KR101085176B1 - 극친수성 표면 가공 방법 - Google Patents

극친수성 표면 가공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 기재의 표면을 가공 처리하여 극친수성 표면을 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 극친수성 표면을 가지는 금속 기재를 제공한다. 본 발명에 따른 극친수성 표면 가공 방법은, ⅰ) 금속 기재의 표면에 수용성 미세 입자를 분사하여 금속 기재의 표면에 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하고, ⅱ) 금속 기재의 표면을 양극 산화 처리하여 금속 기재의 표면에 나노 스케일의 미세 홀을 형성하는 단계들을 포함한다.
금속, 표면 가공, 친수성, 수용성, 미세 입자, 양극 산화, 마이크로 스케일, 나노 스케일

Description

극친수성 표면 가공 방법 {METHOD FOR FABRICATING SUPER-HYDROPHILICITY SURFACE}
본 발명은 극친수성 표면 가공 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 기재의 표면을 가공 처리하여 극친수성 표면을 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 극친수성 표면을 가지는 금속 기재에 관한 것이다.
일반적으로 금속 기재의 표면은 고유의 표면 에너지를 가지고 있다. 이 표면 에너지는 임의의 액체가 금속 기재에 접촉할 때 금속 기재에 대한 액체의 접촉각으로 나타난다. 접촉각이 90°보다 작으면, 물방울은 그 형태를 잃고 금속 기재의 표면을 적시는 친수성(親水性, hydrophilicity)을 나타낸다. 반면, 접촉각이 90°보다 크면, 물방울은 구의 형상을 유지하면서 금속 기재의 표면을 적시지 않고 외부 힘에 따라 쉽게 흐르는 소수성(疏水性, hydrophobicity)을 나타낸다.
금속 기재의 표면이 가지는 고유의 접촉각은 표면 가공 처리를 통해 그 값이 변화할 수 있다. 즉, 접촉각이 90°보다 작은 친수성 표면은 표면 가공 처리를 통해 접촉각이 더욱 작아져 극친수성을 나타낼 수 있다. 극친수성 표면은 예를 들어 열 교환기의 핀(fin)에 적용될 수 있다. 이 경우, 핀의 표면에 생성되는 응축수의 흘러내림을 개선하여 열 교환기의 효율을 증대시킬 수 있다.
특정 용도를 위해 금속 기재 표면의 접촉각을 변화시키는 기술로 멤스(MEMS; Micro Electro Mechanical Systems) 공정이 알려져 있다. 멤스 공정은 반도체 제조 기술을 응용한 것으로서, 멤스 공정을 이용하여 금속 기재의 표면에 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 미세 요철을 형성할 수 있다. 이러한 멤스 공정은 반도체 기술을 기계공학적으로 응용한 첨단의 기술이지만, 고가의 공정이고, 대면적 가공 처리가 어려우며, 가공 처리 효과가 장기간 지속되지 못하는 한계를 안고 있다.
본 발명은 제조 공정을 단순화하고, 제조 비용을 절감시키며, 대량 및 대면적의 금속 기재를 용이하게 표면 가공 처리할 수 있는 극친수성 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 제조된 극친수성 표면을 가지는 금속 기재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극친수성 표면 가공 방법은, ⅰ) 금속 기재의 표면에 수용성 미세 입자를 분사하여 금속 기재의 표면에 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하고, ⅱ) 금속 기재의 표면을 양극 산화 처리하여 금속 기재의 표면에 나노 스케일의 미세 홀을 형성하는 단계들을 포함한다.
수용성 미세 입자를 분사할 때 드라이 아이스를 함께 분사하여 금속 기재의 표면에 수분을 생성시킬 수 있다. 수용성 미세 입자는 탄산수소나트륨 입자일 수 있다. 수용성 미세 입자는 10㎛ 내지 50㎛의 직경을 가질 수 있다.
