KR101196067B1 - A method of preparing superhydrophobic materials by depositing silicon oxide and diamond-like carbon using polymer containing silicon as a precursor and superhydrophobic materials prepared by using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘이 포함된 폴리머를 전구체로 이용하여 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시켜 초발수성 물질을 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 초발수성 물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전구체로서 실리콘이 포함된 폴리머를 이용하고 이를 가열증착시켜 대상 물질 표면 상에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시킴으로써 자외선과 강한 산성 및 염기성 용액에 대한 내구성 및 안정성이 뛰어난 초발수성 물질을 제조하는 방법과 이로부터 제조된 초발수성 물질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a super water-repellent material by simultaneously depositing silicon oxide and diamond-like carbon using a polymer containing silicon as a precursor, and more particularly to a super water-repellent material prepared therefrom. A method for producing a super water-repellent material having excellent durability and stability against ultraviolet rays and strong acidic and basic solutions by simultaneously depositing silicon oxide and diamond-like carbon on the surface of a target material by using the included polymer and heat-depositing the same. To a superhydrophobic material.
Description
본 발명은 실리콘이 포함된 폴리머를 전구체로 이용하여 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시켜 초발수성 물질을 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 초발수성 물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전구체로서 실리콘이 포함된 폴리머를 이용하고 이를 가열증착시켜 대상 물질 표면 상에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시킴으로써 자외선과 강한 산성 및 염기성 용액에 대한 내구성 및 안정성이 뛰어난 초발수성 물질을 제조하는 방법과 이로부터 제조된 초발수성 물질에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a super water-repellent material by simultaneously depositing silicon oxide and diamond-like carbon using a polymer containing silicon as a precursor, and more particularly to a super water-repellent material prepared therefrom. A method for producing a super water-repellent material having excellent durability and stability against ultraviolet rays and strong acidic and basic solutions by simultaneously depositing silicon oxide and diamond-like carbon on the surface of a target material by using the included polymer and heat-depositing the same. To a superhydrophobic material.
초발수성 표면이란 물과의 결합력이 매우 약한 표면으로, 물과의 접촉각이 150°이상이 되는 표면을 지칭한다. 자연계의 대표적인 초발수성 표면을 갖는 생물체는 연꽃 잎, 토란 잎, 곤충의 날개와 다리 등을 예로 들 수 있는데, 이들은 외부의 오염물질을 특별한 작업 없이 손쉽게 제거하는 자가세정 및 방수능력을 갖는다(W. Barthloot, C. Neinhuis, Planta, 1997, 202, 1-8). A super water-repellent surface is a surface having a very weak bonding force with water, and refers to a surface whose contact angle with water is 150 ° or more. Representative organisms having a superhydrophobic surface in nature include lotus leaves, taro leaves, wings and legs of insects, etc., which have self-cleaning and waterproofing ability to easily remove external contaminants without special work (W. Barthloot, C. Neinhuis, Planta , 1997, 202, 1-8).
이러한 초발수성 표면에 대한 연구는 최근까지 꾸준히 진행되고 있으며, 이런 초발수성의 물질은 자가세정 및 방수부분 뿐만 아니라 연료전지나 광촉매 분야 등에 까지도 그 응용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 물질이 초발수성을 가지기 위해서는 수 마이크로미터 수준의 돌기구조 위에 수 나노미터 수준의 돌기구조가 요구되며 또한 그 표면이 특정 물질로 코팅이 되어 있어야 한다는 것이 최근까지의 활발한 연구로부터 잘 알려져 있다.Research on such a super water-repellent surface has been ongoing until recently, it is expected that such a water-repellent material can be applied not only to the self-cleaning and waterproof parts, but also to fuel cells or photocatalysts. It is well known from recent studies that the material needs to have a nanometer-level protrusion structure on top of the micrometer-level protrusion structure in order to have a super water repellency.
