KR101535390B1 - 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 - Google Patents
초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101535390B1 KR101535390B1 KR1020140115489A KR20140115489A KR101535390B1 KR 101535390 B1 KR101535390 B1 KR 101535390B1 KR 1020140115489 A KR1020140115489 A KR 1020140115489A KR 20140115489 A KR20140115489 A KR 20140115489A KR 101535390 B1 KR101535390 B1 KR 101535390B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- polymer
- water
- ratchet
- super
- repellent
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
- B29C41/24—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of indefinite length
- B29C41/32—Making multilayered or multicoloured articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
- B29C41/003—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor characterised by the choice of material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
- B29C59/002—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
Abstract
초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법을 제공한다. 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계, 이때의 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계 및 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서, 래칫구조와 초발수 나노선 또는 나노구 구조체를 이용하여 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있는 초발수 폴리머 계층구조체를 제공할 수 있다. 또한, 초발수 계층구조체를 활용하고 그 위에 폴리머 물질을 기계적으로 몰딩하는 방법만을 사용하여 간단하게 초발수 폴리머 계층구조체를 반복적으로 제작할 수 있다.
Description
본 발명은 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 미끄럼각 최소화를 위한 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 나비의 날개, 거미줄, 선인장의 가시 구조 등의 자연모사로부터 시작된, 물방울을 한 방향으로 움직이게 하는 기술 연구는 물 수확(water harvesting)이나 열교환기 등에서의 응축수 배수 또는 미세유체공학(microfluidic) 산업에서 주목받고 있는 기술이다.
하지만, 지금까지의 한 방향으로 물방울을 움직이게 하는데 있어서, 물질 표면에 물방울의 한 방향 거동을 위한 나노 또는 마이크로 구조체를 만든 경우, 표면을 기울였을 때, 한 방향으로 물방울이 굴러떨어짐 현상을 구현하거나, 자기장, 진동 등에 의해 여기된 힘을 외부에서 가함으로써 물방울을 한 방향으로 굴러 떨어뜨릴 수 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0011213(2010.02.03.)에서는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법 및 이에 따라 제조된 초소수성 재료에 관하여 개시되었으나, 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부힘 없이 물방울을 일 방향으로 거동시킬 수 있는 구조에 대하여는 개시된 바 없다.
한편, 최근 나비의 날개, 거미줄, 선인장의 가시 구조 등의 자연모사로부터 시작된 초발수성 기술 연구는 금속 표면뿐만 아니라 폴리머와 같은 다양한 물질에 적용하여 물 수확(water harvesting)이나 응축수 배수 및 자가세정(self-cleaning)이 요구되는 주방기기, 미세유체공학(microfluidic), 항공 및 자동차 산업 등에서 주목받고 있는 기술이다.
지금까지 폴리머 물질의 초발수성 구현을 위해서는 폴리머 위에 발수 코팅재를 사용하거나 폴리머 자체에 직접 나노/마이크로구조를 식각 혹은 증착 방식을 이용하여왔다.
그러나 이 방법은 대면적화의 어려움, 높은 공정단가 등의 문제점 때문에 실제 제품화에는 어려움이 있었다. 규칙적인 구조체 배열 등이 필수적인 초발수 응용분야(일방향 응축수 배수 등)에서 이러한 문제점은 더욱 크게 부각되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미끄럼각 최소화를 위한 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체는 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계, 상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 모체기판은 금속기판, 세라믹기판, 또는 폴리머기판일 수 있다.
또한, 상기 모체기판을 제작하는 단계는, 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계 및 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때의 초발수 나노 구조체는 초발수 나노선 구조체이고, 이때의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
또한, 상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 모체기판을 제작하는 단계, 상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계; 및 상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 초발수 나노 구조체는 나노선 또는 나노구 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 초발수 나노구조체가 나노선 구조체인 경우, 상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는, 수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 이종 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 상기 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체를 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체는 상술한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 래칫구조와 초발수 나노 구조체를 이용하여 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있는 초발수 폴리머 계층구조체를 제공할 수 있다.
또한, 상부 표면에 래칫(ratchet)구조가 형성되고, 상기 래칫구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 활용하고 그 위에 폴리머 물질을 기계적으로 몰딩하는 방법만을 사용하여 간단하게 초발수 폴리머 계층구조체를 제작할 수 있다.
