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초친수성이란?
‘초친수성’이란 물에 대해 매우 강한 친화성을 나타내는 표면 또는 재료를 말합니다. 물을 튕기는 소수성 표면과 달리 초친수성 표면은 물 분자를 끌어들여 표면 전체에 고르게 퍼져 신속하고 완전한 습윤을 일으킵니다.
초친수성 표면의 특징은 다음과 같습니다.
- 접촉각이 낮음: 표면과 물방울의 접촉각은 0도에 가깝습니다. 이것은 물방울이 구슬을 형성하지 않고 표면에 완전히 퍼져 있다는 것을 의미합니다.
- 높은 물 접착력: 초친수성 표면은, 물 분자와의 강한 접착력을 가져, 물이 표면에 확실히 부착하는 것을 가능하게 합니다.
- 급속한 물 확산: 초친수성 표면에 놓인 물방울은 짧은 시간 안에 표면적 전체를 덮듯이 빠르고 균일하게 확산됩니다.
초친수성 표면은 그 고유한 특성 때문에 다양한 분야에서 응용 프로그램을 찾습니다.
- 김서림 방지 코팅: 초친수성 표면은 유리, 렌즈, 고글 등 투명 재료의 김서림 방지에 효과적입니다. 수증기의 신속하고 균일한 응축을 촉진함으로써 이러한 표면은 가시성을 방해하는 안개 방울의 형성을 최소화합니다.
- 셀프 클리닝 표면: 초친수성 코팅을 사용하여 물이나 습기에 노출되었을 때 오염, 먼지, 오염물질을 효율적으로 제거하는 셀프 클리닝 표면을 만들 수 있습니다. 물은 표면 전체에 고르게 퍼져 파편을 운반하고 표면을 청결하게 유지합니다.
- 정수: 초친수성 막은 수처리 과정의 효율을 향상하기 위해 물 여과 및 정화 시스템에 사용됩니다. 이러한 막은 오염 물질이나 불순물을 유지하면서 물을 빠르게 통과시키는 것을 가능하게 합니다.
- 생체 의료 장치: 초친수성 표면은 생물의학 장치나 임플란트에 이용되어 세포의 접착, 조직의 성장, 유체의 흐름을 촉진합니다. 그것들은 의료용 임플란트의 생체 적합성을 개선하고 마이크로 유체 장치의 성능을 향상할 수 있습니다.
- 얼음 생성 방지: 초친수성 코팅은 물방울의 급속한 확산을 촉진함으로써 표면의 얼음 형성을 방지할 수 있습니다. 이 특성은 얼음의 퇴적을 방지하고 안전성을 높이기 위해 항공, 교통, 인프라 분야의 애플리케이션에 유용합니다.
전체적으로 초친수성 표면은 신속하고 효율적인 젖음과 물의 상호작용이 필요한 광범위한 애플리케이션에 유망한 해법을 제공합니다.
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광촉매 초친수성 활용
광촉매와 초친수성의 양쪽 성질을 가진 표면 또는 재료의 적용을 말합니다. 이 조합을 통해 광에너지의 효율적인 이용이 가능하고 물과의 강한 친화력을 유지하면서 셀프 클리닝, 흐림 방지, 얼음 방지 기능을 촉진할 수 있습니다.
광촉매 특성은 다음과 같습니다. 재료 또는 표면은 이산화티타늄(TiO2) 등의 광촉매로 코팅 또는 처리되었습니다. 자외선(UV) 빛에 노출되면 광촉매가 활성화되어 강한 산화성을 가진 하이드록실 라디칼(•OH)과 같은 활성산소종(ROS)을 생성합니다.
친수성의 특성은 다음과 같습니다. 광촉매 외에도 표면은 초친수성으로 설계되어 있습니다. 이는 물에 대해 매우 높은 친화성을 보이며 물방울이 표면 전체에 고르게 빠르게 퍼지는 것을 의미합니다.