현재 초발수 물질을 만드는 데 있어서 플라즈마를 이용하는 방법과 steric acid나 SiO2로 표면을 처리하는 방법이 널리 사용되고 있다. 그런데 플라즈마를 이용하기 위해서는 고가의 플라즈마 장비가 필요하여 대량생산이 힘들고 또한 플라즈마의 처리 후 원래 기판표면의 구조가 파괴될 수 있다는 단점이 있다. Steric acid 처리법의 경우, 그 처리 과정은 비교적 간단하고 대량생산이 가능하지만, steric acid 자체가 안정성 및 그 내구성이 떨어진다는 단점이 있다. 특히, steric acid로 표면을 처리한 초발수 물질의 경우에 산이나 염기와 접촉하면 steric acid가 분해되어 그 물질이 더 이상 초발수성을 띄지 못하게 되며, 이는 향후 초발수 물질을 다양한 분야에 응용함에 있어서 치명적인 문제가 될 수 있다.Currently, a method using plasma and surface treatment with steric acid or SiO 2 is widely used to make super water-repellent materials. However, in order to use plasma, expensive plasma equipment is required, so mass production is difficult, and the structure of the original substrate surface may be destroyed after plasma treatment. In the case of steric acid treatment, the treatment process is relatively simple and mass production is possible, but steric acid itself is inferior in stability and durability. In particular, in the case of a super water-repellent material treated with steric acid, when contacted with an acid or a base, the steric acid is decomposed and the material no longer exhibits super water repellency. It can be a fatal problem.
따라서 그 안정성 및 내구성이 뛰어난 물질을 고가의 장비를 이용하지 않으면서 대량으로 코팅처리 하여 초발수성 물질을 만드는 기술의 개발이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a need for the development of a technique for producing a super water-repellent material by coating a large amount of materials having excellent stability and durability without using expensive equipment.
이에 SiO2 코팅을 통한 초발수 물질의 제조가 활발히 연구되고 있다. 실리콘 다이옥사이드(SiO2)는 규소를 4개의 산소가 둘러싼 정사면체형 SiO4를 기본단위로 하고 모든 산소를 규소가 공유하여 3차원적으로 연결된 분자구조를 가지는 물질로서 그 내열성이 뛰어나며 팽창률이 아주 작고 급격한 열변화에 강하고 자외선에 대한 투과성이 좋다. Accordingly, the production of super water-repellent materials through SiO 2 coating has been actively studied. Silicon dioxide (SiO 2 ) is a tetrahedral type SiO 4 surrounded by four oxygens, and silicon has all three oxygens, and has three-dimensionally connected molecular structure. Its heat resistance is excellent and its expansion rate is very small and rapid. Resistant to heat changes and good permeability to ultraviolet rays.
따라서 SiO2 코팅의 경우, SiO2의 안정성과 그 내구성이 steric acid보다 뛰어나다는 장점이 있다. 현재 SiO2를 수 마이크로미터 수준의 돌기와 수 나노미터 수준의 돌기구조의 복잡한 구조를 가지는 샘플 위에 증착을 시키기 위해 기상화학방법이나 원자층 증착방법이 연구 및 응용되고 있다. Therefore, in the case of SiO 2 coating, there is an advantage that the stability and durability of SiO 2 is superior to steric acid. Currently, vapor deposition or atomic layer deposition has been studied and applied to deposit SiO 2 on a sample having a complex structure of a few micrometers and a nanometers.
그런데 이 공정에서 주로 사용되는 실란(SiH4) 전구체의 경우에 무채색에 자극적인 냄새를 가지고 있을 뿐만 아니라 단기간에 노출되었을 경우에도 호흡기, 피부, 눈을 자극하여 구역이나 두통을 유발할 수 있다. 또한 가연성 및 고인화성 가스로서 증발연소와 역화위험이 있어서 공기에 노출될 경우 자연발화의 위험이 있다. 또한 실란(SiH4)을 기상화학 증착법 및 원자층 증착법에 전구체로 이용하는 경우, 그 반응물로 폭발성의 수소가스가 발생될 가능성이 있어서, 실리콘 다이옥사이드(SiO2)를 제조하는 데 있어서 위와 같은 위험성이 없는 전구체의 개발이 요구되고 있다. However, the silane (SiH 4 ) precursor used in this process not only has a colorless irritant odor but also irritates the respiratory system, skin, and eyes even if exposed for a short time, causing nausea or headache. In addition, as a flammable and highly flammable gas, there is a risk of spontaneous ignition when exposed to air because of the risk of evaporation and combustion. In addition, when silane (SiH 4 ) is used as a precursor for vapor deposition and atomic layer deposition, explosive hydrogen gas may be generated as the reactant, and thus there is no risk of the above in the manufacture of silicon dioxide (SiO 2 ). Development of precursors is required.
