KR101350668B1 - 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법 - Google Patents

나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라스틱 재질의 식품용기에 있어서, 상기 식품용기의 표면에 형성되는 복수의 나노구조체; 및 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 코팅되는 제 1소수성박막; 을 포함하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 소수성뿐만 아니라 우수한 가스차단능력을 보유할 수 있는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법{FOOD CONTAINER HAVING HYDROPHOBIC SURFACE CONSISTING OF NANOSTRUCTURE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 식품용기 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수성 및 가스차단성을 보유하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
식품용기는 식품의 보관 등을 위하여 사용되는 것으로, 최근에는 제작의 용이성 및 단가의 저렴함을 이유로 폴리프로필렌(polypropylene, PP)이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)와 같은 플라스틱 재질로 주로 제조된다.
표면에너지가 비교적 낮은 플라스틱 소재는 순수(pure water)에 대하여 50~80도의 접촉각(contact angle)을 갖는 친수성 소재이다.
표면이 친수성을 갖는다는 것은 표면이 물과의 접촉을 공기와의 접촉보다 선호한다는 것이므로, 이러한 표면에 달라붙은 물은 표면과의 접촉면적이 넓으며, 표면에서 잘 떨어지지 않는다. 즉, 음식물이 표면에 안정적으로 달라붙어 있게 되는 것이다.
이처럼 음식물의 달라붙는 정도가 강한 경우에는 음식물을 제거한 이후에도 식품용기의 표면에 얼룩이 발생하게 되며, 또한 식품용기의 표면과 음식물의 안정적인 접착에 의해 그 표면에 음식 잔여물이 남는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 물을 포함한 음식물이 식품용기 표면에 접착됨으로써 발생하는 얼룩을 방지하고, 식품용기의 표면에 남는 음식 잔여물을 줄이며, 음식물과 식품용기의 접촉면적을 최소화함으로써 식품용기로부터의 유해한 영향을 차단할 수 있는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기는 플라스틱 재질의 식품용기에 있어서, 상기 식품용기의 표면에 형성되는 복수의 나노구조체 및 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 코팅되는 제 1소수성박막을 포함한다.
또한, 상기 식품용기의 표면과 상기 제 1소수성박막 사이에 형성되는 가스차단막을 더 포함한다.
또한, 상기 식품용기의 표면과 상기 가스차단막 사이에 형성되는 제 2소수성박막을 더 포함한다.
또한, 상기 나노구조체는, 나노 필라, 나노 로드, 나노 닷 또는 나노 와이어 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노구조체는, 폭이 1 내지 100nm이고, 높이가 1 내지 1000nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1소수성박막의 접촉각은 90도 이상이며, 그 접촉각 이력은 30도 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1소수성박막과 상기 가스차단막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1소수성박막, 상기 가스차단막 및 상기 제 2소수성박막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1소수성박막은, 헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스차단막은, 산화실리콘으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2소수성박막은, 헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 불연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 상호간 화학적 조성이 연속적으로 변화함에 따라 연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법은 플라스틱 재질의 식품용기의 표면에 복수의 나노구조체를 형성하는 나노구조체 형성단계 및 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 제 1소수성박막을 코팅하는 제 1소수성박막 코팅단계를 포함한다.
또한, 상기 나노구조체 형성단계와 상기 제 1소수성박막 코팅단계 사이에 수행되며, 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 가스차단막을 코팅하는 가스차단막 코팅단계를 더 포함한다.
또한, 상기 나노구조체 형성단계와 상기 가스차단막 코팅단계 사이에 수행되며, 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 제 2소수성박막을 코팅하는 제 2소수성박막 코팅단계를 더 포함한다.
