KR102022623B1 - Manufacturing method of surface structure having icing layer separation function - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로-나노 복합 구조의 나노 기공 내에 흡습성 물질이 수용되고, 결빙 지연층이 형성됨으로써 금속 기재의 표면에 결빙을 지연시킬 수 있을 뿐만 아니라, 결빙 지연층의 표면상에 결빙이 진행될 경우 나노 기공 내에 수용된 흡습성 물질에 의하여 표면의 얼음 접착력이 최소화되어 표면에 형성된 얼음이 쉽게 탈착되는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 금속 기재의 표면에 마이크로 단위의 요철로 형성된 마이크로 구조층과, 상기 마이크로 구조층에 형성된 나노 기공과, 상기 마이크로 구조층 표면에 형성된 결빙 지연층과, 상기 나노 기공 사이에 수용되는 흡습성 물질을 포함하며, 상기 나노 기공은 상기 마이크로 구조층의 평탄면 및 측면에 대하여 수직한 방향으로 형성되고, 상기 결빙 지연층의 두께는 1nm 내지 20nm이며, 상기 흡습성 물질은 상기 결빙 지연층의 표면에 결빙이 시작되는 경우, 상기 나노 기공으로부터 배출되어 흡습성 물질 막을 형성함으로써 상기 결빙 지연층 표면과 얼음 간의 접착력을 감소시켜 상기 결빙 지연층으로부터 상기 얼음을 탈착시키는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 제공한다.According to the present invention, the hygroscopic material is contained in the nano-pores of the micro-nano composite structure, and the formation of the freezing delay layer not only delays freezing on the surface of the metal substrate, but also freezes on the surface of the freezing delay layer. It relates to a surface structure having a function of freezing layer separation of ice formed on the surface is easily detached by the ice adhesion of the surface by the hygroscopic material contained in the pores and a method of manufacturing the same.
To this end, the present invention is a micro-structure layer formed of micro-concave-convex on the surface of the metal substrate, nano-pores formed on the micro-structure layer, freezing delay layer formed on the surface of the micro-structure layer, and accommodated between the nano-pores It includes a hygroscopic material, wherein the nano-pores are formed in a direction perpendicular to the flat surface and the side surface of the micro-structure layer, the thickness of the freezing retardation layer is 1nm to 20nm, the hygroscopic material is the When freezing begins on the surface, the freeze layer separation function is characterized in that the ice is discharged from the nano-pores to form a hygroscopic material film, thereby reducing the adhesion between the surface and the ice layer to desorb the ice from the layer. Branches provide a surface structure.
Description
본 발명은 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로-나노 복합 구조의 나노 기공 내에 흡습성 물질이 수용되고, 결빙 지연층이 형성됨으로써 금속 기재의 표면에 결빙을 지연시킬 수 있을 뿐만 아니라, 결빙 지연층의 표면상에 결빙이 진행될 경우 나노 기공 내에 수용된 흡습성 물질에 의하여 표면의 얼음 접착력이 최소화되어 표면에 형성된 얼음이 쉽게 탈착되는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a surface structure having a function of freezing layer separation and a method of manufacturing the same, and more particularly, a hygroscopic material is contained in the nano-pores of the micro-nano composite structure, and a freezing delay layer is formed to freeze the surface of the metal substrate. In addition, the surface structure having a freezing layer separation function in which ice adhesion of the surface is minimized by the hygroscopic material contained in the nanopores when the freezing progresses on the surface of the freezing retardation layer is easily removed. And to a method for producing the same.
일반적으로 발수성이란 물에 젖기 어려운 성질을 뜻하는 것이며, 초발수성이란 해당 분야에서 고체의 표면에 접촉한 물의 접촉각이 150° 이상인 경우로 정의된다.Generally, water repellency refers to a property that is difficult to get wet with water, and super water repellency refers to a case in which the contact angle of water in contact with the surface of a solid in the relevant field is 150 ° or more.
최근에 물에 대한 접촉각이 150° 이상을 가지는 초발수성 표면은 기본적인 연구 및 실제적인 응용의 중요성 때문에 상당한 관심을 끌어왔다. 초발수성 (superhydrophobicity)은 물체의 표면이 물에 극히 젖기 어려운 물리적 특성을 말한다. Recently, super water-repellent surfaces having a contact angle of water of more than 150 ° have attracted considerable attention because of the importance of basic research and practical applications. Superhydrophobicity is a physical property where the surface of an object is extremely wet with water.
예를 들어, 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, 새의 날개 등이 초발수성을 지니고 있기 때문이다.For example, the leaves of plants, the wings of insects, or the wings of birds are characterized by no external contaminants being removed or contaminated from scratch. This is because the leaves of plants, the wings of insects, and the wings of birds are superhydrophobic.