한편, 상기와 같은 SiO2 코팅과 더불어 샘플 표면을 카본 특히, 다이아몬드상 카본 (diamond-like carbon, DLC)로 코팅 처리할 경우 초발수성을 보인다는 연구결과가 잘 알려져 있다 (Kahp-Yang Suh et al., Langmuir 2010, 26(1), 484-491). 특히 DLC의 경우, 현재 널리 쓰이고 있는 steric acid에 비해서 그 화학적인 안정성과 열적 내구성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다. 그러나 기존의 DLC 코팅방법은 진공상태에서 RF 플라즈마를 이용하여 증착하기 때문에 고가의 플라즈마 장비가 필요하여 대량생산이 힘들다는 단점을 가지고 있다.On the other hand, it is well known that the results of super water repellency when the sample surface is coated with carbon, in particular diamond-like carbon (DLC), in addition to the SiO 2 coating as described above (Kahp-Yang Suh et al. , Langmuir 2010, 26 (1), 484-491). In particular, DLC has the advantage of superior chemical stability and thermal durability compared to the widely used steric acid. However, the conventional DLC coating method has a disadvantage in that mass production is difficult because expensive plasma equipment is required because it is deposited using RF plasma in a vacuum state.
이에 본 발명자는 상기와 같은 점을 감안하여 연구하던 중 전구체로서 실리콘이 포함된 폴리머를 이용하여 이를 가열증착시킴으로써 대상 물질 표면 상에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시킬 수 있으며, 이와 같이 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본이 동시에 증착됨으로써 자외선과 강한 산성 및 염기성 용액에 대한 내구성 및 안정성이 뛰어난 초발수성 물질을 제조할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors can simultaneously deposit silicon oxide and diamond-like carbon on the surface of a target material by heating and depositing it using a polymer containing silicon as a precursor while studying in view of the above points. The present invention was completed by confirming that superfine water-repellent material having excellent durability and stability against ultraviolet rays and strong acidic and basic solutions by simultaneously depositing and diamond-like carbon was completed.
본 발명의 목적은 실리콘이 포함된 폴리머를 전구체로 이용하여 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시켜 초발수성 물질을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for producing a super water-repellent material by simultaneously depositing silicon oxide and diamond-like carbon using a polymer containing silicon as a precursor.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 초발수성 물질을 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a super water-repellent material prepared by the above method.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 In order to solve the above problems, the present invention
1) 실리콘(Si) 원자와 카본(C) 원자를 포함하는 폴리머를 전구체로 준비하는 단계; 및1) preparing a polymer including a silicon (Si) atom and a carbon (C) atom as a precursor; And
2) 상기 전구체를 가열하여 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시켜 초발수성 물질을 제조하는 단계2) preparing a super water-repellent material by heating the precursor to deposit silicon oxide and diamond-like carbon on the surface of the target material at the same time
를 포함하는 초발수성 물질의 제조방법을 제공한다.
It provides a method for producing a super water-repellent material comprising a.
상기 단계 1은, 대상 물질 표면 상에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 증착시키기 위해 전구체로서 사용할 실리콘(Si) 원자와 카본(C) 원자를 포함하는 폴리머를 준비하는 단계이다.
본 발명에서 사용되는 실리콘이 포함된 폴리머는 실리콘 (Si) 원자와 카본 (C) 원자가 함유된 폴리머를 통칭하는 의미이다. 실리콘(Si) 원자가 카본(C) 원자와 함께 대상물질에 증착될 경우, 카본 결합 사이에 실리콘 원자가 결합되어 다이아몬드 상의 카본을 형성시킬 수 있다(Kahp-Yang Suh et al., Langmuir 2010, 26(1), 484-491). 이러한 실리콘이 포함된 폴리머의 구체적인 예로는 폴리다이메틸실록산, 폴리디오가노실록산, 오가노하이드로겐 폴리실록산, 오가노폴리실록산 등이 있으나, 이에 국한되지 않고 실리콘(Si) 원자와 카본(C) 원자를 포함하는 폴리머를 사용하면 실리콘 산화물과 함께 다이아몬드 상 카본을 동시에 형성시킬 수 있다.The polymer containing silicon used in the present invention is a generic term for polymers containing silicon (Si) atoms and carbon (C) atoms. When silicon (Si) atoms are deposited on a target material together with carbon (C) atoms, silicon atoms may be bonded between carbon bonds to form carbon on diamond (Kahp-Yang Suh et al., Langmuir 2010, 26 (1). ), 484-491). Specific examples of the polymer containing silicon include, but are not limited to, polydimethylsiloxane, polydiorganosiloxane, organohydrogen polysiloxane, organopolysiloxane, and the like, and include silicon (Si) atoms and carbon (C) atoms. The use of a polymer can form diamond-like carbon simultaneously with silicon oxide.
