JP2007284492A - 濡れ性の低い面を有する物品及びそれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有効液体濡れ性が低い面を有する物品を提供する。
【解決手段】 物品（１００）は、基板（１１０）の上に配置されたテクスチャ構造面（１２０）を具備する。面（１２０）は、基準液体（２３０）に対して約１２０°〜約１８０°の範囲の接触角（１４０）を成すのに十分な有効液体濡れ性を有する。面（１２０）は、基準液体（２３０）に対して約６０°〜約９０°の範囲の公称接触角（２４０）を成すのに十分な公称液体濡れ性を有する材料を含み、材料は、重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料を含む。面（１２０）の特性は、低抗力又は低摩擦、自浄能力並びに着氷、汚れ及び曇りに対する耐性などを含んでもよい。そのような面（１２０）を製造する方法も説明される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低い液体濡れ性を有する面に関する。特に、本発明は、低摩擦特性、自浄能力並びに着氷、汚れ及び曇りに対する耐性という特性のうちの１つ以上を有することを特徴とし、低い液体濡れ性を有する面に関する。更に特定すれば、本発明は、そのような面を有する物品に関する。

固体表面の「液体濡れ性」は、その面と面の上に滴下された所定の液体の滴との間で起こる相互作用の性質を観測することにより判定される。液体に対して高い濡れ性を有する面は、面の相対的に広い領域にわたり液滴を拡散させ、それにより、面を「濡れ」させる（ウエッティング）。極端な場合、液体は面全体に膜状に広がる。これに対し、面が液体に対して低い濡れ性を有する場合には、液体は形が整った球形の液滴の形状を保とうとする。極端な場合、液体は面上に複数の球形の滴を形成し、それらの滴は、ごくわずかな動揺を受けても容易に面から転がり落ちる。

液体が固体表面を湿潤できる能力の程度は、液体と固体が互いにどのように作用し合うかを判定する上で重大な役割を演じる。湿潤のレベルが高ければ、液体と固体は相対的に広い領域で接触しあう。この性質は、２つの面の相互作用が相当に広い領域に及ぶことが有益である用途、例えば、接着や被覆などの用途において望ましい。一例として、いわゆる「親水性」の材料は、水に対して相対的に高い濡れ性を示し、その結果、水は、固体表面の広い領域を「薄い膜状に覆う」ことになる。逆に、固体と液体の相互作用を少なく抑えなければならない用途の場合には、固体面との接触面積を最小限にする液滴の形成を促進するために、濡れ性は、一般に、できる限り低く保持される。「疎水性」材料は相対的に低い水湿潤性を有し、いわゆる「超疎水性」の材料は更に低い水湿潤性を示す。そのため、超疎水性の面では、水滴と固体面との相互作用の量が極めて少なくなるので、場合によっては、面に落ちた水は全て弾かれるように見えることもある。

運送、化学処理、保健医療及び繊維産業などの分野においては、広い範囲にわたる用途で、それぞれの用途に適合する表面特性を有する物品が使用される。それらの用途の多くは、物品の表面と様々な液体との相互作用を減少するために、相対的に低い液体濡れ性を有する面を備えた物品の使用を含む。特に、低抗力又は低摩擦、自浄能力並びに着氷、汚れ及び曇りに対する耐性を含む特性を有する面を製造するために、材料の湿潤特性を適応させることができる。

様々に異なる用途において、抗力及び摩擦を低減する様々な方法が使用されてきた。例えば、パイプ内の摩擦を低減するために、パイプは、肉眼で見て、より滑らかになるように製造された。流れに対する抵抗を低減する流れパタ−ンを形成するために、「リブレット」などの肉眼で見える構造が使用された。同様に、流れ特性に基づいて適応変化する「コンプライアント」面も試用された。そのような肉眼で見える変形は、抗力を最高でも５〜１０％低減できるにとどまった。

また、物品の疎水性表面は、Teflon（登録商標）、重合体ゲル及び重合体溶液などの疎水性材料を使用して形成された。そのような材料は、通常、膜として基板上に付着されるか又は物品自体に組み込まれる。例えば、競艇用のボ−トには、抗力を低減するために重合体溶液が塗布され、給油用パイプラインの内面には、重合体ゲルが塗布される。そのような材料を塗布された面は、一般に、抗力又は摩擦を５〜１０％低減する。そのような被覆膜は、急速な磨耗を受け、高温における熱特性又は化学特性は安定しない。

