JP5337823B2 - 金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、疏水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法に関するものであって、より詳しくは、アルミニウム箔（ｆｏｉｌ）などの金属箔を利用して、３次元形状構造物の外部表面に疏水特性が与えられるように形成させる３次元形状構造物の製造方法に関わる。

一般に、金属やポリマーなどの固体基材の表面は固有の表面エネルギーを有している。これは任意の液体が固体基材に接触する時、液体と固体の間の接触角で現れる。ここで、液体は水または油などの種類を通称するが、以下では、液体の中でも最も代表的な水を言及して説明する。接触角度の大きさが９０°より小さい場合には、球形状の水滴が固体表面でその形態を失い、表面を浸す親水性（親水性、ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｉｔｙ）特性を示す。反面、接触角度の大きさが９０°より大きい場合には、球形状の水滴が固体表面で球の形状を維持しつつ、表面を浸さずに外部力によって容易に流れる疏水（疎水、ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ）特性を示す。その例として、ハスの花葉の上に水滴が落ちた場合、ハスの花葉を浸さずに表面を流れる現象が疏水特性である。

固体基材の表面が有する固有の接触角は、その表面が微細な凹凸形状を有するように加工するとその値が変化することができる。つまり、接触角が９０°より小さい親水性表面は、表面加工を通して親水性がもっと大きくなることができ、接触角が９０°より大きい疎水性表面も表面加工を通して疎水性がもっと大きくすることができる。このような固体基材の疎水性表面は多様な応用が可能である。疎水性表面を配管構造物に適用すれば、配管内部を流動する液体の滑りがさらに容易になるので、その流量と流速が増加する。これによって、疎水性表面は水道管またはボイラー配管に適用する際、従来に比べて異物が積もることをより著しく減少させる。そして、疎水性表面は、非ぬれ性高分子物質が利用されれば配管内面での腐蝕が防止されるので、水質汚染も減少させることができる。

しかしながら、任意の用途のために固体表面の接触角を変化させる技術は、現在まで半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）工程であって、固体表面をマイクロあるいはナノ単位の微細な凹凸に形成する。このようなＭＥＭＳ工程は半導体技術を機械工学的に応用した先端の技術であるが、半導体工程は非常に高価の費用が所要される。つまり、ＭＥＭＳ工程は固体表面にナノ単位の凹凸を形成しようとする場合、金属表面の酸化、一定の温度と一定の電圧の印加、特殊な溶液での酸化及びエッチングなどの作業を行う。このようなＭＥＭＳ工程は一般的な作業環境で行うことができない作業であるため、特別に製作された清浄室で行わなければならず、これに必要な専用機械も高価の装備であるためである。また、ＭＥＭＳ工程は半導体工程の特性上、広い表面を一回に処理できないという点もまた短所として作用する。

このように従来の存疎水性表面を形成する技術はその工程が非常に複雑であり大量生産が難しく、高い製作費用によりその適用自体が容易ではなかった。

本発明は、先に説明したように従来の問題点を解決するために提案されたものであって、従来に比べて相対的に単純化された段階から行われることによって大量生産が可能である疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法を提供することにその目的がある。

また、本発明は、疎水性表面を有する３次元形状構造物を製造するとしても、日常生活の中で容易に入手できるアルミニウム箔などの材料を利用して、より容易に疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法を提供することに他の目的がある。

本発明の実施例による疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法は、特定形状構造物の外面に金属箔（ｆｏｉｌ）を付着させて金属箔基材を用意する金属箔段階、前記金属箔基材を陽極酸化加工して、前記金属箔基材の外面に微細ホールを形成する陽極酸化段階、前記金属箔基材の外面に非ぬれ性高分子物質をコーティングして、前記非ぬれ性高分子物質を前記金属基材の微細ホールに対応する陰極複製構造物に形成する陰極複製段階、前記陰極複製構造物の外面を外部形成物質で囲む外部構造物形成段階、及び前記陰極複製構造物と前記外部形成物質から前記金属箔基材を除去する金属箔除去段階を含む。

本発明の実施例による前記金属箔は、アルミニウム素材からなる薄い薄膜形態のアルミニウム箔である。

本発明の実施例は、前記金属箔と前記特定形状構造物の表面に前記金属箔を付着する過程において、面と面の間の空間へ空気が流入しないように前記金属箔を順次に圧着させる。

本発明の実施例は、前記特定形状構造物を電解質溶液内で電解研磨（ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行って前記特定形状構造物の表面を平坦化させる。

本発明の実施例による前記陽極酸化段階は、電解質溶液が満たされた陽極酸化装置に前記金属基材を浸漬した後、前記金属基材に電極を印加させることによって前記微細ホールを有する陽極酸化層を形成する。

