KR101317913B1 - 초소수성 및 초발수성을 갖는 하이브리드 투명코팅재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

초소수성 및 초발수성을 갖는 하이브리드 투명코팅재료 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리알킬실록산; 및 실리카 에어로겔로 구성되는 하이브리드 물질로서, 상기 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔이 5:1 ~ 1:1 중량비로 혼합된 초소수성 및 초발수성 특징을 갖는 하이브리드 코팅재료를 개시한다. 본 발명에 따른 코팅재료는 실리카 에어로겔과 폴리알콕시실란의 하이브리드 물질을 형성하여 투명하면서도 유연하고, 초소수성 및 초발수성을 나타낼 수 있어서 코팅할 물질의 미관을 해치지 않고 투명하게 코팅할 수 있을 뿐만 아니라 자가세척 코팅(self-cleaning coating) 또는 방오코팅으로 응용할 수 있다.

Description

초소수성 및 초발수성을 갖는 하이브리드 투명코팅재료 및 이의 제조방법{Hybrid transparent coating material having superhydrophobicity and method of the material}
본 발명은 초소수성 및 초발수성을 갖는 하이브리드 투명코팅재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔을 이용하여 투명하면서도 안정하고 초소수성과 초발수성 특성을 나타내는 하이브리드 투명코팅재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
재료표면의 물(water)과의 젖음성은 표면의 화학적 처리와 표면 구조를 제어함으로써 조절 가능하다고 알려져 있다. 일반적으로 발수 특성을 갖는 표면에서의 물과의 접촉각은 매끄러운 표면에서 화학적 처리를 통하여 100 ~ 120°까지 도달이 가능하다. 이러한 화학적 특성을 갖는 표면이 마이크로나 나노 패턴의 표면 조도가 증가하는 경우 접촉각이 150 ~ 170°까지 도달하는데 이것을 초발수성(撥水性) 표면이라고 한다.
초발수성 표면에서는 물방울이 표면에 맺히지 못하고 접촉하는 경우 미끄러져 표면을 이탈하게 된다. 이러한 과정 중에 자동적으로 표면이 세척될 수 있게 되는데 이를 자기정화 (self-cleaning) 이라고 하며 이러한 효과는 연잎 표면에서 쉽게 관찰되며 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 특성은 미세유체 장치에 응용되어 유체 및 물방울의 흐름에 대한 저항성이 적은 채널 내벽표면으로도 사용될 수 있다. 물 등의 유체를 고체 표면에 흘릴 때 많은 에너지가 필요하게 되면 그 표면의 응용, 특히 유체의 유동을 포함하는 응용에 커다란 제약 요소가 된다. 대부분의 응용에서 표면 위로 흐르는 물방울의 정접촉각 (Static Contact Angle)과 접촉각 이력 (Contact Angle Hysteresis) 특성은 중요한 지표가 된다.
거친 표면의 접촉각이 증가하는 것은 다음 두 모델을 이용하여 설명이 가능하다. Wenzel는 물방울 아래의 면적이 완전히 젖었다고 가정한다. 이 경우에서 거친 표면은 고체와 액체 사이의 접촉면적을 증가시키는 효과를 가져와 접촉각을 증가시킨다. 반면에 Cassie와 Baxter는 물방울 아래 공기가 표면에 갇힌 상태로 남아 있다고 가정한다. 그 결과 고체와 물방울 사이의 접촉 면적이 감소하고 접촉각이 증가한다. 여기서 이중 조도를 갖는 표면은 같은 원리로 공기 중에서 물방울의 접촉각을 증가시킨다.
접촉각 이력은 열역학적 모델에 토대를 두고 여러 연구보고가 있었다. Lafuma 와 Quere은 젖은 표면의 접촉각 이력이 액체를 고정시키는 효과를 가진 합성 표면에서보다 크다는 것을 보였다. McHale et al.는 이론적으로 젖은 표면은 흡착성이 뛰어나고 반면에 합성 표면에 미끄러지는 성질을 가진다고 예견했다. 이전의 연구들은 접촉각 이력이 작은 초발수성 표면을 얻기 위하여 고체와 액체 사이의 접촉면적을 줄이는 것을 제안하였다.
