KR100823895B1 - Superhydrophobic coating film comprising inorganic particles having different diameters, coating composition, and the forming method of coating film - Google Patents

Superhydrophobic coating film comprising inorganic particles having different diameters, coating composition, and the forming method of coating film Download PDF

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Abstract

A superhydrophobic coating film, and a method for forming the superhydrophobic coating film are provided to improve self-cleaning property and to allow a nanofiber comprising inorganic particles to be prepared relatively easily and massively. A superhydrophobic coating film comprises at least two kinds of inorganic particles having different diameter. Also the superhydrophobic coating film comprises at least two kinds of inorganic particles having different diameter which are dispersed in a polymer solution. Preferably the inorganic particles are selected from the group consisting of silica, titanium dioxide, alumina, ceria and zirconium oxide. Preferably the polymer of the polymer solution is selected from polyethylene oxide, polyacrylamide, poly(vinyl alcohol), polyethylene glycol, polyacrylonitrile, poly(vinyl pyrrolidone), polystyrene, polycaprolactone, and polyethylene terephthalate.

Description

서로 다른 크기의 무기물 입자를 포함하는 초소수성 코팅필름, 코팅조성물 및 코팅층의 형성방법{Superhydrophobic coating film comprising inorganic particles having different diameters, coating composition, and the forming method of coating film}Superhydrophobic coating film comprising inorganic particles having different diameters, coating composition, and the forming method of coating film}

도 1은 본 발명에 따라 초소수성 코팅필름을 형성하기 위해 사용될 수 있는 전기방사 장치의 모식도.1 is a schematic diagram of an electrospinning apparatus that may be used to form a superhydrophobic coating film in accordance with the present invention.

도 2는 주사기 끝에 연결되어 있는 금속 모세관에 인가되는 전압의 세기에 따른 모세관 끝에 맺힌 혼합물 방울의 모양 변화를 나타내는 사진.Figure 2 is a photograph showing the shape change of the mixture droplets formed on the capillary end with the strength of the voltage applied to the metal capillary connected to the syringe tip.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 실리카/폴리에틸렌옥사이드 혼합물로부터 얻어진 복합 나노섬유의 소결을 통한 고분자의 선택적인 제거 전과 후의 전자현미경 사진.Figure 3 is an electron micrograph before and after the selective removal of the polymer through the sintering of the composite nanofiber obtained from the silica / polyethylene oxide mixture according to Example 2 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 실리카/폴리아크릴아마이드 혼합물로부터 얻어진 복합 나노섬유의 소결을 통한 고분자의 선택적인 제거 전과 후의 전자현미경 사진.Figure 4 is an electron micrograph before and after the selective removal of the polymer by sintering the composite nanofiber obtained from the silica / polyacrylamide mixture according to Example 2 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 4인치 실리콘 웨이퍼를 기판으로 실리카/폴리아크릴아마이드 혼합물로부터 얻어진 복합 나노섬유의 소결 후, 실시예 3의 방 법으로 표면처리 된 기판의 사진.FIG. 5 is a photograph of a substrate surface-treated in the method of Example 3 after sintering a composite nanofiber obtained from a silica / polyacrylamide mixture using a 4-inch silicon wafer as a substrate according to Example 2 of the present invention. FIG.

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 얻어진 실리카/폴리아크릴아마이드 복합 나노섬유의 a) 소결 전과 b) 소결 후, 그리고 c) 실시예 3의 방법으로 표면처리 된 나노섬유의 X-선 광전자 분광 분석 스펙트럼.FIG. 6 shows X-ray photoelectron spectroscopy of nanofibers treated with a) before and b) after sintering and c) with the method of Example 3 of silica / polyacrylamide composite nanofibers obtained according to Example 2 of the present invention. Analysis spectrum.

도 7은 a) 비교를 위하여 아무런 구조도 없이 실시예 3의 방법에 따라 표면처리한 실리콘 웨이퍼에 대한 접촉각 사진, 실시예 2와 3의 방법으로 b) 폴리에틸렌옥사이드와 c) 폴리아크릴아마이드로부터 만들어진 초소수성 필름에 대한 접촉각 사진.7 is a contact angle photograph of a silicon wafer surface treated according to the method of Example 3 without any structure for comparison, a candle made from b) polyethylene oxide and c) polyacrylamide by the methods of Examples 2 and 3; Contact angle photo for hydrophobic film.

본 발명은 무기물 입자로 구성되는 초소수성 코팅층과 이의 형성방법 등에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가세척에 적합하고, 조금만 기울여도 물방울이 쉽게 굴러 떨어지는 무기물 입자로 이루어진 초소수성 코팅층과 그 형성방법 등에 관한 것이다.The present invention relates to a superhydrophobic coating layer composed of inorganic particles and a method for forming the same, and more particularly, to a superhydrophobic coating layer made of inorganic particles suitable for self-cleaning, and water droplets easily roll down even with a slight tilt. will be.