젖음성(wettability)은 고체 재료의 주요 표면 특성이고, 이것은 화학적 조성 및 기하학적 마이크로/나노 구조 둘 다에 의해 주로 지배된다. 젖음성 표면은 기름-물 분리, 반사 방지, 생체 유착 방지, 점착 방지, 오염방지, 자기 세정, 유체 난류 억제, 결빙 지연 및 결빙 방지 등과 같은 다양한 분야에서 잠재적 응용성으로 인하여 많은 주의를 끌어왔다.Wetability is the major surface property of solid materials, which is largely governed by both chemical composition and geometric micro / nano structure. Wet surfaces have attracted much attention due to their potential applications in various fields such as oil-water separation, anti-reflection, bio-adhesion, anti-stick, anti-pollution, self-cleaning, fluid turbulence suppression, freeze delay and freeze protection.
한편, 알루미늄은 열 및 전기전도도가 우수하고 가벼울 뿐만 아니라 구리보다 가격이 저렴하고 가공성이 우수하여 많은 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. On the other hand, aluminum is widely used in many industrial fields because of excellent thermal and electrical conductivity and lightness, as well as low cost and excellent workability than copper.
따라서, 최근 알루미늄을 이용한 초발수성을 가지는 표면이 제작되고 있으며, 알루미늄 표면에 초발수 성질을 발현하는 물질의 코팅을 함으로써 알루미늄 표면에 초발수성을 부여한다.Therefore, a surface having super water repellency using aluminum has been recently produced, and super water repellency is imparted to the aluminum surface by coating a material expressing super water repellency on the aluminum surface.
그러나 상술한 초발수 성질을 알루미늄 표면에 부여하여 결빙을 방지하는 표면을 구현하여도 일정 시간이 지나면 결빙이 시작되며, 이러한 경우에는 일반적으로 화학물질의 사용 또는 가열을 통하여 표면에 형성된 결빙층을 제거한다.However, even if the surface to prevent freezing by imparting the above-described super water-repellent property to the aluminum surface, freezing starts after a certain time, and in this case, the freezing layer formed on the surface is generally removed through the use of a chemical or heating. do.
이렇게 화학물질을 사용하여 결빙층을 제거하는 경우에는 화학물질에 의하여 발수층 표면이 훼손될 수 있을 뿐만 아니라 주변 환경이 오염될 수 있는 문제점이 있다.When the icing layer is removed using the chemical, there is a problem that the surface of the water repellent layer may be damaged by the chemical as well as the surrounding environment may be contaminated.
또한, 가열을 통해 결빙층을 제거하는 경우에는 전기자동차와 같이 에너지 효율이 중요한 장치에 적용이 적합하지 않은 문제점이 있다.In addition, in the case of removing the icing layer through heating, there is a problem that the application is not suitable for energy-efficient devices such as electric vehicles.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 마이크로-나노 복합 구조의 나노 기공 내에 흡습성 물질이 수용되고, 결빙 지연층이 형성됨으로써 금속 기재의 표면에 결빙을 지연시킬 수 있을 뿐만 아니라, 결빙 지연층의 표면상에 결빙이 진행될 경우 나노 기공 내에 수용된 흡습성 물질에 의하여 표면의 얼음 접착력이 최소화되어 표면에 형성된 얼음이 쉽게 탈착되는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물 및 이의 제조 방법을 제공한다.The problem to be solved in the present invention is that the hygroscopic material is accommodated in the nano-pores of the micro-nano composite structure, the frost retardation layer is formed can not only delay the frost on the surface of the metal substrate, but also on the surface of the frost retardation layer Provided is a surface structure having a function of separating the ice layer formed on the surface of the surface by the hygroscopic material accommodated in the nano-pores, the ice is easily desorbed when the freezing proceeds, and a method of manufacturing the same.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 기재의 표면에 마이크로 단위의 요철로 형성된 마이크로 구조층과, 상기 마이크로 구조층에 형성된 나노 기공과, 상기 마이크로 구조층 표면에 형성된 결빙 지연층과, 상기 나노 기공 사이에 수용되는 흡습성 물질을 포함하며, 상기 나노 기공은 상기 마이크로 구조층의 평탄면 및 측면에 대하여 수직한 방향으로 형성되고, 상기 결빙 지연층의 두께는 1nm 내지 20nm이며, 상기 흡습성 물질은 상기 결빙 지연층의 표면에 결빙이 시작되는 경우, 상기 나노 기공으로부터 배출되어 흡습성 물질 막을 형성함으로써 상기 결빙 지연층 표면과 얼음 간의 접착력을 감소시켜 상기 결빙 지연층으로부터 상기 얼음을 탈착시키는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a microstructured layer formed of micro-concave-convex on the surface of the metal substrate, nano-pores formed in the microstructured layer, the freezing delay layer formed on the surface of the microstructured layer, A hygroscopic material is contained between the nano-pores, wherein the nano-pores are formed in a direction perpendicular to the flat surface and the side surface of the micro-structure layer, the thickness of the freeze delay layer is 1nm to 20nm, the hygroscopic material is When icing is started on the surface of the frost retardation layer, it is discharged from the nano-pores to form a hygroscopic material film to reduce the adhesion between the frost retardation layer surface and the ice to desorb the ice from the frost retardation layer It provides a surface structure having a function of freezing layer separation.
