KR101033276B1 - Preparation of Superhydrophobic Polymer Fabrication - Google Patents

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Abstract

초소수성 폴리머 구조물(superhydrophobic polymer fabrication)의 제조 방법, 그에 따라 제조된 식각된 주형 및 초소수성 폴리머 구조물이 개발되었다. 상기 방법을 이용하면 쉽고 빠르게 초소수성 폴리머 구조물을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 주형을 이용하여 반복적으로 초소수성 표면을 찍어낼 수 있으므로 초소수성 폴리머 구조물을 대면적으로 대량생산할 수 있어 경제적이다. Processes for producing superhydrophobic polymer fabrication, etched molds and superhydrophobic polymer structures have been developed. By using the above method, the superhydrophobic polymer structure can be produced easily and quickly, as well as the superhydrophobic surface can be repeatedly printed using a mold, so that the superhydrophobic polymer structure can be mass-produced in large area and economically.

Description

초소수성 폴리머 구조물의 제조{Preparation of Superhydrophobic Polymer Fabrication}Preparation of Superhydrophobic Polymer Structures {Preparation of Superhydrophobic Polymer Fabrication}

본 개시는 일반적으로 초소수성 표면을 형성하는 기술들에 관한 것이다. The present disclosure generally relates to techniques for forming a superhydrophobic surface.

사람들은 매일 물체의 표면에 둘러싸여 있으며 물체의 표면에 노출되어 있다. 따라서 사람들이 이렇게 자주 접하는 표면 상에서 어떠한 현상들이 일어나며, 좀더 편안한 생활을 만들기 위해 이를 어떻게 이용할 수 있을지에 대해서 많은 연구를 진행하여 왔다. 초소수성(superhydrophobicity)은 물체의 표면이 극히 젖기 어려운 표면의 물리적 특성을 말한다. 예컨대, 식물의 잎, 곤충의 날개 또는 새의 날개는 외부의 어떠한 오염물질이 특별한 제거 작업 없이 제거되거나 처음부터 오염이 되지 않게 하는 특성을 지니고 있다. 이것은 식물의 잎, 곤충의 날개 또는 새의 날개가 초소수성을 지니고 있기 때문이다(W. Barthloot and C. Neinhuis, Planta, 1997, 202, pp. 1-8).People are surrounded by and exposed to the surface of objects every day. Therefore, much research has been conducted on what phenomena occur on the surfaces that people frequently encounter and how they can be used to make life more comfortable. Superhydrophobicity refers to the physical properties of surfaces whose surfaces are extremely difficult to wet. For example, the leaves of plants, the wings of insects or the wings of birds have the property of preventing any external contaminants from being removed or contaminated from scratch without special removal. This is because the leaves of plants, the wings of insects, or the wings of birds are superhydrophobic (W. Barthloot and C. Neinhuis, Planta, 1997 , 202, pp. 1-8 ) .

초소수성 표면이 적용된 물체는 방수, 방오 등과 같은 특성을 나타낼 수 있다. 그러므로 초소수성 표면을 형성하는 기술은 다양한 산업 분야에서 유용하게 이용될 수 있다. 그러나 인공적인 초소수성 표면의 형성은 아직까지 기술적으로 미흡한 실정이다. Objects to which the superhydrophobic surface is applied may exhibit properties such as waterproofing and antifouling. Therefore, the technique of forming the superhydrophobic surface can be usefully used in various industrial fields. However, the formation of artificial superhydrophobic surface is still technically insufficient.

도 1은 초소수성 폴리머 구조물의 제조 방법을 간략히 보여주는 개략도이다.
도 2는 아무런 처리를 하지 않은 알루미늄 표면의 FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 3은 각각의 시간 동안 에천트에 의해서 식각된 Al의 표면 구조 변화를 보여주는 FE-SEM 사진이다.
도 4는 식각 시간에 따라 식각시의 반응 온도가 증가하는 양상을 보여주는 그래프이다.
도 5는 낮은 온도와 높은 온도, 각각에서 짧은 시간 동안 식각한 Al의 표면 구조를 보여주는 사진이다.
도 6은 아무런 처리를 하지 않은 HDPE(high-density polyethylene) 표면의 FE-SEM 사진이다.
도 7은 각각의 시간 동안 에천트에 의해 식각된 Al 주형을 이용하여 만들어진 HDPE 폴리머 구조물들의 표면 변화를 보여주는 FE-SEM 사진이다.
도 8은 HDPE 폴리머 구조물들의 표면에 대한 물방울의 정지 접촉각(static contact angle)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 HDPE 폴리머 구조물들의 표면에 대한 물방울의 정지 접촉각 (static contact angle) (θs), 전방 접촉각(advancing contact angle) (θa), receding 접촉각 (θr)와 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis)(θa - θr)를 나타낸 그래프이다.
도 10은 다양한 용매로 처리한 HDPE 폴리머 구조물의 표면에 대한 물방울의 접촉각을 측정한 그래프이다.
도 11은 다양한 pH를 갖는 용액 중에 노출된 HDPE 폴리머 구조물의 표면에 대한 물방울의 접촉각을 측정한 그래프이다.
도 12는 HDPE 폴리머 구조물 표면 위의 활성탄이 물방울에 의해 제거되는 과정을 보여주는 연속 사진이다.
1 is a schematic diagram briefly showing a method of manufacturing a superhydrophobic polymer structure.
Figure 2 is a field emission-scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the aluminum surface without any treatment.
3 is a FE-SEM photograph showing the change in the surface structure of Al etched by the etchant during each time.
4 is a graph showing an aspect in which a reaction temperature during etching increases with etching time.
5 is a photograph showing the surface structure of Al etched for a short time at low and high temperatures, respectively.
6 is a FE-SEM photograph of a high-density polyethylene (HDPE) surface without any treatment.
FIG. 7 is an FE-SEM photograph showing the surface change of HDPE polymer structures made using Al template etched by etchant during each time.
8 is a graph showing the static contact angle of water droplets to the surface of HDPE polymer structures.
FIG. 9 shows static contact angle (θ s ), advancing contact angle (θ a ), receding contact angle (θ r ) and contact angle hysteresis of water droplets to the surface of HDPE polymer structures. a graph showing the - (θ a θ r).
10 is a graph measuring the contact angle of water droplets to the surface of the HDPE polymer structure treated with various solvents.
FIG. 11 is a graph measuring the contact angle of water droplets to the surface of HDPE polymer structures exposed in solutions with various pHs.
12 is a sequential photograph showing the process by which activated carbon on the surface of the HDPE polymer structure is removed by water droplets.

초소수성의 대표적인 예는 로투스 효과(lotus effect)를 나타내는 식물의 잎 표면이다. 본 개시에서는 물체의 표면이 초소수성을 나타내도록 하기 위한 방법으로 물체가 로투스 효과를 나타내는 식물의 잎의 표면과 같은, 생체모방적 표면을 갖도록 하는 기술들이 연구된다.A representative example of superhydrophobicity is the leaf surface of a plant that exhibits a lotus effect. In the present disclosure, techniques are studied in which the object has a biomimetic surface, such as the surface of a leaf of a plant, exhibiting a Lotus effect, in a way to make the surface of the object exhibit superhydrophobicity.

초소수성 폴리머 구조물의 제조 방법, 그에 따라 제조된 식각된 주형 및 초소수성 폴리머 구조물이 개발되었다. Methods of making superhydrophobic polymer structures, and thus etched molds and superhydrophobic polymer structures, have been developed.