상기 단계 2는, 실리콘이 포함된 폴리머를 가열하여 대상 물질 표면 상에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시키는 단계이다.
본 발명에서 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본의 증착을 위한 전구체인 실리콘이 포함된 폴리머의 가열 온도는 매우 중요하다. 이때의 온도 범위는 100-400℃가 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 150-250℃의 온도 범위가 좋다. 온도범위가 100℃ 미만인 경우에는 전구체가 증기화 되지 않기 때문에 대상 물질에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본이 증착되기 어려울 수 있다. 또한 400℃를 초과할 경우 대상 물질에 형성된 코팅의 표면구조가 변하여 초발수성 기능이 상실될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 증착 방법은 종래 기상화학방법 등에서 사용하는 온도에 비해 저온에서 수행될 수 있어 보다 저렴한 공정으로 수행할 수 있다는 특징을 가진다.In the present invention, the heating temperature of the polymer containing silicon which is a precursor for the deposition of silicon oxide and diamond-like carbon is very important. At this time, the temperature range is preferably 100-400 ° C, more preferably 150-250 ° C. If the temperature range is less than 100 ° C, since the precursor does not vaporize, it may be difficult to deposit silicon oxide and diamond-like carbon on the target material. In addition, the surface structure of the coating formed on the target material is changed when it exceeds 400 ℃ may lose the superhydrophobic function. As described above, the deposition method of the present invention may be performed at a lower temperature than the temperature used in the conventional vapor chemical method, and thus may be performed at a lower cost.
본 발명에서 사용되는 대상 물질은 초발수성을 구현하기 위해 증착의 대상이 되는 물질을 의미한다. 본 발명에서는 전구체가 기체 상태로 증착되기 때문에 그 입자 크기가 수 나노에서 수백 마이크로 수준인 분말 형태의 대상물질에도 그 적용이 가능하다. 구체적으로, 상기 대상 물질의 입자 크기의 바람직한 범위는 0.1 ㎚ 내지 700 ㎛이며, 이에 제한되지는 않는다.The target material used in the present invention means a material to be deposited in order to realize super water repellency. In the present invention, since the precursor is deposited in a gaseous state, the present invention is also applicable to a target material in powder form having a particle size of several nanometers to several hundred micrometers. Specifically, the preferred range of particle size of the target material is 0.1 nm to 700 μm, but is not limited thereto.
본 발명에서, 상기 대상 물질로서 사용될 수 있는 물질로는 니켈, 구리, 철, 팔라듐, 코발트, 아연, 티타늄, 실리콘, 금, 은 및 이들 금속의 산화물과, 일반 유리, 석영 유리 및 모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.In the present invention, materials that can be used as the target material include nickel, copper, iron, palladium, cobalt, zinc, titanium, silicon, gold, silver and oxides of these metals, general glass, quartz glass and sand. One or more types selected from may be exemplified, but is not limited thereto.
본 발명의 실리콘이 포함된 폴리머를 전구체로 사용하여 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 DLC가 증착하여 초발수성 기능을 가지는 물질을 제조하는 방법은 기존의 플라즈마 및 식각 수행하며 초발수성 물질을 제조하는 복잡한 제조 방법에 비해 간단하고 값싼 방법이며, 대량으로 제조하기 용이하다. 또한 본 발명의 방법에 따르면 실리콘 산화물과 함께 DLC를 동시에 증착시켜 초발수성 물질의 자외선과 강한 산성 및 염기성 용액에 대한 내구성 및 안정성을 증대시킬 수 있다. 이에 더하여 본 발명에 따른 초발수성 물질의 제조 방법은 상기한 바와 같이 그 크기가 수 나노 수준인 분말의 경우에도 적용이 가능하다는 점에서 종래 기술과 차별된다.
