알루미늄 소재의 자가세정능 부여를 위한 표면 개질 방법 document_id A220623035388

독일의 식물학자 Barthlott Wilhelm은 여러 식물 잎의 표면을 전자 현미경으로 관찰하여 표면의 요철이 심할수록 물을 밀어내는 성질이 강하며, 발수성 요철구조의 표면은 표면 상의 오염물이 물방울만으로도 쉽게 세정되는 자기 세정력(self-cleaning)을 가지는 것을 발견하였다. 연꽃 잎 등의 식물 잎에서 나타나는 자가세정 현상을 연꽃잎 효과(Lotus effect)라고 명명하였다(Neinhuis C, Barthlott W, “Charaterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces”, Annals of Botany(1997), 79, 667-677). 자연계에서 나타나는 이러한 현상의 원인은 잎의 표면에 소수성의 특성을 지닌 epicuticular wax로 코팅되어 있다는 점과 마이크로미터 내지 나노미터 사이즈의 돌출된 구조물 형태로 표면이 이루어져 있다는 점을 들 수 있다. 이러한 표면구조는 건축물, 자동차, 기차, 선박 등의 표면에 적용할 경우 쉽게 미세 먼지 등을 제거할 수 있으며, 물방울 자체가 표면에 접촉하지 않으므로 표면의 부식을 원천적으로 차단시킬 수 있어 외장재의 수명을 거의 영구적으로 연장시킬 수 있다. 또한, 반도체 공정 기술의 발전에 따라 인공적으로 표면에 마이크로미터 단위의 구조물을 제작하여 이러한 표면에서도 연꽃잎 효과가 나타남을 관찰한 바 있으며 최근에는 마이크로 단위를 넘어 나노미터 단위의 가공기술이 개발됨에 따라 이를 이용한 연꽃잎 효과에 대한 연구가 이루어지고 있다. 다만, 이러한 요철 구조는 크기가 작아질수록 요철구조의 강도가 약해지는 단점이 있고 크기를 감소시키는 것이 어려워 자가 세정력을 향상시키는 것이 용이하지 않다. 한편, 어떤 표면이 연꽃잎 효과를 나타내기 위해서는 다음과 같은 조건이 성립되어야 하는 것으로 알려져 있다. 첫째, 표면의 접촉각이 150°를 넘어야 한다. 둘째, 동적 접촉각에서 전진각과 후퇴각의 차이가 최소화되어야 한다. 금속소재에 양극을 가하고 용액에 음극을 가해서 금속소재에 산화피막을 입히는 표면처리를 양극산화라고 한다. 입혀진 산화피막은 산화피막의 종류에 따라서 내식성, 내구성, 접착성 등을 좋게 한다. 또한 용액은 붕산, 인산, 황산, 크롬산 을 사용하고 있다. 피막의 표면이 울퉁불퉁하기 때문에 표면을 봉공처리하여 내식성을 좋게 하거나 그 표면에 염색액을 넣어 양극 피막을 다양하게 착색하기도 한다. 이러한 양극 산화방법(애노다이징)은 가전제품, 기계부품 등에 장식용 피막처리로 사용되거나, 옥외의 심한 환경에서 내후성이 요구되는 건축용 제품에 사용되거나, 항공기 부품 등 내식성이 요구되는 제품에 사용되고 있다. 양극산화의 가장 대표적인 소재는 Al이고 그 외에 Mg, Zn, Ti, Ta, Hf, Nb 의 금속 소재상에도 애노다이징 처리를 하고 있다. 알루미늄의 표면처리 방법중의 하나로 양극산화가 있으며, 양극산화를 통하여 표면에 규칙적인 나노미터 단위 구조물을 가진 양극산화 알루미늄을 형성시킬 수 있고 산업적으로도 상당히 많은 응용이 이루어지고 있다. 그리고 양극산화는 상대적으로 간단한 전기화학 반응으로 알루미늄 표면상에 단단하고 투명한 산화피막을 형성시킬 수 있다.