초소수성이란, 물의 접촉각이 150ㅀ이상인 표면을 말하는 것으로, 자연계에 존재하는 연꽃의 잎이나 나비의 날개 등에 존재하는 특이한 표면 성질이다. 이러한 특성은 초소수성 구조물의 표면 미세구조에서 기인하는 것으로, 이러한 현상은 연꽃 효과(Lotus effect)라고도 불린다. 만약 초소수성 표면의 거친 정도가 충분하지 못하면 물방울들이 거친 초소수성 표면을 채워서 고정이 된다. 이러한 경우, 초소수성 표면을 많이 기울여도 물방울이 초소수성 표면 위에 고정되어 초소수성 표면에서 제거되지 못한다.(Wenzel state) 그러나 초소수성 표면이 두 가지 서로 다른 크기의 울퉁불퉁한 구조를 가져서 표면의 거친 정도가 충분하면, 초소수성 표면의 울퉁불퉁한 구조에 물 대신 공기가 채워질 수 있다. 이러한 초소수성 표면 위의 물방울은 울퉁불퉁한 구조를 채우고 있는 공기 위에 얹혀져 있게 되어 조금만 기울여도 쉽게 굴러 떨어지게 된다.(Cassie-Baxter state) 조금만 기울여도 쉽게 물방울이 굴러 떨어지게 되는 초소수성 필름(Cassie-Baxter state)에서는 물방울이 굴러 떨어지면서 초소수성 필름 표면에 붙어있던 오염물질들이 물방울 표면에 붙어 같이 제거 되므로, 자가세척(self-cleaning)의 기능을 가지게 된다. Superhydrophobic refers to a surface having a contact angle of water of 150 kPa or more, and is a unique surface property present in the leaves of lotus, wings of butterflies, etc. that exist in nature. This property is due to the surface microstructure of the superhydrophobic structure, which is also called the Lotus effect. If the roughness of the superhydrophobic surface is not sufficient, water droplets will fill the rough superhydrophobic surface and fix it. In this case, even when the superhydrophobic surface is tilted a lot, the water droplets are fixed on the superhydrophobic surface and cannot be removed from the superhydrophobic surface. (Wenzel state) However, the superhydrophobic surface has two different sized rugged structures, which makes the surface rough. If is sufficient, the rugged structure of the superhydrophobic surface can be filled with air instead of water. Water droplets on these superhydrophobic surfaces lie on top of the air filling the rugged structure, causing them to roll off easily with slight tilting. (Cassie-Baxter state) ), Water droplets roll down and contaminants attached to the surface of the superhydrophobic film adhere to the surface of the water droplets and are removed together, thus having a function of self-cleaning.

이러한 자가세척 기능을 가지는 초소수성 코팅을 구현하기 위하여 다양한 방법들이 제시되었다. 특히 최근에는 원하는 구조물에 간편하게 코팅을 할 수 있는 전기방사의 장점 때문에 초소수성 코팅을 구현하기 위하여 전기방사를 이용하는 연구도 이루어지고 있다. 그러나 기존의 전기방사를 이용한 초소수성 코팅의 구현은 전기방사의 운전조건을 조정함으로써 나노섬유 중간에 불규칙한 크기의 구슬 모양의 고분자가 뭉쳐있는 영역을 만드는 데 그치고 있다. Various methods have been proposed to implement a superhydrophobic coating having such a self-cleaning function. In particular, recently, due to the advantages of the electrospinning that can be easily coated on the desired structure has been made to use the electrospinning to implement a super hydrophobic coating. However, the conventional implementation of superhydrophobic coating using electrospinning only makes areas in which bead-shaped polymers of irregular sizes are aggregated in the middle of nanofibers by adjusting the operating conditions of electrospinning.

본 발명은 상기한 바와 같이 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 자가세척에 적합하고, 조금만 기울여도 물방울이 쉽게 굴 러 떨어지는 무기물 입자로 이루어진 초소수성 코팅층을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to provide a superhydrophobic coating layer made of inorganic particles suitable for self-cleaning, water droplets easily roll down even a little tilt.

본 발명의 다른 목적은 자가세척에 적합하고, 조금만 기울여도 물방울이 쉽게 굴러 떨어지는 무기물 입자로 이루어진 초소수성 코팅층의 제조에 사용될 수 있는 코팅조성물을 제공한다.Another object of the present invention is to provide a coating composition that is suitable for self-cleaning, and can be used to prepare a superhydrophobic coating layer made of inorganic particles that easily drop water droplets even when tilted slightly.

본 발명의 또 다른 목적은 자가세척에 적합하고, 조금만 기울여도 물방울이 쉽게 굴러 떨어지는 무기물 입자로 이루어진 초소수성 코팅층의 형성방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a super hydrophobic coating layer made of inorganic particles suitable for self-cleaning, water droplets easily roll down even if tilted a little.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들로 이루어지는 나노섬유를 포함하는 초소수성 코팅필름을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a superhydrophobic coating film including nanofibers made of inorganic particles having at least two different diameters.

또, 본 발명은 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들이 고분자 용액에 분산되어 있는 초소수성 코팅조성물을 제공한다.The present invention also provides a superhydrophobic coating composition in which inorganic particles having at least two different diameters are dispersed in a polymer solution.

또, 본 발명은 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들이 고분자 용액에 분산되어 있는 초소수성 코팅 조성물을 기판의 표면에 전기방사하여 무기물 입자/고분자 복합나노섬유를 형성하는 단계; 및 상기 복합나노섬유로부터 고분자를 제거하는 단계를 포함하는 초소수성 코팅층의 형성방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of electrospinning the superhydrophobic coating composition in which inorganic particles having at least two different diameters are dispersed in the polymer solution to the surface of the substrate to form inorganic particles / polymer composite nanofibers; And it provides a method of forming a super hydrophobic coating layer comprising the step of removing the polymer from the composite nanofibers.

또, 본 발명은 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들이 고분자 용액에 분산되어 있는 초소수성 코팅 조성물을 기판의 표면에 전기방사하여 무기물 입자/고분자 복합나노섬유를 형성하는 단계; 상기 복합나노섬유로부터 고분자를 제거하는 단계; 및 고분자가 제거된 상기 나노섬유를 플루오로계 자기조립 단분자막 (self-assembled monolayer)으로 표면처리하는 단계를 포함하는 초소수성 코팅층의 형성방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of electrospinning the superhydrophobic coating composition in which inorganic particles having at least two different diameters are dispersed in the polymer solution to the surface of the substrate to form inorganic particles / polymer composite nanofibers; Removing the polymer from the composite nanofibers; And surface-treating the nanofibers from which the polymer has been removed with a fluoro-based self-assembled monolayer.