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물에 있어서, 상기 금속 기재는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.In the surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, the metal substrate may include aluminum (Al).
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물에 있어서, 상기 마이크로 구조층은 동일하거나 상이한 평탄면 및 측면이 연속되어 있고, 상기 평탄면의 수평 방향 길이는 500nm 내지 5㎛일 수 있다.In the surface structure having the function of freezing layer separation according to the present invention, the micro structure layer has the same or different flat surfaces and sides are continuous, the horizontal length of the flat surface may be 500nm to 5㎛.
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물에 있어서, 상기 나노 기공의 지름은 10nm 내지 50nm일 수 있다.In the surface structure having a freezing layer separation function according to the invention, the diameter of the nano-pores may be 10nm to 50nm.
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물에 있어서, 상기 결빙 지연층은 불소(F)를 포함할 수 있다.In the surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, the freezing delay layer may include fluorine (F).
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물에 있어서, 상기 결빙 지연층은 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다.In the surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, the freezing retardation layer may include polydimethylsiloxane.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 포함하는 항공기 부품을 제공한다.In addition, in order to solve the above problems, there is provided an aircraft component comprising a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 포함하는 열교환기를 제공한다.In addition, in order to solve the above problems, it provides a heat exchanger comprising a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 금속 기재를 산 용액으로 식각하여 상기 금속 기재 표면에 마이크로 단위의 요철로 구성된 마이크로 구조층을 형성하는 마이크로 구조층 형성단계와, 상기 금속 기재를 양극산화하여 상기 마이크로 구조층에 지름이 10nm 내지 50nm인 나노 기공을 형성하는 나노 기공 형성단계와, 상기 나노 기공 사이에 흡습성 물질을 수용하는 흡습성 물질 수용단계와, 상기 마이크로 구조층 표면에 결빙 지연층을 형성하는 결빙 지연층 형성단계를 포함하며, 상기 결빙 지연층의 두께는 1nm 내지 20nm이고, 상기 흡습성 물질 수용단계에서 상기 나노 기공에 수용된 상기 흡습성 물질은 상기 결빙 지연층의 표면에 결빙이 시작되는 경우, 상기 나노 기공으로부터 배출되어 흡습성 물질 막을 형성함으로써 상기 결빙 지연층 표면과 얼음 간의 접착력을 감소시켜 상기 결빙 지연층으로부터 상기 얼음을 탈착시키는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법을 제공한다.In addition, in order to solve the above problems, the present invention provides a micro-structure layer forming step of forming a micro-structure layer consisting of micro irregularities on the surface of the metal substrate by etching the metal substrate with an acid solution, and anodizing the metal substrate By forming nano pores having a diameter of 10 nm to 50 nm in the microstructure layer, a hygroscopic material accommodating step of accommodating a hygroscopic material between the nanopores, and forming a frost retardation layer on the surface of the microstructure layer. And a step of forming a freezing retardation layer, wherein the thickness of the freezing retardation layer is 1 nm to 20 nm, and when the hygroscopic material contained in the nano pores in the hygroscopic material receiving step starts freezing on the surface of the freezing retardation layer, The freeze delay layer table is discharged from the nanopores to form a hygroscopic material film. And to reduce the adhesion between the ice provides a method for producing a surface structure having a freezing layer separation, comprising a step of detaching the ice from the freezing delay layer.
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에 있어서, 상기 금속 기재는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention, the metal substrate may include aluminum (Al).
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에 있어서, 상기 마이크로 구조층 형성단계와, 상기 나노 기공 형성단계 사이에 상기 금속 기재를 건조시키는 금속 기재 건조단계를 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, the method may further include a metal substrate drying step of drying the metal substrate between the micro structure layer forming step and the nano-pores forming step.
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에 있어서, 상기 결빙 지연층 형성단계에서 형성되는 상기 결빙 지연층은 불소(F)를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, the freezing retardation layer formed in the freezing retardation layer forming step may include fluorine (F).
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에 있어서, 상기 결빙 지연층 형성단계에서 형성되는 상기 결빙 지연층은 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, the freezing retardation layer formed in the freezing retardation layer forming step may include polydimethylsiloxane.
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.The surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention and a method of manufacturing the same have the following effects.
첫째, 마이크로-나노 복합 구조의 나노 기공 내에 흡습성 물질이 수용되고, 결빙 지연층이 형성됨으로써 금속 기재 표면이 결빙되는 것이 지연되고, 결빙 지연층의 표면상에 결빙이 진행될 경우 나노 기공 내에 수용된 흡습성 물질에 의하여 표면의 얼음 접착력이 최소화되어 표면에 형성된 얼음이 쉽게 탈착될 수 있는 이점이 있다.First, the hygroscopic material is accommodated in the nano-pores of the micro-nano composite structure, the formation of the freezing retardation layer is delayed to freeze the surface of the metal substrate, and when the freezing progresses on the surface of the freezing retardation layer, the hygroscopic material is contained in the nano-pores. By minimizing the adhesion of the ice on the surface there is an advantage that the ice formed on the surface can be easily detached.
