KR101528708B1 - 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법 Download PDF

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김동립
조영준
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법을 제공한다. 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법은 기제작된 열교환기를 준비하는 단계, 상기 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 상기 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 및 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계를 포함한다. 따라서, 열교환기를 제작 완료한 후에 전열면에서의 초발수 특성을 부여하는 공정을 수행할 수 있어서 열교환기 조립시에 발생될 수 있는 초발수 특성의 저하 문제가 없다. 또한, 담금법 및 진공건조를 이용하여 열교환기의 전열면에서의 초발수 특성을 부여함으로써, 공정이 간단하고 비용 및 시간이 적게 든다. 또한, 나노/마이크로 구조체 상에 오일도포를 통해 물방울 또는 서리에 대한 부착력을 감소시킬 수 있다.

Description

초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법{Heat exchanger with superhydrophobicity and method of manufacturing the same}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열교환기의 전열성능은 전열면의 물에 대한 젖음 특성에 따라서 그 효율이 크게 좌우 될 수 있다.
예를 들어, 냉장고, 에어컨, 히트펌프 등에 적용되는 열교환기의 전열면에서는 응축현상과 서리착상 현상이 일어나게 된다. 이에 대한 효율감소를 최소화하기 위해 열교환기 전열면에 식각을 통해 나노/마이크로 구조를 만들고, 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방법이나 전기화학증착법(electro chemical deposition) 또는 딥코팅(dip coating)등의 방법으로 불소계(fluoro) 또는 실란계(silane)의 발수 또는 초발수 코팅을 하여 전열면에서의 발수 또는 초발수 특성에 의한, 적상응축 유도, 서리착상 지연 효과 증대를 통한 열교환기 효율을 향상시키는 연구가 활발히 진행되어 왔다.
하지만, 종전의 연구는 접촉각 증가를 통한 적상응축 및 서리착상 지연 효과에 대한 연구가 대부분이며, 열교환기 효율 향상에 중요한 응축수 배수에 관한 연구는 미미한 실정이다. 또한, 코팅재 만으로는 상기 언급한 효과 증대를 위한 접촉각 극대화가 어려워 추가적으로 전열면의 나노/마이크로 구조화가 필요한데, 종전의 연구는 이미 제작이 완료된, 복잡한 형상을 가지고 있는 열교환기에 나노/마이크로 구조체를 제작할 수 있는 공정을 바로 적용하지 못하는 한계로 인하여, 열교환기를 구성하고 있는 각각의 부재에 대해서 각각 나노/마이크로 구조체를 만들고, 최종적으로 각각의 부재를 조립하여 발수 또는 초발수 열교환기를 제작하였다. 예를 들어, 일본 공개특허 특개평6-307793(1994.11.01.)에서는 공기측 전열면의 표면에 미리 서브 미크론의 마이크로 요철을 형성하고, 상기 요철 상에 나노미터 크기의 얇은 막 두께의 분기상 불화 탄소계 단분자막을 형성하여 발수처리하였다.
이에 따라, 종전에 연구는 여러 가지 한계점이 있었다.
첫째, 열교환기 전열면의 접촉각 증가에 따른 적상응축 및 서리착상 지연의 효과가 있었음에도 불구하고, 응축된 액적이 전열면에 붙어있는 현상으로 인하여 서리착상 또는 제상작업시 전열면에 발생한 응축수의 배수가 용이하지 않은 문제가 있었다. 따라서, 착·제상 사이클이 반복 됨에 따라 열전달 성능이 저하되는 문제로 실제 열교환기 산업에 적용되기 어려웠다.
둘째, 발수 또는 초발수 특성은 낮은 표면에너지와 나노/마이크로 구조체의 형성으로부터 야기되는데, 열교환기 부재에 형성될 수 있는 낮은 표면에너지를 위한 발수 코팅과 나노/마이크로 구조체는 본래 열에 대한 저항성과 기계적 강도가 낮다. 따라서, 각각의 열교환기 부재를 조립하는 과정에서 가해지는 힘 또는 열에 의해, 각각의 부재에 형성되어 있는 발수코팅이나 나노/마이크로 구조체가 손상될 수 있고 이에 따라 발수 또는 초발수 특성이 상당 부분 저하 될 수 있다.
