CN101918620A - 具有疏水外表面的三维形状结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于进行表面处理工艺的三维结构的制造方法，以及一个在该三维结构的外表面上提供疏水性的复型步骤。在该制造方法中，可以向该三维结构的外表面提供疏水性，而不使用在常规MEMS工艺中所需的高成本设备，且该制造成本被降低以及该制造工艺被简化。另外，由于空间限制，很难向具有大表面的三维结构的外表面提供疏水性，但在本发明的示例性实施方案中，可以向具有大表面的三维结构的外表面——诸如鱼雷、潜水艇、船舶以及车辆——提供疏水性，而没有空间限制。
Description
相关申请的互相参引
本申请要求于2007年11月6日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2007-0112688的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容以引证的方式纳入本说明书。
发明背景
技术领域
本发明涉及一种具有疏水外表面的三维结构的制造方法，更具体地，涉及一种用来执行表面处理工艺和复型步骤(replication step)以在三维结构的外表面上提供疏水性的三维结构制造方法。
相关技术描述
通常，由金属或聚合物形成的固态主体的表面具有固有的表面能，该表面能通过液体材料与该固态材料接触时该固态主体和液体之间的接触角(contact angle)显示。该液体可包括水、油等，并且在下文中，水将被作为该液体的实施例。当接触角小于90°时，显示出其中球状水滴散失在该固态主体的表面上以润湿该表面的亲水性。另外，当接触角大于90°时，显示出其中球状水滴被保持在该固态主体表面上以在该表面上跑动(run)的疏水性。疏水性的一个实例是，在荷花的叶子表面上跑动的水滴流动而不润湿叶子。
进一步，当对固态主体表面进行处理以具有微小突起和凹陷时，该表面的接触角就会改变。也即，当表面被处理过后，接触角小于90°的亲水表面的亲水性可能增加，接触角大于90°的疏水表面的疏水性可能增加。
该固态主体的亲水表面或疏水表面可被应用至具有三维形状的各种产品。特别地，由于液体可以不润湿该疏水表面且其在外力作用下可以很容易地流动，该液体的量和速度可以增加，且因此该疏水表面可被应用至具有三维形状的各种产品。
也即，当该疏水表面被应用至诸如鱼雷、潜水艇和船舶的结构时，可以降低施加在该结构外表面的流动阻力。相应地，具有疏水表面的结构在相同的推进力下比常规结构行进地更快。此外，由于在该结构的疏水表面上的流速高，异物(foreign material)不会在该表面上积聚。
另外，当该疏水表面被应用至诸如车辆的结构的外表面时，与常规结构相比空气阻力可以被减小。因此，具有疏水表面的车辆在相同的推进力下比常规结构行进地更快。
将疏水表面应用至具有三维形状的结构的技术依赖于应用半导体制造技术的微机电系统(MEMS)工艺。该MEMS工艺是一种应用半导体技术的先进机械工程技术。然而，用于该半导体工艺的设备非常昂贵。为了在固态金属主体的表面形成纳米级的突起和凹陷，必须进行无法在普通工作环境下实施的多种工艺，例如氧化金属表面的工艺、施加恒定温度及恒定电压的工艺，以及使用特殊溶液进行氧化和蚀刻的工艺。也就是说，为了进行这些工艺，需要特别设计的净化室以及需要用于执行所述工艺的多种昂贵设备。尽管疏水表面具有各种优点，但是由于疏水表面的制造局限性其还未被广泛地使用。
此背景部分中所公开的上述信息仅用来加深对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成在该国家对本领域内普通技术领域人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明致力于提供一种具有以降低的成本和简化的工艺形成的疏水表面的三维结构的制造方法。
