KR101078071B1 - Superhydrophobic surface and method for producting the superhydrophobic surface - Google Patents

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Abstract

극 소수성 표면 및 극 소수성 표면 제작 방법이 개시된다.Polar hydrophobic surfaces and methods for making polar hydrophobic surfaces are disclosed.

본 발명은 양극산화 가공을 통하여 금속기재의 표면에 복수개의 포어(pore)를 형성하고, 습식식각으로 상기 포어의 직경을 확대하고, 상기 금속기재를 비젖음성 고분자 용액에 담가 음극 복제하여 상기 포어에 대응되는 형상의 돌기부를 포함하는 나노 구조물을 형성하고, 상기 나노 구조물로부터 상기 금속기재를 제거함으로써, 유압에 영향을 받지 않는 견고한 극 소수성 표면을 대면적으로 제작할 수 있음에 따라 유체 속에서의 이동 효율 및 에너지 효율이 증가는 효과가 있다.The present invention forms a plurality of pores (pore) on the surface of the metal substrate through anodization, the diameter of the pores by wet etching, the metal substrate is immersed in a non-wetting polymer solution to negative electrode replication to the pore By forming a nanostructure including protrusions of a corresponding shape and removing the metal substrate from the nanostructure, a large, highly rigid hydrophobic surface, which is not affected by hydraulic pressure, can be manufactured in large area, thereby moving efficiency in a fluid. And the increase in energy efficiency is effective.

극 소수성, 경화 공정, 대면적, 나노, 습식식각 Extremely hydrophobic, hardening process, large area, nano, wet etching

Description

극 소수성 표면 및 극 소수성 표면 제작 방법{Superhydrophobic surface and method for producting the superhydrophobic surface}Superhydrophobic surface and method for producting the superhydrophobic surface}

본 발명은 극 소수성 표면 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유동에서도 물이 침투하지 않는 대면적의 극 소수성 표면을 제작하는 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for fabricating an extremely hydrophobic surface, and more particularly, to a method for fabricating a large hydrophobic surface in which water does not penetrate even in a fluid flow.

일반적으로 금속이나 폴리머 등과 같은 고체 기재의 표면은 각각 고유의 표면 에너지를 가지고 있다. 이는 임의의 액체가 고체 기재에 접촉할 때 액체와 고체 간의 접촉각으로 나타나게 된다.In general, the surfaces of solid substrates such as metals and polymers each have their own surface energy. This results in a contact angle between the liquid and the solid when any liquid contacts the solid substrate.

여기서, 액체(liquid)란 물 또는 기름과 같이 자유롭게 유동하고 일정한 형태를 가지지 않는 물질을 의미하는데, 이하에서는 상기 액체 중에서도 가장 대표적인 물을 기준으로 설명한다.Herein, the liquid refers to a material which freely flows and does not have a certain form, such as water or oil. Hereinafter, the most representative of the liquids will be described based on water.

고체 표면은 접촉각의 크기가 90도 보다 작으면, 구 형상의 물방울이 그 형태를 잃고 표면을 적시는 친수성(hydrophilicity)을 가진다. 반면, 접촉각의 크기가 90°보다 크면 구형상의 물방울이 구의 형상을 유지하면서 표면을 적시지 않고 외부 힘에 의해 쉽게 흐르는 소수성(hydrophobicity)을 가진다. 일 예로서 연꽃 잎 위에 물방울이 떨어졌을 경우, 물방울이 연꽃 잎을 적시지 않고 표면을 따라 흐르는 현상이 바로 연꽃 잎의 접촉각이 90도 보다 큼으로써 발생하는 소수성에 해당한다.The solid surface has hydrophilicity when the contact angle is smaller than 90 degrees, so that spherical water droplets lose their shape and wet the surface. On the other hand, when the contact angle is larger than 90 °, the spherical water droplets have hydrophobicity easily flowing by external force without wetting the surface while maintaining the shape of the sphere. As an example, when water droplets fall on the lotus leaf, the phenomenon of water droplets flowing along the surface without wetting the lotus leaf corresponds to hydrophobicity caused by the contact angle of the lotus leaf is greater than 90 degrees.

한편 고체 표면이 갖는 고유의 접촉각은 그 표면을 미세한 요철형상을 갖도록 가공할 경우 변화될 수 있다. 즉, 접촉각이 90도 보다 작은 친수성 표면은 표면 가공을 통해 친수성이 더욱 커질 수 있고, 접촉각이 90도 보다 큰 소수성 표면 또한 표면 가공을 통해 소수성이 더욱 커질 수 있다.On the other hand, the inherent contact angle of the solid surface can be changed when the surface is processed to have a fine concavo-convex shape. That is, a hydrophilic surface having a contact angle smaller than 90 degrees may be more hydrophilic through surface treatment, and a hydrophobic surface having a contact angle greater than 90 degrees may also be more hydrophobic through surface treatment.

