JP5149901B2 - 超疎水性の表面構造を有する固体基材の製造方法およびこれを利用した超疎水性の流体移送管 - Google Patents
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Description
第一、陽極酸化工程を経て、表面に微細ホールを備えた金属基材を非濡れ性物質に浸してから凝固させて陰極複製工程を行い、これによって簡便で容易に陰極複製体の生産が可能になり、このような陰極複製体を通して超疎水性の表面構造を有する固体基材を簡単な工程で生産可能にすることによって、生産原価を節減することができる。
第二、超疎水性の表面構造を有する固体基材を流体が移動する管の内壁面に装着して、管の単位面積当たり流体移送効率を増加させて異物が管内部に積もらないようにし、管内部表面の腐食を防止することによって、管の流体運送効率が向上される。
示されているように、本発明による超疎水性の表面構造を有する管100は、流体の移動をガイドする流体ガイダ10と、流体ガイダ10の流体接触面に装着され、マイクロメートル単位の凹凸およびナノメートル単位直径の柱を備えることによって、デュアルスケールの構造を有する固体基材20を含む。
前記流体ガイダ10は流体の移動を案内するように設けられる。流体ガイダ10は給水配管、屋内配管、人工血管または送油管などの流体が流れることができる所定の管に多様に適用可能である。流体ガイダ10の流体接触面には超疎水性の固体基材20が装着される。
以下、示されているように、本発明の第1実施例に従う固体基材20の製作工程について説明する。
まず、粒子噴射器30の噴射ノズル31を金属基材33の表面33aと対向するように位置させる。
次いで、粒子噴射器30を駆動して微細粒子35、例えばマイクロメートル単位直径を有する粒子を金属基材33の表面に噴射するようにする。
前記粒子噴射器30は図3に示されているように、微細粒子35を予め設定されている速度および圧力で噴射されるようにして、金属基材33の表面33aに衝突することにする。金属基材33の表面33aと微細粒子35との衝突過程で金属基材33の表面33aは衝撃エネルギーを受けることになり、これによって図2Bに示されているように、金属基材33の表面33aは変形を起こすことになる。
粒子噴射器30は、一例として、砂粒子を噴射するサンドブラスターを適用することができ、砂粒子の代わりに金属具などの微細粒子を噴射して加工することもできる。適用可能な金属基材としてはアルミニウム、鋼鉄、および銅などの金属板材が含まれる。かかる粒子噴射器30の作動を通して、金属基材33の表面にはマイクロ単位の凹凸表面の形成が可能である。
示されているように、表面に微細凹凸37を有する金属基材33で、前記微細凹凸37の大きさ、つまり、凸部37aの高さや凹部37bの深さまたは凸部37aの間の間隔などは前記粒子噴射器30の粒子噴射速度、噴射圧力および微細粒子35の大きさにより変わることができ、これら値を予め設定して適用することによって調節することができる。
非濡れ性物質を除いて、一般的な固体、つまり、金属やポリマー(polymer)の接触角は90度より小さいぬれ性物質である。かかる金属基材の表面を本実施例に従う表面加工方法によって微細凹凸37を有するように加工すれば接触角はもっと小さくなり、濡れ性がもっと強くなる現象を現わす。
かかる工程で金属基材33の表面にナノメートル単位直径の微細ホール39が形成されることになり、これによって、金属基材33の表面にはマイクロメートル単位の凹凸37およびナノメートル単位直径の微細ホール39がともに形成される。
より具体的に陽極酸化加工(anodizing)について説明すれば、金属基材33を電解液43に浸し、いずれか一つの金属基材33bには陽極を印加し、また他の一つの金属基材33cには陰極を印加する。そうすれば、金属基材33の表面には酸化膜であるアルミナが形成され、これによって、金属基材33の表面に陽極酸化部分34が形成される。
このような陽極酸化加工で金属基材33の表面には図7に示されているように、粒子噴射器30の加工を通したマイクロメートル単位の凹凸37およびナノメートル単位直径の微細ホール39がともに形成され、これによって、微細凹凸表面の形成が可能になる。
図8Aおよび図8Bは陽極酸化工程の後、微細ホール39が形成された金属基材33表面の電子顕微鏡写真である。
これによって、非濡れ性物質35は図2Eに示されているように、凝固して非濡れ性高分子陰極複製体36で形成される。
つまり、金属基材33の外側面を取り囲むように非濡れ性高分子物質が充填された状態で非濡れ性高分子物質35が凝固するようにすれば、金属基材33の表面形状に対等の陰極形状表面を有する非濡れ性高分子陰極複製体36の生成が可能になる。前記非濡れ性物質35はPTFE、FEP、PFAからなる群より選択された少なくともいずれか一つの物質からなることができる。
アルミニウム(Al)を金属基材として用いて、陽極酸化物でアルミナが形成された場合に湿式エッチングを通してこれらを除去することができる。これによって、非濡れ性高分子陰極複製体36の表面には金属基材33の表面形状の陰極複製が行われることになり、濡れ性が極度に小さくなる超疎水性の表面構造を有する高分子固体基材36の形成が可能になる。
