방법 논문

실란 코팅 나노다공성 구조를 기반으로 한 미끄러운 표면을 위한 광유도 패터닝 및 그래프트

DOI:

10.3791/69270

⸱

2025년 11월 14일

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 실란 코팅된 나노다공성 표면에 순차적 디지털 패터닝 및 그라프팅을 통해 미끄러운 3차원 구조를 제작하기 위한 빛 유도 방법을 제시합니다. 이 접근 방식을 사용하면 미끄러운 영역의 공간적으로 제어된 형성이 가능해 패턴화된 액체 발수성과 계면 미끄러움의 정량적 분석이 가능하며 유체 조작 및 표면 공학에 적용됩니다.

초록

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 디지털 광 처리(DLP) 및 중합 유도 상 분리를 통해 공간적으로 패턴화된 미끄러운 표면을 제작하기 위한 광 유도 방법을 설명합니다. 광경화성 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 수지를 수용성 포로겐(PEG-200)과 혼합하고 DLP 프로젝션 시스템을 사용하여 자외선(UV)에 선택적으로 노출시킵니다. 이 공정은 폴리머 가교와 다공성 상 분리를 동시에 유도합니다. 다공성 제거 후에도 나노다공성 구조가 남아 있으며, 이는 UV-오존 활성화 및 기상 실란화를 통해 화학적으로 변형되어 소수성을 향상시킵니다. 그런 다음 실리콘 오일을 주입하고 다파장 UV 광선을 사용하여 표면에 공유 접목하여 안정적인 폴리디메틸실록산(PDMS) 브러시 층을 형성합니다. 생성된 표면은 강한 액체 발수성, 낮은 접촉각 히스테리시스 및 높은 광학 투명성을 나타냅니다. 찻윤성은 물, 옥탄가, 꿀 및 인공 인간 타액에 대한 접촉각 및 히스테리시스 측정을 사용하여 정량적으로 평가됩니다. 이 방법은 수성 물방울을 미끄러운 영역에서 처리되지 않은 친수성 영역으로 향하게 하여 잘 정의된 액체 패턴을 형성함으로써 선택적 미끄러움을 가능하게 합니다. 이 접근 방식은 유연한 기판에서 고해상도, 마스크리스 제작을 지원하고 미세유체공학, 액적 수송, 물 수확 및 생의학 기기의 응용 분야를 위한 확장 가능한 패터닝을 지원합니다.

서론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

미끄러운 액체 주입 다공성 표면(SLIPS)1은 미세 또는 나노 구조의 고체 프레임워크 2,3 내에 윤활유를 잠그어 광범위한 액체를 밀어내는 생체에서 영감을 받은 인터페이스입니다. 연꽃에서 영감을 받은 초소수성 표면4과 달리 SLIPS는 안정화된 액체-액체 인터페이스를 사용하여 물방울이 최소한의 마찰로 이동할 수 있도록 합니다. 그들은 전소성, 낮은 접촉각 히스테리시스 및 모세관 유도 윤활유 재분배에 의해 구동되는 자가 치유 3,5 거동을 나타냅니다6. 이러한 특성으로 인해 SLIPS는 미세유체공학 7, 방오 6,8, 결빙 방지 9,10,11, 물 수확 12,13,14 및 자체 청소 표면 15의 응용 분야에 매력적입니다.

그러나 SLIPS를 기하학적으로 복잡하거나 공간적으로 패턴화된 표면으로 확장하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 포토리소그래피(16,17), 아노다이징(18), 겔화(6,19) 및 전기방사(20)과 같은 다공성 스캐폴드에 대한 기존 제조 기술은 시간이 많이 걸리고 여러 처리 단계가 필요합니다. 표준 3D 프린팅 접근 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling)21,22는 다공성 폴리머를 인쇄하고 윤활제를 주입하여 SLIPS를 만드는 데에도 사용되었습니다. FDM은 접근성이 더 높지만 점별 증착이 느리고 해상도가 제한되어 있어 미세한 표면 기능이나 넓은 면적 패턴을 효율적으로 제작하기가 어렵습니다. 더욱이, 이러한 기술로 생산된 SLIPS는 일반적으로 균일하게 미끄럽기 때문에 선택적 액체 제어가 필요한 응용 분야에서의 유용성이 제한됩니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 디지털 광 처리(DLP)23을 사용하여 패턴화된 미끄러운 표면을 제작하기 위한 광 유도 방법이 도입됩니다. DLP를 사용하면 설계된 이미지를 광경화 재료에 빠르게 고해상도로 투사할 수 있습니다. DLP와 중합 유도 상 분리를 결합하면 윤활유 유지 능력을 갖춘 나노다공성 미세 구조가 형성됩니다. 광경화성 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 수지를 수용성 다공제와 혼합하고 패턴화된 자외선(UV)에 노출시켜 가교 및 다공성 상분리를 유도합니다. 후속 세척은 다공성 물질을 제거하고 다공성 매트릭스를 남깁니다.