미세 홀은 20nm 내지 200nm의 직경과, 5 이상 50 이하의 범위에 속하는 종횡비를 가질 수 있다. 금속 기재는 알루미늄과 티타늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
삭제
본 발명에 의한 극친수성 표면 가공 방법에 따르면, 수용성 미세 입자의 분사와 양극 산화 공정을 이용하므로 제조 공정을 단순화하고, 제조 비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 대량 및 대면적의 금속 기재를 용이하게 표면 가공 처리할 수 있으며, 가공 처리 효과를 장기간 지속시킬 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 금속 기재는 마이크로 스케일의 미세 요철과 나노 스케일의 미세 홀을 함께 형성함에 따라, 마이크로 스케일과 나노 스케일이 혼합된 듀얼 스케일의 요철 구조에 의해 친수성을 증대시키며, 접촉각이 10° 이하인 극친수성 표면을 구현할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극친수성 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 극친수성 표면 가공 방법은, 금속 기재의 표면에 수용성 미세 입자를 분사하여 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하는 제1 단계(S1)와, 양극 산화 처리로 금속 기재의 표면에 나노 스케일의 미세 홀을 형성하는 제2 단계(S2)를 포함한다.
여기서, 마이크로 스케일은 1㎛ 이상 1000㎛ 미만의 범위에 속하는 크기를 의미하고, 나노 스케일은 1nm 이상 1000nm 미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다. 본 실시예의 금속 기재는 전술한 마이크로 스케일의 미세 요철 및 나노 스케일의 미세 홀 형성에 의해 접촉각이 10° 이하인 극친수성 표면을 구현한다.
도 2는 수용성 미세 입자의 분사기를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참고하면, 분사기(12)는 금속 기재(10)의 표면을 향해 미리 설정된 속도로 수용성 미세 입자를 분사시킨다. 분사기(12)는 압축 공기의 압력을 이용하는 공압식일 수 있으며, 공기의 압축력을 조절하여 수용성 미세 입자의 분사 속도와 분사 압력을 제어할 수 있다. 이 경우, 분사기(12)는 공기 공급부(14)와, 공기의 압력을 조절하는 압력 조절부(16)와, 수용성 미세 입자를 저장하는 저장부(18) 및 수용성 미세 입자를 분사기(12)에 공급하는 펌프(20)와 연결될 수 있다.
수용성 미세 입자는 금속 기재(10)의 표면에 충돌하여 금속 기재(10)의 표면에 변형을 일으킨다. 그 결과, 금속 기재(10)의 표면에는 마이크로 스케일의 미세 요철이 형성된다. 수용성 미세 입자는 베이킹 소다로 불리는 탄산수소나트륨 입자 일 수 있다. 탄산수소나트륨 입자는 인체에 무해하고, 금속 기재(10)의 표면에 충돌하여 거칠기를 유발할 수 있는 경도를 가지고 있다. 수용성 미세 입자는 10㎛ 내지 50㎛의 직경을 가질 수 있다. 수용성 미세 입자의 크기가 10㎛ 미만이면 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하기 어려우며, 수용성 미세 입자의 크기가 50㎛를 초과하면 미세 요철의 크기가 과대해져 금속 기재(10)의 친수성을 저하시킨다.
이와 같이 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하는 과정에서, 분사된 수용성 미세 입자의 일부는 금속 기재(10)의 표면에 누적된다. 이때 수용성 미세 입자는 물에 잘 용해되므로, 제1 단계 완료 후 금속 기재(10)를 물로 세척하면 금속 기재(10)의 표면에 부착된 수용성 미세 입자를 용이하게 제거할 수 있다. 물론 제1 단계의 중간 과정에서도 필요에 따라 한번 이상 금속 기재(10)를 물로 세척할 수 있다.
본 실시예의 가공 방법에 따르면, 수용성 미세 입자를 물로 쉽게 제거할 수 있기 때문에, 미세 요철이 형성된 금속 기재(10)의 표면에 이물질이 잔류하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
즉, 수용성 미세 입자 대신 금속구나 모래 입자를 사용하는 경우, 이들 입자는 금속 기재의 표면으로부터 쉽게 분리되지 않으며, 금속 기재로부터 이들 입자를 제거하기 위한 추가 공정이 요구될 수 있다. 또한, 미세한 금속구나 모래 입자는 작업자의 건강에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 단순한 물 세척으로 수용성 미세 입자를 완전하게 제거할 수 있으므로, 금속구나 모래 입자를 사용하는 경우의 문제점을 해소할 수 있다.
