

특정 구체예에서, 편평한 기판 위의 표면과 같은 표면이 습윤 특징의 제어를 제공하는 첫 번째 특징적 크기 규모를 가지는 구조를 가지고 제공될 수 있고, 상기 구조는 본 명세서에서 "1차 구조"로서 지칭될 것이다. 상기 형상은 "1차 구조"로서 지칭되는데, 이들이 계층적 구조의 가장 작은 형상 크기를 의미하는 것으로 이해되기 때문이다. 1차 구조는 나노섬유, 나노도트(nanodot) 등과 같은 구조를 포함할 수 있다. 그러한 나노규모 "1차 구조"는 수 내지 수십 또는 수백 나노미터 크기, 가령 5nm 내지 200nm 미만인 적어도 하나의 형상 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 대략 5, 10, 25, 50, 또는 심지어 100nm의 직경을 가지는 나노섬유가 고려된다.

1차 구조는 표면에 추가적인 향상된 습윤 특징의 제어를 제공하는 2차 구조 위에 배치된다. "2차 구조"는 상기 기술된 "1차 구조"보다 크다. 예를 들면, 직경 약 100nm의 형상 크기를 가지는 "1차 구조"가 사용되는 경우, "2차 구조"는 100nm보다 큰 형상 크기, 가령 150nm, 300nm, 500nm, 또는 1000nm, 및 그 이상을 가질 수 있고, 1차 구조와 조합되어 비습윤성, 초친수성, 복구 가능성 등과 같은 특징을 제공할 수 있다.

각각 더 낮은 차수(1차 및 2차)의 구조보다 큰 형상 크기를 갖는 부가적인 더 높은 차수의 구조, 가령 "3차 구조" 등이 임의로 포함될 수 있다. 그러한 부가적인 구조는 더 낮은 차수 구조에 의해 부여된 것들 외에 추가적인 이익을 제공할 수 있다.

일반적으로, 가장 높은 차수의 구조가 상기 계층적 구조가 형성되는 기판 또는 제품에 부착한다. 특정한 경우, 가장 높은 차수의 구조는 아래의 기판 또는 제품의 통합 부분을 형성할 수 있다. 게다가, 더 낮은 차수의 구조가 또한 임의의 더 낮은 차수의 구조에 부착하거나, 통합되거나 또는 그 위에 형성될 수 있다. 예를 들면, 1차, 2차 및 3차 구조를 가지는 계층에 있어서, 3차 구조는 강한 기계적 부착으로 아래의 기판에 결합될 수 있다. 게다가, 2차 물질은 3차 구조로부터 연장되고 3차 구조에 부착되거나 그로부터 통합적으로 자라날 수 있다. 특정 구체예에서, 2차 물질은 아래의 기판으로부터 연장될 수 있다. 1차 구조는 2차 구조, 3차 구조 및/또는 아래의 기판으로부터 유사하게 뻗어나갈 수 있다.

이론에 얽매이는 것을 바라지 않으면서, 각각의 "1차, 2차, 3차 또는 더 높은 차수의 구조"는 심지어 액체가 표면에 역동적으로 충돌하는 경우에도, 비습윤 특징을 성취하기 위한 매우 바람직한 넓은 표면적 및 많은 오목한 굴곡들을 제공할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 액체의 "역동적인 충돌"이란, 어떤 운동 또는 힘을 가지고 표면으로 제공되는 액체, 가령 표면으로의 액체의 적하/주입/밀착 또는 표면을 따라 흐름 또는 그러한 액체와 역동적으로 충돌하는 표면을 의미한다. 둘, 셋 이상의 상이한 크기를 가지는 표면 형상의 사용은 표면에 향상된 습윤 특징의 제어를 촉진하면서 동시에 강도 및 강건성을 제공하는 정도의 복합성을 제공한다. 그러한 구조의 계층은 소망하는 습윤 특징뿐만 아니라 소망하는 넓은 표면적을 여러 상이한 길이 규모에서 유지하기 위한 풍부한 실패 없는 메커니즘을 제공할 수 있다.

예시의 목적으로, 도 1A에 나타낸 것은, "1차 및 2차 구조"를 나타내는 개략도이다. 평평한 기판 100에 수직으로 서있는 막대상(rod-like) 원통형 구조 102는 "2차 구조"이고 상기 원통 102상의 헤어상(hair-like) 구조 101는 "1차 구조"이다. 상기 예시적인 구체예에서, 원통 102은 예를 들면, 동일한 주형(mold)으로부터 주조되거나 단일 기재로부터 에칭된 기판 100과 통합될 수 있다. 또한 예시로써, 1차 구조 101는 기판 100 및/또는 원통 102에서 증착되거나 성장할 수 있고 상이한 물질 조성을 가질 수 있다. "3차 구조"(도시되지 않음)와 같은 부가적인 계층적 구조가 포함될 수 있고 "2차 구조"(예컨대, 막대상 원통형 구조 102)보다 큰 형상 크기를 가질 것이다. 이러한 관행에 의해, 만약 모식도에 나타난 "1차 구조"보다 작은 형상 크기를 가지는 부가적인 계층적 구조가 포함된다면, 이러한 더 작은 크기의 구조는 "1차 구조"가 될 것이고 기존의 1차 및 2차 구조는 각각 2차 및 3차 구조가 될 것이다.

당해 분야의 숙련가가 이해하는 바와 같이, 본 명세서에 기술된 다양한 구조, 가령 "1차 구조", "2차 구조" 및 "3차 구조"가 계획된 특정 응용분야에 대해 필요한 대로 선택될 수 있고 본 명세서에 명시적으로 강조된 이들 구조에만 제한될 필요는 없다. 예를 들면, "1차 구조"는 나노섬유일 필요가 없으나, 나노규모 포스트, 나노입자 또는 다른 돌출된 구조의 배열일 수 있다. 또 다른 예시에서, "2차 구조"는 포스트의 배열에 제한될 필요가 없으나, 임의의 다른 돌출된 구조, 가령 무작위로 배열된 포스트, 원뿔 등 또는 독립 기포 구조의 배열, 벌집의 배열, 계란형 마감된 벽(egg closed wall)의 배열, 벽돌의 배열 등을 포함할 수 있다. 도 IB는 3차 구조로서의 피크 및 골(여기서 다수의 돌기 203로서 나타남), 2차 구조로서의 다수의 나노섬유 202, 및 기판 200 상의 1차 구조로서 나노섬유보다 작은 다수의 돌출부 또는 연장부(여기서 볼 201로서 나타남)를 특징으로 하는 거친 표면을 가지는 예시적인 계층적 구조를 나타낸다.

특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 향상된 습윤 특징의 제어뿐만 아니라, 또한 다른 바람직한 특성들, 가령 안정성, 기계적인 강도, 소수성, 환경적 안정성, 소망하는 전기적 및/또는 광학적 특성 등을 제공하기 위해 최적화될 수 있다. 예를 들면, "1차 구조"나 "2차 구조"로서 기능할 수 있는 포스트의 배열은 도 2에 나타난 바와 같이 개질되어 더 두꺼운 포스트의 배열 또는 원뿔형 포스트의 배열을 만들 수 있고, 이는 스크래치 또는 충격 내성을 향상시킬 수 있다.

도 2A를 참조하면, 연속적인 전극(예컨대, 나노포스트 205 위의 금속화 코팅)이 스퍼터링(sputtering)에 의해 모 기판(parent substrate) 206에 형성될 수 있다. 그 이후, 폴리피롤과 같은 전도성 중합체가 증착(예컨대, 전착)되어 증가된 크기 및 기계적인 강도의 복합 구조 205a를 형성할 수 있다. 도 2B는 폴리피롤의 증착 전과 후의 사진을 나타낸다.

대안적인 접근에서, 불연속적인 전극 210의 세트는 돌출된 출발 구조 212의 물결모양 모서리 211 상의 금속 전극 위에 증착법에 의해 형성될 수 있고, 여기서 패턴은 측면벽의 물결모양으로 인해 음영부를 보여준다. 그 이후, 폴리피롤과 같은 전도성 중합체가 증착(예컨대, 전착)되어 증가된 크기 및 기계적인 강도의 원뿔형 복합 구조 210a를 형성할 수 있다. 도 2C는 폴리피롤의 전착 후 원뿔형 복합 구조 210a의 SEM 영상을 나타낸다.

