KR101425585B1 - 초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유아용 젖병이나 컵 등을 비롯한 실리콘 용기 내주면에 연잎표면과 같은 마이크로미터 크기의 미세 패턴을 형성하여 자기 세정력을 갖출 수 있는 소위 초발수 표면 구현이 가능한 용기를 성형하는 방법 및 상기한 방법으로 성형된 실리콘 용기에 관한 것으로,
실리콘 용기 사출을 위한 금형제조단계와,
상기 제조된 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 미세패턴형성단계와, 그리고
상기 미세패턴이 형성된 금형으로 실리콘 용기를 성형하는 제품성형단계를 포함하여 이루어지되,
상기 미세패턴형성단계는 기계가공을 통하여 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 것임을 기술적 특징으로 한다.

Description

초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법{THE MANUFACTURING METHOD FOR SILICON BOTTLE WITH SELF CLEANING CAPABILITY}

본 발명은 유아용 젖병이나 컵 등을 비롯하여 실리콘 소재로 만들어진 실리콘 용기의 성형 방법에 관한 것으로,

보다 구체적으로는 실리콘 용기 내주면에 연잎표면과 같은 마이크로미터 크기의 미세 패턴을 형성하여 자기 세정력을 갖출 수 있는 소위 초발수 표면 구현이 가능한 용기를 성형하는 방법 및 상기한 방법으로 성형된 실리콘 용기에 관한 것이다.

1975년 빌헬름 바스롯 교수(독일 본 대학교 식물학자)는 고배율의 현미경으로 연잎을 관찰한 결과, 표면에 마이크로미터(100만분의 1m) 크기의 돌기들과 그 돌기들 표면에 나노미터(10억분의 1m) 크기의 섬모들이 돋아나 있는 것을 발견하였으며, 이 같은 표면구조로 인해 물방울이 붙지 않고 굴러 떨어지면서 표면을 항상 깨끗한 상태로 유지할 수 있음(소위 연잎효과라 칭함)을 처음 밝혀낸 바 있다.

즉 발수성이란 물에 젖기 어려운 성질을 의미하는데 상기 언급된 연옆 효과를 얻기 위한 초발수 표면기술은 표면의 젖음현상을 조절하기 위한 표면개질 기술의 한 분야로, 최근 많은 논의가 이루어지고 있는 실정이다.

다시 말해, 최근에는 단순히 마르크로 구조 또는 나노 구조의 제로를 넘어서 자연계에 존재하는 마이크로/나누 구조물을 모사함으로써 발수성이 보다 향상된 초발수 표면이 갖추어진 물품들을 제조하고자 하는 연구가 이루어지고 있다.

이러한 초발수 표면이 응용될 수 있는 분야는 매우 다양하며 생활전반에 폭넓게 응용될 수 있는데,

구체적으로는 태양전지의 보호막, 초발수 표면 조명 부품, 플라스틱 식품 용기, 위생 용품의 표면 뿐만 아니라, 하이테크인 바이오센서, 마이크로 플루이딕스 침 표면에도 응용되는 등 그 분야가 점차적으로 확대되고 있는 실정이다.

그런데 이와 같은 초발수 표면이 구현된 제품을 사업화하기 위해서는 생산 단가를 낮춰 시장가격을 충분히 낮출 수 있어야 한다.

즉 양산 가능한 공정을 달성하여야 하는데, 특히 실리콘 용기의 경우 기존 사출성형방식을 유지할 수 있으면서도 실리콘 용기 표면에 초발수 표면 구현을 위한 방식들이 검토되고 있다.

사출성형방식을 고집하는 이유는 현 시대의 생산 기술 중 대량생산과 저가격화에 가장 적합한 공정 기술 중 하나이기 때문이며,

따라서 사출성형을 위한 금형에 어떠한 방법으로 초발수 표면 구현을 위한 미세패턴을 형성할 것인가가 기술 핵심이 되고 있는 실정이다.

그런데 금형에 미세패턴을 형성하는 방법으로는, 플라즈마 에칭, 포토리소그래피, 레이저 용발(ablation) 가공 방법들이 있는데,

공개특허 제10-2009-0061380호(2009.06.16)초발수 제품 성형 방법에 개시된 미세패턴 형성방법이 레이저 용발 가공 방법이다.