이에 더하여 모체에 대한 몰딩방법을 사용하는 만큼 초발수 폴리머 계층구조체를 반복적으로 제작할 수 있다.
제작된 초발수 폴리머 계층구조체는 미끄럼각(sliding angle)이 거의 10°미만인 바, 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서도 외부에서 가해주는 힘없이 물방울이 일방향으로 굴러 떨어지게 하며 향후 물 수확(water harvesting)이나 주방기기 및 배수관 등 다양한 산업에 적용이 가능하다.
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 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 래칫 형상을 이루는 삼각형을 나타낸 그림이다.
도 3은 래칫 구조에서 물방울이 받는 힘의 원리를 나타낸 그림이다.
도 4는 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 기판의 도면들이다.
도 5는 비교예에 따른 폴리머 래칫(ratechet) 구조체 의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 7은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 9는 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 11은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 12는 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 13은 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 14는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 15는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 2는 래칫 형상을 이루는 삼각형을 나타낸 그림이다.
도 3은 래칫 구조에서 물방울이 받는 힘의 원리를 나타낸 그림이다.
도 4는 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 기판의 도면들이다.
도 5는 비교예에 따른 폴리머 래칫(ratechet) 구조체 의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 7은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 9는 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 11은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 12는 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 13은 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 14는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 15는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저, 모체 기판을 제작한다(S100). 이러한 모체 기판은 몰딩법을 수행하여 초발수 폴리머 계층구조체를 제작하기 위한 모체이다. 이때의 모체 기판은 초발수 폴리머 계층구조체를 반복생산하기 위한 내구성을 고려할 때 금속 기판, 세라믹 기판, 또는 폴리머 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 모체 기판은 알루미늄 기판, 스테인리스 강 기판, 실리콘 기판, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 또는 폴리프로필렌(PP) 기판 일 수 있다.
한편, 이러한 모체 기판은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 기판일 수 있다. 즉, 이와 같이 래칫구조와 초발수 나노 구조체 예컨대, 초발수 나노선 또는 나노구 구조체를 포함하는 모체기판은 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있다.
이때, 모체 기판을 제작하는 단계(S100)는 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계 및 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계는, 예를 들어, CNC(Computerized Numerical Control) 가공 등을 통하여 형성할 수 있다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각이다.
그 다음에, 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 두 가지 방법을 통하여 형성할 수 있다.
첫째, 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체를 형성하는 단계는, 상기 래칫 구조 상에 수열합성법, 화학기상증착법 또는 전기화학증착법을 이용하여 나노선 구조체를 형성한 후, 상기 형성된 나노선 구조체를 불소계 물질 또는 실란계 물질을 이용하여 발수코팅하여 초발수 나노선 구조체를 형성할 수 있다. 여기서 발수코팅을 하는 공정은 생략될 수도 있다.
둘째, 상기 방법과 동일한 방법으로 래칫 구조 상에 나노선 구조체를 형성한 후, 진공건조를 수행하여 초발수 나노선 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판을 코발트 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cobalt Nitrate Hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O)와 요소(Urea, CO(NH2)2)를 혼합한 산화코발트 전구체 혼합용액에 침지하여 95℃에서 12시간 동안 수열합성법으로 래칫 구조 상에 산화코발트 나노선을 성장시킨 후, 190℃ 진공분위기에서 1시간 동안 건조하여 산화코발트 초발수 나노선을 성장시킬 수 있다.
따라서, 상술한 특정 조건을 갖는 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체를 형성함으로써, 기판 표면을 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대 상기 기판 표면을 10° 이하로 기울인 상태에서도, 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있는 모체 기판을 제작할 수 있다.
한편, 이때의 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체, 나노구 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
이하, 래칫 구조에 의해 물방울이 받는 힘의 원리에 대하여 도 2 및 도 3을 통하여 설명한다.
도 2는 래칫 형상을 이루는 삼각형을 나타낸 그림이다.
도 2를 참조하면 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각이다.
또한, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 d이고, 삼각형의 하부 변의 길이는 l이다.
도 3은 래칫 구조에서 물방울이 받는 힘의 원리를 나타낸 그림이다.