또 다른 구체예에서, 돌출된 구조의 한쪽 면이 금속화되는, 물결모양 및 각진 증착법의 조합 220은 기저부에서 출발하고 금속화되는 면에 따른 성장을 야기한다. 그 이후, 폴리피롤과 같은 전도성 중합체가 증착(예컨대, 전착)되어 증가된 크기 및 기계적인 강도의 구부러진 원뿔형 복합 구조 220a를 형성할 수 있다. 도 2E는 폴리피롤의 증착 후 구부러진 원뿔형 복합 구조 220a의 SEM 영상을 나타낸다.

특정 구체예에서, 복합 구조는 상기 개질된 복합 구조 위에 1차 구조(예컨대, 나노피브릴, 나노입자 등)를 증착하여 소망하는 계층적 구조를 형성함으로써 2차 구조로서 사용될 수 있다.

특정 구체예에서, 계층적 구조의 1차, 2차, 또는 더 높은 차수의 구조 중 어느 하나 이상은 임의의 소망하는 물질, 가령 실란화제, 플루오르화제 및 기타 유사한 계면활성제로 코팅될 수 있다.

특정 구체예에서, 물질의 선택은 비계층적 구조의 특정한 습윤 특징에 비교할 때, 더 높은 습윤능(wettability)을 가진 특정한 액체에 대한 향상된 습윤 저항성 범위의 소망하는 습윤 특징을 제공할 수 있다.

예를 들면, 소수성 물질 또는 코팅을 계층적 구조의 부분으로서 제공하는 것은 비계층적 구조에 비하여, 극성 액체(예컨대, 물, 알코올 등)에 대한 향상된 습윤 저항성(예컨대, 초소수성)을 제공할 수 있다. 극성 액체에 대한 향상된 습윤 저항성을 제공할 수 있는 기타 물질 또는 코팅은 플루오르화 소형 분자 및 소수성 중합체 가령 테플론(Teflon) 및 폴리에틸렌을 포함한다.

그 반면에, 친수성 물질 또는 코팅을 계층적 구조의 부분으로서 제공하는 것은 비계층적 구조에 비하여, 향상된 초친수성을 제공할 수 있다. 향상된 초친수성을 제공할 수 있는 기타 물질 또는 코팅은 소형 분자 및 이온성 그룹 또는 극성 그룹을 함유하는 중합체 그리고 표면 하이드록실 그룹이 풍부한 일부 금속 산화물로 이루어진 다공성 기판을 포함한다.

특정 구체예에서, 소유성 물질 또는 코팅을 계층적 구조의 부분으로서 제공하는 것은 비계층적 구조에 비하여, 향상된 초소유성을 제공할 수 있다. 그러한 물질은 액체와 고체 기판 사이에 갇힌 공기를 제공하는 요철 굴곡을 갖는 낮은 표면 에너지 코팅(예컨대 플루오르화 물질)을 포함한다.

특정 구체예에서, 친유성 물질 또는 코팅을 계층적 구조의 부분으로서 제공하는 것은 비계층적 구조에 비하여, 향상된 초친유성을 제공할 수 있다. 그러한 물질은 비-극성 물질로 이루어진 다공성 기판을 포함한다.

특정 구체예에서, 향상된 습윤 특징에 더하여, 물질 선택은 특정한 소망하는 광학적 특성, 가령 감소된 광 반사를 제공할 수 있다. 예를 들면, 폴리피롤의 사용은, 그의 계층적 구조와 조합된 그의 높은 흡수 특성으로 인해, 극도로 어두운(예컨대, 검정) 표면을 제공할 수 있다.

물질의 선택은 제한되지 않는다. 예를 들면, 계층적 구조는 금속, 반도체, 중합체, 소형 분자, 올리고머, 세라믹 등의 임의의 조합으로 만들어질 수 있다. 예를 들면, 니켈, 구리, 금, 알루미늄, 규소, 갈륨 비소, 전도성 중합체(예컨대 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 등), 비전도성 중합체(예컨대, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 하이드로겔 등), 계면활성제(예컨대, 실란화제, 플루오르화제 등), 및 많은 다른 유형의 물질과 같은 물질이 사용될 수 있다. 특정 물질의 선택은 특성을 바꿀 수 있고(예컨대, 플루오르화 표면은 플루오르화 액체를 끌어당기면서 물의 습윤을 막을 수 있다) 그리고 계층적 구조의 제조 가능성에 대해 특정한 한계를 제공할 수 있다(예컨대, 전착은 전도성 물질을 필요로 할 수 있고 전도성 중합체가 그러한 경우에 사용될 수 있다).

제조 방법

본 발명의 계층적 구조화된 표면의 "1차, 2차, 3차 및 더 높은 차수의 구조"는 수많은 상이한 기술, 가령 포토리소그래피, e-빔 리소그래피, 소프트 리소그래피, 복제 몰딩법, 용액 증착, 용액 중합, 전기중합, 전기방사법, 전기도금법, 기상 증착, 접촉 프린팅, 에칭, 전사 패터닝, 마이크로임프린팅, 자가-조립법 등에 의해 제조될 수 있다(참고: 예컨대, Mark J. Madou, "Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization", CRC Press 2002; John A. Rogers and Hong. H. Lee, "Unconventional Nanopatterning Techniques and Applications", Wiley 2008; Guozhong Cao and Ying Wang, " Nanostructures and Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications", World Scientific Series in Nanoscience and Nanotechnology 2011; Geoffrey A Ozin, Andre C Arsenault, Ludovico Cademartiri, Chad A Mirkin, " Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials", Royal Society of Chemistry 2008; 이들 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다).

특정 구체예에서, 상이한 제조 기술의 조합이 계층적 구조를 제조하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 마이크로규모 형상 크기를 갖는 "2차 구조" 위에 형성된 나노규모 "1차 구조"를 갖는 표면 코팅(예컨대 높은 종횡비 구조의 배열)은 다음과 같이 생성될 수 있다. 먼저, 마이크로규모 2차 구조는 아이젠버그(Aizenberg) 및 해튼(Hatton)의 미국 공개특허공보 제2011/0077172호[발명의 명칭: Assembly and deposition of materials using a superhydrophobic surface structure], 및 아이젠버그(Aizenberg) 및 포크로이(Pokroy)의 국제 공개공보 제WO 09/158631호[발명의 명칭: Versatile high aspect ratio actuatable nanostructured materials through replication]에 기술된 바와 같은 리소그래피 및/또는 복제 기술을 이용하여 제조될 수 있고, 상기의 내용은 그 전체로 본 명세서에 참고로서 포함된다. 이후, 2차 구조 위에 나노규모의 "1차 구조"를 형성하기 위해 분사(참고: 예컨대, A. Jaworek and A.T. Sobczyk, "Electrospraying route to nanotechnology: An overview", Journal of Electrostatics, 2008; 상기의 내용은 본 명세서에 참고로서 포함된다), 전기방사법(참고: 예컨대, D. Li, Y. Xia, "Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?", Advanced Materials, 2004; 상기의 내용은 본 명세서에 참고로서 포함된다), 전착 등과 같은 기술이 수행될 수 있다.