국내특허공개번호 제2009-0115783호는 소수성 실리카를 포함하는 실론 가교결합성 일액성 실리콘 고무 조성물을 개시하고 있다. 상기 문헌은 소수성 실리카와 오가노폴리실록산을 포함하는 실온 가교결합형 일액형 실리콘 고무 조성물을 개시하고 있다. 그러나 원하는 정도의 초소수성 및 초발수성을 얻을 수 없으며, 고무 조성물이라는 문제점이 있었다.
최근 많은 연구자들은 자기정화 효과를 갖는 표면을 얻기 위하여 연꽃잎을 모방한 이중조도 표면을 연구하고 있다. Patankar은 접촉각 이력에 대한 충분한 언급이 이루어져 있지 않지만, 이론적으로 이중조도 표면은 단일조도 표면보다 높은 발수성을 보인다는 결과를 제안하였다. 실험에서 여러 방법을 이용하여 이중조도 표면에서 접촉각 이력을 이용하여 초발수성을 측정하였다. 그러나 적당한 표면처리를 한 단일조도 표면도 미끄러운 표면과 유사한 특성을 나타내었다. 그러므로 초발수성의 미끄러운 표면이 오로지 이중의 표면 조도 때문이라고 보기 어렵다는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 두 가지 재료를 사용함으로써 초소수성, 초발수성 및 소유성 특징을 나타내는 하이브리드 투명코팅재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 두 가지 재료를 사용함으로써 초소수성, 초발수성 및 소유성 특징을 나타내는 하이브리드 투명코팅재료의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 두 가지 재료를 사용함으로써 초소수성, 초발수성 및 소유성 특징을 나타내는 하이브리드 투명코팅재료로부터 형성된 투명코팅막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
폴리알킬실록산; 및 실리카 에어로겔로 구성되는 하이브리드 물질로서,
상기 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔이 5:1 ~ 1:1 중량비로 혼합된 초소수성(疏水性) 및 초발수성(撥水性) 특징을 갖는 하이브리드 투명코팅재료를 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
폴리알킬실록산을 형성하는 단계;
실리카 에어로겔을 형성하는 단계; 및
상기 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔을 각각 5:1 ~ 1:1 중량비로 혼합하여 초소수성 및 초발수성 특징을 갖는 하이브리드 투명코팅재료의 제조방법을 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
상기 투명코팅재료를 이용하여 형성된 초소수성 및 초발수성 특징을 갖는 하이브리드 투명코팅막을 제공한다.
본 발명에 따른 투명코팅재료는 실리카 에어로겔과 폴리알콕시실란의 하이브리드 물질을 형성하여 투명하면서도 유연하고, 초소수성 및 초발수성을 나타낼 수 있어서 코팅할 물질의 미관을 해치지 않고 투명하게 코팅할 수 있을 뿐만 아니라 자가세척 코팅(self-cleaning coating) 또는 방오코팅으로 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MA, MB, MC, MD, ME를 유리 기판에 코팅한 다음 그 투명도를 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 EA, EB, EC, ED, EE를 유리 기판에 코팅한 다음 그 투명도를 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MA, MB, MC, MD, ME의 투명도 사진을 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EA, EB, EC, ED, EE의 투명도 사진을 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 SEM 이미지 사진을 도시한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 실리카 에어로겔의 AFM 이미지 사진들을 도시한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 실리카 에어로겔과 폴리머 하이브리드 물질의 AFM 이미지 사진들을 도시한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 물질의 접촉각을 도시한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 폴리알킬실록산; 및 실리카 에어로겔로 구성되는 하이브리드 물질로서, 상기 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔이 적절한 중량비로 혼합된 초소수성 및 초발수성을 갖는 하이브리드 투명코팅재료를 제공한다.
본 발명은 초소수 특성을 가지는 실리카 에어로겔을 개질된 폴리알킬실록산(polyalkylsiloxane) 고분자와 하이브리드화 함으로써 코팅 표면의 거칠기를 조절하여 초소수 코팅막을 제조하기 위한 투명코팅재료과 투명코팅재료의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 또한 이를 자가 세척 코팅 (self-cleaning coating) 또는 방오 코팅으로 응용할 수 있다.