둘째, 표면의 얼음 접착력이 최소화됨으로써 얼음 제거를 위한 화학물질 사용으로 인한 주변 환경 오염 문제를 개선하고, 열교환기에 형성되는 결빙층의 탈착이 용이해지므로 열교환기의 열전달 효율 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.Second, the minimization of ice adhesion on the surface improves the environmental pollution problem caused by the use of chemicals to remove ice and facilitates the desorption of the ice layer formed on the heat exchanger, thus preventing the heat transfer efficiency of the heat exchanger from being lowered. There is this.
셋째, 금속 기재의 표면에 화학적 가공 및 침지방법을 통해 마이크로-나노 복합 구조를 형성하고, 흡습성 물질을 수용하며, 결빙 지연층을 형성함으로써 3차원이며, 대면적을 가지는 구조에 적용할 수 있는 이점이 있다.Third, by forming a micro-nano composite structure on the surface of the metal substrate through chemical processing and immersion methods, accommodating hygroscopic material, and forming a frost retardation layer, it can be applied to a three-dimensional, large-area structure There is this.
도 1은 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 물에 대한 접촉각을 촬영한 사진을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에서 마이크로 구조층 형성단계와, 나노 기공 형성단계에 따른 금속 기재 표면의 확대 사진을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에서 결빙 지연층이 폴리디메틸실록산을 포함하는 경우, 결빙 지연층 형성단계에 소요되는 시간에 따른 결빙 지연층의 두께를 도시하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3의 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법 및 이에 따라 제작된 표면 구조물을 이용하여 결빙층을 분리하는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a photograph of a contact angle of water of a surface structure having a function of freezing layer separation of FIG. 1.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention.
FIG. 4 is a view showing an enlarged photograph of the surface of the metal substrate according to the micro-structure layer forming step and the nano-pore forming step in the method of manufacturing the surface structure having the freezing layer separation function of FIG.
FIG. 5 is a view illustrating the thickness of a freezing retardation layer according to time required for forming a freezing retardation layer when the freezing retardation layer includes polydimethylsiloxane in the method of manufacturing a surface structure having a freezing layer separation function of FIG. 3. Drawing.
FIG. 6 is a view schematically illustrating a method of manufacturing a surface structure having a function of freezing layer separation of FIG. 3 and a process of separating the freezing layer using the manufactured surface structure.
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention in which the above-described problem to be solved may be specifically realized. In describing the present embodiments, the same name and the same reference numerals are used for the same configuration, and additional description thereof will be omitted below.
도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 설명하면 다음과 같다.1 to 2, the surface structure having the function of freezing layer separation according to the present invention will be described as follows.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물을 마이크로 구조층(110), 나노 기공(120), 결빙 지연층(130) 및 흡습성 물질(140)을 포함한다.1 to 2, the surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention is a
먼저, 상기 금속 기재(100)는 알루미늄(Al)을 사용하고, 알루미늄(Al)은 열 및 전기전도도가 우수하고 가벼울 뿐만 아니라 구리보다 가격이 저렴하고 가공성이 우수하기 때문에 다양한 분야에서 활용할 수 있는 이점이 있다. First, since the
물론 상기 금속 기재(100)는 이에 한정되지 아니하며, 티타늄(Ti)을 사용할 수도 있다.Of course, the
상기 마이크로 구조층(110)은 상기 금속 기재(100) 표면에 마이크로 단위의 요철로 형성되어 있으며, 상기 마이크로 구조층(110)은 평탄면(111)과 측면(112)을 포함하여 구성되고, 동일하거나 상이한 평탄면(111) 및 측면(112)이 연속되어 있으며, 상기 평탄면(111)의 수평 방향 길이는 500nm 내지 5㎛이다.The
