KR101141619B1 - Method of manufacturing superhydrophobic material and superhydrophobic material manufactured by the method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조하는 방법 및 그에 따라 제조된 초소수성 재료에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전기화학적 방법으로 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a material having a superhydrophobic surface and to a superhydrophobic material produced thereby, and more particularly, to a method for producing a material having a superhydrophobic surface by an electrochemical method.

본 발명에 의한 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법은, 표면 처리용 기재를 준비하는 단계; 상기 기재의 표면에 전기화학적 방법으로 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층을 양극산화 공정으로 산화시켜 나노구조의 금속산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 나노구조의 금속산화물층의 표면에 소수성 유기 단분자층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for producing a material having a superhydrophobic surface according to the present invention comprises the steps of preparing a substrate for the surface treatment; Forming a metal layer on the surface of the substrate by an electrochemical method; Oxidizing the metal layer by an anodizing process to form a metal oxide layer having a nanostructure; And forming a hydrophobic organic monolayer on the surface of the metal oxide layer of the nanostructure.

본 발명에 따르면, 전기화학적인 방법을 사용하여 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조함으로써 대면적의 재료에 사용이 가능하고, 고가의 장비나 재료를 사용할 필요가 없어 생산비가 감소하는 효과가 있다.According to the present invention, a material having a superhydrophobic surface can be manufactured by using an electrochemical method, so that the material can be used for a large area, and there is no need to use expensive equipment or materials, thereby reducing the production cost.

Description

초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법 및 이에 따라 제조된 초소수성 재료{METHOD OF MANUFACTURING SUPERHYDROPHOBIC MATERIAL AND SUPERHYDROPHOBIC MATERIAL MANUFACTURED BY THE METHOD}METHOD OF MANUFACTURING SUPERHYDROPHOBIC MATERIAL AND SUPERHYDROPHOBIC MATERIAL MANUFACTURED BY THE METHOD}

본 발명은 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조하는 방법 및 그에 따라 제조된 초소수성 재료에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전기화학적 방법으로 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a material having a superhydrophobic surface and to a superhydrophobic material produced thereby, and more particularly, to a method for producing a material having a superhydrophobic surface by an electrochemical method.

소수성은 물에 친화력을 가지지 않는 물체의 성질을 말한다. 소수성은 두 가지 다른 물질이 서로 접촉면을 형성할 때 분자력의 불균형으로 인해 발생하는 내부 힘인 표면장력과 관련이 있다. 물과 물체 표면 사이에 작용하는 힘이 물 분자 사이의 응집력보다 강하면 물 분자는 물체 표면에 강한 인력을 받아 물체의 표면을 적시게 되고, 반대의 경우에는 물이 물체의 표면을 적시지 않는 것이다.Hydrophobicity refers to the properties of objects that have no affinity for water. Hydrophobicity is related to the surface tension, an internal force generated by the imbalance of molecular forces when two different materials form contact surfaces with each other. If the force acting between the water and the surface of the object is stronger than the cohesion between the water molecules, the water molecules are strongly attracted to the surface of the object to wet the surface of the object, and in the opposite case, the water does not wet the surface of the object.

이러한 소수성은 물체의 표면상에서 측정되는 표면과 물의 접촉각(θ)을 측정하여 확인될 수 있으며, 물체 표면과 물의 접촉각이 150°를 넘는 경우에 초소수성을 갖는다고 표현한다.This hydrophobicity can be confirmed by measuring the contact angle (θ) between the surface and water measured on the surface of the object, and is said to have superhydrophobicity when the contact angle between the object surface and water exceeds 150 °.

초소수성의 표면을 갖는 물체는 낮은 표면에너지로 인하여 물을 포함한 다른 물질의 표면 응집을 효과적으로 예방할 수 있으며, 사람의 지문과 같은 유기물질과 먼지와 같은 이물질이 표면에 부착되는 것을 막는 효과가 있다. 도 10은 초소수성 표면의 셀프-클리닝 효과를 나타내는 그림이다. An object having a superhydrophobic surface can effectively prevent surface aggregation of other materials including water due to low surface energy, and has an effect of preventing foreign substances such as human fingerprints and foreign substances such as dust from adhering to the surface. 10 is a diagram showing the self-cleaning effect of the superhydrophobic surface.

따라서 초소수성 표면을 갖는 물체는 유기물의 오염이 문제가 되는 전자제품의 외장재나, 습도나 이물질 오염예방이 필수적인 건축자재에 폭넓게 적용이 가능하다. 특히 크롬을 포함하여 방식특성이 뛰어난 스테인리스 강이 초소수성 표면을 갖는다면, 냉장고, 휴대폰, 텔레비전 등과 같은 가전 전자제품의 외장재 및 건축자재의 활용가치가 매우 증가될 것이다.Therefore, an object having a superhydrophobic surface can be widely applied to exterior materials of electronic products in which contamination of organic matter is a problem, and building materials where humidity or foreign matter contamination prevention is essential. In particular, if stainless steel having excellent anticorrosive properties, including chromium, has a superhydrophobic surface, the utilization value of exterior materials and building materials of consumer electronics such as refrigerators, mobile phones, and televisions will be greatly increased.