Method of manufacturing a material having a superhydrophobic function by depositing silicon oxide and DLC on the surface of a target material using the polymer containing silicon of the present invention as a precursor is a complex manufacturing process for producing a superhydrophobic material by performing conventional plasma and etching It is simpler and cheaper than the process and easy to manufacture in large quantities. In addition, according to the method of the present invention it is possible to increase the durability and stability of the ultra-water-repellent material in the ultraviolet and strong acidic and basic solution of the DLC simultaneously with the silicon oxide. In addition, the manufacturing method of the super water-repellent material according to the present invention is distinguished from the prior art in that it can be applied to a powder having a size of several nanometers as described above.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 초발수성 물질을 제공한다.The present invention also provides a super water-repellent material prepared by the above method.
본 발명의 방법으로 제조된 초발수성 물질은 수 나노 내지 수백 마이크로 수준의 크기를 가지는 분말 형태의 물질 표면에 수 나노 내지 수백 나노 이하의 두께를 가지는 실리콘 산화물과 DLC의 코팅층이 형성되어 있는 것으로, 자가세정 및 방수능력을 갖는다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 초발수성 물질에 있어 상기 코팅층의 두께는 전체적으로 균일한 특징을 가질 수 있다.
The super water-repellent material prepared by the method of the present invention is a coating layer of silicon oxide and DLC having a thickness of several nano to several hundred nanometers is formed on the surface of the powder form material having a size of several nano to several hundred micro level, Clean and waterproof. In the super water-repellent material prepared according to the method of the present invention, the thickness of the coating layer may have a uniform characteristic as a whole.
또한, 본 발명은 상기 초발수성 물질로 코팅된 초발수성 물품을 제공한다.The present invention also provides a superhydrophobic article coated with the superhydrophobic material.
본 발명의 초발수성 물질로 코팅될 수 있는 물품으로는 반도체 소자, 전자제품 외장재, 건축자재, 비행기 외장재, 섬유, 태양전지 및 연료전지 등을 예로 들 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.Examples of the article that can be coated with the superhydrophobic material of the present invention include, but are not limited to, semiconductor devices, electronics exterior materials, building materials, airplane exterior materials, fibers, solar cells, and fuel cells.
구체적으로, 본 발명에 따른 초발수성 물질은 반도체 소자의 세정, 유기물의 오염이 문제가 되는 냉장고, 휴대폰, 텔레비전 등과 같은 전자제품 외장재의 코팅, 습도나 이물질에 대한 오염 예방이 필수적인 건축자재의 코팅, 비행기 외장재의 코팅, 얼룩방지를 위한 섬유의 표면처리 등에 폭넓게 적용이 가능하며, 향후 태양전지나 연료전지 등의 연구에도 그 응용이 가능할 것으로 기대된다.
Specifically, the super water-repellent material according to the present invention is a coating of electronics exterior materials, such as refrigerators, mobile phones, televisions, etc., in which cleaning of semiconductor devices, contamination of organic matters is a problem, coating of building materials, which is necessary to prevent contamination of humidity or foreign matters, It can be widely applied to the coating of airplane exterior materials, surface treatment of fibers to prevent staining, and is expected to be applicable to research of solar cells and fuel cells in the future.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 사용된 전구체인 실리콘이 포한된 폴리머의 원소분석 결과를 나타낸 스펙트럼이다. 도 1의 스펙트럼을 통해 실리콘(Si) 원자와 카본(C) 원자가 함유되어 있는 폴리머임을 확인할 수 있다.1 is a spectrum showing the results of elemental analysis of a polymer containing silicon, a precursor used in one embodiment of the present invention. It can be seen from the spectrum of FIG. 1 that the polymer contains silicon (Si) atoms and carbon (C) atoms.
본 발명에서는 상기와 같이 실리콘이 포함된 폴리머를 전구체로 사용하여 이를 가열 증착시킴으로써 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 함께 DLC를 함께 형성시킴으로써 초발수성 기능을 부여하며 자외선과 강한 산성 및 염기성 용액에 대한 내구성 및 안정성을 증대시킬 수 있다.
In the present invention, by using a polymer containing silicon as a precursor as described above by heating deposition it forms DLC together with silicon oxide on the surface of the target material to give a super water-repellent function and to the durability against ultraviolet and strong acidic and basic solutions and Stability can be increased.