한편, 분사기(12)를 이용하여 수용성 미세 입자와 드라이 아이스를 함께 분사할 수 있다. 드라이 아이스는 금속 기재(10)의 표면에 충돌시 금속 기재(10)와의 온도 차이에 의해 수분을 생성하며, 이 수분으로 수용성 미세 입자를 녹인다. 그리고 분사기(12)의 분사 압력을 이용하여 물과 수용성 미세 입자의 혼합물을 금속 기재(10)의 표면으로부터 용이하게 제거할 수 있다. 따라서 드라이 아이스를 사용하는 경우, 금속 기재(10)의 물 세척 공정을 생략할 수 있으므로 전체 공정을 간소화할 수 있다.
수용성 미세 입자에 의한 표면 가공 처리 및 양극 산화 처리가 적용될 수 있는 금속 기재(10)로는 알루미늄과 티타늄이 있다.
도 3은 도 1의 제1 단계를 거친 금속 기재의 표면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3을 참고하면, 금속 기재(10)의 표면에는 수용성 미세 입자 분사에 의한 마이크로 스케일의 미세 요철(22)이 형성된다. 미세 요철(22)의 크기, 즉 철부(221)의 높이나 요부(222)의 깊이 또는 철부(221) 사이의 간격 등은 수용성 미세 입자의 종류, 직경, 분사 속도 및 분사 압력 등에 따라 달라질 수 있으며, 이들 값을 적절하게 조절하여 미세 요철(22)의 형상을 제어할 수 있다.
통상의 금속은 액체의 접촉각이 90°보다 작은 친수성 물질이다. 이러한 금속 기재(10)의 표면에 수용성 미세 입자를 분사하여 마이크로 스케일의 미세 요철(22)을 형성하면, 접촉각이 작아지고 친수성이 강해지는 현상이 나타난다.
도 4는 도 1의 제1 단계를 거친 금속 기재의 표면을 나타낸 전자 현미경 사 진이다. 도 4에 나타낸 금속 기재는 알루미늄이며, 이후 설명하는 사진에서도 금속 기재는 알루미늄이다.
도 4를 참고하면, 금속 기재의 표면에는 마이크로 스케일의 미세 요철이 형성되며, 미세 요철 형성 후 금속 기재는 30° 미만의 접촉각을 나타낸다. 이 접촉각은 미세 요철 형성 전 관찰된 금속 기재의 접촉각(대략 83°)보다 작아진 수치로서, 마이크로 스케일의 미세 요철에 의해 금속 기재의 친수성이 높아진 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 수용성 미세 입자를 분사하여 미세 요철(22)을 형성함에 따라, 종래의 멤스(MEMS) 공정과 비교할 때 제조 공정을 단순화하고, 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 대량 및 대면적의 금속 기재(10)를 용이하게 표면 가공 처리할 수 있으며, 가공 처리 효과를 장기간 지속시킬 수 있다.
도 5는 양극 산화 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5를 참고하면, 양극 산화 장치(200)는 냉각수가 순환하는 순환식 수조(24)와, 수조(24) 내부의 전해액을 일정한 속도로 교반하는 자석 교반기(26)를 포함한다. 수조(24) 내부의 전해액에 금속 기재(10)와 상대 전극(28)을 담그고, 금속 기재(10)와 상대 전극(28)에 각각 양극 전원과 음극 전원을 인가하여 양극 산화 공정을 실시한다. 전해액은 황산, 인산 및 옥살산 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상대 전극(28)은 백금(Pt)일 수 있다.
도 6은 도 1의 제2 단계를 거친 금속 기재의 표면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6을 참고하면, 양극 산화 공정이 진행되면서 금속 기재(10)의 표면에는 산화막(30)이 형성되고, 산화막(30)에 나노 스케일의 미세 홀(32)이 형성된다. 미세 홀(32)은 마이크로 스케일의 미세 요철을 따라 형성된다. 미세 홀(32)의 직경과 깊이는 전해액의 농도, 인가 전압의 세기 또는 식각 시간 등을 조절하여 용이하게 제어할 수 있다.