초소수성을 갖는 물체를 자연에서 관찰할 수 있는데, 연꽃잎이 대표적인 물질이다. 도 11은 초소수성을 갖는 연꽃잎을 나타낸 그림이며, 표면을 확대한 작은 사진을 통해서, 초소수성은 화학적 특성과 표면의 형상적인 특성에 영향을 받음을 확인할 수 있다.Superhydrophobic objects can be observed in nature, and the lotus leaf is a typical material. 11 is a view showing a lotus leaf having a superhydrophobicity, and through a small photograph of the enlarged surface, it can be confirmed that the superhydrophobicity is affected by the chemical properties and the geometrical characteristics of the surface.

종래에 물체의 표면, 특히 스테인리스 강의 표면에 초소수성을 부여하기 위하여 사용하였던 방법은 표면에 티타늄이나 테플론과 같은 불소계 소수성 물질을 코팅하는 방법이 대표적이다. Conventionally, the method used to impart superhydrophobicity to the surface of an object, especially the surface of stainless steel, is typically coated with a fluorine-based hydrophobic material such as titanium or Teflon.

이중 표면에 티타늄 또는 티타늄 산화물을 형성시키는 방법은 물과의 접촉각이 150° 미만으로 소수성 성질이 약하다는 단점이 있으며, 진공증착법을 이용하기 때문에 제조비가 상승하는 문제가 있다.The method of forming titanium or titanium oxide on the double surface has a disadvantage in that the contact angle with water is less than 150 ° and the hydrophobic property is weak, and the manufacturing cost increases due to the vacuum deposition method.

테플론 등 불소계 소수성 물질을 코팅하는 방법은 초소수성 성질은 뛰어나지만, 역시 진공증착법을 이용하기 때문에 대면적화를 위해서는 제조비가 매우 상승 한다. 이를 해결하기 위하여 상압에서 물체의 표면에 코팅하는 방법 등이 연구되고 있으나, 불소계 소수성 물질 자체가 고가의 재료라는 점에서 제조비의 문제는 여전히 남아있다.Coating of fluorine-based hydrophobic materials such as Teflon is excellent in superhydrophobic properties, but also due to the vacuum deposition method, the manufacturing cost is very high for large area. In order to solve this problem, a method of coating the surface of an object under normal pressure and the like have been studied, but the problem of manufacturing cost remains in that fluorine-based hydrophobic material itself is an expensive material.

따라서 낮은 가격으로 대면적의 표면에 초소수성을 부여하는 기술의 개발이 시급한 현실이다.Therefore, it is urgent to develop a technology that gives superhydrophobicity to the surface of a large area at a low price.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 고가의 장비와 재료를 사용하지 않고 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조하는 방법과 그에 따라 제조된 초소수성 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been invented to solve the above problems, and an object thereof is to provide a method for producing a material having a superhydrophobic surface without using expensive equipment and materials, and a superhydrophobic material produced accordingly.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법은, 표면 처리용 기재를 준비하는 단계; 상기 기재의 표면에 전기화학적 방법으로 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층을 양극산화 공정으로 산화시켜 나노구조의 금속산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 나노구조의 금속산화물층의 표면에 소수성 유기 단분자층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of producing a material having a superhydrophobic surface according to the present invention comprises the steps of preparing a substrate for surface treatment; Forming a metal layer on the surface of the substrate by an electrochemical method; Oxidizing the metal layer by an anodizing process to form a metal oxide layer having a nanostructure; And forming a hydrophobic organic monolayer on the surface of the metal oxide layer of the nanostructure.

소수성을 갖는 재질의 표면에 나노단위의 미세구조를 형성시키면, 도 9의 우측 그림에 나타난 것과 같이 나노단위의 면을 기준으로는 소수성의 접촉각을 보이지만, 좌측 그림에 나타난 것과 같이 전체 면을 기준으로는 초소수성의 접촉각을 보이게 된다.When the nanostructure of the microstructure is formed on the surface of the hydrophobic material, as shown in the right figure of FIG. 9, the contact angle of the hydrophobicity is shown with respect to the nanoscale plane, but as shown in the left figure, Shows a superhydrophobic contact angle.

기재의 표면에 형성된 금속층에 양극산화 공정을 실시하면 기재 표면에 형성된 구형의 금속입자가 일정한 방향으로 성장하여 금속산화물 나노선을 형성하며, 나노선의 성장과 함께 금속산화물에는 많은 기공이 형성되어 나노단위의 미세구조를 갖는 금속산화물층이 형성된다.When the anodic oxidation process is performed on the metal layer formed on the surface of the substrate, spherical metal particles formed on the surface of the substrate grow in a certain direction to form metal oxide nanowires. A metal oxide layer having a fine structure of is formed.

나노단위의 미세구조를 통해 초소수성을 실현하기 위하여, 기재의 표면에 금 속층을 형성하는 단계에 앞서서 기재의 표면에 마이크로 단위의 요철을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 마이크로 단위의 요철을 형성하는 방법은 벨트연마공정, 반도체식각공정, 핫엠보싱공정 및 임프린팅공정 중에 하나일 수 있다.In order to realize superhydrophobicity through the microstructure of the nano-unit, it is preferable to further include the step of forming the micro-united irregularities on the surface of the substrate prior to the step of forming the metal layer on the surface of the substrate, the micro-united irregularities Forming method may be one of a belt polishing process, a semiconductor etching process, a hot embossing process and an imprinting process.

