KR20170035951A - 침수된 표면의 미세 형상 속 기체 유지 장치 및 방법 - Google Patents

침수된 표면의 미세 형상 속 기체 유지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 형상이 그 안에 형성된 미세 구조화된 표면에 관한 것이며, 미세 형상이 그 안에 형성되고, 미세 형상들 사이에 공간이 형성되며, 미세 구조화된 표면은 공간에 전극 쌍 중 하나 이상의 전극을 포함하고, 전극 쌍의 전극들은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 공간 내에 위치한 하나 이상의 전극은 전해질 용액이 미세 형상을 침투할 때 미세 형상들 사이에서 기체를 발생시키도록 구성되었다. 중요한 것은, 각 전극은 어떠한 외부 동력원에도 연결되지 않는다는 것이다. 미세 구조화된 표면이 침수된 조건에서 유실된 기체를 자가 동력으로 다시 보충하므로, 발명의 시행과 사용에 있어서 에너지를 공급하거나 기체 보충을 조정할 추가공급은 필요치 않다.

Description

침수된 표면의 미세 형상 속 기체 유지 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR GAS MAINTENANCE IN MICROFEATURES ON A SUBMERGED SURFACE}
본 특허 출원은 2014년 7월 18일에 출원된 미국 특허 가출원 제 62/026,474호의 우선권을 주장한다. 우선권 주장은 35 U.S.C. § 119에 의거한다. 상기 특허 출원은 마치 본 명세서에 완전히 제시된 것처럼 참고문헌으로서 인용된다.
발명의 기술분야는 대체로 초소수성 표면을 포함하는 미세 구조화된 소수성 표면을 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로 액체에 잠겨있는 동안 미세 구조화된 소수성 표면에 기체를 유지시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날의 관례에 의하면, 초소수성 표면(SHPo)은 공기 중 수분이 150도보다 큰 접촉 각을 형성하는 고체 표면으로 정의된다. 모든 구조화된 소수성 표면이 SHPo는 아니지만, 이와 같이 큰 접촉 각은 아직까지는 구조화된 소수성의 표면에서만 발견되었는데, 이 구조는 전형적으로 수 마이크로미터 크기이다. SHPo 표면의 전형적인 시범은 물방울이 거의 저항을 받지 않으며 그 위에서 굴러다니는 것이다. 최근 들어, SHPo 표면은 물에 잠긴 상태(즉, 물방울이 아닌)에서도 잠재성을 보였는데, 그 표면 구조 또는 미세 형상이 수면 아래에서 기체 필름을 유지할 수 있기 때문이다. 한 가지 주목할 만한 응용예는 항력 감소인데, 미세 형상 안에(그 사이에) 붙잡힌 기체가 그 위에 흐르는 물에 윤활 작용하여, 효과적으로 물이 표면에서 미끄러질 수 있도록 하기 때문이다. 고체 표면 위에서 액체가 얼마나 미끄러울 수 있는가를 정략적으로 정의한 것이 미끄러짐 길이인데, 이것은 SHPo 표면의 출현 이전까지 1 마이크로 미터(너무 짧아서 항력감소에는 쓸모가 없다)를 넘는 경우가 발견된 적이 없었다. 몇몇 SHPo표면이 수백 마이크로미터에 달하는 효과적인 미끄러짐 길이를 보였는데, 이는 일반적인(즉, 큰) 유체 시스템에조차 유용할 정도로 충분히 큰 값이다. 난류에서의 항력 감소 역시 보고된 바 있다. 항력 감소에 대하여, SHPo 표면은 현존하는 기포 주입법보다 우수한 대안으로 여겨지는데, 왜냐하면 표면 위의 안정된 기체가 SHPo 방법을 수동적이고(즉, 에너지 효율적) 단순하게(즉, 실시하기 쉽게) 만들기 때문이다. 게다가, SHPo 표면의 최소화된 고체-액체의 접촉은 표면 오손, 특히 생물오손에 대항 할 수 있다. 큰 잠재력에도 불구하고, SHPo 표면에 의한 항력 감소는 실험실 환경에 엄격하게 제한된 것으로 여겨졌는데, 왜냐하면 최근까지 그러한 SHPo 표면이 실제 조건하에서 기체층을 충분히 오랫동안 유지할 수 있다는 것이 알려지지 않았기 때문이다.
SHPo 표면의 정의에 부합하는 구조화된 소수성 표면을 전형적인 예로서 간주하면, SHPo 표면은 일단 갇혀있는 기체를 잃고 습윤상태가 되면(즉, 액체가 미세 형상 사이에 스며들면) 더 이상 SHPo 표면이 아니다. 액체 속 SHPo 표면의 습윤전이는 자발적인 경향이 있기 때문에, 다양한 촉발인으로부터 촉발되는 액체 함유는 항력 감소에 대해 되돌릴 수 없는 효과를 갖는다. 예를 들면 도 1의 경우, SHPo 표면의 비 습윤 상태(위)에서 습윤상태(아래)로의 전이를 도시한다. 예를 들면, 표면은 결함이 있거나 액체에 압력이 가해지거나, 또는 시간이 지나며 미세 형상 내의 기체가 액체로 확산 될 경우 습윤상태가 되고 미끄러짐 효과를 잃을 수도 있다. 일단 SHPo 표면이 도 1에 도시된 것처럼 습윤상태가 되면, 초소수성과 항력감소, 생물오손 방지 등에 있어서의 부수적 효과를 잃게 된다.
최근 들어, 액체에 잠겨 그 압력(즉, 액체가 물일 경우 정수압)에 대항하는 구조화된 소수성(즉, SHPo) 표면 위 기체층의 안정성을 증가시키기 위해 여러 가지 접근 방법이 제시되었다. 예를 들면, 기체층이 능동적으로 혹은 수동적으로 공기압으로 가압될 수 있고, 이로 인해 상승 된 액체 압력을 견딜 수 있다. 대안적으로, SHPo 표면이 액체 압력에 더 저항할 수 있도록 수직적인 구조가 도입되었다. 그러나, 이와 같은 이전의 개선사항들은 액체 압력이 상대적으로 작지 않은 이상 작동하지 않았다(0.5 atm조차 너무 높다). 게다가, 이러한 접근법들은 고작 예방조치에 불과하다. 그것들은 일단 기체층이 방해 받으면 비효과적이게 된다. 대부분의 실적용에서 기체 포집 표면을 활용하기 위하여 다양한 악조건 하에서도 구조화된 소수성 표면에 기체를 유지하는 능력이 필요하다. 견고함을 위해 더 바람직한 것은 어떠한 예상치 못한 사건에 의해서 표면이 습윤상태가 되더라도 기체를 복원할 수 있는 능력이다. 성공적인 전략은 표면 구조에 스며든 액체를 새로운 기체로 대체하여 안정적인 기체 필름을 복원할 수 있어야 한다.