즉 공개특허 제10-2009-0061380호에서는, 제품을 성형하기 위한 금형을 제조하는 금형제조단계와 이 제조된 금형의 내측면에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 이용하여 미세요철을 형성하는 금형가공단계 및 미세요철이 형성된 금형을 이용하여 제품을 성형하는 제품성형단계를 포함하고, 레이저 어블레이션 방법은 원형의 레이저를 이용하여 금형의 내측면을 격자모양으로 반복하여 조사하는 것을 특징으로 하는 초발수 제품 성형 방법을 개시하고 있다.

우선 공개특허 제10-2009-0061380호을 비롯하여 레이저 용발 가공을 통해 금형에 미세패턴을 형성하게 되면,

현재 기술력으로는 항상 동일하게 레이저를 쏠 수 없다는 점, 레이저 포커싱시 회절 한계로 인해서 10㎛ 이하의 미세패턴 형성에 한계가 있다는 점, 특히 곡면 가공시 패턴 형성 한계가 있다는 점 등에 의해 미세패턴 재연성을 부족하다는 문제점이 있다.

다음으로 플라즈마 애칭 방법의 경우 비교적 공정이 단순하다는 장점이 있으나, 이는 통상적으로 유리 표면에 적용되는 방식인 것으로 곡면에 재현이 어려워 다양한 형상을 가지는 용기 제품의 표면에 구현이 어렵다는 문제를 가진다.

더욱이 플라즈마 애칭 방법은 금형에 직접 초발수 제작이 불가능하여 대량생산이 필요한 생활 용기에 대해서는 기술 접목이 실질적으로 불가능하다는 문제점이 있다.

다음으로 포토리소그래피 방법의 경우, 플라즈마 애칭 방법와 같이 금형에 직접적인 구현이 불가능하고, 그리고 평면 소재에 적용될 수 있는 방식으로 다양한 형상으로 제작될 수 있는 용기에 활용하기에는 불가능하다는 문제점이 있다.

또한 공정이 복잡하다는 문제점 역시 있다.

더욱이 유아용 젖병 등과 같은 용기와 관련하여 본 발명이 추구하고자하는 기술을 직접적으로 구현한 기술은 국내외적으로 보고된 바가 없다.

즉 실리콘 용기 자제 개발에 대한 국내 기관으로는 앙뽀를 들 수 있으며, 아가방, 유피스, PRINCE, 코들라이프 등은 플라스틱 용기를 주로 생산한다. 그리고 국외적으로는 Pigeon, Nuke, Chicco, Chuchu 등을 들 수 있는데,

실리콘 용기 내부에 초발수 표면을 구현하여 기능성 제품을 개발한 사례는 보고된 바도 없고 상품화된 바도 없다.

이에 본 발명에서는 앞선 단점과 한계를 보완하여 대량생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용하여 청정 표면 특성을 나타내는 제품을 대량으로 생산하기 위한 자기 세정능(SCC/ Self-Cleaning Capability)을 갖춘 초발수 표면 구현 제품 제조 기술 및 이로 인해 제작된 실리콘 용기를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

즉, 친환경성이 대두되고 있는 실리콘 유아 용기의 제조공정에서 자기 세정능(SCC)을 갖는 초발수 미세패턴을 금형 코어에 가공하고, 미세패턴이 가공된 실리콘 금형으로 사출성형함으로서 기능성 표면을 갖는 용기 제작을 위한 생간 기술을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 용기 성형 방법은,

실리콘 용기 사출을 위한 금형제조단계와,

상기 제조된 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 미세패턴형성단계와, 그리고

상기 미세패턴이 형성된 금형으로 실리콘 용기를 성형하는 제품성형단계를 포함하여 이루어지되,

상기 미세패턴형성단계는 기계가공을 통하여 금형 코어에 미세패턴을 형성하는 것임을 기술적 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 도입된 상기 기계가공은 다이아몬드 바이트를 통해 금형 코어에 패턴을 형성하는 것을 기술적 특징으로 한다.