그 후 표면은 소수성을 향상시키기 위해 옥타데실트리클로로실란(OTS)으로 실란화되고24 실리콘 오일이 주입됩니다. 짧은 UV 노출은 폴리디메틸실록산(PDMS) 브러시 층 6,19,25를 기판에 공유 접목하여 윤활제를 화학적으로 고정하고 장기적인 계면 안정성을 향상시킵니다. 정적 접촉각, 접촉각 히스테리시스, 슬라이딩 각도, 슬라이딩 속도 및 광학 투과율을 포함한 제작된 표면의 특성을 정량적으로 평가합니다. 또한, 액체 패터닝 테스트는 물방울을 처리되지 않은 영역으로 안내하여 선택적 미끄러움을 보여줍니다. 이 작업에서는 DLP를 통한 광유도 패턴 SLIPS 제작이 도입되어 복잡한 포토리소그래피, 아노다이징 또는 겔화 없이 미끄러운 도메인의 공간적 제어가 가능합니다. 설계된 나노다공성 표면에 광유도 접목을 통해 윤활제를 화학적으로 결합함으로써, 제안된 방법은 미세유체공학13, 물 수확 시스템 12,13,14 및 생체의학 장치26,27에서 선택적 액적 조작에 적합한 고해상도의 안정적인 미끄러운 표면을 생성합니다.

프로토콜

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

참고: 이 프로세스의 개략적인 개요는 그림 1에 나와 있습니다. 본 연구에 사용된 재료와 장비는 재료표에 나와 있습니다.

1. 나노다공성 표면

  1. 광경화성 PUA 수지와 폴리에틸렌 글리콜-200(PEG-200)을 포로겐으로 50wt%의 중량비로 혼합합니다. 마그네틱 교반기를 사용하여 혼합물을 500rpm에서 5분 동안 저어줍니다.
  2. 혼합 용액을 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름에 고착성 물방울로 분배합니다. 플루오로화 에틸렌 프로필렌(FEP) 필름으로 물방울을 덮고 롤 투 플레이트 시스템(28 )으로 균일한 압력을 가하여 균일한 퍼짐을 보장합니다.
  3. PUA 수지를 180mJ/cm2의 에너지 선량으로 UV 광선(365nm)에 노출시켜 중합을 유도합니다. 경화 후 FEP 필름을 제거합니다.
  4. 경화된 시편을 탈이온(DI) 물에 1시간 동안 담가 미반응 PEG-200을 추출합니다. 다공성 샘플을 70°C 오븐에서 1시간 동안 건조시켜 잔류 물을 제거하고 나노다공성 표면의 제조를 마무리합니다(그림 2).
    참고: 건조 후 희끄무레하고 무광택 모양은 PEG-200이 완전히 제거되고 나노 기공이 존재함을 나타냅니다.