여기서, 측면(112)이 여러 높이를 가지는 평탄면(111) 사이를 연결하는 평면의 역할을 함으로써 상기 평탄면(111)과 측면(112)은 일정한 각도를 갖는다. 즉 상기 마이크로 구조층(110)은 다양한 크기의 평탄면(111)을 가지는 다층 요철구조로 구성되어 있는 것을 의미한다.Here, the
상기 나노 기공(120)은 상기 마이크로 구조층(110)의 표면에 형성되며, 10nm 내지 50nm의 지름을 가진다. 이때, 상기 나노 기공(120)의 지름이 상술한 범위를 크게 벗어나서 너무 작거나 너무 큰 경우에는 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물이 가지는 초발수 성질을 구현하지 못할 수 있다.The
이는 상기 나노 기공(120)의 지름이 과도하게 커지는 경우 이웃하는 나노 기공(120)이 병합될 수 있기 때문에 초발수 성질을 구현하는데 방해 요소가 된다.This is an obstacle for implementing super water-repellent properties because the neighboring nano-
또한, 상기 나노 기공(120)의 지름이 과도하게 작아지는 경우에는 초발수 성질을 향상시키기 위한 요소로 작용하지 못하게 되므로 상기 마이크로 구조층(110)만 형성될 때와 크게 차이가 없게 된다.In addition, when the diameter of the nano-
여기서, 상기 나노 기공(120)들은 상기 평탄면(111) 및 측면(112)의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 나노 기공(120)들의 연장 방향이 상기 평탄면(111) 및 측면(112)의 표면에 대하여 실질적으로 수직이라는 의미는 90°의 각을 갖는다는 의미라기보다는, 상기 나노 기공(120)들이 상기 평탄면(111) 및 측면(112) 표면의 수평방향과는 구별되는 방향으로 연장됨을 의미한다.Here, the nano-
상기 결빙 지연층(130)은 상기 마이크로 구조층(110)의 표면에 형성되어 상기 금속 기재(100)가 저온/고습 환경에 위치할 때 표면의 결빙을 지연시킨다.The freezing
상기 결빙 지연층(130)의 두께는 1nm 내지 20nm이고, 이에 따라 상기 나노 기공(120)의 입구는 상기 결빙 지연층(130)에 의하여 막혀 있지 않고 개방되어 있으며, 상기 나노 기공(120) 내부에 상기 결빙 지연층(130)이 실질적으로 형성되어 있지 않을 수 있다.The freezing
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 물에 대한 접촉각은 도 2에 도시된 바와 같이 약 160˚를 가지며, 이러한 초발수 성질에 따라 상기 금속 기재(100)는 결빙 지연의 역할을 수행할 수 있게 된다.As described above, the contact angle with respect to the water of the surface structure having the function of freezing layer separation according to the present invention has about 160 ° as shown in FIG. 2, and according to the super water repellent property, the
상기 결빙 지연층(130)을 구성하는 재질은 불소(F)를 포함할 수도 있고, 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane)을 포함할 수도 있다.The material constituting the
상기 결빙 지연층(130)을 구성하는 재질이 불소를 포함하는 경우, 상기 금속 기재(100)를 불소를 포함하는 약액에 침지함으로써 상기 결빙 지연층(130)을 형성한다.When the material constituting the freezing
상기 불소를 포함하는 약액으로는 불소 함유 실란 화합물, 불소 함유 티올 화합물, 불소 함유 폴리머일 수 있다.The fluorine-containing chemical liquid may be a fluorine-containing silane compound, a fluorine-containing thiol compound, or a fluorine-containing polymer.
상기 결빙 지연층(130)이 폴리디메틸실록산을 포함하는 경우, 폴리디메틸실록산이 가지는 발수 성질에 의하여 상기 금속 기재(100)의 표면이 결빙을 지연시킬 수 있도록 한다.When the freezing
이 경우, 오븐에 상기 금속 기재(100)와 경화된 폴리디메틸실록산 조각을 넣어 200℃ 내지 300℃의 온도로 1분 내지 3시간 가열하여 폴리디메틸실록산 조각을 증기화시키고, 증기화된 폴리디메틸실록산이 상기 금속 기재(100)에 물리 증착됨으로써 상기 결빙 지연층(130)이 상기 마이크로 구조층(110)의 표면에 형성된다.In this case, the
상기 흡습성 물질(140)은 상기 나노 기공(120) 사이에 수용되어 상기 마이크로 구조층(110)의 표면에 얼음/서리가 형성되었을 때 상기 마이크로 구조층(110)과 상기 결빙층 간의 접착력을 감소시키며, 본 발명에 따른 흡습성 물질(140)은 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리아크릴 산(Polyacrylic acid)을 포함한다.The
구체적으로, 상기 흡습성 물질(140)은 저온/고습 환경에서 상기 금속 기재(100) 주변 영역에 있는 수분에 의하여 팽창되어 상기 나노 기공(120) 밖으로 배출되며, 이 과정에서 흡습성 물질 막(미도시)을 형성하게 된다.Specifically, the
이때, 저온/고습 환경이 유지되면 상기 금속 기재(100) 표면에는 얼음/서리가 형성되는데, 실질적으로 얼음/서리는 상기 흡습성 물질 막 표면에 형성되는 것으로 상기 결빙 지연층(130) 표면과 상기 얼음 간의 접착력을 감소시켜 상기 결빙 지연층(130)으로부터 상기 얼음을 탈착시킨다.In this case, when a low temperature / high humidity environment is maintained, ice / frost is formed on the surface of the
즉, 상기 흡습성 물질(140)에 의하여 형성되는 흡습성 물질 막에 의하여 상기 결빙 지연층(130)과 상기 얼음 사이의 접착력이 감소되며, 이때 미세한 진동 또는 미세한 바람을 상기 금속 기재(100)에 가함으로써 상기 얼음이 상기 금속 기재(100)로부터 쉽게 탈착되도록 한다.That is, the adhesive force between the freezing
본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물은 항공기의 부품 또는 열교환기에 적용될 수 있다.The surface structure having the function of freezing layer separation according to the invention can be applied to parts of aircraft or to heat exchangers.