본 발명에서 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔은 5:1 ~ 1:1 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 폴리알킬실록산 함량이 실리카 에어로겔에 대하여 중량비로 5:1보다 많은 경우에는 실리카 에어로겔의 함량이 너무 적어서 본 발명에서 요구하는 초소수성 효과를 얻을 수 없어서 바람직하지 못하고, 폴리알킬실록산의 함량이 실리카 에어로겔에 대하여 중량비로 1:1보다 적은 경우에는 실리카 에어로겔의 함량이 너무 많게 되어 코팅막의 표면이 뿌옇게 되어 투명성이 급격히 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
폴리머로 사용되는 폴리알킬실록산은 소수특성, 투명성, 유연성, 안정성 등이 우수할 뿐 아니라 가격이 저렴하여 상용화에 유리하다. 실리카 에어로겔과 함께 사용되는 폴리알킬실록산 폴리머는 하이브리드 물질의 초소수성 특성을 향상시키는데 크게 기여한다. 또한, 하이브리드 물질의 기반이 되는 폴리머의 투명성은 이 물질의 응용 가능성을 높여주어 코팅할 물질의 미관을 해치지 않고 투명하게 코팅할 수 있는 장점을 가지게 해 준다.
또한 폴리알킬실록산은 그 자체가 유연한 네트워크 구조를 가지기 때문에 만들어진 하이브리드 물질도 유연하게 만들어 주어 곡면 코팅이 가능하도록 하고 코팅 후에도 초소수 특성을 가질 수 있도록 하는데 기여한다.
상기 폴리알킬실록산으로는 폴리메틸실록산 및 폴리에틸실록산 중에서 선택된 하나인 것이 바람직하다. 여기서 폴리알킬실록산은 폴리메틸하이드록시실록산 및 폴리에틸하이드록시실록산 중에서 선택된 하나로부터 얻어질 수 있다.
실리카 에어로겔 물질은 그 자체만으로도 초소수 특성을 가지며, 이를 폴리알킬실록산 폴리머와 하이브리드화 하게 되면 에어로겔 물질의 초소수 특성이 더욱 향상되며, 투명성과 안정성이 증가된 초소수성 하이브리드 물질을 제조할 수 있다.
상기 실리카 에어로겔은 메틸트리메톡시실란 또는 메틸트리에톡시실란으로부터 선택될 수 있다. 실리카 에어로겔은 폴리메틸트리알콕시실란(CH2)n (예: n=1~8)의 가수분해, 축합 반응에 의해 알코올 용매 하에서 제조할 수 있다. 구체적으로는 실리카 에어로겔은 메틸트리에톡시실란과 알코올(예: 메탄올)의 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물에 옥살산 용액을 첨가하고 교반한 다음 암모늄하이드록시드 용액을 첨가하고 알코올(예: 메탄올)을 추가한 다음 균질화하여 얻어질 수 있다.
또한 종래의 초소수성을 나타내는 하이브리드 기술들과 명확히 구별하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 단순히 실리카 물질이 아닌 실리카 에어로겔을 사용하였다. 에어로겔은 미세 기공을 포함하는 구조로 되어 있으며, 그 겉보기 밀도가 공기보다도 가벼워 세상에서 가장 가벼운 고체라는 별칭을 가지고 있다.
초소수 특성을 나타내기 위한 조건 중의 하나는 물질의 표면 거칠기를 높이는 것이다. 표면 거칠기가 높아지면, 물층 아래에 공기층을 머금는 모양이 생겨 초소수 특성이 구현되는 것이다. 에어로겔의 경우에는 이러한 구조를 가지고 있어, 초소수성 하이브리드 물질에 매우 적합하다.
본 발명에 따른 투명재료의 표면거칠기 RMS(Root mean square)값은 200 내지 250nm인 것이 바람직하다. RMS의 수치가 증가한다는 것은 그만큼 표면의 거칠기가 증가한다는 것을 의미한다. 일반적으로 실리카 에어로겔의 경우 그 자체만으로 약 86.0 nm 내지 116.0 nm를 나타내므로 폴리알킬실록산을 첨가하여 하이브리드 재료를 제조함으로써 표면거칠기가 매우 증가된다. 따라서 본 발명에 따른 하이브리드화에 의하여 재료의 표면거칠기가 증가됨으로써 초소수성 및 초발수성이 증가된다고 할 수 있다.