그리고 기재의 표면에 금속층을 형성하는 단계에서 기재의 표면 전체에 금속층을 형성하는 경우, 금속층이 박리되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 기재 표면의 70%미만에만 금속층을 형성하는 것이 좋다. 이때, 기재의 표면에 금속층을 형성하는 전기화학적 방법은 전기도금방법일 수 있다.When the metal layer is formed on the entire surface of the substrate in the step of forming the metal layer on the surface of the substrate, problems such as peeling of the metal layer may occur. Therefore, it is preferable to form the metal layer only less than 70% of the surface of the substrate. In this case, the electrochemical method of forming the metal layer on the surface of the substrate may be an electroplating method.

또한, 상기 기재는 다양한 재료가 가능하지만 강재일 수 있으며, 특히 스테인리스 강재가 바람직하다.In addition, the substrate may be a variety of materials, but may be steel, and stainless steel is particularly preferable.

나아가 금속층의 형성에 사용되는 금속재료는 구리일 수 있으며, 이 경우 구리 금속층이 형성된 기재에 무산소 상태인 0.5~5M 농도의 KOH 전해질 용액 또는 0.5~5M 농도의 KOH와 KCl를 혼합한 전해질 용액에서 0.05~5㎃/㎠ 전류밀도로 50~2000초 동안 양극산화과정을 실시하여 나노구조의 금속산화물층을 형성하는 것이 좋다.Furthermore, the metal material used to form the metal layer may be copper. In this case, the base material on which the copper metal layer is formed may be 0.05 in an oxygen-free KOH electrolyte solution having a concentration of 0.5 to 5 M or an electrolyte solution containing KOH and KCl at a concentration of 0.5 to 5 M. Anodizing for 50 to 2000 seconds at a current density of ~ 5 mA / cm 2 is preferred to form a nanostructured metal oxide layer.

금속산화물층 표면에 형성되는 유기단분자층의 재료로는 티올 또는 실란 계열 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 실란 계열 화합물로는 R-Si-(OR)3계열 화합물, R-Si-Cl3계열 화합물 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, R-Si-(OR)3계열 화합물의 대표적인 예로는 n-옥타데실트리메톡시실란, n-옥타데실트리에톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실 란 등이 있고, R-Si-Cl3계열 화합물의 대표적인 예로는 n-옥타데실트리클로로실란, n-옥타트리클로로실란, n-프로필트리클로로실란 등이 있다. It is preferable to use a thiol or a silane-based compound as a material of the organic monomer layer formed on the metal oxide layer surface. Herein, as the silane-based compound, an R-Si- (OR) 3- based compound, an R-Si-Cl 3- based compound, or a mixture thereof may be used. A representative example of the R-Si- (OR) 3- based compound may include n. Octadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltriethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane and the like, and R-Si-Cl Representative examples of the class 3 compounds include n-octadecyltrichlorosilane, n-octatrichlorosilane, n-propyltrichlorosilane, and the like.

그리고 본 발명에 의한 초소수성 재료는, 다양한 재질의 기재; 상기 기재의 표면에 전기화학적인 방법으로 형성되고, 양극산화방법으로 산화되어 형성된 나노구조의 금속산화물층; 및 상기 금속산화물층의 표면에 형성된 소수성 유기 단분자층을 포함하며, 물에 대한 접촉각이 150° 이상인 것을 특징으로 한다.And the superhydrophobic material according to the present invention, the base material of various materials; A nanostructure metal oxide layer formed on the surface of the substrate by an electrochemical method and oxidized by an anodization method; And a hydrophobic organic monomolecular layer formed on the surface of the metal oxide layer, wherein the contact angle with respect to water is 150 ° or more.

이때, 금속산화물층이 기재 표면의 70% 미만을 덮고 있는 것이 좋으며, 금속산화물층이 구리산화물인 것이 바람직하다.At this time, the metal oxide layer preferably covers less than 70% of the surface of the substrate, and the metal oxide layer is preferably copper oxide.

그리고 기재는 강재일 수 있으며, 특히 스테인리스 강재가 바람직하다.And the substrate may be steel, in particular stainless steel is preferred.

또한, 금속산화물층 표면에 형성되는 유기단분자층의 재료로는 티올 또는 실란 계열 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 실란 계열 화합물로는 R-Si-(OR)3계열 화합물, R-Si-Cl3계열 화합물 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, R-Si-(OR)3계열 화합물의 대표적인 예로는 n-옥타데실트리메톡시실란, n-옥타데실트리에톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, n-프로필트리메톡시실란, n-프로필트리에톡시실란 등이 있고, R-Si-Cl3계열 화합물의 대표적인 예로는 n-옥타데실트리클로로실란, n-옥타트리클로로실란, n-프로필트리클로로실란 등이 있다.In addition, it is preferable to use a thiol or a silane-based compound as a material of the organic monomer layer formed on the surface of the metal oxide layer. Herein, as the silane-based compound, an R-Si- (OR) 3- based compound, an R-Si-Cl 3- based compound, or a mixture thereof may be used. A representative example of the R-Si- (OR) 3- based compound may include n. Octadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltriethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, and the like, and R-Si-Cl 3 Representative examples of the class compounds include n-octadecyltrichlorosilane, n-octatrichlorosilane, n-propyltrichlorosilane, and the like.