도 2는 본 발명에 따라 대상 물질(1) 표면에 실리콘 산화물과 DLC를 증착하기 위한 장치의 개략도이다.2 is a schematic diagram of an apparatus for depositing silicon oxide and DLC on the surface of a
상기 장치는 본 발명에 따라 실리콘 산화물과 DLC의 증착을 수행할 수 있으며, 실리콘 산화물과 DLC의 증착이 가능한 온도까지 견딜 수 있고 열전도도가 우수한 반응용기(3) 및 열선(4)을 구비하며, 전압조절기(5), 온도를 제어할 수 있는 온도 표기 및 제어기(6), 온도를 측정하기 위한 온도측정 장치(7)가 제공된다. The apparatus is capable of carrying out deposition of silicon oxide and DLC in accordance with the present invention, and has a reaction vessel (3) and a hot wire (4) that can withstand temperatures up to deposition of silicon oxide and DLC and are excellent in thermal conductivity, A
본 발명에 따른 실리콘 산화물과 DLC의 증착을 수행하기 위한 반응용기는 스테인리스, 알루미늄, 강철, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
The reaction vessel for performing deposition of the silicon oxide and DLC according to the present invention is preferably selected from the group consisting of stainless steel, aluminum, steel, titanium and alloys thereof, but is not limited thereto.
본 발명의 실리콘이 포함된 폴리머를 전구체로 이용한 증착 방법은 안정성과 내구성이 뛰어난 실리콘 산화물과 DLC를 함께 코팅함으로서 초발수성 물질의 안정성과 내구성을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다. The deposition method using the silicon-containing polymer of the present invention as a precursor has the effect of increasing the stability and durability of the super water-repellent material by coating the silicon oxide and DLC with excellent stability and durability.
또한, 뛰어난 안정성과 내구성을 가지는 DLC를 실리콘 산화물과 함께 코팅함으로서 향상된 발수 기능을 통해 태양전지 및 연료전지 등의 분야에도 그 적용이 가능할 것으로 기대된다. In addition, by coating DLC with silicon oxide with excellent stability and durability, it is expected to be applicable to fields such as solar cells and fuel cells through improved water repellency.
본 발명의 방법은 위험성이 없고 가격이 저렴한 실리콘이 포함된 폴리머를 이용함으로써 적은 비용으로 대량생산이 가능하여 그 파급효과가 거대할 것으로 기대된다.The method of the present invention is expected to be mass-produced at low cost by using a polymer containing silicon which is not dangerous and inexpensive, and its ripple effect is expected to be huge.
또한 상기 방법은 전구체가 기화되어 기제 상태에서 표면에 코팅이 되기 때문에 사이즈가 나노 수준인 분말에도 얇고 균일한 박막을 증착시킬 수 있음은 물론, 이 방법을 통하여 추가적인 공정 없이 간단하게 초발수성 표면을 가지는 분말을 제공할 수 있어 그 응용분야가 더 폭넓을 것으로 기대된다.In addition, since the precursor is vaporized and coated on the surface in the base state, it is possible to deposit a thin and uniform thin film even on a nano-sized powder. It is expected that a wider range of applications can be provided with powders.
본 발명으로 제조된 초발수성 분말은 접착제나 용매를 이용하여 매우 복잡한 구조물에도 쉽게 고정시킬 수 있기 때문에, 다른 복잡한 구조의 표면을 가지는 물질에 고정시키는 응용도 가능할 것으로 기대된다.Since the superhydrophobic powder prepared by the present invention can be easily fixed to a very complicated structure by using an adhesive or a solvent, it is expected that an application to fix to a material having a surface of another complex structure is also possible.
도 1은 본 발명에 사용된 전구체인 실리콘이 포함된 폴리머의 원소분석 결과를 보여주는 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명에 따른 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 함께 DLC를 동시에 증착시키기 위한 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 함께 DLC를 동시에 증착시킨 물질을 투과전자 현미경으로 분석한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 함께 DLC를 동시에 증착시킨 물질의 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명에 따른 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 함께 DLC를 동시에 증착시킨 물질의 X-선 분광법을 통해 분석한 스펙트럼이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수성 니켈 산화물 분말의 물에 대한 접촉각을 나타낸 것이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 초발수성 니켈 산화물 분말의 산성에 대한 내구성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.1 is a spectrum showing the results of elemental analysis of a polymer containing silicon, a precursor used in the present invention.
2 is a schematic diagram of an apparatus for simultaneously depositing DLC with silicon oxide on the surface of a subject material according to the present invention.
3 is a photograph of a material in which DLC is simultaneously deposited with silicon oxide on the surface of a target material according to the present invention under a transmission electron microscope.
4 is an Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) spectrum of a material in which DLC is simultaneously deposited with silicon oxide on the surface of a target material according to the present invention.