かかる高分子固体基材36の表面は、金属基材33の表面のマイクロメートル単位の凹凸とナノメートル単位直径の微細ホールの直径と同じ大きさの直径を有する多数個の突出柱36aが形成される。
より詳しくは、固体基材36は図2Fに示されているように、表面の少なくとも一部に微細凹凸が形成されたベース36bと、ベース36b上に微細凹凸に沿って備えられたナノメートル単位直径を有する多数個の柱36aを含んで形成されることがわかる。前記柱36aは非濡れ性高分子物質で形成される。
図8Aおよび図8Bは超疎水性の表面構造を有する固体基材36の電子顕微鏡写真である。
示されているように、固体基材36の表面は、マイクロメートル単位の凹凸およびナノメートル単位直径の突出柱が形成されることによって、接触角が165度以上に高くなることがわかる。何の加工もしない固体の表面での流体接触角がほぼ83度であるのに比べると、接触角が高くなることによって濡れ性が極度に小さくなる超疎水性を有することがわかる。
示されているように、本発明の固体基材20はフィルム形態で給水配管50内部の流体接触面に装着される。固体基材20は超疎水性の性質を有し、このために、図10Aに示されているように、給水配管50の内壁面は超疎水性の滑り状態になって流体51が一定の速度で流れることになる。
しかしながら、既存の配管は図10Bに示されているように、給水配管50aの内壁面は抵抗力が発生し、これによって流体51aが流れず中央の部分でだけ流体が流れることになる。
つまり、既存の給水配管50aと本実施例の固体基材20に適用された給水配管50とを比較してみれば、本願発明の給水配管50は流体接触面が超疎水性の性質を有し、これによって、配管の内部表面でも流体が一定の速度で流れることになる。したがって、本発明の給水配管は断面積当たり流れる流量が増加するため、配管の効率が増加する。このような固体基材20は流体が流れる給水配管などに適用可能に柔軟な特性からなることが望ましい。
示されているように、一般的な給水配管や屋内配管そして人工血管などの内部には流体だけでなく他の異物53も共に運送される。
つまり、流体に混じった異物53および配管自体の腐蝕により生成された異物53が流体とともに運送されるが、図11Bに示されているように、従来の配管50aでは内部表面の抵抗力によって異物53が運送中に積もることになって、流体の運送効率がさらに悪化する。
しかしながら、図11Aに示されているように、本発明の固体基材20が適用された配管には内部表面が超疎水性を有することによって異物が積もらずに円滑に運送される。また、本発明の固体基材20は耐腐食性に優れて配管自体の腐食を防止することになり、このために、追加的な異物の生成が防止されて環境親和的な衛生配管を維持することになる。
示されているように、送油管61内の流体の運送は一定の区間ごとに設けられた加圧施設63を利用して、次の加圧施設まで運送する。加圧施設間の距離は送油管内部表面の摩擦による圧力損失を考慮する。
つまり、送油管内部表面と流体との摩擦が少ないほど加圧施設間の距離が長くなるため、必要な加圧設備が減ることになる。従来の送油管内部表面は超疎水性の滑り状態ではないため、流体運送の際、摩擦による圧力損失が過剰に発生する。
しかしながら、本発明の固体基材20を適用した送油管は内部表面が超疎水性の滑り状態であるため、摩擦による圧力損失を減らすことができて単位時間当たり運送流量の増加が可能になる。
ラッブオンエチップ70は一定の大きさのチップ上に分析に必要な様々な装置を集積させた化学マイクロ・プロセッサであって、流体を分析する装備である。
かかるラッブオンエチップ70はその中にマイクロサイズのチャンネルを製作して、その中で流体流れを制御する技術を通してなされる。ここで、マイクロチャンネル71の内部壁面を本発明の固体基材を適用すれば、チャンネル内の流体流れをより円滑にして、流体の分析効率を高めることができる。
図示のように、本発明の第2実施例に従う固体基材80は、流体ガイダ10の流体接触面に装着されるベース81と、ベース81上にナノメートル単位直径で備えられた多数個の柱83が設けられ、隣接した複数の柱83らが多数の群落をなしてマイクロメートル単位の凹凸を形成する。
まず、図14Aに示すように、薄板形状の金属基材85を準備して、陽極酸化装置40の収容空間に金属基材85を収容する。前記金属基材85は陽極酸化装置40の電解液43に浸すことによって収容される。
次に、陽極酸化装置40を駆動して、図14Bに示すように、金属基材85の表面に陽極酸化加工(anodizing)を実施する。
次いで、陽極酸化加工された金属基材85を非濡れ性高分子溶液35に浸す。このような過程を経た後、前記非濡れ性高分子溶液が金属基材85を取り囲んだ状態で凝固するようにすれば、図14Cに示されているように、非濡れ性高分子陰極複製体86が形成される。
