본 연구에서는 그루브 형상의 구조물을 가지는 초소수성 표면, 초친수성 표면, 초소유성 표면 및 소수성과 친수성 모두의 성질을 보이는 복합 표면을 제작하였다. 제작된 각각의 표면 위에서 액적의 젖음 특성을 평가하기 위하여 액적의 정적 접촉각과 액적의 형상을 평가하였다. 그루브 형상의 구조물 위에서의 액적은 이방성 젖음 특성을 보이기 때문에 접촉각의 측정은 그루브 구조물의 길이방향과 수직한 방향과 평행한 방향에서 각각 측정하였다. 초소수성 및 초소유성을 보이는 표면 위에서는 동적접촉각도 측정한 후 액적의 젖음 특성을 추가적으로 평가하였다. 결과적으로 모든 표면위에서 액적의 접촉각은 그루브 구조물과 평행한 방향에서 측정한 값이 수직한 방향에서 측정한 값보다 높았다. 또한 복합 표면의 경우 그 응용 특성을 분석하기 위하여 수분응집 실험을 진행하였고, 복합 표면을 이용한 미세 유체 칩의 제작을 통해서 물-기름 분리 특성을 분석하였다.
그루브 형상의 구조물을 가지는 초소수성 표면은 포토리소그래피 공정, RIE 공정 및 KOH 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통하여 실리콘 웨이퍼 위에 제작하였다. 동일한 구조적 변수를 가지는 초친수성 표면은 위의 공정들 이후에 추가적인 열산화막 공정을 통해 제작하였다. 접촉각 측정 결과를 통해서 초소수성 표면 위에서의 물방울은 최대 174°의 높은 접촉각과 2.1°의 낮은 접촉각 히스테리시스를 보이며 Cassie-Baxter 상태에 존재할 수 있었고, 초친수성 표면 위에서의 물방울은 최소 15°의 접촉각을 보이며 Wenzel 상태에 존재한다는 것을 확인하였다. 구조적 변수인 기둥간의 거리에 따른 접촉각의 차이를 보면 액체와 고체의 접촉 면적이 작아지면 접촉각이 상승하였으며 접촉 면적이 증가하면 접촉각이 감소하는 Wenzel 과 Cassie-Baxter 이론과 일치하는 결과를 보여주었다. 초친수성 표면의 경우 산화막의 두께가 두꺼울수록 표면 거칠기 Ra 가 증가하여 접촉각이 낮아지는 것을 확인하였다.
초소유성 표면은 일반적인 그루브 형상의 구조물로는 구현할 수 없기 때문에 초소수성 표면 제작을 위한 MEMS 공정들이 진행된 후 질화막을 제거하지 않고, 버섯 형상의 그루브 구조물을 제작하여 초소유성 표면을 얻었다. 초소유성 표면의 구조적 변수들은 TMAH 용액을 이용하여 습식 식각 공정을 진행할 때 IPA 용액의 첨가를 통해서 조절할 수 있었다. Cassie-Baxter 상태에 있는 hexadecane 액적의 접촉각은 최대 170°의 높은 접촉각과 8.1°의 낮은 접촉각 히스테리시스를 보여주었다. 또한 25 μm의 큰 기둥의 높이를 가지는 표면위에서의 hexadecane 액적이 더 먼 거리의 기둥간 거리까지 구조물 내부로 침투하지 않았으며 기둥간의 거리가 멀어질수록 접촉각이 상승하였다.