또한, 상기 나노구조체는, 나노 필라, 나노 로드, 나노 닷 또는 나노 와이어 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노구조체는, 폭이 1 내지 100nm이고, 높이가 1 내지 1000nm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1소수성박막의 접촉각은 90도 이상이며, 그 접촉각 이력은 30도 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1소수성박막과 상기 가스차단막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1소수성박막, 상기 가스차단막 및 상기 제 2소수성박막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1소수성박막은, 헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스차단막은, 산화실리콘으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2소수성박막은, 헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 불연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 상호간 화학적 조성이 연속적으로 변화함에 따라 연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 나노구조체와 소수성박막을 통해 소수성을 구현하여, 물을 포함한 음식물이 식품용기 표면에 접착됨으로써 발생하는 얼룩을 방지하고, 식품용기의 표면에 남는 음식 잔여물을 줄이며, 음식물과 식품용기의 접촉면적을 최소화함으로써 식품용기로부터의 유해한 영향을 차단할 수 있는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 가스차단막을 추가 형성함으로써, 소수성뿐만 아니라 우수한 가스차단능력을 보유할 수 있는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 제 1실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 식품용기의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제 2실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기를 나타낸 도면이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 식품용기의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제 3실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 식품용기의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 물, 식초, 간장의 정적 접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 물의 동적 접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 식초의 동적 접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 5c는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 간장의 동적 접촉각을 나타낸 그래프이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들 및 이를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명인 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기 및 그의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1a은 본 발명의 제 1실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기를 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기(100, 이하 식품용기)는 복수의 나노구조체(20) 및 제 1소수성박막(30)을 포함한다.
식품용기(100)는 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리스티렌(polystyrene, PS) 등의 플라스틱 재질로 형성된다.
이러한, 플라스틱 재질로 형성된 식품용기(100)의 문제점(친수성을 가짐으로써 음식물이 달라붙음)을 해결하기 위하여 본 실시예에 의한 식품용기(100)는 그 표면에 복수의 나노구조체(20)를 형성한다.
즉, 각각의 나노구조체(20) 사이의 공간에는 공기막이 안정적으로 위치하고 있으므로, 식품용기(100)의 표면은 물을 포함하는 음식물(60)과 매우 적은 접촉면적을 갖게 된다. 이에 따라, 식품용기(100)의 표면은 소수성을 띄게 된다.
또한, 식품용기(100) 표면의 소수성을 증대시키기 위하여 나노구조체(20)가 형성된 상기 식품용기(100)의 표면 상측으로 제 1소수성박막(30)을 코팅할 수 있다.
제 1소수성박막(30)은 표면에너지가 낮아 소수성을 지니는 재질로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane, HMDSO)으로 구현될 수 있으나, 통상적으로 잘 알려진 소수성 박막인 폴리테트라플루오르에틸 (polytetrafluoroethylene, PTFE)이나 알킬케톤다이머(alkyl keton dimer, AKD)도 이용될 수 있다.
또한, 본 실시예의 식품용기(100)는 나노구조체(20)와 제 1소수성박막(30)의 형성을 통해 제 1소수성박막(30)에 접촉된 물방울의 접촉각(contact angle)을 90도 이상이 되도록 하고, 그 접촉각 이력(contact angle hysteresis) 역시 30도 미만이 되도록 한다.
접촉각(contact angle) 이란 서로 접하고 있는 액체와 고체에 있어서, 액체면과 고체면이 이루는 각도로 정의되며, 일반적으로 액적(dropet)과 고체가 접하는 점에서 액적 표면으로 이끄는 접선과 고체 표면과 이루는 각도로 나타내어 진다. 이러한 접촉각은 고체 표면의 젖음성(wettabililty)를 나타내는 척도로 사용된다.
즉, 접촉각이 낮을수록 친수성(hydrophilicity)이 크고, 접촉각이 높을수록 소수성(hydrophobicity)이 큰 것으로 볼 수 있다.
접촉각 이력(contact angle hysteresis)은 액체가 표면에서 앞으로 이동하기 시작하는 전진 접촉각(advancing contact angle)과 액체가 표면에서 뒤로 이동하기 시작하는 후진 접촉각(receding contact angle) 사이의 차로 정의할 수 있으며, 이 값이 크다는 것은 표면에서 액체가 잘 떨어지지 않는다는 것을 의미하며, 작다는 것은 표면에서 액체가 잘 떨어진다는 것을 의미한다.
따라서, 상술한 바와 같이 제 1소수성박막(30)의 접촉각을 90도 이상으로 형성하여 소수성을 구현하도록 하고, 접촉각 이력을 30도 미만으로 낮추어 식품용기(100)의 표면에서 음식물(60)이 잘 떨어질 수 있게 할 수 있다.
여기서 나노구조체(20)의 형상은 다양하게 구현될 수 있으며, 그 예로 나노 필라(nanopillar), 나노 로드(nanorod), 나노 닷(nanodot) 또는 나노 와이어(nanowire) 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 나노구조체(20)의 폭은 1 내지 100nm로 설정될 수 있고, 높이는 1 내지 1000nm로 설정될 수 있다.