셀프클리닝한다. 광촉매의 초친수성 표면이 자외선에 노출되면 광촉매는 ROS를 생성해 표면에 존재하는 유기오염물질 및 오염물질과 상호작용합니다. 동시에 표면의 초친수성은 물이 균일하게 퍼지는 것을 보장하여 오염, 먼지, 쓰레기 제거를 용이하게 합니다. 광촉매 활성과 초친수성이 모두 작용하여 표면의 오염물질을 분해하고 제거하기 때문에 이 이중작용은 효과적인 자기 세정으로 이어집니다.
김서림 방지와 살얼음 생성 방지는 다음과 같습니다. 표면의 초친수성은 또한 안개나 살얼음을 방지하는 데 도움이 됩니다. 물방울의 신속하고 균일한 확산을 촉진함으로써 표면은 응결수의 신속한 제거를 용이하게 하고 가시성을 저해하는 안개 물방울의 형성을 막아 얼음의 형성 가능성을 낮춥니다.
광촉매의 고친수성 이용은 다양한 업계에 걸쳐 다양한 용도가 있습니다.
건축 재료: 유리창, 파사드, 태양 전지판을 셀프 클리닝하기 위한 코팅입니다.
수송 수단: 앞유리용 흐림방지 코팅, 항공기 날개용 얼음방지 코팅, 풍력 터빈용 흐림방지 코팅입니다.
의료기기: 의료용 임플란트의 생체 적합성 표면, 외과용 기구의 오염 방지 코팅입니다.
정수: 물의 정화와 담수화를 위한 친수성 막입니다.
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초친수성을 활용한 김서림 방지
김서림 방지 코팅은 투명한 재료에 적용되어 표면에 안개나 결로가 발생하지 않도록 하는 표면 처리입니다. 이러한 코팅은 물방울의 신속하고 균일한 확산을 촉진하기 위해 표면성상을 수정하고 안개의 원인이 되는 작은 물방울의 형성을 최소화합니다.
흐림 방지 코팅은 보통 어떻게 작용하는가?
- 친수성 코팅: 김서림 방지 코팅은 물에 강한 친화력을 갖는다는 것을 의미하는 친수성으로 제조되는 경우가 많습니다. 이 특성은 물방울이 빛을 산란시키고 김서림을 일으키는 작은 물방울을 형성하는 것보다 표면에 고르게 퍼지도록 촉진합니다.
- 표면 장력 감소: 김서림 방지 코팅에는 물의 표면 장력을 감소시키는 계면활성제 또는 기타 첨가제가 포함되어 물방울이 표면에 펴지고 부착되기 쉽습니다.
- 결로 방지: 일부 김 서림 방지 코팅에는 수분을 흡수하거나 방출하는 물질도 포함되어 있어 습도를 조절하고 표면에 결로가 형성되는 것을 방지합니다.
- 내구성 및 오래 지속됨: 효과적인 김서림 방지 코팅은 효과를 잃지 않고 반복적인 세척 및 환경 노출을 견딜 수 있는 내구성 및 오래 지속되어야 합니다.
김서림 방지 코팅은 다음을 포함한 다양한 산업 및 제품에서 사용됩니다:
- 자동차: 김서림 방지 코팅은 김서림을 방지하고 운전자의 시야를 개선하기 위해 차량 앞유리, 사이드 미러 및 백미러에 사용됩니다.
- 안경: 습기가 많거나 추운 환경에서 선명한 시력을 유지하기 위해 안경, 선글라스, 보안경 및 안면 보호대에 안개 방지 코팅이 일반적으로 적용됩니다.
- 스포츠 장비: 스키 고글, 수영 고글 및 기타 스포츠 안경은 활동 중 김서림을 방지하고 선명한 시력을 보장하기 위해 안개 방지 코팅으로 코팅됩니다.
- 의료기기: 수술용 마스크, 고글 및 의료용 스코프는 의료 시술 중에 선명도와 가시성을 유지하기 위해 안개 방지 코팅으로 치료되는 경우가 많습니다.
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초친수성을 활용한 정수
- 친수성 막은 물에 대해 매우 강한 친화성을 나타내며 물 분자가 그 표면 전체에 균일하고 신속하게 퍼지도록 하는 막입니다. 이 막은 오염물질, 소금 및 기타 불순물을 제거하면서 물 분자의 통과를 촉진함으로써 정수 및 담수화 과정에서 중요한 역할을 합니다.다음은 물의 정화와 담수화에서 고친수성 막이 어떻게 이용되고 있는지를 나타내고 있습니다.