한 구체예에서, 상기 방법은 화학적 식각에 의해 주형의 표면에 마이크론 크기(micron-size)의 단층 구조(terrace structure) 및 상기 단층 구조 내의 나노 크기(nano-size)의 홈 구조(groove structure)를 형성하고; 상기 식각된 주형 상에 폴리머를 놓고 열과 압력을 가하여 상기 식각된 주형으로부터 폴리머 구조물을 전사하고(replicating); 상기 전사된 폴리머 구조물을 주형으로부터 떼어내는 것을 포함한다.
In one embodiment, the method comprises micron-sized trace structures and nano-sized groove structures within the monolayer structures by chemical etching. Forming; Placing a polymer on the etched mold and applying heat and pressure to transfer the polymer structure from the etched mold; Removing the transferred polymer structure from the mold.

초소수성 표면을 실생활에 적용하기 위해서는, 초소수성 표면의 제조과정이 간편하고, 비용이 적게 소요되며, 대면적으로 대량 생산할 수 있고, 그러한 초소수성 표면이 다양한 형태를 지니고 있는 어떠한 물체에도 적용할 수 있는 물성을 갖고 있는 것이 좋다.To apply a superhydrophobic surface in real life, the manufacturing process of the superhydrophobic surface is simple, inexpensive, and can be mass-produced in large areas, and such superhydrophobic surface can be applied to any object having various shapes. It is good to have physical properties.

초소수성 표면이 하나 이상의 상기 물성을 갖도록 하기 위해서는 초소수성 표면이 형성되는 적합한 물질의 선택이 필요하다. 예컨대 단단한 광석이나 금속의 표면 상에 초소수성 표면을 형성하고자 한다면 제조과정이 어렵고, 비용이 많이 소요되며, 대면적으로 생산하기 어렵고, 대량 생산에 적합하지 않다. 또한, 초소수성 표면을 갖는 광석이나 금속을 다른 물체에 도포하거나 코팅하는 것은 어려울 것이다. 반면 만일 폴리머 구조물 상에 초소수성 표면을 형성한다면 이러한 폴리머 구조물은 유연성 때문에 다양한 형태를 지니고 있는 물체 상에 쉽게 도포 또는 코팅될 수 있을 것이다. 폴리머 구조물은 또한 다루기 용이하고 제조 비용이 적게 소요된다. 따라서 초소수성 표면을 갖는 폴리머 구조물을 개발하는 것은 고려해 볼만하다.In order for the superhydrophobic surface to have one or more of these properties, it is necessary to select a suitable material on which the superhydrophobic surface is formed. For example, if a superhydrophobic surface is to be formed on a hard ore or metal surface, the manufacturing process is difficult, expensive, difficult to produce in large areas, and not suitable for mass production. In addition, it will be difficult to apply or coat ores or metals with superhydrophobic surfaces to other objects. On the other hand, if a superhydrophobic surface is formed on the polymer structure, the polymer structure may be easily applied or coated on an object having various shapes because of its flexibility. Polymer structures are also easy to handle and require low manufacturing costs. Therefore, it is worth considering developing polymer structures with superhydrophobic surfaces.

본 개시에서는 폴리머 구조물의 표면 상에 초소수성 표면을 형성하는 방법이 제공된다. 한 구체예에서, 상기 방법은 폴리머 구조물에 초소수성 표면을 전사해 줄 수 있는 주형을 제작하고, 상기 주형을 폴리머 구조물에 찍는 것(imprinting)을 포함한다. 이러한 방법은 주형을 이용하여 반복적으로 폴리머 구조물에 초소수성 표면을 전사해 낼 수 있기 때문에 초소수성 폴리머 구조물을 대량 생산하는 것을 가능하게 해 준다.In the present disclosure, a method of forming a superhydrophobic surface on a surface of a polymer structure is provided. In one embodiment, the method includes making a mold capable of transferring a superhydrophobic surface to the polymer structure, and imprinting the mold on the polymer structure. This method makes it possible to mass produce a superhydrophobic polymer structure because the mold can be repeatedly transferred to the superhydrophobic surface on the polymer structure.

한 구체예에서, 표면에 마이크론 크기의 단층 구조가 형성되어 있는 초소수성 폴리머 구조물이 제공된다. 상기 마이크론 크기의 단층 구조 상에는 직경이 나노 크기인 섬유 구조가 형성되어 있다.In one embodiment, a superhydrophobic polymer structure is provided having a micron sized monolayer structure formed on a surface thereof. On the micron-sized monolayer structure, a nanostructured fiber structure is formed.

여기에서 사용된 용어 "단층 구조"는 일반적으로 기질(substrate)의 표면상에 불규칙적으로 분포되어 있는 무정형의 단편들로 구성된 표면 구조를 의미한다. The term "monolayer structure" as used herein generally means a surface structure consisting of amorphous fragments that are irregularly distributed on the surface of the substrate.

여기에서 사용된 용어 "섬유 구조"는 일반적으로 기질의 표면 상에 형성되어 있는 잔디와 같은 모양의 무정형의 섬유 모양이 존재하는 표면 구조를 의미한다.As used herein, the term “fiber structure” generally refers to a surface structure in which amorphous fibrous shapes of grass-like shape are formed on the surface of a substrate.

여기에서 사용된 용어 "마이크로 크기"는, 이에 제한되는 것은 아니나, 1 내지 1천 마이크로미터 미만으로 해석될 수 있다.The term "micro size" as used herein may be interpreted as, but not limited to, 1 to less than 1000 micrometers.

여기에서 사용된 용어 "나노 크기는, 이에 제한되는 것이나, 1 내지 1천 나노미터 미만으로 해석될 수 있다.As used herein, the term "nano size is limited to, but may be interpreted as less than 1 to 1,000 nanometers.

표면에 마이크론 크기의 단층 구조 및 나노 크기의 섬유 구조를 갖는 초소수성 폴리머 구조물을 제조하기 위해서는 찍는 것(imprinting)에 의해 폴리머 구조물의 표면 상에 그러한 구조를 형성할 수 있도록 해 주는 주형을 이용할 수 있다.To produce superhydrophobic polymer structures having micron-sized monolayer structures and nano-sized fiber structures on the surface, one can use a mold that enables the formation of such structures on the surface of the polymer structure by imprinting. .

상기 주형은 제조하고자 하는 초소수성 폴리머 구조물의 초소수성 표면과 상응하는 구조를 가질 필요가 있다. 따라서 상기 주형은 마이크론 크기의 단층 구조가 표면상에 형성되어 있는 형태를 가질 수 있을 것이다. 상기 마이크론 크기의 단층 구조 상에 나노 크기의 홈 구조가 형성되어 있을 수 있을 것이다. 용어 "홈 구조"는 일반적으로 화학적 식각에 의해 리세스된 표면 구조를 의미하며, 이는 섬유 구조에 상응한다.The mold needs to have a structure corresponding to the superhydrophobic surface of the superhydrophobic polymer structure to be produced. Thus, the mold may have a form in which a micron-sized monolayer structure is formed on the surface. Nano-sized groove structure may be formed on the micron-sized monolayer structure. The term “groove structure” generally means a surface structure recessed by chemical etching, which corresponds to the fiber structure.

로투스 효과를 나타내는 식물의 잎 표면에서 관찰되는 마이크론 크기의 돌기 구조는 비교적 규칙적이고 정형적이다. 생체모방적 표면의 제조를 위한 주형을 만든다면 예컨대 포토리소그래피(photolithography)와 같은 식각 방법을 이용할 수 있을 것이다. 상기 생체모방적 표면은 규칙적이고 정형적인 돌기 구조를 가질 수 있다. 그러나 포토리소그래피를 이용할 경우 표면 처리 면적에 제한이 있을 뿐만 아니라 포토리소그래피를 통해 형성되는 표면의 프로파일을 제어하기 어렵고, 특히 생체모방적인 계층적 표면을 형성하기에는 기술적으로 매우 복잡하고 어렵다.The micronized dendrite structures observed on the leaf surface of plants exhibiting the Lotus effect are relatively regular and formal. If a mold is made for the production of biomimetic surfaces, an etching method such as photolithography may be used. The biomimetic surface may have a regular and atypical protrusion structure. However, when using photolithography, not only the surface treatment area is limited, but also it is difficult to control the profile of the surface formed through photolithography, and in particular, it is technically very complicated and difficult to form a biomimetic hierarchical surface.

