연잎 효과
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
연잎 효과는 연잎 표면의 미세 구조와 소수성 표면의 화학적 특성으로 인해 물방울이 굴러 떨어지면서 표면의 오염 물질을 함께 제거하는 현상을 말한다. 물의 높은 표면 장력과 표면의 이중 구조가 결합하여 자가 세척 효과를 발생시키며, 이는 곰팡이, 조류 등 병원체의 번식 방지, 광합성 증진에 기여한다. 이러한 연잎 효과는 나노 기술 분야에서 페인트, 섬유 등 다양한 표면에 적용되어 자가 세척 기능을 구현하는 데 활용되고 있으며, 모리나가유업의 요구르트 뚜껑과 같은 실생활 제품에도 적용되어 있다.
연잎 효과의 작동 원리는 크게 소수성과 이중 구조라는 두 가지 요소로 설명할 수 있다. 연잎 표면은 물을 밀어내는 소수성 물질로 덮여 있고, 미세한 돌기(유두)와 왁스 결정으로 이루어진 이중 구조를 가지고 있다. 이러한 특징들은 물방울이 표면에 닿는 면적을 최소화하여 물방울이 굴러 떨어지도록 한다.
연잎 표면의 초발수성과 자가 세척 특성은 미세 및 나노 규모의 물리화학적 특성에서 비롯된다는 사실이 알려지면서,[18][19][20] 이를 인공 표면에 적용할 가능성이 열렸다.
2. 작동 원리
먼지 입자는 접촉 면적이 극도로 감소되어 물방울에 의해 포착되어 표면에서 쉽게 제거된다. 물방울이 오염된 표면 위로 굴러가면 먼지 입자의 화학적 성질에 관계없이 입자와 물방울 사이의 부착력이 입자와 표면 사이의 부착력보다 높다. 이러한 세척 효과는 초소수성 표면이 생성될 때 스테인리스강과 같은 일반적인 재료에서 입증되었다.[17] 이러한 자가 세척 효과는 물의 높은 표면 장력에 기반하기 때문에 유기 용매에는 작용하지 않는다. 따라서 표면의 소수성은 낙서로부터 보호해주지 못한다.
이 효과는 병원체인 곰팡이 또는 조류의 번식에 대한 보호, 그리고 몸의 모든 부분을 깨끗하게 할 수 없는 나비, 잠자리 및 기타 곤충과 같은 동물에게 매우 중요하다. 자가 세척의 또 다른 긍정적인 효과는 식물 표면의 빛에 노출된 부위의 오염을 방지하여 광합성을 감소시키는 것이다.
연잎은 미세 구조와 표면의 화학적 특성으로 인해 절대 젖지 않는다. 잎 표면에 묻은 물은 표면 장력에 의해 수은처럼 둥글게 뭉쳐 물방울이 되어 흙이나 작은 곤충, 기타 이물질을 얽히게 하면서 굴러 떨어진다.
토란 잎 등에서도 미세 구조와 표면의 화학적 특성으로 인해 비슷한 효과를 볼 수 있다.
나노 기술 분야에서는 페인트, 지붕재, 천 등의 표면에서 연잎 효과를 재현하여 건조하고 깨끗한 상태를 유지하는 방법이 개발되고 있다. 이는 일반적으로 불소 화합물이나 실리콘으로 표면을 처리하여 달성된다. 폴리에틸렌 글리콜에 포도당이나 수크로스를 조합하여도 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 현재는 이 방법으로 자기 세척을 하는 페인트나 온실 지붕에 사용하는 유리판에 연잎 효과를 적용한 제품도 시판되고 있다.