現在、流体との相互作用を最小限に抑えた物品の製造方法は、限定された範囲の用途に集中しており、ごく限られた範囲で成功を収めているにすぎない。従って、いくつかの業界において、液体濡れ性の低い面を有する物品は依然として求められている。更に、それらの業界は、物品に液体濡れ性の低い面を形成する方法も必要としている。
米国特許第３，９３１，４２８号公報 米国特許第５，７４７，５６１号公報 米国特許第６，６４９，２２２号公報 米国特許第６，６６０，３６３号公報 米国特許第６，６８３，１２６号公報 米国特許第６，７１２，９３２号公報 米国特許第６，７４３，４６７号公報 米国特許第２００２／０１４２１５０号公報 米国特許第２００２／０１５０７２６号公報 米国特許第２００３／００１３７９５号公報 米国特許第２００３／０１０８７１６号公報 米国特許第２００３／０１２４３０１号公報 米国特許第２００３／０１４７９３２号公報 米国特許第２００３／０１５２７８０号公報 米国特許第２００４／００１４８６５号公報 米国特許第２００４／００６７３３９号公報 米国特許第２００４／０１７０８４４号公報 国際公開ＷＯ／０３／０３７７０２号公報 国際公開ＷＯ／９７／２９１５７号公報 欧州特許第１４４９６４２号公報 欧州特許第０６１６９４０号公報 Y. Masuda et al., "Micropatterning of Ni Particles on a BaTiO3 Green Sheet Using a Self−Assembled Monolayer", Elsevier Science, Journal of Colloid and Interface Science, Volume 263, pp. 190−195, 2003. Hyoungsik Kim et al., "Surface Characterization of O2−Plasma−Treated Indium−Tin−Oxide (ITO) Anodes for Organic Light−Emitting−Device Applications", Journal of the Korean Physical Society, Volume 41, No. 3, pp. 395−399, September 2002. Willaim Christopher Hughes et al., "Self−Assembly of Phosphonate Monolayers on GaAs and GaN", in III−Nitride Based Semiconductor Electronics and Optical Devices and Thirty−Fourth State−of−the−Art Program on Compound Semiconductors (SOTAPOCSXXXIV), ed.F. Ren, D.N. Buckley, S.H.G. Chu, and S.J. Pearton (Electrochemical Society: Pennington, JN) pp. 213−217, 2001. Zhenghe Xu et al., "Contact Angle Measurements on Oxide and Related Surfaces", Encyclopedia of Surface and Colloid Science, pp. 1228−1241, 2002. Kelly H. Block et al., "Integration of CMP With Low−k Materials", Semiconductor International, pp. 115−122, June 2002. Dong−Ki Keum et al., "Preparation of Hydrophobic CaCO3 Composite Particles By Mineralization With Sodium Trisilanolate in a Methanol Solution", Journal of Materials Chemistry, Volume 12, pp. 2449−2452, 2002. J. Lawrence et al., "Wettability Characteristics of an Al2O3/SiO2−Based Ceramic Modified With CO2, Nd:YAG, Excimer and High−Power Diode Lasers", J. Phys. D: Appl. Phys., Volume 32, pp. 1075−1082, 1999. Kelly H. Block et al., "Chemical Mechanical Polishing of Amorphous Silicon Carbide and Low−K Carbon Doped Oxide Films", Rodel In., Newardk, DE 19713 and Dow Corning Corporation, Midland, MI 48686, pp. 1−8. Jung−Mu Kim et al., "Continuous Anti−Stiction Coatings Using Self−Assembled Monolayers for Gold Microstructures", Journal of Micromechanics and Microengineering, Institute of Physics Publishing, Volume 12, pp. 688−695, 2002. Chang−Soo Lee et al., "Protein Patterning on Silicon−Based surface Using background hydrophobic Thin Film", Elsevier Science B. V., Biosensors & Bioelectronics, Volume 18, pp. 437−444, 2003. D. Shamiryan et al., "Comparative Study of SiOCH Low−K Films With Varied Porosity Interacting With Etching and Cleaning Plasma", American Vacuum Society, J. Vac. Sci. Technol, B 20(5), pp. 1923−1928, 2002. Aicheng Chen et al., "Super−Hydrophobic tin Oxide Nanoflowers", Chem. Commun.,pp. 1964−1965, 2004. S. Zhang et al., "Development of Carbon−Based Coating of Extremely High Toughness with Good Hardness", International Journal of Nanoscience, Volume 3, Nos. 4 & 5, pp. 1−8, 2004. M.I. Jones et al., "Protein Adsorption and Platelet Attachment and Activation, on TiN, TiC, and DLC Coatings on titanium for Cardiovascular Applications", Division of materials, School of Mechanical, Materials, Manufacturing Engineering and Management, University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, United Kingdom, pp. 413−421, 2000. Aiguo Feng et al., "Wettability of Transition Metal Oxide Surfaces", Elsevier Science S.A., Materials Science and Engineering, Volume A242, pp. 50−56, 1998. I. Tsyganov et al., "Structure and Properties of Titanium Oxide Layers Prepared by Metal Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition", Elsevier, Surface and Coatings Technology, Volume 174−175, pp. 591−596, 2003. Mamdouch E. Abdelsalam et al., "Wetting of Regularly Structured Gold Surfaces", American Chemical Society, School of Chemistry and School of Physics and Astronomy, University of Southampton, Southampton S017 1BJ, United Kingdom, Langmuir, Volume 21, pp. 1753−1757, 2005.