本発明の実施例による前記陰極複製段階は、前記非ぬれ性高分子物質が前記金属基材の微細ホールに注入されて、前記陰極複製構造物が前記微細ホールに対応する複数個の柱を備える。

本発明の実施例による前記非ぬれ性高分子溶液は、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｈｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＦＥＰ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃｏｐｏｙｍｅｒ）、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。

本発明の実施例は、前記金属箔基材を化学的なエッチングによって除去する。

本発明の実施例による３次元形状構造物の製造方法は、３次元形状構造物の内部表面または外部表面に疎水性を付与させられつつ、従来のＭＥＭＳ工程で必要とする高価の装備を使用しないのでその製作費用も相対的に安く、その工程も単純であるという長所がある。

本発明の第１実施例による疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法を示したフローチャートである。 図１に示された疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法で各段階をイメージ化して示した概略図であって、特定形状構造物を示した概略図である。 図２に示された特定形状構造物に金属箔を付着させる状態を示した概略図である。 図３に示された金属箔基材の表面に陽極酸化層が形成された状態を示した概略図である。 図４に示された金属箔基材の表面に対応する陰極複製構造物が形成された状態を示した概略図である。 図５に示された陰極複製構造物の外面に外部形成物質が付着された状態を示した概略図である。 図６に示された金属箔基材と陽極酸化層が除去されて、陰極複製構造物と外部形成物質で形成された状態を示した概略図である。 図２に示された特定形状構造物に金属箔を囲む様子を形状化して示した概略図である。 図４に示された金属箔基材を陽極酸化させる陽極酸化装置を示した概略図である。 図９に示された金属箔基材を陽極酸化処理した後で陽極酸化層に微細ホールが形成されている様子を拡大して示した図である。 図５に示された陽極酸化層の微細ホールに対応する陰極形状を複製する陰極複製装置を示した概略図である。 図１１に示された線VII-VIIに沿って陰極複製装置を切断して、示した断面図である。 本発明の第１実施例において、金属箔に陽極酸化を行う前と後を各々示した写真である。 図１３に示された金属箔の表面を拡大して示した写真である。 図１４に示された金属箔の表面を陰極複製した後で液体の接触角を実験した写真である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明はの多様な相違した形態に具現でき、ここで説明する実施例に限られない。

図１は、本発明の第１実施例による疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法を示したフローチャートである。

図１に示されているように、本発明の実施例による疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法は、金属箔段階（Ｓ１）、陽極酸化段階（Ｓ２）、陰極複製段階（Ｓ３）、外部構造物形成段階（Ｓ４）、及び金属箔除去段階（Ｓ５）を行う。このような段階を行うことによって、本発明の実施例は、従来のＭＥＭＳ工程に比べて単純でありつつ、相対的に廉価の製作費用で疎水性表面を有する構造物を製造することができる。さらに、本発明の実施例は、このような製造段階によって３次元形状構造物の内部表面または外部表面にも疏水特性が与えられるように構造物を製造することができる。

図２乃至図７は、図１に示された疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法によって各段階別製造工程を各々イメージ化して示した概略図であって、図２は、特定形状構造物を示した概略図である。

図２に示されているように、本発明の実施例に使用される特定形状構造物１０１は円筒形状の物体であって、配管（ｐｉｐｅ）構造物の内面に疏水特性を付与するための用途に使用される。本発明の実施例は、事前用意作業として過塩素酸（ｐｅｒｃｈｌｏｒｉｃａｃｉｄ）とエタノール（ｅｔｈａｎｏｌ）を１:４の体積比に混合した溶液に特定形状構造物１０１を浸漬した後、電解研磨（ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行って特定形状構造物１０１の表面を平坦化させる。

図８は、図２に示された特定形状構造物に金属箔を囲む様子を形状化して示した概略図である。

図１、図３、及び図８に示されているように、本発明の実施例は、金属箔１１０を特定形状構造物１０１の表面に付着させる金属箔段階を行う（Ｓ１）。本発明の実施例は、特定形状構造物１０１の表面に金属箔１１０が付着された構造物を“金属箔基材”と称す。金属箔段階（Ｓ１）は金属箔１１０として、日常生活の中で幅広く使用されているアルミニウム箔を利用する。アルミニウム箔はアルミニウム素材で製作された薄い薄膜形態の製品である。そして、金属箔段階（Ｓ１）は、金属箔１１０と特定形状構造物１０１の表面に金属箔１１０を付着する過程において、面と面の間に空気が流入しないように金属箔１１０を順次に圧着させるのが望ましい。