본 발명에 따르면, 전기화학적인 방법을 사용하여 초소수성 표면을 갖는 재료를 제조함으로써 대면적의 재료에 사용이 가능하고, 고가의 장비나 재료를 사용 할 필요가 없어 생산비가 감소하는 효과가 있다.According to the present invention, a material having a superhydrophobic surface is manufactured using an electrochemical method, so that it can be used for a large area material, and there is no need to use expensive equipment or materials, thereby reducing the production cost.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도면에서 막의 두께 또는 크기는 명확한 설명을 위하여 과장된 것이다.The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. The thickness or size of the membrane in the drawings is exaggerated for clarity.

도 1은 본 발명에 따른 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법의 실시예를 나타내는 공정도이고, 도 2a 내지 도 2d는 도 1의 공정에 따른 개요를 보여주는 도면이다.1 is a process diagram showing an embodiment of a method for producing a material having a superhydrophobic surface according to the present invention, Figures 2a to 2d is a view showing an overview according to the process of FIG.

먼저, 도 2a와 같이 표면 처리용 기재(10)를 준비한다. 본 실시예에서는 크롬을 첨가하여 방식성을 높인 스테인리스 강재를 기재로서 사용하였다. 스테인리스 강재는 강판제조 과정에서 마지막 표면처리 공정에 따라서 다양한 제품이 존재하는데, 시중에 시판되는 상용화된 스테인리스 강재를 사용하였다.First, the substrate 10 for surface treatment is prepared as shown in FIG. 2A. In this embodiment, a stainless steel having anticorrosive properties by adding chromium was used as a substrate. Stainless steels have various products depending on the last surface treatment process in the steel sheet manufacturing process, commercially available stainless steels were used.

도 3a 와 도 3b는 본 실시예에서 사용한 두 종류의 스테인리스 강재 표면에 대한 광학 현미경 사진이다. 도 3a는 상용되는 스테인리스 강재인 No.2B 제품의 표면이고, 도 3b는 상용되는 스테인리스 강 304 제품을 150~180번 입도의 연마 벨트로 연마한 스테인리스 강 304 No.4의 표면을 보여준다. 두 사진에서 두 제품 모두가 수십 마이크로 단위의 줄무늬 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 이러한 마이크로 단위의 표면 요철에 의해, 전기화학적 방법으로 금속층을 형성할 때 금속입자의 부착이 용이해지고, 양극산화 방법으로 나노구조의 금속산화물층을 형성함에 있어서도 유리하게 작용한다. 특히 도 3b에 나타난 스테인리스 강의 경우 인위적으로 마이크로 단위의 요철을 스테인리스 강재의 표면에 형성시킴으로써 넓고 깊은 줄 패턴이 형성됨을 알 수 있다.3A and 3B are optical micrographs of two kinds of stainless steel surfaces used in this example. Figure 3a is the surface of the No.2B product of commercially available stainless steel, Figure 3b shows the surface of stainless steel 304 No.4 polished commercially available stainless steel 304 product with an abrasive belt of 150 to 180 particle size. In both pictures, we can see that both products have dozens of microscopic stripes. The surface irregularities of the micro units facilitate the adhesion of the metal particles when the metal layer is formed by the electrochemical method, and also advantageously work to form the nanostructure metal oxide layer by the anodization method. In particular, in the case of the stainless steel shown in Figure 3b it can be seen that by forming artificially irregular micro-units on the surface of the stainless steel, a wide and deep string pattern is formed.

도 4a 내지 도 4d는 상기한 연마벨트를 이용하는 방법 외에 인위적인 방법으로 기재 표면에 마이크로 단위의 요철을 형성한 결과를 나타내는 도면이다. 도 4a는 반도체에서 흔히 사용되는 리소그래피공정 또는 식각공정을 통해 마이크로 단위의 요철을 형성한 단면을 나타내는 도면이며, 도 4c는 이러한 반도체 공정을 통하여 요철이 형성된 스테인리스 강재의 표면을 찍은 SEM사진이다. 도 4b는 임프린팅 또는 핫엠보싱 공정을 이용하여 마이크로 단위의 요철을 형성한 단면을 나타내는 도면이며, 도 4d는 임프린팅 또는 핫엠보싱 공정을 통하여 요철이 형성된 스테인리스 강재의 표면을 찍은 SEM사진이다. 임프린팅 또는 핫엠보싱 공정은 기판에 광감응성 유기소재를 코팅한 후에 몰드로 강하게 눌러서 유기소재에 마이크로 크기의 형상을 형성하는 방법이다.4A to 4D illustrate the results of forming irregularities in micro units on the surface of the substrate by an artificial method in addition to the above-described method of using the polishing belt. FIG. 4A is a view showing a cross section in which micro irregularities are formed through a lithography process or an etching process commonly used in a semiconductor, and FIG. 4C is a SEM photograph of the surface of a stainless steel having irregularities formed through such a semiconductor process. 4B is a view showing a cross section in which micro irregularities are formed by using an imprinting or hot embossing process, and FIG. 4D is a SEM photograph of the surface of a stainless steel having irregularities formed through an imprinting or hot embossing process. An imprinting or hot embossing process is a method of forming a micro-sized shape on an organic material by coating a photosensitive organic material on a substrate and pressing it strongly with a mold.