2. OTS 처리 표면

  1. 25mW/cm2의 UV 강도로 185nm 및 254nm 파장에서 20분 동안 UV 오존 처리를 수행하여 OTS 자체 조립 단층(SAM) 형성을 위한 전처리로 표면에 수산기를 도입합니다. 이 공정은 실온 및 대기압의 표준 실험실 주변 조건에서 수행합니다.
    주의: UV 오존 처리는 185nm 및 254nm UV 광선에 노출되면 오존(O3)과 활성 산소종(ROS)을 생성합니다. 이러한 부산물은 인체 건강에 해롭고 호흡기를 자극할 수 있습니다. UV 오존 시스템이 기능적인 배기 또는 연기 추출 시스템에 연결되어 있는지 확인하십시오.
    20분 이상 UV 오존에 장기간 노출되면 폴리머 표면이 손상되고 구조적 변형이 발생할 수 있습니다.
  2. 질소로 채워진 글러브 박스 안에 핫 플레이트를 놓습니다. 깨끗한 비커를 핫 플레이트 위에 놓고 1mL의 OTS 용액을 비커 바닥에 고착성 물방울로 분배합니다.
    주의: 옥타데실트리클로로실란은 수분과의 반응성이 높으며 가수분해 시 부식성 염화수소(HCl) 가스를 생성합니다. 피부, 눈, 호흡기를 자극할 수 있습니다. OTS는 질소로 채워진 글러브 박스에서만 취급하고 장갑, 보안경, 실험실 가운을 포함한 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용하십시오.
  3. PET 필름 표본을 유리 슬라이드에 고정합니다. 슬라이드를 뒤집어 비커 위에 뒤집어 놓아 OTS의 기상 증착을 수행합니다. 설정을 120°C에서 40분 동안 가열합니다.
    알림: 과도한 가열이나 장기간 노출로 인해 OTS를 과도하게 코팅하면 표면 결함이 발생할 수 있습니다.
  4. 글러브 박스에서 표본을 제거하고 보푸라기가 없는 물티슈를 사용하여 비커를 청소합니다.
    알림: 비커를 제대로 청소하지 않으면 잔류 OTS가 굳어져 흰색으로 나타나 반복 처리 조건에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 빛 유도 접목

  1. OTS 코팅된 표면에 25mW/cm2의 UV 강도로 185nm 및 254nm 파장에서 20분 동안 UV 오존 처리를 수행하여 PDMS 브러시 층의 공유 접목을 위한 전처리 단계로 수산기를 도입합니다. 이 공정은 실온 및 대기압의 표준 실험실 주변 조건에서 수행됩니다.
    참고: 이 단계는 매우 중요합니다. 수산기 활성화가 없으면 PDMS 브러시 층이 형성되지 않고 미끄러운 계면이 형성되지 않습니다.
  2. 균일한 코팅을 보장하기 위해 고착성 액적 증착을 통해 10cS 실리콘 오일 20μL/cm 2를 표면에 도포합니다.
  3. 표면에서 15cm 위에 위치한 고강도 UV 램프로 표본을 15분 동안 조사합니다. 207nm(149mW/cm2), 214nm(155mW/cm2), 296nm(125mW/cm2), 317nm(93mW/cm2) 및 321nm(89mW/cm2)에서 두드러진 피크를 특징으로 하는 다중 파장 소스를 사용합니다. 조사는 열을 발생시키고 기판은 103.3 ± 5.2°C에 도달하여 공유 브러시 형성을 촉진합니다.
    주의 : 고강도 UV 조사 중에 실리콘 오일은 고온(>100°C)에 도달할 수 있습니다. 실리콘 오일 자체는 급성 독성이 낮지만 오일 미스트를 흡입하면 호흡기 자극을 유발할 수 있습니다. 온도가 높으면 휘발성이 증가하며, 환기가 잘 되지 않거나 밀폐된 공간에 장기간 노출되면 건강에 위험을 초래할 수 있습니다. 자외선 차단 고글을 착용하고 오존을 배출하기 위해 적절한 배기 환기를 보장하십시오. 열과 UV 노출로 인한 화재 위험을 방지하기 위해 가연성 또는 휘발성 물질을 설정에서 멀리 두십시오.
  4. 시편을 30° 각도로 기울이고 5분 동안 유지하여 과도한 실리콘 오일이 표면에서 배출되도록 합니다.
    알림: 표면에 고이거나 눈에 보이는 큰 물방울 없이 얇고 균일한 실리콘 오일 필름이 표시되면 성공적인 배수가 확인됩니다.

4. 패턴이 있는 미끄러운 구조물의 제작

  1. CAD 소프트웨어(예: CATIA)로 원하는 모양을 설계하고 STL 파일(기어, 미로 및 JoVE 텍스트; 보충 파일 1, 보충 파일 2, 보충 파일 3 및 보충 파일 4). STL 파일을 슬라이싱 소프트웨어(예: Carima Slicer)에 로드하여 DLP 3D 프린터와 호환되는 2D 프로젝션 이미지를 생성합니다. 디지털 조명 투사를 위해 결과 파일을 프린터로 보냅니다.
  2. 폴리머 용액 코팅 필름(1.2단계)을 DLP 프린터의 창에 놓습니다. 투영된 디지털 패턴으로 샘플을 180mJ/cm2의 강도로 365nm UV 광선에 노출시켜 수지를 선택적으로 경화시킵니다.
  3. 노출된 샘플을 DI 물에 1시간 동안 담가 PEG-200을 추출합니다. 샘플을 70°C 오븐에서 1시간 동안 건조시켜 잔류 물을 제거하고 나노다공성 구조를 생성합니다. OTS 표면 처리 및 광유도 접목을 수행하여 패턴이 있는 미끄러운 표면의 제작을 완료합니다.