규칙적이고 정형적인 돌기 구조가 초소수성을 달성하기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 규칙적인 돌기 구조를 형성하지 않는다고 하더라도 마이크론 크기의 융기 구조 상에 나노 크기의 섬유 구조가 존재한다면 물 분자가 공기 중에 떠 있는 것과 마찬가지의 효과를 거둘 수 있기 때문이다. 따라서 마이크론 크기의 융기 구조가 규칙적이거나 정형적일 필요는 없다.Regular and formal protrusion structures are not necessary to achieve superhydrophobicity. Even if they do not form a regular protruding structure, the presence of nano-sized fibrous structures on micron-sized ridges can be as effective as water molecules floating in the air. Thus, the micron size ridge structure need not be regular or formal.

본 개시의 한 구체예에서는 이와 같은 생체의 마이크론 크기의 융기 구조를 모방함에 있어서 규칙적이거나 정형적인 융기 구조를 형성하도록 하는 대신 주형을 화학적으로 식각함으로써 마이크론 크기의 단층 구조를 형성한다. 이에 따라, 규칙적이거나 정형적인 융기 구조를 형성하기 위해 발생할 수 있는 주형 제작시의 복잡한 과정을 방지한다. In one embodiment of the present disclosure a micron-sized monolayer structure is formed by chemically etching the template instead of forming a regular or formal ridge structure in mimicking such a micron-sized ridge structure of the living body. This avoids the complicated process of making a mold that can occur to form a regular or formal ridge structure.

주형을 화학적으로 식각하면 별도의 복잡한 과정없이도 주형의 표면에 마이크론 크기의 단층 구조와 상기 단층 구조 내의 나노 크기의 홈 구조가 형성된다. Chemically etching the mold forms micron-sized monolayer structures and nano-sized groove structures within the monolayer structures without the need for additional complicated processes.

초소수성 표면 폴리머 구조물의 제조를 위한 주형은 화학적으로 식각할 경우 주형의 표면에 마이크론 크기의 단층 구조와 상기 단층 구조 내의 나노 크기의 홈 구조가 형성될 수 있는 것이면 어떠한 물질이든 이용할 수 있을 것이다. 다루기 용이하고 비용이 적게 소요되며 상기 단층 구조와 홈 구조가 복합되어 있는 계층적 구조가 잘 형성될 수 있는 특성 중 하나 이상의 특성을 갖는 물질을 이용하는 것이 보다 이로울 것이다.Molds for the production of superhydrophobic surface polymer structures may be of any material as long as they can form micron-sized monolayer structures and nano-sized groove structures within the monolayer structures when chemically etched. It would be more advantageous to use a material that is easy to handle, inexpensive, and has one or more of the properties of a hierarchical structure in which the monolayer and groove structures are complex.

한 구체예에서, 상기 주형은 금속으로 이루어진 주형일 수 있다. 금속 주형의 경우 화학적 식각을 단시간 내에 용이하게 수행할 수 있으며 계층적 구조의 형성이 용이할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예컨대, 알루미늄, 주석, 티타늄, 철, 구리, 아연, 니켈, 텅스텐 및 이들의 합금 등과 같은 임의의 금속이 주형으로 사용될 수 있다. 주형으로서 이용하는 금속은 제조공정시 다루기 용이하도록 가볍고 표면처리가 쉬우면서도 저렴하고, 반복적인 찍음(impriting)을 수행하더라도 쉽게 마모되지 않는 강도를 가져야 할 것이다. 예를 들어, 알루미늄은 매우 가벼우면서도 적절한 강도를 가지고 있으며 저렴할 뿐만 아니라 화학적 식각시 생체모방적 계층 구조가 뚜렷이 형성되므로 유용하게 이용할 수 있다. In one embodiment, the mold may be a mold made of metal. In the case of a metal mold, chemical etching may be easily performed within a short time, and a hierarchical structure may be easily formed. Although not limited thereto, any metal such as, for example, aluminum, tin, titanium, iron, copper, zinc, nickel, tungsten and alloys thereof may be used as the mold. Metals used as molds should be light, easy to handle and inexpensive to handle in the manufacturing process, and have a strength that does not wear out easily even after repeated impriting. For example, aluminum is very light, has adequate strength, is inexpensive, and is useful because it has a clear biomimetic layer formed upon chemical etching.

한 구체예에서, 적합한 에천트(etchant)를 사용한 화학적 식각을 이용하여 주형의 표면에 단층 구조와 홈 구조를 형성할 수 있다. 에천트는 표면에 단층 형태의 텍스쳐를 만들어주는 식각액일 수 있다. 에천트는 HNO3, H3PO4, H2SO4, H2CrO4, HCl, HF, NH4OH, NaOH 및 KOH 등의 용액 중 하나 이상의 용액의 혼합물을 포함할 수 있다. 에천트는 주형으로 사용되는 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 금속에 대해 사용할 수 있는 에천트의 조성에 대해서는 그 전체로 여기에 참고로서 포함되는 "Vander Voort, G. F., Metallography: Principles and Practice, McGraw-Hill, New York, 1984."에 예시되어 있다. In one embodiment, chemical etching using a suitable etchant may be used to form monolayer and groove structures on the surface of the mold. The etchant may be an etchant that creates a monolayer texture on the surface. The etchant may comprise a mixture of one or more solutions of solutions such as HNO 3 , H 3 PO 4 , H 2 SO 4 , H 2 CrO 4 , HCl, HF, NH 4 OH, NaOH and KOH. The etchant may vary depending on the type of material used as the template. The composition of etchant that can be used for metals is illustrated in "Vander Voort, GF, Metallography: Principles and Practice, McGraw-Hill, New York, 1984", which is incorporated herein by reference in its entirety.

예를 들어, 알루미늄에 대한 에천트로서 HCl 및 HF를 포함하는 에천트를 사용할 경우 HCl은 알루미늄을 직접적으로 식각하는 역할을 하고, HF는 알루미늄에 포함되어 있는 소량의 Fe, Si 등의 불순물을 제거하여 HCl이 주형 표면을 고르게 식각할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 만일 주형을 형성하는 물질이 달라질 경우 이와 같은 역할을 수행하는 성분은 달라질 수 있을 것이다.For example, when using an etchant containing HCl and HF as an etchant for aluminum, HCl directly etches aluminum, and HF removes a small amount of impurities such as Fe and Si contained in aluminum. HCl helps to etch the mold surface evenly. If the material forming the mold is different, the components performing this role may be different.