미국 특허 출원공보 제2013/0122195호는 자가 조정하는 방식으로 초소수성을 복원하고 유지하는 방법 및 장치를 설명한다. 여기서, 자가 조정이란 어떠한 별개의 감지 또는 제어 메커니즘 없이도 복원 및 유지가 이루어지는 것을 의미한다. 더 구체적으로, 존재하던 기체의 유실을 탐지할 감지 메커니즘 또는 새로운 기체를 제공할지를 결정할 제어 메커니즘을 도입하지 않고도 오직 존재하던 기체가 손실된 때에 그리고 손실된 곳에서만 기체가 보충된다.
상기 언급된 195호 공보의 자가 조정되는 기체 보충을 위한 하나의 전략에서는, 보충기체가 침범하는 물의 전기분해로부터 발생한다. 이러한 기체 발생은 전기분해반응(즉, 전력으로 구동되는 전기화학적 반응)이기 때문에, 초소수성 표면은 필요한 에너지를 공급하는 외부 동력원에 전기적으로 연결된다. 그러나 실시에 있어서 초소수성의 자가 조정되는 복원과 유지를 더 실용적으로 만들기 위해서는, 기체가 복원되는 표면이 외부 동력원 같은 어떠한 외부 도움도 필요로 하지 않는 것이 매우 바람직하다. 즉, 자가 조정 방식뿐만 아니라 자급자족방식(즉, 어떠한 외부 도움의 필요 없이도)으로 초소수성을 유지하고 복원할 수 있는 표면을 도입할 필요성이 있다.
'195호 공보의 자가 조정되는 기체 보충을 위한 또 다른 전략에서, 보충되는 기체는 외부로부터의 에너지 공급을 필요로 하지 않는 화학적인 수단에 의해 화학 반응기로부터 발생된다. 그러나 자급자족 방식일 뿐 아니라 자가 조정 방식임에도 불구하고 화학적 기체 발생은 비효율적이고 짧은 수명을 가질 뿐이라는 것이 밝혀졌다. 예를 들면 이 방법에서는, 반응 표면에 남는 잔류 전해질(즉, 습기)이 있는데, 이는 기체 발생이 표면이 비 습윤 상태로 복원되기 위해 필요한 시간을 넘어 계속되도록 야기할 수 있다. 이 때문에, '195 공보에 개시된 타입의 화학 반응에 기초한 기체 발생 표면은 짧은 수명으로 고통 받았다. 더 긴 작동수명을 갖는, 자가 제어되고 자급자족하는 기체 유지 방법이 필요하다.
일 실시예에서, 젖지 않는(물에서 혹은 물과 함께 사용될 시 소수성) 미세 형상 또는 다른 구조를 갖는 미세 구조화된 표면이 개시되는데, 미세 형상 또는 다른 구조는 전기화학적 반응을 통하여 기체를 발생시키는 자가 조정, 자가 동력의 기체 발생기를 갖는다. 미세 형상은 예를 들면, 트렌치(trench), 리지(ridge), 지주, 구멍, 무작위 구조 또는 그와 같은 것을 포함할 수 있다. 자가 조정이란 기체의 유실을 감지하거나 기체를 발생시킬 때인지 결정하는 어떠한 다른 구성요소 없이도 미세 형상의 전부 또는 일부분이 전해질(즉, 전기전도성 액체, 예를 들면 바닷물)로 채워졌을 때 미세 형상 안에서 발생하고 미세 형상에 전해질이 없을 때는 발생하지 않는 기체를 말한다. 자가 동력은 외부 전력 공급원과 같은 어떠한 외부 도움 없이도 동력 공급 메커니즘 또는 표면 내에 내장된 특성에 의하여 발생하는 기체를 의미한다. 전기화학 반응은 전기 에너지를 필요로 하기 때문에, 개시된 장치는 배터리와 같은 외부 동력원을 필요로 하지 않도록 자가 동력일 필요가 있다. 자가 동력의 기체 발생은 외부 도움을 필요로 하지 않는 자급자족의 기체 발생 양상 또는 디자인의 부분집합이다. 예를 들면, 화학적인 반응에 의한 기체 발생은 자급자족이지만 자가동력은 아니다. 이 차이점이 중요한데, 왜냐하면 전기화학적 반응에 기초한 기체 발생기는 화학 반응에 기초한 기체 발생기에 비하여 훨씬 더 긴 수명을 갖기 때문이다.
본 발명은 액체에 잠겼을 때, 기체를 보유하는 미세 구조화된 표면(즉, 초소수성 표면)에 기체를 유지하는 것을 돕는다. 활용예로는 (1) 액체 속에서 움직이는 고체 물체(예를 들면, 수상 차량 또는 선박)의 표면 마찰 항력을 감소시키는 것, (2) 고체 표면을 지나 흐르는 액체(예를 들면 파이프 유동), (3) 물 속에서 생물오손을 겪지 않거나 덜 겪는 표면을 포함한다.
일 실시예에서, 미세 구조화된 표면은 기판 위에 배치된 복수의 미세 형상을 포함하는데, 복수의 미세 형상들은 그 내부 표면들 사이에 위치한 공간을 형성하며, 복수의 미세 형상들 사이의 내부 표면은 소수성이다. 미세 구조화된 표면은 전극 쌍의 제2 전극에 전기적으로 연결된 전극 쌍의 제1 전극으로부터 형성된 기체 발생기를 포함하고, 제1 전극은 복수의 미세 형상들 내부 표면들 사이에 위치한 공간 안에 배치되어 미세 구조화된 표면이 전해질 용액에 잠겨있는 동안 미세 형상들 사이에 위치한 공간의 일부분이 전해질 용액으로 채워졌을 때 자발성 전기화학적 반응에 의하여 기체를 발생시키도록 구성된다. 이러한 자발성 전기화학적 반응에 의한 기체 발생은 외부 동력원의 존재를 필요로 하는 보통의 전기분해 반응과는 다르게 갈바니(galvanic) 반응의 일부분이다. 비록 전기분해 반응 대신에 자발성 반응이지만, 갈바니 과정은 여전히 전기화학적이며, 그러므로 반응은 시스템의 전기적 상태에 따라 진행되거나 멈춘다. 예를 들어, 발생된 기체가 전극 표면으로부터 전해질을 분리시킬 때, 전기 회로는 개방되며 전기화학적 반응은 멈춘다. 화학반응에서는 이와 같지 않다. 발생된 기체가 반응 면으로부터 전해질을 분리시킨 후에도, 표면의 잔류 액체(예를 들어, 습기)가 일정 시간 동안 화학반응을 연장시킨다. 연장된 반응은 기체 발생의 자가 조정하는 성질을 훼손 하고 장치의 수명을 단축시킨다.