결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

중합 유도 상 분리를 통해 제조된 나노다공성 표면은 그림 2와 같이 60-100nm의 지배적인 기공 크기 분포를 나타냈습니다. 이 분포는 고해상도 SEM 이미징을 사용한 3번의 반복 측정으로 확인되었습니다. SEM 이미지는 MATLAB에서 픽셀 기반 이미지 분석을 통해 처리되어 원형 단면을 가정하여 기공 직경을 결정했습니다.

다공성 표면에서 측정된 정적 물 접촉각은 5μL 고착성 물방울을 사용한 5번의 반복 테스트를 기반으로 84.4 ± 1.4°였습니다(그림 3A). 표면 습윤성의 변화를 평가하기 위해 나노다공성 구조 형성, UV-오존 활성화, 실란화 및 빛 유도 PDMS 그라프팅을 포함한 표면 개질 단계에서 접촉각을 모니터링했습니다. 실란화 후 표면은 소수성이 되었습니다. 그러나 PDMS 접목 전에 수행된 두 번째 UV-오존 처리는 수산기가 도입되었기 때문에 일시적으로 접촉각을 감소시켰습니다. 이러한 감소는 공유 결합된 PDMS 브러시 층의 형성에 의해 역전되어 표면의 소수성을 복원했습니다29. 쉽게 고갈될 수 있는 유리 실리콘 오일 코팅과 달리 테더링된 PDMS 브러시는 윤활유를 유지하고 장기적으로 미끄러운 거동을 가능하게 하는 안정적이고 유연한 분자층을 제공합니다11. 접목 과정이 완료되지 않으면 물방울이 표면에 고정된 채로 미끄러지지 않으며, 이는 미끄러운 거동을 달성하기 위해 접목 단계가 필수적임을 나타냅니다.

4가지 대표적인 액체(그림 3B)-탈이온수(낮은 표면 장력), 꿀(고점도) 및 인공 인간 타액(생체 유체 모방, 상업용 합성 용액)의 미끄러운 거동을 검증하기 위해 접촉각(그림 3C), 슬라이딩 각도(그림 3D), 슬라이딩 속도(그림 3E) 및 접촉각 히스테리시스(CAH)(그림 3F)을 측정했습니다. 각 액체에 대해 5μL 고착성 물방울을 사용하여 접촉 및 슬라이딩 각도(기울기 속도: 0.8°/s)를 측정하고, 또 다른 5μL 물적을 30° 기울어진 표면에 놓아 8.5mm 거리에서 슬라이딩 속도를 측정했습니다. CAH는 각각의 경우에 정량화되었습니다. 모든 미끄러운 행동 테스트는 5중으로 수행되었습니다. 모든 실험에서 슬라이딩 각도는 3° 미만으로 유지되었습니다. 꿀의 미끄러짐 속도는 점도가 높을수록 내부 점도 소산이 더 커져 동일한 구동력에서 물방울 운동에 강하게 저항하기 때문에 현저히 낮았습니다. 또한 CAH는 10° 미만으로 유지되었으며(그림 3F), 이는 견고하고 무사한 미끄러운 인터페이스를 나타냅니다.

DLP 프로젝션을 사용하여 미끄러운 패터닝 프로토콜을 구현하기 전에 PEG-PUA 수지의 인쇄 해상도를 라인 및 공간 테스트 패턴을 사용하여 평가했습니다(그림 4). DMD 칩의 기본 픽셀 해상도(50μm x 50μm)를 감안할 때 최소 선폭은 50μm로 설정되었으며 최대 300μm까지 점진적으로 증가했습니다. 각 선폭을 5회 제작하고 분석했습니다. 50μm 기능은 설계된 형상(50.3 ± 6.3μm)에 대해 높은 충실도를 나타냈습니다. 그러나 치수 편차는 더 넓은 영역에 노출되는 동안 빛 산란 및 측면 확산으로 인해 약간 증가하여 의도한 패턴 경계를 넘어 과경화됩니다. 이러한 과경화 효과는 적층 제조를 위해 특별히 설계되지 않은 광중합체 수지에서 일반적으로 관찰됩니다. 본 연구에서 PEG-PUA 수지는 초기에 포토패터닝을 위해 개발되었으며 3D 프린팅에 최적화되지 않았기 때문에 이러한 거동에 기여했을 가능성이 높습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 한계는 수지 조성 및 광중합 특성을 최적화함으로써 완화될 수 있습니다.