이와 같은 소수성 표면에 관한 연구로 미국 UCLA의 C. J. Kim 연구팀의 극소수성 나노기둥을 이용한 유체마찰을 줄인 잠수함 표면개발에 관한 연구, 미국 NCSU의 재료화학공학과의 연꽃 잎을 모사한 극소수성 마이크로/나노 돌기 표면에 관한 연구, 미국 MIT 맥킨리 교수팀의 테플론에 있는 불소와 미세구조를 이용하여 물은 배척하고 오일은 통과시키는 극 소요성 물질에 관한 연구, 중국의 유기 고체연구원 중점실험실의 초 소수성 및 초 친수성을 가역적으로 전환하는 적응성 제어 재료에 관한 연구, 텍사스 A&M 대학의 마이크로 사이즈의 기공에서 증발 모델에 대한 기초 연구 및 산타 바바라의 N. Israelachvili 연구팀의 나노 스케일 구조에서의 증발 및 응축에 대해 이론 등이 있다.This research on hydrophobic surfaces led to the development of submerged subsurface surface using hydrophobic nanopillar by CJ Kim of UCLA, U.S.A., and micro hydrophobic projections that simulated the lotus leaf of the Department of Materials and Chemical Engineering of NCSU. A study on the surface, a study of extremely volatile materials that reject water and allow oil to pass using fluorine and microstructures in the Teflon of MIT McKinley's team in the US, superhydrophobicity and superhydrophilicity of the key laboratory of organic solids research in China Studies on adaptive control materials for reversible conversion, basic research on evaporation models in microsized pores at the University of Texas A & M, and theory on evaporation and condensation in nanoscale structures of the N. Israelachvili team in Santa Barbara. .

국내에서는 LG전자, 삼성전자 등이 반도체 디바이스의 제작공정에서 박막을 형성하는 공정 중 세정력 및 증착력을 향상시키기 위한 소수성 표면을 제작하는 방법을 연구 중이고, 한국기계연구원 임현의 박사는 Porous silica 구조에 Perfluorinated polymer monolayer를 중합반응에 의해 극소수성/극소유성 표면을 제작하였다. 포항공과대학교 조길원 교수팀은 자외선에 의해 분자구조가 변하는 아조벤젠(Azobenzene) 분자의 특성을 착안하여 나노 수준의 표면 미세구조에 불소화된 아조벤젠 분자를 결합시켜 소재 표면의 물 흡수상태를 임의로 조절하는 기술을 개발하는 등 나노 기술을 이용하여 극 소수성 효과를 가능하도록 하는 제품들이 여러 곳에서 개발되고 있는 추세이다.In Korea, LG Electronics, Samsung Electronics, etc. are studying a method of manufacturing hydrophobic surfaces to improve cleaning and deposition power during the process of forming thin films in semiconductor device manufacturing process. Perfluorinated polymer monolayers were prepared by polymerisation to produce very hydrophobic and microporous surfaces. Professor Gil-Won Cho of Pohang University of Science and Technology focuses on the characteristics of azobenzene molecules whose molecular structure is changed by UV light, and combines fluorinated azobenzene molecules with nanoscale surface microstructures to arbitrarily control the water absorption of the surface of the material. In recent years, products that enable the use of nano-hydrophobic effects are being developed in many places.

이와 같은 극 소수성 표면 제작 방법은 복제한 나노 구조물의 돌기부 간에 들러붙음 현상을 이용하여 엉킨 돌기부 사이에 공기 층을 형성시킨다. 그리고 상기 공기 층을 이용하여 물방울과의 접촉 면적을 감소시킴으로써 극 소수성 표면을 갖게 한다.Such a method for producing a hydrophobic surface forms an air layer between tangled protrusions by using a sticking phenomenon between protrusions of a replicated nanostructure. The air layer is then used to reduce the contact area with water droplets, resulting in an extremely hydrophobic surface.

그러나 종래의 방법으로 제작한 나노 구조물은 물방울과 같이 유동하지 않는 액체를 침투시키지는 않지만, 물속과 같이 유동하는 액체 속에서는 상기 액체가 흐르면서 전해지는 압력으로 인해 상기 나노 구조물의 돌기부가 영향을 받아 상기 액체가 상기 나노 구조물의 공기 층에 침투하게 되기 때문에 극 소수성이 감소하는 문제점이 있었다.However, the nanostructure manufactured by the conventional method does not penetrate the liquid that does not flow like water droplets, but in the liquid flowing like water, the protrusions of the nanostructure are affected by the pressure transmitted as the liquid flows. Since it penetrates into the air layer of the nanostructures, there is a problem that the polar hydrophobicity is reduced.

또한 종래의 극 소수성 표면 제작 방법은 금속기재와 비 젖음성 고분자 용액을 이용하여 나노 돌기부를 포함하는 고분자 물질을 형성하고, 상기 고분자 물질에 지지체를 부착한 후 상기 금속기재를 식각한다.In addition, the conventional method for producing a hydrophobic surface forms a polymer material including a nano protrusion using a metal substrate and a non-wetting polymer solution, attaches a support to the polymer material, and then etches the metal substrate.

그러나 상기 금속기재를 식각 시, 반응열 및 반응 공정 등으로 인해 지지체와 고분자 물질 간의 접착력이 약해져서 나노 구조물이 지지체 표면에서 떨어짐으로써 지지체 표면의 극히 일부분만 나노 구조물을 갖게 된다. 따라서 극 소수성 표면을 넓은 면적으로 제작하기 어렵다는 문제점이 있었다.However, when the metal substrate is etched, the adhesive force between the support and the polymer material is weakened due to the reaction heat and the reaction process, so that the nanostructure is separated from the surface of the support so that only a part of the surface of the support has the nanostructure. Therefore, there is a problem that it is difficult to produce a very hydrophobic surface in a large area.

본 발명의 목적은 극 소수성 표면에 형성되는 돌기부의 직경을 넓힘으로써 액체의 유동 시 가해지는 압력에도 영향을 받지 않는 견고한 극 소수성 표면 및 극 소수성 표면 제작 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a robust hydrophobic surface and a hydrophobic surface that is not affected by the pressure applied during the flow of a liquid by increasing the diameter of the protrusions formed on the polar hydrophobic surface.