図９は、図４に示された金属箔基材を陽極酸化させる陽極酸化装置を示した概略図である。

図１、図４、及び図９に示されているように、本発明の実施例は、金属箔基材を陽極酸化加工（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）して、金属箔基材の外面に微細ホール（ｈｏｌｅ）を形成する陽極酸化段階を行う（Ｓ２）。陽極酸化段階は、金属箔基材を電解質溶液２３に浸漬した後で電極を印加させることによって、金属箔基材の表面に陽極酸化層１２０を形成する。

このために、本発明の実施例は図９に示された陽極酸化装置２０を利用する。陽極酸化装置２０は、陽極酸化用本体２１の内部受容空間に電解質溶液２３；例えば、０.３Ｍのシュウ酸Ｃ_２Ｈ_２Ｏ_４または燐酸）が一定量満たされ、、この電解質溶液２３に金属箔基材が入る。陽極酸化装置２０は電源供給部２５を備えるが、金属箔基材は、電源供給部２５の正極または陰極のうちのいずれか一つに連結され、白金素材の他の金属基材２６は電源供給部２５の他の残りの極性に連結される。ここで、他の金属基材２６は、電源印加が可能な伝導体であればその素材が限られない。実験条件として、金属箔基材と異なる金属基材２６は設定された距離（例えば、５０ｍｍ）に維持されつつ、電源供給部２５は設定された定電圧（例えば、６０Ｖ）を印加するようになる。この時、電解質溶液２３は一定の温度（例えば、１５°Ｃ）下で維持されるが、溶液濃度の局部的な偏向を防止するために撹拌機（ｓｔｉｒｒｅｒ）で攪拌する。そうすれば、金属箔基材の表面には陽極酸化層１２０としてアルミナが形成される。このように陽極酸化を行った後には金属箔基材を電解質溶液２３から取り出し、脱イオン水で洗浄した（例えば、約１５分間）後、設定された温度（例えば、６０°Ｃ）のオーブンで一定時間（例えば、約１時間）乾燥させる。
そうすると、金属箔基材の陽極酸化層１２０には、図１０に示されているようにナノメートル単位直径を有する微細ホール１２１が形成される。

図１１は、図５に示された陽極酸化層の微細ホールに対応する陰極形状を複製する陰極複製装置を示した概略図であり、図１２は、図１１に示された線VII-VIIに沿って陰極複製装置を切断して示した断面図である。

図１、図５、図１１、及び図１２に示されているように、本発明の実施例は、金属箔基材の外面に相当する陽極酸化層１２０に非ぬれ性高分子物質をコーティングする。そうすると、非ぬれ性高分子物質は陽極酸化層１２０の微細ホール１２１に対応する陰極複製構造物１３０に形成される。つまり、本発明の実施例は、金属箔基材の表面に陰極複製構造物１３０を形成する陰極複製段階を行う（Ｓ３）。

本発明の実施例は、ナノスケールの微細ホール１２１が形成された金属箔基材を複製用枠（ｔｅｍｐｌａｔｅ）として備え、陽極酸化段階（Ｓ２）を行うために図１１及び図１２に示された陰極複製装置３０を利用する。陰極複製装置３０は、陰極複製用本体３１と、陰極複製用本体３１内に一定の受容空間を有する受容部３２、受容部３２に受容される非ぬれ性高分子溶液３３、及び陰極複製用本体３１の側面に沿って備えられ、受容部３２の非ぬれ性高分子溶液３３が固体化するように凝固させる冷却部３４を備える。

陰極複製装置３０は、金属箔基材が複製用枠として非ぬれ性高分子溶液３３に入られ、こういう金属箔基材の陽極酸化層１２０に非ぬれ性高分子物質をコーティングさせる。つまり、非ぬれ性高分子溶液３３は陽極酸化層１２０の微細ホール１２１に注入され、陰極複製装置３０の冷却部３４が作動することによって金属箔基材の周縁に接する非ぬれ性高分子物質が凝固する。このように本発明の実施例は、陽極酸化層１２０の外面に非ぬれ性高分子物質をコーティングさせることによって、微細ホール１２１の形状に対応する陰極の形状表面を有する陰極複製構造物１３０を形成させる。つまり、陰極複製構造物１３０は微細ホール１２１に対応する陰極の形状表面であるので、微細ホール１２１に各々対応して複数個の柱を備えるようになる。
ただし、非ぬれ性高分子溶液３３は、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｈｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＦＥＰ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃｏｐｏｙｍｅｒ）、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からなる。