셋째, 각각의 열교환기의 부재에 발수 또는 초발수 특성을 구현한 이후, 조립해야 하므로 공정이 복잡해짐에 따라 비용 및 시간이 많이 소모되는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열교환 효율이 향상된 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 열교환기의 전열면에 맺히는 물방울을 효율적으로 제거할 수 있는 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 제공한다. 상기 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법은 기제작된 열교환기를 준비하는 단계, 상기 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 상기 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 및 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 기제작된 열교환기를 준비하는 단계 및 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 사이에, 상기 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때의 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계는 상기 열교환기 중 적어도 전열면의 자연산화막을 제거하는 것을 특징으로 한다. 이러한 염기성 용액은 NaOH를 포함할 수 있다.
또한, 이때의 식각용액은 묽은 염산용액을 포함할 수 있다.
또한, 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계는, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계 이후에, 상기 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때의 오일은 불소화 오일을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 상기 오일을 도포하는 단계는 상기 나노/마이크로 구조체 사이로 오일을 침투시킴으로써 물방울의 부착력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제공한다.
이러한 초발수 특성을 갖는 열교환기는 전열면 및 적어도 상기 전열면을 포함하는 표면에 형성된 나노/마이크로 구조체를 포함하고, 상기 나노/마이크로 구조체는 오일 도포된 것을 특징으로 한다.
이때의 나노/마이크로 구조체는 진공건조법에 의해 표면의 친수이온이 제거된 것일 수 있다.
또한, 이러한 오일도포의 오일은 불소화오일일 수 있다.
또한, 이러한 나노/마이크로 구조체가 형성된 전열면은 미끄럼각이 10° 이하일 수 있다.
본 발명에 따르면, 담금법(immersion method)을 이용해, 이미 제작이 완료된 열교환기에 초발수 특성을 구현할 수 있다. 즉, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액(solution)에 침지함으로 열교환기의 전열면을 용액 안에서 식각하여 전열면에 나노/마이크로 구조를 제작하고 진공건조 하거나 이에 더하여 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하여 초발수 특성을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다.
이로 인한 이점은, 첫째, 용액이 침투할 수 있는 영역에서는 모두 균일하게 초발수 특성을 구현할 수 있으므로, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액에 침지하여 손쉽게 초발수 열교환기를 제작할 수 있다. 따라서, 각각의 부재를 조립할 때 발생할 수 있는 나노/마이크로 구조체 또는 발수 코팅의 손상문제가 없다.
둘째, 용액을 이용하는 방법이므로 대면적 및 복잡한 형상에서도 적용이 가능하다.
셋째, 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작하는데 있어서, 이미 제작이 완료된 열교환기를 직접 사용하므로 공정이 간단하고 비용 및 시간이 적게 들게 되므로 향 후 열교환기 산업에서 쉽게 적용될 수 있다.
넷째, 열교환기의 전열면에서는 적상응축 또는 막상응축 현상이 일어나게 되는데, 초발수 전열면에서 나타나는 적상응축이 발생하는 경우 막상응축에 비해, 응축수에 의한 열저항을 최소화함으로써, 전열성능을 크게 향상 시킬 수 있다.
다섯째, 열교환기에서는 전열면에서 서리착상 현상이 일어나게 되어, 서리에 의한 전열저항 증가 및 유로의 막힘에 의한 압력손실이 발생할 뿐 아니라, 서리를 제거하는 제상작업 사이클이 자주 반복되면서 열교환기의 효율을 크게 저하 시키는 문제점이 있었다. 따라서 초발수 특성을 갖는 열교환기를 간단한 공정으로 제작할 수 있음에 따라, 전열저항, 압력손실, 제상작업 사이클 횟수의 최소화와 더불어 제상작업 시 서리가 잘 떨어지는 효과로 열교환기 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 나노/마이크로 구조체 상에 오일도포를 통해 물방울에 대한 부착력을 감소시켜 상기 언급한 효과로 열교환기 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 제조예 1에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 3 내지 도 6은 제조예 1에 따라 제조된 시편의 식각표면 거칠기를 측정한 이미지이다.
도 7 내지 도 10은 제조예 1에 따라 제조된 시편의 이미지 및 접촉각과 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 11은 제조예 2에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 12는 제조예 3에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 13은 제조예 4에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 14는 제조예 4에서 오일도포 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 15는 비교예에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 16은 비교예에서 오일도포 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 '초발수'의 의미는 접촉각(contact angle)이 150°이상이며, 미끄럼각(sliding angle)이 10°이하인 발수 특성을 의미한다. 이 때, 전술된 '접촉각'은 정지한 액체 표면이 고체 벽에 접촉되는 곳으로 액면과 고체면이 이루는 각을 말한다. 또한, 전술된 '미끄럼각'은 수평한 바닥면을 기준으로 액체가 흐르기 시작하는 기울기 각도를 의미한다.