문자 모양(JoVE) 및 그래픽(미로, 기어) 디자인을 특징으로 하는 패턴화된 나노다공성 표면이 DLP 공정으로 성공적으로 제작되었습니다(그림 5A). 실리콘화, UV-오존 활성화, PDMS 그라프팅 및 실리콘 오일 주입을 포함한 모든 표면 개질 단계를 완료한 후 패턴은 광학적으로 투명해졌습니다(그림 5B). 이 전이는 공기(na = 1.0)와 폴리머 매트릭스(np = 1.5) 사이의 굴절률 불일치로 인해 발생하며, 이는 채워지지 않은 다공성 구조에서 산란을 유발합니다. 실리콘 오일(ns = 1.4)으로 침투한 후 굴절률 대비가 감소하여 투과율이 90%를 초과하는 눈에 띄게 투명한 표면을 생성했습니다(그림 5C). 수분 함유 잉크를 도포했을 때 물방울은 미끄러운 도메인을 피하면서 처리되지 않은 친수성 영역(예: PET 필름)으로 선택적으로 이동하여 잘 정의된 액체 패턴을 형성했습니다(그림 5E). 이러한 결과는 프로토콜이 표면 습윤성의 효과적인 공간 제어를 가능하게 함을 보여줍니다.

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그림 1: 실란 코팅 나노다공성 구조 위에 구축된 디지털 패턴의 미끄러운 표면에 대한 제조 공정 개략도. (A) PET 필름과 FEP 필름 사이에 PEG-PUA 수지를 균일하게 코팅한 후 DLP 프로젝션 시스템을 사용한 광유도 패터닝을 위한 롤 투 플레이트 공정. (B) 미끄러운 표면의 제조 순서: (단계 1) 상 분리에 의한 나노 다공성 표면의 형성; (2단계) 나노다공성 표면에 수산기를 생성하기 위한 UV 오존 처리; (3단계) 소수성 SAM을 형성하기 위한 OTS 기상 증착; (4단계) SAM 표면에 수산기를 도입하기 위한 제2 UV 오존 처리; (5단계) 실리콘 오일 침투; (6단계) PDMS 브러시 층을 형성하기 위한 빛 유도 표면 접목. 약어: PEG-PUA = 폴리에틸렌 글리콜-폴리우레탄 아크릴레이트; PET = 폴리에틸렌 테레프탈레이트; FEP = 불소화 에틸렌 프로필렌; DLP = 디지털 조명 처리; OTS = 옥타데실트리클로로실란; SAM = 자체 조립 단층; PDMS = 폴리디메틸실록산. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 2: 제작된 나노다공성 표면. (A) 나노기공 크기 분석을 위한 SEM 이미지 및 이미지 처리 단계: (i) 원본 SEM 이미지; (ii) 밝기에서 파생된 유사 색상 눈금으로 상대적인 기공 깊이를 보여주는 깊이 맵; (iii) 기공 영역 분할을 위한 이진화된 이미지; (iv) 각 기공에 고유한 색상이 할당되는 기공 라벨링. 스케일 바 = 500nm. (B) 나노기공의 크기 분포. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: 표면 습윤성 분석. (A) 각 제조 단계 후 물 접촉각 측정(5μL): 다공성 표면(1단계), UV 오존 처리 표면(2단계), OTS 코팅 표면(3단계), UV 오존 처리 SAM(4단계), 실리콘 오일 코팅 표면(5단계) 및 광 접목 표면(6단계). (B) 다양한 액체의 표면 장력: 옥탄가(28.7 ± 0.5 mN/m), 물(70.6 ± 4.4 mN/m), 꿀(51.0 ± 0.2 mN/m), 인공 인간 타액(66.7 ± 0.4 mN/m) (C) 정적 접촉각, (D) 슬라이딩 각도(5 μL), (E) 슬라이딩 속도(5 μL) 및 (F) 이러한 액체의 액적에 대해 측정된 접촉각 히스테리시스(CAH). 모든 실험은 실온과 상대습도 40 ± 5%에서 수행되었습니다. 막대와 점은 평균값을 나타내고 오차 막대는 평균 ± SD를 나타냅니다(n = 5개의 독립 실험). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4: DLP 시스템의 분해능 테스트를 위해 인쇄된 마이크로라인 구조로, 각 라인의 중간점에서 선폭을 측정했습니다(5회 반복). 스케일 바 = 500 μm. 점은 평균값을 나타내고 오차 막대는 평균 ± SD를 나타냅니다(n = 5개의 독립 실험). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 5: DLP 프로젝션을 통해 디지털 방식으로 설계된 이미지로 제작된 패턴화된 표면. (A) 실리콘 오일 침투 전의 나노다공성 표면으로 불투명도를 나타냅니다. 패턴: (i) 장비, (ii) 미로, (iii) JoVE 텍스트. 스케일 바: 10mm. (B) 실리콘 오일 침투 후 미끄러운 표면이 투명하게 보입니다. 패턴: (i) 장비, (ii) 미로, (iii) JoVE 텍스트. (C) 미끄러운 표면과 다공성 표면 사이의 광학 투과율 비교. (D) 미끄러운 표면의 지정된 친수성 영역(PET 필름)으로 유도된 물방울의 선택적 제거. (E) 미끄러운 표면에 물방울이 있는 액체 유도 패터닝. 패턴: (i) 장비, (ii) 미로, (iii) JoVE 텍스트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜의 중요한 단계는 DLP 기반 UV 경화 동안 중합 유도 상 분리를 통해 나노 다공성 구조를 형성하는 것입니다. PEG-200을 광경화성 PUA 수지와 혼합한 후 패턴화된 UV 광선으로 혼합물을 조사하면 가교 다공성 네트워크와 윤활제를 효과적으로 유지하는 공간적으로 정의된 구조가 생성됩니다1. PDMS 브러시 층의 후속 접목을 가능하게 하기 위해11-안정적인 미끄러운 계면의 기초를 형성하기 위해 공정 중에 UV-오존 처리를 두 번 수행했습니다: 첫째, 실란화 전에 다공성 폴리머 표면에 수산기를 도입하고, 둘째, PDMS 접목 전에 실란화 표면을 재활성화합니다.