도 3을 참조하면, 표면 구조의 형상이 도 3과 같을 때, 표면구조로부터 물방울에 가해지는 힘은 하기 식 1과 같다.
[식 1]
식 1의 결과, 표면 구조에 의해 물방울에 가해지는 힘(F)은 W1과 W2의 차이가 증가할수록 커짐을 알 수 있다.
따라서, W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성함으로써, 기판 표면을 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대, 기판 표면을 10° 이하로 기울인 상태에서도, 상기 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 그 다음에, 제작된 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포한다(S200).
이때의 액상 폴리머는 몰딩법에 사용될 수 있는 폴리머라면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
그 다음에, 이러한 모체기판 상에 도포된 폴리머를 양생한다(S300).
예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)의 경우 150℃ 온도에서 약 10분간 열을 가하게 되면 양생할 수 있고 폴리프로필렌(PP)은 180℃ 온도에서 약 30분간 액화를 시킨 후 모체기판 상에 도포한 후 냉각시키는 방법으로 양생할 수 있다.
그 다음에, 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리한다(S400). 따라서, 래칫 구조의 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 래칫 구조의 폴리머 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체가 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 나노홀(nano hole) 구조체가 형성된 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노구 구조체가 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 나노구홀(nano sphere hole) 구조체가 형성된 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 몰딩법을 통해 제조된 폴리머 계층구조체는 상부 표면에 모체기판과 같은 래칫구조가 형성될 것이고, 이러한 래칫구조 상에 모체기판의 나노 구조체와 반대형상의 나노구조체가 형성될 것이다. 따라서, 폴리머 계층구조체의 래칫 구조도 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족할 것이다. 따라서, 이러한 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 위치하게 되므로, 폴리머 계층구조체 역시 미끄럼각이 10° 미만인 초발수 구조체가 된다.
따라서, 이러한 폴리머 계층구조체 역시 계층구조체를 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대, 계층구조체 표면을 10° 이하로 기울인 상태에서도, 상기 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있다.
위 방법으로 제조된 초발수 폴리머 계층구조체는 다시 모체기판으로 활용되어 이러한 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계(S200), 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계(S300), 양생된 폴리머를 모체기판으로부터 분리하는 단계(S400)를 수행할 수 있고, 이 때에도 제조된 폴리머 계층구조체는 초발수 특성을 갖는다.
예를 들어, 본 발명에 따른 또 다른 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 이종 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 상기 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 본 발명에 따른 또 다른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
제조예 1 : 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판의 제작
CNC 가공을 이용하여 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판을 제작하였다.
도 4는 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판의 도면들이다.
도 4를 참조하면, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각(W1)은 약 26.56° 이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각(W2)은 약 90°이다. 따라서, W2 - W1의 절대값은 약 64°이다.
그리고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이(d)는 0.2㎜이고, 하부변의 길이(l)는 0.4㎜이다.
비교예
제조예 1에서 제작된 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판에 몰딩 방식을 사용하여 폴리머 래칫 구조체를 제작하였다.
즉, 모체기판으로, 래칫구조 표면에 나노 구조체가 없는 깨끗한 표면을 사용하였고, 이러한 표면에 폴리머 물질로 폴리디메틸실록산(PDMS)을 도포하고 양생한 후 분리하여 폴리머 래칫 구조체를 제작하였다.
도 5은 비교예에 따른 폴리머 래칫 구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5(a)는 비교예에 따른 폴리머 래칫 구조체의 실제작 사진이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 래칫 구조체 표면의 확대사진이다. 도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통하여 폴리머 래칫 구조를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 5(c)는 비교예의 폴리머 래칫 구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 5(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 115°이고, 미끄럼각은 90°보다 큼(미끄럼각 〉90°)을 알 수 있다.
제조예 2 : 나노구홀 구조체가 형성된 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 6은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 6(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 6(b)를 참조하면, 그 다음에, 알루미늄 모체기판(100)의 래칫구조(110) 상에 폴리스티렌 나노구 구조체를 도포시켰다.