일상생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 모리나가유업의 요구르트 제품에 사용되는 알루미늄 뚜껑이 있다. 기존 뚜껑은 뒷면에 요구르트가 잘 달라붙었지만, 연잎에서 아이디어를 얻어 토요 알루미늄과 공동 개발한 토얄 로터스(TOYAL LOTUS)라는 발수성 포장재를 사용하여 요구르트가 달라붙지 않도록 했다.[31][32] 전자 현미경으로 보면, 해당 알루미늄 표면에 연잎 표면과 유사한 다공성 미세 구조가 관찰되었다.[33]
2. 1. 소수성과 접촉각
물의 높은 표면 장력은 물방울이 거의 구형을 띠게 하는데, 이는 구가 최소 표면적을 가지기 때문이며, 따라서 고체-액체 표면 에너지를 최소화한다. 액체가 표면에 닿으면 습윤으로 인해 부착력이 발생한다. 표면의 구조와 물방울의 액체 장력에 따라 완전 또는 불완전 습윤이 발생할 수 있다.[12]
표면의 소수성은 접촉각으로 측정할 수 있다. 접촉각이 높을수록 표면의 소수성이 높다. 접촉각이 90° 미만인 표면은 친수성이라고 하며, 90° 이상인 표면은 소수성이라고 한다. 일부 식물은 최대 160°의 접촉각을 나타내며 초소수성이라고 불리는데, 이는 일반적인 크기의 물방울 표면의 2~3%만이 접촉한다는 것을 의미한다. 연꽃과 같이 이중 구조 표면을 가진 식물은 170°의 접촉각에 도달할 수 있으며, 물방울의 접촉 면적은 0.6%에 불과하다.
초발수성을 얻기 위해 어떤 방법에서는 세척한 알루미늄 블록의 표면을 수산화 나트륨 수용액에 2시간 담근 후, 세척 및 건조한 다음 스핀 코팅법으로 두께 약 2나노미터의 퍼플루오로노난 (C9F20) 막을 입혔다. 이를 통해 물방울과의 접촉각이 67°에서 168°로 증가했으며, 이 효과는 카시의 공식 (:en:Cassie's law)으로 설명되었다.[33]
2. 2. 이중 구조
자가 세척 특성의 원인은 표면의 소수성, 즉 물을 밀어내는 이중 구조이다.[13] 이는 표면과 물방울 사이의 접촉 면적과 부착력을 현저히 줄여 자가 세척 과정을 유발한다.[14][15][16]
이 계층적 이중 구조는 특징적인 표피(가장 바깥층인 큐티클이라고 함)와 덮개 왁스로 구성된다. 연꽃 식물의 표피는 높이 10μm에서 20μm, 너비 10μm에서 15μm인 유두를 가지고 있으며, 이 유두 위에 소위 표피 왁스가 덮여 있다. 이 겹쳐진 왁스는 소수성이며 이중 구조의 두 번째 층을 형성한다. 이 시스템은 재생된다. 이 생화학적 특성이 표면의 발수 기능에 기여한다.
3. 기술적 응용
독일 아우토반의 교통 제어 장치 센서에는 자가 세척 유리가 설치되었고(협력 파트너인 Ferro GmbH에서 개발), 이 외에도 다양한 응용 분야가 판매되고 있다. 스위스 회사인 HeiQ와 [http://www.schoeller-textiles.com/en.html Schoeller Textil]은 각각 "HeiQ Eco Dry" 및 "nanosphere"라는 브랜드 이름으로 얼룩 방지 섬유를 개발했다. 2005년 10월 호헨슈타인 연구소의 테스트에 따르면 NanoSphere 기술로 처리된 옷은 여러 번 세탁한 후에도 토마토 소스, 커피, 적포도주를 쉽게 씻어낼 수 있었다. 따라서 자가 세척 차양, 방수포, 돛 등에도 활용될 수 있다.
초발수 또는 소수성 특성은 관개에 사용하기 위해 물을 이슬 채취 또는 분지 형태로 유도하는 데에도 사용된다. Groasis Waterboxx는 응결수와 빗물을 분지로 유도하여 성장하는 식물의 뿌리에 방출하는 초발수 특성을 기반으로 하는 미세 피라미드 구조의 뚜껑을 가지고 있다.[24]
3. 1. 나노기술 응용
일부 나노기술자들은 연꽃과 같은 식물의 자가 세척 특성을 기술적으로 재현하여 건조하고 깨끗함을 유지할 수 있는 처리, 코팅, 페인트, 지붕 타일, 직물 및 기타 표면을 개발했다.[18][19][20] 이는 일반적으로 구조화된 표면에 특수 불소화학 물질 또는 실리콘 처리를 사용하거나 미세 규모 입자를 포함하는 조성물을 사용하여 달성할 수 있다.