아울러 본 발명의 실리콘 용기는 앞서 언급된 성형 방법으로 성형된 실리콘 용기인 것을 특징으로 한다.

상기의 성형 방법 및 이에 따라 성형된 실리콘 용기에 의하면,

금형 코어 표면에 기계가공을 통해 미세패턴을 형성하게 되는바, 비교적 공정이 단순하고 반복 재현성이 우수하다는 효과를 가진다.

특히 다양한 형상이 요구되는 실리콘 용기 등 구현 대상에 대한 형상 제한이 없이 가공이 가능하다는 효과를 가진다.

결국, 내부에 초발수 표면을 형성하여 쉽게 세척하기 어려운 음료수병, 젖병 등의 실리콘 용기 내부를 청결히 유지하도록 구현할 수 있다는 장점이 있으며,

미세패턴이 형성된 금형을 이용한 사출성형의 방식이어서 간단한 방식으로 대량생산이 가능하다는 장점이 있으며,

더욱이 유리제품에 비하여 깨질 염려가 없고 가벼우며 기존 플라스틱 음료 수병 대비 환경 호르몬의 위험이 없으며 열탕소독에도 전혀 문제가 없는 실리콘 제품이 낮은 인지도로 인해 시장에서 크게 주목을 받지 못하고 있는 상황에서 내부에 초발수 청정표면을 구현한 제품이 출시됨으로서 안전성과 위생면에서 소비자들에게 긍정적으로 접근할 수 있는 실리콘 용기를 성형하고 이를 제공할 수 있게 된다는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 성형방법을 단계적으로 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명에 따라 성형방법을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따라 성형된 실리콘 용기를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따라 실리콘 용기 표면에 형성될 미세패턴에 대한 간략도면.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법 및 상기 방법에 의해 성형된 실리콘 용기에 대해서 설명하도록 한다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과한 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

특히 이하 설명에서 실리콘이라는 용어를 사용하나, 사용된 실리콘이라는 용어에 한정되는 것이 아니라 실리콘과 같은 기능을 가진 소재로 이와 대체될 수 있는 엘라스토머 재질을 포함한다 할 것이다.

본 발명에 따른 초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법은 금형을 통한 사출성형방식인 것으로,

도 1에서와 같이 금형제조단계와, 미세패턴형성단계, 그리고 제품성형단계로 이루어지는데,

상기 금형제조단계는 실리콘 용기 사출을 위한 금형을 제작하는 단계로 일반적으로 널리 사용되고 있는 주조 등의 방법을 사용하면 된다.

다음으로 미세패턴형성단계는 제조된 금형의 코어에 미세패턴을 형성하는 단계인 것으로 종래기술에서 언급된 바와 같이 그리고 공개특허 제10-2009-0061380호와 달리 패턴 형성을 기계가공(Micro-Mechanical Machining)을 통해 진행한다는 점에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

즉 기계가공을 통해 금형에 패턴을 형성하게 되면, 기존 레이저 용발 공정을 통해 패턴을 형상하는 것에 비해 다양한 용기 표면 즉 평면/곡면과 같이 형상에 제한 없이 패턴 형성이 가능하다는 장점과 공정이 비교적 단순하고 반복 재현성이 우수한다는 장점을 가진다.

그리고 상기 금형제조단계 전 또는 금형제조단계와 미세패턴형상단계 사이에 금형코어에 가공을 위한 패턴을 설계하는 패턴설계단계를 거치게 된다.

보다 구체적으로 상기 패턴설계단계는 보다 확실한 연잎 효과를 위해서 자연 관찰을 통해 연잎 표면에 대한 초발수 특성을 분석한 후 이를 기초로 초발수 패턴설계가 이루어지도록 한다.

즉 금형 코어에 새겨질 초발수 패턴의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 일정 주기(P)를 따라 표면에 서 특정 높이(H)와 너비(D)로 형성된 주돌기(1)와 상기 주돌기 전 표면에 걸쳐 다시 형성된 것으로 특정 높이(h)와 너비(d)로 형성된 부돌기(2)들로 이루어진다.

그리고 상기와 같이 설계된 패턴을 금형 코어에 가공하게 된다.