전기화학적 증착에 의한 전도성 유기 중합체의 인 시추 증착(in situ deposition)은 본 발명에 기술된 계층적 구조의 형성에 있어서 특히 유용한 기술일 수 있다. 전도성 유기 중합체의 형태학은 단량체의 농도, 전해질 및 완충제의 유형, 증착 온도 및 시간, 및 인가된 전위와 같은 전기화학적 조건과 같은 증착 조건을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 전기화학적 용액 내 단량체의 농도, 인가된 전위 및/또는 온도의 상승은 일반적으로 더 빠른 중합 속도 및 성장 도중 많은 기생적(parasitic) 핵생성 부위를 야기하여 콜리플라워(cauliflower)와 유사한 형태학을 생성한다(도 3a 참조). 대조적으로, 단량체의 더 낮은 농도, 더 낮은 인가된 전위, 및 더 낮은 온도는 실질적으로 균일한 직경을 갖는 나노피브릴 성장을 야기할 수 있다(도 3b 참조). 단량체의 농도 또는 인가된 전위의 추가적인 감소는 낮은 표면 커버리지를 갖는 중합체 나노섬유의 짧은 막대를 유도할 수 있다(도 3c 참조). 또 다른 예시에서, 더 산성인 용액을 얻기 위해 전해질 및 완충제의 유형을 증가시키는 것은 콜리플라워 모양의 형성(도 3a 참조) 또는 중합체의 과다성장(도 3d 참조)을 야기할 수 있다. 또 다른 예시에서, 인가된 전압은 순환되어 증착된 중합체 층의 상이한 산화 상태를 야기할 수 있고 이는 흔히 색상 변화로서 드러난다(예컨대, 인가 전압이 상승됨에 따라 어두운 청색에서 녹색 이후 옅은 황색 색상). 또 다른 예시에서, 인가된 전압은 일정 전압에서 펄스화되어 아래의 마이크로포스트(micropost) 구조 팁에만 중합체를 형성할 수 있고, 이는 버섯 유사 형태학을 야기한다(도 3e 참조). 따라서, 전도성 유기 중합체의 형태학은 나노미터부터 마이크로미터 규모 초과까지 미세하게 제어될 수 있고, 정밀하게 제어된 형태학을 갖는 상기 표면 코팅은 단순한 개질에 의해 제조될 수 있으며, 이것이 설계 및 형태학의 제어에 의한 다양한 표면 특성의 맞춤화를 보장한다.

특정 구체예에서, 1차, 2차, 3차 및/또는 임의의 다른 더 높은 차수의 구조가 동시에 제조될 수 있다. 예를 들면, 전착의 공정 파라미터(예컨대, 인가 전압, 전착 용액 농도, pH, 시간 등)를 제어함으로써, 하나 이상의 특징적 형상 크기를 가지는 구조가 제조될 수 있다. 만들어질 수 있는 예시적인 구조는 각 돌기로부터 뻗어나온 돌출부를 갖는 더 큰 크기의 돌기를 포함한다.

특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 임의의 무작위 모양의 표면, 가령 냉장기 코일, 대형 금속 시트, 슁글(shingle), 외벽 시트, 의료 기기, 파이프 내부(예컨대, 금속성 또는 금속화된 배수관 또는 송유관), 튜브, 중공(hollow) 금속성 구조, 패턴화된 전극, 메쉬, 와이어, 다공성 전도성 표면 등에 형성될 수 있다. 예를 들면, 전기화학적 증착이 전도성(예컨대, 금, 은, 백금, 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 니켈 등)인 임의의 표면에 수행될 수 있다. 소망하는 표면이 전도성이 아닌 경우, 전도성 물질의 박막이 상기 표면에 증착될 수 있다(예컨대, 기상 증착, 용액 코팅, 무전해 도금 등). 이후, 그 위에 소망하는 계층적 구조가 예를 들면, 전기화학적 증착을 이용하여 상기 기술된 바와 같이 형성될 수 있다. 그러한 기술은 복잡한 표면의 금속화를 제공할 수 있어서 상기 계층적 표면이 가장 기하학적으로 복잡한 제품에도 형성될 수 있도록 한다. 계층적 구조를 임의 형태의 표면에 형성하기에 유용할 수 있는 다른 적절한 기술은 무전해 증착, 스프레이 코팅, 방사 코팅, 딥 코팅, 기상 증착 등을 포함한다(참고: 예컨대, Mark J. Madou, " Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization", CRC Press 2002; John A. Rogers and Hong. H. Lee, "Unconventional Nanopatterning Techniques and Applications" Wiley 2008; 상기의 내용은 참고로서 포함된다).

특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 화학적으로 개질되어 특정 유형의 유체에 대한 습윤 저항성을 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 계층적 구조(1차, 2차, 3차 및/또는 더 높은 차수의 구조를 포함)의 표면은 플루오르화 그룹을 이용하여 화학적으로 개질되어 극성 액체에 대한 습윤 저항성을 향상시킬 수 있다. 또 다른 예시에서, 전도성 중합체를 위한 음이온성 도펀트(dopant)가 플루오르화 음이온(예를 들면, 퍼플루오로세박산)일 수 있어서 증착 후에 표면 개질 없이 초소수성을 부여한다.

장점

본 발명은 종래의 시스템을 뛰어넘는 많은 중요한 장점을 제공한다. 예를 들면, 그러한 고표면적의 비습윤 표면 코팅을 제조하기 위한 종래의 방법은 전형적으로 극도로 복잡하고, 비싸고, 다단계이고, 순차적이고 낮은 처리율의 나노제조법에 의존하고 있다. 그 반면, 본 발명의 특정 구체예에 따른 계층적 구조는 낮은 비용의 단순한 단일 단계 제조법에 의해 높은 신뢰성을 가지고 넓은 면적에 걸쳐 제조될 수 있다.

게다가, 그러한 바람직하지 않게 비싸고 복잡한 제조 기술에 의해 제조된 종래의 표면은 일단 손상되면, 제조 방법의 현재 한계로 인해 복구가 극도로 어렵다. 일부 다른 경우에, 기술적으로는 가능하지만, 손상된 표면을 복구하는 것은 복구에 따른 높은 비용으로 인해 사실상 바람직하지 않다. 그 반면에, 본 발명의 특정 구체예에 따른 많은 계층적 구조, 가령 본 명세서에 기술된 나노포스트 "2차 구조" 위에 전착을 이용하여 형성된 나노섬유 "1차 구조"는 손상 후에 낮은 비용으로 쉽게 재생될 수 있다.

도 4는 제안된 재생 공정을 도식적으로 보여준다. 도 4A는 어떠한 손상된 구역도 없는 계층적 구조를 나타낸다. 도 4B에서, 국부적으로 손상된 구역(갈라짐)이 사용 도중 형성될 수 있고, 이는, 예를 들면, 전극의 표면의 노출에 의한 습윤 저항성을 손상시킬 수 있다. 손상된 구역을 복구하기 위해, 손상된 구역은 중합체 나노섬유의 성장을 허용하는 조건을 함유하는 전착 용액에 노출되고 상기 조건으로 처리될 수 있다. 도 4C 및 도 4D에 나타난 바와 같이, 나노섬유는 손상된 지역 부근에서만 소망하는 높이까지 국부적으로 성장될 수 있다. 상기 복구 공정은 전체 기판이 전착 용액에 노출됨에도 불구하고 국부적 공정으로서 수행될 수 있으며 이는 상기 손상되지 않은 구역이 전착 용액의 습윤을 방지하고 전착 용액으로부터 전극에 도달하여 나노섬유 성장이 진행되는 것을 막을 수 있기 때문이다. 손상 후의 그러한 손쉬운 복구 가능성은 우수한 융통성뿐만 아니라 에너지 및 비용 효율성을 부가하고 코팅 층의 재설치, 재배치, 및 외부적 복구가 사실상 불가능한 경우에 그러한 계층적 비습윤 구조의 사용을 가능하게 한다.

특정 구체예에서, 특정 구체예에 따른 계층적 구조는 처리되지 않았거나 단지 1차 구조로만 처리된 표면에 비해 훨씬 우수한 습윤 저항성을 제공할 수 있다. 이론에 얽매이는 것을 바라지 않으면서, 상기 계층적 구조는 복수의 크기 규모에서 습윤을 방지하는 상이한 크기 수준의 구조를 제공할 수 있다. 특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 높은 충격 압력에서도 웬젤 상태(Wenzel state)로 전이되기보다는 캐시 상태(Cassie state)로 유지되게 할 수 있지만 종래의 구조는 습윤 저항성을 촉진하기 위한 단지 한 가지 크기 규모를 갖는다. 특정 구체예에서, 상기 계층적 구조는 더 높은 기계적 안정성을 가지는 나노포스트를 이용하여(예컨대, 더 넓거나, 심지어 상단부보다 기저부 근처에서 더 넓은 것과 같이 고안된 나노포스트 또는 다른 2차 구조를 제조하여) 제조될 수 있고, 이는 다시 높은 충격 압력에서 습윤에 견디는 능력을 더욱 향상할 수 있다.