본 발명에 따라 합성된 하이브리드 투명코팅재료는 물과의 접촉각[물방울의 정접촉각 (Static Contact Angle)]이 140 내지 180°인 것이 바람직하다. 상기 언급한 바와 같이 일반적으로 물발울과의 정접촉각이 150 ~ 170°인 경우를 초발수성 표면이라고 할 수 있으므로 본 발명에 따른 투명코팅재료는 충분히 초발수성 성질을 나타낸다고 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 투명코팅재료를 이용하여 형성된 초소수(疏水)성 및 초발수 성특징을 갖는 하이브리드 투명코팅막을 제공한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이하에서 기술하는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
실시예
실리카 에어로겔의 합성
실시예 A
메틸트리메톡시실란 1g과 메틸알콜 9.740g을 옥살산 용액 0.5g(0.001g)과 혼합하여 30분 동안 교반하고 실온에서 24시간 동안 방치하였다. 암모늄 하이드록시드 용액 0.61g(11.2M)을 추가로 투입하고 15분 동안 교반한 다음 실온에서 48시간 동안 방치하였다. 여기에 메탄올 10g을 혼합하고 5분 동안 균질화시킨 다음 글라스 위에 2000rpm으로 1분 동안 스핀코팅하였다. 이를 실온에서 밤새 건조시켰다.
실시예 B
메틸트리에톡시실란 1g과 메틸알콜 9.740g을 옥살산 용액 0.5g(0.001g)과 혼합하여 30분 동안 교반하고 실온에서 24시간 동안 방치하였다. 암모늄 하이드록시드 용액 0.61g(11.2M)을 추가로 투입하고 15분 동안 교반한 다음 실온에서 48시간 동안 방치하였다. 여기에 메탄올 10g을 혼합하고 5분 동안 균질화시킨 다음 글라스 위에 2000rpm으로 1분 동안 스핀코팅하였다. 이를 실온에서 밤새 건조시켰다.
폴리메틸하이드록시실록산의 합성
폴리메틸하이드록시실란 4.70g과 에탄올 70 ml을 혼합하고 5분 동안 교반하였다. 소듐 하이드록시드 용액 0.008g을 추가하고 실온에서 24시간 동안 교반하였다. 폴리메틸실록산(PMOH) 겔을 80℃에서 건조하고 갈아서 수회 물 2mL로 세척하였고, 40℃에서 진공건조하여 PMOHs 분말을 제조하였다.
폴리메틸실록산 /실리카 에어로겔 하이브리드의 합성
실시예 A - 1
폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 0.1g과 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 A로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.02g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(MB)를 완성하였다. 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔 하이브리드 물질을 제조하는 과정을 다음의 반응식 1로 도시한다.
<반응식 1>
Figure 112012002679764-pat00001

실시예 A - 2
PMOHs 0.1g와 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 A로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.05g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(MC)를 완성하였다.
실시예 A - 3
PMOHs 0.1g와 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 A로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.08g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(MD)를 완성하였다.
실시예 A - 4
PMOHs 0.1g와 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 A로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.1g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(ME)를 완성하였다.
비교예 A - 1
폴리메틸하이드록시실란 4.70g과 에탄올 70 ml을 혼합하고 5분 동안 교반하였다. 소듐 하이드록시드 용액 0.008g을 추가하고 실온에서 24시간 동안 교반하였다. 폴리메틸실록산(PMOH) 겔을 80℃에서 건조하고 갈아서 수회 물 2mL로 세척하였고, 40℃에서 진공건조하여 PMOHs 분말을 제조하였다.
PMOHs 0.1g와 메탄올을 혼합하고 5분간 교반하였다. 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 폴리메틸실록산 폴리머(MA)를 형성하고 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅하였다. 실온에서 밤새 건조하여 완성하였다.
실시예 B - 1
폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 0.1g과 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 B로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.02g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(EB)를 완성하였다.
실시예 B - 2
폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 0.1g과 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 B로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.05g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(EC)를 완성하였다.
실시예 B - 3
폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 0.1g과 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 B로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.08g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(ED)를 완성하였다.