다음으로 도 2b와 같이 마이크로 단위의 요철이 표면에 형성된 스테인리스 강 기재(10) 표면에 전기화학적인 방법으로 금속층(20)을 형성한다. 금속층(20)을 형성하는 대표적인 전기화학적인 방법은 전기도금이다. 전기도금은 다양한 금속을 표면에 증착시킬 수 있으며, 넓은 면적에 실시하는 경우에도 비용이 저렴하고 속도도 빠른 방법이다. 본 발명은 일반적으로 알려진 도금기술을 그대로 사용할 수 있으며, 특히 본 실시예에서는 금속재료로 구리를 사용하였다. 다만, 금속층(20)이 기재(10) 표면의 전부를 덮는 경우에는 기재(10)의 질감을 잃어버리고, 금속층(20)이 박리되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 기재(10) 표면의 일부분, 즉 기재 표면 면적의 70%미만이 덮일 적도로 금속층(20)을 형성하였다. 이러한 도금 면적은 도금을 실시하는 시간과 전류밀도를 제어하는 방법으로 쉽게 조절할 수 있다.Next, as shown in FIG. 2B, the metal layer 20 is formed on the surface of the stainless steel substrate 10 having the unevenness of micro units formed on the surface thereof by an electrochemical method. A representative electrochemical method of forming the metal layer 20 is electroplating. Electroplating can deposit a variety of metals on the surface, and is a low cost and fast method even in large areas. In the present invention, a known plating technique may be used as it is, and in this embodiment, copper is used as the metal material. However, when the metal layer 20 covers the entire surface of the substrate 10, problems such as loss of the texture of the substrate 10 and peeling of the metal layer 20 may occur. Accordingly, the metal layer 20 was formed to cover a portion of the surface of the substrate 10, that is, less than 70% of the substrate surface area. This plating area can be easily adjusted by controlling the plating time and the current density.

도 5는 도금을 통하여 구리 금속층(20)을 형성한 스테인리스 강 기재(10)의 표면에 대한 전자현미경 사진이다. 기재(10)는 3~10㎠의 표면적을 갖는 스테인리스 강 304 No.4를 벨트 연마하여 사용하였으며, 도금 전에 초음파진동 조건하에서 아세톤-에탄올-물에서 각각 5분씩 세척한 후에 70℃ 핫플레이트에서 건조하였다. 구리 도금액은 1리터 수용액에 150g 황산구리, 120㎎ 염화구리 및 60㎖ 황산을 녹여서 제작하였다. 구리 이온 소스로 사용된 지름 3㎜의 구리봉도 염산 수용액에서 수분 정도 담가 표면에 존재하는 이물질은 세척하였다. 실온의 교반조건 하에서 5㎃/㎠의 전류밀도로 100초 동안 도금을 실시한 결과, 구리입자들이 벨트연마에 의해서 형성된 줄무늬 방향을 따라서 증착된 것을 확인할 수 있다. 다양한 실험 결과 원하는 정도의 구리입자를 도금하기 위해서는 1~10㎃/㎠의 전류밀도로 50~600초 동안 도금을 실시하여야 하는 것을 확인 할 수 있었다.FIG. 5 is an electron micrograph of the surface of the stainless steel substrate 10 having the copper metal layer 20 formed by plating. Substrate 10 was used by belt polishing stainless steel 304 No. 4 having a surface area of 3 ~ 10 ㎠, and washed in acetone-ethanol-water for 5 minutes under ultrasonic vibration conditions before plating, and then dried on a 70 ℃ hot plate It was. The copper plating solution was prepared by dissolving 150 g copper sulfate, 120 mg copper chloride and 60 ml sulfuric acid in a 1 liter aqueous solution. A 3 mm diameter copper rod used as a copper ion source was also immersed in a hydrochloric acid aqueous solution for about a few minutes to remove foreign substances on the surface. As a result of plating for 100 seconds at a current density of 5 mA / cm 2 under agitation conditions of room temperature, it can be seen that copper particles were deposited along the stripe direction formed by belt polishing. As a result of various experiments, it was confirmed that the plating should be performed for 50 to 600 seconds at a current density of 1 to 10㎃ / ㎠ in order to plate the desired copper particles.