이하, 본 발명의 내용을 도면 등을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 초소수성 코팅필름을 얻기 위하여 마이크로 사이즈의 큰 무기물 입자와 수십 나노 크기의 작은 무기물 입자를 고분자 용액과 혼합한 용액을 사용하여 전기방사를 수행한다. (도 1참조)In the present invention, electrospinning is performed using a solution in which a large inorganic particle of micro size and a small inorganic particle of several tens of nano size are mixed with a polymer solution in order to obtain a superhydrophobic coating film. (See Fig. 1)

도 1을 참조하면, 무기물 입자와 고분자 용액의 혼합물은 주사기 펌프를 통해서 일정한 유속으로 주사기에 연결되어 있는 금속 모세관으로 주입이 되고, 금속 재질의 모세관에는 고전압 공급기에서 발생된 고전압이 인가된다. 초기에 금속 모세관 끝에 맺히는 무기물 입자와 고분자 용액의 혼합물은 표면 장력 때문에 방울모양으로 맺히게 된다. 인가되는 전압이 강해짐에 따라, 금속 모세관 끝에 맺힌 혼합물은 전기적 응력(Electric Maxwell stress)을 받아 늘어나게 되고, 전기장이 문턱 값(Threshold value)보다 커지면, 금속 모세관 끝에 맺힌 물방울의 모양이 원뿔 모양(Taylor cone jet mode)으로 변하게 된다. (도 2 참조) 이 때, 모세관에서 뿜어져 나온 무기물 입자와 고분자 용액의 혼합물은 기판으로 가는 동안에 전기장의 영향으로 늘어나고, 용매가 증발되면서 점차 얇아지게 된다. 그 결과, 전기방사에 의해 만들어진 고분자 나노섬유가 무기물 입자의 제한공간으로 작용하여 무기물입자/ 고분자 복합 나노섬유가 만들어진다. Referring to FIG. 1, a mixture of inorganic particles and a polymer solution is injected into a metal capillary connected to a syringe at a constant flow rate through a syringe pump, and a high voltage generated from a high voltage supply is applied to the metal capillary. Initially, a mixture of inorganic particles and a polymer solution formed at the end of a metal capillary tube is formed in a drop shape due to the surface tension. As the applied voltage becomes stronger, the mixture formed at the end of the metal capillary tube is stretched under the electric maxwell stress, and when the electric field is larger than the threshold value, the water droplet at the end of the metal capillary tube is conical. jet mode). At this time, the mixture of the inorganic particles and the polymer solution ejected from the capillary tube is increased by the influence of the electric field while going to the substrate, and gradually becomes thinner as the solvent evaporates. As a result, the polymer nanofibers made by electrospinning act as a confined space of the inorganic particles, thereby making the inorganic material / polymer composite nanofibers.

그 후, 무기물입자/고분자 복합 나노섬유 제조 시 제한공간으로 작용한 고분자를 400 ~ 600 ℃ 정도로 열처리하여 선택적으로 제거하여 준다. 이렇게 형성된 두 가지 서로 다른 크기의 울퉁불퉁한 구조를 가지는 무기물 입자로 이루어진 나노섬유를 플루오르계 자기조립 단분자막(self-assembled monolayer)으로 표면 처리하는 경우 두 가지 서로 다른 크기의 울퉁불퉁한 구조를 가지는 초소수성 필름을 형성할 수 있다.Thereafter, the inorganic particles / polymer composite nanofibers are selectively removed by heat-treating the polymer that acted as a confined space at about 400 to 600 ° C. The superhydrophobic film having two different sized uneven structures when surface-treated nanofibers composed of inorganic particles having two different sized uneven structures is treated with a fluorine-based self-assembled monolayer. Can be formed.

본 발명에서 사용되는 마이크로 크기의 입자는 수백 나노미터 ~ 수 마이크로미터의 크기로 만들어 질 수 있는 모든 종류의 무기물 입자가 사용될 수 있지만, 바람직하게는 실리카, 산화티타늄, 알루미나, 세리아 및 산화지르코늄 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 사용하는 마이크로 크기의 실리카 입자는 스토버-핑크-본 방법(Stober-Fink-Bohn method)을 이용하여 솔-젤 반응(sol-gel reaction)을 다단계를 거쳐 제조할 수 있다. 입자크기와 분산도는 주사전자현미경(scanning electron microscopy)과 광산란장치(dynamic light scattering)를 통해 각각 분석될 수 있으며 입자크기는 수백 나노미터 ~ 수 마이크로미터이고 분산도는 0.5 % 정도로 얻어질 수 있다. 상기 과정을 통해 제조될 수 있는 큰 사이즈의 무기물 입자 외에도 시판되는 것을 이용하여도 무방하다. 또 본 발명에서 사용되는 나노 크기의 입자는 수십 나노 크기로 만들어질 수 있는 모든 종류의 무기물 입자가 사용될 수 있지만, 바람직하게는 실리카, 산화티타늄, 알루미나, 세리아 및 산화지르코늄 등이 사용될 수 있다. As the micro-sized particles used in the present invention, all kinds of inorganic particles which can be made in the size of several hundred nanometers to several micrometers can be used. Preferably, silica, titanium oxide, alumina, ceria, zirconium oxide, and the like are used. Can be used. The micro-sized silica particles used in the embodiment of the present invention can be prepared through a multi-step sol-gel reaction using the Stober-Fink-Bohn method. . Particle size and dispersion can be analyzed by scanning electron microscopy and dynamic light scattering, respectively, and the particle size can be obtained from several hundred nanometers to several micrometers with a dispersion of about 0.5%. . In addition to the inorganic particles of a large size that can be produced through the above process may be used commercially available. In addition, the nano-sized particles used in the present invention can be used for all kinds of inorganic particles that can be made to several tens of nano-size, preferably silica, titanium oxide, alumina, ceria and zirconium oxide may be used.