도 1b는 도 1a에 도시된 식품용기의 제조방법을 나타낸 도면이다. 즉, 본 발명의 제 1실시예에 의한 식품용기(100)를 제조하는 방법은 식품용기 준비단계(S100), 나노구조체 형성단계(S110) 및 제 1소수성박막 코팅단계(S120)를 포함한다.
먼저, 식품용기 준비단계(S100)에서는 플라스틱 재질의 표면이 평탄한 식품용기(100)를 준비한다.
그 후, 식품용기(100)의 표면에 다수의 나노구조체(20)를 형성하는 나노구조체 형성단계(S110)가 진행된다.
나노구조체 형성단계(S110)에서는, 먼저 식품용기(100)의 표면에 있는 먼지들을 질소건(미도시)을 이용하여 제거한다. 그 후, 식품용기(100)를 RF-CVD(Radio Frequency-Chemical Vapor Deposition, 미도시) 장비의 챔버 내에 위치시키고, 진공 상태를 형성해준다.
펌프 등을 이용하여 RF-CVD 장비의 챔버 내 진공 압력을 기설정된 값으로 조정하고, 식품용기(100) 표면에 플라즈마 처리를 시작한다.
이를 위하여, 산소 기체를 챔버 내로 유입시킨 후, RF-power에 의해 플라즈마 상태를 발생시킨다. 그러면, 식품용기(100)와 산소 플라즈마 사이의 화학반응에 의해 식품용기(100)의 표면에 복수의 나노구조체(20)가 형성되게 된다.
식품용기(100)에 대한 산소 플라즈마 처리 시간이 길어질수록 나노구조체(20)의 높이는 커지고, 그 폭은 좁아지게 된다. 즉, 더욱 뾰족하고 긴 형태의 나노구조체(20)가 형성되는 것이다.
다음, 제 1소수성박막 코팅단계(S120)가 진행된다.
제 1소수성박막 코팅단계(S120)에서는 나노구조체 형성단계(S110)에서 진행된 산소 플라즈마 처리가 완료된 후, RF-CVD 장비의 챔버에 기체 상태의 제 1소수성박막 형성 물질을 투입한다. 그 후, 다시 RF-power에 의해 플라즈마 상태를 발생시킴으로써 기체 상태의 제 1소수성박막 형성 물질이 나노구조체(20)가 형성된 식품용기(100)의 표면에 증착될 수 있다. 이에 따라, 결국 식품용기(100)의 표면에는 제 1소수성박막(30)이 코팅된다.
일례로, 제 1소수성박막 형성 물질로 헥사메틸디실록산(HMDSO) 기체를 투입하는 경우에는 이를 pp-헥사메틸디실록산(plasma polymerized HMDSO, pp-HMDSO) 재질의 제 1소수성박막(30)으로 형성할 수 있다. pp-헥사메틸디실록산(pp-HMDSO) 재질의 제 1소수성박막(30)은 표면에너지가 낮아 소수성을 지닌다.
상술한 바와 같은 제조방법을 통하여 소수성을 갖는 식품용기를 제조할 수 있으며, 이에 따라 액체 상태의 음식물이 식품용기 표면에 달라붙는 현상을 방지할 수 있어 식품용기 표면에 얼룩이 생기는 현상을 막을 수 있고, 식품용기의 표면에 남는 음식물의 양을 최소화 할 수 있다.
또한, 음식물과 식품용기와의 접촉면적을 최소화할 수 있어, 식품용기로부터의 유해 성분이 음식물에 전달되는 것을 차단할 수 있게 된다.
도 2a는 본 발명의 제 2실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기를 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기(200, 이하 식품용기)는 복수의 나노구조체(20), 제 1소수성박막(30) 및 가스차단막(40)을 포함한다.
즉, 본 실시예의 경우 상술한 제 1실시예에 비해 가스차단막(40)을 더 포함하는 점에서 차이가 있으므로, 이를 중심으로 설명하며, 상술한 제 1실시예와 중복되는 설명은 생략하도록 하겠다.
가스차단막(40)은 식품용기(200)의 표면과 제 1소수성박막(30) 사이에 형성된다.