다음으로 도 2c에 나타난 바와 같이, 구리 금속층(20)을 양극산화공정을 이용하여 산화시킴으로써 나노구조의 금속산화물층(30)을 형성한다. 금속층(20)에 양극산화 공정을 실시하면, 금속입자가 일정한 방향으로 성장하여 금속산화물 나노선을 형성하며, 나노선의 성장과 함께 금속산화물에는 많은 기공이 형성되기 때문에, 공정을 마친 금속산화물층(30)은 나노단위의 미세구조를 갖는다. 적절한 나노단위의 미세구조를 형성하기 위해서는 적절한 전해질 용액과 전류밀도 조건하에서 전기화학적 양극 산화반응을 일으켜야 하며, 이는 구리입자의 경우에 무산소 상태 인 0.5~5M 농도의 KOH 전해질 용액 또는 0.5~5M 농도의 KOH와 KCl을 다양한 비율로 혼합한 전해질 용액에서 0.05~5㎃/㎠ 전류밀도로 50~2000초 동안 양극산화과정을 실시하여야 하는 것으로 확인되었다.Next, as shown in Figure 2c, by oxidizing the copper metal layer 20 using an anodizing process to form a metal oxide layer 30 of the nanostructure. When the anodizing process is performed on the metal layer 20, the metal particles grow in a predetermined direction to form metal oxide nanowires, and as the nanowires grow, many pores are formed in the metal oxide, thus completing the metal oxide layer ( 30) has a nanostructured microstructure. In order to form an appropriate microstructure of nanounits, electrochemical anodic oxidation should be performed under suitable electrolyte solution and current density conditions. In the case of copper particles, 0.5-5 M KOH electrolyte solution or 0.5-5 M It was confirmed that the anodizing process should be performed for 50 to 2000 seconds at a current density of 0.05 to 5 mA / cm 2 in an electrolyte solution containing KOH and KCl in various ratios.

도 6은 양극산화공정을 통해 나노구조가 형성된 금속산화물층(30) 표면의 SEM 사진이다. 2M의 KOH 전해질 용액에서 1㎃/㎠ 전류밀도로 300초 동안 양극산화를 실시하였으며, 나노선과 기공이 형성된 구리 금속산화물층(30) 표면을 확인할 수 있다.6 is a SEM photograph of the surface of the metal oxide layer 30 in which the nanostructure is formed through an anodization process. Anodization was performed for 300 seconds at a current density of 1 mA / cm 2 in a 2 M KOH electrolyte solution, and the surface of the copper metal oxide layer 30 in which the nanowires and pores were formed was confirmed.

마지막으로, 도 2d에 나타낸 바와 같이 나노구조를 갖는 금속산화물층(30) 위에 소수성 유기단분자층(40)을 형성한다. 소수성 유기물 재료로는 티올 또는 실란 계열 화합물을 이용할 수 있다. 티올 계열 화합물과 실란 계열 화합물은 금속산화물이 표면에 형성된 시료를 이들 용액에 일정시간 담그기만 하면 자발적으로 단분자층을 형성한다. 이러한 자발적 형성의 이유는 티올 계열 화합물의 경우에 티올(-SH) 그룹이 금속산화물 표면에 다량으로 존재하는 하이드록시(-OH) 그룹과 강한 공유결합을 형성하기 때문인 것으로 추정된다. 실란 계열 화합물의 경우에도 하이드록시 그룹과 강한 공유결합을 하는 것으로 알려져 있다. 티올 또는 실란 계열 화합물의 소수성을 향상시키기 위해서는 화합물의 다른 끝단이 일반적으로 선형구조를 갖는 탄화수소 또는 탄화플루오린 그룹을 갖는 것이 유리하다. 따라서 8개의 탄소를 갖는 옥탄 티올 대신에 18개의 탄소를 갖는 도데실옥탄 티올 등과 같은 화합물이 유리할 것이다. 하지만, 탄소의 개수가 증가하면 극성용매에 대한 용해도가 저하되어 40℃ 정도의 온도에서 실시해야하는 단점이 있다. 티올 화합물은 일반적으로 에탄올에 티올 화합물이 2~10mM 정도가 되도록 만들어 사용한다. 그리고 유기단분자층을 형성하기 위해서는 기재를 준비한 용액에 10~24시간 정도 넣어 두면 특성이 좋은 단분자막이 형성된다고 알려져 있으나, 10~24시간 동안 실시하는 경우 공정이 너무 늦어지는 문제가 있다. 본 실험에서 구리 금속산화물층이 형성된 경우에 옥탄 티올 용액에 5분정도만 담가도 초소수성이 나타남을 확인하였다.Finally, as shown in FIG. 2D, the hydrophobic organic monomer layer 40 is formed on the metal oxide layer 30 having the nanostructure. As the hydrophobic organic material, thiol or a silane compound may be used. Thiol-based compounds and silane-based compounds spontaneously form monomolecular layers simply by immersing a sample of metal oxides on the surface for a predetermined time. The reason for such spontaneous formation is that thiol (-SH) group in the case of thiol-based compound is assumed to form a strong covalent bond with the hydroxy (-OH) group present in a large amount on the metal oxide surface. Silane-based compounds are also known to have strong covalent bonds with hydroxy groups. In order to improve the hydrophobicity of thiol or silane based compounds, it is advantageous for the other end of the compound to have a hydrocarbon or fluorocarbon group with a generally linear structure. Thus, instead of octane thiol having 8 carbons, compounds such as dodecyloctane thiol having 18 carbons and the like will be advantageous. However, when the number of carbon is increased, there is a disadvantage that the solubility in the polar solvent is reduced to be carried out at a temperature of about 40 ℃. The thiol compound is generally used in ethanol so that the thiol compound is about 2 ~ 10mM. In order to form the organic monomolecular layer, it is known that a monomolecular film having good properties is formed by putting it in a solution prepared for a substrate for about 10 to 24 hours, but the process is too late when performed for 10 to 24 hours. In this experiment, when the copper metal oxide layer was formed, it was confirmed that superhydrophobicity appeared even after soaking in the octane thiol solution for about 5 minutes.