본 발명에서 사용되는 고분자 용액으로는 전기방사가 가능한 모든 종류의 고분자 용액들이 사용될 수 있다. 바람직하게는 실리카와 산화티타늄 등의 입자를 표면개질 없이 분산시키기 쉬운 물에 잘 녹는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜 등의 고분자 용액이 사용될 수 있고, 입자를 소수성을 가지도록 표면개질 할 경우, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리스타이렌, 폴리캐프로락톤 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 고분자 용액이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.As the polymer solution used in the present invention, all kinds of polymer solutions capable of electrospinning may be used. Preferably, a polymer solution, such as polyethylene oxide, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, which is well soluble in water, which easily disperses particles such as silica and titanium oxide without surface modification, may be used, and the surface may be hydrophobic. When modified, a polymer solution such as polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polystyrene, polycaprolactone and polyethylene terephthalate may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 고분자 용액을 구성하는 용매는 증류수, 에탄올, 톨루엔, 다이메틸포름아마이드, 메탄올, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름, 이소프로필알콜, 다이클로로메탄 및 상기 용매의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다. 고분자 용액의 조성은 고분자의 분자량과 용매의 유전 상수 및 증발속도 등을 고려하여 전기방사에 적합한 점도를 가지도록 고분자의 함량이 5 ~ 30 wt%가 되도록 용액을 제조하고, 큰 실리카 입자는 전체 용액의 5 ~ 10 wt%, 작은 실리카 입자는 2 ~ 5 wt%가 되도록 제조한다. In addition, the solvent constituting the polymer solution may be selected from the group consisting of distilled water, ethanol, toluene, dimethylformamide, methanol, tetrahydrofuran, chloroform, isopropyl alcohol, dichloromethane and a mixture of the solvent. The composition of the polymer solution is prepared by considering the molecular weight of the polymer, the dielectric constant of the solvent, the evaporation rate, and the like so that the content of the polymer is 5 to 30 wt% to have a viscosity suitable for electrospinning. 5 to 10 wt% of the, small silica particles are prepared to be 2 to 5 wt%.

또한 본 발명에 사용되는 고분자 용액은 접촉각 조절제로서 알코올이 더 첨가될 수 있다. 첨가되는 알코올은 부탄올, 펜탄올, 핵산올, 햅탄올 등이 있으며, 이들은 고분자 용액의 중량에 대하여 3 ~ 7 wt% 첨가되어질 수 있다.In addition, the polymer solution used in the present invention may be further added to the alcohol as a contact angle regulator. The alcohol to be added includes butanol, pentanol, nucleic acidol, heptanol, and the like, which may be added in an amount of 3 to 7 wt% based on the weight of the polymer solution.

본 발명에 의하면 크기가 서로 다른 무기물 입자와 고분자의 조성과 나노섬유의 수집 시간을 조절하여 표면 거칠기를 조절하고, 그에 따라 접촉각을 조절하는 것이 가능하다. 예컨대, 큰 입자의 양을 늘리면 거친 정도가 커져서 더 큰 접촉각 을 얻을 수 있다. 또한, 나노섬유의 수집시간을 수십 초에서 수분 단위로 조절하여 접촉각의 조절이 가능하다. According to the present invention, it is possible to control the surface roughness by adjusting the composition of inorganic particles and polymers having different sizes and the collection time of the nanofibers, and thus the contact angle. Increasing the amount of large particles, for example, increases the coarseness, resulting in a larger contact angle. In addition, it is possible to adjust the contact angle by adjusting the collection time of the nanofibers in a few tens of seconds.

상기 과정을 통해 제조된 초소수성 코팅 형성을 위한 분산액을 전기방사를 이용하여 원하는 기판의 표면에 코팅한다. 본 발명의 코팅을 위한 기판은 전기방사에 적용 가능한 모든 종류의 기판이 사용 가능하며, 바람직하게는 구리, 알루미늄, 실리콘 웨이퍼, 텅스텐 웨이퍼, 유리 등의 기판이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The dispersion for forming the superhydrophobic coating prepared by the above process is coated on the surface of the desired substrate using electrospinning. The substrate for coating of the present invention can be used for all kinds of substrates applicable to electrospinning, and preferably, substrates such as copper, aluminum, silicon wafers, tungsten wafers, glass, etc. may be used, but are not limited thereto.

상기에서 전기방사는 5 ~ 30 kV의 전압 하에서 수행될 수 있다. 전기방사 시 분산액과 기판 사이의 거리는 5 ~ 20cm로 하는 것이 좋다.Electrospinning may be performed under a voltage of 5 ~ 30 kV. The distance between the dispersion and the substrate during electrospinning should be 5 to 20 cm.

본 발명에 의하면 고분자가 제거된 상태의 나노섬유를 표면처리하기 위해 플루오로계 자기조립 단분자막이 이용될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 플루오르계 자기조립 단분자막은 햅타데카플르오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실트리클로로실란, 헵타데카플루오로데실트리에톡시실란, 햅타데카플루오로데실트리메톡시실란, 헵타데카플루오로데실이소프로필실란, 퍼플루오로데실트리클로로실란, 퍼플루오로데실트리에톡시실란 및 퍼플루오로데실트리메톡시실란으로 이루어진 군 에서 선택된 것일 수 있다.According to the present invention, a fluoro-based self-assembled monolayer may be used to surface-treat the nanofibers in which the polymer is removed. Fluorinated self-assembled monolayers that can be used in the present invention are Hapta decafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyltrichlorosilane, heptadecafluorodecyltriethoxysilane, hapta decafluorodecyltrimethoxy Silane, heptadecafluorodecylisopropylsilane, perfluorodecyltrichlorosilane, perfluorodecyltriethoxysilane, and perfluorodecyltrimethoxysilane.