另外，本发明致力于提供一种具有疏水外表面的三维结构的制造方法，该疏水外表面可被应用至鱼雷、潜水艇、船舶以及车辆的外表面。
根据本发明的一个示例性实施方案，一种具有疏水外表面的三维结构的制造方法包括：金属构件准备步骤，用于准备一具有相应于该三维结构的尺寸的内部空间的金属构件；阳极氧化步骤，用于阳极氧化该金属构件以及在该金属构件的内表面上形成微小孔；复型步骤，用于在该金属构件的内表面上涂覆一种非润湿聚合物材料以及使该非润湿聚合物材料形成相应于所述微小孔的一个复型结构(replication structure)；结构形成步骤，用于将结构形成材料(structure forming material)附着在金属构件中的复型结构的暴露表面上；以及蚀刻步骤，用于蚀刻且除去该金属构件以获得疏水外表面。
该三维结构的制造方法还包括用于在该金属构件的内表面上形成微小突起和凹陷的颗粒喷射步骤，并且该颗粒喷射步骤在金属构件准备步骤和阳极氧化步骤之间进行。
在该颗粒喷射步骤中，微小颗粒撞击该金属构件的内表面以形成所述微小突起和凹陷。
在阳极氧化步骤中，该金属构件被浸入一个包含电解质溶液的阳极氧化设备中，一个电极被应用至该金属构件，并且形成了具有所述微小孔的阳极氧化层。在该阳极氧化步骤中，一种电解质溶液被填充至该金属构件的内部空间，一个电极被应用至该金属构件，并且形成了具有所述微小孔的阳极氧化层。
在复型步骤中，该非润湿聚合物材料被提供至该金属构件的微小孔，并且该复型结构具有多个相应于所述微小孔的柱状物(columns)。在复型步骤中，该多个柱状物部分地彼此粘连以形成多个群组(groups)。
在结构形成步骤中，该结构形成材料具有粘附性(adhesion)以被附着在与该复型结构接触的表面上，并且其具有柔性以便被附着至该复型结构的曲面上。
在蚀刻步骤中，该金属构件被湿蚀刻(wet-etched)。
可以形成具有该疏水外表面的多个结构，并且这些结构可以被结合在一起。
附图说明
图1是表示根据本发明的一个示例性实施方案的一种具有疏水外表面的三维结构的制造方法的流程图。
图2是表示图1所示的制造方法的图像的示意图。
图3是表示图2(b)所示的在金属构件的内表面上形成微小的突起和凹陷的步骤的示意图。
图4是表示图2(c)所示的阳极氧化步骤中在金属构件的内表面上形成阳极氧化层的步骤的示意图。
图5是表示通过进行另一个阳极氧化步骤而在金属构件的内表面上形成阳极氧化层的步骤的示意图。
图6是表示在图4或图5所示的在金属构件上进行阳极氧化步骤之后位于微小突起和凹陷的表面上的阳极氧化层的微小孔的示意图。
图7是表示用于形成相应于在该金属构件的内表面上阳极氧化层的微小孔的一个复型结构的步骤的示意图。
图8是表示沿着图7中的线VIII-VIII所取的复型设备的横截面图。
图9是表示图1中示出的制造方法的步骤的示意图，并且图9还显示了用于将具有疏水外表面的结构附着在一起的步骤。
具体实施方式
在下面的详细描述中，简明地通过图解的方式仅显示和描述了本发明的特定示例性实施方案。如本领域技术人员将意识到的，所描述的实施方案可通过各种不同的方式改型，所有这些改型都不背离本发明的主旨或者范围。
图1是表示根据本发明的一个示例性实施方案的具有疏水外表面的三维结构的制造方法的流程图。
如图1所示，由于在根据本发明示例性实施方案的具有疏水内表面的结构的制造方法中进行了步骤S1——金属构件准备、步骤S2——小颗粒喷射、步骤S3——阳极氧化、步骤S4——复型、步骤S5——结构成形以及步骤S6——金属构件蚀刻，与常规的微机电系统(MEMS)工艺相比，该具有疏水内表面的结构可由降低的成本简单地制造。此外，在根据本发明的示例性实施方案的制造方法中，疏水性可在任意三维结构的外表面处实现。
图2是表示图1所示的制造方法的图像的示意图。
如图2所示，在该三维结构的制造方法中，设置了具有相应于该三维结构的尺寸的内部空间111的金属构件110。也即，该金属构件110起该三维结构的模架的功能，并且该内部空间111具有一个内表面，该内表面与该三维结构的外部形状相同。