도 7은 표면에 나노구조의 구리 금속산화물층(30)이 형성된 시료를 옥탄 티올 용액에 10분정도 담가서 자발적인 유기 단분자층(40)이 형성된 모습을 나타내는 사진이며, 도 8은 이 시료의 초소수성 특성을 확인하기 위하여, 표면과 물방울의 접촉각을 측정한 사진이다. 측정된 접촉각은 160° 정도로서, 본 실시예에 따라서 제조된 재료가 초소수성을 나타냄을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a photograph showing a spontaneous organic monomolecular layer 40 formed by immersing a sample in which a nanostructured copper metal oxide layer 30 is formed on a surface in an octane thiol solution for about 10 minutes, and FIG. 8 is a superhydrophobic characteristic of the sample. In order to check, the contact angle of the surface and the water droplets is measured. The measured contact angle is about 160 °, and it can be seen that the material prepared according to the present embodiment shows superhydrophobicity.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments. However, the present invention is not limited only to the above-described embodiment, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various changes without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the specific embodiments, but should be construed as defined by the appended claims.

도 1은 본 발명에 따른 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법의 실시예를 나타내는 공정도.1 is a process diagram showing an embodiment of a method for producing a material having a superhydrophobic surface according to the present invention.

도 2a 내지 도 2d는 도 1의 공정에 따른 개요를 보여주는 도면. 2A-2D show an overview according to the process of FIG.

도 3a 와 도 3b는 본 실시예에서 사용한 스테인리스 강재 표면에 대한 광학 현미경 사진.3A and 3B are optical micrographs of the stainless steel surface used in this example.

도 4a 내지 도 4d는 인위적인 방법으로 기재 표면에 마이크로 단위의 요철을 형성한 결과를 나타내는 도면.4A to 4D are diagrams showing the results of forming irregularities in micro units on the surface of a substrate by an artificial method.

도 5는 구리 금속층을 형성한 스테인리스 기재의 표면 전자현미경 사진.5 is a surface electron micrograph of a stainless steel substrate on which a copper metal layer is formed.

도 6은 나노구조가 형성된 금속산화물층 표면의 SEM 사진.6 is a SEM photograph of the surface of the metal oxide layer formed with nanostructures.

도 7은 자발적인 유기 단분자층이 형성된 모습을 나타내는 사진.Figure 7 is a photograph showing the appearance of spontaneous organic monolayer.

도 8은 본 실시예에 따라 제조된 시료와 물방울의 접촉각을 측정한 사진.8 is a photograph measuring the contact angle of the water droplets and the sample prepared according to the present embodiment.

도 9는 표면 미세구조에 따른 초소수성을 나타내는 도면.9 shows superhydrophobicity according to surface microstructure.

도 10은 초소수성 표면의 셀프-클리닝 효과를 나타내는 도면.10 shows the self-cleaning effect of a superhydrophobic surface.

도 11은 초소수성을 갖는 연꽃잎과 그 표면을 확대한 사진을 나타낸 도면.11 is a view showing a magnified photograph of a lotus leaf having superhydrophobicity and its surface;

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art

10 : 기재 20 : 금속층10: base material 20: metal layer

30 : 금속산화물층 40 : 소수성 유기단분자층30: metal oxide layer 40: hydrophobic organic monomer layer

Claims (20)