한 구체예에서, 주형의 단층 구조와 홈 구조의 형성은 온도 또는 식각 시간의 조절에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 주형으로서 금속을 사용하는 경우 0℃~실온 범위의 낮은 온도에서 식각할 경우에는 마이크론 크기의 단층 구조가 형성되고, 시간의 경과에 따라 금속과 에천트 간의 반응에 따른 발열반응으로 인해 반응 온도가 올라가 60~100℃ 범위의 높은 온도에서 식각이 수행될 경우에는 나노 크기의 홈 구조가 형성될 수 있다. 따라서 적절히 온도 또는 식각 시간을 조절함으로써 주형의 표면에 원하는 계층적 구조를 형성할 수 있을 것이다. 식각이 수행되는 온도는 예컨대, 0~100℃의 범위 내에서 조절될 수 있을 것이며, 식각이 수행되는 시간은 예컨대, 1초~10분의 범위 내에서 조절될 수 있을 것이다.In one embodiment, the formation of the monolayer structure and the groove structure of the mold can be controlled by adjusting the temperature or etching time. For example, when a metal is used as a template, when a metal is etched at a low temperature in the range of 0 ° C to room temperature, a single layer structure having a micron size is formed, and due to the exothermic reaction due to the reaction between the metal and the etchant over time, When etching is performed at a high temperature in the range of 60 to 100 ° C., the reaction temperature may rise to form a nano-sized groove structure. Thus, by appropriately adjusting the temperature or etching time, the desired hierarchical structure may be formed on the surface of the mold. The temperature at which the etching is performed may be adjusted within the range of 0 to 100 ° C., for example, and the time at which the etching is performed may be adjusted within the range of 1 second to 10 minutes.

위와 같이 화학적 식각을 통해 표면에 마이크론 크기의 단층 구조 및 상기 단층 구조 내의 나노 크기의 홈 구조가 형성된 주형은 생체모방적 표면을 갖는 초소수성 폴리머 구조물을 형성하기 위해 사용될 수 있다. As described above, the micron-sized monolayer structure and the nano-sized groove structure formed in the monolayer structure through chemical etching may be used to form a superhydrophobic polymer structure having a biomimetic surface.

이를 위해, 상기 식각된 주형 상에 폴리머를 놓고 열과 압력을 가하여 상기 식각된 주형으로부터 폴리머 구조물을 전사하고, 상기 전사된 폴리머 구조물을 주형으로부터 떼어내는 과정이 수행될 수 있다. To this end, a process of placing a polymer on the etched mold, applying heat and pressure to transfer the polymer structure from the etched mold, and detaching the transferred polymer structure from the mold may be performed.

폴리머 구조물을 찍어내기 위한 주형의 형상은 어떠한 것이든 가능하다. 제조하고자 하는 폴리머 구조물의 외형에 따라 주형의 형상이 달라질 수 있을 것이다. 이에 제한되는 것은 아니지만, 상기 주형의 형상은 예컨대, 판(plate) 또는 원통(cylinder)과 같은 형상일 수 있다. 폴리머 구조물을 판 형상의 주형으로부터 전사하는 경우 판 형상을 적절히 설정함으로써 원하는 외형을 갖는 폴리머 구조물을 만들어 낼 수 있을 것이다. 또한, 폴리머 구조물을 원통 형상의 주형으로부터 전사하는 경우 대면적의 폴리머 구조물의 대량 생산, 예컨대, 롤-투-롤 프로세스(roll-to-roll process)의 적용이 가능할 것이다.The shape of the mold for printing out the polymer structure can be any. The shape of the mold may vary depending on the appearance of the polymer structure to be manufactured. Although not limited thereto, the shape of the mold may be, for example, a shape such as a plate or cylinder. In the case of transferring the polymer structure from the plate-shaped mold, by setting the plate shape appropriately, the polymer structure having the desired shape may be produced. In addition, the transfer of polymer structures from cylindrically shaped molds would allow for the mass production of large area polymer structures, such as the application of a roll-to-roll process.

위와 같은 방법으로 상기 주형으로부터 전사됨으로써 제조되는 폴리머 구조물은 표면에 마이크론 크기의 단층 구조 상에 나노 크기의 섬유 구조가 형성되어 있을 수 있다. 화학적 식각으로 인해 리세스된(recessed) 마이크론 크기의 단층 구조와 나노 크기의 홈 구조를 갖는 주형의 표면을 폴리머의 표면으로 찍어내면 폴리머 구조물의 표면은 그와 반대로 융기된 마이크론 크기의 단층 구조와 나노 크기의 섬유 구조를 갖게 된다.The polymer structure manufactured by transferring from the mold in the above manner may have a nano-sized fibrous structure on the micron-sized monolayer structure on the surface. When the surface of a mold having recessed micron-sized monolayers and nanosized grooves is stamped onto the surface of the polymer by chemical etching, the surface of the polymer structure is in contrast to the raised micron-sized monolayer and nanosized structures. It will have a fiber structure of size.

주형으로부터 폴리머 구조물의 표면으로의 전사가 용이하면서도 정확하게 수행되고, 또한 전사 후 형성된 구조를 잘 유지하는 물성을 갖는 폴리머를 이용하는 것이 좋다. 유연하면서도 적절한 강도를 지닌 폴리머라면 어떠한 것이든 이용가능하다. It is preferable to use a polymer having physical properties that transfer from the mold to the surface of the polymer structure is easy and accurate, and also retain the structure formed after the transfer. Any polymer that is flexible and has the appropriate strength can be used.

한 구체예에서, 상기 폴리머는 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)일 수 있다. 열가소성 폴리머는 가열하면 소성변형을 일으키지만 냉각하면 가역적으로 단단해지는 성질을 갖는 고분자이다. 이러한 열가소성 폴리머를 주형의 전사에 이용하게 되면 가열 및 가압을 통해 폴리머가 유연해지므로 주형에 리세스된 구조와 같은 구조를 전사하기 쉽고, 또한 이를 냉각시키게 되면 전사를 통해 형성된 구조를 잘 유지할 수 있게 된다.In one embodiment, the polymer may be a thermoplastic polymer. The thermoplastic polymer is a polymer having a property of plastic deformation upon heating but reversibly hardening upon cooling. When the thermoplastic polymer is used for the transfer of the mold, the polymer becomes flexible through heating and pressurization, so that it is easy to transfer a structure such as a structure recessed in the mold, and when cooled, the structure formed through the transfer can be well maintained. do.

상기 열가소성 폴리머는 이에 제한되는 것은 아니나, 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트 (PTT), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN)을 포함하는 폴리에스테르; 폴리에틸렌 (PE) 및 폴리프로필렌 (PP)을 포함하는 폴리알킬렌; 폴리비닐 클로라이드 (PVC)를 포함하는 비닐폴리머; 폴리아미드; 폴리아세탈; 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA)를 포함하는 폴리아크릴레이트; 폴리카르보네이트; 폴리스티렌; 폴리우레탄; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머 (ABS); 할로겐화 폴리알킬렌; 폴리아릴렌 산화물 및 폴리아릴렌 설피드 등을 포함한다.The thermoplastic polymers include, but are not limited to, polyesters including, for example, polyethylene terephthalate (PET), polytrimethylene terephthalate (PTT), polybutylene terephthalate (PBT) and polyethylene naphthalate (PEN); Polyalkylenes including polyethylene (PE) and polypropylene (PP); Vinyl polymers including polyvinyl chloride (PVC); Polyamides; Polyacetals; Polyacrylates including polymethyl methacrylate (PMMA); Polycarbonate; polystyrene; Polyurethane; Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS); Halogenated polyalkylenes; Polyarylene oxide, polyarylene sulfide, and the like.