나노 스케일의 미세 홀(32)은 수용성 미세 입자 분사로 친수성이 강화된 금속 기재(10)의 표면에서 접촉각을 더욱 작게하여 친수성을 극대화하는 기능을 한다. 따라서 본 실시예의 금속 기재(10)는 마이크로 스케일과 나노 스케일이 혼합된 듀얼 스케일의 요철 구조에 의해 친수성 증대 효과를 얻을 수 있으며, 극친수성 표면을 가진다.
본 실시예에서 미세 홀(32)은 20nm 내지 200nm의 직경을 가질 수 있으며, 5 이상 50 이하의 범위에 속하는 종횡비를 가질 수 있다. 미세 홀(32)의 직경이 큰 경우에는 작은 종횡비로도 친수성이 발휘되지만, 종횡비가 5 미만이면 친수성이 약화되므로, 미세 홀(32)의 종횡비는 5 이상이 바람직하다. 미세 홀(32)의 직경이 작은 경우에는 종횡비가 클수록 친수성이 잘 발휘되지만, 종횡비가 50을 초과하여도 친수성은 크게 개선되지 않으므로, 공정 시간 등을 고려할 때 미세 홀(32)의 종횡비는 50 이하가 바람직하다.
도 7은 도 1의 제2 단계를 거친 금속 기재의 표면을 나타낸 전자 현미경 사진이고, 도 8은 도 7에 나타낸 금속 기재의 표면에 물방울을 떨어뜨려 접촉각을 실험한 결과를 나타낸 사진이다.
도 7에 나타낸 금속 기재의 양극 산화 조건은 다음과 같다.
① 전해액: 0.3몰 농도의 옥살산
② 금속 기재와 상대 전극에 인가된 정전압: 40V
③ 전해액 온도: 15℃
④ 공정 시간: 3분
도 7과 도 8을 참고하면, 금속 기재의 표면에는 양극 산화 공정에 의해 나노 스케일의 미세 홀이 형성되며, 양극 산화 공정이 완료된 금속 기재는 대략 5°의 접촉각을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 금속 기재(10)는 수용성 미세 입자 분사에 의한 마이크로 스케일의 미세 요철(22) 및 양극 산화에 의한 나노 스케일의 미세 홀(32)을 동시에 구비함에 따라, 접촉각이 10° 이하인 극친수성 표면을 가진다. 이러한 금속 기재(10)는 액체의 흘러내림 특성을 높여야 하는 각종 기계 부품에 사용되며, 예를 들어 열교환기의 핀 등에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극친수성 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 수용성 미세 입자의 분사기를 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1의 제1 단계를 거친 금속 기재의 표면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1의 제1 단계를 거친 금속 기재의 표면을 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 5는 양극 산화 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 제2 단계를 거친 금속 기재의 표면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 1의 제2 단계를 거친 금속 기재의 표면을 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 8은 도 7에 나타낸 금속 기재의 표면에 물방울을 떨어뜨려 접촉각을 실험한 결과를 나타낸 사진이다.

Claims (8)

  1. 금속 기재의 표면에 수용성 미세 입자를 분사하여 상기 금속 기재의 표면에 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하고;
    상기 금속 기재의 표면을 양극 산화 처리하여 상기 금속 기재의 표면에 나노 스케일의 미세 홀을 형성하는 단계들
    을 포함하는 극친수성 표면 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 미세 입자를 분사할 때 드라이 아이스를 함께 분사하여 상기 금속 기재의 표면에 수분을 생성시키는 극친수성 표면 가공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용성 미세 입자는 탄산수소나트륨 입자인 극친수성 표면 가공 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수용성 미세 입자는 10㎛ 내지 50㎛의 직경을 가지는 극친수성 표면 가공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세 홀은 20nm 내지 200nm의 직경을 가지는 극친수성 표면 가공 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미세 홀은 5 이상 50 이하의 범위에 속하는 종횡비를 가지는 극친수성 표면 가공 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기재는 알루미늄과 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 극친수성 표면 가공 방법.
  8. 삭제
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