나아가 '초발수 특성을 갖는'의 의미에는 상술한 접촉각 조건에 상관없이 미끄럼각이 10°이하인 경우도 포함할 것이다.
나아가 명세서 전반에 걸쳐 서술되는 '나노/마이크로 구조체'의 의미는 평균 입경이 수㎚ 내지 수㎛인 결정들을 포함하는 결정체를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 '열교환기'는 다른 유체간에 열에너지를 교환하는 기기 또는 장치를 의미하고, 적상응축, 서리착상지연, 또는 응축수의 쉬운 제거를 통해 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 대상 또는 기기를 모두 포함한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 '초발수 특성을 갖는 열교환기'는 열교환기 중 적어도 전열면이 초발수 특성을 갖는다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법은 기제작된 열교환기를 준비하는 단계(S100), 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계(S200), 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계(S300), 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계(S400) 및 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계(S500)를 포함한다.
먼저, 기제작된 열교환기를 준비한다(S100). 본 발명은 담금법을 이용한 방법으로써, 이미 제작이 완료된 열교환기에 초발수 특성을 구현하는 공정을 수행할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 열교환기의 각각의 부품에 초발수 특성을 구현한 이후, 조립함으로써 발생될 수 있는 초발수 특성의 저하 문제를 방지할 수 있다.
이러한 열교환기는 예를 들어, 냉장고, 에어컨 또는 히트펌프일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 적상응축, 서리착상지연, 또는 응축수의 쉬운 제거를 통해 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 대상 혹은 기기를 모두 포함한다.
그 다음에, 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지(S200)한다. 이 단계(S200)는 열교환기의 전열면이 예컨대 알루미늄 합금으로 구성될 경우, 이러한 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하는 역할을 한다.
따라서 이러한 염기성용액은 열교환기 전열면의 자연 산화막을 제거할 수 있는 물질이면 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 염기성용액은 NaOH를 포함할 수 있다.
또한, 이러한 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계(S200)는 상온에서 수행할 수 있다.
한편, 이러한 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계(S200)는 경우에 따라 생략 가능하다.
그 다음에, 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성할 수 있다(S300).
이때, 열교환기의 전열면에 후술하는 진공건조를 통한 초발수 특성을 구현하기 위하여는 열교환기의 표면의 거칠기를 Ra(arithmetic average of absolute values)는 4.76±0.54 ㎛ 이상이고, Rq(root mean squared)는 5.81±0.64 ㎛ 이상이고, Rt(maximum height of the profile)는 35.06±4.61 ㎛ 이상이 될때까지 식각하는 것이 바람직하다.
만일, 열교환기의 표면의 거칠기를 상술한 조건까지 형성하지 못할 경우, 물방울과 표면의 나노/마이크로 구조체 사이에 초발수 특성을 발현시킬 수 있는 공기 층이 충분히 형성되지 않을 수 있으므로, 후술하는 진공건조에 의하여도 초발수 특성이 발현되지 않을 수 있다.
이때의 식각용액은 전열면의 물질에 따라 적정하게 선택할 수 있다. 이러한 식각용액은 산성용액일 수 있다. 예를 들어, Al 표면을 식각할 경우, 이러한 식각용액으로 묽은 염산(HCl)용액을 사용할 수 있다. 또 다른 예로, 스테인리스 강(SUS304)을 식각할 경우, 이러한 식각용액으로 염화철(Ⅲ)(FeCl3), 염산(HCl), 인산(H3PO4) 및 과산화수소(H2O2)를 포함하는 혼합수용액을 사용할 수 있다.
따라서, 이러한 담금법(immersion method)을 이용하여 이미 제작이 완료된 열교환기를 식각용액에 담가(immersion) 열교환기 재료인 알루미늄 합금 또는 스테인리스 강 등의 재료를 용액에서 식각함으로써, 이러한 재료 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 대면적 및 복잡한 모양의 열교환기에서도 적용 가능한 장점이 있고, 고가의 장비가 필요 없다.
그 다음에, 상술한 식각공정으로 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조한다(S400). 이러한 진공 건조를 통해 나노/마이크로 구조체로부터 OH-, Cl- 등의 친수이온을 제거할 수 있다.
이러한 나노/마이크로 구조체를 진공 건조하는 단계(S400)는 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상술한 조건 하에서 진공 건조를 수행할 경우, 나노/마이크로 구조체로부터 OH-, Cl- 등의 친수이온을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.