상기 과정을 통해 제조되는 초소수성 코팅은 자가세척 표면, 오염방지 코팅, 미세유체소자와 바이오센서의 코팅, 얼룩방지 섬유 등 여러 분야에서 응용될 수 있다. The superhydrophobic coating prepared through the above process may be applied in various fields such as a self-cleaning surface, an antifouling coating, a coating of a microfluidic device and a biosensor, and an antifouling fiber.

이하 실시예에서 본 발명을 상세히 설명하고자 하며 하기 실시예가 본 발명 의 권리범위를 한정하는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples, which do not limit the scope of the present invention.

<실시예 1> 무기물 입자/고분자 혼합액의 제조Example 1 Preparation of Inorganic Particles / Polymer Mixture

암모니아와 물의 존재 하에서 에탄올을 용매로 하여 실리카의 전구체인 테트라에틸오르쏘실리케이트를 가수분해와 축합하는 방식인 스토버-핑크-본 방법(Stober-Fink-Bohn method)을 이용하여 솔-젤 반응(sol-gel reaction)을 다단계로 거쳐서 실리카 입자를 제조하였다. 입자크기와 분산도는 주사전자현미경(scanning electron microscopy)과 광산란장치(dynamic light scattering)를 통해 각각 분석하였으며 입자크기는 700 nm이고 분산도는 0.5 % 이었다. 이 용액을 원심분리하여 증류수에 20 wt%로 재분산하였다.In the presence of ammonia and water, sol-gel reaction was carried out using the Stober-Fink-Bohn method, which is a method of condensing tetraethyl orthosilicate, a precursor of silica, with hydrolysis using ethanol as a solvent. Silica particles were prepared through a sol-gel reaction. Particle size and dispersion were analyzed by scanning electron microscopy and dynamic light scattering, respectively, and the particle size was 700 nm and dispersion was 0.5%. The solution was centrifuged and redispersed in 20 wt% in distilled water.

두 가지 서로 다른 크기를 가지는 울퉁불퉁한 구조를 만들기 위하여 상기 방법으로 제조한 마이크로 크기의 실리카 수용액에 50 nm 크기의 35 wt% 실리카 수용액을 25 wt%의 비율로 섞어주었다. 두 가지 서로 다른 크기의 실리카 입자가 들어있는 수용액을 전기방사로 균일한 나노섬유를 제조하기에 적합한 점도로 맞추기 위하여 10 wt%의 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리아크릴아마이드 수용액을 54 wt%의 비율로 섞어 두 가지 서로 다른 크기의 실리카 입자와 고분자 용액의 혼합액을 제조하였다.In order to make a bumpy structure having two different sizes, a 50 wt% 35 wt% silica aqueous solution was mixed at a ratio of 25 wt% to a micro sized silica aqueous solution prepared by the above method. In order to adjust the aqueous solution containing two different sizes of silica particles to a viscosity suitable for producing uniform nanofibers by electrospinning, 10 wt% aqueous polyethylene oxide or polyacrylamide solution was mixed at a ratio of 54 wt%. Mixtures of silica particles and polymer solutions of different sizes were prepared.

<실시예 2> 전기방사를 통한 무기물 나노섬유의 제조Example 2 Preparation of Inorganic Nanofibers by Electrospinning

상기의 방법으로 제조된 무기물 입자/고분자 수용액을 110㎛ 크기의 직경을 가지는 금속 모세관과 연결된 유리 주사기에 넣고, 주사기 펌프(syringe pump)를 이용하여 0.1 ml/h ~ 1.0 ml/h의 유속을 가지도록 조절하였다. 도 1에 도시된 것처럼, 금속 모세관에 고전압 공급기를 이용하여 5 ~ 30 kV의 고전압을 인가하여 주면서 금속 모세관 끝에 맺힌 무기물 입자/고분자 혼합액의 변화를 관찰하였다. (도 2참조) 당 업계에 널리 알려진 대로 금속 모세관 끝에 맺힌 물방울의 모양이 원뿔 모양(Taylor cone jet mode)으로 변하였을 때, 균일한 크기분포를 가지는 나노섬유를 만들 수 있으므로, 안정적으로 원뿔 모양이 유지되는 조건에서 전기방사를 수행하였다. 금속 모세관으로부터 10cm 떨어진 위치에 초소수성 코팅을 하고자 하는 기판을 접지시켜 두어 무기물 입자/고분자 복합 나노섬유로 이루어진 필름이 형성되게 하였다. The inorganic particles / polymer aqueous solution prepared by the above method is placed in a glass syringe connected to a metal capillary tube having a diameter of 110 μm, and has a flow rate of 0.1 ml / h to 1.0 ml / h using a syringe pump. To adjust. As shown in Figure 1, while applying a high voltage of 5 ~ 30 kV to the metal capillary using a high voltage supply to observe the change of the inorganic particles / polymer mixture formed on the end of the metal capillary. As is well known in the art, when the shape of the water droplets formed at the end of the metal capillary is changed into the cone cone jet mode, nanofibers having a uniform size distribution can be produced, so that the cone shape can be stably Electrospinning was performed under the conditions maintained. The substrate to be subjected to the superhydrophobic coating was grounded at a distance of 10 cm from the metal capillary tube to form a film made of inorganic particles / polymer composite nanofibers.

상기의 방법으로 제조된 무기물 입자/고분자 복합 나노섬유 필름에서 무기물 입자의 자기조립을 위한 제한 공간으로 사용되었던 고분자를 선택적으로 제거하기 위해서 500 ℃에서 3시간 동안 소결시켜 서로 다른 크기를 가지는 무기물 입자만으로 구성된 나노섬유 필름을 제조하였다. In order to selectively remove the polymer used as a limited space for self-assembly of the inorganic particles in the inorganic particle / polymer composite nanofiber film prepared by the above method, only inorganic particles having different sizes were sintered at 500 ° C. for 3 hours. The constructed nanofiber film was prepared.