5 is a spectrum analyzed by X-ray spectroscopy of a material in which DLC is simultaneously deposited with silicon oxide on the surface of a target material according to the present invention.
Figure 6 shows the contact angle of the super water-repellent nickel oxide powder with respect to water according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the result of comparing the durability against acid of the super water-repellent nickel oxide powder according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 더 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예는 본 발명의 예시적인 기재일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to these examples.
실시예 1: 실리콘을 포함하는 폴리머로서 폴리다이메틸실록산을 이용하여 실리콘 산화물과 함께 DLC를 증착시킨 초발수성 물질의 제조Example 1 Preparation of Superhydrophobic Material Deposited DLC with Silicon Oxide Using Polydimethylsiloxane as Polymer Containing Silicon
먼저, 실리콘 폴리머로서 폴리다이메틸실록산을 준비하여 이의 성분분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.First, polydimethylsiloxane was prepared as a silicone polymer and its component analysis was performed. The results are shown in FIG. 1.
도 1을 통해 알 수 있듯이, 본 실시예에서 사용하는 실리콘 폴리머인 폴리다이메틸실록산에 실리콘(Si) 원자와 탄소(C) 원자가 함유되어 있음을 확인할 수 있다.As can be seen from FIG. 1, it can be seen that the silicon (Si) atom and the carbon (C) atom are contained in the polydimethylsiloxane which is the silicon polymer used in the present embodiment.
그 다음 도 2에 나타낸 바와 같은 장치를 준비하고, 상기 장치의 반응용기(3)에 상기에서 성분을 확인한 실리콘이 포함된 폴리머(2)와 0.5g의 니켈 산화물(NiO) 분말(1)을 투입하였다. 이때 니켈 산화물 분말의 입자 크기는 수십 나노미터 수준 즉, 10 ㎚ 내지 30 ㎚ 정도이었다.Then, a device as shown in FIG. 2 is prepared, and a polymer (2) containing silicon and the 0.5 g nickel oxide (NiO) powder (1) containing the components identified above are added to the reaction vessel (3) of the device. It was. At this time, the particle size of the nickel oxide powder was several tens of nanometers, that is, about 10 nm to about 30 nm.
그리고 열선(4)를 이용하여 장치를 가열시켰다. 가열은 전압 제어기(6)를 이용해서 초기에 100V로 5분 동안 지속시키고 150V로 변압하여 200℃까지 온도를 올려주었다. 온도 측정기(7)를 통해 온도를 실시간으로 측정하였다.And the apparatus was heated using the
200℃가 되면 온도 표기 및 제어기(5)를 이용하여 전구체가 증기화되어 니켈 산화물 분말에 증착될 수 있도록 30분간 온도를 유지시켜주었다. At 200 ° C., the temperature was maintained for 30 minutes using the temperature display and the
상기와 같은 공정을 마치게 되면 실리콘 산화물과 함께 DLC가 코팅이 된 초발수성 니켈 산화물 분말을 얻을 수 있다.
After completing the above process, DLC-coated superhydrophobic nickel oxide powder with silicon oxide can be obtained.
실험예 1: 본 발명 초발수성 물질의 표면 분석Experimental Example 1 Surface Analysis of the Superhydrophobic Material of the Invention
상기 실시예 1에서 제조된 본 발명의 초발수성 물질의 표면 분석을 통해 실리콘 산화물과 DLC의 동시 증착을 확인하였다.The surface analysis of the super water-repellent material of the present invention prepared in Example 1 confirmed the simultaneous deposition of silicon oxide and DLC.
먼저, 도 3은 상기 실시예 1과 같은 방법으로 그 입자 크기가 수십 나노미터 수준인 니켈 산화물 분말에 실리콘 산화물과 함께 다이아몬드 상 카본을 입힌 초발수성 물질의 표면을 투과전자 현미경을 통해 분석한 결과를 나타낸 것이다. 그 입자 크기가 수십 마이크로미터 수준인 니켈 분말의 경우, 투과전자 현미경으로 관찰이 불가능하기 때문에, 이 경우에 그 입자 크기가 수십 나노미터 수준인 니켈 산화물 분말을 대상물질로 이용하였다. 도 3을 통해 약 3-4 nm의 얇은 막이 니켈 산화물 분말을 싸고 있음을 확인할 수 있다. First, FIG. 3 shows the results of analyzing the surface of a superhydrophobic material coated with diamond-like carbon with silicon oxide on nickel oxide powder having a particle size of several tens of nanometers in the same manner as in Example 1 through a transmission electron microscope. It is shown. Nickel powder having a particle size of several tens of micrometers cannot be observed with a transmission electron microscope. In this case, nickel oxide powder having a particle size of several tens of nanometers was used as a target material. 3, it can be seen that a thin film of about 3-4 nm encapsulates the nickel oxide powder.