따라서, 담금법 및 진공건조법을 이용하여 기제작된 열교환기 중 적어도 전열면의 표면에 초발수 특성을 구현할 수 있다. 즉, 열교환기의 전열면의 표면의 미끄럼각은 10° 이하로 형성할 수 있는 바, 이러한 전열면에 맺히는 물방울을 굴려 떨어뜨려 열교환기의 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계 이후에, 상기 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계를 더 추가할 수 있다.
이러한 오일 도포는 예컨대, 스핀코팅을 통하여 수행할 수 있다.
이러한 추가 오일 도포는 열교환기의 전열면의 표면상에 초발수 특성을 이용하여 전열면의 표면에 맺히는 물방울을 굴러 떨어뜨릴 수도 있고, 물방울의 상태에 따라 부착력이 감소된 전열면의 표면에 맺힌 물방울 또는 서리를 탈착시켜 분리시킬수도 있다. 따라서, 열교환기의 효율을 증가시킬 수 있다.
이때의 오일은 불소화 오일(Fluorinated Oil)을 포함할 수 있다.
한편, 종래의 발수코팅으로 사용되는 불소계 코팅은 heptadecafluoro-1,1,2,2-etrahydrodecyltrichlorosilane 또는 (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trichlorosilane과 같은 불소계 코팅물질을 사용한 것으로서, 불소계 코팅물질과 표면과의 화학결합에 의해 발수코팅하는 것이다. 따라서, 전열표면에 발수성을 부여하나 화학결합이 불안정하여 고온 다습한 환경에서 내구성이 급격히 저하되므로 열교환기에 적용하여 사용하기 어려운 문제가 있다. 또한 이러한 발수코팅에 사용되던 불소계 코팅물질은 서리부착력을 감소시키지 못한다.
이에 반하여, 본 발명에서 사용한 불소화 오일은 전열면 표면에 불소화 오일을 도포하여 전열면 표면의 나노/마이크로 구조체 사이에 침투하여 존재하는 형태이며, 표면과 불소화 오일 사이의 화학결합이 일어나는 것이 아니다. 따라서, 이러한 불소화 오일을 전열면의 나노/마이크로 구조체 상에 도포함으로써, 낮은 미끄럼각을 유지할 수 있고, 응축수가 얼기 전에 굴러떨어뜨려 서리착상의 원인을 제거할 수 있다. 또한, 서리부착력을 감소시켜, 제상작업등이 용이한바, 열교환기의 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기는 기제작된 열교환기에 상술한 공정을 이용하여 제조된 것일 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기는 전열면 및 적어도 상기 전열면을 포함하는 표면에 형성된 나노/마이크로 구조체를 포함하고, 상기 나노/마이크로 구조체는 오일도포된 것을 특징으로 한다.
이때의 전열면의 표면 거칠기는 Ra(arithmetic average of absolute values)는 4.76±0.54 ㎛ 이상이고, Rq(root mean squared)는 5.81±0.64 ㎛ 이상이고, Rt(maximum height of the profile)는 35.06±4.61 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 이러한 전열면의 나노/마이크로 구조체는 진공건조법에 의해 OH-, Cl- 등의 친수이온이 제거된 것일 수 있다.
따라서, 이러한 나노/마이크로 구조체가 형성된 전열면은 미끄럼각이 10° 이하일 수 있다.
이때의 나노/마이크로 구조체에 도포된 오일은 불소화오일을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 도포된 오일은 나노/마이크로 구조체와 화학결합이 일어나는 것이 아니고, 이러한 나노/마이크로 구조체 사이에서 액체상으로 존재하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 나노/마이크로 구조체 표면에 오일이 도포되어 나노/마이크로 구조체 사이로 오일을 침투시켜 존재함으로써 물방울의 부착력 예컨대 서리부착력을 감소시킬 수 있다.
따라서, 열교환기의 전열면의 표면에 형성된 오일이 도포된 나노/마이크로 구조체에 의해 열교환기의 전열면의 표면에 물방울이 맺혔을 경우, 미끄럼각이 10° 이하인 바, 물방울을 굴려 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 오일도포에 의해 물방울과의 부착력을 감소시켰기 때문에, 전열면에 맺히거나 얼어붙은 물방울 또는 서리를 탈착시켜 떨어뜨릴 수 있다.