또 다른 실시예에서는, 미세 구조화된 표면은 기판 위에 배치되어 그 내부 표면들 사이에 위치한 공간을 형성하는 복수의 미세 형상을 포함하며, 복수의 미세 형상들 사이의 내부 표면은 소수성이다. 미세 구조화된 표면은 서로 전기적으로 연결된 전극 쌍의 제1 전극과 제2 전극으로부터 형성된 기체 발생기를 포함하고, 제1 및 제2 전극은 복수의 미세 형상의 내부 표면들 사이에 위치한 공간 안에 배치되며, 미세 구조화된 표면이 전해질 용액에 잠겨 있는 동안 공간의 일부가 전해질 용액으로 채워 졌을 때 자발성 전기화학적 반응에 의하여 미세 형상들 사이에 기체를 발생시키도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 미세 구조화된 표면을 형성하는 방법은 기판의 표면 위에 전극을 적층시키는 단계; 전극을 담고 있는 기판의 표면에 대하여 복수의 공동을 그 안에 포함하는 주형을 고정시키는 단계; 복수의 미세 형상들을 형성하기 위해 기판의 재료가 복수의 공동으로 들어가도록 주형과 기판 사이에 압력을 가하는 단계; 그리고 기판으로부터 주형을 분리시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 또는 이점은 하기의 상세한 설명으로부터 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명확해 질 것이다. 그러나 상세한 설명과 특정 예는 본 발명의 몇몇 실시예를 나타내는 동시에 제한이 아닌 설명의 방법으로 주어졌음을 이해해야 한다. 본 발명의 범주 내에서 그 사상을 벗어나지 않으면서 많은 변형과 수정이 이루어질 수 있으며, 본 발명은 그러한 모든 변형물을 포함한다. 더욱이 일 실시예의 양상은 다른, 상이한 실시예에서도 활용 될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 SHPo 표면을 도시한다. 도1은 SHPo 표면의 비 습윤 상태(위)로부터 습윤 상태(아래)로의 전이를 도시한다.
도 2a-2c는 전극 쌍 중 하나의 전극이 인접한 미세 형상들 사이에 위치한 공간 안에 배치된, 미세 구조화된 표면의 일 실시예를 도시한다. 도 3a의 A-A선을 따라 자른 단면도가 도시된다. 도 2a는 비 습윤 상태의 미세 구조화된 표면을 도시한다. 도 2b는 부분적으로 습윤상태에 있는 미세 구조화된 표면을 도시한다(예를 들어, 인접한 미세 형상들 사이의 공간 중 하나가 전해질로 채워짐). 도 2c는 한 전극에서 발생된 기체가 화살표로 표시된 것처럼 공간으로부터 전해질 유체를 밀어내는 비 습윤화 상태에 있는 미세 구조화된 표면을 도시한다.
도 3a와 도 3b는 도 2의 실시예의 두 가지 상이한 전극 구성을 도시한다. 도 3a는 와이어(wire) 패턴 실시예를 도시한다. 도 3b는 그물 패턴 실시예를 도시한다.
도 4a-4c는 전극 쌍이 인접한 미세 형상들 사이에 위치한 공간 안에 배치된, 미세 구조화된 표면의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 5a의 A-A 선을 따라 자른 단면도가 도시된다. 도 4a는 비 습윤 상태의 미세 구조화된 표면을 도시한다. 도 4b는 부분적으로 습윤 상태(예를 들어, 인접한 미세 형상들 사이의 공간 중 하나가 전해질로 채워진)인 미세 구조화된 표면을 도시한다. 도 4c는 전극 쌍에서 발생한 기체가 화살표로 표시된 것처럼 공간으로부터 전해질 유체를 밀어내는 비 습윤화 상태의 미세 구조화된 표면을 도시한다.
도 5a와 도 5b는 도 4 실시예의 두 가지 상이한 전극 구성을 도시한다. 도 5a는 와이어 패턴 실시예를 도시한다. 도 5b는 그물 패턴 실시예를 도시한다.
도 6a-6e는 일 실시예에 따라 미세 구조화된 소수성 표면을 제조하는 방법을 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 미세 구조화된 소수성 장치의 사시도를 도시한다. 본 실시예에서, 미세 구조화된 표면은 일련의 트렌치들과 와이어 패턴을 갖도록 구성된 전극을 포함한다.