도 3은 상기의 제 운전조건 중 유속 0.5 ml/h, 전기장의 세기 0.9 kV/cm의 조건 하에서 얻어진 실리카/폴리에틸렌옥사이드 복합 나노섬유의 소결을 통한 폴리에틸렌옥사이드의 선택적인 제거 전과 후의 전자현미경 사진이다. 폴리에틸렌옥사이드의 경우, 실리카 입자와 고분자 간의 젖음도를 좋게 하여 안정적인 무기물 입자 나노섬유를 제조하기 위하여 실리카/폴리에틸렌옥사이드 수용액의 질량의 5 wt%에 해당하는 핵산올을 첨가해주었다. 3 is an electron micrograph before and after the selective removal of polyethylene oxide through the sintering of silica / polyethylene oxide composite nanofibers obtained under the conditions of the flow rate of 0.5 ml / h, the electric field strength of 0.9 kV / cm in the above operating conditions. In the case of polyethylene oxide, 5 wt% of the mass of the silica / polyethylene oxide aqueous solution was added to prepare a stable inorganic particle nanofiber by improving the wettability between the silica particles and the polymer.

도 4는 상기의 제 운전조건 중에서 유속 0.5 ml/h, 전기장의 세기 0.9 kV/cm의 조건 하에서 얻어진 실리카/폴리아크릴아마이드 복합 나노섬유의 소결을 통한 폴리아크릴아마이드의 선택적인 제거 전과 후의 전자현미경 사진이다. 도 3과 4에서 볼 수 있듯이, 실시예 2의 방법을 이용하면 초소수성 필름을 구현하기 위해 필수적인 요소인 두 가지 서로 다른 크기의 울퉁불퉁한 구조를 빠르고 간편하게 만들 수 있다.Figure 4 is an electron micrograph before and after the selective removal of polyacrylamide through the sintering of silica / polyacrylamide composite nanofibers obtained under the conditions of the flow rate 0.5 ml / h, the electric field strength 0.9 kV / cm in the above operating conditions to be. As can be seen in Figures 3 and 4, using the method of Example 2 it is possible to quickly and easily create a bumpy structure of two different sizes, which is an essential element for implementing a superhydrophobic film.

<실시예 3> 무기물 나노섬유의 표면처리Example 3 Surface Treatment of Inorganic Nanofibers

상기의 방법으로 얻어진 두 가지 서로 다른 크기를 가지는 무기물 입자로 이루어진 나노섬유를 플르오르계 자기조립 단분자막으로 처리하기 전에 무기물 표면에 플르오르계 자기조립 단분자막과 화학적으로 결합하기 쉬운 하이드록시기(-OH)를 생성시키기 위하여 산소 플라즈마에 3분 동안 노출시켜주었다. 하드록시기가 생성된 무기물 입자로 이루어진 나노섬유를 햅타데카플르오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실트리클로로실란이 들어있는 용기에 넣어 2시간 정도 반응시켰다.Hydroxyl group (-OH) that is easy to chemically bond with the pluor-based self-assembled monolayer on the surface of the inorganic material before the nanofibers composed of the inorganic particles having two different sizes obtained by the above method is treated with the plur-based self-assembled monolayer Exposure to oxygen plasma for 3 minutes. The nanofibers made of the inorganic particles in which the hydroxy group was produced were placed in a container containing Hapta decaflouro-1, 1, 2, and 2-tetrahydrodecyltrichlorosilane and reacted for about 2 hours.

도 5는 4인치 실리콘 웨이퍼를 기판으로 하여 실시예 2의 운전조건 중 유속 0.5 ml/h, 전기장의 세기 0.9 kV/cm의 조건 하에서 얻어진 실리카/폴리아크릴아마이드 복합 나노섬유의 소결을 통한 고분자의 선택적인 제거 후, 실시예 3의 방법으로 표면처리 된 기판의 모습을 보여준다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 전기방사를 이용하여 대면적의 기판 위에 초소수성 코팅을 비교적 쉽게 할 수 있었다.5 is a polymer selection by sintering the silica / polyacrylamide composite nanofibers obtained under the conditions of the flow rate of 0.5 ml / h, the electric field strength of 0.9 kV / cm in the operating conditions of Example 2 using a 4-inch silicon wafer as a substrate After the removal, the surface of the substrate treated by the method of Example 3 is shown. As can be seen in Figure 5, it was relatively easy to superhydrophobic coating on a large area substrate using electrospinning.

도 6은 실시예 2의 방법으로 만들어진 실리카/폴리아크릴아마이드 복합 나노 섬유의 소결을 통한 폴리아크릴아마이드의 선택적인 제거 전과 후, 그리고 실시예 3의 방법으로 플르오르계 자기조립 단분자막으로 표면처리 된 실리카 입자로 이루어진 나노섬유의 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectrometer)를 이용한 표면 물성을 측정한 결과이다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 실리카/폴리아크릴아마이드 복합 나노섬유의 소결 후, 소결 전에 존재하던 N 1S에 해당하는 봉우리 값(peak)이 없어진 것으로부터 폴리아크릴아마이드가 선택적으로 완전히 제거되었다는 사실을 알 수 있다. 또한, 표면처리 된 실리카 입자로 이루어진 나노섬유의 경우, F 1S와 F auger에 해당하는 봉우리 값(peak)으로부터 실리카 나노섬유가 플르오르계 자기조립 단분자막으로 잘 처리되었음을 알 수 있다. 뿐만 아니라, Cl 1S에 해당하는 봉우리 값(peak)이 존재하지 않는 사실로부터 미반응 플르오로계 자기조립 단분자가 잘 제거되었음을 확인할 수 있다.FIG. 6 shows silica before and after selective removal of polyacrylamide through sintering of silica / polyacrylamide composite nanofiber made by the method of Example 2, and by surface treatment with a pluoride self-assembled monolayer by the method of Example 3. This is a result of measuring the surface properties of an X-ray photoelectron spectrometer of nanofibers made of particles. As can be seen in Figure 6, after the sintering of the silica / polyacrylamide composite nanofibers, it can be seen that the polyacrylamide was selectively completely removed from the peak value corresponding to N 1S that existed before the sintering disappeared. have. In addition, in the case of nanofibers composed of surface-treated silica particles, it can be seen that the silica nanofibers were well treated with fluoride self-assembled monolayers from peak values corresponding to F 1S and F auger. In addition, it can be confirmed that the unreacted fluoro-based self-assembled monomolecule was well removed from the fact that peak value corresponding to Cl 1S does not exist.