本発明は、液体濡れ性が低い面を有する物品を提供することにより、上記の必要及びその他の必要に応える。本発明の面は、例えば、低抗力特性又は低摩擦特性、自浄能力並びに着氷、汚れ及び曇りに対する耐性のうちの１つ以上を含む特性を提供するが、面により提供される特性は、これらに限定されない。

従って、本発明の１つの側面は、物品を提供することである。この物品は、基板の上に配置された面を具備し、面は、
ａ．重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料を含み、基準液体に対して約６０°〜約９０°の範囲の公称接触角を成すのに十分な公称液体濡れ性を有する材料と、
ｂ．複数の特徴形状を含むテクスチャと、を具備し、
面は、基準液体に対して約１２０°〜約１８０°の範囲の接触角を成すのに十分な有効液体濡れ性を有することを特徴とする。

本発明の別の側面は、物品を製造する方法を提供することである。この方法は、
ａ．基板を提供するステップと、
ｂ．基準液体に対して約６０°〜約９０°の範囲の公称接触角を成すのに十分な公称液体濡れ性を有し、重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料を含み且つ複数の特徴形状を含むテクスチャを有する面を基板の上に形成するステップと、を含み、
前記面は、基準液体に対して約１２０°〜約１８０°の範囲の接触角を成すのに十分な有効液体濡れ性を有することを特徴とする。

本発明の上記の側面、利点及び顕著な特徴、並びにその他の側面、利点及び顕著な特徴は、以下の詳細な説明、添付の図面及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

以下の説明中、図面に示されるいくつかの図において、同一の図中符号は、一貫して同一の部分又は対応する部分を示す。また、「最上部」、「底部」、「外側」、「内側」などの用語は、便宜上使用される言葉であり、意味を限定する言葉として解釈されてはならないことも理解される。更に、本発明の特定の特徴が、１つの要素群の中の複数の要素及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む又は少なくとも１つから構成されると述べられる場合、常に、その特徴は、その群の要素のうちのいずれかを個別に含む又はその群の他の要素のうちのいずれかと組み合わされた形で含むか、あるいはその群の要素のうちのいずれかから個別に構成される又はその群の他の要素のうちのいずれかと組み合わされた形で構成されることが理解される。

図面のうち特に図１は、単に本発明の特定の一実施形態を説明する目的で示され、本発明をその実施形態に特定することは意図されないことが理解されるであろう。図１は、本発明の物品の表面の概略横断面図である。物品１００は、基板１１０の上に配置された面１２０を具備する。ここで使用される用語「面」は、基板１１０を取り巻く周囲環境と直接に接触している基板１１０の部分を意味する。面１２０は低い液体濡れ性を有する。面１２０の液体濡れ性を示すために一般に受け入れられている尺度の１つは、面１２０と、面１２０と基準液体の小滴１５０との接触点における小滴１５０の表面に対する接線１４５とが成す静止接触角１４０の値である。触角１４０の値が高いと、面１２０における基準液体に対する濡れ性が低いことを示す。基準液体は関心のあるどんな液体であってもよい。多くの用途において、基準液体は水である。例えば、面に対する氷の付着を減少することが焦点となる用途においては、基準液体は過冷却水（氷点より低い温度の液体の水）である。他の用途では、基準液体は、例えば、油、石油、ガソリン、有機溶剤などの少なくとも１つの炭化水素を含有する液体である。前述のように、「超疎水性」という用語は、水に対して非常に低い濡れ性を有する面を説明するために使用される。ここで使用される用語「超疎水性」は、水との間で約１２０°を超える静止接触角を成す面を表すと理解される。濡れ性は、１つには、基準液体の表面張力によって決まるため、所定の面が異なる液体に対して異なる濡れ性を示す（従って、異なる接触角を成す）こともある。

面１２０は、所定の基準液体に対して適度に高い濡れ性を有する材料から形成されるが、面１２０自体は、同一の基準液体に対して、その材料について通常測定される濡れ性より相当に低い濡れ性を示す。特に、面１２０は、所定の基準液体に対して約６０°〜約９０°の範囲の公称接触角を成すのに十分な公称液体濡れ性を有する材料から形成される。特定の実施形態においては、面１２０は実質的にその材料から形成される。本発明を理解する上で、「公称接触角」２４０（図２）という用語は、実質的にその材料から形成された平坦で滑らかな（表面粗度は１ｎｍ未満）面２２０の上に滴下された基準液体の滴２３０に関して測定された静止接触角２４０を意味する。この公称接触角２４０は材料の「公称濡れ性」を表す尺度である。