본 발명의 다른 목적은 금속기재의 식각 시 발생하는 반응 열과 반응 공정에서도 나노 구조물이 지지체로부터 떨어지지 않도록 함으로써 대면적의 극 소수성 표면 및 이를 제작 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a large hydrophobic surface and a method of manufacturing the same by preventing the nanostructures from falling off from the support even in the reaction heat and reaction processes generated during the etching of a metal substrate.

극 소수성 표면 제작 방법은 양극산화 가공을 통하여 금속기재의 표면에 복수개의 포어(pore)를 형성하는 단계; 습식식각으로 상기 포어의 직경을 확대하는 단계; 상기 금속기재를 비젖음성 고분자 용액에 담가 음극 복제하여 상기 포어에 대응되는 형상의 돌기부를 포함하는 나노 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조물로부터 상기 금속기재를 제거하는 단계를 포함한다.Polar hydrophobic surface manufacturing method comprises the steps of forming a plurality of pores (pore) on the surface of the metal substrate through anodizing; Enlarging the diameter of the pore by wet etching; Dipping the metal substrate in a non-wetting polymer solution to form a nanostructure including a protrusion having a shape corresponding to the pore by negative electrode replication; And removing the metal substrate from the nanostructure.

상기 확대하는 단계는 상기 포어가 50 내지 60 나노 미터의 직경을 가지도록 확대하는 단계일 수 있다. The enlarging may be enlarging the pore to have a diameter of 50 to 60 nanometers.

그리고 상기 확대하는 단계는 20℃ 내지 30℃의 인산 용액(H3PO4)에 40분 내지 50분 동안 상기 금속기재를 담금으로써 상기 포어의 직경을 확대하는 단계일 수 있다.The expanding may be a step of expanding the diameter of the pore by immersing the metal substrate in a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ) at 20 ° C. to 30 ° C. for 40 to 50 minutes.

상기 나노 구조물을 형성하는 단계 이후에 상기 나노 구조물에 지지체를 부착하고 소정 온도에서 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.After forming the nanostructures may further comprise attaching a support to the nanostructures and curing at a predetermined temperature.

상기 소정 온도는 115℃ 내지 125℃일 수 있다.The predetermined temperature may be 115 ℃ to 125 ℃.

상기 극 소수성 표면은 인접한 복수의 상기 돌기부 간의 엉킴 현상으로 인하여 공기층을 포함할 수 있다.The polar hydrophobic surface may include an air layer due to entanglement between a plurality of adjacent protrusions.

한편 본 발명에 따른 극 소수성 표면은 양극 산화 가공을 통하여 표면에 복수개의 포어(pore)가 형성된 금속기재를 습식식각한 후 비젖음성 고분자 용액에 담가 음극 복제함으로써, 상기 포어의 직경에 대응하는 복수개의 확대된 돌기부가 형성된 나노 구조물을 포함한다.On the other hand, the polar hydrophobic surface according to the present invention is a plurality of pores corresponding to the diameter of the pore by wet-etching a metal substrate having a plurality of pores (pore) formed on the surface through anodizing, soaked in a non-wetting polymer solution It includes a nanostructure formed with an enlarged protrusion.

상기 돌기부는 각각 50 내지 60 나노 미터의 직경을 가질 수 있다.Each of the protrusions may have a diameter of 50 to 60 nanometers.

그리고 상기 돌기부는 상기 금속기재를 20℃ 내지 30℃의 인산 용액(H3PO4)에 40분 내지 50분 동안 담금으로써 형성할 수 있다.The protrusion may be formed by immersing the metal substrate in a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ) at 20 ° C. to 30 ° C. for 40 minutes to 50 minutes.

그리고 상기 돌기부는 인접한 복수의 상기 돌기부 간의 엉킴 현상으로 인하여 공기층을 형성할 수 있다.The protrusion may form an air layer due to entanglement between a plurality of adjacent protrusions.

상기 극 소수성 표면은 상기 나노 구조물에 지지체를 부착한 후 소정 온도에서 경화시킴으로써 생성될 수 있다.The extremely hydrophobic surface may be produced by attaching a support to the nanostructure and then curing at a predetermined temperature.

상기 소정 온도는 115℃ 내지 125℃일 수 있다.The predetermined temperature may be 115 ℃ to 125 ℃.

상기 금속기재는 알루미늄(Al) 재질일 수 있다.The metal substrate may be made of aluminum (Al).

본 실시예에 따른 극 소수성 표면은 극 소수성 표면에 형성된 돌기부가 확대 공정을 통하여 견고해짐에 따라 액체가 흐르면서 가해지는 압력에도 영향을 받지 않는 극 소수성 표면을 제공할 수 있는 효과를 가진다.The polar hydrophobic surface according to the present exemplary embodiment has an effect of providing an extremely hydrophobic surface which is not affected by the pressure applied as the liquid flows as the protrusion formed on the polar hydrophobic surface is strengthened through an enlargement process.

또한, 본 실시예에 따르면 극 소수성 표면은 경화 공정을 통하여 지지체와 나노 구조물간의 금속기재를 식각할 때 발생하는 반응 열과 반응 공정에서도 상기 나노 구조물이 떨어지지 않음으로써, 극 소수성 표면을 대면적으로 제작할 수 있음에 따라 유체와의 마찰이 최소화되어 유체 속에서의 이동 효율 및 에너지 효율이 증가는 효과가 있다.In addition, according to the present embodiment, since the nanostructures do not fall in the reaction heat and reaction processes generated when the metal substrate between the support and the nanostructures is etched through a curing process, the extremely hydrophobic surface may be manufactured in a large area. As a result, friction with the fluid is minimized, thereby increasing the moving efficiency and the energy efficiency in the fluid.

