KR101427684B1

KR101427684B1 - 내구성이 향상된 발수성 표면의 제조방법 및 발수성 표면이 형성된 기판

Info

Publication number: KR101427684B1
Application number: KR1020120141919A
Authority: KR
Inventors: 이상로; 나종주; 박명점; 김명근; 김윤환; 서재형; 악흔; 이지영
Original assignee: (주)에스이피
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-08-12
Also published as: CN104838343A; KR20140073903A; WO2014088191A1

Abstract

본 발명은 내구성이 향상된 발수성 표면의 제조방법 및 발수성 표면이 형성된 기판에 관한 것이다. 자세하게는 본 발명은 기판 위에 발수층을 코팅한 후 상기 발수층을 식각하여 나노돌기를 형성함으로써, 발수층을 기판 표면의 나노돌기 형상을 따라 코팅하지 않고도 표면에 반사방지 및 발수 특성을 함께 부여할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 나노돌기가 형성된 발수층이 완전히 마모될 때까지 발수성을 유지할 수 있어 발수성 표면의 내구성을 매우 향상시킬 수 있다.

Description

내구성이 향상된 발수성 표면의 제조방법 및 발수성 표면이 형성된 기판{Manufacturing method of water-repellent surface having improved durability, and substrate having water-repellent surface}

터치스크린패널 등에 사용되는 투명소재 기판은 표면에 반사방지 기능과 더불어 내지문 또는 방오염 특성을 함께 부여하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이 기판 표면에 나노돌기와 같은 나노구조물을 형성한 후 발수층을 코팅하는 것이 일반적이다.

이때 상기 발수층이 기판 표면에 형성된 나노구조물을 덮을 만큼 두꺼워지게 되면 나노돌기의 효과인 반사방지 기능이 저하되게 되므로, 상기 발수층의 코팅 두께는 나노돌기가 묻히지 않을 정도로 얇아야 한다. 따라서, 통상적으로 사용되는 SAMs (Self Assembled Monolayers) 물질에 의한 발수층 코팅 두께는 10~30nm 범위인 것이 일반적이다.

그러나, 이러한 코팅층이 형성된 기판이 터치스크린패널 등에 사용되는 경우, 잦은 접촉으로 인해 발수층의 마모가 쉽게 발생할 수 있으며 그에 따라 내지문 또는 방오염성 효과도 쉽게 사라지게 된다. 이를 해결하기 위해서는 진공증착 등의 공정을 통하여 상기 발수층 자체의 내구성을 높여야 하는데, 이는 공정이 복잡해질 뿐만 아니라 전체 공정 비용이 커지는 원인이 된다.

한편, 터치스크린패널 등에 사용되는 투명소재 기판은 식각이 용이치 않아 반사방지를 위한 나노돌기를 형성하는 것 자체도 어렵다는 문제가 있었다.

이에, 간단한 공정으로 기판 표면에 반사방지 기능과 내지문 또는 방오염 특성을 함께 부여할 수 있을 뿐만 아니라 진공증착 등을 사용하지 않고도 발수층 자체의 내구성을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 진공증착 등을 사용하지 않고도 간단한 공정으로 발수층 자체의 내구성을 향상시킬 수 있는 발수성 표면의 제조방법 및 발수성 표면이 형성된 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기판에 직접적으로 나노돌기를 형성하지 않고도 간단한 공정으로 기판 표면에 반사방지 기능과 내지문 또는 방오염 특성을 함께 부여할 수 있는 발수성 표면의 제조방법 및 발수성 표면이 형성된 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 i) 기판(10) 위에 발수층(20)을 코팅하는 단계, 및 ⅱ) 상기 발수층(20)을 식각하여 나노돌기(21)를 형성하는 단계로 이루어진 발수성 표면의 제조방법과, 표면에 코팅된 발수층(20)에 나노돌기(21)가 형성된 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판(10)을 제공한다.

본 발명은 종래기술과 같이 기판 표면에 나노돌기를 형성한 후 발수층을 코팅하는 것이 아니라, 기판 표면에 먼저 발수층을 코팅한 후 상기 발수층에 나노돌기를 형성함으로써 초발수 표면의 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

상기 초발수 표면이 형성되는 기판(10)은 유리, 세라믹, 금속 또는 플라스틱 등 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 나노돌기(21)의 형성단계는 상기 기판(10)의 소재와 상관없이 단일한 장비와 공정으로 이루어질 수 있다.

상기 발수층(20)은 발수성을 가지는 다양한 물질로 이루어질 수 있으며, 일 실시예로 발수성을 가지면서 높은 경도의 구현이 가능한 저온 경화형 세라믹 코팅제로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 저온 경화형 세라믹 코팅제는 금속과 유기물 성분으로 이루어져 있는 용액으로써 졸-겔법에 의해 경화가 이루어지며, 경화 후에는 세라믹화하는 기초 원료이다.