面１２０は、複数の特徴形状１３５を含むテクスチャ１３０を更に具備する。本発明の発明者は、適度に高い公称濡れ性を有する材料から形成され、テクスチャ１３０を含む面１２０を提供することにより、その結果形成されたテクスチャ面は、表面を形成している材料の固有の濡れ性より極めて低い濡れ性を持つようになることを発見した。特に、面１２０は、基準液体に対して約１２０°〜約１８０°の範囲の接触角を成すのに十分な有効濡れ性（すなわち、テクスチャ面の濡れ性）を有する。例えば、基準液体が水である場合、材料は、その公称接触角に基づいて親水性であると考えられるが、親水性材料のテクスチャ構造から形成された面１２０は、接触角が大きいために、超疎水性になると考えられる。

本発明の物品の上に滴下された流体滴の挙動の一例が図３Ａ及び図３Ｂに示される。面３０４は、親水性であるポリカ−ボネ−トから製造された。水滴３０２と面３０４とが成す接触角は約１３０°（図３Ａ）である。ポリカ−ボネ−ト面３０４は、図３Ｂに示された面３０４の平面図からわかるような、テクスチャ３０６を有する。この例のテクスチャを持たない平坦なポリカ−ボネ−ト面に滴下された水滴の挙動の一例が図３Ｃに示される。流体３０８と面３１０とが成す接触角は約８０°である。図３Ａに示されるテクスチャを含むポリカ−ボネ−ト面３０４とは対照的に、平坦な面３１０は、隆起部分、くぼみなどのテクスチャ又は特徴的構造をほとんど含まない。

面１２０（図１）は、重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料から形成される。面１２０で使用されることができる重合体材料には、環状ポリカ−ボネ−トを含むポリカ−ボネ−ト、環状ポリイミドを含むポリイミド、ポリシラザン、ＵＶ硬化性アクリラ−トを含むアクリラ−ト、ポリウレタン、エポキシ、ポリエ−テルイミド、ポリスルホン、ブロック共重合体／共重合体混合物及びそれらの組み合わせが含まれるが、それらに限定されない。適切なセラミック材料は、無機酸化物、無機炭化物、無機窒化物及びそれらの組み合わせを含む。そのようなセラミック材料の例には、酸化スズ、チタニア、炭化ケイ素、窒化チタン、輝安鉱（ＳｂＳ_２）、ジルコニア、ハフニア、酸窒化チタン及びそれらの組み合わせがあるが、それらに限定されない。

基板１１０は、金属、合金、プラスチック、セラミック又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから形成することができる。基板１１０は、膜、シ−ト又はバルク形状の形をとってもよい。基板１１０は、物品１００について、仕上げ済み部品のような最終形状、ニアネット形状、又は後に物品１００に製造される仕上げ前部品となることができる。

面１２０は、基板１１０の一体的な部分であってもよい。例えば、面１２０は、基板１１０に直接にテクスチャを複製することにより、又は基板にテクスチャをエンボス加工することにより、あるいは基板表面に所定のサ−フィス・テクスチャ（表面生地構造）を形成するか付与する技術分野において公知の他の同様な方法のいずれかにより形成されてもよい。あるいは、面１２０は、当該技術において公知のいくつかの技術により、基板１１０上に配置又は付着された層を具備してもよい。

前述のように、面１２０は、滑らかな面ではなく、複数の特徴形状１３５を含むテクスチャ１３０を有する。複数の特徴形状１３５は、くぼみ、突起、極小多孔構造固体、発泡構造、刻み目などのうちの少なくとも１つを含むどのような形状であってもよい。特徴形状は、隆起、円錐、棒、針金、溝、ほぼ球形の構造、発泡構造、ほぼ円筒形の構造、角錐構造、角柱構造、それらの組み合わせなどを含んでもよい。いくつかの実施形態においては、図４に示されるように、各特徴構造４０２は、約１０ｎｍ〜約５０，０００ｎｍの範囲の少なくとも１つの寸法４０４（例えば、長さ、幅、直径又は厚さ）を有する。いくつかの実施形態においては、寸法４０４は、約１０ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの範囲であり、特定の実施形態では、寸法４０４は、約１０ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲である。特徴形状４０２は、互いに、距離４０６（以下、「離間寸法」とも言う）だけ離間している。いくつかの実施形態においては、離間寸法４０６は、特徴形状の寸法４０４とほぼ等しい。例えば、各々が約１００ｎｍの直径を有する球形又は球状の特徴形状は、互いに約１００ｎｍ離間する。一実施形態においては、複数の特徴形状４０２が実質的に密接して配置される。複数の特徴形状４０２は、面４０８上に秩序正しくアレイとして配列されてもよいし、無秩序に又は無作為に配置されてもよい。

テクスチャ１３０を構成する複数の特徴構造１３５（図１）は、面１２０又は面１２０に近接する領域に限定される必要はない。いくつかの実施形態においては、物品１００は、面１２０の下方に配置されたバルク部分１１０を更に具備し、複数の特徴形状１３５は、バルク部分１１０の中まで延出する。面１２０及びバルク部分１１０の内部を含めて、物品１１０の全体に特徴形状１３５を分散することにより、面１２０の浸食された上部層として面１２０を再生できる。