도 8a-8d는 일 실시예의 작동을 설명하는 미세 구조화된 소수성 장치의 사진 패널을 도시한다. 검은색 수직 선은 전극이다. 검은색 수평선은 미세 형상들 사이 공간에서 형성된 기체이다(이것은 검은색 선이 습윤상태인 곳에서 사라지므로 명확해 보인다). 도 8a는 표면이 비 습윤 상태인 미세 구조화된 소수성 장치를 도시한다. 도 8b는 표면 일부가 습윤 상태인 미세 구조화된 소수성 장치를 도시한다. 도 8c는 기체가 활발하게 형성되며 전해질을 밀어내는 비 습윤화 상태인 표면이 있는 미세 구조화된 소수성 장치를 도시한다. 도 8d는 표면이 비 습윤화된 상태이고 도 8a의 표면과 닮은, 미세 구조화된 소수성 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 미세 구조화된 소수성 표면(2)을 도시한다. 미세 구조화된 표면(2)은 복수의 미세 구조 또는 미세 형상(6)이 배치된 기판(4)을 포함한다. 미세 형상(6)은 일반적으로 기판(4)에 대해 대체로 수직방향으로 배향된다. 본 명세서에서 미세 형상(6)이라는 용어의 사용은 미세한 물리적 형상을 의미하는데, 그 크기는 보통 마이크로미터 스케일(scale)이지만 그보다 작거나 클 수 있다. 미세 형상(6)은 정렬되거나 임의로 배치될 수 있다. 미세 형상(6)은 격자, 트렌치(trench), 리지(ridge), 지주, 필러(pillar), 구멍, 무작위 구조 또는 다공성 물질을 포함할 수 있다. 기판(4)은 임의의 수의 재료로부터 형성될 수도 있으나, 본 방법에서 설명되었듯이, 미세 구조화된 표면(2)을 형성하기 위해 성형 기술이 사용되었다면 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다. 미세 형상(6)은 기판(4)의 표면에 대해 상대적으로 돌출하는 높이를 갖고 있다. 높이는 다양할 수 있으나 전형적으로는 항력 감소 응용예들을 위해 수십 마이크로미터(예를 들어, 높이=50μm)일 수 있고, 오손방지 응용예들을 위하여 한자릿 수 마이크로미터 범위(예를 들어, 높이=5μm)로 감소 될 수 있다. 미세 형상들(6)은 간격을 갖고 서로 떨어져 있다. 피치는 가장 인접하는 미세 형상(6)들 사이의 중심 간 거리이다. 전해질(8)을 포함하는 액체 용액이 미세 구조화된 표면(2) 위에 배치된다. 인접하는 미세 형상(4)들 사이의 공간이 기체(10)로 채워지면, 액체와 기체 사이의 압력차에 따라 침하하거나 부풀어 오르는 메니스커스(meniscus)가 형성된다.
미세 형상(6)의 높이는 침하하는 메니스커스가 기판(4)에 닿지 않도록 충분히 높아야 한다. 이 높이는 또한 미세 형상(6)의 피치의 함수이다. 미세 구조화된 표면(2)은 물 또는 관심 있는 액체가 젖지 않는, 예를 들어, 표면과 90도보다 큰 접촉 각을 형성하는 재료로 만들어지거나 그렇게 만들어진 표면을 갖는 미세 형상(6)을 갖는 표면을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 이는 본 명세서에 설명된 것과 같이 "소수성"이라는 용어의 사용에도 불구하고 액체가 물에 한정되지 않고 물, 기름, 용매를 포함한 어떤 종류라도 될 수 있다는 것을 의미한다.
미세 형상(6)은 기판(4)과 같거나 또는 상이한 재료로부터 형성될 수도 있다. 예를 들면, 어떤 실시예에서, 미세 형상(6)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 또는 그와 비슷한 물질로부터 형성될 수 있다. 미세 형상(6)은 주로 특별히 소수성인 물질로부터 만들어질 수 있다. 대안적으로, 미세 형상(6)의 적어도 일부는 PTFE나 그와 비슷한 소수성 물질로 코팅 될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 미세 형상(6)의 상부 표면은 소수성이 아니고 오직 미세 형상(6)들 사이의 내부 표면만이 소수성이다. 전형적인 적용사례 중에, 전기 전도성이 있는 전해질(8) 유체가 미세 구조화된 표면(2) 위에 배치된다. 전형적인 전해질(8)은 바닷물 또는 이온원소가 그 안에 녹아있는 물을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 미세 구조화된 표면(2)은 서로 통전되는, 예를 들면, 전도체(16)를 통하여 서로 연결된 제1 전극(12)과 제2 전극(14)을 포함한다. 전도체(16)는 와이어, 전선, 트레이스(trace), 트랙(track), 바이어(via), 또는 그와 비슷한 것일 수 있다. 제1 전극(12)과 제2 전극(14)은 함께 미세 형상(6) 사이에서 기체(10)를 발생시키도록 구성된, "내장된" 또는 "자체 동력"의 기체 발생기를 만든다. 중요하게도, 기체(10)는 어떠한 적용된 동력원의 도움 없이도 전극(12)에서 발생한다. 대신, 제1 전극(12), 제2 전극(14), 그리고 전해질(8)은 뚜렷이 다른 표준 전극 전위(SEP)(또는 표준 환원 전위)를 갖는 물질들로부터 만들어지는데, 이로 인해 전해질(8)이 미세 형상(6)들 사이의 공간을 채울 때 두 전극(12, 14)과 전해질(8)이 제 1전극(12)에 자발적으로 기체(10)를 발생시키는 전기화학적 셀[또는 더 구체적으로 갈바니셀(galvanic cell)]을 형성한다. 자발성 반응이 일어나기 위해서는, 갈바니 셀의 전체적인 전위가 제1 전극(12)에서의 기체 발생에 필요한 과전압을 극복해야 한다. 과전압이란 반 반응(half reaction)의 열역학적으로 결정된 환원 전위와 산화 환원 현상이 실험적으로 관찰되는 전위 간의 전위 차이(즉, 전압)를 말한다. 예를 들면, 기체(10)의 기포형성은 과전압을 야기한다. 또한, 제1 전극(12)에서의 기체 발생에 필요한 과전압의 크기는 제2 전극(14)의 과전압보다 작아야 하는데, 그리하여 기체는 제2 전극(14)보다는 제1 전극(12)에서 발생한다. 반 반응에서 기체를 발생시키는 어떤 전해질(8)이라도 여기서 사용될 수 있다.
다음의 기준은 전해질(8) 속에 잠긴 미세 구조화된 표면(2)의 작동에 필요한 조건들을 제시하는데, 여기서 미세 구조화된 표면(2)은 미세 형상(6)들 사이의 공간(13) 안에 위치하여 가스 발생에 사용되는 제1 전극(12)과, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 공간(13) 안에 위치할 수도 있고 위치하지 않을 수도 있는 제2 전극(14)을 갖는다. 본 발명에서 기체 발생은 제2 전극(14)에서 눈에 띄게 일어나지는 않고 그보다는 제1 전극(12)에서 일어난다. 첫 번째 조건에 대해, 제2 전극(14)의 SEP(SEP2라고 표시됨)는 전해질(8)의 SEP(SEP3라고 표시됨)와 달라야 하며, 아래의 식. 1로 나타낼 수 있다.
Figure pct00001
이 조건(식. 1)은 제2 전극(14)과 전해질(8) 사이에 반응이 있도록 확실히 하기 위해 요구된다.
두 번째 조건은 전해질(8)의 반 반응이 표준 압력과 표준 온도하에서 기체(10)를 생성해야 한다는 것이다. 이 조건은 반응이 기체를 발생시키는 것을 확실히 하기 위함이다.