그리고, 제 1소수성박막(30)은 가스차단막(40)이 형성된 식품용기(200) 표면상에 코팅된다.
가스차단막(40)을 식품용기(200)와 제 1소수성박막(30)에 삽입 형성시킴으로서, 본 실시예에 의한 식품용기(200)는 우수한 가스차단능력을 가질 수 있게 된다. 이에 따라, 식품용기(200) 내부에 보관된 음식물의 장기 보존이 가능해진다.
이 때, 가스차단막(40)은 높은 박막 밀도를 가짐으로써 우수한 가스차단능력을 보유한 산화실리콘(silicon oxide)인 것이 바람직하다.
또한, 제 1소수성박막(30)의 두께(h3)와 가스차단막(40)의 두께(h4)의 합이 지나치게 크게 설정되는 경우, 나노구조체(20) 사이의 공간이 줄어들게 되어 소수성이 저해되는 문제가 있으므로, 제 1소수성박막(30)의 두께(h3)와 가스차단막(40)의 두께(h4)의 합은 나노구조체(20)의 높이(h2)의 절반 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
도 2b는 도 2a에 도시된 식품용기의 제조방법을 나타낸 도면이다. 즉, 본 발명의 제 2실시예에 의한 식품용기(200)를 제조하는 방법은 식품용기 준비단계(S200), 나노구조체 형성단계(S210), 가스차단막 코팅단계(S220) 및 제 1소수성박막 코팅단계(S230)를 포함한다.
식품용기 준비단계(S200) 및 나노구조체 형성단계(S210)는 상술한 제 1실시예와 동일하게 진행된다.
그 다음, 제 1실시예와 달리 본 실시예서는 제 1소수성박막 코팅단계(S230) 이전에 가스차단막 코팅단계(S220)를 진행한다.
가스차단막 코팅단계(S220)에서는 나노구조체(20)가 형성된 식품용기(200)의 표면에 가스차단막(40)을 코팅한다.
이러한 과정은 플라즈마를 이용한 RF-CVD 장비의 챔버 내에서 이루어질 수 있다.
일례로, 상기 가스차단막(40)은 높은 박막 밀도를 가짐으로써 우수한 가스차단능력을 보유한 산화실리콘(silicon oxide)인 것이 바람직하다.
그 후, 가스차단막(40) 상에 제 1소수성박막(30)을 코팅하는 제 1소수성박막 코팅단계(S230)가 진행된다.
제 1소수성박막 코팅단계(S230)는 상술한 제 1실시예와 동일하게 수행될 수 있다.
여기서, 가스차단막 코팅단계(S220)와 제 1소수성박막 코팅단계(S230)는 불연속적으로 진행되거나, 연속적으로 진행될 수 있다.
불연속적인 공정은 가스차단막(40)을 형성한 후 플라즈마 상태를 해제하고, 제 1소수성박막(30)을 코팅하는 가스가 챔버 안으로 안정적으로 유입됨을 확인한 이후에 다시 플라즈마 상태를 발생시켜 제 1소수성박막(30)을 코팅하는 것이다.
따라서, 가스차단막(40)과 제 1소수성박막(30)은 상호간 조성이 연속적으로 변화하지 않도록 불연속적으로 결합된다.
반면 연속적인 공정은 가스차단막(40)이 형성된 뒤에도 플라즈마 상태를 계속 유지하며, 챔버 안으로 유입되는 가스를 연속적으로 가스차단막(40)을 형성하는 가스에서 제 1소수성박막(30)을 형성하는 가스로 바꾸어주는 것이다.
이러한 연속적인 과정에 의해서 가스차단막(40)에서 제 1소수성박막(30)으로 점진적으로 조성이 변화하는 박막 구조를 형성시킬 수 있다. 즉, 다른 표현으로는 연속적으로 박막이 이어진 박막구조를 형성시킬 수 있다.
이 연속적인 과정은 대량 생산을 수행하는 공장에서 가스를 변화시키는 데 소요되는 시간을 절약하기 위해 사용될 수 있으며, 불연속 증착 시 박막간에 작용하는 응력 차이를 완화시키는 효과가 있다.
상술한 공정에 따라, 결국 식품용기(200)의 표면에는 나노구조체(20), 가스차단막(40), 제 1소수성박막(30)이 순서대로 위치하게 된다.