本発明の別の面は、前述のような面１２０及び物品１００を製造する方法を提供することである。方法は、基板１１０を提供することと、基板１１０上に面１２０を形成することとから成る。面１２０は、基準液体に対して約６０°〜約９０°の範囲の公称接触角を成すのに十分な公称液体濡れ性を有する材料から形成され、材料は、重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料を含む。面１２０は、複数の特徴形状１３５を含むテクスチャ１３０を更に具備する。前述のように、このように形成された面１２０の濡れ性は、材料の公称濡れ性と比較して著しく低い。その濡れ性は、基準液体に対して約１２０°〜約１８０°の範囲の接触角を成すほど十分に低いレベルである。

図５に概略的に示される一実施形態においては、最初に、基板５１０上に複数のナノ粒子５４０が付着される。複数のナノ粒子５４０の液体濡れ性は高くてもよいし、あるいは低くてもよい。また、ナノ粒子５４０は、金属、非金属又はその双方の組み合わせであってもよく、被覆されていてもよいし、あるいは被覆なしであってもよい。ナノ粒子５４０は、基板５１０上にナノ粒子の集合体５４２又はアレイを形成するために、ある秩序に従って付着されてもよいし、あるいは無秩序に付着されてもよい。集合体５４２により被覆される範囲は、基板５１０の選択された１つの領域に限定されてもよいし、あるいは基板５１０全体にわたってもよい。一実施形態においては、ナノ粒子５４０の一部を溶融し、溶融したナノ粒子を基板５１０に融合する温度まで集合体５４２を熱処理することにより、複数のナノ粒子５４０を基板５４０に固着してもよい。ナノ粒子５４０が基板５１０に付着された後、被覆膜５６０を形成するために、複数のナノ粒子５４０の上に重合体溶液５５０が付着される。基板５１０上に付着された複数のナノ粒子５４０の上に重合体溶液を塗布する工程は、吹き付け、スピンコ−ティング、浸漬被覆などにより実行されてもよい。重合体溶液は、前述の重合体のような親水性重合体のうちのいずれかを含むが、使用できる重合体はそれらに限定されない。その後、溶剤を除去し、熱処理後の重合体が下方にあるナノ粒子集合体の構造に倣った形状を呈するように保障するために、被覆膜５５０は熱処理される。次に、プラズマエッチング、照射（特にＵＶ光の照射）又は溶剤エッチングなどの当該技術において知られているエッチング手段によって、別のテクスチャが追加されてもよいし、テクスチャが変形されてもよい。尚、使用できるエッチング手段は、上記の方法に限定されない。そのようなエッチングにより、重合体は選択的に除去される。

別の実施形態では、複数のナノ粒子５４０と重合体溶液５５０は混合され、その後、基板５１０に塗布される。これは、吹き付け、スクリ−ン印刷、転がし形成、ドロップ形成、浸漬被覆などの一般に使用される被覆法を使用して、１回の工程で実行される。ナノ粒子は、溶液の約０．００１体積％〜約５０体積％を占める。強い凝集力及び接着力を確保するために、被覆膜は、この後、前述のように熱処理されてもよい。次に、前述のようなエッチング方法により、追加のテクスチャか別のテクスチャが提供されてもよい。

あるいは、複数のナノ粒子５４０は、基板５１０のほぼ全体を覆うように基板５１０上に付着される。次に、シラザンモノマ−などのモノマ−がナノ粒子５４０の間の間隙に浸透される。その後、頑丈な重合体被覆膜を形成するために、触媒、熱、ＵＶ照射、熱架橋、溶剤などを使用して、モノマ−が架橋される。更に、前述のようなエッチング方法により、追加のテクスチャか別のテクスチャが提供されてもよい。

別の実施形態においては、図６に示されるように、複数のナノ粒子６４０は、ブロック共重合体マトリクス６００内で凝集する。ナノ粒子６４０は、被覆されていてもよいし、あるいは被覆なしであってもよい。ブロック共重合体６６０のうちの１つは、ナノ粒子６４０又はナノ粒子に塗布された被覆膜のいずれかに対してより高い適合性を有するため、自己凝集溶液となる。熱処理により、自己凝集溶液はテクスチャ６３０を生成する。その後、前述のようなエッチング方法により、追加のテクスチャか別のテクスチャが提供されてもよい。

以上説明したテクスチャ１３０を形成する方法は、基板１１０上に少なくとも１つの被覆膜又は層を形成することに依存する。他の実施形態においては、テクスチャ１３０は、基板１１０の表面に直接に提供又は形成される。テクスチャ１３０は、複製、エンボス加工、成形又は押し出しのうちのいずれか１つにより、直接に基板１１０の面１２０の上に形成されてもよい。一実施形態においては、面に形成されるべきテクスチャに対応する型板が成形型又はダイスなどの複製手段に提供される。尚、複製手段は成形型又はダイスに限定されない。複製手段の型板を面と接触させることにより、面にテクスチャ１３０が形成される。

