KR101404127B1 - Surface fabricating method of metal substrate and metal substrate with the surface fabricated by the method - Google Patents
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Abstract
금속 기재의 표면을 극친수성 또는 극소수성 표면으로 빠르고 쉽게 가공할 수 있는 금속 기재의 표면 가공 방법을 제공한다. 금속 기재의 표면 가공 방법은, 금속 기재를 준비하는 단계와, 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계와, 미세 요철의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하는 단계를 포함한다. 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 나노층 위로 소수성 고분자층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Provided is a method for machining a surface of a metal base material which is capable of quickly and easily machining the surface of the metal base material to an extremely hydrophilic or extremely water-soluble surface. A method for machining a surface of a metal substrate includes the steps of preparing a metal substrate, forming micrometer scale fine irregularities on the surface of the metal substrate through physical or chemical treatment, and forming a metal nano- To form a layer. The surface processing method of the metal substrate may further include forming a hydrophobic polymer layer on the metal nano-layer.
Description
본 발명은 금속 기재의 표면 가공 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 기재의 표면을 극친수성 또는 극소수성 표면으로 빠르고 쉽게 가공할 수 있는 금속 기재의 표면 가공 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for machining a surface of a metal base material, and more particularly, to a method for machining a surface of a metal base material.
일반적으로 고체의 표면은 고유한 표면 에너지를 갖고 있으며, 이 표면 에너지는 임의의 액체가 고체와 접촉할 때 고체에 대한 액체의 접촉각으로 나타난다. 접촉각이 90°보다 작으면 물방울은 그 형태를 잃고 고체 표면을 적시는 친수성을 나타낸다. 반면, 접촉각이 90°보다 크면 물방울은 구의 형상을 유지하면서 고체의 표면을 적시지 않고 흐르는 소수성을 나타낸다.In general, the surface of a solid has a unique surface energy, which is the contact angle of the liquid to the solid when any liquid is in contact with the solid. If the contact angle is less than 90 °, the water droplets lose their shape and exhibit a hydrophilic property to wet the solid surface. On the other hand, if the contact angle is larger than 90 °, the water droplet shows hydrophobicity flowing without wetting the surface of the solid while maintaining the shape of the sphere.
특히 접촉각이 10°보다 작은 경우를 극친수성 표면이라 하고, 접촉각이 150°보다 큰 경우를 극소수성 표면이라 한다.Particularly, when the contact angle is smaller than 10 degrees, it is called an extremely hydrophilic surface, and when the contact angle is larger than 150 degrees, it is called a very small surface.
고체 표면의 접촉각을 변화시키기 위해서는 고체의 표면에 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 요철 구조가 형성되어야 한다. 이러한 표면 구조는 미세 전자기계 시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical System), 코팅, 양극산화 공정 등을 이용하여 형성할 수 있다.In order to change the contact angle of the solid surface, a micrometer or nano-scale concave-convex structure should be formed on the surface of the solid. Such a surface structure can be formed using a microelectromechanical system (MEMS), a coating, an anodic oxidation process, or the like.
그러나 미세 전자기계 시스템 공정의 경우 대면적 처리가 어렵고, 작업 환경과 제작 기계에 대한 제약이 크며, 제작 비용이 높은 한계가 있다. 코팅 공정은 상대적으로 대면적 처리가 용이하지만, 고체 표면에 대한 코팅층의 결합력 및 코팅층의 내구성이 약한 단점이 있다. 또한, 양극산화 공정은 전기를 많이 소비하며, 공정 공정이 일정하게 유지되지 않을 경우 고체 표면에 결함이 발생할 수 있다.However, in the case of microelectromechanical system process, it is difficult to process large area, there are restrictions on working environment and manufacturing machine, and manufacturing cost is limited. The coating process has a disadvantage in that it is relatively easy to treat a large area, but the bonding strength of the coating layer to the solid surface and the durability of the coating layer are weak. In addition, the anodizing process consumes a lot of electricity and can cause defects on the solid surface if the process steps are not kept constant.