시간이 지남에 따라 제거될 수 있는 화학적 표면 처리 외에도, 금속은 펨토초 펄스 레이저로 조각하여 연잎 효과를 생성해 왔다.[21] 이 재료는 어떤 각도에서도 균일하게 검은색을 띠며, 자가 세척 특성과 결합하여 유지 보수가 매우 적은 태양열 에너지 집열기를 생산할 수 있으며, 금속의 높은 내구성은 질병 전파를 줄이기 위해 자가 세척식 화장실에 사용할 수 있다.[22]
나노 기술 분야에서는 페인트, 지붕재, 천 등의 표면에서 연잎 효과를 재현하여 건조하고 깨끗한 상태를 유지하는 방법이 개발되고 있다. 이는 일반적으로 불소 화합물이나 실리콘으로 표면을 처리하여 달성된다. 폴리에틸렌 글리콜에 포도당이나 수크로스를 조합하여도 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 현재는 이 방법으로 자기 세척을 하는 페인트나 온실 지붕에 사용하는 유리판에 연잎 효과를 적용한 제품도 시판되고 있다.
일상생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 모리나가유업의 요구르트 제품에 사용되는 알루미늄 뚜껑이 있다. 기존 뚜껑은 뒷면에 요구르트가 잘 달라붙었지만, 연잎에서 아이디어를 얻어 토요 알루미늄과 공동 개발한 토얄 로터스(TOYAL LOTUS)라는 발수성 포장재를 사용하여 요구르트가 달라붙지 않도록 했다.[31][32]
초발수성을 얻기 위해 어떤 방법에서는 세척한 알루미늄 블록의 표면을 수산화 나트륨 수용액에 2시간 담근 후, 세척 및 건조한 다음 스핀 코팅법으로 두께 약 2나노미터의 퍼플루오로노난 (C9F20) 막을 입혔다. 이를 통해 물방울과의 접촉각이 67°에서 168°로 증가했으며, 이 효과는 카시의 공식(:en:Cassie's law)으로 설명되었다. 전자 현미경으로 보면, 해당 알루미늄 표면에 연잎 표면과 유사한 다공성 미세 구조가 관찰되었다.[33]
3. 2. 마이크로파 안테나
초발수 코팅을 마이크로파 안테나에 적용하면 강우 감쇠 및 얼음과 눈의 축적을 크게 줄일 수 있다. "세척 용이" 제품이라고 광고하는 경우가 많지만, 이는 소수성 또는 초발수성 표면의 자가 세척 특성을 잘못 이해한 것이다. 패턴화된 초발수성 표면은 "랩온어칩" 미세 유체 장치에도 유망하며, 표면 기반 생체 분석을 크게 개선할 수 있다.[23]
3. 3. 미세 유체 장치
패턴화된 초발수성 표면은 "랩온어칩" 미세 유체 장치에도 유망하며, 표면 기반 생체 분석을 크게 개선할 수 있다.[23]
3. 4. 물 관리 시스템
연잎 표면의 초발수성 및 자가 세척 특성이 화학적 특성이 아닌 미세 및 나노 규모의 물리화학적 특성에서 비롯된다는 사실이 밝혀지면서,[18][19][20] 이러한 효과를 인공 표면에 적용할 가능성이 생겼다.
일부 나노기술자들은 연꽃과 같은 식물의 자가 세척 특성을 기술적으로 재현하여 건조하고 깨끗함을 유지할 수 있는 처리, 코팅, 페인트, 지붕 타일, 직물 및 기타 표면을 개발했다. 이는 일반적으로 구조화된 표면에 특수 불소화학 물질 또는 실리콘 처리를 사용하거나 미세 규모 입자를 포함하는 조성물을 사용하여 달성할 수 있다.