도 1은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법의 양극 산화 장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 실시예에 따른 양극 산화 시 금속기재에 나노 포어가 생성되는 과정을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 실시예에 따라 나노 포어가 생성된 금속기재의 전자 현미경 사진이다.1 is a perspective view illustrating an anodizing apparatus of a method of manufacturing a hydrophobic surface according to the present embodiment, FIG. 2 is a view illustrating a process of generating nanopores in a metal substrate during anodizing according to the present embodiment, and FIG. An electron micrograph of a metal substrate on which nanopores are produced according to the present embodiment.

이하 도 1내지 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 양극 산화 공정을 설명한다. 양극 산화 장치는 본체(100), 양극판(110), 음극판(120), 전해액(130), 교반기(140), 냉각수 투입구(150), 냉각수 토출구(150') 및 금속기재(200)를 포함한다.Hereinafter, the anodic oxidation process according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. The anodic oxidation device includes a main body 100, a positive electrode plate 110, a negative electrode plate 120, an electrolyte solution 130, a stirrer 140, a coolant inlet 150, a coolant outlet 150 ′, and a metal substrate 200. .

본체(100) 내부에는 각각 전원이 인가되어 양극 및 음극을 나타내는 양극판(110) 및 음극판(120)이 전해액(130)과 함께 수용된다. 상기 전해액(130)으로는 인산(H3PO4), 옥살산(C2H2O4) 등이 사용될 수 있다.Power is applied inside the main body 100 to accommodate the positive electrode plate 110 and the negative electrode plate 120 representing the positive electrode and the negative electrode together with the electrolyte 130. Phosphoric acid (H 3 PO 4 ), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), and the like may be used as the electrolyte 130.

상기 양극판(110)의 일측에는 금속기재(200)가 부착된다. 상기 금속기재(200)는 양극 산화(anode oxidation) 공정에 의하여 다공성 표면을 형성할 수 있는 도전체가 사용될 수 있으며, 일례로 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 등이 사용될 수 있다. 이하 상기 금속기재(200)로서 알루미늄을 예를 들어 설명한다.The metal substrate 200 is attached to one side of the positive electrode plate 110. The metal substrate 200 may be a conductor capable of forming a porous surface by an anodic oxidation process. For example, aluminum (Al), an aluminum alloy, or the like may be used. Hereinafter, aluminum will be described as an example of the metal substrate 200.

상기 교반기(140)는 산화반응이 용이하게 일어나게 하기 위하여 상기 전해액(130)을 교반하는 역할을 수행한다. 이때 냉각수 투입구(150) 및 냉각수 토출구(150')를 이용하여 냉각수를 통과시킴으로써 산화반응 시 발생하는 열을 냉각한다.The stirrer 140 serves to stir the electrolyte 130 in order to facilitate the oxidation reaction. At this time, by passing the cooling water using the cooling water inlet 150 and the cooling water discharge port 150 ′, the heat generated during the oxidation reaction is cooled.

상기 양극판(110) 및 음극판(120)에 전원이 인가되면 상기 알루미늄(200) 표면은 산화되어 도 2에 나타나는 바와 같은 알루미나(220)가 형성되고, 양극산화가 진행됨에 따라 상기 알루미나(220)에는 도 3에 도시된 바와 같은 나노미터 단위의 포어(240)가 형성된다.When power is applied to the positive electrode plate 110 and the negative electrode plate 120, the surface of the aluminum 200 is oxidized to form alumina 220 as shown in FIG. 2, and as anodic oxidation proceeds, As shown in FIG. 3, pores 240 in nanometer units are formed.

이때, 상기 나노 포어(240)의 깊이는 양극산화 시간에 따라 제어된다. 즉, 양극산화의 시간을 제어함으로써 결과적으로 나노 구조물 상에 생성되는 돌기부의 길이를 증감시킬 수 있다. 그러나, 상기 양극산화 가공만으로는 상기 돌기부의 직경을 제어할 수는 없다. 이에 대한 상세한 설명은 이어지는 도 4 내지 도 6을 통하여 설명한다.At this time, the depth of the nano-pores 240 is controlled according to the anodization time. That is, by controlling the time of anodization, the length of the protrusions generated on the nanostructures can be increased or decreased. However, the diameter of the protrusion cannot be controlled by the anodization alone. Detailed description thereof will be described with reference to FIGS. 4 to 6.

도 4는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법 중 나노 포어의 직경 확대를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 실시예에 따라 나노 포어의 직경이 확대된 금속기재의 전파 현미경 사진이며, 도 6은 본 실시예에 따라 나노 포어의 직경 확대 시 시간에 따른 나노 포어 직경의 변화를 나타내는 그래프이다.4 is a view for explaining the diameter expansion of the nano-pore of the method of manufacturing a hydrophobic surface according to the present embodiment, Figure 5 is a radiograph of a metal substrate having an enlarged diameter of the nanopore according to this embodiment, 6 is a graph showing a change in the diameter of the nano-pores with time when the diameter of the nano-pores in accordance with the present embodiment.