단파장 UV 광선 및 고온과 같은 고에너지 조건에 노출되면 폴리머 기판이 손상되거나 표면 구조가 변형될 수 있으므로 두 UV-오존 단계 모두에서 주의가 필요합니다25. 두 번째 UV-오존 단계에 이어 실리콘 오일이 활성화된 표면에 증착되었습니다. 후속 다중 파장 UV 노출은 PDMS 사슬의 접목을 시작합니다. 반응은 주로 자외선에 의해 구동되지만 수반되는 열 에너지는 분자 상호 작용을 지원하고 견고한 표면 결합을 촉진합니다. 이 접목 공정은 공유 결합 고정된 PDMS 브러시 층의 형성으로 이어져 낮은 슬라이딩 각도, 낮은 CAH 및 빠른 슬라이딩 속도를 특징으로 하는 안정적인 미끄러운 인터페이스를 생성합니다. 그러나 UV-오존 단계 중 수산화가 충분하지 않으면 접목이 불량해지고 미끄러운 성능이 저하될 수 있습니다. 또한, 나노다공성 표면을 제조하기 위한 경화 단계에서 사용되는 UV 강도가 권장 값 아래로 떨어지면 표면이 지나치게 거칠어지고 기공 크기가 매우 불규칙해지는 경향이 있으며, 헹굼 중에 나노다공성 층이 PET 기판에서 박리될 수도 있습니다23. 또한, 나노다공성 표면은 PEG-200 함량을 50wt% 이상으로 증가시켜 제작할 수 있지만, 생성된 구조는 종종 기공이 확대되고 표면 거칠기가 증가하여 물방울이 큰 기공 내에 고정되어 미끄러운 거동을 방해할 수 있습니다. 따라서 제조 매개변수는 규정된 범위 내에서 신중하게 유지되어야 합니다.