ポリカ−ボネ−ト面１２０におけるテクスチャ１３０の形成について図７、図８及び図９に示す。図７において、基板上に複数のポリスチレンビ−ズ７１０を付着する。基板へのポリスチレンビ−ズ７１０の付着は、前述の手段のうちのいずれかにより実現されればよい。次に、このビ−ズのシリコ−ン型を成型し、溶解、エッチングなどによりポリスチレンビ−ズ７１０を除去する。これにより、テクスチャを有するシリコ−ンマスタ型が形成される。マスタ型の面を図８に示す。次に、シリコ−ンマスタ型を使用してポリカ−ボネ−トを圧縮成形すると、面８２０は、面８２０のテクスチャに対応するテクスチャをポリカ−ボネ−ト基板の表面に形成する。ポリカ−ボネ−ト面のテクスチャを図９に示す。

一実施形態においては、物品１００は、物品１００に望まれるテクスチャに対応するテクスチャを有する面を備えた少なくとも１つのダイスを通して押し出される膜又はシ−トである。押し出し工程の間に、テクスチャ１３０はダイスの面から物品１００に転写される。別の実施形態では、物品１１０に濡れ性の低いテクスチャ面１２０を形成するために、物品１００の面１２０の上に、テクスチャ１３０が圧縮成形されるか又は射出成形される。成形工程の間に、物品１００の面１２０に対応するテクスチャ１３０を形成するために、テクスチャを含む少なくとも１つの面を有する型が使用される。

別の実施形態においては、複数のナノ粒子は、ポリシラザン前駆物質などのセラミック前駆物質と組み合わされるか又は混合される。これにより、セラミック前駆物質中にナノ粒子のスラリ又は懸濁液が形成される。尚、使用できる前駆物質はポリシラザン前駆物質に限定されない。次に、吹き付け、スピンコ−ティング、塗装、浸漬などの当該技術において公知の手段により、物品の表面にスラリ（又は懸濁液）が塗布される。その後、セラミック前駆物質を酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物又はそれらの組み合わせ（それらに限定されない）などのセラミックに変換するために、被覆済み物品は加熱される。その結果、セラミック被覆膜に埋め込まれた複数のナノ粒子を含む低濡れ性テクスチャ構造面が形成される。そのような加熱は、セラミック前駆物質をか焼（かしょう）すること又は反応雰囲気の下で加熱することを含んでもよい。その結果、形成される面は高温での安定性が望まれる航空機タ−ビンの着氷防止被覆膜などの用途で使用されてもよい。

更に、面１２０は、ＰＶＤ、ＬＰＣＶＤ、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ及びそれらの組み合わせなどの蒸着法により形成されてもよいが、それらに限定されない。

また、いくつかの実施形態においては、形成工程は、基板１１０上に特徴形状１３５を化学的に形成することにより実現される。いくつかの実施形態では、これは、例えば、分子自己凝集、結晶化又は表面上に相分離を誘起することが知られている他の方法のような周知の技術を経て、表面上に１つ以上の別個の化学相を形成するために、材料の表面化学組成を操作することにより実現される。他の実施形態においては、基板にエッチング液を塗布することにより、化学エッチングが使用されてもよい。エッチング液は、酸、塩基、溶剤又は表面上に特徴形状を形成するために基板と反応するのに適する特性を有する他の薬剤を含んでもよい。

基準液体（すなわち、物品の表面が当該液体に対して低い濡れ性を示す液体）が水である場合、超疎水性である面１２０は、曇り、汚れ、汚染及び着氷に対する耐性が要求される多くの用途に適する。面１２０を有する物品１００は、低抗力、自浄能力及び熱伝達特性を有する面が望まれる用途で使用されてもよい。

一実施形態においては、面１２０は、主に、「着氷」、すなわち、過冷却水の小滴が面に付着し、凍結することによって氷が形成され、堆積する現象に対する耐性が向上された物品を提供する。この実施形態では、物品１００は、航空機の翼、プロペラ、ガスタ−ビンエンジンの低圧圧縮機及びファン部品、風力タ−ビンブレ−ド及びヘリコプタの翼などのエ−ロフォイル１０００、すなわち、ある条件の下で特に着氷の被害を受けやすい物品であるが、物品はそれらに限定されない。低抗力着氷防止面を有するエ−ロフォイルの概略横断面図が図１０に示される。図１０からわかる通り、着氷防止面１０２０は、本明細書中で説明されるようにエ−ロフォイル１０００の前縁部１０１０に配置される。別の実施形態においては、物品１００は、タ−ビンアセンブリ、例えば、図１１に概略的に示される航空機のガスタ−ビンエンジンの１つの部品である。物品１００は、入口ガイドベ−ン（ＩＧＶ）１１１０、回転子、固定子、支柱１１２０、流路に配置された温度センサ及び圧力センサ、ファンブレ−ド１１３０、ファン出口ガイドベ−ン（ＯＧＶ）１１６０、スピナ１１７０並びに着氷条件の下で氷が堆積する他の面などのタ−ビンアセンブリ１１００の複数の部品を含む。尚、タ−ビンアセンブリ及びエ−ロフォイルの動作原理及び一般的構造は、当該技術分野では公知であり、従って、ここでは改めて説明されない。上記の物品に面１２０を組み込むことにより、例えば、フレ−ムアウト又は失速などにより物品の機能が妨害されるほど大きな氷の塊が形成される前に、堆積した氷を落とすことができる。多くの場合、このような構造は、面１２０の低抗力特性によって優れたものとなる。