먼저 도 5에서 나타나는 바와 같이 양극산화 가공을 통하여 알루미늄(200)의 표면은 산화되어 알루미나(220)가 형성되고, 상기 알루미나(220)에는 나노 미터의 직경을 갖는 복수개의 나노 포어(240)가 생성된다. 이때 상기 양극산화 가공을 진행함에 따라 나노 포어(240)의 길이는 (a)에서 (a')로 증가하게 된다. 그러나, 이와 같이 생성된 나노 포어(240)는 그 직경이 20 내지 30나노 미터(nm)로서, 상기 나노 포어(240)에 대응하는 돌기부를 가지는 나노 구조물을 생성할 경우 상기 나노 구조물은 물방울과 같은 유동하지 않는 액체를 침투시키지는 않지만, 물속과 같이 유동하는 액체 속에서는 상기 액체가 흐르면서 전해지는 압력으로 인해 상기 나노 구조물의 돌기부가 영향을 받아 상기 액체가 상기 나노 구조물의 공기 층에 침투하게 되어 극 소수성이 감소하는 문제가 발생한다.First, as shown in FIG. 5, the surface of aluminum 200 is oxidized through anodization to form alumina 220, and a plurality of nanopores 240 having a diameter of nanometers are formed in the alumina 220. do. At this time, as the anodization process is performed, the length of the nanopores 240 increases from (a) to (a '). However, the nano-pores 240 generated as described above have a diameter of 20 to 30 nanometers (nm), and when the nano-structures having protrusions corresponding to the nano-pores 240 are generated, the nano-structures may be formed of water droplets. Although it does not penetrate the non-flowing liquid, in the liquid flowing with water, the pressure transmitted as the liquid flows affects the protrusion of the nanostructure, so that the liquid penetrates into the air layer of the nanostructure, thereby making it extremely hydrophobic. There is a decreasing problem.

따라서 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법은 유압에 영향을 받지 않는 견고한 돌기부를 형성하기 위하여 습식식각(wet etching)을 이용할 수 있다.Therefore, the method of manufacturing the hydrophobic surface according to the present embodiment may use wet etching to form a rigid protrusion which is not affected by hydraulic pressure.

즉, 양극산화 가공을 제어를 통하여 상기 알루미늄(200)에 소정의 깊이를 가지는 상기 미세 포어(240)가 형성되면, 상기 알루미늄(200)을 인산 용액에 담금으로써 습식식각하여 상기 나노 포어(240)의 직경을 확대할 수 있다.That is, when the fine pore 240 having a predetermined depth is formed in the aluminum 200 by controlling anodization, the nanopore 240 is wet-etched by immersing the aluminum 200 in a phosphoric acid solution. The diameter of can be enlarged.

상기 나노 포어(240)의 직경은 습식식각 시간에 따라 제어된다. 즉, 습식식각을 하는 시간에 따라 상기 나노 포어(240)의 직경은 (b)에서 (b')로 확대된다. 상기 나노 포어(240)의 직경은 도 6의 그래프에서 나타나는 바와 같이 습식식각 시간(확대 시간)에 비례하여 확대된다.The diameter of the nano pores 240 is controlled according to the wet etching time. That is, the diameter of the nano pores 240 is expanded from (b) to (b ') according to the time of wet etching. The diameter of the nano-pores 240 is enlarged in proportion to the wet etching time (expansion time) as shown in the graph of FIG.

상기 미세 포어(240)는 상기 미세 포어(240)에 대응되는 직경을 가지는 돌기부가 유압에 영향을 받지 않을 정도로 확대될 수 있는데, 실험을 통하여 확인한 결과, 상기 미세 포어(240)의 직경이 50 나노 미터 미만인 경우 돌출부가 유압에 견딜 수 있을 정도로 견고하지 못하였고, 상기 미세 포어(240)의 직경이 60 나노 미터를 초과할 경우 복수개의 포어(240)가 들러붙는 문제가 발생하였다. 따라서 상기 나노 포어(240)의 직경은 50 내지 60 나노 미터를 가지는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상기 알루미늄(200)은 20℃ 내지 30℃의 인산 용액(H3PO4)에 40분 내지 50분 정도 식각될 수 있다.The fine pore 240 may be enlarged so that the projection having a diameter corresponding to the fine pore 240 is not affected by the hydraulic pressure, as a result of the experiment, the diameter of the fine pore 240 is 50 nanometers When less than one meter, the protrusion was not strong enough to withstand the hydraulic pressure, and when the diameter of the fine pore 240 exceeds 60 nanometers, a plurality of pores 240 are stuck. Therefore, the diameter of the nano-pores 240 preferably has 50 to 60 nanometers. For this purpose, the aluminum 200 may be etched in a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ) at 20 ° C. to 30 ° C. for about 40 to 50 minutes.

도 5는 도 3과 동일한 비율로 확대한 전자현미경 사진으로서, 도면에서 나타나는 바와 같이 습식식각을 통하여 나노 포어의 직경이 확대되었음을 알 수 있다.FIG. 5 is an electron microscope photograph enlarged at the same ratio as FIG. 3, and it can be seen that the diameter of the nanopores is enlarged through wet etching as shown in the drawing.

도 7a, 7b 및 7c는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법을 설명하기 위한 사시도이고, 도 8은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법을 나타내는 순서도이며, 도 9a는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면의 전자 현미경 사진이고, 도 9b는 도 9a를 확대한 사진이다.7A, 7B, and 7C are perspective views illustrating a method of manufacturing a polar hydrophobic surface according to the present embodiment, FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a polar hydrophobic surface according to the present embodiment, and FIG. It is an electron micrograph of an extremely hydrophobic surface, and FIG. 9B is an enlarged photograph of FIG. 9A.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여 극 소수성 표면 제작 방법을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the method of manufacturing the hydrophobic surface will be described in more detail with reference to FIGS. 7 to 9.