이때, 상기 저온 경화형 세라믹 코팅제로 이루어진 코팅층은 발수성으로 인하여 기판과의 밀착력이 떨어질 수 있는데, 이를 해결하기 위하여 상기 기판(10) 위에 발수층(20)을 코팅하는 i) 단계 전에, 상기 기판(10)과 발수층(20)의 저온 경화형 세라믹 코팅제와의 밀착력을 높이기 위하여, 기판(10) 표면을 대기압 플라즈마로 세정하여 -OH 기를 활성화하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 코팅층의 밀착력 및 경도를 높이기 위하여, 상기 저온 경화형 세라믹 코팅제는 함침법, 스프레이 코팅, 스핀코팅 또는 에어나이프코팅(Air-knife coating) 방식을 통하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 저온 경화형 세라믹 코팅제의 점도는 1 ~ 10cP(20℃)에서 제어되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 발수층(20)의 두께는 100~3,000nm 이고, 상기 나노돌기(21)의 직경이 50~500nm 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 나노돌기(21)의 접촉에 의한 무너짐을 최소화하기 위하여, 상기 나노돌기(21)와 함께 마이크로 돌기가 동시에 형성될 수 있으며, 이때 상기 마이크로 돌기의 직경은 1~50㎛ 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 마이크로 돌기(22)와 나노돌기(21)가 기판 위에 혼재하고 있으며 마이크로 돌기들 사이의 간격은 20㎛~1mm인 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 발수성 표면이 형성된 기판은 진공증착 등을 사용하지 않고도 간단한 공정으로 발수층 자체의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 기판에 직접적으로 나노돌기를 형성하지 않고도 간단한 공정으로 기판 표면에 반사방지 기능과 내지문 또는 방오염 특성을 함께 부여할 수 있어 제조공정을 단순화하고 제조비용을 낮추는 효과를 얻을 수 있다.

도 1 - 종래의 표면처리 기술에 따라 나노돌기가 형성된 기판 위에 발수층을 코팅하는 과정을 보여주는 공정 흐름도
도 2 - 본 발명에 따라 기판 위에 발수층을 코팅한 후, 상기 코팅된 발수층에 나노돌기를 형성하는 과정을 보여주는 공정 흐름도
도 3 - 본 발명에 따라 기판 위에 발수층을 코팅한 후, 상기 코팅된 발수층에 나노돌기 및 마이크로 돌기를 형성하는 과정을 보여주는 공정 흐름도

이하에서는, 본 발명의 내구성이 향상된 발수성 표면의 제조방법 및 발수성 표면이 형성된 기판을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 발수성 표면의 제조방법은 도 2에 도시한 바와 같이 i) 기판(10) 위에 발수층(20)을 코팅하는 단계, 및 ⅱ) 상기 발수층(20)을 식각하여 나노돌기(21)를 형성하는 단계로 이루어진다. 또한, 상기 방법에 의하여 제조된 본 발명의 기판은 기판(10) 자체가 아닌 기판 표면에 코팅된 발수층(20)에 나노돌기(21)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

종래에는 기판 표면에 반사방지 기능과 내지문 또는 방오염 특성을 함께 부여하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이 기판(10) 표면에 나노돌기(11)와 같은 나노구조물을 형성한 후 발수층을 코팅하는 것이 일반적이었다.

그러나, 이와 같이 나노구조물을 형성한 후 발수층을 코팅하는 경우, 발수층의 코팅 두께가 나노돌기가 묻히지 않을 정도로 얇아야 하기 때문에 터치스크린패널 등 잦은 접촉이 필요한 기판에서는 발수층이 쉽게 마모된다는 문제가 있었다. 따라서, 얇은 두께를 가지는 발수층의 내구성을 높이기 위하여 진공증착과 같은 고비용의 공정을 거쳐야만 하였다.

또한, 기판이 식각이 어려운 소재로 이루어진 경우 기판에 나노돌기 형성이 어려울 뿐만 아니라, 기판의 소재가 달라질 때마다 이에 적합한 식각 공정을 개발해야 하기에 많은 시간 및 비용이 소요되었다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래기술과 같이 기판 표면에 나노돌기를 형성한 후 발수층을 코팅하는 것이 아니라, 기판(10) 표면에 먼저 발수층(20)을 코팅한 후 상기 발수층에 나노돌기(21)를 형성함으로써 초발수 표면의 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 나노돌기(21)는 기판(10)에 직접 형성되는 것이 아니라 기판 위에 코팅된 발수층(20)에 형성되는 것이므로, 상기 기판(10)은 식각 조건을 고려할 필요없이 유리, 세라믹, 금속 또는 플라스틱 등 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 나노돌기(21)의 형성이 기판(10)의 소재와 상관없이 단일한 장비와 공정으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 발수층(20)은 발수성을 가지는 다양한 물질로 이루어질 수 있으나, 일 실시예로 발수성을 가지면서도 높은 경도의 발수층 구현이 가능한 저온 경화형 세라믹 코팅제가 사용될 수 있다.