次に、図14Dに示すように、非濡れ性高分子陰極複製体86と密着した金属基材85および陽極酸化物82を除去する。アルミニウム(Al)を金属基材として用いて、陽極酸化物でアルミナが形成された場合、湿式エッチングを用いてこれらを除去することができる。これによって、非濡れ性高分子陰極複製体86の表面形状の陰極複製が行われることによって、濡れ性が極度に小さくなる超疎水性の表面構造を有する高分子固体基材80の形成が可能になる。
つまり、きわめて近距離でだけ作用する引力であるファンデルワールス力によって、隣接した突出柱83の間には互いにくっつき現象が発生する。かかるくっつき(sticking)現象によって、固体基材80の複製された突出柱83は全体的に落ち込んでいる群落を形成することになる。これによって、ナノスケールの突出柱で形成されたマイクロスケールの表面を有する、つまり、デュアルスケールの構造を有する固体基材80が得られることになる。
図示のように、固体基材80の表面に柱83が相互間でくっついて、不規則に落ち込んでいることの確認が可能である。
このように形成される表面構造を有する固体基材80は化学的コーティングによる表面処理でなく構造的表面処理を通して、濡れ性を最小にして超疎水性の性質を有することになる。前記固体基材80の表面に水滴を落として接触角を測定すれば、図16に示すように、表面の接触角は160度以上に極度に高くなることがわかる。何の加工もしない固体表面での流体接触角はほぼ83度であるのに比べて接触角が高くなることによって、濡れ性が極度に小さくなる超疎水性を有することがわかる。
したがって、本発明の真正なる保護範囲は続く特許請求の範囲によって決まるべきである。
20 固体基材
30 粒子噴射器
31 噴射ノズル
33 金属基材
35 微細粒子
37 微細凹凸
39 微細ホール
40 陽極酸化装置
50 給水配管
61 送油管
63 加圧施設
70 ラッブオンエチップ
Claims (7)
- 超疎水性の表面構造を有する超疎水性の流体移送管であって、
流体の移動をガイドする流体ガイダと、
前記流体ガイダの流体接触面に装着され、マイクロメートル単位の凹凸とナノメートル単位直径の柱とを有する固体基材と、
を備えたことを特徴とし、
前記固体基材の前記ナノメートル単位直径の柱は、非濡れ性高分子物質からなり、
前記固体基材は、
前記流体ガイダの流体接触面に装着されるベースと、
前記ベース上にナノメートル単位直径で備えられた多数個の柱が設けられ、隣接した複数の柱が多数の群落をなしてマイクロメートル単位の凹凸を有する表面構造部と、
を備え、
前記マイクロメートル単位の凹凸は、前記隣接した複数の柱が部分的に互いにくっつくことによって形成されていることを特徴とする超疎水性の流体移送管。 - 請求項1に記載の超疎水性の流体移送管において、
前記固体基材は、
前記流体ガイダの流体接触面に装着され、表面の少なくとも一部にマイクロメートル単位の凹凸が形成されたベースと、
前記ベース上のマイクロメートル単位の凹凸に沿って備えられたナノメートル単位直径を有する複数個の柱を含む超疎水性の表面構造部と、
を備えることを特徴とする超疎水性の流体移送管。 - 請求項1に記載の超疎水性の流体移送管において、
前記非濡れ性高分子物質はPTFE(Polytetrahluorethylene)、FEP(Fluorinated ethylene propylene copoymer)およびPFA(Perfluoroalkoxy)からなる群より選択された少なくともいずれか一つの物質であることを特徴とする超疎水性の流体移送管。 - 請求項1に記載の超疎水性の流体移送管において、
前記流体ガイダは流体を案内するための管として構成されることを特徴とする超疎水性の流体移送管。 - 超疎水性の表面構造を有する固体基材の製造方法であって、
金属基材を陽極酸化加工処理して、その表面に多数個のナノメートル単位直径のホールを形成する段階と、
表面に多数個のナノメートル単位直径のホールが形成された金属基材を非濡れ性高分子物質に浸して凝固させることによって陰極複製体を形成する段階と、
前記陰極複製体から前記金属基材と陽極酸化物とを除去して、超疎水性の表面構造が形成された固体基材を形成する段階と、
前記固体基材を、流体の移送をガイドする流体ガイダの流体接触面に装着する段階と、
を含み、
前記陰極複製体は、
前記金属基材に形成された多数個のナノメートル単位直径のホールに非濡れ性高分子物質が注入されて、陰極複製された多数個の柱を有し、
前記陰極複製体の柱群は、隣接した複数の柱の部分的なくっつきによって多数のマイクロメートル単位の群落を形成することを特徴とする固体基材の製造方法。 - 請求項5に記載の固体基材の製造方法において、
前記非濡れ性高分子物質はPTFE、FEPおよびPFAからなる群より選択された少なくともいずれか一つの物質であることを特徴とする固体基材の製造方法。 - 請求項5に記載の固体基材の製造方法において、
前記固体基材は前記流体ガイダの湾曲した表面に装着可能な柔軟な特性を有することを特徴とする固体基材の製造方法。
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