먼저, 도 1 내지 도 3을 통하여 상술한 양극 산화 가공을 통하여 알루미늄 등의 금속기재(200)의 표면에 나노 포어(240)를 형성한다(S810). 그리고 도 4 내지 도 6을 통하여 상술한 습식식간을 통하여 상기 나노 포어(240)의 직경을 확대한다(S820).First, the nanopores 240 are formed on the surface of the metal substrate 200 such as aluminum through the anodizing process described above with reference to FIGS. 1 to 3 (S810). And the diameter of the nano-pores 240 is expanded through the wet liver described above with reference to FIGS. 4 to 6 (S820).

그리고, 확대된 직경의 나노 포어가 형성된 금속기재(200)를 비젖음성 고분자 용액에 담가 음극 복제한다. 이때, 상기 비젖음성 고분자 물질로서 Teflon, PTFE(PolyTetraFluoroEthylene), FEP(Fluorinated Ethylene Propylene copolymer), PFA(PerFluoroAlkoxy) 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 사용될 수 있다. 이후, 상기 비젖음성 고분자 용액이 금속기재(200)를 감싼 상태에서 응고되도록 하면 도 7a에서와 같은 상기 포어에 대응되는 형상의 돌기부를 포함하는 고분자 물질인 나노 구조물(500)이 형성된다(S830).Then, the negative electrode is dipped into the non-wetting polymer solution in which the metal substrate 200 having the enlarged diameter nanopores is formed. At this time, at least one material selected from the group consisting of Teflon, PTFE (PolyTetraFluoroEthylene), FEP (Fluorinated Ethylene Propylene copolymer), PFA (PerFluoroAlkoxy), etc. may be used as the non-wetting polymer material. Subsequently, when the non-wetting polymer solution is solidified in a state in which the metal base 200 is wrapped, a nanostructure 500 that is a polymer material including a protrusion having a shape corresponding to the pore as shown in FIG. 7A is formed (S830). .

이와 같이 형성된 나노 구조물(500) 상에 도 7b와 같이 지지체(550)를 부착하여 소정 온도 예를 들어, 100℃이상에서 경화시킨다(S840). 바람직하게는 상기 소정 온도는 115℃ 내지 125℃일 수 있다.The support 550 is attached to the nanostructure 500 formed as shown in FIG. 7B and cured at a predetermined temperature, for example, 100 ° C. or more (S840). Preferably the predetermined temperature may be 115 ℃ to 125 ℃.

그리고, 도 7c와 같이 상기 나노 구조물(500)로부터 상기 금속기재(200) 및 산화된 금속기재(220)를 제거하여 극 소수성 표면(600)을 제작한다(S850).Then, as shown in FIG. 7c, the metal substrate 200 and the oxidized metal substrate 220 are removed from the nanostructure 500 to produce the extremely hydrophobic surface 600 (S850).

여기서, 상기 경화 가공하는 과정(S840)은 상기 나노 구조물(500)과 상기 지지체(550) 간의 접착력을 강화시키기 위한 것으로서, 이를 통하여 대면적의 극 소수성 표면을 제작할 수 있다.Here, the step of hardening (S840) is to enhance the adhesion between the nanostructure 500 and the support 550, through which a large hydrophobic surface of a large area can be produced.

경화 가공을 수행하지 않을 경우에는 상기 나노 구조물(550)로부터 상기 알루미늄(200) 및 알루미나(220)를 식각 시 발생하는 반응열 및 반응 공정 등으로 인 해 지지체(550)와 나노 구조물(500) 간의 접착력이 약해지게 된다. 따라서 나노 구조물(500)이 지지체(500) 표면에서 떨어져 지지체(500) 표면의 극히 일부분만 나노 구조물을 갖게 된다.When the hardening process is not performed, adhesion between the support 550 and the nanostructure 500 may be caused by reaction heat and reaction processes generated when the aluminum 200 and the alumina 220 are etched from the nanostructure 550. This will weaken. Therefore, the nanostructure 500 is separated from the surface of the support 500 so that only a small portion of the surface of the support 500 has the nanostructure.

이와 같이 생성된 극 소수성 표면(600)은 도 9a 및 9b에 나타나는 바와 같이 인접한 복수의 돌기부 간의 엉킴 현상으로 인하여 공기 층을 포함하게 된다. 이는 상기 극 소수성 표면(600)과 액체와의 접촉 면적을 최소화시켜 액체와의 접촉각을 165도 이상으로 높이게 된다.The polar hydrophobic surface 600 thus produced will contain an air layer due to entanglement between a plurality of adjacent protrusions as shown in FIGS. 9A and 9B. This minimizes the contact area of the polar hydrophobic surface 600 with the liquid, thereby increasing the contact angle of the liquid to 165 degrees or more.

따라서 본 발명은 확대 공정으로 인하여 두꺼워진 나노 구조물(500)로 인하여 유압에도 영향을 받지 않는 극 소수성 표면을 제공할 수 있고, 경화 공정으로 인하여 대면적에 나노 구조물을 형성할 수 있다.Accordingly, the present invention can provide an extremely hydrophobic surface which is not affected by hydraulic pressure due to the thickened nanostructure 500 due to the enlargement process, and can form the nanostructure in a large area due to the hardening process.