제조예 1
본 발명에 따른 담금법 및 진공건조법을 이용하여 알루미늄 합금(Al alloy) 시편에 초발수 특성을 구현하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 2:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 0분(Only NaOH), 5분, 10분, 15분 및 20분으로 각각 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
실험예 1
도 2는 제조예 1에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 2를 참조하면, 식각용액에의 침지시간이 0분(Only NaOH), 5분 및 10분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 75°, 약 133° 및 약 141°이고, 미끄럼각(SA)은 모두 핀드(pinned) 상태이다. 이러한 핀드 상태는 표면을 90°기울인 상태에서도 물방울이 고정된 상태를 의미한다.
그리고, 식각용액에의 침지시간이 15분 및 20분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 155°및 약 155°이고, 미끄럼각(SA)은 둘다 약 5°로 초발수 특성을 나타냈다.
따라서, 식각시간을 일정 시간 이상 수행한 후, 진공건조를 수행하여야 초발수 특성이 구현됨을 알 수 있다.
도 3 내지 도 6는 제조예 1에 따라 제조된 시편의 식각표면 거칠기를 측정한 이미지이고, 도 7 내지 도 10은 제조예 1에 따라 제조된 시편의 이미지 및 접촉각과 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 3 및 도 7은 식각시간을 5분으로 수행한 경우이다. 도 3을 참조하면, Ra는 2.03±0.19 ㎛이고, Rq는 2.52±0.23 ㎛이고, Rt는 22.11±4.75 ㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 133°이고 미끄럼각(SA)은 핀드(pinned) 상태임을 알 수 있다.
도 4 및 도 8은 식각시간을 10분으로 수행한 경우이다. 도 4를 참조하면, Ra는 3.94±0.29 ㎛이고, Rq는 4.95±0.45 ㎛이고, Rt는 37.19±5.13 ㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 8을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 141°이고 미끄럼각(SA)은 핀드(pinned) 상태임을 알 수 있다.
도 5 및 도 9은 식각시간을 15분으로 수행한 경우이다. 도 5를 참조하면, Ra는 4.76±0.54 ㎛이고, Rq는 5.81±0.64 ㎛이고, Rt는 35.06±4.61 ㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 접촉각(CA)은 약 155°이고 미끄럼각(SA)은 약 5°로 초발수 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 6 및 도 10은 식각시간을 20분으로 수행한 경우이다. 도 6을 참조하면, Ra는 4.78+1.06 ㎛이고, Rq는 5.86±1.13 ㎛이고, Rt는 39.14±3.86 ㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 10을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 155°이고 미끄럼각(SA)은 약 5°로 초발수 특성이 나타남을 알 수 있다.
제조예 2
본 발명에 따른 담금법 및 진공건조법을 이용하여 알루미늄 합금(Al alloy) 시편에 초발수 특성을 구현하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 1:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 0분(Only NaOH), 1시간, 1시간30분, 2시간, 2시간30분, 3시간 및 3시간30분으로 각각 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
실험예 2
도 11는 제조예 2에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 11를 참조하면, 식각용액에의 침지시간이 0분(Only NaOH), 1시간, 1시간30분, 2시간 및 2시간30분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 75°, 약 138°, 약 148°, 약 148° 및 약 150°이고, 미끄럼각(SA)은 각각 pinned, pinned, 약 25°, 약 25° 및 약 25°이다.
그리고, 식각용액에의 침지시간이 3시간 및 3시간30분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 153°및 약 152°이고, 미끄럼각(SA)은 둘다 약 9°로 초발수 특성을 나타냈다.
따라서, 식각시간을 일정 시간 이상 수행한 후, 진공건조를 수행하여야 초발수 특성이 구현됨을 알 수 있다.
제조예 3
본 발명에 따른 담금법 및 진공건조법을 이용하여 알루미늄 합금(Al alloy) 시편에 초발수 특성을 구현하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 10:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 0분(Only NaOH), 1분, 2분, 3분, 4분, 5분 및 6분으로 각각 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
실험예 3
도 12는 제조예 3에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 12를 참조하면, 식각용액에의 침지시간이 0분(Only NaOH), 1분, 2분 및 3분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 75°, 약 116°, 약 132°및 약 150°이고, 미끄럼각(SA)은 각각 pinned, pinned, pinned 및 약 25°이다.
그리고, 식각용액에의 침지시간이 4분, 5분 및 6분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 156°, 약 154° 및 약 156°이고, 미끄럼각(SA)은 모두 약 5°로 초발수 특성을 나타냈다.
따라서, 식각시간을 일정 시간 이상 수행한 후, 진공건조를 수행하여야 초발수 특성이 구현됨을 알 수 있다.