세 번째 조건은 제2 전극(14)과 전해질(8) 사이의 이론적인 표준 셀 전위 차이(SEP2- SEP3)가 OP3/ 1으로 표시되는 제1 전극(12) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압보다 커야 한다는 것인데, 이것은 아래 식. 2에 나타나 있다.
Figure pct00002
이 조건(식. 2)은 기체(10)가 제1 전극(12)에서 발생할 수 있도록 확실히 하기 위함이다.
네 번째 조건은, OP3/1로 표시되는 제1 전극(12) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압이 그 크기가 OP3/2로 표시되는 제2 전극(14) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압보다 작아야 한다는 것인데, 이는 아래 식. 3에 나타나 있다.
Figure pct00003
이 조건(식. 3)은 기체(10)가 제2 전극(14)보다는 주로 제1 전극(12) 상에서 발생되도록 확실히 하기 위함이다. 4가지 조건 모두가 만족되어야 기체 발생이 적절하게 작동한다.
위의 조건들은 가스 발생이 환원반응에 의한 것인지 산화반응에 의한 것인지에 따라 두 가지 시나리오로 구분될 수 있다는 것을 유념하라. 만약 제1 전극(12) 상에서의 기체발생이 환원반응(예를 들어,
Figure pct00004
)에 의한 것이라면 제2 전극의 SEP, 즉 SEP2는 아래 식. 4에서 볼 수 있듯이 전해질의 SEP 즉, SEP3 보다 작아야 한다.
Figure pct00005
추가적으로, 전해질(8)의 반 반응은 표준 압력과 표준 온도하에서 기체를 생성해야 한다. 더 나아가, 제2 전극(14)과 전해질(8) 사이의 이론적인 표준 전극 전위(SEP2-SEP3)는 제1 전극(12) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압 즉, OP3/1 보다 작아야(즉, 더 음성적) 하는데, 이는 아래 식. 5에 나타나 있다.
Figure pct00006
제1 전극(12) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압 OP3/1은 제2 전극(14) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압 OP3/ 2 보다 더 커야(즉, 덜 음성적이어야)하는데, 이는 아래 식. 6에 나타나 있다.
Figure pct00007
대안적으로, 만약 제1 전극(12) 상의 기체 발생이 산화 반응(예를 들어,
Figure pct00008
)에 의한 것이라면, 제2 전극(14)의 SEP인 SEP2 는 전해질(8)의 SEP인 SEP3 보다 커야 하는데, 이는 아래 식. 7에 나타나 있다.
Figure pct00009
전해질(8)의 반 반응은 표준 압력과 표준 온도하에서 기체를 생성해야 한다. 제2 전극(14)과 전해질(8) 사이의 이론적인 표준 전극 전위(SEP2-SEP3)는 제1 전극(12) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압 OP3/1보다 더 커야(즉, 더 양성적이어야)하는데, 이는 아래 식. 8에 나타나 있다.
Figure pct00010
제1 전극(12) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압 OP3/ 1는 제2 전극(14) 상의 전해질(8)의 반 반응의 과전압 OP3/2보다 더 작아야(즉, 덜 양성적이어야) 하는데 이는 아래 식. 9에 나타나 있다.
Figure pct00011
구체적으로, 일 실시예에 따르면, 만약 전해질(8)이 중성이거나 알칼리성 수용액(예를 들면, 바닷물)이면, 표준 전극 전위는
Figure pct00012
로부터 약 -0.83V이다. 만약 전해질(8)이 산성 수용액이면, 표준 전극 전위는
Figure pct00013
으로부터 0V이다. 일단 전해질(8)이 선택되면, 제1 전극(12)과 제2 전극(14)에 대한 가능한 재료 조합을 얻을 수 있고, 이것은 표준 전극 전위와 과전압에 관하여 위에 언급된 제한 조건들을 만족시킨다. 구체적인 예를 들자면, 제1 전극(12)은 금속이나 니켈(nickel)함유 금속 합금으로부터 만들어질 수 있고, 제2 전극(14)은 금속이나 마그네슘(magnesium)함유 금속 합금으로부터 만들어질 수 있으며, 그리고 전해질(8)은 바닷물일 수 있다(비록 민물이나 산성 용액, 염기성 용액, 그리고 그와 비슷한 다른 전해질도 사용될 수 있지만 말이다). 이 경우, 생성된 기체(10)는 제1 전극(12)의 수소이다. 아래의 표 1은 테스트를 거쳐 성공적인 결과를 가져온 다양한 물질과 SEP, 그리고 과전압 값을 열거한다.
Figure pct00014
전해질(8)이 미세 형상(6)들 사이의 공간의 적어도 일부분을 채우고 기체를 발생시키는 전극과 접촉하는 곳에서, 그리고 그러한 때에 일어나는 자발성 전기화학적 반응(즉, 갈바니 반응)에 의해 기체(10)(예를 들면, 수소)가 자동적으로 발생한다. 미세 형상(6)들은 전극(12) 상에서 발생하는 기체(10)가 인접한 미세 형상(6)들 사이에 형성된 국부적인 공간, 틈, 또는 우물(13) 안에 갇혀 성장하도록 설계되고 이격된다. 일단 발생된 기체(10)의 부피가 미세 형상(6)의 꼭대기(즉, 상부 표면)까지의 부피로 성장하면, 기체(10)는 미세 구조화된 표면(2)을 가로질러 미세 형상(6)들 사이에서 옆으로 퍼진다. 이와 관련하여, 미세 구조화된 표면(2)은 부분적인 또는 완전한 습윤 상태에서 비 습윤 상태로 복원될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 전극(12)은 기판(4) 상에 배치되거나 기판(4) 안에 매립된다. 도2a-2c는 인접한 미세 형상(6)들 사이에 형성된 공간(13) 안에서 기판(4) 상에 위치한 제1 전극(12)을 도시한다. 이 실시예에서, 제1 전극(12)은 미세 형상(6)들 사이에 위치한 틈이나 공간(13)의 바닥 면에 위치한다. 대안적으로, 제1 전극(12)은 미세 형상(6)의 측벽 면에 위치할 수도 있다. 그러므로, 제1 전극(12)은 미세 형상(6)들 사이의 어느 위치에든 위치할 수 있는데, 여기서 미세 형상(6)들의 사이라 함은 미세 형상(6)들 사이의 내부 표면과 공간(13)을 의미한다[미세 형상(6)의 상단 부 또는 노출된 표면을 제외한다]. 도 2a-2c의 실시예에서, 제2 전극(14)은 미세 형상(6)들 사이에 위치하지 않았음을 유의하라. 대신, 제2 전극(14)은 미세 형상(6)들에 의해 형성된 내부 공간(13)의 외부에 위치한다.