시간이 지남에 따라 제거될 수 있는 화학적 표면 처리 외에도, 금속을 펨토초 펄스 레이저로 조각하여 연잎 효과를 생성하기도 한다.[21] 이 재료는 어떤 각도에서도 균일하게 검은색을 띠며, 자가 세척 특성과 결합하여 유지 보수가 매우 적은 태양열 에너지 집열기를 생산할 수 있다. 또한 금속의 높은 내구성은 질병 전파를 줄이기 위해 자가 세척식 화장실에 사용할 수 있게 한다.[22]
자가 세척 유리는 독일 아우토반의 교통 제어 장치 센서에 설치되었으며(협력 파트너인 Ferro GmbH에서 개발), 추가적인 응용 분야가 판매되고 있다. 스위스 회사인 HeiQ와 [http://www.schoeller-textiles.com/en.html Schoeller Textil]은 각각 "HeiQ Eco Dry" 및 "nanosphere"라는 브랜드 이름으로 얼룩 방지 섬유를 개발했다. 2005년 10월, 호헨슈타인 연구소의 테스트에 따르면 NanoSphere 기술로 처리된 옷은 여러 번 세탁한 후에도 토마토 소스, 커피 및 적포도주를 쉽게 씻어낼 수 있었다. 따라서 또 다른 가능한 응용 분야는 자가 세척 차양, 방수포 및 돛이다.
초발수 코팅을 마이크로파 안테나에 적용하면 강우 감쇠 및 얼음과 눈의 축적을 크게 줄일 수 있다. 패턴화된 초발수성 표면은 "랩온어칩" 미세 유체 장치에도 유망하며 표면 기반 생체 분석을 크게 개선할 수 있다.[23]
초발수 또는 소수성 특성은 관개에 사용하기 위해 물을 이슬 채취 또는 분지 형태로 유도하는 데 사용되었다. Groasis Waterboxx는 응결수와 빗물을 분지로 유도하여 성장하는 식물의 뿌리에 방출하는 초발수 특성을 기반으로 하는 미세 피라미드 구조의 뚜껑을 가지고 있다.[24]
4. 한국의 응용 사례
모리나가유업의 요구르트 제품에 사용되는 알루미늄 뚜껑은 연잎 효과를 응용한 대표적인 사례이다. 기존 뚜껑은 요구르트가 잘 달라붙는 문제가 있었지만, 토요 알루미늄과 공동 개발한 토얄 로터스(TOYAL LOTUS)라는 발수성 포장재를 사용하여 이 문제를 해결했다.[31][32]
4. 1. 모리나가유업 요구르트 뚜껑
일상생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 모리나가유업의 요구르트 제품에 사용되는 알루미늄 뚜껑이 있다. 기존 뚜껑은 뒷면에 요구르트가 잘 달라붙었지만, 연잎에서 아이디어를 얻어 토요 알루미늄과 공동 개발한 토얄 로터스(TOYAL LOTUS)라는 발수성 포장재를 사용하여 요구르트가 달라붙지 않도록 했다.[31][32]
4. 2. 기타 사례
토란 잎 등에서도 미세 구조와 표면의 화학적 특성으로 인해 연잎 효과와 비슷한 효과를 볼 수 있다.
나노 기술 분야에서는 페인트, 지붕재, 천 등의 표면에서 연잎 효과를 재현하여 건조하고 깨끗한 상태를 유지하는 방법이 개발되고 있다. 이는 일반적으로 불소 화합물이나 실리콘으로 표면을 처리하여 달성된다. 폴리에틸렌 글리콜에 포도당이나 수크로스를 조합하여도 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 현재는 이 방법으로 자기 세척을 하는 페인트나 온실 지붕에 사용하는 유리판에 연잎 효과를 적용한 제품도 시판되고 있다.