도 3a는 본 발명의 제 3실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 제 3실시예에 의한 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기(300, 이하 식품용기)는 복수의 나노구조체(20), 제 1소수성박막(30), 가스차단막(40) 및 제 2소수성박막(50)을 포함한다.
즉, 본 실시예의 경우 상술한 제 2실시예에 비해 제 2소수성박막(50)을 더 포함하는 점에서 차이가 있으므로, 이를 중심으로 설명하며 상술한 제 2실시예와 중복되는 설명은 생략하도록 하겠다.
제 2소수성박막(50)은 식품용기(300)의 표면과 가스차단막(40) 사이에 형성된다. 즉, 식품용기(300)의 표면상에 제 2소수성박막(50)이 먼저 코팅된 후, 그 위에 가스차단막(40)이 형성된다.
그리고, 가스차단막(40)의 코팅 후, 다시 제 1소수성박막(30)이 그 위로 코팅된다.
따라서, 식품용기(300)의 나노구조체(20) 상으로 제 2소수성박막(50), 가스차단막(40), 제 1소수성박막(30)이 순차적으로 위치한다.
유연성이 없는 가스차단막(40)이 식품용기(300)에 바로 코팅되는 경우에는 강한 잔류 응력이 남는 문제가 있는데, 맨 아래에 위치하는 제 2소수성박막(50)은 이러한 문제를 완화하기 위한 완충박막(buffer-layer)로서의 역할을 수행한다.
제 2소수성박막(50)은 제 1소수성박막(30)과 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 제 2소수성박막(50) 역시 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane, HMDSO)으로 구현되는 것이 바람직하나, 통상적으로 잘 알려진 소수성 박막인 폴리테트라플루오르에틸 (polytetrafluoroethylene, PTFE)이나 알킬케톤다이머(alkyl keton dimer, AKD)도 이용될 수 있다.
또한, 제 1소수성박막(30)의 두께(h3), 가스차단막(40)의 두께(h4), 제 2소수성박막(50)의 두께(h5)의 합이 지나치게 크게 설정되는 경우, 나노구조체(20) 사이의 공간이 줄어들게 되어 소수성이 저해되는 문제가 있으므로, 제 1소수성박막(30)의 두께(h3), 가스차단막(40)의 두께(h4), 제 2소수성박막(50)의 두께(h5)의 합은 나노구조체(20)의 높이(h2)의 절반 이하로 설정되는 것이 바람직하다.
도 3b는 도 3a에 도시된 식품용기의 제조방법을 나타낸 도면이다. 즉, 본 발명의 제 3실시예에 의한 식품용기(300)를 제조하는 방법은 식품용기 준비단계(S300), 나노구조체 형성단계(S310), 제 2소수성박막 코팅단계(S320), 가스차단막 코팅단계(S330) 및 제 1소수성박막 코팅단계(S340)를 포함한다.
식품용기 준비단계(S300) 및 나노구조체 형성단계(S310)는 상술한 제 1, 2실시예와 동일하게 진행된다.
그 다음, 제 2실시예와 달리 본 실시예에서는 가스차단막 코팅단계(S330) 이전에 제 2소수성박막 코팅단계(S320)를 진행한다.
제 2소수성박막 코팅단계(S320)에서는 나노구조체(20가 형성된 식품용기(300)의 표면에 제 2소수성박막(50)을 코팅하며, 이는 상술한 제 1실시예에서의 제 1소수성박막 코팅단계(S120)와 동일한 방식으로 진행될 수 있다.
그 후, 제 2실시예에서와 동일하게 가스차단막 코팅단계(S330)와 제 1소수성박막 코팅단계(S340)가 순차적으로 진행된다.
가스차단막 코팅단계(S330)에서는 제 2소수성박막(50) 상에 가스차단막(40)을 코팅하고, 제 1소수성박막 코팅단계(S340)에서는 가스차단막(40) 상에 제 1소수성박막(30)을 코팅하게 된다.
여기서, 제 2소수성박막 코팅단계(S320), 가스차단막 코팅단계(S330) 및 제 1소수성박막 코팅단계(S340)는 상술한 제 2실시예에서와 유사하게 불연속적으로 진행되거나, 연속적으로 진행될 수 있다.