본 발명은 제작 공정을 단순화하고 제작 비용을 낮추며, 대량 및 대면적의 금속 기재를 빠르고 용이하게 극친수성 또는 극소수성 표면으로 가공할 수 있는 금속 기재의 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 가공된 표면을 가지는 금속 기재를 제공하고자 한다.The present invention relates to a method for machining a surface of a metal substrate which can simplify the manufacturing process and lower the production cost and which can quickly and easily process large and large area metal substrates into an extremely hydrophilic or low water- To provide a metal substrate having a high thermal conductivity.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재를 준비하는 단계와, 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계와, 미세 요철의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하여 극친수성 표면을 만드는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of machining a surface of a metal substrate, comprising the steps of: preparing a metal substrate; forming micrometer scale fine irregularities on the surface of the metal substrate by physical or chemical treatment; To form nanometer-scale metal nanocrystals to create an extreme hydrophilic surface.
미세 요철은 샌드 블라스트, 샌드 페이퍼 작업, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 레이저 처리, 산 또는 염기 에칭 중 어느 하나의 공정으로 형성될 수 있다.The fine unevenness can be formed by any one of sandblasting, sandpapering, shot blasting, plasma etching, discharge processing, laser processing, acid etching or base etching.
금속 나노층은 금속 기재를 산 처리 또는 염기 처리하여 형성될 수 있다. 산 처리는 염산, 황산, 질산, 불산, 인산 및 아세트산으로부터 선택되는 적어도 하나의 산 용액에서 수행되고, 염기 처리는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철 및 암모니아로부터 선택되는 적어도 하나의 염기 용액에서 수행될 수 있다.The metal nano-layer may be formed by acid treatment or base treatment of the metal substrate. The acid treatment is carried out in at least one acid solution selected from hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid and acetic acid, and the base treatment is carried out in the presence of sodium hydroxide, barium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, copper hydroxide, ammonium hydroxide, Can be carried out in at least one base solution selected.
금속 나노층은 금속 기재를 산 처리 또는 염기 처리한 후, 끓는 물에 30분 내지 24시간 동안 담금으로써 형성될 수 있다.The metal nano-layer may be formed by acid treatment or base treatment of the metal substrate, followed by immersion in boiling water for 30 minutes to 24 hours.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 기재는 전술한 방법으로 가공되며, 미세 요철의 표면에 금속 나노층이 형성되어 극친수성 표면을 구현한다.A metal substrate according to an embodiment of the present invention is processed by the above-described method, and a metal nano-layer is formed on the surface of fine irregularities to realize an extremely hydrophilic surface.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재를 준비하는 단계와, 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계와, 미세 요철의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하는 단계와, 금속 나노층 위로 소수성 고분자층을 형성하여 극소수성 표면을 만드는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of machining a surface of a metal substrate, comprising the steps of: preparing a metal substrate; forming micrometer-scale fine irregularities on the surface of the metal substrate by physical or chemical treatment; Forming a nanometer-scale metal nano-layer on the surface, and forming a hydrophobic polymer layer on the metal nano-layer to create a microscopic surface.
소수성 고분자층은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칸티올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함할 수 있다.The hydrophobic polymer layer includes at least one hydrophobic substance selected from a fluororesin, a fluorine-based silane coupling agent, a fluorine-based isocyanate compound, an alkane thiol, an organosilane compound, a fatty acid, an aromatic azide compound, .
소수성 고분자층은 금속 나노층 위에 소수성 물질이 코팅되어 형성되거나, 금속 나노층과 소수성 물질이 화학적 결합을 이루어 형성될 수 있다. 소수성 고분자층은 1Å 이상 5nm 이하의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있다.The hydrophobic polymer layer may be formed by coating a hydrophobic material on the metal nano-layer, or may be formed by chemical bonding between the metal nano-layer and the hydrophobic material. The hydrophobic polymer layer may have a thickness ranging from 1 to 5 nm.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 금속 기재는 전술한 방법으로 가공되며, 미세 요철의 표면에 금속 나노층과 소수성 고분자층이 순서대로 적층되어 극소수성 표면을 구현한다.The metal substrate according to another embodiment of the present invention is processed by the above-described method, and the metal nano-layer and the hydrophobic polymer layer are laminated on the surface of the fine unevenness in order to realize a surface with a very small surface area.