제1 전극(12)에 의하여 발생한 기체(10)는 인접한 미세 형상(6)들 사이에 형성된 국소적인 공간 또는 우물(13) 안에서 갇혀 성장한다. 본 실시예에서 기체 발생은 자가 조정된다는 것에 유념하라. 특히, 미세 구조화된 표면(2)이 부분적인 또는 완전한 습윤상태일 때만 전기 화학적인 회로가 "폐쇄되고" 기체 발생이 일어난다. 일단 전해질(8)이 인접한 미세 형상(6)들 사이의 공간(13)을 침투하면 제1 전극(12)과 제2 전극(14) 사이에서 회로가 폐쇄되고 전기화학적 반응이 진행되며, 그리하여 미세 형상(6)들 사이에 위치한 공간(13) 안의 기체(10)를 방출한다. 충분한 기체 발생 후에, 전기화학적 회로는 개방되게 되며 전기화학반응은 멈춘다. 이러한 특성은 특히 유리한데, 그 이유는 기체 발생기(즉, 전극)를 끄고 켜기 위해 회로를 감지하고 제어할 필요가 없기 때문이다; 다시 말하면, 기체 발생기는 미세 형상(6)들 사이의 전해질(8)의 존재여부에 반응하기 위해 자가 조정된다.
기체 발생은 미세 구조화된 표면(2)을 어떤 외부 동력원(예를 들면, 배터리)에 연결하지 않고도 자발적으로 일어난다; 다시 말하면, 기체 발생은 자급자족적이다. 그러나, 기체 발생이 순수한 화학 반응(즉, 전기 동력이 개입되지 않은)보다는 전기화학적 반응(즉, 전기를 동력원으로 하지만 내부 에너지를 사용한다)의 산물이기 때문에, 혹자는 개시된 기체 발생 방법을 자급자족뿐만 아니라 자가 동력 방식이라고 부를 수도 있다. 상기 차이점과 관련하여 추가적으로, 미세 형상(6)들 사이에 위치한 기체 발생기(즉, 전극)가 본 자가 동력식, 전기화학 반응의 반응물이 아니라는 것에 주목할 가치가 있다. 미세 구조화된 표면(2)은 기체 발생을 자가 조정하고 자가 동력으로 하여, 미세 형상(6)들 사이에 갇힌 기체(10)를 유지할 내장된 능력을 갖는다.
도 3a는 미세 구조화된 표면(2)의 일 구성의 평면도를 도시한다. 도 2a, 도 2b, 도 2c는 도 3a의 A-A 단면 선을 따라 취한 도면이다. 이 실시예에서, 제1 전극(12)은 미세 형상(6)들 사이에 또는 그 아래에 위치한 대체로 평행한 와이어들의 패턴으로서 형성된다. 미세 형상(6)은 기판(4)의 표면을 가로질러 연장하는 격자 또는 그와 비슷한 것들로서 형성된다. 제1 전극 와이어(12)는 인접한 미세 형상(6)들 사이에 형성된 공간(13)을 따라 또는 가로질러 연장된다. 도 3b는 미세 구조화된 표면(2)의 또 다른 구성의 평면도를 도시한다. 이 실시예에서, 제1 전극(12)은 미세 형상(6)들 사이 또는 그 아래 위치한 그물형 패턴으로서 형성된다.
도 4a-4c는 미세 구조화된 표면(2)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 제1 전극(12)과 제2 전극(14)은 둘 다 미세 형상(6)들 사이에 형성된 공간(13) 안에 위치한다. 다시 한번, 제1 전극(12)과 제2 전극(14)은 직접적으로 또는 전도체(16)를 통하여 전기적으로 연결된다. 제1 전극(12), 제2 전극(14), 그리고 전해질(8)은 뚜렷하게 다른 표준 전극 전위를 갖는 물질로부터 만들어지는데, 그리하여 전해질(8)이 미세 형상(6)들의 공간(13)을 채울 때 두 전극(12, 14) 그리고 전해질(8)이 제1 전극(12)에서 자발적으로 기체(10)를 발생시키는 전기화학적 셀(더 구체적으로, 갈바니 셀)을 형성한다. 자발성 반응이 일어나기 위해, 갈바니 셀의 전체적인 전위는 제1 전극(12)에서의 기체 발생을 위해 필요한 과전압을 극복하여야 한다. 또한, 제1 전극(12)에서의 기체 발생을 위해 필요한 과전압의 크기는 제2 전극(14)의 과전압보다 작아야 하고, 이로써 기체가 제2 전극(14)보다는 제1 전극(12)에서 발생한다. 반 반응에서 기체를 발생시킬 어떠한 전해질(8)이라도 여기에 사용될 수 있다. 위에 설명된 것과 같은 4가지 조건의 기준이 본 실시예에도 동일하게 적용된다.
도 5a는 도 4의 실시예의 미세 구조화된 표면(2)의 일 구성의 평면도를 도시한다. 도 2a, 도 2b 그리고 도 2c는 도 3a의 A-A 단면선을 따라 취한 도면이다. 본 실시예에서, 제1 전극(12)과 제2 전극(14) 중 하나 또는 둘 모두는 미세 형상(6)들의 사이 또는 그 아래에 대체로 평행한 와이어들의 패턴으로서 형성된다. 도 5b는 미세 구조화된 표면(2)의 또 다른 구성의 평면도를 도시한다. 본 실시예에서, 제1 전극(12)과 제2 전극(14) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 미세 형상(6)들 사이 또는 아래에 그물 패턴으로서 형성된다. 다시 한번, 도 4가 미세 형상(6)들 사이의 기판(4)의 바닥 면에 위치하는 제1 전극(12)과 제2 전극(14)을 도시하지만, 제1 전극(12)과 제2 전극(14) 둘 중 하나 또는 둘 모두는 미세 형상(6)의 측벽 표면에 위치할 수도 있다.