게다가, 본 발명의 특정 구체예에 따른 계층적 구조는 사실상 어떠한 굴곡 있게 패턴화되거나 편평한 표면에도 제조될 수 있다. 계층적 구조가 형성될 수 있는 일부 예시적인 표면은 도 5에 예시된다. 따라서, 코팅되지 않은 표면에서는 광범위한 상이한 표면 상에의 습윤 및 연장된 접촉으로 인해 역효과를 유발할 수 있는, 광범위한 액체로의 습윤의 제어가 성취될 수 있다. 예를 들면, 고도로 굴곡진 기하학을 갖는 냉장기 코일에 향상된 계층적 습윤 저항성 표면이 제공될 수 있다.

적용분야

본 발명은 표면의 습윤이 바람직하지 않은 많은 적용분야에서 사용될 수 있다. 그러한 적용분야에는 다음이 포함된다:

· 고압 환경에서 작용하는 초소수성 코팅(예컨대 검층(well logging)을 위한 센서 표면)

· 슈퍼커패시터(supercapacitor), 배터리, 연료 전지의 전극을 위한 표면 코팅(고표면적의 높은 전기 전도성 전극)

· 김 서림 방지 코팅(초친수성) - 소비자 광학

· 제어 응축을 위한 코팅(발전 플랜트 내 터빈, 건조 환경에서 물의 수집, 군용 적용분야)

· 낮은 저항을 갖는 오일을 송유하기 위한 파이프라인 내 내부 코팅

· 항균 코팅

· 방빙(anti-icing) 코팅, 예를 들면, 실외 표지판, 가령 도로 표지판, 상업적 그래픽, 게시판 등

· 복구가 사실상 불가능한 경우의 초소수성 코팅(예컨대 우주 응용분야, 심해 응용분야)

· 분리 막을 위한 코팅(오일 분리, 여과기, 환경적 응용분야)

· 전압을 인가함으로써 전기활성 중합체가 가역적인 산화 및 환원을 겪는 미세유체공학에서 추진 메커니즘 및 유동 제어를 제공하는 섬모상 코팅, 이는 다시 산화환원 반응 도중 전기적 중성을 회복하기 위한 중합체 네트워크의 안팎으로의 상대 이온의 이동을 야기한다. 상대 이온은 전형적으로 수화되며 큰 변형을 유도할 수 있다(최대 30%). 전극을 패턴화하고 이어서 전도성 중합체를 섬모상 나노포스트 배열 주변에 증착하는 것을 통해, 그러한 나노구조의 제어 활성화가 전해질 용액 내에서 전압을 인가함으로써 성취될 수 있다.

· 표면 화학이 소수성일 때 항습윤 특성을 유지하면서(즉, 고체-액체 계면) 건조 조건하의 접착(즉, 고체-고체 계면)

· 아래의 더 높은 차수의 구조 주변에 전도성 중합체 코팅을 형성함으로써 부여된 항부식성 코팅

실시예

실시예 1

다수의 나노포스트를 e-빔 리소그래피 또는 UV 포토리소그래피에 의해 패턴화된 다양한 직경의 원(circle)의 배열 패턴으로 덮인 Si 웨이퍼의 심도 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching)으로 제조하였다. 실리콘 위에 형성된, 생성된 나노포스트 배열을 음각 폴리디메틸실록산(DOW Sylgard 184 PDMS) 주형을 만들어 복제하였다. 이후, UV 경화성 에폭시를 음각 PDMS 주형에 주조하였다. 상기 복제된 에폭시 나노포스트는 금속 전극이 스퍼터 코팅 또는 쉐도우 증발법(shadow evaporation)을 이용하여 패턴화되는 모 구조(mother structure)의 역할을 하였다.

폴리피롤(PPy), 폴리아닐린(PAni) 및 폴리티오펜(PTh)과 같은 전도성 유기 중합체의 후속되는 전기화학적 증착은 크기와 모양의 미세한 조정이 성취될 수 있는 신규한 표면 코팅 층을 생성한다.

피롤(Py)을 소규모에 대해 알루미나 컬럼에 의해 또는 사용 전에 증류에 의해 정제하였다. 0.1M 피롤과 0.1M 도데실벤젠설폰산나트륨(Na⁺DBS^-)의 수용액을 제조하고 건조 질소에 의해 10분 동안 퍼징하였다. 상기 용액에, 작동 전극으로서 패턴화 금속 전극을 갖는 판형(template) 구조를 배치하였다. 이후 표준 3 전극 구성을 이용하여 폴리피롤 필름을 전기화학적으로 증착하였다. +0.55V 대 Ag/AgCl(NaCl로 포화됨)의 음이온성 전위를 정전위 조건하에 인가하고 백금 메쉬를 상대 전극으로 사용하였다. 총 증착 시간에 걸쳐 일정한 속도로 용액으로부터 샘플을 꺼냄으로써 증착된 폴리피롤 필름의 두께의 구배를 생성하였다. 갓 증착된 폴리피롤 층을 탈이온수로 세척하고 공기 송풍하여 건조시켰다.

연속적 필름 증착을 위해, 0.2 내지 0.3M PBS 완충제(pH 6 내지 7) 내 0.08 내지 0.1M 피롤과 0.07M 과염소산리튬(LiCl0₄)의 수용액을 제조하고 건조 질소에 의해 10분간 퍼징하였다. 백금(Pt) 와이어 및 메쉬 상대 전극 및 Ag/AgCl 기준 전극과 함께 전형적인 3 전극 구성을 사용하였다. 얇은 PPy 필름의 성장을 위해 작동 전극으로서의 상기 샘플 표면에 0 내지 0.5V에서 출발하여 1mV/s의 속도로 0.8 내지 1.0V까지인 선형 주사 전압전류법을 전형적으로 적용하였고 이후 섬유성 PPy를 성장시키기 위해 추가적인 시간 동안 ~0.85V에서 시간대전류법(chronoamperometry)을 적용하였다. 더 높은 농도의 PBS(>0.25M) 및 높은 pH(>7)는 균일한 PPy 나노섬유를 수득하는 경향이 있다.

나노볼을 증착하기 위해, 더 높은 농도(>0.1M)의 피롤을 0.2 내지 0.3M PBS 완충제(pH 6 내지 7) 속에서 0.07M 과염소산리튬(LiCl0₄)과 함께 사용하였다. ~0.85V에서 300 내지 600초 동안의 시간대전류법을 통해 나노볼의 형성을 유도하였다.

도 6은 스퍼터 코팅된 나노포스트를 이용하여 생성된 복합된 계층적 3D 나노구조화된 표면 코팅을 나타낸다. 보이는 바와 같이, 생물학적 표면(예컨대 물을 튕겨내는 식물 잎, 물을 튕겨내고 선택적으로 압축하는 곤충 외피)과 유사하거나, 나노섬유를 가지거나, 나노볼을 가지는 계층적 구조가 생성된다.

도 7은 구조화된 표면에 생성하기 위해 금속 전극의 가시선(line-of-sight) 증착(예컨대 e-빔 증착법)에 의해 형성된 나노포스트를 이용하여 형성된 계층적 구조를 나타낸다. 도 7에서 보이는 바와 같이, 포스트 및 증착된 전도성 중합체의 불일치하는 열적 팽창으로 야기된 구조의 구부러짐으로 인해 이방성(anisotropy)을 갖는 초소수성 코팅층이 생성된다. 그러한 비대칭 구조는 생물학적 섬모와 밀접하게 유사하고, 액체의 직접적인 제어가 요구되는 응용분야, 가령 미세유체 통로에서의 추진 또는 유동 제어에서 유망하다.

실시예 2

다수의 에폭시 나노포스트를 실시예 1에 기술된 바와 같이 제조하였다.