이 프로토콜의 한계는 적층 제조에서 투명 수지 제형을 사용하여 대형 또는 완전 3D(밀리미터 규모) 미끄러운 구조의 제작에 관한 것입니다. PEG-PUA 수지의 높은 광학 투과율로 인해 UV 광선이 의도한 노출층을 넘어 침투하여 오목하거나 오목한 영역에서 경화를 시작할 수 있습니다. 이로 인해 특히 내부 공동 내에서 의도하지 않은 응고와 구조적 충실도 손실이 발생할 수 있습니다. 따라서 이 방법을 체적 미끄러운 3D 아키텍처로 확장하는 것은 수지23의 광학 흡광도 특성을 추가로 조정하지 않고는 여전히 어려운 일입니다.

이러한 제한에도 불구하고 이 프로토콜은 기존 SLIPS 제조 방법에 비해 분명한 이점을 제공합니다. 다단계 절차와 견고한 템플릿이 필요한 저분해능 및 느린 지점별 증착 또는 양극 산화 및 겔화 기술(20)에 의해 제한되는 FDM 기반 접근 방식(22)과 달리, 제안된 DLP 기반 방법은 단일 단계, 마스크리스 및 디지털 프로그래밍 가능한 프로젝션 프로세스를 통해 윤활유 주입 다공성 기판의 직접 제조를 가능하게 합니다. 이 접근 방식은 제작 시간을 단축할 뿐만 아니라 절차를 단순화하고 패터닝 처리량을 크게 증가시켜 패턴화된 표면을 효율적으로 생산할 수 있습니다. 또한, 이 공정은 PET 필름과 같은 유연한 기판과 호환됩니다. 또한, 빛 유도 상 분리 전략은 고해상도, 패턴화 유연성 및 윤활제를 유지할 수있는 다공성 비계의 단순화 된 형성을 제공합니다. 광유도 공정을 사용하면 패턴화된 기판과의 통합이 용이하고, 선택적 미끄러움이 가능하며, 멀티스케일 구조의 확장 가능한 제작을 지원합니다. 종합하면, 이러한 장점으로 인해 이 방법은 표면 습윤성의 정밀한 공간 제어가 필수적인 방향성 액적 수송, 개방 채널 미세유체학, 방오 코팅8 및 물 수확 시스템(13,14)과 같은 응용 분야에 특히 적합합니다.

공개 사항

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저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

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본 연구는 한국 정부(MSIT)가 지원하는 한국연구재단(NRF) 보조금(제2023R1A2C3006499호 및 RS-2023-00238462호)의 지원을 받았다. 본 연구는 교육부가 지원하는 한국연구재단(NRF) 보조금의 LAMP(Global Learning &; Academic Research Institution for Master's and PhD Student and Postdocs) 이니셔티브의 지원도 받았습니다(No. RS-2024-00444460)을 참조하십시오.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
365nm UV LED 시스템리히첸LZL-FL-220220-CUV 경화 장비
인공 침TMABIOTB0924인공 인간 침(바이오플루이드 모방; 상업용 합성 용액)
카리마 슬라이서카리마V2.0슬라이싱 소프트웨어
카티아다소 시스템V5R20CAD 소프트웨어
탈이온수(DI)한국 정화 화학KCU-PW3세척과 포로겐 제거
DLP 3D 프린터 (365nm UV)카리마IMD-C디지털 패터닝 장비
플루오로인화 에틸렌 프로필렌(FEP) 필름알파플론FEP0250개봉 영화
글러브 박스제작된 실험실G801위험 물질 안전 취급에 사용됩니다
뜨거운 판 교반기코닝PC-420D핫플레이트 & 자기 교반 장비 (5" x 7")
다중 파장 UV 램프 시스템레이닉RX-H1000S빛 유도 접목 장비
옥타데실트리클로로실란 (OTS)시그마-올드리치104817소수성 표면 코팅
오븐SH 사이언티브SH-VDO-30NH샘플 건조에 사용
광경화 수지미누타 기술민스-311RM폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 기반 수지
폴리에틸렌글리콜(PEG) 200도쿄 화학 산업P0840포로젠
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름블루 DP각인용 기질
실리콘 오일신에츠 폴리머KF-96-10CS10cS
스마트드롭펨토바이오메드접촉각 측정
UV 오존 클리너재성 엔지니어링UVC-30UV 오존 처리 장비
자외선 가시광선/근이외 분광광도계야스코V-770빛 투과도 측정

참고문헌

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