보다 구체적으로, 스티렌(Styrene)과 라디칼 개시제(Azobisisobutyronitrile)를 교반하고 이를 에탄올(Ethanol)과 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 혼합용액에 투입하여 70 ℃에서 12시간 동안 물중탕하여 합성된 폴리스티렌 나노 구를 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판 위에 드랍캐스팅(drop casting) 혹은 딥코팅(dip coating) 을 이용하여 도포한다.
도 6(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100) 상에 액상의 폴리머(20)로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 도포한 후 150 ℃에서 10분 동안 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 양생하였다. 도 6(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21)를 모체 기판(100)으로부터 분리하였다. 도 6(e)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체(200)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)로서, 나노구홀 구조체가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(210) 및 나노 구조체(220) 모두 폴리머로 구성된다.
도 7은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7(a)는 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 7(b)는 도 7(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노구 구조체가 위치하는 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구 구조체를 동시에 가지는 계층구조 몰딩을 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노구 구조체에 대응하는 나노홀들을 갖는다.
도 7(c)는 제조예 2의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 7(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 156°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
제조예 3: 식각된 래칫구조 몰딩을 통한 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 8은 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 8(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 8(b)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100)을 10% 염산(Hydrochloric Acid, HCl) 수용액에 침지하여 약 10분간 식각(etching)하여 래칫구조(110)의 표면에 초발수 나노구조체(120)를 제작하였다.
도 8(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 래칫구조(110)와 초발수 나노구조체(120)를 가지는 알루미늄 계층구조 모체기판(100) 상에 고온(약 180℃)에서 액화된 액상 폴리머(20, 여기서는 폴리프로필렌(PP))를 도포한 후 상온에서 냉각시켜 고체화시킴으로써 제작할 수 있다.
도 8(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21, 여기서는 폴리프로필렌(PP))를 모체 기판(100)으로부터 분리하였다.
따라서, 도 8(e)를 참조하면, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)가 형성된 계층구조이다.
도 9는 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9(a)는 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 식각된 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통하여 초발수 폴리머 계층구조체가 형성되고, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체의 표면의 래칫구조상에 식각된 알루미늄 래칫 구조의 표면과 상반되는 나노구조체가 형성됨을 알 수 있다.
도 9(c)는 제조예 3의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 9(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 151 °이고, 미끄럼각은 약 10° 미만 임을 알 수 있다.
제조예 4: 폴리머 래칫(ratchet)구조체 위에 산화코발트 나노선을 증착하여 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 10은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 10(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 10(b)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100) 상에 액상의 폴리머(20)로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 도포하고, 양생하였다. 도 10(c)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21)를 모체 기판(100)으로부터 분리하였다. 도 10(d)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 폴리머 구조체(22)를 제작하였다.
도 10(e)를 참조하면, 그 다음에, 폴리머 구조체(22)의 래칫구조(210) 상에 산화코발트 나노선 구조체(220)를 증착하여 초발수 폴리머 계층구조체(200)를 형성하였다.
보다 구체적으로, 코발트 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cobalt Nitrate Hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O)와 요소(Urea, CO(NH2)2)를 혼합한 산화코발트 전구체 혼합용액에 래칫 형상의 폴리머 구조체를 침지하여 95℃에서 12시간 동안 수열합성법으로 래칫 구조 상에 산화코발트 나노선 구조체를 형성한 후, 190℃ 진공분위기에서 1시간 동안 건조하여 산화코발트 초발수 나노선 구조체를 래칫 구조 상에 성장시켰다.
따라서, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)가 형성된 계층구조이다.
도 11은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 11(a)는 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 11(b)는 도 11(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통한 폴리머 구조체를 형성되고, 이러한 폴리머 구조체의 표면의 래칫구조상에 산화코발트 나노선이 증착되었음을 알 수 있다. 따라서, 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 산화코발트 나노선 구조체가 위치하고 있다.
도 11(c)는 제조예 4의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 11(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 154 °이고, 미끄럼각은 약 5° 미만임을 알 수 있다.
제조예 5: 폴리머 래칫(ratchet)구조체 위에 산화아연 나노선 구조체를 성장시킨 후 몰딩하여 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 12는 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 12(a)를 참조하면, 비교예에서 제작된 폴리머 래칫(ratchet) 구조체를 모체기판(22)으로 사용하였다.