제조 공정이 단순하고, 제조 비용이 저렴하며, 대량 및 대면적의 금속 기재를 빠르고 용이하게 극친수성 또는 극소수성 표면으로 가공할 수 있다.The manufacturing process is simple, the manufacturing cost is low, and the metal substrate of large and large area can be quickly and easily processed into an extremely hydrophilic or micro-porous surface.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 3은 샌드 블라스트 가공으로 미세 요철이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다.
도 4는 미세 요철과 금속 나노층이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다.
도 5는 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시한 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 8은 소수성 고분자층이 형성된 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.Fig. 1 is a process flow chart showing a surface machining method of a metal base according to the first embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a schematic sectional view showing the surface state of the metal substrate in each step shown in Fig. 1. Fig.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the surface of a metal substrate on which fine irregularities have been formed by sandblasting.
4 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the surface of the metal substrate on which the fine irregularities and the metal nano layer are formed.
5 is an enlarged photograph showing the contact angle test result of the liquid with respect to the metal substrate.
6 is a process flow chart showing a method of machining a surface of a metal substrate according to a second embodiment of the present invention.
7 is a schematic cross-sectional view showing the surface state of the metal substrate in each step shown in Fig.
8 is an enlarged photograph showing a contact angle test result of a liquid with respect to a metal substrate on which a hydrophobic polymer layer is formed.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.FIG. 1 is a process flow chart showing a method for machining a surface of a metal substrate according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view showing the surface state of each metal substrate in each step shown in FIG.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재(10)를 준비하는 제1 단계(S1)와, 금속 기재(10)의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성하는 제2 단계(S2)와, 미세 요철(20)의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층(30)을 형성하는 제3 단계(S3)를 포함한다.1 and 2, a method of machining a surface of a metal substrate according to the first embodiment includes a first step S1 of preparing a
금속 나노층(30)은 미세 요철(20)의 표면에서 미세 요철(20)의 굴곡을 따라 형성되므로 금속 기재(10)의 표면에는 마이크로미터 스케일과 나노미터 스케일이 혼합된 듀얼 스케일(dual scale)의 요철 구조가 형성된다. 이러한 요철 구조로 인해 금속 기재(10)의 표면은 접촉각이 10°보다 작은 극친수성 표면을 구현한다.Since the metal nano-
여기서, 마이크로미터 스케일은 1㎛ 이상 1000㎛ 미만의 범위에 속하는 크기를 의미하고, 나노미터 스케일은 1nm 이상 1000nm 미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다.Here, the micrometer scale means a size belonging to a range from 1 μm to less than 1000 μm, and the nanometer scale means a size belonging to a range from 1 nm to less than 1000 nm.