상기 방법을 통해 제조된 초소수성 폴리머 구조물은 쉽고 빠르게 대면적으로 대량생산할 수 있다. 상기 초소수성 폴리머 구조물은 초소수성이 필요한 분야라면 어떠한 분야에도 적용가능하다. 예를 들면, 물로 인해 발생하는 손실을 방지하고자 하는 경우 또는 오염을 예방하거나 오염을 차단하고자 하는 경우 등에 폭넓게 이용할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예컨대, 방수, 방오, 방빙(anti-freezing), 방담(anti-fogging), 자정(self-cleaning) 등을 위해 상기 초소수성 폴리머 구조물을 코팅하거나 도포할 수 있을 것이다. 구체적인 예를 들면, 상기 초소수성 폴리머 구조물을 자동차 차체 표면에 코팅하여 오염을 막고 김이 서리는 것을 방지하거나, 배의 밑부분에 코팅하여 물때가 끼는 것을 방지하거나, 대형 안테나의 표면에 코팅하여 눈이나 얼음이 어는 것을 방지하거나, 물 수송 파이프의 내부 표면에 코팅하여 부식과 오염을 방지하고 물의 유동성을 향상시키거나, 온실에서의 방수 시스템(water-repellent system)에 적용하는 것 등이 있다.
The superhydrophobic polymer structure produced by the above method can be mass produced easily and quickly in large area. The superhydrophobic polymer structure can be applied to any field as long as superhydrophobicity is required. For example, the present invention can be widely used to prevent loss caused by water or to prevent or prevent contamination. Although not limited thereto, the superhydrophobic polymer structure may be coated or applied, for example, for waterproofing, antifouling, anti-freezing, anti-fogging, self-cleaning, and the like. For example, the superhydrophobic polymer structure may be coated on the surface of an automobile body to prevent contamination and to prevent steaming, or to be coated on the bottom of a ship to prevent smudges, or to the surface of a large antenna To prevent freezing of ice, to coat the inner surface of the water transport pipe to prevent corrosion and contamination, to improve water flow, or to apply to water-repellent systems in greenhouses.

하기 실시예에서는 상기 초소수성 폴리머 구조물의 제조 방법에 대해 구체적으로 예를 들어 설명한다. 또한, 실시예를 통해 제조된 폴리머 구조물의 표면에 대한 물방울의 접촉각을 측정함으로써 폴리머 구조물 표면이 초소수성을 나타내는지 조사한 실험이 개시된다. 실험 결과는 계층적 구조를 갖는 폴리머 구조물의 표면이 우수한 초소수성을 나타냄을 보여준다.In the following examples will be described in detail with respect to the manufacturing method of the superhydrophobic polymer structure. In addition, an experiment is disclosed to investigate whether the surface of the polymer structure exhibits superhydrophobicity by measuring the contact angle of water droplets to the surface of the polymer structure prepared through the examples. The experimental results show that the surface of the polymer structure with hierarchical structure shows excellent superhydrophobicity.

또한 하기 실험예에서는 다양한 용매와 다양한 pH를 갖는 용액에서의 폴리머 구조물 표면의 안정성 및 폴리머 구조물 표면의 자정(self-cleaning) 효과를 보여준다. In addition, the following experimental example shows the stability of the surface of the polymer structure and the self-cleaning effect of the surface of the polymer structure in a solution having a variety of solvents and various pH.

본 개시는 폴리머 구조물 상에 생체모방적 초소수성 표면을 간단하고 쉽게 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법을 이용하면 쉽고 빠르게 초소수성 폴리머 구조물을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 주형을 이용하여 반복적으로 초소수성 표면을 찍어낼 수 있으므로 초소수성 폴리머 구조물을 대면적으로 대량생산할 수 있어 경제적이다. 또한 이러한 방법으로 만들어진 초소수성 폴리머 구조물은 다양한 용매와 다양한 pH를 갖는 용액에서 표면 구조가 변화되지 않고 초소수성을 유지하며, 자정 효과도 좋다.The present disclosure provides a simple and easy method of forming a biomimetic superhydrophobic surface on a polymer structure. By using the above method, the superhydrophobic polymer structure can be produced easily and quickly, as well as the superhydrophobic surface can be repeatedly printed using a mold, so that the superhydrophobic polymer structure can be mass-produced in large area and economically. In addition, the superhydrophobic polymer structure made by this method maintains superhydrophobicity without changing the surface structure in a solution having various solvents and various pHs, and has a good self-cleaning effect.

본 개시는 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 보다 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현되고 실시될 것임을 이해할 수 있을 것이다.
The present disclosure will become more apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, it will be understood that the present disclosure is not limited to the embodiments disclosed below, but may be embodied and implemented in various different forms.

실시예Example : : 초소수성Superhydrophobic 폴리머Polymer 구조물의 제조 Manufacture of structures

도 1은 초소수성 폴리머 구조물의 제조 방법을 간략히 보여주는 개략도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, Al판을 식각하여 계층적 구조를 갖는 알루미늄 주형을 제조한다. 제조된 주형 위에 폴리머를 올려놓고 열과 압력을 가한다. 주형으로부터 폴리머 구조물이 전사되고 초소수성 폴리머 구조물이 제조되게 된다.
1 is a schematic diagram briefly showing a method of manufacturing a superhydrophobic polymer structure. As shown in Fig. 1, an Al plate is etched to produce an aluminum mold having a hierarchical structure. The polymer is placed on the prepared mold and subjected to heat and pressure. The polymer structure is transferred from the mold and the superhydrophobic polymer structure is produced.

(1) 알루미늄 주형의 제조 및 주형 표면의 구조 변화 분석(1) Fabrication of aluminum molds and structural change analysis of mold surfaces

초소수성 폴리머 구조물의 제조를 위한 주형으로서 알루미늄(Al)을 사용하였다. Aluminum (Al) was used as a template for the production of superhydrophobic polymer structures.

상업적으로 시판 중인 Al 판 (99.0%, 2 × 3 × 0.3 cm)을 HCl 및 HF를 포함하는 에천트(HCl : HF : H2O = 40 ml : 2.4 ml : 12.5 ml)에 담그어 각각 10s, 20s, 30s, 40s, 50s, 60s, 120s, 240s, 480s 동안 온도의 제어없이 실온에서 식각을 실시하였다. 식각 후에는 Al 판을 물로 여러 번 세척하고 N2 기체로 건조한 후 보관하였다.A commercially available Al plate (99.0%, 2 × 3 × 0.3 cm) was immersed in an etchant containing HCl and HF (HCl: HF: H 2 O = 40 ml: 2.4 ml: 12.5 ml), respectively 10s, 20s Etching was performed at room temperature for 30s, 40s, 50s, 60s, 120s, 240s, 480s without temperature control. After etching, the Al plate was washed several times with water, dried with N 2 gas, and stored.

Al 판의 표면은 FE-SEM (Hitachi, s-4300)을 이용하여 분석하였다. The surface of the Al plate was analyzed using FE-SEM (Hitachi, s-4300).

도 2는 아무런 처리를 하지 않은 알루미늄 표면의 FE-SEM 사진이다. 표면 전반에 걸쳐 매끈한 구조를 가지고 있지는 않지만, 실질적으로 편평한 상태임을 확인할 수 있다.2 is an FE-SEM photograph of the aluminum surface without any treatment. It does not have a smooth structure throughout the surface, but it can be seen that it is substantially flat.

도 3은 각각의 시간 동안 에천트에 의해서 식각된 Al의 표면 구조 변화를 보여주는 사진이다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 짧은 시간 동안 식각을 한 Al의 표면은 마이크로 크기의 단층 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다. 그러나 점점 식각 시간을 길게 했을 경우 처음에 형성되었던 마이크로 크기의 단층 구조는 변형됨을 볼 수 있다. 나노 크기의 홈 구조가 마이크론 크기의 단층 구조의 표면 상에 형성되어, 점점 계층적 구조가 증가한다.
3 is a photograph showing the change in the surface structure of Al etched by the etchant during each time. As can be seen in Figure 3, the surface of Al etched for a short time it can be seen that the micro-sized single-layer structure is formed. However, as the etching time is gradually increased, the micro-sized monolayer structure formed at first may be deformed. Nano-sized groove structures are formed on the surface of the micron-sized monolayer structure, increasing the hierarchical structure.