在根据本示例性实施方案的示例性实施方案的制造方法的预备工艺中，金属构件110的内表面通过使用一种溶液来被电抛光(electro-polished)，所述溶液通过将高氯酸和乙醇以1∶4的体积比来组合而获得，并且该金属构件110的内表面被平坦化(planarized)。
图3是表示在图2(b)中示出的金属构件的内表面上形成微小突起和凹陷的步骤的示意图。
如图1、图2和图3所示，在三维结构的制造方法中，在步骤S2——小颗粒喷射中，喷射微小颗粒11以在金属构件110的内表面上形成微小突起和凹陷114。一颗粒喷射单元10被用来执行该步骤S2——小颗粒喷射。该颗粒喷射单元10以一预定的速度和一预定的压力将微小颗粒11喷射至金属构件110的内表面。
根据将要在金属构件110上形成的微小突起和凹陷114的设计尺寸，该微小颗粒11的喷射速度和压力可以变化。也即，该微小突起和凹陷114的尺度(scale)由凹陷(凹)112的深度以及突起(凸)113的高度、或突起(凸)113之间的距离来确定。该微小突起和凹陷114的尺度可根据颗粒喷射单元10的喷射速度和喷射压力、以及微小颗粒11的尺寸而变化，并且影响微小突起和凹陷114的尺度的所述喷射速度和压力以及微小颗粒的尺寸都是被预先设计的，因此微小颗粒11的尺寸可以被改变。
微小颗粒11撞击金属构件110的内表面，通过撞击能量在金属构件110的内表面上形成微小突起和凹陷114。在这种情况下，需要将微小颗粒11均匀地喷射在金属构件110的内表面上，以在金属构件110的内表面上均一地形成微小突起和凹陷114。
根据本发明的示例性实施方案，一用于喷射砂粒的喷砂机被用作颗粒喷射单元10，以喷射小颗粒——诸如金属球而不是砂粒。
图4是表示在图2(c)所示的阳极氧化步骤中在金属构件的内表面上形成阳极氧化层的步骤的示意图。
如图1、图2和图4所示，在该三维结构的制造方法中，进行了用于阳极氧化金属构件110以在金属构件110的内表面上形成微小孔的阳极氧化步骤S3。在阳极氧化步骤中，当金属构件110被浸入电解质溶液22中且应用一电极时，一个具有微小孔的阳极氧化层120在该金属构件110的内表面上形成。相应地，在该阳极氧化步骤中，可以形成比在金属构件110上形成的微小突起和凹陷114更微小的纳米级的微小孔。
图4中所示的阳极氧化设备20被用来进行本发明示例性实施方案中的阳极氧化步骤。在该阳极氧化设备20的主体21的内部存储空间中提供了一种电解质溶液22(例如，0.3M乙二酸C2H2O4或者磷酸)，并且金属构件110和另一金属构件23被浸入电解质溶液22中。该阳极氧化设备20包括一个能量供给单元24，金属构件110被连接至该能量供给单元24的阳极和阴极中的一个，由铂(platinum)材料制成的金属构件23被连接至该能量供给单元24的另一电极。在此，任何材料都可被用于金属构件23，如果该材料是一个可向其应用电源的导体。随后，当金属构件110和金属构件23被保持为在其间具有一个预定的距离时，能量供给单元24施加一个预定的恒定电压。在这种情况下，电解质溶液22被保持在一个预定的温度(例如，15℃)，并且一个搅动器(stirrer)被用来搅动溶液以防止溶液浓度出现偏移(deflection)。由此，作为阳极氧化层120的氧化铝(alumina)在金属构件110上形成。在阳极氧化步骤之后，金属构件110被从电解质溶液22中移除，该金属构件在去离子(deionized)水中被清洗一预定的时间，并且在一预定时间中(例如，约一小时)以一预定温度进行干燥。
因此，不仅在步骤S2——小颗粒喷射中，在金属构件110上形成了微小突起和凹陷114，而且在步骤S2——阳极氧化中，在阳极氧化层120上形成了比微小突起和凹陷114更微小的纳米级的微小孔121，如图6所示。
图5是表示通过进行另一阳极氧化步骤而在金属构件的内表面上形成阳极氧化层的步骤的示意图。