불연속적인 공정은 제 2소수성박막(50)을 형성한 후 플라즈마 상태를 해제하고, 가스차단막(40)을 코팅하는 가스가 챔버 안으로 안정적으로 유입됨을 확인한 이후에 다시 플라즈마 상태를 발생시켜 가스차단막(40)을 형성하며, 가스차단막(40)을 형성한 후 플라즈마 상태를 해제하고, 제 1소수성박막(30)을 코팅하는 가스가 챔버 안으로 안정적으로 유입됨을 확인한 이후에 다시 플라즈마 상태를 발생시켜 제 1소수성박막(30)을 코팅하는 것이다.
따라서, 제 2소수성박막(50), 가스차단막(40) 및 제 1소수성박막(30)은 상호간 조성이 연속적으로 변화하지 않도록 불연속적으로 결합된다.
반면 연속적인 공정은 제 2소수성박막(50)이 형성된 뒤에도 플라즈마 상태를 계속 유지하며, 챔버 안으로 유입되는 가스를 연속적으로 제 2소수성박막(50)을 형성하는 가스에서 가스차단막(40)을 형성하는 가스로 바꾸어준다. 또한, 가스차단막(40)이 형성된 뒤에도 플라즈마 상태를 계속 유지하며, 챔버 안으로 유입되는 가스를 연속적으로 가스차단막(40)을 형성하는 가스에서 제 1소수성박막(30)을 형성하는 가스로 바꾸어준다.
이러한 연속적인 과정에 의해서 제 2소수성박막(50)에서 가스차단막(40)을 거쳐 제 1소수성박막(30)으로 점진적으로 조성이 변화하는 박막 구조를 형성시킬 수 있다. 즉, 다른 표현으로는 연속적으로 박막이 이어진 박막 구조를 형성시킬 수 있다.
이 연속적인 과정은 대량 생산을 수행하는 공장에서 가스를 변화시키는 데 소요되는 시간을 절약하기 위해 사용될 수 있으며, 불연속 증착 시 박막간에 작용하는 응력 차이를 완화시키는 효과가 있다.
도 4는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 물, 식초, 간장의 정적 접촉각을 나타낸 그래프이다. 이 때, x축은 소수성박막과 가스차단막을 코팅하기 전에 진행되는 산소 플라즈마 처리 시간을 나타내며, y축은 해당 액체방울이 정지한 상태에서 측정한 정적 접촉각(static contact angle)을 나타낸다.
식품용기로 널리 사용되는 플라스틱 재질인 PP판(PolyPropylene sheet)을 사용하여 실험을 진행하였다.
PP판 표면에 나노구조체를 형성하기 위하여 우선 PP판 표면에 있는 먼지들을 질소건을 이용하여 1분간 깨끗이 불어낸 후, RF-CVD(Radio Frequency-Chemical Vapor Deposition, 미도시) 장비의 챔버 내에 위치시키고 진공 상태를 형성해준다.
로터리 펌프와 터보 펌프를 이용해서 챔버 내 진공 압력을 10-6 mtorr의 고진공으로 낮춘 후, PP판 표면에 플라즈마 처리를 시작한다. 이를 위하여, 산소 기체를 챔버 내로 유입시킨 후, RF-power에 의해 플라즈마 상태를 형성시킨다. 그러면, PP판과 산소 플라즈마 사이의 화학반응에 의해 PP판 표면에 다수의 나노구조체(20)가 형성된다.
그 후, 제 2소수성박막(50), 가스차단막(40), 제 1소수성박막(30)을 차례대로 코팅한다. 이 때, 제 1소수성박막(30)과 제 2소수성박막(50)은 pp-헥사메틸디실록산(pp-HMDSO)으로 형성되고, 가스차단막(40)은 산화실리콘(silicon oxide)으로 형성하였다.
또한, 제 1소수성박막(30)과 제 2소수성박막(50)은 30nm의 두께로 코팅하였고, 가스차단막(40)은 60nm로 코팅하였다.
도 4에 도시된 그래프에서 알 수 있듯이, 산소 플라즈마 처리 시간이 길어짐에 따라 접촉각이 증가되는 것을 알 수 있다. 즉, PP판 표면의 소수성이 향상됨을 알 수 있다.