낮은 농도의 아닐린을 이용하여 정렬된 나노섬유를 형성함으로써 폴리아닐린(PANi) 나노섬유를 형성하였다. 전형적으로, 0.02M 아닐린 용액을 산성 조건을 제공하는 1M HC10₄에서 제조하였고, 산화제인 과황산암모늄(APS)을 다양한 비율로 아닐린(아닐린/APS = 1 대 4)에 부가하였다. 초기 유도 기간 동안, 기판을 용액 위에 띄움으로써 기판을 배치하였다. 반응을 냉장기(<4℃)에서 24시간 내지 48시간 동안 유지하였다. 이어서 샘플을 탈이온수로 세정하고, 임계점 건조 또는 질소 송풍 건조에 의해 건조시켰다. 일부의 경우, 형판 표면을 건조기에서 24시간 동안 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로옥타트리클로로실란의 증기에 노출시켜 소수적으로 처리하였다.

종횡비가 높은 나노구조에 폴리아닐린 나노섬유를 직접 용액 증착하여 고도의 차수를 갖는 계층적 나노구조를 생성하였다. 다중계층적 구조를 수득하기 위해 전착 및 직접 용액 증착을 조합할 수 있다. 예를 들면, 도 8A에 나타난 바와 같이(특히 도 8A의 삽도 내 팁 부분의 고해상도 확대 영상), 조밀하게 적층된, 계층화 1D 나노섬유는 중합체 나노포스트 위에 전착될 수 있다. 그러한 구조는 압력 안정성, 초소수성 표면, 높은 표면적 전극 및 항균 표면을 위해 유익할 수 있다. 도 8B는 중합체 나노섬유가 나노포스트의 팁에만 선택적으로 증착된 것을 보여준다. 그러한 표면은 응축이 팁 부분에 선택적으로 집중될 것이기 때문에, 스팀 및 수증기의 제어 응축을 위해 사용될 수 있으며, 응집된 물방울은 쉽게 제거되고 수집될 수 있다. 도 7C는 접촉 표면적의 증가로 인해 잠재적으로 건조 접착제로서 유용할 수 있는 강모상(剛毛狀) 표면을 나타낸다. 도 7D는 초친수성 및 높은 표면적 코팅을 제공함으로써 슈퍼커패시터 및 배터리에 있어서 잠재적으로 고도의 다공성 및 고표면적 전극으로서 유용할 수 있는 전도성 중합체 나노섬유로 뒤덮인 다공성 역오팔 형판을 나타낸다.

코팅은 비습윤 상태의 안정성을 더욱 증가시키기 위해 둘 이상의 층의 거칠기를 사용하여 설계되고 제조될 수 있다. 예를 들면, 나노포스트 배열은 먼저 전기화학적으로 처리되어 두께 50 내지 100nm의 PPy의 구불구불한 나노 섬유 네트워크의 코팅을 생성하고, 이어서 10 내지 20nm 두께 및 ~50nm인 PANi의 짧은 나노섬유를 무전해 증착할 수 있다. 이를 통해 표면 거칠기를 더욱 증가시키고 코팅 층에 더 많은 오목한 굴곡을 생성할 수 있다.

그러한 구조가 1차, 2차 및 3차 구조를 갖는 계층적 구조의 SEM 영상을 보여주는 도 9에서 나타난다. 1차 구조는 5 내지 10nm 폴리아닐린 나노섬유이고, 2차 구조는 50 내지 150nm 폴리피롤 나노섬유이고, 3차 구조는 300nm 나노포스트 배열이다. 상기 영상에서, 3차 구조(300nm 나노포스트 배열)는 2차 구조(50 내지 150nm 폴리피롤 나노섬유)가 3차 구조를 덮고 있기 때문에 직접 볼 수가 없다. 게다가, 3차 구조는 상기 배율에서 쉽게 볼 수 없으나, 2차 구조의 표면으로부터 뻗어나간 작은 백색 스폿/피브릴로서 나타난다.

실시예 3

본 발명의 특정 구체예에 따른 계층적 구조의 비습윤 특성을 코팅에 대한 다양한 액체의 접촉각을 측정함으로써 검사하였다.

여러 가지 상이한 표면을 하기 언급된 바와 같이 제조하였다.

· NG는 "1차 구조"의 한 실시예로서 사각 배열로 배열된 단순 나노포스트("나노그래스(nanograss)")의 에폭시 복제물에 해당하며, 각각의 나노포스트는, 직경이 300nm이고 높이가 8㎛이며 나노포스트 사이의 분리 거리가 2㎛이다.

· Flat + PPy는 "1차 구조"의 또다른 실시예로서 표면 위에 무작위로 분포된 직경 50 내지 100nm의 섬유를 가지는 PPy 나노 섬유로 뒤덮인 편평한 에폭시 기판에 해당한다

· Flat + PANi는 "1차 구조"의 또 다른 실시예로서 에폭시 기판의 표면 위에 무작위로 분포된 직경 10nm의 PANi 나노섬유로 뒤덮인 편평한 에폭시 기판에 해당한다

· NG + PPy는 "1차 구조" 및 "2차 구조"의 한 실시예로서 상부에 직경 50 내지 100nm의 PPy 나노섬유가 무작위로 분포되어 장식된, 사각 배열로 배열된 나노포스트("나노그래스")의 에폭시 복제물에 해당하며, 각각의 나노포스트는, 직경이 300nm이고 높이가 8㎛이며 나노포스트 사이의 분리 거리가 2㎛이다.

· NG + PANi는 "1차 구조" 및 "2차 구조"의 두 번째 실시예로서 상부에 직경 10nm의 PANi 나노섬유가 무작위로 분포되어 장식된, 사각 배열로 배열된 나노포스트("나노그래스")의 에폭시 복제물에 해당하며, 각각의 나노포스트는, 직경이 300nm이고 높이가 8㎛이며 나노포스트 사이의 분리 거리가 2㎛이다.

도 10은 상기 기술된 상이한 구조에 대해 에탄올/탈이온수 비의 함수로서 접촉각을 나타낸다. 보이는 바와 같이, 계층적 "1차" 및 "2차" 구조(NG+PPy 및 NG+PANi로서 표시됨)를 가지는 구조는 물에서 더 많은 부피 백분율의 에탄올에 걸쳐 단지 "1차 구조"만 가지는 다른 구조보다 (더높은 접촉각에 의해 나타나는) 습윤에 대해 더 저항성이다.

도 10에 나타난 이들 결과가 표 1에 표 형태로 재현된다. 일반적으로, 측정된 접촉각이 나타난다. 특정한 경우에, 만약 초기에는 액적이 형성되나 접촉각 측정 과정 도중에 액체가 실온에서 점진적으로 가라앉고 기판을 적시면, 이러한 거동을 "동적 습윤"(즉시 표면을 적시는 "습윤"과 대조적으로)으로 분류하였다. 이론에 얽매이는 것을 바라지 않으면서, 상기 동적 습윤 거동이 에탄올의 증발 및 재응축으로 인해 발생하는 것이 가능할 수 있다. 높은 표면적을 갖는 계층적 구조에 있어서, 동적 습윤 거동이 높은 증기압을 갖는 액체에 대해 전형적으로 관찰되었다.

% 에탄올	NG	편평 + PPy	편평 + PANi	NG + PPy	NG + PANi
0	166	163	154	171	172
10	166	169	143	165	165
20	161	168	135	165	159
30	159	154	130	156	151
40	155	149	122	148	147
50	128	149	119	148	146
60	124	133	113	146	144
70	119	114	109	144	143
80	117	110	102	141	144
90	115	102	94	동적 습윤	141
100	습윤	71	70	동적 습윤	123

도 11은 100% 물, 30% 에탄올, 60% 에탄올, 80% 에탄올, 90% 에탄올, 100% 에탄올, 데칸 및 헵탄에 대해 기술된 다양한 상이한 표면에서의 접촉각을 나타낸다. 도 11에 나타난 결과가 표 2에서 하기 표 형태로 재현된다.

기판	물	30% 에탄올	60% 에탄올	80% 에탄올	90% 에탄올	1000% 에탄올	데칸	헵탄
NG	166	159	124	117	115	습윤	습윤	습윤
편평+PPy	163	154	133	110	102	71	74	53
편평+PANi	154	130	113	102	94	70	습윤	습윤
NG+PPy	172	156	146	142	동적 습윤	동적 습윤	124	104
NG+PANi	172	151	144	144	141	123	N/A	N/A

보이는 바와 같이, 1차 및 2차 구조(NG+PPy 및 NG+PANi) 둘 다를 가지는 계층적 표면은 일반적으로 측정된 모든 용매에 대하여 1차 구조만을 가진 구조에 비해 더 높은 접촉각을 가진다(30% 에탄올에 대한 NG는 단지 이례적임).