도 10은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면과 액체 간의 접촉각을 측정하여 나타낸 사진이다. 아무런 가공도 하지 않은 고체의 표면에서는 유체의 접촉각이 약 83도로 나타났으나, 도면에서와 같이 본 발명에 따른 극 소수성 표면은 유체의 접촉각이 167도 이상으로 높아짐에 따라 젖음성이 극도로 작아지는 극 소수성을 보임을 알 수 있다.10 is a photograph showing the contact angle between the polar hydrophobic surface and the liquid according to the present embodiment. On the surface of the solid without any processing, the contact angle of the fluid appeared to be about 83 degrees, but as shown in the drawing, the extremely hydrophobic surface according to the present invention has an extremely low wettability as the contact angle of the fluid increases to 167 degrees or more. It can be seen that it shows hydrophobicity.

도 11a는 기존의 수송체 외부의 표면의 유체 흐름도이고, 도 11b는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면의 유체 흐름도이다.FIG. 11A is a flow chart of the surface of an existing vehicle exterior, and FIG. 11B is a flow chart of the extremely hydrophobic surface according to this embodiment.

먼저 도 11a를 살펴보면 기존의 수송체 외부의 표면은 미끄러짐 상태가 아니어서 마찰력이 크다. 이와 같은 기존 표면에 도 11b와 같이 본 발명에 따른 극 소수성 표면(600)을 필름 형태로 제작하여 붙일 경우 표면이 미끄러짐 상태가 되어 유체와의 마찰이 감소된다. 즉, 극 소수성 나노 구조물 표면(600)을 수송체 외부 표면에 적용시키면 표면과 유체와의 마찰이 감소하기 때문에 에너지 효율이 증가한다.First, referring to FIG. 11A, the surface of the exterior of the existing vehicle is not slipped, and thus the frictional force is large. When the polar hydrophobic surface 600 according to the present invention is manufactured and attached to the existing surface as shown in FIG. 11B, the surface is slipped and friction with the fluid is reduced. That is, applying the hydrophobic nanostructure surface 600 to the outer surface of the vehicle increases energy efficiency because friction between the surface and the fluid is reduced.

도 12는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면의 사진이다.12 is a photograph of a polar hydrophobic surface according to the present embodiment.

도시된 바와 같이 300 밀리미터(mm) × 140 밀리미터(mm)의 극 소수성 표면 상의 어디에도 물방울이 젖지 않음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 대면적의 극 소수성 표면을 용이하게 제공할 수 있다.As shown, it can be seen that the droplets do not get wet anywhere on the extremely hydrophobic surface of 300 millimeters (mm) x 140 millimeters (mm). Therefore, according to the present invention, it is possible to easily provide a large hydrophobic surface.

도 13은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면에서 액체의 유동 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the results of measuring the flow efficiency of the liquid on the extremely hydrophobic surface according to the present embodiment.

일반 알루미늄 표면에서는 레이놀즈 수가 3×105 기준(평판일 때 5×104이상일 때 난류 영역)일 때 항력계수가 '0.007368'로 측정되었고, 극 소수성 표면은 '0.005709'로 측정되었다.On ordinary aluminum surfaces, the drag coefficient was measured to be '0.007368' at the Reynolds number of 3x105 (turbulent area above 5x104 in flat plate), and the hydrophobic surface at '0.005709'.

따라서 본 발명에 따른 극 소수성 표면의 유동 효율은 일반 알루미늄 표면의 유동 효율 보다 22.5% 상승한 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that the flow efficiency of the extremely hydrophobic surface according to the present invention is 22.5% higher than the flow efficiency of the general aluminum surface.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention. You will understand. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention will include all embodiments within the scope of the following claims.

도 1은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법의 양극 산화 장치를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing an anodizing device of the method for producing a hydrophobic surface according to the present embodiment.

도 2는 본 실시예에 따른 양극 산화 시 금속기재에 나노 포어가 생성되는 과정을 나타내는 도면이다.2 is a view illustrating a process in which nanopores are generated in a metal substrate during anodization according to the present embodiment.

도 3은 본 실시예에 따라 나노 포어가 생성된 금속기재의 전자 현미경 사진이다.3 is an electron micrograph of a metal substrate on which nanopores are produced according to the present embodiment.

도 4는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법 중 나노 포어의 직경 확대를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the diameter expansion of the nano-pores in the method of manufacturing a hydrophobic surface according to the present embodiment.

도 5는 본 실시예에 따라 나노 포어의 직경이 확대된 금속기재의 전파 현미경 사진이다.5 is a radiograph of a metal substrate having an enlarged diameter of a nanopore according to the present embodiment.

도 6은 본 실시예에 따라 나노 포어의 직경 확대 시 시간에 따른 나노 포어 직경의 변화를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing a change in the diameter of the nano-pores with time when the diameter of the nano-pore in accordance with this embodiment.

도 7a, 7b 및 7c는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법을 설명하기 위한 사시도이다.7A, 7B and 7C are perspective views for explaining a method for producing a polar hydrophobic surface according to the present embodiment.

도 8은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면 제작 방법을 나타내는 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a polar hydrophobic surface according to the present embodiment.

도 9a는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면의 전자 현미경 사진이고, 도 9b는 도 9a를 확대한 사진이다.9A is an electron micrograph of the extremely hydrophobic surface according to the present embodiment, and FIG. 9B is an enlarged photograph of FIG. 9A.

도 10은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면과 액체 간의 접촉각을 측정하여 나타낸 사진이다.10 is a photograph showing the contact angle between the polar hydrophobic surface and the liquid according to the present embodiment.