다음으로 미세패턴을 금형 코어에 가공하게 되는 미세패턴형성단계에서의 가공은 기계가공을 통하여 이루어진다고 전술한 바 있는데,

특히 기계가공은 다이아몬드 바이트를 통해 금형 코어에 미세 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

이는 주지된 바와 같이 다이아몬드가 경도가 가장 높은 광물로 알려져 있는바, 금형 코어에 패턴이 보다 쉽게 형성될 수 있고 또한 다이아본드의 가공력에 따라 미세패턴 형성이 가능하여 기계가공은 다이아몬드 바이트를 이용하여 진행되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 미세패턴이 형성된 금형에 실리콘 수지를 투입하여 실리콘 사출성형이 이루어지는데,

본 발명에 사용될 열경화성 실리콘 수지는 사출성형측면에서 고유동성이 확보된 수지이며, 내열성, 전기적 특성, 내습성, 내수성, 내약품성, 내후성 및 난영성의 특징을 갖는 수지이다. 특히 우수한 절연 및 내구특성으로 인해 오래전부터 사용되어 왔으며 전기, 전자, 자동차, 의료, 스포츠 및 여러산업분야에서 응용범위가 계속적으로 확대되고 있는 실정이다.

특히 sub-micro 크기 이하의 미세패턴을 성형하기 위해서 hot-embossing, PDMS 캐스팅, UV 몰딩 등의 공정을 사용하고 있으나 이와 같은 공정은 양산성이 떨어지거나 성형 재료의 강도가 낮아 제품으로서의 역할을 하지 못하고, 성형 재료의 가격이 높아 시장성을 만족시키지 못한다는 한계를 가지고 있다.

따라서 이러한 단점과 한계를 보완하여, 본 발명에서는 대량생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용하여 청정 표면 특성을 나타내는 제품을 대량으로 생산하기 위한 자기세정능을 갖는 초발수 표면이 구현된 유아용 실리콘 용기 개발을 제안하고 있다.

상기와 같은 과정을 통해 내주면에 초발수 미세패턴이 가공된 실리콘 용기가 제작된다.

용기의 초발수성과 관련하여, 고체 표면상에서 이루어지는 물방울의 접촉각이 발수성의 지표가 되는데, 일반적으로는 접촉각이 90° 이상인 경우를 발수성 표면이라고 하고, 110°내지 150°이상이면 초발수성 표면이라고 칭한다.

그런데, 본 발명의 성형 방법에 의한 실리콘 용기 내주면은 접촉각이 120° 내지 130°이상인 것으로 초발수 표면 형성이 가능하게 된다.

따라서 이와 같은 초발수 표면에 의해 사출성형된 유아용 실리콘 컵의 경우에는 사용 후 물로 한번 헹구고 탁탁 털어버리면 내부에 묻혀졌던 물이 모두 떨어지면서 항상 깨끗한 표면 상태 유지가 가능해지며,

또한 유아용 실리콘 젖병의 경우에도 젖병에 담겨지는 분유의 특성상 음료와 같은 정도의 발수능력 및 이로 인한 깨끗한 표면상태 유지는 어렵지만

일반 플라스틱 제품에 비해 발수성이 우수하고 열탕소독이 가능하고, 또한 미세패턴에 의해 박테리아균이 생존하지 못하는 환경이 조성되는바,

위생측면에서 강화된 제품을 얻을 수 있게 된다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 "초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법 및 상기 방법에 의해 성형된 실리콘 용기"에 대해 설명하였으나 본 발명은 이하 설명되는 청구범위 내에서 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 실리콘 용기 사출을 위한 금형제조단계;
   상기 제조된 금형 코어에 초발수 기능이 구현된 미세패턴을 형성하는 미세패턴형성단계; 및
   상기 미세패턴이 형성된 금형으로 실리콘 용기를 성형하는 제품성형단계를 포함하여 이루어지되,
   상기 미세패턴형성단계는 기계가공을 통하여 금형 코어에 초발수 기능이 구현된 미세패턴을 형성하는 것임을 특징으로 하는 초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기계가공은 다이아몬드 바이트를 통해 금형 코어에 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 표면이 구현된 실리콘 용기의 성형 방법.
3. 삭제

Images