(2)알루미늄 주형 표면의 구조 변화와 온도와의 상관관계 분석(2) Correlation analysis of structural change and temperature of aluminum mold surface

에천트는 Al 표면에 노출되어 있는 결점 및 Al 결정의 불완전한 부분을 먼저 공격함으로써 식각을 수행한다. 그렇다면 식각 시간에 관계 없이 항상 비슷한 구조를 갖는 Al 표면이 얻어져야 할 것이나 도 3의 결과는 식각 시간에 따라 알루미늄 표면 구조가 달라지는 양상을 보여준다. 식각 시간의 증가에 따라 마이크로 크기의 구조에서 나노 크기의 구조로 변화되는 이유를 알아내기 위해 온도와의 상관 관계를 조사해 보았다.The etchant performs etching by first attacking defects exposed on the Al surface and incomplete portions of Al crystals. In this case, an Al surface having a similar structure should always be obtained regardless of the etching time, but the result of FIG. 3 shows that the aluminum surface structure varies according to the etching time. The correlation with temperature was investigated to determine the reason for the change from micro-sized structure to nano-sized structure with increasing etching time.

도 4는 식각 시간에 따라 식각시의 반응 온도가 증가하는 양상을 보여주는 그래프이다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 최초 식각은 실온에서부터 시작하며, 식각 시간이 늘어날수록 점차 반응 온도가 증가하여, 약 100 ℃ 근처까지 반응 온도가 상승한다. 이러한 현상으로 볼 때 실온에서는 식각 반응이 활발히 이루어지지 않기 때문에 마이크로 구조를 형성하다가 식각 시간이 경과하면 반응 온도가 상승하여 식각 반응이 활발히 이루어지기 때문에 더 작은 크기로 식각이 되어 결국엔 Al 표면에 나노 구조가 형성됨을 가정할 수 있다. 4 is a graph showing an aspect in which a reaction temperature during etching increases with etching time. As can be seen in Figure 4, the initial etching starts at room temperature, and as the etching time increases, the reaction temperature gradually increases, and the reaction temperature rises to about 100 ° C. In view of this phenomenon, since the etching reaction is not active at room temperature, the microstructure is formed, but when the etching time elapses, the reaction temperature increases and the etching reaction is actively performed. It can be assumed that a structure is formed.

이러한 가정을 바탕으로 반응 온도를 조절하여 구조 변화를 관찰해 보았다. 도 5는 낮은 온도와 높은 온도, 각각에서 짧은 시간동안 식각한 Al의 표면 구조 사진을 보여준다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 낮은 온도에서 짧은 시간 동안 식각하면 마이크로 구조를 얻으며, 높은 온도에서 짧은 시간 동안 식각하면 나노구조를 얻는다. 실험 결과, 높은 반응 온도 (약 70℃ 이상)에서 짧은 시간 동안 (1초~10초) 식각을 실시하면 마이크로 구조가 아닌 나노 구조를 얻을 수 있었으나, 반면 낮은 온도 (약 0℃)에서 오래 동안 (약 30초 이상) 식각을 실시한 경우에는 나노 구조가 형성되지 않고 마이크로 구조가 계속 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 마이크로 구조가 형성되어 있는 Al 주형을 높은 온도(약 70℃)에서 짧은 시간 동안 (5~10초) 식각을 실시하면 나노 구조가 형성되고 이렇게 나노구조가 형성된 Al 주형을 다시 낮은 온도(약 10℃)에서 식각을 실시하면 다시 마이크로 구조가 형성되는 것을 확인하였으며 이를 여러 번 반복하여도 동일한 현상이 관측됨을 알 수 있었다. 따라서 온도 또는 식각 시간을 조절하면 마이크로 구조 또는 나노 구조의 형성을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. Based on these assumptions, structural changes were observed by adjusting the reaction temperature. 5 shows a photograph of the surface structure of Al etched for a short time at low and high temperatures, respectively. As can be seen in Figure 5, etching at low temperature for a short time to obtain a microstructure, and etching at a high temperature for a short time to obtain a nanostructure. Experiments show that etching at high reaction temperatures (above about 70 ° C) for short periods of time (1 to 10 seconds) yielded nanostructures that are not microstructures, while at low temperatures (about 0 ° C) for a long time ( When the etching was performed for about 30 seconds or more, the nanostructure was not formed and the microstructure was continuously maintained. In addition, when the Al template with microstructures is etched at a high temperature (about 70 ° C.) for a short time (5 to 10 seconds), nanostructures are formed. When the etching was carried out at ℃) it was confirmed that the microstructure is formed again and the same phenomenon was observed even if repeated several times. Therefore, it was confirmed that by controlling the temperature or the etching time, it is possible to control the formation of the microstructure or the nanostructure.

또한 에천트의 구성성분이 Al의 식각시 어떠한 영향을 미치는지에 대한 실험을 진행하였다. 실험은 Al을 직접적으로 식각을 시키는 것은 HCl이었으며 HCl만으로는 Al 표면을 전면적에서 고르게 식각을 시킬 수 없음을 보여주었다. 그러나 HF만으로 식각을 실시하였을 경우에는 Al이 거의 식각이 되지 않았다. 사실, Al판의 경우 미량의 Fe와 Si가 고르게 섞여 있다. 따라서 이러한 고르게 퍼져 있는 불순물을 HF가 제거하여 HCl이 Al 표면을 고르게 식각을 시킬 수 있게 도와주는 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있었다.
In addition, experiments were conducted on how the constituents of etchant affect the etching of Al. Experiments showed that it was HCl that directly etched Al and HCl alone could not etch Al surface evenly over the entire surface. However, Al was hardly etched when only HF was etched. In fact, for Al, even traces of Fe and Si are evenly mixed. Therefore, it was confirmed that HF removes these evenly dispersed impurities and plays a role in helping HCl to evenly etch the Al surface.

(3) 폴리머 구조물의 제조 및 폴리머 구조물 표면의 구조 변화 분석(3) Preparation of polymer structures and analysis of structural changes on the surface of polymer structures

위에서 제작된 Al 주형들을 이용하여 열과 압력을 이용한 방법으로 HDPE의 폴리머 전사(polymer replication)을 약 20분 동안 실시하였다. HDPE의 경우 폴리머 전사는 약 150℃에서 실시하였으며 폴리머 전사 후에 실온으로 식히고 stripping 방법으로 주형과 전사물(replica)을 분리하였다.Polymer replication of HDPE was performed for about 20 minutes by heat and pressure using Al molds prepared above. In the case of HDPE, the polymer transfer was performed at about 150 ° C. After the polymer transfer, the polymer was cooled to room temperature and the template and the transcript were separated by stripping.

모든 폴리머 전사물의 표면은 FE-SEM (Hitachi, s-4300)을 이용하여 분석하였다. Surfaces of all polymer transcripts were analyzed using FE-SEM (Hitachi, s-4300).

도 6은 아무런 처리를 하지 않은 HDPE 표면의 FE-SEM 사진이다. 표면 전반에 걸쳐 거의 편평한 상태임을 확인할 수 있다. 6 is a FE-SEM photograph of the HDPE surface without any treatment. It can be seen that it is almost flat throughout the surface.

도 7은 각각의 시간 동안 에천트에 의해서 식각된 Al 주형을 이용하여 만들어진 HDPE 폴리머 구조물들의 구조 변화의 FE-SEM 사진이다. 7 is a FE-SEM photograph of the structural change of HDPE polymer structures made using Al template etched by etchant during each time.