도 6a-6e는 일 실시예에 따라 미세 구조화된 표면(2)을 제조하는 공정을 도시한다. 이 공정은 엠보싱(embossing)이나 임프린팅(imprinting) 같은 성형 기술에 의존한다. 첫째로, 제1 전극(12)이 또는 제1 전극(12)과 제2 전극(14)이 도 6a, 6b에 도시된 것과 같이 기판(4)과 주형(7) 사이에 위치한다. 제1 전극(12)과 제2 전극(14)은 여러 가지 중에서 다공성 층, 그물, 또는 와이어 모음일 수 있다. 제1 전극(12)과 제2 전극(14)이 함몰부를 실질적으로 막지 않도록 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)의 형상 크기(예를 들어, 와이어의 폭)는 주형(7)의 입구(예를 들어, 공동 지름, 도랑의 폭)보다 작아야 한다. 함몰부 입구를 실질적으로 덮는 것은 도 6c에 도시된 성형 과정 중 함몰부를 충전하는 것을 저해할 것이다. 도 6c의 성형 과정 중, 적용된 압력하에서, 그리고 선택적으로는 상승된 온도에서, 기판(4)의 재료 또는 재료의 상부가 제1 전극(12)과 제2 전극(14) 주위를(또는 그 입구를 통하여) 흐르고, 주형(7)의 함몰부 안을 충전한다. 도 6d에 도시된 것과 같이 주형(7)이 완전히 충전된 후에, 도 6e에 도시된 바와 같이 주형(7)은 기판(4)으로부터 분리된다. 이 시점에서, 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)은 완전히 노출되거나 또는 기판(4)에서 나온 물질의 얇은 잔류 층으로 뒤덮히게 된다. 이 얇은 잔류 물질은 필요 시 해당 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 플라즈마 에칭(plasma etching), 화학적 에칭, 또는 그와 같은 많은 에칭(etching) 방법에 의해 제거될 수 있다. 이 장치는 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)이 완전히 노출되지 않은 상태에서조차 의도된 대로 기능 할 수 있는데, 잔류 층이 충분히 얇다면 전기화학적 기체 발생이 여전히 일어날 수 있기 때문이다. 기판(4)은 두꺼울 수도, 얇을 수도, 단단할 수도, 또는 유연할 수도 있으며, 한가지 물질 또는 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 층으로 만들어질 수도 있다. 도 6a-6e가 기판(4)과 미세 형상(6)에 동일한 재료가 사용되는 것을 도시하고 있지만, 미세 형상(6)의 재료는 기판(4)의 재료와 같을 수도 다를 수도 있다.
개시된 제조 방법의 중요한 측면은 미세 형상(6)을 엠보싱/임프린팅에 의하여 형성하는 동안 미세 형상(6)들 사이에 완전히 또는 거의 노출된 전극들[즉, 제1 전극(12)과 제2 전극(14)]을 어떻게 인지하느냐에 있다. 도 6c와 도6d에 도시된 바와 같이, 전극은 성형 과정 중에 주형(7)과 밀착상태에 있다. 이러한 밀착상태는 기판(4)의 재료가 주형(7)의 함몰부 또는 공동 안으로 흘러 들어가는 도중 전극의 표면으로 흘러 나오는 것을 방지한다. 도 6e에 도시되어 있듯이, 탈형 후에, 주형(7)과 밀착해 있었던 전극 표면들은 상단부에 잔류 물질이 없거나 조금만 남은 상태로 미세 형상(6)들 사이에 노출된다. 보통, 미세 형상(6)들 사이에 기능 물질로 미세 형상(6)을 엠보싱/임프린팅 하는 것은 미세 형상(6)의 성형단계와, 기능 물질을 성형된 미세 형상(6)들 사이에 위치시키는 단계로 이루어진 독립된 제조 단계를 필요로 한다. 현 발명은 상기 공정을 단 하나 또는 거의 하나의 성형과정을 통해 완료하며, 여전히 기능 물질상에 많지 않은 잔류 물질을 남겨, 미세 형상(6)들 사이에 노출된 기능 가능한 물질을 얻으면서도 전통적인 엠보싱/임프린팅의 단순함을 유지한다. 비록 기체 유지장치를 위해 개발되었지만, 이 공정 방법은 생화학적 응용예들을 위한 미세 유체장치와 같은 여타의 목적에도 또한 유용하다.
도 7은 일 실시예의 미세 구조화된 표면(2)의 사시도를 도시한다. 본 실시예에서, 미세 형상(6)은 격자형상이고 공간(13)은 인접한 미세 형상(6)들 사이에 위치한 트렌치로서 형성된다. 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)은 미세 형상(6)에 대해 일반적으로 횡축으로 연장하는 와이어로서 도시되어 있다. 대안적으로, 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)은 미세 형상(6)에 대해 평행하게 정렬될 수 있다.
도 8a-8d는 도 2의 구성에서 작동하는 미세 구조화된 표면(2)의 실험적 결과의 사진을 도시한다. 물(즉, 바닷물) 안에 완전히 잠긴 동안에, 도 8a의 이미지는 기체가 채워진[미세 형상(6)에 직각인 검정 또는 어두운 선으로 도시된다] 미세 형상(6)들 사이의 공간(13)을 보여준다. 도 8a의 상태에서, 미세 구조화된 표면(2)은 비 습윤 상태이다. 도 8b는 물로 채워진 미세 형상(6)들 사이의 공간(13)의 상당한 부분을 보여준다[즉, 대부분의 미세 구조화된 표면(2)은 습윤 상태이다]. 도 8b의 상태에서, 미세 구조화된 표면(2)은 부분적으로 습윤 상태이다. 도 8c는 공간의 물이 공간(13) 내에서 발생한 기체(10)에 의해 대체되는 것을 도시한다[즉, 미세 구조화된 표면(2)은 비 습윤화 된다]. 도 8c는 그러므로 기체(10)가 공간(13) 안에 담긴 물을 밀어내거나 배출하는데 사용되는 비 습윤화 상태를 도시한다. 도 8d는 공간(13)의 거의 모든 물이 기체(10)에 의해 대체되는 것, 즉, 미세 구조화된 표면(2)은 비 습윤 상태로 돌아간 것을 보여준다. 실험 도중 상기 표면은 어떠한 동력원에도 연결되지 않았다. 미세 형상 안의 기체는 자가 조정, 자가 동력의 방식을 유지했다.