실시예 4

본 발명의 특정 구체예에 따른 계층적으로 구조화된 표면은 극도로 높은 강한 충돌을 견딜 수 있다. 빗방울의 최종 속도만큼 높은 속도로 (직경 4mm의 빗방울에 대해 9m/s) 표면에 충돌하는 액체 방울은 이들 표면으로부터 튕겨나오는 반면, "1차 구조"만 가지는 구조는 동적 습윤을 겪는다. 도 12는 고속 카메라로 촬영한 동영상에서 나온 스틸 샷으로, 상이한 유형의 표면에 충돌하는 물방울을 보여준다. 다음의 상이한 표면을 제조하였다:

하기 언급된 바와 같이 여러 가지 상이한 표면을 제조하였다.

· Flat은 편평한 에폭시 기판에 해당한다.

· Flat Si 상의 PANi nf는 "1차 구조"의 한 실시예로서 규소 기판의 표면 위에 무작위로 분포된 직경 10nm의 PANi 나노섬유로 뒤덮인 편평한 규소 기판에 해당한다.

· 에폭시 NG는 "1차 구조"의 한 실시예로서 사각 배열로 배열된 단순 나노포스트("나노그래스")의 에폭시 복제물에 해당하며, 각각의 나노포스트는 직경 300nm, 높이 8㎛ 및 나노포스트 사이의 분리 거리 2㎛를 가진다.

· 에폭시 NG + PANi nf는 "1차 구조" 및 "2차 구조"의 두 번째 실시예로서 상부에 10nm 직경의 PANi 나노섬유가 무작위로 분포되어 장식된, 사각 배열로 배열된 나노포스트("나노그래스")의 에폭시 복제물에 해당하며, 각각의 나노포스트는 300nm 직경, 8㎛ 높이 및 2㎛의 나노포스트 사이의 분리 거리를 가진다

· 에폭시 NG + PPy nf는 "1차 구조" 및 "2차 구조"의 한 실시예로서 상부에 직경 50 내지 100nm의 PPy 나노섬유가 무작위로 분포되어 장식된, 사각 배열로 배열된, 직경 포스트 300nm, 높이 8㎛ 및 분리 거리 2㎛를 가지는 나노포스트("나노그래스")의 에폭시 복제물에 해당한다.

도 12에 나타난 바와 같이, 충돌시(P=8kPa), 물은 표면이 "1차 구조"만 ("편평한 Si상의 PANi nf" 및 "에폭시 NG"로 표시됨) 가지든 "1차 및 2차 구조"의 조합("에폭시 NG + PANi nf" 및 "에폭시 NG + PPy nf"로 표시됨)을 가지든 상관없이 퍼진다. 물이 표면으로부터 다시 모일 때, 편평한 에폭시 및 단지 "1차 구조"만 가지는 표면("편평한 Si상의 PANi nf" 및 "에폭시 NG"로 표시됨)은 모두 바람직한 캐시 상태를 잃어버리고, 웬젤 상태로 전이되며, 이것이 물을 표면에 붙게 한다. 그와 반대로, "1차 및 2차 구조"의 조합을 가지는 표면("에폭시 NG + PANi nf" 및 "에폭시 NG + PPy nf"로 표시됨)은 높은 충격에서도 물의 튕겨냄을 허용하는 캐시 상태를 유지할 수 있다.

실시예 5

코팅을 스크래치한 이후 전도성 중합체를 함유하는 용액에 코팅을 노출시킴으로써 회복 능력을 검사하였다. 손상되지 않은 구역은 향상된 발수성을 유지하며 전도성 유기 중합체를 함유하는 용액은 손상되지 않은 구역의 표면을 습윤시키지 않았다. 그와 반대로, 손상된 구역은 용액에 습윤되며, 이는 전극의 접촉을 허용하였다. 전도성 나노섬유를 성장시키기 위해 필요한 전류의 인가시, 처리된 표면은 발수성을 향상시켰다.

신규한 전도성 유기 중합체의 증착은 전기화학적 증착(전압의 인가에 의함)이나 직접 용액 증착에 의해 성취될 수 있다. 도 13A에 나타난 바와 같이, 나노포스트 및 중합체 나노섬유의 계층적 구조를 가지는 표면을 표면 스크래치에 의해 손상시켰다. 도 13B는 손상되지 않은 구역을 확대한 SEM 영상을 나타내는 반면, 도 13C는 손상된 구역을 확대한 SEM 영상을 나타낸다. 전체 표면을 이후 전도성 유기 중합체를 함유하는 용액에 노출하였고, 상기 기술된 조건으로 처리하여 중합체 나노섬유를 성장시켰다. 손상되지 않은 부분에서 나노섬유의 증착은 관찰되지 않았는데, 가능하게는 전도성 유기 중합체를 함유하는 용액의 비습윤 효과 때문이다. 그와 반대로, 도 13D에 나타난 바와 같이, 손상된 구역은 국부적인 습윤 및 손상된 구역에만 나노섬유가 성장하는 부분적 복구를 겪었다.

실시예 6

2차 구조(또는 더 높은 차수의 구조)는 이들이 충격 및 스크래치에 대해 향상된 기계적인 강도를 나타내도록 설계할 수 있다.

시판되는 UV 경화성 에폭시 수지(UVO 114, Epotek)를, 양각 복제물을 제조하기 위해 모 구조의 음각을 내포하는 PDMS 주형에서 주조하였다. 원래의 Si 마스터(master)를 보슈(Bosch) 공정에 의해 제조하였고 따라서 HAR 나노구조는 에폭시 복제물에 정확하게 재현된 특징적인 구부러진 측벽("물결 모양")을 나타냈다. 두께 100nm의 금 또는 백금 층을 이후 상기 에폭시 모 구조에 스퍼터 코팅 또는 전자빔 증착에 의해 증착하였다. 금속 층은 전형적인 3 전극 구성을 가지는 전기화학 전지에서 작동 전극으로서 기능하였고; 정전위 조건(0.5V 내지 0.7V 대 Ag/AgCl 기준 전극)하에서 0.1M 피롤(Py)과 0.1M NaDBS를 함유하는 수용액으로부터 PPy를 전기화학적으로 증착하였다. PPy 증착을 또한 필름 두께 및 표면 거칠기를 모니터하기 위해 편평한 기판 위에 수행하였다. PPy 증착의 속도는 전착의 전압을 변화시킴으로써 제어할 수 있고, 적어도 20분의 기간에 걸쳐서 일정하게 유지할 수 있으며; 전압의 정밀한 제어는 수득되는 HAR 구조의 크기 및 모양의 상응하는 제어를 가능하게 한다.

보강된 2차 구조의 포스트 배열의 실시예가 도 14a 및 도 14b에 나타난다. 도 14a에 나타난 바와 같이, 각각의 마이크로포스트의 기저 부분의 직경을 다양한 두께의 PPy를 증착하여 증가시켰다. 0.1M NaDBS과 0.1M 피롤을 함유하는 수용액에서 전착을 수행하였다. 증착 전압은 약 0.65V였다. 이러한 특정 실시예에서, 각각의 마이크로포스트의 방향을 따라 정렬된 증발 공급원으로부터 가시선 증착에 의해 금속 전극을 증착시켰다. 물결 모양(측벽 주름)의 존재로 인해, 각 포스트의 측벽 상의 전극은 일련의 구분된 고리를 형성한다. PPy의 전착이 하부 표면으로부터 일어나면서, 이들 고립된 고리 전극이 갓 증착된, 전도성 PPy 필름에 의해 전기적으로 가교된다. 그 결과, 기저 부분은 상부보다 두꺼운 PPy 층을 가지고 원통형 포스트를 원뿔형 포스트로 전환시켜 그의 기계적 특성을 보강한다. 도 14b는 원래의 나노포스트에 비하여 더 두꺼운 기저 영역을 가지는 나노포스트의 상대적 기계적 안정성을 비교한다.