도 11a는 기존의 수송체 외부의 표면의 유체 흐름도이고, 도 11b는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면의 유체 흐름도이다.FIG. 11A is a flow chart of the surface of an existing vehicle exterior, and FIG. 11B is a flow chart of the extremely hydrophobic surface according to this embodiment.

도 12는 본 실시예에 따른 극 소수성 표면의 사진이다.12 is a photograph of a polar hydrophobic surface according to the present embodiment.

도 13은 본 실시예에 따른 극 소수성 표면에서 액체의 유동 효율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the results of measuring the flow efficiency of the liquid on the extremely hydrophobic surface according to the present embodiment.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100: 본체 110: 양극판100: main body 110: bipolar plate

120: 음극판 130: 전해액120: negative electrode plate 130: electrolyte solution

140: 교반기 150: 냉각수 투입구140: stirrer 150: cooling water inlet

150': 냉각수 토출구 200: 알루미늄150 ': cooling water outlet 200: aluminum

220: 알루미나 240: 나노 포어220: alumina 240: nanopores

500: 나노 구조물 550: 지지체500: nanostructure 550: support

600: 극 소수성 표면600: polar hydrophobic surface

Claims (13)

양극산화 가공을 통하여 금속기재의 표면에 복수개의 포어(pore)를 형성하는 단계;Forming a plurality of pores on the surface of the metal substrate through anodization; 습식식각하여 상기 포어의 직경을 확대하는 단계;Expanding the pore diameter by wet etching; 상기 금속기재를 비젖음성 고분자 용액에 담가 음극 복제하여 상기 포어에 대응되는 형상의 돌기부를 포함하는 나노 구조물을 형성하는 단계;Dipping the metal substrate in a non-wetting polymer solution to form a nanostructure including a protrusion having a shape corresponding to the pore by negative electrode replication; 상기 나노 구조물에 지지체를 부착하고 소정 온도에서 경화시키는 단계; 및,Attaching a support to the nanostructure and curing at a predetermined temperature; And, 상기 나노 구조물로부터 상기 금속기재를 제거하는 단계를 포함하는 극 소수성 표면 제작 방법.Removing the metal substrate from the nanostructures. 제1항에 있어서, 상기 확대하는 단계는,The method of claim 1, wherein the step of enlarging comprises: 상기 포어가 50 내지 60 나노 미터의 직경을 가지도록 확대하는 단계인 극 소수성 표면 제작 방법.And expanding the pore to have a diameter of 50 to 60 nanometers. 제2항에 있어서, 상기 확대하는 단계는,The method of claim 2, wherein the step of enlarging comprises: 20℃ 내지 30℃의 인산 용액(H3PO4)에 40분 내지 50분 동안 상기 금속기재를 담금으로써 상기 포어의 직경을 확대하는 단계인 극 소수성 표면 제작 방법.A method of manufacturing a hydrophobic surface, the step of enlarging the diameter of the pore by immersing the metal substrate in a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ) of 20 ℃ to 30 ℃ 40 minutes to 50 minutes. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 소정 온도는,The method of claim 1, wherein the predetermined temperature is, 115℃ 내지 125℃인 극 소수성 표면 제작 방법.Polar hydrophobic surface fabrication method of 115 ℃ to 125 ℃. 제1항에 있어서, 상기 극 소수성 표면은,The method of claim 1, wherein the polar hydrophobic surface, 인접한 복수의 상기 돌기부 간의 엉킴 현상으로 인하여 공기층을 포함하는 극소수성 표면 제작 방법.Method for producing a very small surface comprising an air layer due to the entanglement between a plurality of adjacent protrusions. 양극 산화 가공을 통하여 표면에 복수개의 포어(pore)가 형성된 금속기재를 습식식각한 후 비젖음성 고분자 용액에 담가 음극 복제함으로써, 상기 포어의 직경에 대응하는 복수개의 확대된 돌기부가 형성된 나노 구조물을 포함하고, 상기 나노 구조물에 지지체를 부착한 후 소정 온도에서 경화시킴으로써 생성되는 극 소수성 표면.It comprises a nano-structure formed with a plurality of enlarged protrusions corresponding to the diameter of the pore by wet-etching a metal substrate having a plurality of pores (pore) formed on the surface through anodizing process and immersed in a non-wetting polymer solution And hardening at a predetermined temperature after attaching the support to the nanostructures. 제7항에 있어서, 상기 돌기부는,The method of claim 7, wherein the projection portion, 각각 50 내지 60 나노 미터의 직경을 가지는 극 소수성 표면.Extremely hydrophobic surfaces each having a diameter of 50 to 60 nanometers. 제8항에 있어서, 상기 돌기부는,The method of claim 8, wherein the protrusions, 상기 금속기재를 20℃ 내지 30℃의 인산 용액(H3PO4)에 40분 내지 50분 동안 담금으로써 형성하는 극 소수성 표면.An extremely hydrophobic surface formed by immersing the metal substrate in a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ) of 20 ℃ to 30 ℃ for 40 to 50 minutes. 제7항에 있어서, 상기 돌기부는,The method of claim 7, wherein the projection portion, 인접한 복수의 상기 돌기부 간의 엉킴 현상으로 인하여 공기층을 형성하는 극소수성 표면.Very few surfaces to form an air layer due to entanglement between a plurality of adjacent protrusions. 삭제delete 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 소정 온도는 115℃ 내지 125℃인 극 소수성 표면.The predetermined temperature is 115 ° C to 125 ° C. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 금속기재는 알루미늄(Al) 재질인 극소수성 표면.The metal substrate is a very hydrophobic surface made of aluminum (Al).
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