超疎水性面における接触角が大きいため、面１２０の上に落ちた水は、小さな滴を形成し、広がらずに転がり落ちる。それらの小滴が汚れの粒子を巻き込むことにより、後に残る面は乾燥し、清浄な状態になる。面が曇るなどの状況においては、凝縮のようなプロセスにより形成された小滴が面上に堆積して、光を反射し、その結果、面が「曇る」。凝縮した小滴と面１２０とが成す接触角１４０が大きいので、小滴は面１２０に付着せず、転がり落ちる。従って、物品１００はそのような曇りを防止する。一実施形態においては、物品１００は透明又は半透明である。面１２０が主に自浄曇り防止面として機能する物品１００の例には、照明用製品、自動車部品（ヘッドライト、ウィンドウ及びミラ−など）、建築部材（ガラス窓、窓及び鏡など）、レンズ、ビデオ表示装置及びスクリ−ンなどが含まれる。

一実施形態においては、原油や水などの流体を長いパイプラインに沿って搬送するのに好都合であるように、面１２０の低抗力特性を適応させることができる。パイプライン内部における摩擦は、通常、著しく大きな圧力低下を招く。そのような圧力低下の問題を克服するためには、流体を送り出す力を増加しなければならない。従って、物品１００が流体及び気体を搬送するためのパイプ、導管などである場合、パイプの中に流体又は気体の流路に沿って、すなわち、パイプの内側に面１２０が配置される。テクスチャ１３０を有する面１２０は、流体とパイプの壁面との摩擦を低減する。その結果、パイプを通して流体を送り出すために要求される力は、著しく減少される。

流体力学的抗力の減少は、常に、船舶の優先課題であった。抗力が大きくなると、船舶の燃料消費量が増加するばかりでなく、放出物質が増えるために環境にも有害である。海洋生物が付着して船体が汚れることが、抗力増加の第１の原因である。別の実施形態においては、汚水と流体力学体との摩擦を減少するように、面１２０の低抗力特性及び自浄特性を適応させることができる。水による摩擦を克服するためには、大量のエネルギ−が必要である。流体力学体は、水から著しく大きな流れ摩擦を受ける。従って、物品１００は、外洋航行用船舶及び潜水艦から小型帆船及びカヌ−に至るまで、様々な船舶を含んでよい。船体及び他の面は、摩擦を減少するような形状に形成されるが、本発明の実施形態に従って船体に面１２０を設けることにより、更に外被摩擦の減少を実現できるであろう。また、濡れ性の低い面は、船舶の表面に海洋生物が付着するのを防止する。

別の実施形態においては、面１２０の低抗力特性及び自浄特性を、衣類、家具、病院用機器などで使用するための生地に適応させることができる。例えば、物品１００は、水泳、陸上競技及び自転車競技などのスポ−ツで使用される衣類を含んでもよい。別の例では、物品１００は、面１２０を有する室内装飾品用生地及び寝具用生地を含み、その場合、面１２０の自浄能力を利用する。そのような用途においては、本発明の実施形態に従った少なくとも１つの超疎水性膜又は被覆膜が、物品の表面に塗布されればよい。

面１２０の自浄特性は、他の用途においても有用である。従って、面１２０は、冷蔵庫、自動食器洗浄機、オ−ブン、レンジなどの様々な家庭用器具に組み込まれてもよい。

面１２０は、熱交換器、冷却塔及び他の熱管理システム（これらに限定されない）などの、相変化（例えば、沸騰）に依存する熱伝達の用途に使用されてもよい。面１２０のテクスチャの上の気泡は、公称平坦面における速度より速い速度で核形成するため、相変化並びに気泡形成及び移動によって、熱伝達が容易になる。

例示を目的として、典型的な実施形態を説明したが、以上の説明は、本発明の範囲を制限すると考えられるべきではない。従って、本発明の趣旨の範囲から逸脱することなく、様々な変形、適応及び代替構成が実施されることが当業者には明らかであろう。