보강된 2차 구조의 또 다른 실시예가 도 15A 내지 도 15E에 나타난다. Y-모양의 마이크로포스트의 배열을 입체적 PPy 증착 이후 균일하게 증가된 두께에 의해(도 15A), 또는 단계 II 이후 증가된 기재 두께(도 15A)에 의해 강화하였다. 후자의 경우, 상기 구조는 수평으로 좁아지고 굽힘 응력에 버티도록 하부에 증가된 너비를 갖는다. Agilent G200 나노압입 시스템을 이용하여 원래의 Y-마이크로포스트 구조(도 15C, 좌측) 및 증가하도록 보강된 마이크로 구조의 구조적 변형을 비교하였다. 10mN 나노압입은 표준 베르코비치(Berkovich) 팁을 이용하여 적용하였다. 도 15C는 Y-구조의 적은 뒤틀림이 우측 영상에서 분명한 반면(보강된 구조), Y-구조의 상당한 뒤틀림이 좌측 영상에서 분명한 것으로서, 구조가 보강되면서 크게 감소된 영구적 변형을 나타낸다. 도 15D 및 도 15E는 원래의 Y-마이크로포스트(도 15D) 및 보강된 Y-마이크로포스트(도 15E)의 에폭시 복제물의 구조적 반응을 모델링하기 위한 유한 요소 방법(FEM) 가상화를 나타낸다. 4㎛의 팔 길이 및 1㎛의 너비를 갖는 5㎛ 높이의 원래의 Y-마이크로포스트 구조를 COMSOL FEM 소프트웨어를 이용하여 모델링하였다. 좁아지는 Y-마이크로포스트 구조는 하부에서 2㎛ 너비였고 상부에서 1㎛까지 좁아졌다. UV-경화된 에폭시 수지의 물질 특성을 이용하여, 균일하게 분포된 100MPa의 압축 하중을 양쪽 구조에 대해 가정하였다. 상기 가상화의 결과는 좁아진 마이크로포스트 구조가 원래의 Y-마이크로포스트에 비해 최대 유도 응력에서 두 배 감소를 나타냄을 보여준다.

게다가, Y-모양의 마이크로포스트의 배열은 2차 구조를 변화시키기 위해 성취될 수 있는 모양 진화의 특징적 양상의 범위를 보여준다. 다른 특성 중에서도, 이것은 구분된 컬럼을, 신규하고 상이한 2차 구조로서 사용될 수 있는 상호연결된 벽을 가진 독립 기포 구조로 전환시키는 좋은 예시를 제공한다.

실시예 7

Al 1100 합금을 냉장기 코일로부터 잘라내고 유압 압축기를 이용하여 편평하게 하고, 이후 15분 동안 초음파 욕(bath) 중의 아세톤 속에서 세정하였다. 도 16a는 Al 1100 합금 표면의 SEM 영상을 나타낸다.

1차 및 2차 구조 모두를, 본 실시예에서 "1차 층"으로 지칭되는 단일 층으로 제공하는 조건하에서 폴리피롤의 전기화학적 증착을 수행하였다. 1차 층을 증착하기 위해, 탈이온수 내 0.1 M 피롤, 0.1 M 도데실벤젠설폰산, 및 나트륨 염 (SDBS)을 함유하는 전착 욕을 제조하였다.

피롤을 알루미나 컬럼을 통해 여과하여 정제하고 즉시 사용하였다. SDBS의 pH가 염기성인 것으로 나타날 경우, 증착이 매우 느려지고 Al 1100 합금에서 불균일하게 되므로, 0.1M SDBS의 pH를 약산성(pH ~6.52)으로 만들었다.

정전위 장치(potentiostat)를 이용하는 전착을 위해 표준 3 전극 구성을 사용하였다. 은/염화은(NaCl로 포화됨) 기준 전극을 사용하였다. 넓은 표면적의 백금 전극(10cm × 10cm, 100메쉬)을 상대 전극으로 사용하였다. 균일한 코팅을 얻기 위해 고표면적의 상대 전극을 갖는 것이 중요하다. 균일한 증착을 위해 일정하게 교반되는 증착 욕을 가지는 것이 또한 중요하다. 기타 유형의 상대 전극 (예컨대 백금 도금된 티타늄 메쉬)을 상대 전극으로서 사용할 수 있다. 또한 상대 전극과 기준 전극이 주된 증착 욕에서 분리되어야 하는 경우, 염 다리(salt bridge)를 사용할 수 있다.

세정된 기판을 증착 욕에 침지시켰다. Al 기판을 10분 동안 침지시킨 후, 0.9 내지 1.0V 대 Ag/AgCl의 일정한 전위를 0 내지 600초 동안 인가하여 전착을 수행하였다(즉, 시간대전류법). 1차 층의 전착 후에, 기판을 탈이온수로 세정하고, 공기를 송풍하여 건조시켰다.

상대 전극을 용기의 굴곡을 따라 수직으로 배치하였다. 기판이 수직으로 배치되는 경우, 증착은 상대 전극에 마주하는 표면에서 발생하고, 이어서 뒷면에서 발생한다. 기판이 수평으로 배치되는 경우, 증착은 하부 표면에서 발생하고, 이어서 상부 표면에서 발생한다.

도 16b는 1차 층의 SEM 영상을 나타낸다. 보이는 바와 같이, 증착된 1차 층은 각각의 돌기 표면(1차 구조) 위에 다수의 미세 규모의 돌출부와 함께, 다수의 돌기(2차 구조)를 포함한다. 도 16b에서 한 가지 예시적인 돌기가 백색 원으로 강조되고, 한 가지 예시적인 돌출부가 백색 화살표로 표시된다. 그러므로, 1차 구조와 2차 구조 모두를 적절한 전착 조건을 선택하여 동시에 증착하였다.

2차 전기화학적 증착을 수행하였다. 2차 전착 욕은 0.2M 인산염 완충제(pH = 6 내지 7), 0.01 내지 0.1M 과염소산염(예컨대 LiC10₄) 용액 및 탈이온수 내 0.08 내지 0.1M 피롤을 함유하였다. 사용 전에 용액을 통해 질소 기포를 발생시켰다. 일부의 경우, 추가적인 판형 물질을 부가할 수 있다(예컨대 용해성 전분, 헤파린, 폴리스티렌설폰 등).

2차 전착 욕을 이용하여 Al 1100 표면에 직접 증착하는 것은, 피롤 단량체가 산화되어 중합될 수 있기 전에 양극(작동 전극)의 알루미늄이 산화되므로 불가능하다는 것에 주의해야 한다. 산화된 알루미늄(알루미늄 이온)은 인산 음이온과 반응하는 경향이 있고, 이는 Al 전극의 표면 위에 백색 침전 염을 야기한다. 그러나, 상기 기술된 1차 층을 가지는 Al 1100에 대해 동일한 조건을 이용하여 전착을 수행하면, 폴리피롤의 2차 층이 성공적으로 증착되어, 1차 층 위에 나노피브릴을 형성한다. 도 16c는 1차 층 위에 형성된 폴리피롤 나노피브릴 구조의 SEM 영상을 나타낸다.

2차 욕에서 피롤 단량체의 농도가 0.12M까지 증가하면, 더 낮은 밀도의 나노 섬유를 따라 환상형(toroid) 모양의 형태학이 형성된다. 게다가, 도 16d에 나타난 바와 같이, 다수의 미세 규모의 돌출부가 또한 존재한다. 따라서, 상기 기술은 1차, 2차 및 3차 구조가 모두 단일 공정에서 형성될 수 있음을 예시한다.

실시예 8

실시예 7로부터의 모든 샘플을, 샘플을 24시간을 초과하여 진공 건조기 내에서 소형 바이알에 배치한 몇 방울의 헵타데카플루오로-l,l,2,2-테트라하이드로옥틸 트리클로로실란과 함께 배치하여 플루오르화하였다.

플루오로실란화 후에, 하기 표 3에 나타난 바와 같이 접촉각 고니오미터(goniometer)를 이용하여 각각의 샘플상에서의 탈이온수의 정적 접촉각을 측정함으로써 샘플의 소수성을 시험하였다.