제조예 4
본 발명에 따른 담금법, 진공건조법 및 오일도포를 이용하여 초발수 특성 및 감소된 부착력을 갖는 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 제조하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 10:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 5분으로 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
그 다음에, 상온에서 불소화 오일을 스핀코팅 방법(spin 속도: 1000rpm)으로 알루미늄 합금 시편 표면에 도포하였다.
실험예 4
도 13은 제조예 4에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 13을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 154°이고, 미끄럼각(SA)은 약 5°로 초발수 특성을 나타냈다.
도 14는 제조예 4에서 오일도포 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 14를 참조하면, 접촉각(CA)은 약 116°이고, 미끄럼각(SA)은 모두 약 9°로 나타났다. 따라서, 오일도포 후에도 미끄럼각은 10°이하로 유지함을 알 수 있다. 따라서, 오일 도포된 경우, 물방울을 쉽게 굴려 떨어뜨릴수도 있고, 부착된 서리를 쉽게 떨어뜨릴 수도 있음을 알 수 있다.
비교예
Bare Al 합금 시편을 준비하였다.
이러한 Bare Al 합금 시편 상에 불소화 오일을 스핀코팅 방법(spin 속도: 1000rpm)으로 알루미늄 합금 시편 표면에 도포하였다.
실험예 5
도 15는 비교예에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 15를 참조하면, 접촉각(CA)은 약 75°이고, 미끄럼각(SA)은 pinned 상태로 초발수 특성이 없음을 알 수 있다.
도 16은 비교예에서 오일코팅 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 16을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 103°이고, 미끄럼각(SA)은 pinned 상태로 초발수 특성이 없음을 알 수 있다.
따라서, 단순히 오일도포만으로는 초발수 특성을 구현할 수 없을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 담금법(immersion method)을 이용해, 이미 제작이 완료된 열교환기에 초발수 특성을 구현할 수 있다. 즉, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액(solution)에 침지함으로 열교환기의 전열면을 용액 안에서 식각하여 전열면에 나노/마이크로 구조를 제작하고 진공건조 하거나 이에 더하여 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하여 초발수 특성을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다.
이로 인한 이점은, 첫째, 용액이 침투할 수 있는 영역에서는 모두 균일하게 발수 또는 초발수 특성을 구현할 수 있으므로, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액에 침지하여 손쉽게 발수 또는 초발수 열교환기를 제작할 수 있다. 따라서, 각각의 부재를 조립할 때 발생할 수 있는 나노/마이크로 구조체 또는 발수 코팅의 손상문제가 없다.
둘째, 용액이 침투할 수 있는 영역에서는 모두 균일하게 초발수 특성을 구현할 수 있으므로, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액에 침지하여 손쉽게 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작할 수 있고, 용액을 이용하는 방법이므로 대면적 및 복잡한 형상의 열교환기에도 적용이 가능하다.
셋째, 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작하는데 있어서, 이미 제작이 완료된 열교환기를 직접 사용하므로 공정이 간단하고 비용 및 시간이 적게 들게 되므로 향 후 열교환기 산업에서 쉽게 적용될 수 있다.
넷째, 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작함에 따라 적상응축 및 물방울이 쉽게 굴러떨어지는 현상에 의해 전열저항이 최소화됨으로, 전열성능 및 열교환기 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 서리착상을 지연시킴에 따라, 전열저항, 압력손실, 제상작업 사이클 횟수의 최소화와 더불어 제상작업 시 서리가 잘 떨어지는 효과로 열교환기 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 나노/마이크로 구조체 상에 오일도포를 통해 물방울 혹은 서리에 대한 부착력을 감소시켜 상기 언급한 효과로 열교환기 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (13)

  1. 기제작된 열교환기를 준비하는 단계;
    상기 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 상기 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계를 포함하고,
    상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계 이후에,
    상기 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계를 더 포함하고,
    상기 오일은 불소화 오일을 포함하고,
    상기 도포된 오일이 나노/마이크로 구조체 사이에 물리적으로 존재하는 것을 특징으로 하고,
    상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계는, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기제작된 열교환기를 준비하는 단계 및 상기 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 사이에,
    상기 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계를 더 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계는 상기 열교환기 중 적어도 전열면의 자연산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 염기성 용액은 NaOH를 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 식각용액은 묽은염산 용액을 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 오일을 도포하는 단계는 상기 나노/마이크로 구조체 사이로 오일을 침투시킴으로써 물방울 또는 서리의 부착력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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