도 4는 도 3에서의 (1), (2) 부분을 EDS를 통해 원소분석한 결과를 나타낸 것이다. (1)에서는 탄소성분이, (2)에서 니켈이 지배적으로 나온 것으로 보아 상기 공정을 통해 DLC 코팅이 잘 이루어졌음을 확인할 수 있었다.FIG. 4 shows the results of elemental analysis of parts (1) and (2) of FIG. 3 through EDS. In (1), it was confirmed that DLC coating was well performed through the above process because the carbon component was predominantly nickel in (2).
도 5는 상기 공정을 통해 제조되어진 실리콘 산화물과 DLC가 코팅된 니켈 산화물 분말의 X-선 분광법을 통한 표면 분석 결과를 나타낸 것이다. 도 5에서 나타난 바와 같이, 상기 공정 이후 탄소 1s peak(도 5(1))와 Si 2p peak(도 5(2))가 증가함을 알 수 있었으며, 이를 통해 실리콘 산화물과 DLC 코팅이 이루어졌음을 확인할 수 있다.
Figure 5 shows the surface analysis results by X-ray spectroscopy of the silicon oxide and DLC-coated nickel oxide powder prepared by the above process. As shown in FIG. 5, it can be seen that the
실험예 2: 본 발명 초발수성 물질의 접촉각 측정Experimental Example 2: Measurement of the contact angle of the superhydrophobic material of the present invention
상기 실시예 1에 의해 제조된 초발수성 니켈 산화물 분말의 물에 대한 접촉각을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The contact angle with respect to water of the super water-repellent nickel oxide powder prepared in Example 1 was measured, and the results are shown in FIG.
물과의 접촉각이 150°이상인 표면을 초발수성 표면이라고 하는데, 도 6에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1에 의해 제조된 분말의 접촉각은 153.2°인 것으로 나타나, 초발수성 분말임을 확인하였다.
The surface having a contact angle with water of 150 ° or more is referred to as a super water-repellent surface. As shown in FIG. 6, the contact angle of the powder prepared by Example 1 was found to be 153.2 °, and it was confirmed that it was a super water-repellent powder.
실험예 3: 본 발명 초발수성 물질의 자가세정 및 방수능력 평가Experimental Example 3: Evaluation of Self-cleaning and Waterproofing Capacity of the Superhydrophobic Material of the Present Invention
상기 실시예 1에 의해 제조된 초발수성 니켈 산화물 분말의 산성에 대한 내구성을 평가하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.The durability against acidity of the super water-repellent nickel oxide powder prepared in Example 1 was evaluated, and the results are shown in FIG. 7.
내구성 비교를 위하여 steric acid로 표면을 처리한 니켈 산화물 분말을 대조구로서 사용하였다.For comparison of durability, nickel oxide powder surface-treated with steric acid was used as a control.
도 7에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1에 의해 제조된 초발수성 니켈 산화물 분말의 경우, steric acid로 표면을 처리한 니켈 산화물 분말의 경우보다 산성에 뛰어난 내구성을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.
As shown in Figure 7, it was confirmed that the super water-repellent nickel oxide powder prepared in Example 1 shows superior durability against acid than that of nickel oxide powder treated with steric acid.
Claims (8)
2) 상기 전구체를 가열하여 대상 물질 표면에 실리콘 산화물과 다이아몬드상 카본을 동시에 증착시켜 초발수성 물질을 제조하는 단계
를 포함하는 초발수성 물질의 제조방법.1) preparing a polymer including a silicon (Si) atom and a carbon (C) atom as a precursor; And
2) preparing a super water-repellent material by heating the precursor to deposit silicon oxide and diamond-like carbon on the surface of the target material at the same time
Method for producing a super water-repellent material comprising a.
A super water-repellent semiconductor device coated with the super water-repellent material of claim 6, an electronics exterior material, a building material, an airplane exterior material, a fiber, a solar cell or a fuel cell.
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