如图1、图2和图5所示，在该三维结构的制造方法中，当金属构件110比预定尺寸大时，图4中所示的阳极氧化设备20不能容纳该金属构件110。在这种情况下，在该三维结构的制造方法中，电解质溶液22填充金属构件110的内部空间111以进行该阳极氧化步骤。也即，在该三维结构的制造方法中，金属构件110和铂材料制成的金属构件23被分别地连接至能量供给单元24的电极，且施加一个恒定电压。如图5所示，在该三维结构的制造方法中，如所述的，该阳极氧化步骤可在没有附加的阳极氧化设备的情况下进行，并且不相对于除该金属构件110的内部空间111以外的区域进行该阳极氧化步骤。因此，在该三维结构的制造方法中，可以在图5所示的步骤中形成这样的阳极氧化层120，其具有比在金属构件110上形成的微小突起和凹陷114更微小的纳米级的微小孔121。
图7是表示用来形成相应于金属构件内表面上的阳极氧化层的微小孔的复型结构的步骤的示意图，且图8是表示沿图7中的线VIII-VIII所取的复型设备的横截面图。
如图1、图2、图7和图8所示，在该三维结构的制造方法中，进行了用于在金属构件110的内部空间上涂覆非润湿聚合物材料以使该非润湿聚合物材料形成相应于金属构件110的微小孔121的复型结构130的复型步骤4。
复型设备30包括一主体31、一在主体31中具有预定存储空间的存储部分32、一设置在存储部分32中的非润湿聚合物溶液33、以及一设置在主体31的侧表面上以使存储部分32的非润湿聚合物溶液33固化的冷却单元34。
在复型设备30中，金属构件110作为复型框架被浸入非润湿聚合物溶液33中，并且该非润湿聚合物材料被涂覆在金属构件110的外表面上。也即，该非润湿聚合物溶液33被提供至金属构件110的微小孔121中，并且围绕金属构件110的非润湿聚合物材料被复型设备30的冷却单元34固化。如所描述的，在该三维结构的制造方法中，由于非润湿聚合物材料被涂覆在金属构件110的内表面上，该非润湿聚合物材料形成具有相应于微小孔121的形状的阴极形状(cathode shape)表面的复型结构130。也即，由于复型结构130具有相应于微小孔121的阴极形状的阳极形状(anode shape)表面，该复型结构130具有多个柱状物。
在这种情况下，非润湿聚合物溶液33由聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)共聚物以及过氟烷氧基(PFA)中的至少一种材料形成。
然而，当金属构件110比在该三维结构的制造方法的复型步骤S4中的预定尺寸大时，图7所示的复型设备30不可容纳该金属构件110。在这种情况下，在该三维结构的制造方法中，非润湿聚合物溶液33填充金属构件110的内部空间111，并且非润湿聚合物溶液33通过为金属构件110设立的温度被冷却以使该非润湿聚合物材料固化。如所描述的，在该三维结构的制造方法中，复型结构130可以在金属构件110的阳极氧化层120上形成，而不需要附加的复型设备30。
随后，在该三维结构的制造方法中，如图2(e)所示，进行用于将结构形成材料140附着至复型结构130的暴露表面上的结构形成步骤S5。该结构形成材料140具有附着性以被附着至与复型结构130接触的表面，并且其具有柔性以便被附着在复型结构130的曲面上。也即，将该三维结构的制造方法应用至三维形状——诸如鱼雷、潜水艇、船舶以及车辆——时，需要使用一种用于柔性地附着在该三维结构的外部部分上的材料。丙烯醛基(acryl)薄膜可以被用于结构形成材料140，但并不局限于此，而是可以使用用于柔性地附着在该三维结构的部分上的各种材料。
随后，在该三维结构的制造方法中，如图2(f)所示，进行用于蚀刻金属构件110和阳极氧化层120的蚀刻步骤S6，且因此获得了具有由复型结构130和结构形成材料140形成的疏水外表面的结构100。
在蚀刻步骤中，金属构件110和阳极氧化层120被移除。因此，根据本发明的示例性实施方案，如图2(f)所示，复型结构130和结构形成材料140保留，具有疏水外表面的结构100包括复型结构130上多个柱状物，以及所述多个柱状物部分地彼此粘连以形成多个群组。也即，由于复型结构130的内表面以与荷花的叶子的断面相同的断面形式形成，提供了亲水性被最小化的疏水性，且因此与液体的接触角被显著地增大至大于160°。