표면 처리용 기재를 준비하는 단계;Preparing a substrate for surface treatment; 상기 기재의 표면에 전기화학적 방법으로 금속층을 형성하는 단계;Forming a metal layer on the surface of the substrate by an electrochemical method; 상기 금속층을 양극산화 공정으로 산화시켜 나노구조의 금속산화물층을 형성하는 단계; 및Oxidizing the metal layer by an anodizing process to form a metal oxide layer having a nanostructure; And 상기 나노구조의 금속산화물층의 표면에 티올 또는 실란 계열 화합물의 유기단분자층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.Method of producing a material having a super hydrophobic surface comprising the step of forming an organic monomer layer of a thiol or silane-based compound on the surface of the metal oxide layer of the nanostructure. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기재의 표면에 금속층을 형성하는 단계에 앞서, 기재의 표면에 마이크로 단위의 요철을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.Prior to forming the metal layer on the surface of the substrate, the method of producing a material having a superhydrophobic surface, characterized in that it further comprises the step of forming the irregularities of the micro unit on the surface of the substrate. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 기재의 표면에 마이크로 단위의 요철을 형성하는 방법이 벨트연마공정, 반도체식각공정, 핫엠보싱공정 및 임프린팅공정 중에 하나인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.The method of forming the irregularities in micro units on the surface of the substrate is one of a belt polishing process, semiconductor etching process, hot embossing process and imprinting process, characterized in that the manufacturing method of the material having a super hydrophobic surface. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 기재의 표면에 금속층을 형성하는 단계에서, 금속층이 기재 표면의 70%미만을 덮는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.In the step of forming a metal layer on the surface of the substrate, wherein the metal layer covers less than 70% of the surface of the substrate. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 기재의 표면에 금속층을 형성하는 전기화학적 방법이 전기도금방법인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.A method of producing a material having a superhydrophobic surface, characterized in that the electrochemical method for forming a metal layer on the surface of the substrate is an electroplating method. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 기재가 스테인리스 강재인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.A method for producing a material having a superhydrophobic surface, characterized in that the substrate is a stainless steel material. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 금속층을 형성하는 금속재료가 구리인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.And a metal material for forming the metal layer is copper. 제7항에 있어서The method of claim 7, 상기 나노구조의 금속산화물층을 형성하는 단계가 0.5~5M 농도의 KOH 전해질 용액 또는 0.5~5M 농도의 KOH와 KCl를 혼합한 전해질 용액에서 0.05~5㎃/㎠ 전류밀도로 50~2000초 동안 양극산화과정을 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.Forming the metal oxide layer of the nanostructure is a positive electrode for 50 to 2000 seconds at a current density of 0.05 ~ 5 ~ / ㎠ in a 0.5 ~ 5M KOH electrolyte solution or 0.5 ~ 5M KOH and KCl electrolyte solution A method for producing a material having a superhydrophobic surface, characterized by performing an oxidation process. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유기단분자층에 사용되는 실란 계열 화합물이, R-Si-(OR)3계열 화합물 R-Si-Cl3계열 화합물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.A method for producing a material having a superhydrophobic surface, wherein the silane-based compound used in the organic monolayer is an R-Si- (OR) 3- based compound R-Si-Cl 3 -based compound or a mixture thereof. 제10항에 있어서,The method of claim 10, R-Si-(OR)3계열 화합물은, n-옥타데실트리메톡시실란, n-옥타데실트리에톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, n-프로필트리메톡시실란 및 n-프로필트리에톡시실란로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.The R-Si- (OR) 3 series compounds include n-octadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltriethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane and n-propyltri A method for producing a material having a superhydrophobic surface, characterized in that one or a mixture thereof selected from the group consisting of ethoxysilanes. 제10항에 있어서,The method of claim 10, R-Si-Cl3계열 화합물은, n-옥타데실트리클로로실란, n-옥타트리클로로실란 및 n-프로필트리클로로실란으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물 인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법.The R-Si-Cl 3 series compound is superhydrophobic, characterized in that one or a mixture thereof selected from the group consisting of n-octadecyltrichlorosilane, n-octatrichlorosilane and n-propyltrichlorosilane. Method for producing a material having a surface. 기재;materials; 상기 기재의 표면에 전기화학적인 방법으로 코팅된 금속층을 양극산화방법으로 산화하여 형성된 나노구조의 금속산화물층; 및A nanostructure metal oxide layer formed by oxidizing a metal layer coated on the surface of the substrate by an electrochemical method by an anodizing method; And 상기 금속산화물층의 표면에 형성된 티올 또는 실란 계열 화합물의 유기단분자층을 포함하며, 물에 대한 접촉각이 150°이상인 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.A superhydrophobic material comprising an organic terminal layer of a thiol or silane compound formed on the surface of the metal oxide layer, the contact angle to water is 150 ° or more. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 금속산화물층이 상기 기재 표면의 70% 미만을 덮고 있는 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.And the metal oxide layer covers less than 70% of the surface of the substrate. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 기재가 스테인리스 강인 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.The superhydrophobic material, characterized in that the substrate is stainless steel. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 금속산화물층이 구리산화물인 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.Superhydrophobic material, characterized in that the metal oxide layer is a copper oxide. 삭제delete 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 유기단분자층에 사용되는 실란 계열 화합물이, R-Si-(OR)3계열 화합물 R-Si-Cl3계열 화합물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.A superhydrophobic material, wherein the silane-based compound used in the organic monolayer is an R-Si- (OR) 3- based compound R-Si-Cl 3- based compound or a mixture thereof. 제18항에 있어서,The method of claim 18, R-Si-(OR)3계열 화합물은, n-옥타데실트리메톡시실란, n-옥타데실트리에톡시실란, n-옥틸트리에톡시실란, n-프로필트리메톡시실란 및 n-프로필트리에톡시실란로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.The R-Si- (OR) 3 series compounds include n-octadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltriethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane and n-propyltri Superhydrophobic material, characterized in that one or a mixture thereof selected from the group consisting of ethoxysilane. 제18항에 있어서,The method of claim 18, R-Si-Cl3계열 화합물은, n-옥타데실트리클로로실란, n-옥타트리클로로실란 및 n-프로필트리클로로실란으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초소수성 재료.The R-Si-Cl 3 series compound is superhydrophobic, characterized in that one or a mixture thereof selected from the group consisting of n-octadecyltrichlorosilane, n-octatrichlorosilane and n-propyltrichlorosilane. material.
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