제1 단계(S10)에서 금속 기재(10)는 알루미늄, 아연, 주석, 납 및 티타늄으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. In the first step S10, the
제2 단계(S20)에서 미세 요철(20)은 샌드 블라스트, 샌드 페이퍼 작업, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 레이저 처리, 산 또는 염기 에칭 중 어느 하나의 방법으로 형성된다.In the second step S20, the
샌드 블라스트는 미세한 모래 입자를 압축 공기로 분사시켜 금속 기재(10)의 표면에 물리적인 충돌을 가함으로써 미세 요철(20)을 형성하는 방법이다. 샌드 페이퍼 작업은 금속 기재(10)의 표면을 샌드 페이퍼로 문지르는 것이고, 숏 블라스트는 숏(shot) 또는 그릿(grit)이라고 하는 금속 또는 비금속의 미세 입자를 분사하는 공정이다. 샌드 페이퍼 작업과 숏 블라스트 역시 샌드 블라스트와 마찬가지로 금속 기재(10)의 표면에 물리적인 충돌을 가하여 미세 요철(20)을 형성한다.The sand blast is a method of forming
플라즈마 에칭은 에칭액 대신 기체 플라즈마를 이용하는 드라이 에칭이고, 산 또는 염기 에칭은 산 용액 또는 염기 용액을 에칭액으로 사용하는 습식 에칭이다. 에칭액은 불산 희석액, 질산 희석액, 인산 희석액, 아세트산 희석액, 염산 희석액, 황산 희석액, 또는 이들의 혼합액일 수 있다. 화학적 처리의 일종인 에칭 공정을 이용하여 금속 기재(10)의 표면을 부식시킴으로써 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성한다.Plasma etching is dry etching using a gas plasma instead of an etching solution, and acid or base etching is a wet etching using an acid solution or a base solution as an etching solution. The etching solution may be a fluoric acid dilution solution, a nitric acid dilution solution, a phosphoric acid dilution solution, an acetic acid dilution solution, a hydrochloric acid dilution solution, a sulfuric acid dilution solution or a mixture thereof. Micro-irregularities 20 of micrometer scale are formed by etching the surface of the
방전 처리는 전기 방전에 의해 발생하는 고열로 금속 기재(10)의 표면을 용융시킨 후 재응고시키는 처리법으로서, 방전 처리된 금속 기재(10)의 표면에는 불규칙적인 균열 및 기포로 이루어진 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)이 형성된다. 레이저 처리는 고출력의 레이저 펄스를 금속 기재(10)에 입사시켜 그 표면을 삭마시킴으로써 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성한다.The discharge treatment is a treatment method in which the surface of the
도 3은 샌드 블라스트 가공으로 미세 요철이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다. 도 3의 (a)는 5,000배 확대 사진, (b)는 10,000배 확대 사진, (c)는 20,000배 확대 사진이며, 실험에 사용된 금속 기재는 알루미늄 기재이다.3 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the surface of a metal substrate on which fine irregularities have been formed by sandblasting. 3 (a) is an enlarged photograph of 5,000 times, (b) is an enlarged photograph of 10,000 times, and (c) is an enlarged photograph of 20,000 times.
도 3을 참고하면, 샌드 블라스트 가공에 의해 금속 기재의 표면에는 물리적 충돌에 의한 마이크로미터 스케일의 미세 요철이 형성되었음을 확인할 수 있다. 금속 기재는 미세 요철 형성에 의해 친수성 표면을 구현한다.Referring to FIG. 3, microscopic scale micro-irregularities due to physical impact are formed on the surface of the metal substrate by sandblasting. The metal substrate implements a hydrophilic surface by forming fine irregularities.
다시 도 1과 도 2를 참고하면, 제3 단계(S30)에서 금속 나노층(30)은 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 산 처리 또는 염기 처리하여 형성된다. Referring again to FIGS. 1 and 2, in the third step S30, the metal nano-
산 처리는 염산, 황산, 질산, 불산, 인산 및 아세트산으로부터 선택되는 적어도 하나의 산 용액에 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 담금으로써 수행될 수 있다. 염기 처리는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철 및 암모니아로부터 선택되는 적어도 하나의 염기 용액에 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 담금으로써 수행될 수 있다.The acid treatment may be carried out by immersing the
이때 산 용액과 염기 용액은 0.001 내지 1 몰 농도를 가질 수 있으며, 50 내지 100℃의 온도에서 가열된 것을 사용할 수 있다. In this case, the acid solution and the base solution may have a concentration of 0.001 to 1 mol, and those heated at a temperature of 50 to 100 ° C may be used.