예를 들어, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물이 항공기에 장착되는 센서에 적용됨으로써 항공기가 비행함에 따라 저온/고습 환경에서 상기 센서에 결빙층이 형성되더라도 항공기 자체의 미세한 진동이나 비행에 의한 바람에 의하여 결빙층이 쉽게 탈착될 수 있다.For example, a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention is applied to a sensor mounted on an aircraft, so that even if a freezing layer is formed on the sensor in a low temperature / high humidity environment as the aircraft flies, fine vibration or flight of the aircraft itself is performed. The ice layer can be easily detached by the wind.
이에 따라 항공기의 센서가 정확한 센싱을 수행함으로써 더욱 안정적인 비행이 이루어질 수 있게 된다.As a result, the sensor of the aircraft performs accurate sensing, thereby enabling a more stable flight.
또한, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물이 열교환기에 적용되고, 구체적으로 전기자동차에 구비된 열교환기에 적용됨으로써 전기자동차의 구동에 따라 열교환기에 결빙층이 형성되더라도 자동차의 미세한 진동이나 주행에 의한 바람에 의하여 결빙층이 쉽게 탈착될 수 있다.In addition, the surface structure having the function of freezing layer separation according to the present invention is applied to the heat exchanger, specifically applied to the heat exchanger provided in the electric vehicle, even if the freezing layer is formed in the heat exchanger in accordance with the driving of the electric vehicle, the fine vibration or running of the vehicle The ice layer can be easily detached by the wind.
이에 따라 전기자동차의 주행을 위한 전기에너지를 열에너지로 변환하여 열교환기의 결빙층을 제거하는 과정을 생략할 수 있으므로, 전기에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있게 된다.Accordingly, the process of removing the ice layer of the heat exchanger by converting the electric energy for driving the electric vehicle into thermal energy can be omitted, thereby enabling the use of the electric energy more efficiently.
도 1 내지 도 6를 참조하여 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 1 to 6 will be described a method of manufacturing a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법은 마이크로 구조층 형성단계(S100), 금속 기재 건조단계, 나노 기공 형성단계(S200), 흡습성 물질 수용단계(S300) 및 결빙 지연층 형성단계(S400)를 포함한다.As shown in Figure 1 to 6, the method for producing a surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention is a micro structure layer forming step (S100), metal substrate drying step, nano-pore forming step (S200), hygroscopic It includes a material receiving step (S300) and the freezing delay layer forming step (S400).
상기 마이크로 구조층 형성단계(S100)에서는 상기 금속 기재(100)를 산 용액을 이용하여 식각함으로써 도 4의 (a)와 같이 상기 금속 기재(100) 표면에 마이크로 단위의 요철로 구성된 마이크로 구조층(110)이 형성된다.In the microstructure layer forming step (S100), by etching the
여기서, 상기 금속 기재(100)의 식각은 산 용액 내에서 약 10초 내지 약 10분 동안 수행될 수 있으며, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법에서는 1분 내지 5분 동안 수행되는 것이 바람직하며, 상기 마이크로 구조층 형성단계(S100)는 실온에서 수행될 수 있다.Here, the etching of the
상기 산 용액은 염산, 질산, 황산, 인산과 같은 임의의 무기산일 수도 있고, 유기 아세트산, 유기 술폰산, 과불화 카르복실산과 같은 임의의 유기산일 수 있으며, 또는 이들 중 둘 이상을 혼합한 혼합물일 수도 있다.The acid solution may be any inorganic acid such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, any organic acid such as organic acetic acid, organic sulfonic acid, perfluorinated carboxylic acid, or a mixture of two or more thereof. have.
이들 산 용액은 그대로 사용될 수도 있고, 경우에 따라서는 물 등의 용매를 이용하여 희석되어 사용될 수도 있다. 상기 산 용액을 희석하여 사용하는 경우 각 물질의 특성에 따라 적절히 희석할 수 있는데, 예를 들면, 염산을 사용하는 경우 탈이온수와 약 1:1 내지 약 1:5의 범위에서 희석하여 사용할 수 있고, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조방법에서는 약 1:2로 희석하는 것이 바람직하다.These acid solutions may be used as they are, or in some cases, may be diluted and used with a solvent such as water. When diluting the acid solution may be appropriately diluted according to the characteristics of each material, for example, in the case of using hydrochloric acid it can be diluted with deionized water in the range of about 1: 1 to about 1: 5 In the method for producing a surface structure having a function of freezing layer separation according to the present invention, it is preferable to dilute to about 1: 2.