<실시예 4> 접촉각 측정실험Example 4 Contact Angle Measurement Experiment

접촉각을 측정하기 위해서 10 ㎕ 의 순수한 증류수 물방울을 상기의 방법으로 제조된 초소수성 필름 위에 떨어뜨려 측정하였다. 도 7은 비교를 위하여 아무런 구조도 없는 실리콘 웨이퍼 위에 실시예 3의 방법을 따라 플르오르계 자기조립 단분자막으로 표면처리한 접촉각 측정 결과와 실시예 2와 3의 방법으로 폴리에틸렌옥사이드와 폴리아크릴아마이드로부터 만들어진 두 가지 서로 다른 크기의 울퉁불퉁한 구조를 가지는 초소수성 필름에 대한 접촉각 측정 결과이다. 비교실험의 경우 물의 접촉각이 117.0°로 초소수성의 특성을 나타내지 않았지만, 실시예 2와 3을 따라 만든 두 가지 서로 다른 크기의 울퉁불퉁한 구조를 가지는 필름의 경우, 접촉각이 150°이상으로 초소수성을 가지는 것을 알 수 있다. 또, 실시예 2와 3의 방법을 따라 만든 초소수성 필름의 경우, 물방울이 굴러 떨어지는 각도가 2° 미만으로 매우 작아서 본 발명을 통하여 자가세척에 적합한 필름(Cassie-Baxter state)을 효과적으로 제조 할 수 있음을 알 수 있다.In order to measure the contact angle, 10 μl of pure distilled water droplets were dropped on the superhydrophobic film prepared by the above method. FIG. 7 shows contact angle measurement results of surface treatment with a pluoride self-assembled monomolecular film according to the method of Example 3 on a silicon wafer having no structure for comparison and made from polyethylene oxide and polyacrylamide by the method of Examples 2 and 3. FIG. Results of contact angle measurements for superhydrophobic films with two different sized rugged structures. In the comparative experiments, the contact angle of water was 117.0 °, which did not show the superhydrophobic property. However, in the case of the film having the rugged structure having two different sizes according to Examples 2 and 3, the contact angle was 150 ° or more. It can be seen that it has. In addition, in the case of the superhydrophobic film made according to the method of Examples 2 and 3, the angle of falling of the water droplets is very small, less than 2 °, through the present invention can effectively produce a film (Cassie-Baxter state) suitable for self-cleaning It can be seen that.

본 발명에 의하면 전기방사에 의해 만들어지는 고분자 나노섬유를 제한공간으로 사용하여 두 가지 서로 다른 크기를 가지는 무기물 입자의 자기조립을 유도하여 자가세척에 적합하고, 조금만 기울여도 물방울이 쉽게 굴러 떨어지는 무기물 입자로 이루어진 초소수성 필름을 효과적으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 전기방사를 이용함으로써 두 가지 서로 다른 크기를 가지는 무기물 입자로 이루어진 나노섬유를 비교적 쉽게 대량으로 제조할 수 있다. According to the present invention, by using the polymer nanofibers made by electrospinning as a confined space, the self-assembly of the inorganic particles having two different sizes is suitable for self-cleaning, and the inorganic particles falling easily drop even with a slight tilt The superhydrophobic film consisting of can be effectively produced. In addition, the present invention can be produced in a relatively large amount of nanofibers made of inorganic particles having two different sizes by using electrospinning.

본 발명에 의해 구현 가능한 초소수성 코팅층은 자가세척 표면, 오염방지 코팅, 미세유체소자와 바이오 센서의 코팅, 얼룩방지 섬유 등 여러 분야에서 효율적으로 적용될 수 있다.The superhydrophobic coating layer implemented by the present invention can be efficiently applied in various fields such as self-cleaning surface, antifouling coating, coating of microfluidic device and biosensor, antifouling fiber, and the like.

Claims (17)