PMMA 코팅 공정, LIBWE 공정을 이용하여 그루브 형상의 구조물을 가지는 두 가지 타입의 복합표면을 파이렉스 유리기판 위에 제작하였다. 기둥의 상단부 표면이 친수성, 그루브 내부 표면이 소수성인 첫 번째 타입의 복합 표면은 물방울이 Cassie-Baxter 상태로 존재하였고, 기둥의 상단부 표면이 소수성, 그루브 내부 표면이 친수성인 두 번째 타입의 복합 표면은 물방울이 Wenzel 상태로 존재하였다. 두 가지 타입의 시편 모두 소수성의 면적이 증가할수록 접촉각이 상승하였고, 이방성 젖음 특성을 보여주었다. 수분응집 실험 결과에서는 친수성 표면에서 수분의 응집이 빠르게 진행되었고, 그 결과 두 번째 타입의 복합 표면에서는 그루브 내부를 빠르게 물로 채울 수 있었다. 첫 번째 타입의 복합 표면을 이용한 미세 유체 칩을 제작하여 물-기름 분리 실험을 진행한 결과에서 기름만이 미세 유체 칩의 소수성 채널 내부로 흘러들어가게 되어 물과 기름의 분리가 가능함을 보였다.

In this study, superhydrophobic surfaces, superhydrophilic surfaces, superoleophobic surfaces, and hybrid surfaces, which have both hydrophobicity and hydrophilicity, with a grooved structure were fabricated. In order to evaluate the wetting characteristics of the droplets on each of the prepared surfaces, the contact angles (CAs) of the droplets and the shapes of the droplets were evaluated. Since the droplet on the grooved structure shows anisotropic wetting characteristics, the CAs were measured in a parallel direction and a orthogonal direction to the groove line. As a result, the CAs of the droplets on all surfaces showed that the CAs measured in the parallel direction were higher than that measured in orthogonal direction. In addition, the experiments of moisture condensation of the hybrid surfaces were conducted to understand the applicability of the hybrid surface, and water-oil separation characteristics were analyzed through microfluidic chip that was fabricated using the hybrid surface.
The superhydrophobic surfaces with the grooved structure were fabricated on the Si wafer by photolithography, RIE (reactive ion etching), and wet etching using KOH solution. The superhydrophilic surfaces with the same structural parameters were fabricated through additional thermal oxidation process after the above processes. The CA results showed that the water droplets on the superhydrophobic surfaces could be in the Cassie-Baxter state with high CA of up to 174°and a low CAH (contact angle hysteresis) of 2.1°. The water droplets on the superhydrophilic surfaces showed low contact angle of at least 15° and were present in the Wenzel state. Also, as the contact area between the liquid and the solid decreased, the CA results increased and that were consistent with the Wenzel and Cassie-Baxter theories. In the case of superhydrophilic surface, it was confirmed that the contact angles decreased by increasing the surface roughness (Ra) as the thickness of oxide layer on Si increased.
Since the superoleophobic surfaces could not be realized by the general grooved structure, the grooved mushroom structures were fabricated without removal the nitride layer of Si wafer to obtain the superoleophobic surfaces after the MEMS processes for fabricating the superhydrophobic surfaces. The structural parameters of grooved mushroom structures could be changed by controlling the additional IPA solution during Si wet etching process using TMAH solution. The CAs of the hexadecane droplets in Cassie-Baxter state showed that high CA of 170° and low CAH of 8.1° could be obtain on the superoleophobic surfaces. In addition, the hexadecane droplets on the surfaces with the 25 μm ridge height did not penetrate into the inside grooved mushroom structure with the 200 μm distance between ridges, and the CAs increased as the distance between ridges increased.
Using PMMA coating process and LIBWE (laser-induced backside wet etching) process, two types of the hybrid surface with grooved structure were fabricated on Pyrex glass substrate. The type 1 hybrid surfaces where the top surface of the ridge was hydrophilic and the inner surface of the groove was hydrophobic showed that the water droplets on it were in Cassie-Baxter state. The water droplets on the type 2 hybrid surfaces where the top surface of the ridge was hydrophobic and the inner surface of the groove was hydrophilic existed in Wenzel state. In both types of hybrid surfaces, the CAs increased with increasing hydrophobic area and they showed anisotropic wetting characteristics. The moisture condensation experiments in the type 2 hybrid surface indicated that the moisture was rapidly condensed on hydrophilic surfaces and the water could only be filled inside the groove whose surface is hydrophilic. In addition, water-oil separation experiments showed that the oil could be separated from the mixed solution of water-oil through the channel of the microfluidic chip with the type 1 hybrid surface.