실시예 B - 4
폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 0.1g과 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 이어서 상기 폴리메틸하이드록시실록산(PMOHs) 혼합물에 실시예 B로부터 얻어진 실리카 에어로겔 0.1g과 메탄올 5g의 혼합물을 추가하여 혼합하고 실온에서 15분간 교반한 후, 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 이에 따라 상기 혼합물은 폴리메틸실록산과 실리카 에어로겔의 하이브리드를 형성하고, 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅한 후, 실온에서 밤새 건조하여 폴리메틸실록산/실리카 에어로겔 하이브리드(EE)를 완성하였다.
비교예 B - 1
폴리메틸하이드록시실란 4.70g과 에탄올 70 ml을 혼합하고 5분 동안 교반하였다. 소듐 하이드록시드 용액 0.008g을 추가하고 실온에서 24시간 동안 교반하였다. 폴리메틸실록산(PMOH) 겔을 80℃에서 건조하고 갈아서 수회 물 2mL로 세척하였고, 40℃에서 진공건조하여 PMOHs 분말을 제조하였다.
PMOHs 0.1g와 메탄올 5g을 혼합하고 5분간 교반하였다. 물을 추가로 혼합하고 24시간 동안 교반하였다. 폴리메틸실록산 폴리머(EA)를 형성하고 이를 2000rpm에서 1분 동안 글라스 상에서 스핀코팅하였다. 실온에서 밤새 건조하여 완성하였다. 비교예 B-1에서 얻어진 폴리메틸실록산 폴리머(EA)는 비교예 A - 1과 실질적으로 동일한 성분을 나타낸다.
결과 및 평가
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들을 유리 기판에 코팅한 다음 그 투명도를 측정한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 다섯 가지 샘플 모두 그 투명도가 80%를 넘어 투명한 것을 확인할 수 있으며 실리카 에어로겔의 함량이 감소할수록 (ME, MD, MC, MB, MA의 순서로) 그 투명도가 증가하는 경향을 보인다. 이것은 실리카 에어로겔의 함량이 증가할수록 하이브리드물질에 더 많은 네트워크들이 형성되어 이처럼 뿌연 색이 나타나는 것이다. 네트워크 구조가 더 형성되면 형성될수록 표면에 나노, 마이크로 사이즈의 미세 거칠기가 생겨 물질의 초소수 특성이 증가되는 것을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 샘플들을 유리 기판에 코팅한 다음 그 투명도를 측정한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 다섯 가지 샘플 모두 그 투명도가 68%를 넘어 투명한 것을 확인할 수 있으며 실리카 에어로겔의 함량이 감소할수록 (EE, ED, EC, EB, EA의 순서로) 그 투명도가 증가하는 경향을 보인다. 이것은 실리카 에어로겔의 함량이 증가할수록 하이브리드물질에 더 많은 네트워크들이 형성되어 이처럼 뿌연 색이 나타나는 것이다. 네트워크 구조가 더 형성되면 형성될수록 표면에 나노, 마이크로 사이즈의 미세 거칠기가 생겨 물질의 초소수 특성이 증가되는 것을 알 수 있다. 도 2의 샘플들이 도 1의 샘플들에 비하여 투명도가 떨어지는 것은 M 시리즈 샘플에 비하여 E 시리즈 샘플에서 더 많은 네트워크가 형성되었기 때문인 것으로 보인다. 투명도가 저하되는 대신 초소수 특성은 더욱 증가되었다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MA, MB, MC, MD, ME의 투명도 사진을 도시하고, 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EA, EB, EC, ED, EE의 투명도 사진을 도시한다. 도 3 및 도 4는 하이브리드 물질을 유리 기판 상에 스핀코팅한 후 직접 사진을 촬영한 것이며, 이 자료를 통하여 필름의 투명도를 재차 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 SEM 이미지 사진들이다.