본 발명에 따른 마이크로 구조층 형성단계(S100)에서는 상기 금속 기재(100)를 산 용액 내에 침지시켜 상기 금속 기재(100) 표면에 마이크로 구조층(110)을 형성하므로, 구조에 따라 개별적으로 설계되어야 하는 챔버가 반드시 필요하지 않고, 3차원 구조이며, 크기가 큰 금속 기재(100)에 대해서도 수행될 수 있다.In the microstructured layer forming step (S100) according to the present invention, since the
상기 금속 기재 건조단계는 상기 마이크로 구조층 형성단계(S100)에서 표면이 식각된 상기 금속 기재(100)를 탈이온수를 이용하여 세정한 후 건조시키는 것으로, 열에 의한 건조 또는 질소 고속분사에 의한 건조로 수행될 수 있고, 상기 금속 기재 건조단계는 선택적으로 수행될 수 있다.The metal substrate drying step is to clean and dry the
상기 나노 기공 형성단계(S200)에서는 상기 금속 기재(100)를 양극산화하여 도 4의 (b)와 같이 상기 마이크로 구조층(110)에 지름이 10nm 내지 50nm인 나노 기공(120)을 형성한다.In the nano pore forming step (S200) by anodizing the
상기 금속 기재(100)의 양극산화 방법은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다. 예를 들면, 상기 금속 기재(100)를 황산 용액, 옥살산 용액, 시트르산 용액, 질산 나트륨 용액, 염화나트륨 용액, 크롬산 용액 또는 인산 용액 내에 침지시키고 금속 기재(100)를 양극으로 하여 전압을 인가한다. Anodic oxidation of the
상기 전압은 약 10V 내지 약 30V일 수 있다. 상기 양극 산화는 실온에서 약 1분 내지 약 30분 동안 수행될 수 있으며, 본 발명에 따른 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물 제조 방법에서는 약 3분 내지 약 25분 동안 수행되는 것이 바람직하다.The voltage may be about 10V to about 30V. The anodic oxidation may be performed at room temperature for about 1 minute to about 30 minutes, and in the method for producing a surface structure having a freezing layer separation function according to the present invention, it is preferably performed for about 3 minutes to about 25 minutes.
상술한 마이크로 구조층 형성단계(S100)와 마찬가지로, 상기 나노 기공 형성단계(S200)는 상기 금속 기재(100)를 양극산화하기 위한 용액 내에 침지시켜 상기 마이크로 구조층(110)에 나노 기공(120)을 형성하므로, 구조에 따라 개별적으로 설계되어야 하는 챔버가 반드시 필요하지 않고, 3차원 구조를 가지고 크기가 큰 금속 기재(100)에 대해서도 수행될 수 있다.Similar to the above-described microstructure layer forming step (S100), the nano-pores forming step (S200) is immersed in a solution for anodizing the
상기 흡습성 물질 수용단계(S300)에서는 상기 금속 기재(100)를 상기 흡습성 물질(140)에 침지시켜 상기 나노 기공(120) 사이에 흡습성 물질(140)이 수용되도록 한다. 여기서, 상기 흡습성 물질(140)은 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리아크릴 산(Polyacrylic acid)을 포함한다.In the hygroscopic material accommodating step (S300), the
상기 결빙 지연층 형성단계(S400)에서는 상기 마이크로 구조층(110) 표면에 1nm 내지 20nm 두께의 결빙 지연층(130)을 형성하는 단계로, 상기 결빙 지연층(130)은 불소(F)를 포함할 수도 있고, 폴리디메틸실록산 (PDMS: Polydimethylsiloxane)을 포함할 수도 있다.In the freezing retardation layer forming step (S400), a freezing
상기 결빙 지연층(130)이 불소를 포함하는 경우, 상기 결빙 지연층 형성단계(S400)에서는 상기 금속 기재(100)를 불소를 포함하는 약액에 침지함으로써 상기 결빙 지연층(130)이 형성된다.When the freezing
또는, 상기 결빙 지연층(130)이 폴리디메틸실록산을 포함하는 경우, 상기 결빙 지연층 형성단계(S400)에서는 상기 금속 기재(100)와 경화된 폴리디메틸실록산 조각을 오븐에 넣고 200℃ 내지 300℃의 온도로 1분 내지 3시간 가열하여 폴리디메틸실록산 조각을 증기화시키고, 증기화된 폴리디메틸실록산이 상기 금속 기재(100)에 물리 증착됨으로써 상기 결빙 지연층(130)이 상기 마이크로 구조층(110)의 표면에 형성된다.Alternatively, when the freezing
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 결빙 지연층(130)이 폴리디메틸실록산을 포함하고, 상기 결빙 지연층 형성단계(S400)가 230℃ 온도로 5분 지속된 경우 13.9nm 두께의 결빙 지연층(130)이 형성되고, 10분 지속된 경우 27.6nm 두께의 결빙 지연층(130)이 형성된다.For example, as shown in FIG. 5, when the freezing
상기 결빙 지연층(130)의 구성 재질 및 방법은 이에 한정되지 아니하며, 1nm 내지 20nm 범위의 두께를 가질 수 있으며, 3차원 입체 구조 및 대면적 구조에 적용 가능하고, 상기 나노 기공(120)을 덮지 않도록 형성될 수 있는 결빙 지연층(130)이면 대체 가능하다.The constituent material and method of the
상술한 단계를 거쳐 형성된 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 상기 흡습성 물질(140)은 저온/고습 환경에서 상기 금속 기재(100) 주변 영역에 있는 수분에 의하여 팽창되어 상기 나노 기공(120) 밖으로 배출되며, 이 과정에서 흡습성 물질 막을 형성하게 된다.The
이때, 도 6에 도시된 바와 같이 저온/고습 환경이 유지되면 상기 금속 기재(100) 표면에는 얼음/서리가 형성되는데, 실질적으로 얼음/서리는 상기 흡습성 물질 막 표면에 형성되는 것으로 상기 결빙 지연층(130) 표면과 상기 얼음 간의 접착력을 감소시켜 상기 결빙 지연층(130)으로부터 상기 얼음을 탈착시킨다.6, ice / frost is formed on the surface of the