本発明の物品の表面の概略横断面図である。 公称平坦面に配置された流体の概略図である。 超疎水性ポリカ−ボネ−ト面の上に滴下された水滴の写真である。 図３Ａに示される超疎水性ポリカ−ボネ−ト面の顕微鏡写真である。 公称平坦ポリカ−ボネ−ト面の上に滴下された水滴の写真である。 本発明の面のテクスチャを示す面の横断面の概略図である。 複数のナノ粒子及び重合体溶液を使用する本発明の面の形成を示す概略図である。 ブロック共重合体マトリクスとして複数のナノ粒子を凝集することによる本発明の面の形成を示す概略図である。 本発明の面を複製するための型を製造する準備段階として、面上に配置された複数のポリウレタンビ−ズの画像である。 本発明の面上のテクスチャを有するシリコ−ンマスタ型の画像である。 図８に示されるシリコ−ン型によってポリカ−ボネ−トを圧縮整形することにより形成されたテクスチャを有するポリカ−ボネ−ト面の画像である。 物品がエ−ロフォイルである場合の本発明の物品の概略図である。 本発明の着氷防止面を有する少なくとも１つの物品を含む航空機タ−ビンの概略図である。

符号の説明

１００…物品、１１０…基板、１２０…面、１３０…テクスチャ、１３５…特徴形状、１４０…接触角、２３０…基準液体、２４０…公称接触角

Claims (12)

1. 基板（１１０）の上に配置された面（１２０）を備え、前記面（１２０）は、
   ａ．重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料を含み、基準液体（２３０）に対して６０°〜９０°の範囲の公称接触角（２４０）を成すのに十分な公称液体濡れ性を有する材料と、
   ｂ．複数の特徴形状（１３５）を含むテクスチャ（１３０）と、を有し、
   前記面（１２０）は、前記基準液体（２３０）に対して１２０°〜１８０°の範囲の接触角（１４０）を成すのに十分な有効液体濡れ性を有する物品（１００）。
2. 前記面（１２０）は、実質的に前記材料からなる請求項１記載の物品（１００）。
3. 前記材料は、実質的に、ポリカ−ボネ−ト、ポリイミド、ポリシラザン、アクリラ−ト、ポリウレタン、エポキシ、ポリエ−テルイミド、ポリスルホン、ブロック共重合体／共重合体混合物及びそれらの組み合わせより成る群から選択される請求項１又は２に記載の物品（１００）。
4. 前記材料は、セラミックである請求項１又は２に記載の物品（１００）。
5. 前記セラミックは、無機炭化物、無機酸化物、無機窒化物及びそれらの組み合わせより成る群から選択されたセラミックを含む請求項４記載の物品（１００）。
6. 前記テクスチャ（１３０）は、複数の特徴形状（１３５）から構成され、前記複数の特徴形状（１３５）の各々は、１０ｎｍ〜５０，０００ｎｍの範囲の寸法を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の物品（１００）。
7. 前記寸法は、１０ｎｍ〜１０，０００ｎｍの範囲内である請求項６に記載の物品（１００）。
8. 前記複数の特徴形状（１３５）は、隆起、円錐、棒、針金、溝、ほぼ球形構造、発泡構造、ほぼ円筒形構造、角錐構造、角柱構造、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む請求項７又は８に記載の物品（１００）。
9. 前記物品（１００）は前記表面（１２０）の下方に配置されたバルク部分を更に具備し、前記面（１２０）のテクスチャ（１３０）の複数の特徴形状（１３５）は前記物品（１００）のバルク部分の中まで延出する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の物品（１００）。
10. 前記物品（１００）は、エ−ロフォイル（１０００）、タ−ビン部品、熱交換器、船体、器具及び生地のうちの１つである請求項１乃至９のいずれか１項に記載の物品（１００）。
11. 基板（１１０）の上に配置された面（１２０）を備え、前記面（１２０）は、
    ａ．重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料を含み、水に対して６０°〜９０°の範囲の公称接触角（２４０）を成すのに十分な公称濡れ性を有する材料と、
    ｂ．複数の特徴形状（１３５）を含むテクスチャ（１３０）と、を備え、
    前記面（１２０）は、水に対して１２０°〜１８０°の範囲の接触角（１４０）を成すのに十分な有効濡れ性を有する物品（１００）。
12. 物品（１００）を製造する方法において、
    ａ．基板（１００）を提供し、
    ｂ．重合体及びセラミックより成る群から選択された少なくとも１つの材料材料を含む面（１２０）であって基準液体（２３０）に対して６０°〜９０°の範囲の公称接触角（２４０）を成すのに十分な公称液体濡れ性を有する面を、前記基板（１１０）の上に形成し、
    前記面（１２０）は、複数の特徴形状（１３５）を含むテクスチャ（１３０）を備え、
    前記面（１２０）は、前記基準液体（２３０）に対して１２０°〜１８０°の範囲の接触角（１４０）を成すのに十分な有効液体濡れ性を有する、物品を製造する方法。