도 12(b)를 참조하면, 그 다음에, 폴리머 래칫 구조체인 모체기판(22)의 래칫구조(210) 상에 산화아연(ZnO) 나노선 구조체(220)를 성장시켰다.
보다 구체적으로, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 기판 위에 산화아연(zinc oxide, ZnO) 나노선 성장을 위한 시드층(Seed layer)을 형성하기 위하여 아연 아세테이트 이수화물(Zinc Acetate Dihydrate, Zn(CH3COO)2·2H2O)과 에탄올(Ethanol, C2H5OH)의 혼합용액에 침지하고 200 ℃ 정도로 20분 정도 건조한 후 아연 니트레이트 헥사하이드레이트(Zinc Nitrate Hexahydrate, Zn(NO3)2·6H2O)와 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramine, C6H12N4)이 용해된 수용액에 95 ℃에서 3시간 동안 수열합성시켜 산화아연 나노선을 성장시킬 수 있다.
도 12(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(22) 상에 액상의 이종 폴리머(30)로 폴리프로필렌(PP)을 도포하고, 양생하였다. 여기서는 폴리프로필렌(PP)를 180 ℃에서 액화시켜 모체기판(22) 상에 도포한 후 상온에서 냉각시켜 고체화시킴으로써 양생을 진행하였다.
도 12(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(31)를 모체 기판(22)으로부터 분리하였다. 도 12(e)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체(300)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(300)는 상부에 래칫구조(310)가 형성되고, 이러한 래칫구조(310) 상에 나노 구조체(320)로서 나노홀 구조가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(310) 및 나노 구조체(320) 모두 폴리머로 구성된다.
도 13은 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 13(a)는 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 13(b)는 도 13(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노선 구조체가 위치하는 폴리머 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노선 구조체를 동시에 가지는 계층구조 몰딩을 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노선 구조체에 대응하는 나노홀들을 갖는다.
도 13(c)는 제조예 5의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 13(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 155°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
제조예 6: 나노구홀 구조체를 가지는 초발수 폴리머 계층구조체 몰딩을 통한 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 14는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 14(a)를 참조하면, 먼저 제조예 2에서 제작된 나노구홀을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 모체기판(200)으로 사용하였다.
도 14(b)를 참조하면, 그 다음에, 나노구홀을 가지는 초발수 폴리머 계층구조 모체기판(200) 상에 액상의 이종 폴리머 물질(30)을 도포시켰다.
보다 구체적으로, 나노구홀을 가지는 초발수 폴리머 계층구조 모체기판(200)을 내열성이 있는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하고 이종 폴리머 물질로는 폴리프로필렌(PP)을 사용하여 고온(약 180℃)에서 액화 시킨 후 초발수 폴리머 계층구조 모체기판(200) 상에 도포한 후 상온에서 냉각시킴으로써 고체화시켜 양생하여 제작할 수 있다.
도 14(c)를 참조하면, 이렇게 양생된 이종 폴리머(31)를 모체 기판(200)으로부터 분리하였다.
도 14(d)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 또 다른 형태의 초발수 폴리머 계층구조체(300)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(300)는 상부에 래칫구조(310)가 형성되고, 이러한 래칫구조(310) 상에 나노 구조체(320)로서, 나노구 구조체가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(310) 및 나노 구조체(320) 모두 폴리머로 구성된다.
도 15는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 15(a)는 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 15(b)는 도 15(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 15(a) 및 도 15(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노구홀 구조체가 위치하는 폴리머 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구 구조체를 동시에 가지는 계층구조를 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노구홀 구조체에 대응하는 나노구들을 갖는다.
도 15(c)는 제조예 6의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 15(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 158°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 래칫구조와 초발수 나노선 구조체를 이용하여 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있는 초발수 폴리머 계층구조체를 제공할 수 있다.
또한, 초발수 계층구조체를 활용하고 그 위에 폴리머 물질을 기계적으로 몰딩하는 방법만을 사용하여 간단하게 초발수 폴리머 계층구조체를 제작할 수 있다.
이에 더하여 모체에 대한 몰딩방법을 사용하는 만큼 초발수 폴리머 계층구조체를 반복적으로 제작할 수 있다.