즉, 상기 흡습성 물질(140)에 의하여 형성되는 흡습성 물질 막에 의하여 상기 결빙 지연층(130)과 상기 얼음 사이의 접착력이 감소되며, 이때 미세한 진동 또는 미세한 바람을 상기 금속 기재(100)에 가함으로써 상기 얼음이 상기 금속 기재(100)로부터 쉽게 탈착되도록 한다.That is, the adhesive force between the freezing
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.As described above, the present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. It is possible and such variations are within the scope of the present invention.
100: 금속 기재
110: 마이크로 구조층
111: 평탄면
112: 측면
120: 나노 기공
130: 결빙 지연층
140: 흡습성 물질100: metal substrate
110: micro structure layer
111: flat surface
112: side
120: nano pore
130: freeze delay layer
140: hygroscopic material
Claims (13)
상기 금속 기재를 양극산화하여 상기 마이크로 구조층에 지름이 10nm 내지 50nm인 나노 기공을 형성하는 나노 기공 형성단계;
상기 나노 기공 사이에 흡습성 물질을 수용하는 흡습성 물질 수용단계; 및
상기 마이크로 구조층 표면에 결빙 지연층을 형성하는 결빙 지연층 형성단계;를 포함하며,
상기 결빙 지연층의 두께는 1nm 내지 20nm이고,
상기 흡습성 물질 수용단계에서 상기 나노 기공에 수용된 상기 흡습성 물질은 상기 결빙 지연층의 표면에 결빙이 시작되는 경우, 저온/고습 환경에서 상기 금속 기재 주변 영역에 있는 수분에 의하여 팽창됨에 따라 상기 나노 기공으로부터 배출되어 흡습성 물질 막을 형성함으로써 상기 결빙 지연층 표면과 얼음 간의 접착력을 감소시켜 상기 결빙 지연층으로부터 상기 얼음을 탈착시키는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법.Forming a micro structure layer on the surface of the metal substrate by etching the metal substrate with an acid solution to form a micro structure layer composed of irregularities in micro units;
Forming nano pores having a diameter of 10 nm to 50 nm in the microstructured layer by anodizing the metal substrate;
A hygroscopic material accommodating step of accommodating a hygroscopic material between the nano pores; And
And a freezing retardation layer forming step of forming a freezing retardation layer on the surface of the microstructured layer.
The thickness of the freeze retardation layer is 1nm to 20nm,
When the hygroscopic material contained in the nano-pores in the hygroscopic material receiving step begins to freeze on the surface of the freezing retardation layer, the hygroscopic material is expanded from the nano-pores as it expands by water in the area around the metal substrate in a low temperature / high humidity environment And discharging the ice from the freeze retardation layer by reducing the adhesion between the freeze retardation layer surface and the ice by discharging to form a hygroscopic material film.
상기 금속 기재는 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법.The method of claim 9,
The metal substrate is a method for producing a surface structure having a freezing layer separation function, characterized in that it comprises aluminum (Al).
상기 마이크로 구조층 형성단계와, 상기 나노 기공 형성단계 사이에 상기 금속 기재를 건조시키는 금속 기재 건조단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법.The method of claim 9,
And a metal substrate drying step of drying the metal substrate between the micro structure layer forming step and the nano pore forming step.
상기 결빙 지연층 형성단계에서 형성되는 상기 결빙 지연층은 불소(F)를 포함하는 것을 특징으로 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법.The method of claim 9,
The freezing retardation layer formed in the step of forming the freezing retardation layer comprises a fluorine (F) method of manufacturing a surface structure having a freezing layer separation function.
상기 결빙 지연층 형성단계에서 형성되는 상기 결빙 지연층은 폴리디메틸실록산을 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙층 분리 기능을 가지는 표면 구조물의 제조 방법.
The method of claim 9,
The method of manufacturing a surface structure having a freezing layer separation function, wherein the freezing retardation layer formed in the freezing retardation layer forming step comprises polydimethylsiloxane.
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