일상생활에서 흔히 볼 수 있는 예로는 모리나가유업의 요구르트 제품에 사용되는 알루미늄 뚜껑이 있다. 기존 뚜껑은 뒷면에 요구르트가 잘 달라붙었지만, 연잎에서 아이디어를 얻어 토요 알루미늄과 공동 개발한 토얄 로터스(TOYAL LOTUS)라는 발수성 포장재를 사용하여 요구르트가 달라붙지 않도록 했다.[31][32]
초발수성을 얻기 위한 어떤 방법에서는 세척한 알루미늄 블록의 표면을 수산화 나트륨 수용액에 2시간 담근 후, 세척 및 건조한 다음 스핀 코팅법으로 두께 약 2nm의 퍼플루오로노난 (C9F20) 막을 입혔다. 이를 통해 물방울과의 접촉각이 67°에서 168°로 증가했으며, 이 효과는 카시의 공식 (:en:Cassie's law)으로 설명되었다. 전자 현미경으로 보면, 해당 알루미늄 표면에 연잎 표면과 유사한 다공성 미세 구조가 관찰되었다.[33]
5. 연구 역사
연꽃의 자가 세정 현상은 오래전부터 아시아에서 알려졌을 가능성이 있지만(연잎 효과에 대한 언급은 바가바드 기타[25]에서 찾아볼 수 있다), 그 메커니즘은 주사 전자 현미경이 도입된 후인 1970년대 초에 와서야 설명되었다.[4][16] 연구는 한련(''Tropaeolum'')과 연꽃(''Nelumbo'')의 잎으로 수행되었다.[6] 연잎 효과와 유사하게, 최근 연구에서는 토란 잎에서 벌집 모양의 미세 구조가 발견되었으며, 이 구조가 잎을 초소수성으로 만든다는 사실이 밝혀졌다. 이 연구에서 측정된 잎의 접촉각은 약 148도이다.[26]
참조
[1]
간행물
Superhydrophobic states
[2]
서적
"The Discovery of the Lotus Effect as a Key Innovation for Biomimetic Technologies"
Wiley-VCH
[3]
간행물
Contact Angle Hysteresis. III. Study of an Idealized Heterogeneous Surface
[4]
간행물
Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten
[5]
특허
Laboratory vessel having hydrophobic coating and process for manufacturing same
http://patft.uspto.g[...]
1998-12-29
[6]
간행물
The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces
[7]
간행물
Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations.
[8]
간행물
Is the lotus leaf superhydrophobic?
[9]
간행물
Water condensation on a super-hydrophobic spike surface
[10]
웹사이트
Mimicking nature: Physical basis and artificial synthesis of the Lotus effect
http://home.wanadoo.[...]
[11]
간행물
Diversity of structure, Morphology and Wetting of Plant Surfaces. Soft matter
[12]
간행물
The Lotus Effect
[13]
간행물
Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces
[14]
간행물
The lotus-effect: nature's model for self cleaning surfaces
[15]
서적
The Gecko's Foot, Bio-inspiration – Engineering New Materials and devices from Nature
Fourth Estate
[16]
간행물
Self-Cleaning Materials
[17]
간행물
Superhydrophobic and superhydrophilic functionalized surfaces by picosecond laser texturing
2018-06-15
[18]
간행물
The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces
[19]
간행물
Biomimetics, Design by Nature
2008-04
[20]
간행물
Stable Biomimetic Super-Hydrophobic Engineering Materials
[21]
간행물
Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses
http://publikace.k.u[...]
[22]
웹사이트
Lasers help create water-repelling, light-absorbing, self-cleaning metals
http://www.gizmag.co[...]
2015-01-21
[23]
서적
Porous silicon protein microarray technology and ultra-/superhydrophobic states for improved bioanalytical readout
[24]
웹사이트
The different forms of condensation - Technology
http://www.groasis.c[...]
[25]
웹사이트
Bhagavad Gita 5.10
https://vedabase.io/[...]
[26]
간행물
Wetting characteristics of Colocasia esculenta (Taro) leaf and a bioinspired surface thereof
[27]
문서
出典は北宋の儒学者・周茂叔の述べた『愛蓮説』の、「予独愛蓮之出淤泥而不染」という一節である。
[28]
웹사이트
www.lotus-effect.com/
http://www.lotus-eff[...]
[29]
문서
ロータス効果を発見、製品化成功の植物学者Wilhelm Barthlott （仮リンク|ヴィルヘルム・バルトロット|de|Wilhelm Barthlott|en|Wilhelm Barthlott）による登録商標番号4790998。他に全く別の日本の会社から「ロータスエフェクト」と「Lotus Effect」としてクッション、座布団，枕|まくらなどの商品や役務の商標出願番号2009-031418から21もある。
[30]
웹사이트
拒絶査定不服の審決｜不服2002-4196
http://shohyo.shinke[...]
アスタミューゼ株式会社
2004-06-22
[31]
웹사이트
http://bifidus.jp/pr[...]
[32]
웹사이트
http://www.toyal.co.[...]
[33]
간행물
Stable Biomimetic Super-Hydrophobic Engineering Materials
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com