도 5를 참조하면, 표면의 상태를 확인할 수 있고, 구체적으로는 실리카 에어로겔과 폴리머의 네트워크 구조는 메틸트리메톡시실란으로부터 제조된 실리카 에어로겔의 함량이 증가할수록 복잡해 지는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 사실은 도 1의 내용과 일치하고 있으며, 실리카 에어로겔의 함량이 증가할수록 표면의 거칠기도 증가하여 초소수 특성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 표면의 상태에서 확인할 수 있고, 구체적으로는 실리카 에어로겔과 폴리머의 네트워크 구조는 메틸트리에톡시실란으로부터 제조된 실리카 에어로겔의 함량이 증가할수록 복잡해 지는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 사실은 도 2의 내용과도 일치하고 있으며, 실리카 에어로겔의 함량이 증가할수록 표면의 거칠기도 증가하여 초소수 특성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 실리카 에어로겔의 AFM 이미지 사진들을 도시한다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 메틸트리메톡시실란(mtms)으로부터 제조된 실리카 에어로겔의 RMS 값은 86.582nm, 메틸트리에톡시실란(mtes)으로부터 제조된 실리카 에어로겔의 RMS 값은 115.22nm로 실리카 에어로겔 자체만으로도 비교적 높은 RMS 값을 가지는 것을 알 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 실리카 에어로겔과 폴리머 하이브리드 물질의 AFM 이미지 사진들이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 실리카 에어로겔과 폴리머 하이브리드 물질의 경우에는 RMS 값은 각각 ME가 207.07nm, EE가 244.23nm로 하이브리드 한 후의 RMS 값이 훨씬 큰 것을 보아 표면의 거칠기 정도가 훨씬 증가하였음을 알 수 있으며, 결국 실리카 에어로겔과 폴리머의 하이브리드화 이후 물질의 초소수 특성이 증가하였음을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 물질의 물방울과의 접촉각을 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 메틸트리메톡시실란(MTMS)으로부터 제조된 실리카 에어로겔을 함유하는 하이브리드 물질의 경우((b)MB~(e)ME)는 하이브리드 물질을 포함하지 않는 경우[(a)MA]에 비하여 그 소수 특성이 향상되었으며, 실리카 에어로겔의 함유량이 증가할수록 하이브리드 물질의 소수 특성도 증가하는 것을 알 수 있다. 도 12를 참조하면, 메틸트리에톡시실란(MTES)으로부터 제조된 실리카 에어로겔을 함유하는 하이브리드 물질의 경우((b')EB~(e')EE)는 하이브리드 물질을 포함하지 않는 경우[(a')EA]에 비하여 그 소수 특성이 향상되었으며, 실리카 에어로겔의 함유량이 증가할수록 하이브리드 물질의 소수 특성도 증가하는 것을 알 수 있다.
이상의 결과들로부터, 메틸트리메톡시실란(MTMS), 메틸트리에톡시실란(MTES)으로부터 제조된 실리카 에어로겔을 함유하는 하이브리드 물질의 경우는 실리카 에어로졸을 포함하지 않는 경우(MA, EA)에 비하여 그 소수 특성이 향상되었으며 실리카 에어로겔의 함유량이 증가할수록 하이브리드 물질의 소수 특성도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 폴리알킬실록산; 및 실리카 에어로겔로 구성되는 하이브리드 물질로서,
    상기 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔이 5:1 ~ 1:1 중량비로 혼합된 초소수성 및 초발수성을 갖는 하이브리드 코팅재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리알킬실록산은 폴리메틸실록산 및 폴리에틸실록산 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 코팅재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 에어로겔은 메틸트리메톡시실란 및 메틸트리에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로부터 제조된 것을 특징으로 하는 하이브리드 코팅재료.
  4. 제1항에 있어서,
    물과의 접촉각이 140 내지 180°인 것을 특징으로 하는 하이브리드 코팅재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅재료의 표면거칠기 RMS(Root mean square)값은 200 내지 250nm인 것을 특징으로 하는 하이브리드 코팅재료.
  6. 폴리알킬실록산을 형성하는 단계;
    실리카 에어로겔을 형성하는 단계; 및
    상기 폴리알킬실록산과 실리카 에어로겔을 각각 5:1 ~ 1:1 중량비로 혼합하여 초소수(疏水)성 및 초발수성 특징을 갖는 하이브리드 코팅재료의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리알킬실록산은 폴리메틸하이드록시실록산 및 폴리에틸하이드록시실록산 중에서 선택된 하나로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 코팅재료의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 실리카 에어로겔은 메틸트리에톡시실란과 알코올의 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물에 옥살산 용액을 첨가하고 교반하는 단계; 및
    상기 옥살산 첨가 혼합물에 암모늄하이드록시드 용액을 첨가하고 알코올을 추가한 다음 균질화하는 단계를 포함하는 하이브리드 코팅재료의 제조방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 재료를 이용하여 형성된 초소수성 및 초발수성 특징을 갖는 하이브리드 코팅막.
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