도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 마이크로 크기의 단층 구조가 형성된 Al 주형(즉, 10s~30s 동안 식각된 Al 주형)을 사용했을 경우는 전사된 폴리머 구조물에서도 그 모양이 상응하게 전사됨을 알 수 있다. 그러나 점점 나노 구조물이 형성되기 시작한 Al 주형(40s~480s 동안 식각된 Al 주형)에서부터는 주형의 나노구조가 잔디 모양 (grass-like)의 나노 크기의 섬유 구조로 전사된 것을 확인할 수 있다. 식각 시간이 길어질수록 반응 온도가 상승하면서 점점 나노 구조가 형성될 뿐만 아니라 Al 표면의 계층적인 구조 또한 증가하게 된다. 폴리머 전사 과정에서 녹은 고분자가 주형의 구석구석에 들어간 후 식게된다. 스트립핑(stripping) 방법을 이용하여 폴리머 전사물을 분리하면, 폴리머는 늘어져 분리되기 때문에 잔디 모양의 나노 크기의 섬유 구조가 형성되게 된다.
As shown in FIG. 7, when the Al mold (ie, the Al template etched for 10s to 30s) using the micro-sized single-layer structure is used, the shape of the transferred polymer structure can be seen to be correspondingly transferred. . However, from the Al template (Al template etched for 40s ~ 480s) gradually began to form nanostructures, it can be seen that the nanostructure of the template was transferred to grass-like nano-sized fiber structure. As the etching time increases, not only the nanostructure is formed as the reaction temperature increases, but also the hierarchical structure of the Al surface increases. During the polymer transfer process, the melted polymer enters every corner of the mold and cools down. When the polymer transcript is separated using a stripping method, the polymer is stretched and separated to form a grass-shaped nano-sized fiber structure.

(4) 전사된 폴리머 구조물의 초소수성 확인(4) Confirmation of the superhydrophobicity of the transferred polymer structure

상기 전사된 폴리머 구조물의 표면이 초소수성을 나타내는지 확인하기 위해 폴리머 구조물의 표면에 대한 물방울의 접촉각을 측정하였다. 측정 방법은 Florian Exl et. al, Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage Engineering, 2005, D-47에 개시된 방법을 이용하였다. 각각의 폴리머 구조물에 대해서 9 개의 서로 다른 지점에서 측정된 평균 접촉각을 도 8 및 도 9에 나타내었다. In order to confirm that the surface of the transferred polymer structure exhibits superhydrophobicity, the contact angle of water droplets to the surface of the polymer structure was measured. The measuring method is Florian Exl et. al, Proceedings of the XIVth International Symposium on High The method disclosed in Voltage Engineering , 2005, D-47 was used. The average contact angles measured at nine different points for each polymer structure are shown in FIGS. 8 and 9.

도 8은 상기 전사된 다양한 구조를 갖는 HDPE 폴리머 구조물의 정지 접촉각을 나타낸 그래프이고, 하기 표 1 및 도 9는 이들 HDPE 폴리머 구조물의 정지 접촉각(static contact angle) (θs), 전방 접촉각(advancing contact angle) (θa), 후방 접촉각(receding contact angle) (θr)와 접촉각 히스테리시스(contact angle hysteresis)(θa - θr)를 나타낸 도표이다.FIG. 8 is a graph showing the static contact angles of the HDPE polymer structures having the various transferred structures, and Tables 1 and 9 below show the static contact angles (θ s ) and the advancing contact angles of these HDPE polymer structures. The angle (θ a ), the rearing contact angle (receding contact angle) θ r and the contact angle hysteresis (θ ar ).

[표 1]TABLE 1

Figure 112010069372776-pat00001
Figure 112010069372776-pat00001

약 150°의 정지 접촉각과 5°이하의 접촉각 히스테리시스를 가지고 있을 때 폴리머 구조물이 초소수성 표면을 가지고 있는 것이라고 할 수 있다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, HDPE 폴리머 구조물은 30s 보다 긴 시간 동안 식각된 Al 주형을 틀로 사용하여 제조되었을 때 초소수성 표면을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 또한 초소수성 표면을 갖는 HDPE 폴리머 구조물의 경우 편평한 HDPE 폴리머 판에 비해서 약 65 %의 θs 상승 효과를 얻을 수 있었다. HDPE 폴리머 구조물의 경우, 초소수성 표면을 갖는 전사물(30s~60s)에서는 접촉각 히스테리시스 또한 3°이하임을 알 수 있었으며 이 결과 진정한 초소수성 표면을 가짐을 알 수 있었다. 도 8 및 도 9의 결과를 종합해 볼 때 폴리머 표면의 구조를 변화시켜 점점 계층적인 구조를 형성시키면 물질에 상관없이 초소수성이 상승하는 것을 알 수 있다.
The polymer structure has a superhydrophobic surface when it has a static contact angle of about 150 ° and a contact angle hysteresis below 5 °. As can be seen in FIG. 8, it can be seen that the HDPE polymer structure can exhibit a superhydrophobic surface when produced using a template of Al template etched for longer than 30 s. In addition, the HDPE polymer structure having a superhydrophobic surface has a θ s synergistic effect of about 65% compared to the flat HDPE polymer plate. In the case of the HDPE polymer structure, the contact angle hysteresis was also less than 3 ° in the transcript (30s to 60s) having a superhydrophobic surface, and as a result, the superhydrophobic surface was found. 8 and 9, it can be seen that when the structure of the polymer surface is changed to form a hierarchical structure, superhydrophobicity is increased regardless of the material.

실험예Experimental Example 1: 전사된  1: transcribed 초소수성Superhydrophobic 폴리머Polymer 구조물의 안정성 확인 Check the stability of the structure

상기 초소수성 폴리머 구조물이 실생활에 적용되기 위해서는 폴리머 구조물의 초소수성이 외부 환경이나 오염물질에 의해서도 손상되지 않는 안정성을 지녀야 할 것이다. 따라서 상기 초소수성 폴리머 구조물이 다양한 용매에서의 안정성과 다양한 pH를 갖는 용액에서의 안정성을 유지하는지에 대한 실험을 실시하였다. In order for the superhydrophobic polymer structure to be applied in real life, the superhydrophobicity of the polymer structure should have stability that is not damaged by external environment or pollutants. Therefore, an experiment was conducted to determine whether the superhydrophobic polymer structure maintains stability in a solution having various pH and stability in various solvents.

먼저 초소수성 폴리머 구조물의 다양한 용매에 대한 안정성을 시험하기 위해, 에천트에서 60s 동안 식각된 Al 주형을 이용하여 만들어진 HDPE 폴리머 구조물을 헥산(hexane), 페트롤륨 에테르(petroleum ether), 톨루엔(toluene), Cl-벤젠(Cl-Benzene), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), THF, EtOH, 아세톤(acetone), MeOH 또는 물 중에 5일 동안 담근 후 폴리머 구조물의 표면 모양을 관찰하고, 접촉각을 측정하였다.First, to test the stability of various superhydrophobic polymer structures in various solvents, HDPE polymer structures made using Al templates etched for 60 s in an etchant were prepared using hexane, petroleum ether, and toluene. Soak for 5 days in Cl-Benzene, methylene chloride, methylene chloride, chloroform, THF, EtOH, acetone, MeOH or water and observe the surface shape of the polymer structure Was measured.

다양한 용매에 처리된 후 HDPE 폴리머 구조물 표면을 FE-SEM으로 분석한 결과, 처리하지 않았을 때의 폴리머 구조물 표면과 변화가 전혀 없음을 확인할 수 있었다. After treatment with various solvents, the surface of the HDPE polymer structure was analyzed by FE-SEM, and it was confirmed that there was no change in the surface of the polymer structure when it was not treated.