도 5a는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 물의 동적 접촉각을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 식초의 동적 접촉각을 나타낸 그래프이며, 도 5c는 식품용기에 가한 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 측정된 간장의 동적 접촉각을 나타낸 그래프이다. 이 때, x축은 소수성박막과 가스차단막을 코팅하기 전에 진행되는 산소 플라즈마 처리 시간을 나타내고, y축은 동적 접촉각(dynamic contact angle)을 나타낸다.
특히, 접촉각 이력(contact angle hysteresis)을 파악하기 위하여 해당 액체방울의 전진 접촉각(advancing contact angle)과 후진 접촉각(receding contact angle)을 별도로 도시하였다.
이 접촉각 이력이 작다는 것은 표면을 조금만 기울여도 액체가 쉽게 표면에서 흘러 내려간다는 것을 의미한다. 즉, 접촉각 이력이 작을수록 표면에 액체가 접착되지 않는다는 것을 의미한다. 도 5a 내지 도 5c에서 볼 수 있듯이, 산소 플라즈마 처리를 오래 하여줌에 따라 물, 식초, 간장의 접촉각 이력이 작아지는 것을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20: 나노구조체 30: 제 1소수성박막
40: 가스차단막 50: 제 2소수성박막
60; 음식물 100, 200, 300: 식품용기

Claims (24)

  1. 플라스틱 재질의 식품용기에 있어서,
    음식물과 접촉하는 상기 식품용기의 표면에 형성되는 복수의 나노구조체; 및
    상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 코팅되는 제 1소수성박막; 을 포함하고,
    상기 제 1소수성박막의 접촉각은 90도 이상이며, 그 접촉각 이력은 30도 미만인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 식품용기의 표면과 상기 제 1소수성박막 사이에 형성되는 가스차단막; 을 더 포함하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 식품용기의 표면과 상기 가스차단막 사이에 형성되는 제 2소수성박막; 을 더 포함하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 나노구조체는,
    나노 필라, 나노 로드, 나노 닷 또는 나노 와이어 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 나노구조체는,
    폭이 1 내지 100nm이고, 높이가 1 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1소수성박막과 상기 가스차단막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1소수성박막, 상기 가스차단막 및 상기 제 2소수성박막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1소수성박막은,
    헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 가스차단막은,
    산화실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  10. 제 3항에 있어서, 상기 제 2소수성박막은,
    헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 불연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  12. 제 3항에 있어서,
    상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 상호간 화학적 조성이 연속적으로 변화함에 따라 연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기.
  13. 음식물과 접촉하는 플라스틱 재질의 식품용기의 표면에 복수의 나노구조체를 형성하는 나노구조체 형성단계; 및
    상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 제 1소수성박막을 코팅하는 제 1소수성박막 코팅단계; 를 포함하고,
    상기 제 1소수성박막의 접촉각은 90도 이상이며, 그 접촉각 이력은 30도 미만인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 나노구조체 형성단계와 상기 제 1소수성박막 코팅단계 사이에 수행되며, 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 가스차단막을 코팅하는 가스차단막 코팅단계; 를 더 포함하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 나노구조체 형성단계와 상기 가스차단막 코팅단계 사이에 수행되며, 상기 나노구조체가 형성된 상기 표면 상측으로 제 2소수성박막을 코팅하는 제 2소수성박막 코팅단계; 를 더 포함하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 나노구조체는,
    나노 필라, 나노 로드, 나노 닷 또는 나노 와이어 중 어느 하나의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  17. 제 13항에 있어서, 상기 나노구조체는,
    폭이 1 내지 100nm이고, 높이가 1 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  18. 제 14항에 있어서,
    제 1소수성박막과 상기 가스차단막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    제 1소수성박막, 상기 가스차단막 및 상기 제 2소수성박막의 두께의 합은, 상기 나노구조체 높이의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  20. 제 13항에 있어서, 상기 제 1소수성박막은,
    헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  21. 제 14항에 있어서, 상기 가스차단막은,
    산화실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  22. 제 15항에 있어서, 상기 제 2소수성박막은,
    헥사메틸디실록산으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  23. 제 15항에 있어서,
    상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 불연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
  24. 제 15항에 있어서,
    상기 가스차단막과 상기 제 1, 2소수성박막이 상호간 화학적 조성이 연속적으로 변화함에 따라 연속적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 나노구조의 소수성 표면을 갖는 식품용기의 제조방법.
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