금속 나노층(30)은 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 산 처리 또는 염기 처리한 후, 끓는 물에 30분 내지 24시간 동안, 구체적으로는 30분 내지 3시간 동안 담금으로써 형성될 수도 있다. 이러한 과정을 더 거침으로써 금속 나노층(30)을 안정화시킬 수 있다. The metal nano-
전술한 제3 단계(S30) 가공에 의해 금속 기재(10)의 표면에는 1000nm보다 작은 플레이크(flake) 형태의 금속 나노층(30)이 형성된다.The
금속 나노층(30)은 안정화 처리에 의해 금속 기재(10)의 표면에 단단하게 부착되므로 금속 기재(10) 표면의 내구성을 높인다. 또한, 금속 나노층(30)은 미세 요철(20)의 굴곡을 따라 그 표면에 형성되므로 금속 기재(10)의 표면에는 마이크로미터 스케일과 나노미터 스케일이 혼합된 듀얼 스케일의 요철 구조가 형성된다.The metal nano-
도 4는 미세 요철과 금속 나노층이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다. 도 4의 (a)는 600배 확대 사진, (b)는 5,000배 확대 사진, (c)는 10,000배 확대 사진, (d)는 20,000배 확대 사진이다. 4 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the surface of the metal substrate on which the fine irregularities and the metal nano layer are formed. 4A is an enlarged photograph of 600 times, FIG. 4B is an enlarged photograph of 5,000 times, FIG. 4C is an enlarged photograph of 10,000 times, and FIG. 4D is an enlarged photograph of 20,000 times.
도 4의 실험에 사용된 금속 기재는 다음과 같은 방법으로 표면 가공되었다.The metal substrate used in the experiment of Fig. 4 was surface-processed in the following manner.
알루미늄 기재의 표면을 샌드 블라스트 공정을 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하였다. 이후, 80℃에서 가열한 0.05몰 농도의 수산화나트륨 용액에 미세 요철이 표면에 형성된 알루미늄 기재를 담금으로써 알루미늄 나노층을 형성하였다. The surface of the aluminum substrate was subjected to a sandblast process to form micrometer scale fine irregularities. Thereafter, an aluminum substrate having micro concavity and convexity formed on its surface was immersed in a 0.05 molar concentration sodium hydroxide solution heated at 80 DEG C to form an aluminum nano-layer.
도 4를 참고하면, 미세 요철의 굴곡을 따라 미세 요철의 표면에 플레이크 형태의 수산화알루미늄층이 1000nm(1㎛)보다 작은 크기로, 즉 나노미터 스케일의 크기로 형성되어 무수히 작은 요철 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, a flake-shaped aluminum hydroxide layer is formed on the surface of the fine unevenness along the bending of fine unevenness to a size smaller than 1000 nm (1 탆), that is, on the scale of nanometer scale, .
나노미터 스케일의 금속 나노층(30)은 제2 단계(S20)의 처리에 의해 친수성이 강화된 금속 기재(10)의 표면에서 접촉각을 더욱 작게 하여 친수성을 극대화시키는 기능을 한다. 따라서 본 실시예의 금속 기재(10)는 마이크로미터 스케일과 나노미터 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조에 의해 친수성 증대 효과를 얻을 수 있으며, 극친수성 표면을 구현한다.The nanometer-scale metal nano-
도 5는 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.5 is an enlarged photograph showing the contact angle test result of the liquid with respect to the metal substrate.
도 5의 (a)는 제1 단계와 제2 단계를 거쳐 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성한 금속 기재의 경우를 나타내고, (b)는 제1 단계와 제2 단계 및 제3 단계를 거쳐 듀얼 스케일의 미세 요철을 형성한 금속 기재의 경우를 나타낸다. 도 5의 (a)와 (b)에서 사진 상부에 위치한 검은 막대는 물방울을 떨어뜨리는 기구이다.FIG. 5 (a) shows a case of a metal substrate on which micrometer scale fine irregularities are formed through a first step and a second step, and FIG. 5 (b) Quot; indicates the case of a metal base on which scale fine irregularities are formed. In Figures 5 (a) and 5 (b), the black bar located at the top of the photograph is a dropping device.