도 10은 다양한 용매로 처리한 HDPE 폴리머 구조물의 표면에 대한 물방울의 접촉각을 측정한 그래프이다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 다양한 용매에 노출된 모든 HDPE 폴리머 구조물은 약 160°근처의 접촉각을 가진다. 따라서 다양한 용매의 처리에도 불구하고 폴리머 구조물 표면의 구조가 변화되지 않고 안정한 초소수성 성질을 지니고 있음을 알 수 있다.10 is a graph measuring the contact angle of water droplets to the surface of the HDPE polymer structure treated with various solvents. As can be seen in FIG. 10, all HDPE polymer structures exposed to various solvents have a contact angle near about 160 °. Therefore, it can be seen that despite the treatment of various solvents, the structure of the surface of the polymer structure does not change and has stable superhydrophobic properties.

그 다음, 초소수성 폴리머 구조물의 다양한 pH를 갖는 용액에서의 안정성을 시험하기 위해, 에천트에서 60s 동안 식각된 Al 주형을 이용하여 만들어진 HDPE 폴리머 구조물을 pH 1~13을 갖는 용액에 3일 동안 담근 후 물로 여러번 씻고 접촉각을 측정하였다.Then, to test the stability of the superhydrophobic polymer structure in the solution with various pHs, the HDPE polymer structure made using Al template etched in the etchant for 60 s was soaked in the solution having pH 1-13 for 3 days. After washing several times with water and the contact angle was measured.

pH 1~13을 갖는 용액에 노출시켰던 HDPE 폴리머 구조물의 표면을 FE-SEM으로 분석한 결과, 처리하지 않았을 때의 폴리머 구조물 표면과 비교하여 변화가 전혀 없음을 확인할 수 있었다.As a result of analyzing the surface of the HDPE polymer structure exposed to the solution having a pH of 1 to 13 by FE-SEM, it was confirmed that there was no change compared to the surface of the polymer structure when it was not treated.

도 11은 다양한 pH를 갖는 용액 중에 노출된 HDPE 폴리머 구조물의 표면에 대한 물방울의 접촉각을 측정한 그래프이다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 다양한 pH를 갖는 용액에 3일 동안 노출시켰음에도 불구하고 물방울의 접촉각에 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서 다양한 pH를 갖는 용매의 처리에도 불구하고 폴리머 구조물 표면의 구조가 변화되지 않고 안정한 초소수성 성질을 지니고 있음을 알 수 있다.
FIG. 11 is a graph measuring the contact angle of water droplets to the surface of HDPE polymer structures exposed in solutions with various pHs. As can be seen in Figure 11, even after exposure to a solution having a variety of pH for three days it can be seen that there is little change in the contact angle of the water droplets. Accordingly, it can be seen that despite the treatment of solvents having various pHs, the structure of the surface of the polymer structure does not change and has stable superhydrophobic properties.

실험예Experimental Example 2: 전사된  2: deceased 초소수성Superhydrophobic 폴리머Polymer 구조물의 자정( Midnight of the structure selfself -- cleaningcleaning ) 효과 확인) Check the effect

초소수성 표면은 스스로 오염물질을 제거 할 수 있는 자정 효과를 나타낸다. 상기 제작된 폴리머 구조물의 표면이 자정 효과를 나타내는지 확인하기 위해 활성탄(activative carbon)을 HDPE 폴리머 구조물 표면 위에 고르게 얹은 후 주사기를 이용하여 물방울을 한 방울씩 흘려 보내는 실험을 실시하였다. 그 결과, 일정 각도(2~5o)로 세운 폴리머 구조물 표면에서 활성탄이 물방울에 의해 제거되는 모습을 볼 수 있었다. 상기 과정을 디지털 카메라로 기록하였다.Superhydrophobic surfaces have a self-cleaning effect that can remove contaminants on their own. In order to confirm that the surface of the produced polymer structure exhibits a self-cleaning effect, an experiment was performed in which an activated carbon was placed evenly on the surface of the HDPE polymer structure, and then droplets were dropped by using a syringe. As a result, activated carbon was removed by water droplets on the surface of the polymer structure set at an angle (2 to 5 o ). The process was recorded with a digital camera.

도 12는 HDPE 폴리머 구조물 표면 위에 얹어진 활성탄이 물방울에 의해 제거되는 과정을 보여주는 연속 사진이다. 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 실시예를 통해 제조된 HDPE 폴리머 구조물의 초소수성 표면이 자정 효과를 나타냄을 알 수 있다.FIG. 12 is a sequential photograph showing a process in which activated carbon placed on the surface of an HDPE polymer structure is removed by water droplets. As can be seen in Figure 12, it can be seen that the superhydrophobic surface of the HDPE polymer structure prepared through the above example exhibits a self-cleaning effect.

Claims (4)

화학적 식각에 의해 주형의 표면에 마이크론 크기(micron-size)의 단층 구조(terrace structure) 및 상기 단층 구조 내의 나노 크기(nano-size)의 홈 구조(groove structure)를 형성하고,
상기 식각된 주형 상에 폴리머를 놓고 열과 압력을 가하여 상기 식각된 주형으로부터 폴리머 구조물을 전사하고(replicating),
상기 전사된 폴리머 구조물을 주형으로부터 떼어내는 것(stripping)을 포함하는 방법에 의해 형성된,
마이크론 크기의 단층 구조 상에 나노 크기의 섬유 구조가 표면상에 형성되어 있는 초소수성 폴리머 구조물(superhydrophobic polymer fabrication).
Chemical etching to form a micron-sized trace structure and a nano-sized groove structure in the monolayer structure on the surface of the mold,
Placing a polymer on the etched mold and applying heat and pressure to transfer the polymer structure from the etched mold,
Formed by a method comprising stripping the transferred polymer structure from a mold,
Superhydrophobic polymer fabrication in which nano-sized fibrous structures are formed on the surface on micron-sized monolayer structures.
마이크론 크기의 단층 구조 상에 나노 크기의 섬유 구조가 표면상에 형성되어 있고, 상기 단층 구조와 섬유 구조는 비규칙적이고 비정형적인 형태를 갖고 있는 초소수성 폴리머 구조물.A superhydrophobic polymer structure in which a nano-sized fibrous structure is formed on a surface on a micron-sized single layer structure, and the single layer structure and the fibrous structure have irregular and atypical shapes. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리머는 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)인 초소수성 폴리머 구조물.The superhydrophobic polymer structure according to claim 1 or 2, wherein the polymer is a thermoplastic polymer. 제3항에 있어서, 상기 열가소성 폴리머는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트 (PTT), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 (PEN)을 포함하는 폴리에스테르; 폴리에틸렌 (PE) 및 폴리프로필렌 (PP)을 포함하는 폴리알킬렌; 폴리비닐 클로라이드 (PVC)를 포함하는 비닐폴리머; 폴리아미드; 폴리아세탈; 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA)를 포함하는 폴리아크릴레이트; 폴리카르보네이트; 폴리스티렌; 폴리우레탄; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 코폴리머 (ABS); 할로겐화 폴리알킬렌; 폴리아릴렌 산화물 및 폴리아릴렌 설피드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 초소수성 폴리머 구조물.The method of claim 3, wherein the thermoplastic polymer comprises a polyester comprising polyethylene terephthalate (PET), polytrimethylene terephthalate (PTT), polybutylene terephthalate (PBT) and polyethylene naphthalate (PEN); Polyalkylenes including polyethylene (PE) and polypropylene (PP); Vinyl polymers including polyvinyl chloride (PVC); Polyamides; Polyacetals; Polyacrylates including polymethyl methacrylate (PMMA); Polycarbonate; polystyrene; Polyurethane; Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS); Halogenated polyalkylenes; A superhydrophobic polymer structure selected from the group consisting of polyarylene oxides and polyarylene sulfides.
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