图9是表示图1中所示的制造方法的步骤的示意图，并且图9还显示了用于将具有疏水外表面的结构附着在一起的步骤。
图9中所示的三维结构的制造方法基本上与图1所示的步骤相同，除了金属构件210的形状不同于图2中所示的金属构件110的形状。也即，金属构件210具有对应于该被制造的三维结构的一部分的内部空间211。在该被制造的三维结构中，进行图9(b)中所示的微小颗粒喷射步骤、图9(c)中所示的阳极氧化步骤、图9(d)中所示的复型步骤、图9(e)中所示的结构形成步骤以及图9(f)中所示的蚀刻步骤，以形成具有疏水外表面的结构201。具有疏水外表面的结构201是将要被制造的三维结构的一部分。相应地，在该三维结构的制造方法中，制造多个具有疏水外表面的结构201和202，该结构201和202被附着在一起，且最终制造出一个三维结构200。
在此，参考标记220表示一阳极氧化层，参考标记230表示一复型结构，以及参考标记240表示一种结构形成材料。
如所描述的，根据本发明的示例性实施方案，疏水性可以被提供至三维结构的外表面，而不需要使用常规MEMS工艺所需的高成本设备，且制造成本降低以及制造工艺被简化。
另外，由于空间限制，很难向具有大表面的三维结构的外表面提供疏水性，但是在本发明的示例性实施方案中，可以向具有大表面的三维结构的外表面——诸如鱼雷、潜水艇、船舶以及车辆——提供疏水性，而没有空间的限制。
尽管已结合目前被认为实际可行的示例性实施方案描述了本发明，但应理解的是，本发明并不限于在此公开的实施方案，相反地，本发明旨在覆盖包括在所附的权利要求的主旨和范围内的各种改型和等价布置。
Claims (13)
1.一种具有疏水外表面的三维结构的制造方法，包括：
准备一具有相应于该三维结构的尺寸的内部空间的金属构件；
阳极氧化该金属构件以及在该金属构件的内表面上形成微小孔；
通过在该金属构件的内表面上涂覆一种非润湿聚合物材料以形成一复型，且使该非润湿聚合物材料形成相应于所述微小孔的复型结构；
通过将一种结构形成材料附着至该金属构件中的所述复型结构的暴露表面上以形成一结构；以及
蚀刻且除去该金属构件以获得一个疏水外表面。
2.如权利要求1所述的制造方法，还包括喷射颗粒以在所述金属构件的内表面上形成微小突起和凹陷。
3.如权利要求2所述的制造方法，其中微小颗粒撞击所述金属构件的内表面以形成所述微小突起和凹陷。
4.如权利要求1所述的制造方法，其中所述金属构件被浸入一个包括一种电解质溶液的阳极氧化设备中，一个电极被应用至该金属构件，以及形成了一个具有所述微小孔的阳极氧化层。
5.如权利要求1所述的制造方法，其中一种电解质溶液填充该金属构件的内部空间，一个电极被应用至该金属构件，以及形成了一个具有所述微小孔的阳极氧化层。
6.如权利要求4或5所述的制造方法，其中所述电解质溶液是乙二酸C2H2O4溶液和磷酸溶液中的一种。
7.如权利要求1所述的制造方法，其中所述非润湿聚合物材料被提供至该金属构件的所述微小孔，以及该复型结构具有多个相应于所述微小孔的柱状物。
8.如权利要求7所述的制造方法，其中所述多个柱状物部分地彼此粘连以形成多个群组。
9.如权利要求8所述的制造方法，其中非润湿聚合物溶液由聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)共聚物和过氟烷氧基(PFA)中的至少一种材料形成。
10.如权利要求1所述的制造方法，其中所述结构形成材料具有粘附性以被附着在与该复型结构接触的表面上。
11.如权利要求10所述的制造方法，其中所述结构形成材料具有柔性以便被附着在该复型结构的曲面上。
12.如权利要求1所述的制造方法，其中所述金属构件被湿蚀刻。
13.如权利要求1所述的制造方法，其中形成了具有该疏水外表面的多个结构，且这些结构被结合在一起。
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