도 5의 (a)에서 관출되는 액체의 접촉각은 33°로서 물방울이 그 형태를 잃고 금속 기재의 표면을 적시는 친수성을 나타낸다. (b)에서 관찰되는 액체의 접촉각은 9°로서 액체가 금속 기재의 표면을 완전히 적시는 극친수성을 나타낸다.5 (a), the contact angle of the liquid is 33 °, which indicates that the water drops lose its shape and wet the surface of the metal base. The contact angle of the liquid observed in (b) is 9 °, which indicates extreme hydrophilicity in which the liquid completely wetts the surface of the metal substrate.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 7은 도 6에 도시한 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.6 is a process flow chart showing a method of machining a surface of a metal substrate according to a second embodiment of the present invention, and Fig. 7 is a schematic sectional view showing the surface state of each metal substrate in each step shown in Fig.
도 6과 도 7을 참고하면, 제2 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재(10)를 준비하는 제1 단계(S10)와, 금속 기재(10)의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성하는 제2 단계(S20)와, 미세 요철(20)의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층(30)을 형성하는 제3 단계와, 금속 나노층(30)의 표면에 소수성 고분자층(40)을 형성하는 제4 단계(S40)를 포함한다.6 and 7, a method for machining a surface of a metal substrate according to the second embodiment includes a first step (S10) of preparing a
제1 단계(S10) 내지 제3 단계(S30)는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Since the first to third steps S30 to S30 are the same as those of the first embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
제4 단계(S40)에서 소수성 고분자층(40)은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칸티올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함한다. In the fourth step S40, the
소수성 고분자층(40)은 소수성 물질을 금속 나노층(30) 위에 코팅하는 방법으로 형성할 수 있다. 이때 코팅은 코팅 용액에 침지시키거나 저압스프레이를 이용하여 표면에 코팅 용액을 도포한 다음, 핵산과 증류수를 통해 세척한 후, 고온의 오븐에서 건조하는 방법으로 수행될 수 있다. The
또한 소수성 고분자층(40)은 소수성 물질이 금속 나노층(30)과 화학적 결합을 이루어 형성될 수도 있다. 구체적으로, 소수성 물질은 금속 나노층(30)의 표면과 공유 결합을 통하여 단분자층 또는 다분자층의 형태로 형성될 수 있다. The
소수성 고분자층(40)은 재료 자체로 소수성을 나타내며, 금속 나노층(30) 위에 극히 얇은 두께로 형성됨에 따라 금속 나노층(30)과 동일한 패턴을 나타낸다. 즉 소수성 고분자층(40)에도 미세 요철(20) 및 금속 나노층(30)에 대응하는 요철 구조가 형성된다. 소수성 고분자층(40)은 단분자층으로서 1 내지 5nm의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있다.The
미세 요철(20)에 대응하여 소수성 고분자층(40)에 형성된 요철 구조는 봉우리에 해당하는 높은 부분과 골짜기에 해당하는 낮은 부분을 가지며, 봉우리에 해당하는 높은 부분이 소수성 구현을 위한 마이크로 돌기로 기능한다. 그리고 플레이크 형태의 금속 나노층(30)에 대응하여 소수성 고분자층(40)에 형성된 나노미터 스케일의 돌기 구조가 극소수성 구현을 위한 나노 돌기로 기능한다.The concavo-convex structure formed in the
이러한 소수성 고분자층(40)은 마이크로 돌기들 사이 및 나노 돌기들 사이로 공기를 함유하여 물과의 접촉 면적을 최소화함으로써 접촉각이 150°보다 큰 극소수성을 발휘한다.The
도 8은 소수성 고분자층이 형성된 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.8 is an enlarged photograph showing a contact angle test result of a liquid with respect to a metal substrate on which a hydrophobic polymer layer is formed.
도 8의 실험에 사용된 금속 기재는 다음과 같은 방법으로 표면 가공되었다.The metal substrate used in the experiment of Fig. 8 was surface-processed in the following manner.