본 명세서에 설명된 미세 구조화된 표면(2)은 물과 접촉하게 되는 수상 운반차량 또는 선박(예를 들어, 보트, 배, 또는 비슷한 류)의 외부 표면에 사용될 수 있다. 한 가지 특별한 실시예에서는, 제1 전극(12) 및 제2 전극(14)의 재료선택이 염수와 접촉하는 응용예들에서의 사용에 특히 적합하도록 선택된다(예를 들어, 바다에서 운항하는 수상 운반차량 또는 선박). 미세 구조화된 표면(2)은 또한 다른 응용예들에도 사용될 수 있다. 예를 들면, 미세 구조화된 표면(2)은 파이프나 도관 내부표면에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위에서 벗어나지 않고도 다양한 변형예가 만들어질 수 있다. 그러므로 본 발명은 하기의 청구항과 그 등가물을 제외하고 제한되어서는 안 된다.

Claims (22)

  1. 미세 구조화된 표면이며,
    기판 위에 배치되는 복수의 미세 형상으로서, 복수의 미세 형상의 내부 표면들 사이에 위치한 공간이 형성되고, 복수의 미세 형상들 사이의 내부 표면이 적어도 부분적으로는 소수성을 띄는, 복수의 미세 형상;
    전극 쌍의 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제1 전극을 포함하고, 제1 전극은 복수의 미세 형상의 내부 표면들 사이에 위치한 공간 안에 배치되며, 미세 구조화된 표면이 전해질 용액에 잠겨 있는 동안 미세 형상들 사이의 공간이 전해질 용액으로 채워질 때 자발성 전기화학적 반응에 의해 기체를 발생시키도록 구성되는, 기체 발생기를 포함하는
    미세 구조화된 표면.
  2. 제1 항에 있어서,
    전극 쌍의 제1 전극은 미세 형상들 사이의 기판 위에 위치하는
    미세 구조화된 표면.
  3. 제1 항에 있어서,
    전극 쌍의 제1 전극은 하나 이상의 미세 형상의 내부 표면에 위치하는
    미세 구조화된 표면.
  4. 제1 항에 있어서,
    전극 쌍의 제1 전극과 제2 전극은 전해질 용액과 접촉했을 때 자발성 전기화학적 반응에 의하여 기체를 발생시키는 각각의 표준 전극 전위를 갖고, 전해질의 표준 전극 전위와 제2 전극의 표준 전극 전위 사이의 차이는 그 크기에 있어서 제1 전극에서의 기체 발생을 위한 과전압보다 크고, 제1 전극에서의 과전압은 그 크기에 있어서 제2 전극의 과전압보다 작은
    미세 구조화된 표면.
  5. 제1 항에 있어서,
    전극 쌍의 제1 전극은 트레이스, 트랙, 다공성 층, 메쉬, 또는 와이어 중 하나를 포함하는
    미세 구조화된 표면.
  6. 제1 항에 있어서,
    제1 전극은 니켈을 포함하고 제2 전극은 마그네슘을 포함하는
    미세 구조화된 표면.
  7. 미세 구조화된 표면이며,
    기판 위에 배치되는 복수의 미세 형상으로서, 복수의 미세 형상의 내부 표면들 사이에 위치한 공간이 형성 되고, 복수의 미세 형상들 사이의 내부 표면이 적어도 부분적으로는 소수성을 띄는 복수의 미세 형상;
    전기적으로 서로에게 연결된 전극 쌍의 제1 및 제2 전극을 포함하고, 제1 및 제2 전극은 복수의 미세 형상의 내부 표면들 사이에 위치한 공간 내에 배치되며, 미세 구조화된 표면이 전해질 용액에 잠겨있는 동안 공간의 일부분이 전해질 용액으로 채워 질 때 자발성 전기화학적 반응에 의해 미세 형상 사이에 기체를 발생시키도록 구성되는, 기체 발생기를 포함하는
    미세 구조화된 표면.
  8. 제7 항에 있어서,
    전극 쌍은 미세 형상들 사이의 기판 위에 위치하는
    미세 구조화된 표면.
  9. 제7 항에 있어서,
    전극 쌍은 하나 이상의 미세 형상의 내부 표면에 위치하는
    미세 구조화된 표면.
  10. 제7 항에 있어서,
    전극 쌍의 전극들은 전해질 용액과 접촉했을 때 자발성 전기화학적 반응에 의해 기체를 발생시키는 각각의 표준 전극 전위를 갖고, 전해질의 표준 전극 전위와 제2 전극의 표준 전극 전위 사이의 차이는 그 크기에 있어서 제1 전극에서의 기체 발생을 위한 과전압보다는 크고, 제1 전극의 과전압은 그 크기에 있어서 제2 전극의 과전압보다는 작은
    미세 구조화된 표면.
  11. 제7 항에 있어서,
    전극 쌍은 트레이스, 트랙, 다공성 층, 메쉬 또는 와이어 중 하나를 포함하는
    미세 구조화된 표면.
  12. 제7 항에 있어서,
    제1 전극은 니켈을 포함하고 제2 전극은 마그네슘을 포함하는
    미세 구조화된 표면.
  13. 미세 구조화된 표면을 형성하는 방법으로서,
    기판의 표면 위에 전극을 적층하는 단계;
    전극을 포함하는 기판의 표면에 대하여 복수의 공동을 갖는 주형을 고정시키는 단계;
    기판으로부터의 재료가 복수의 공동 안으로 들어가 복수의 미세 형상을 형성하도록 주형과 기판 사이에 압력을 가하는 단계; 그리고
    주형을 기판으로부터 분리시키는 단계를 포함하는
    미세 구조화된 표면 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    압력이 상승된 온도에서 적용되는
    미세 구조화된 표면 제조 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    주형을 기판으로부터 분리시킨 후 전극을 덮고 있는 기판 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는
    미세 구조화된 표면 제조 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    복수의 미세 형상을 소수성 층으로 코팅하는 단계를 더 포함하는
    미세 구조화된 표면 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    소수성 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는
    미세 구조화된 표면 제조 방법.
  18. 제13 항에 있어서,
    기판의 전극을 상이한 재료로 형성된 다른 전극에 연결하는 단계를 더 포함하는
    미세 구조화된 표면 제조 방법.
  19. 물과 접촉하는 표면의 적어도 일부분에 제1 항의 미세 구조화된 표면을 갖는 수상 운송차량 또는 선박.
  20. 물과 접촉하는 표면의 적어도 일부분에 제7 항의 미세 구조화된 표면을 갖는 수상 운송차량 또는 선박.
  21. 내부 표면에 제1 항의 미세 구조화된 표면을 갖는 파이프.
  22. 내부 표면에 제7 항의 미세 구조화된 표면을 갖는 파이프.
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