- 역삼투압(RO) 및 나노여과(NF): 고친수성 막은 담수화 및 정수를 위한 역삼투압 및 나노여과 시스템에서 일반적으로 사용됩니다. 이러한 과정에서 물은 압력 하에서 고친수성 막을 통해 강제로 통과하며, 소금, 이온 및 기타 불순물은 막에 의해 유지됩니다. 막의 고친수성은 막 표면의 신속하고 균일한 습윤을 촉진하여 높은 물의 흐름을 확보하고 오손을 방지합니다. 초친수성 막은 물속에서 부유 고체, 세균, 고분자를 제거하기 위한 초친수성 막에서도 사용되고 있습니다. 초여과에서 물은 막공을 통과하고 오염물질은 그 크기와 분자량에 따라 유지됩니다. 막의 고친수성은 막 표면에 오염물질이 축적되는 것을 방지함으로써 투수성을 높이고 오손을 최소화합니다.
- 전방 침투(FO): 전방 침투 과정에서는 초친수성 막을 사용하여 물 분자를 공급 용액에서 삼투압을 통해 보다 농축된 드로우 용액으로 끌어냅니다. 이 방법은 역삼투에 비해 낮은 압력과 온도에서 작동하기 때문에 특히 물 처리와 민감한 화합물 농도에 유용합니다.
- 막증류(MD): 초친수성 막은 탈염 및 정수를 위한 막증류 시스템에도 적용할 수 있습니다. 막 증류에서 수증기는 증기압의 차이에 의해 열공급 용액에서 냉침투 용액으로 막공을 통과합니다. 막의 고친수성은 수증기의 수송을 촉진하여 액체 물이나 용해된 불순물의 통과를 방지합니다.
전체적으로 고친수성 막은 다양한 수처리 과정에서 높은 투수성, 낮은 오탁성, 에너지 효율 등의 장점을 제공합니다. 그 이용은, 깨끗한 식수의 생산, 폐수의 처리, 해수의 담수화에 공헌해, 세계적인 물 부족과 환경 문제에의 대처에 도움이 됩니다.
위에서 말한 접촉각에 대해서 자세히 알아보자.
접촉각은 액체 방울에 의한 고체 표면의 젖음성 척도입니다. 액체 쪽에서 본 고체 표면과의 접촉점에서 액체 방울의 접선과 고체 표면 그 자체 사이에 형성되는 각도입니다. 접촉각은 액체와 고체 표면의 상호작용에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다.
접촉각은 주로 다음 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
친수성 표면: 접촉각이 90도 미만입니다. 이는 액체가 표면에 퍼져 있음을 나타내며 강한 상호작용과 액체에 의한 표면의 습윤을 나타냅니다. 친수성 표면의 물방울은 평평해지고 균일하게 퍼지는 경향이 있습니다.
소수성 표면: 소수성 표면에서는 접촉각이 90도보다 크지만 180도 미만입니다. 이는 액체 방울이 완전히 퍼져 있지 않고 표면에 의해 구형의 형상을 형성하고 있음을 보여줍니다. 소수성 표면은 물을 튕기고, 접촉각은 발수성 정도를 반영하고 있습니다.
초소수성 표면: 초소수성 표면은 매우 높은 접촉각을 보이며 종종 150도를 넘습니다. 초소수성 표면의 물방울은 거의 구형이 되어 구르기 쉽고 표면은 깨끗해집니다. 이러한 표면은 매우 발수성이 높고, 자기 세정 코팅, 방오재, 내수성 직물에 응용되고 있습니다.
접촉각은 다양한 기술을 사용하여 측정할 수 있습니다. 표면 거칠기, 표면 화학, 표면 에너지, 액체 성질의 영향을 받습니다. 접촉각의 변화는 표면 성상의 변화 또는 표면 처리 또는 코팅의 유효성을 나타낼 수 있습니다.
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