알루미늄 기재의 표면을 샌드 블라스트 공정을 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하였다. 이후, 80℃에서 가열한 0.05몰 농도의 수산화나트륨 용액에 미세 요철이 표면에 형성된 알루미늄 기재를 담금으로써 알루미늄 나노층을 형성하였다. 이후, 알루미늄 나노층 위로 불소계 실란 커플링제를 코팅하여 소수성 고분자층을 형성하였다. The surface of the aluminum substrate was subjected to a sandblast process to form micrometer scale fine irregularities. Thereafter, an aluminum substrate having micro concavity and convexity formed on its surface was immersed in a 0.05 molar concentration sodium hydroxide solution heated at 80 DEG C to form an aluminum nano-layer. Then, a fluorine-based silane coupling agent was coated on the aluminum nano-layer to form a hydrophobic polymer layer.
도 8을 참고하면, 소수성 고분자층이 형성된 금속 기재는 160.6°의 접촉각을 나타내며 극소수성 표면을 구현한다.Referring to FIG. 8, the metal substrate on which the hydrophobic polymer layer is formed exhibits a contact angle of 160.6 ° and provides a very low surface area.
극소수성 표면을 가지는 금속 기재는 공조 기계의 응축기에 적용되어 응축 효율을 높일 수 있으며, 선박의 표면에 적용되어 같은 동력으로 보다 높은 추진력을 얻도록 할 수 있다. 또한, 극소수성 표면을 가지는 금속 기재는 급수 배관에 적용되어 급수 배관을 흐르는 유체의 유량과 유속을 증가시킬 수 있고, 접시형 안테나의 표면에 적용되어 안테나에 수분이나 눈이 쌓이지 않도록 할 수 있다.The metal substrate having a very low surface area can be applied to the condenser of the air conditioner to increase the condensation efficiency and to apply the same to the surface of the vessel to obtain higher thrust by the same power. In addition, the metal base having a very small number of surfaces can be applied to a water supply pipe to increase a flow rate and a flow rate of a fluid flowing through the water supply pipe, and can be applied to the surface of a dish type antenna to prevent water or snow from accumulating on the antenna.
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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.
10: 금속 기재 20: 미세 요철
30: 금속 나노층 40: 소수성 고분자층10: metal substrate 20: fine irregularities
30: metal nano-layer 40: hydrophobic polymer layer
Claims (15)
상기 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속하는 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계;
상기 금속 기재를 산 처리 또는 염기 처리하여 상기 미세 요철의 표면에 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하는 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하는 단계; 및
끓는 물을 이용하여 상기 금속 나노층을 안정화시키는 단계
를 포함하는 금속 기재의 표면 가공 방법.Preparing a metal substrate;
Forming micrometer scale fine concavities and convexities on the surface of the metal substrate through physical or chemical treatment in a range of 1 μm or more and less than 1,000 μm;
Forming an nano-scale metal nano-layer on the surface of the fine irregularities in the range of 1 nm or more and less than 1,000 nm; And
Stabilizing the metal nano-layer using boiling water
Wherein the surface of the metal substrate is a metal surface.
상기 미세 요철은 샌드 블라스트, 샌드 페이퍼 작업, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 레이저 처리, 산 또는 염기 에칭 중 어느 하나의 공정으로 형성되는 금속 기재의 표면 가공 방법.The method according to claim 1,
Wherein the fine irregularities are formed by any one of sandblasting, sandpapering, shot blasting, plasma etching, discharge processing, laser processing, acid etching or base etching.
상기 산 처리는 염산, 황산, 질산, 불산, 인산 및 아세트산으로부터 선택되는 적어도 하나의 산 용액에서 수행되고,
상기 염기 처리는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철 및 암모니아로부터 선택되는 적어도 하나의 염기 용액에서 수행되는 금속 기재의 표면 가공 방법.The method according to claim 1,
The acid treatment is carried out in at least one acid solution selected from hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid and acetic acid,
Wherein the base treatment is carried out in at least one base solution selected from sodium hydroxide, barium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, copper hydroxide, ammonium hydroxide, iron hydroxide and ammonia.
상기 금속 나노층을 안정화시키는 단계는 상기 금속 기재를 끊는 물에 30분 내지 24시간 담그는 것으로 이루어지는 금속 기재의 표면 가공 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of stabilizing the metal nano-layer comprises immersing the metal substrate in water for 30 minutes to 24 hours.
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