이때, 상기 코팅층은 재료 자체가 가지는 발수 특성으로 인하여 기판과의 밀착력이 떨어질 수 있기 때문에, 상기 기판(10)과 발수층(20)의 저온 경화형 세라믹 코팅제와의 밀착력을 높이기 위하여, 상기 기판(10) 위에 발수층(20)을 코팅하기 전에 기판(10) 표면을 대기압 플라즈마로 세정함으로써, 기판 표면의 -OH 기를 활성화하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발수층의 코팅은 진공증착 등의 공정을 거칠 필요는 없으나, 코팅층의 밀착력 및 경도를 높이기 위하여, 함침법, 스프레이 코팅, 스핀코팅 또는 에어나이프코팅(Air-knife coating) 방식을 통하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 저온 경화형 세라믹 코팅제의 점도는 1 ~ 10cP(20℃)에서 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 기판 표면에 반사방지 기능을 부여하면서도 발수층의 내구성을 높이기 위하여 상기 발수층(20)의 두께는 100~3,000nm 범위에서 제어되는 것이 바람직하며, 상기 나노돌기(21)의 직경은 50~500nm 범위에서 제어되는 것이 바람직하다.

한편, 표면에 나노돌기(21)를 형성하게 되면 외부 접촉에 의해 나노돌기들이 무너질 수 있으므로, 상기 나노돌기(21)의 접촉에 의한 무너짐을 최소화하기 위하여, 상기 나노돌기(21)와 함께 마이크로 돌기(22)가 동시에 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 마이크로 돌기(22)와 나노돌기(21)가 기판 위에 혼재하고 있으며 마이크로 돌기들 사이의 간격은 20㎛~1mm인 것이 바람직하다.

상기와 같이 마이크로 돌기와 나노돌기가 혼재된 형태의 기판은 외부 접촉에 의한 하중이 가해지는 경우, 마이크로 돌기는 표면 하중을 지지하여 나노 스케일의 돌기들이 무너지는 것을 방지하는 역할을 하게 되며, 이때 상기 마이크로 돌기의 직경은 상기 나노 돌기들이 무너지는 것을 효율적으로 방지하기 위하여 1~50㎛ 인 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10 : 기판
20: 발수층
11, 21 : 나노돌기
22 : 마이크로 돌기

Claims

i) 기판(10) 위에 발수층(20)을 코팅하는 단계; 및
ⅱ) 상기 발수층(20)을 식각하여 나노돌기(21)를 형성하는 단계;
를 포함하되,
상기 ⅱ) 단계에서, 상기 나노돌기(21)의 무너짐을 막기 위하여 상기 나노돌기(21)와 함께 직경이 1~50㎛인 마이크로 돌기(22)가 상기 발수층(20) 상부에 상기 나노돌기(21)와 중첩되지 않도록 혼재되어 동시에 형성되며, 상기 마이크로 돌기(22) 간의 간격이 20㎛ ~ 1㎜인 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 기판(10)이 유리, 세라믹, 금속 또는 플라스틱 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어지며,
상기 나노돌기(21)의 형성단계가 상기 기판(10)의 소재와 상관없이 단일한 장비와 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 발수층(20)이 저온 경화형 세라믹 코팅제로 이루어진 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 기판(10) 위에 발수층(20)을 코팅하는 i) 단계 전에,
상기 기판(10)과 발수층(20)의 저온 경화형 세라믹 코팅제와의 밀착력을 높이기 위하여, 기판(10) 표면을 대기압 플라즈마로 세정하여 -OH 기를 활성화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 저온 경화형 세라믹 코팅제의 코팅이 함침법, 스프레이 코팅, 스핀코팅 또는 에어나이프코팅(Air-knife coating) 방식을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 저온 경화형 세라믹 코팅제의 점도가 1 ~ 10cP(20℃)에서 제어되는 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 발수층(20)의 두께가 100~3,000nm 인 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 나노돌기(21)의 직경이 50~500nm 인 것을 특징으로 하는 발수성 표면의 제조방법.
삭제
삭제
삭제
표면에 발수층(20)이 코팅된 기판(10)에 있어서,
상기 발수층(20)에 나노돌기(21)와 함께 상기 나노돌기(21)의 무너짐을 막기 위하여 직경이 1~50㎛인 마이크로 돌기(22)가 상기 발수층(20) 상부에 상기 나노돌기(21)와 중첩되지 않도록 혼재되어 동시에 형성되며,
상기 마이크로 돌기(22) 간의 간격이 20㎛ ~ 1㎜인 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판.
제12항에 있어서,
상기 기판(10)이 유리, 세라믹, 금속 또는 플라스틱 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어지며,
상기 나노돌기(21)가 상기 기판(10)의 소재와 상관없이 단일한 장비와 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판.
제12항에 있어서,
상기 발수층(20)이 저온 경화형 세라믹 코팅제로 이루어진 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판.
제14항에 있어서,
상기 저온 경화형 세라믹 코팅제의 점도가 1 ~ 10cP(20℃)에서 제어되는 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판.
제12항에 있어서,
상기 발수층(20)의 두께가 100~3,000nm 인 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판.
제12항에 있어서,
상기 나노돌기(21)의 직경이 50~500nm 인 것을 특징으로 하는 발수성 표면이 형성된 기판.
삭제
삭제
삭제