샘플	순수 알루미늄	1차 욕 이후	2차 욕 이후
접촉각	~ 110°	~ 130°	＞150°

자체제작한 습도 및 온도-제어 챔버에서 얼음/서리 형성 시험을 수행하였다. 45°의 경사각을 갖는 열전(thermoelectric) 냉각기에서, 열 전도성 페이스트를 이용하여 샘플을 고정하였다. RH = 60%를 유지하기 위해 습도를 능동적으로 제어하였다. 안정한 습도에 도달한 후에, 샘플의 온도를 5℃로 설정하였다. 상기 지점으로부터, 샘플을 2℃/min씩 -20℃까지 냉각시키면서 동영상 파일을 기록하였다.

도 17은 다음의 상이한 샘플에 대해 기록된 영상으로부터의 일련의 스틸 프레임 캡쳐를 보여준다. 샘플 A는 폴리피롤의 나노피브릴와 함께(도 16c를 참조) 콜리플라워-유사 형태학(돌기 및 상기 돌기에서 연장된 돌출부)을 가지는 폴리피롤로 코팅된 Al 1100 합금에 해당한다. 샘플 B는 플루오로실란으로 코팅된 순수한 Al 1100 합금에 해당한다. 샘플 C는 콜리플라워-유사 형태학(돌기 및 상기 돌기에서 연장된 돌출부)(도 16b를 참조)을 가지는 폴리피롤로 코팅된 Al 1100 합금에 해당한다. 샘플 D는 순수한 Al 1100 합금에 해당한다. 마지막으로, 샘플 E는 콜리플라워-유사 형태학(돌기 및 상기 돌기에서 연장된 돌출부) 및 그 위에 환상형 모양 물질(도 16d를 참조)을 가지는 폴리피롤로 코팅된 Al 1100 합금에 해당한다. 보이는 바와 같이, 계층적으로 구조화된 표면 코팅(샘플 A, C 및 E)은 코팅되지 않은 Al 기판에 비해 서리 형성을 상당하게 방지한다. 더 상세하게는, 서리 형성이 PPy 코팅을 갖는 샘플에서 상당히 지연되고, 서리 축적은 감소된다(콜리플라워-코팅된 샘플에서 가장 현저한 감소가 관찰됨). 또한 PPy-코팅된 샘플에서의 서리 형성이 샘플의 모서리에서 주로 발생함에 유의하라(여기서 서리는 주변 물질에 부착되고 이어서 시험 구역에 코팅된다).

본 발명의 상세한 설명 및 구체예의 검토를 통해, 당해 분야의 숙련가는 본 발명을 수행하는 데 있어서 본 발명의 핵심에서 벗어나지 않고 변형 및 균등한 치환이 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 상기에 명시적으로 기술된 구체예에 제한되는 것으로 이해되지 않는다.

Claims (31)

1차 구조와 2차 구조를 포함하고, 상기 2차 구조는 기판 위에 배치되고 상기 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치되는 기판,
나노규모의 크기를 가지는 하나 이상의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조 및
크기가 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 하나 이상의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조를 포함하며,
상기 1차 구조와 2차 구조는 1차 구조 또는 2차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공하는 제품.

청구항 1에 있어서, 상기 1차 구조가 다수의 돌기를 포함하고, 상기 2차 구조가 상기 돌기의 표면으로부터 연장되는 다수의 돌출부를 포함하는 제품.

1차 구조, 2차 구조 및 3차 구조를 포함하고, 상기 3차 구조는 기판 위에 배치되고 상기 2차 구조는 상기 3차 구조의 적어도 일부 위에 배치되며 상기 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치되는 기판,
나노규모의 크기를 가지는 하나 이상의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조,
크기가 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 하나 이상의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조 및
크기가 상기 2차 특징적 형상의 크기보다 큰 하나 이상의 3차 특징적 형상을 가지는 3차 구조를 포함하고,
상기 1차 구조, 2차 구조 및 3차 구조는 1차 구조, 2차 구조 또는 3차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공하는 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조가 기판의 적어도 일부 위에 배치되는 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 1차 특징적 형상의 크기가 수십 나노미터인 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조가 다수의 나노섬유, 막대, 나노입자, 나노볼, 돌출부 또는 이들의 조합을 포함하는 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 구조 또는 3차 구조가 다수의 포스트, 벌집, 벽돌, 돌기 및 이들의 조합을 포함하는 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 구조 또는 3차 구조가 다수의 돌출된 구조를 포함하며, 돌출된 구조의 하부는 크기가 돌출된 구조의 상부보다 큰 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 액체가 물, 알코올, 오일 또는 이들의 혼합물인 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조 및 2차 구조 중 하나 이상이 손상 후에 복구 가능한 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 실질적으로 비평면(non-planar)인 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조가 전도성 중합체를 포함하는 제품.

전술된 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 계층적 구조가 전해질 용액 속에서 전압을 인가한 후에 작동하는 섬모상 구조를 형성하는 제품.

청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 계층적 구조가 디스플레이, 전극, 광학 물질, 터빈, 항균성 표면, 또는 분리막을 위한 코팅을 형성하는 제품.

기판을 제공하는 단계,
나노규모의 크기를 가지는 하나 이상의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조를 제공하는 단계 및
크기가 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 하나 이상의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 2차 구조는 상기 기판 위에 배치되고, 상기 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치되며,
상기 1차 구조와 2차 구조는 1차 구조 또는 2차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공하는 방법.

청구항 15에 있어서, 상기 1차 구조가 다수의 돌기를 포함하고, 상기 2차 구조가 상기 돌기의 표면으로부터 연장되는 다수의 돌출부를 포함하는 방법.

기판을 제공하는 단계,
나노규모의 크기를 가지는 하나 이상의 1차 특징적 형상을 가지는 1차 구조를 제공하는 단계,
크기가 상기 1차 특징적 형상의 크기보다 큰 하나 이상의 2차 특징적 형상을 가지는 2차 구조를 제공하는 단계 및
크기가 상기 2차 특징적 형상의 크기보다 큰 하나 이상의 3차 특징적 형상을 가지는 3차 구조를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 3차 구조는 상기 기판 위에 배치되고, 상기 2차 구조는 상기 3차 구조의 적어도 일부 위에 배치되며, 상기 1차 구조는 상기 2차 구조의 적어도 일부 위에 배치되고,
상기 1차 구조, 2차 구조 및 3차 구조는 1차 구조, 2차 구조 또는 3차 구조 단독보다 향상된 습윤 특징의 제어를 제공하는 방법.

청구항 15 내지 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조가 기판의 적어도 일부 위에 배치되는 방법.

청구항 15 내지 18 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 1차 특징적 형상의 크기가 수십 나노미터인 방법.

청구항 15 내지 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조가 다수의 나노섬유, 막대, 나노입자, 나노볼, 돌출부 또는 이들의 조합을 포함하는 방법.

청구항 15 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 액체가 물, 알코올, 오일 또는 이들의 혼합물인 방법.

청구항 15 내지 21 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조 및 2차 구조 중 하나 이상이 손상 후에 복구되는 것을 추가로 포함하는 방법.

청구항 15 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 구조와 2차 구조를 동시에 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.

청구항 15 내지 23 중 어느 한 항에 있어서, 2차 구조 또는 3차 구조를 개질하여 향상된 기계적 안정성을 제공하는 것을 추가로 포함하는 방법.

청구항 24에 있어서, 상기 2차 구조 또는 3차 구조가 다수의 돌출 구조를 포함하며, 돌출된 구조의 하부는 크기가 돌출된 구조의 상부보다 큰 방법.

청구항 1 내지 14 중 어느 한 항의 제품을 제공하는 단계 및
상기 제품을 물질에 노출시키는 단계를 포함하는, 물질의 접근을 막는 방법.

청구항 26에 있어서, 물질이 액체인 방법.

청구항 26에 있어서, 액체가 수성인 방법.

청구항 26에 있어서, 액체가 유기성인 방법.

청구항 26에 있어서, 물질이 고체인 방법.

청구항 26에 있어서, 고체가 얼음, 서리 또는 눈인 방법.

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