次の段階として本発明の実施例は、図６に示されているように、陰極複製構造物１３０の外面を外部形成物質１４０に囲む外部構造物形成段階を行う（Ｓ４）。外部形成物質１４０は粘着性を有する素材として、陰極複製構造物１３０の屈曲した外面に付着するように柔軟な（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）特性を有する。特に、本発明の実施例は、疎水性内部表面を有する配管構造物の製作方法を例として説明しているので、配管材料に用いられるアクリルフィルムを円柱形状の金属箔基材の円周面に囲む。外部形成物質１４０はアクリルフィルムだけでなく、多様な他の素材が用いられることができる。

次の段階として本発明の実施例は、陰極複製構造物１３０と外部形成物質１４０から陽極酸化層１２０が形成された金属箔基材を除去する（Ｓ５）。この時、金属箔基材より特定形状構造物１０１は金属箔１１０から容易に分離することができるので、圧出などの機械的な方式によって分離除去される。そして、金属箔１１０と陽極酸化層１２０は特定形状構造物１０１を除去した後で湿式エッチングによって除去する。

本発明の実施例はこのような段階を行うことによって、図７に示されているように陰極複製構造物１３０と外部形成物質１４０が残るようになる。前述の通り、陰極複製構造物１３０はその内部表面に複数個の微細な柱が形成されて、ナノスケールの構造を共に有する疎水性表面が形成される。つまり、陰極複製構造物１３０は、内部表面がハスの花葉と同じ断面構造からなることによってぬれ性が最小化された疎水性表面性質を有するようになり、これによって液体との接触角が１６０°以上で極度に高くなることができる。

以下、本発明の実施例によって製造された３次元形状構造物の疏水特性を説明する。
金属箔はアルミニウム素材からなる箔を使用する。このようなアルミニウム箔は、厚さが２７μｍであり、その大きさが３.５ｃｍ×５ｃｍである。アルミニウム箔は特定形状構造物に付着されて金属箔基材として形成される。このように形成された金属箔基材は０.３Ｍのシュウ酸溶液で１３時間陽極酸化が行われた。

アルミニウム箔は、図１３に示された写真のように、陽極酸化を行う前（ａ）と後（ｂ）が視覚的にも明確に区別された。図１４は、図１３に示された金属箔の表面を拡大して示した写真であって、アルミニウム箔に微細ホールが形成されていることが確認された。
その後では、陽極酸化を行ったアルミニウム箔に非ぬれ性高分子物質をコーティングすることによって陰極複製構造物を形成し、外部形成物質を付着した。次に、陰極複製構造物の表面で液体との接触角を実験した結果、図１５に示された写真のように、液体との接触角が１６０°以上で極度に高くなったことが確認された。

以下、本発明の望ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して行うのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。

２０ 陽極酸化装置
３０ 陰極複製装置
１００ ３次元形状構造物
１０１ 特定形状構造物
１１０ 金属箔
１２０ 陽極酸化層
１３０ 陰極複製構造物
１４０ 外部形成物質

Claims (8)

1. 特定形状構造物の外面に金属箔（ｆｏｉｌ）を付着させて、金属箔基材を用意する金属箔段階；
   前記金属箔基材を陽極酸化加工して、前記金属箔基材の外面に微細ホールを形成する陽極酸化段階；
   前記金属箔基材の外面に非ぬれ性高分子物質をコーティングして、前記非ぬれ性高分子物質を前記金属基材の微細ホールに対応する陰極複製構造物に形成する陰極複製段階；
   前記陰極複製構造物の外面を外部形成物質で囲む外部構造物形成段階；及び
   前記陰極複製構造物と前記外部形成物質から前記金属箔基材を除去する金属箔除去段階；
   を含む、金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
2. 前記金属箔はアルミニウム素材からなる薄い薄膜形態のアルミニウム箔であることを特徴とする、請求項１に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
3. 前記金属箔と前記特定形状構造物の表面に前記金属箔を付着する過程において、面と面の間の空間へ空気が流入しないように前記金属箔を順次に圧着させることを特徴とする、請求項１に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
4. 前記特定形状構造物を電解質溶液内で電解研磨（ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行って前記特定形状構造物の表面を平坦化させることを特徴とする、請求項１に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
5. 前記陽極酸化段階は、電解質溶液が満たされた陽極酸化装置に前記金属基材を浸漬した後、前記金属基材に電極を印加させることによって前記微細ホールを有する陽極酸化層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
6. 前記陰極複製段階は、前記非ぬれ性高分子物質が前記金属基材の微細ホールに注入されて、前記陰極複製構造物が前記微細ホールに対応する複数個の柱を備えることを特徴とする、請求項１に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
7. 前記非ぬれ性高分子溶液は、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｈｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＦＥＰ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃｏｐｏｙｍｅｒ）、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、請求項４に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。
8. 前記金属箔基材を化学的なエッチングによって除去することを特徴とする、請求項１に記載の金属箔を利用した疎水性表面を有する３次元形状構造物の製造方法。