적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들로 이루어지는 나노섬유를 포함하는 초소수성 코팅필름.A superhydrophobic coating film comprising nanofibers made of inorganic particles having at least two different diameters. 제 1항에 있어서, 무기물 입자가 실리카, 산화티타늄, 알루미나, 세리아 및 산화지르코늄으로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅필름.The superhydrophobic coating film of claim 1, wherein the inorganic particles are selected from the group consisting of silica, titanium oxide, alumina, ceria, and zirconium oxide. 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들이 고분자 용액에 분산되어 있는 초소수성 코팅조성물.A superhydrophobic coating composition in which inorganic particles having at least two different diameters are dispersed in a polymer solution. 제 3항에 있어서, 무기물 입자가 실리카, 산화티타늄, 알루미나, 세리아 및 산화지르코늄으로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅조성물.The superhydrophobic coating composition according to claim 3, wherein the inorganic particles are selected from the group consisting of silica, titanium oxide, alumina, ceria and zirconium oxide. 제 3항에 있어서, 고분자 용액을 구성하는 고분자가 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리스타이렌, 폴리캐프로락톤 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅조성물.The method of claim 3, wherein the polymer constituting the polymer solution is composed of polyethylene oxide, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polystyrene, polycaprolactone and polyethylene terephthalate. Superhydrophobic coating composition selected from the group. 제 3항에 있어서, 고분자 용액을 구성하는 용매가 증류수, 에탄올, 톨루엔, 다이메틸포름아마이드, 메탄올, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름, 이소프로필알콜, 다이클로로메탄 및 상기 용매의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅조성물.4. The solvent according to claim 3, wherein the solvent constituting the polymer solution is selected from the group consisting of distilled water, ethanol, toluene, dimethylformamide, methanol, tetrahydrofuran, chloroform, isopropyl alcohol, dichloromethane and mixtures of the above solvents. Superhydrophobic coating composition. 제 3항에 있어서, 고분자 용액에 접촉각 조절제로서 알코올이 더 첨가된 것을 특징으로 하는 초소수성 코팅조성물.The superhydrophobic coating composition according to claim 3, wherein an alcohol is further added to the polymer solution as a contact angle regulator. 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들이 고분자 용액에 분산되어 있는 초소수성 코팅 조성물을 기판의 표면에 전기방사하여 무기물 입자/고분자 복합나노섬유를 형성하는 단계; 상기 복합나노섬유로부터 고분자를 제거하는 단계를 포함하는 초소수성 코팅층의 형성방법.Electrospinning the superhydrophobic coating composition in which inorganic particles having at least two different diameters are dispersed in the polymer solution to the surface of the substrate to form inorganic particles / polymer composite nanofibers; Forming a super hydrophobic coating layer comprising the step of removing the polymer from the composite nanofibers. 적어도 2가지의 다른 직경을 가지는 무기물 입자들이 고분자 용액에 분산되어 있는 초소수성 코팅 조성물을 기판의 표면에 전기방사하여 무기물 입자/고분자 복합나노섬유를 형성하는 단계; 상기 복합나노섬유로부터 고분자를 제거하는 단계; 및 고분자가 제거된 상기 나노섬유를 플루오로계 자기조립 단분자막으로 표면처리하는 단계를 포함하는 초소수성 코팅층의 형성방법.Electrospinning the superhydrophobic coating composition in which inorganic particles having at least two different diameters are dispersed in the polymer solution to the surface of the substrate to form inorganic particles / polymer composite nanofibers; Removing the polymer from the composite nanofibers; And surface-treating the nanofibers from which the polymer has been removed with a fluoro-based self-assembled monolayer. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 무기물 입자가 실리카, 산화티타늄, 알루미나, 세리아 및 산화지르코늄으로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅층의 형성방법.The method according to claim 8 or 9, wherein the inorganic particles are selected from the group consisting of silica, titanium oxide, alumina, ceria and zirconium oxide. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 고분자 용액을 구성하는 고분자가 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리스타이렌, 폴리캐프로락톤 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅층의 형성방법.The method of claim 8 or 9, wherein the polymer constituting the polymer solution is polyethylene oxide, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polystyrene, polycaprolactone and polyethylene Method for forming a super hydrophobic coating layer selected from the group consisting of terephthalate. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 고분자 용액을 구성하는 용매가 증류수, 에탄올, 톨루엔, 다이메틸포름아마이드, 메탄올, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름, 이소프로필알콜, 다이클로로메탄 및 상기 용매의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅층의 형성방법.The method of claim 8 or 9, wherein the solvent constituting the polymer solution is composed of distilled water, ethanol, toluene, dimethylformamide, methanol, tetrahydrofuran, chloroform, isopropyl alcohol, dichloromethane and a mixture of the solvents. Method for forming a super hydrophobic coating layer selected from the group. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 고분자 용액에 접촉각 조절제로서 알코올을 첨가하는 것을 특징으로 하는 초소수성 코팅층의 형성방법.10. The method of forming a superhydrophobic coating layer according to claim 8 or 9, wherein alcohol is added to the polymer solution as a contact angle regulator. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 크기가 서로 다른 무기물 입자와 고분자의 조성과 나노섬유의 수집 시간을 조절하여 접촉각을 조절하는 것을 특징으로 하는 초소수성 코팅층의 형성방법. 10. The method according to claim 8 or 9, wherein the contact angle is controlled by adjusting the composition of inorganic particles and polymers having different sizes and the collection time of the nanofibers. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 전기방사는 5 ~ 30kV의 전압 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초소수성 코팅층의 형성방법.10. The method of claim 8 or 9, wherein the electrospinning is carried out under a voltage of 5 ~ 30kV. 제 8항 또는 제 9항에 있어서 전기방사 시, 분산액과 기판 사이의 거리를 5 ~ 20cm로 함을 특징으로 하는 초소수성 코팅층의 형성방법.The method of forming a superhydrophobic coating layer according to claim 8 or 9, wherein the distance between the dispersion and the substrate is 5 to 20 cm during electrospinning. 제 9항에 있어서, 플루오르계 자기조립 단분자막이 햅타데카플르오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실트리클로로실란, 헵타데카플루오로데실트리에톡시실란, 햅타데카플루오로데실트리메톡시실란, 헵타데카플루오로데실이소프로필실란, 퍼플루오로데실트리클로로실란, 퍼플루오로데실트리에톡시실란 및 퍼플루오로데실트리메톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 것인 초소수성 코팅층의 형성방법.10. The method of claim 9, wherein the fluorine-based self-assembled monolayer is Hapta decafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyltrichlorosilane, heptadecafluorodecyltriethoxysilane, hapta decafluorodecyltrimethoxy Method for forming a super hydrophobic coating layer selected from the group consisting of silane, heptadecafluorodecylisopropylsilane, perfluorodecyltrichlorosilane, perfluorodecyltriethoxysilane and perfluorodecyltrimethoxysilane.
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