제작된 초발수 폴리머 계층구조체는 미끄럼각(sliding angle)이 거의 10°미만인 바, 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서도 외부에서 가해주는 힘없이 물방울이 일방향으로 굴러 떨어지게 하며 향후 물 수확(water harvesting)이나 주방기기 및 배수관 등 다양한 산업에 적용이 가능하다.
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.
20: 액상의 폴리머 21: 양생된 폴리머
22: 폴리머 구조체 30: 이종 액상의 폴리머
31: 양생된 이종 폴리머 100: 모체기판
110: 래칫 구조 120: 초발수 나노 구조체
200: 폴리머 계층구조체 210: 래칫 구조
220: 나노 구조체 300: 폴리머 계층구조체
310: 래칫 구조 320: 나노 구조체
22: 폴리머 구조체 30: 이종 액상의 폴리머
31: 양생된 이종 폴리머 100: 모체기판
110: 래칫 구조 120: 초발수 나노 구조체
200: 폴리머 계층구조체 210: 래칫 구조
220: 나노 구조체 300: 폴리머 계층구조체
310: 래칫 구조 320: 나노 구조체
Claims (14)
- 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계;
상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계; 및
상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고,
상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 모체기판은 금속기판, 세라믹기판, 또는 폴리머기판인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 모체기판을 제작하는 단계는,
기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계; 및
상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 초발수 나노 구조체는 초발수 나노선 구조체이고,
상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고,
래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고,
상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 모체기판을 제작하는 단계;
상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계; 및
상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체 또는 나노구 구조체인 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 초발수 나노 구조체가 나노선 구조체인 경우,
상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는,
수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계;
상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계;
상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계;
상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계; 및
상기 분리된 이종 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 상기 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계;
상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계;
상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계; 및
상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고,
상기 분리된 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50° 이상이고,
래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고,
상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법에 의해 제조된 초발수 폴리머 계층구조체.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140115489A KR101535390B1 (ko) | 2014-09-01 | 2014-09-01 | 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 |
| PCT/KR2015/007593 WO2016036001A1 (ko) | 2014-09-01 | 2015-07-22 | 초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법 |
| US15/507,596 US10503063B2 (en) | 2014-09-01 | 2015-07-22 | Super water repellent polymer hierarchical structure, heat exchanger having super water repellency, and manufacturing method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140115489A KR101535390B1 (ko) | 2014-09-01 | 2014-09-01 | 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150068588A Division KR101602104B1 (ko) | 2014-09-01 | 2015-05-18 | 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101535390B1 true KR101535390B1 (ko) | 2015-07-09 |
Family
ID=53792424
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140115489A KR101535390B1 (ko) | 2014-09-01 | 2014-09-01 | 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101535390B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180068276A (ko) * | 2016-12-13 | 2018-06-21 | 국민대학교산학협력단 | 마이크로 구조체 및 마이크로 구조체 상부에 배치된 나노패턴들을 구비하는 표면을 갖는 알루미늄 기판 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080058398A (ko) * | 2005-09-16 | 2008-06-25 | 엔테그리스, 아이엔씨. | 방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치 |
| KR20100003419A (ko) * | 2008-07-01 | 2010-01-11 | 엘지마이크론 주식회사 | 초발수 필름 및 이의 제조 방법 |
| KR20100033732A (ko) * | 2008-09-22 | 2010-03-31 | 한국표준과학연구원 | 유체 이송 장치 |
| KR20110126966A (ko) * | 2010-05-18 | 2011-11-24 | 포항공과대학교 산학협력단 | 소수성 시트 및 그 제조 방법 |
-
2014
- 2014-09-01 KR KR1020140115489A patent/KR101535390B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080058398A (ko) * | 2005-09-16 | 2008-06-25 | 엔테그리스, 아이엔씨. | 방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치 |
| KR20100003419A (ko) * | 2008-07-01 | 2010-01-11 | 엘지마이크론 주식회사 | 초발수 필름 및 이의 제조 방법 |
| KR20100033732A (ko) * | 2008-09-22 | 2010-03-31 | 한국표준과학연구원 | 유체 이송 장치 |
| KR20110126966A (ko) * | 2010-05-18 | 2011-11-24 | 포항공과대학교 산학협력단 | 소수성 시트 및 그 제조 방법 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180068276A (ko) * | 2016-12-13 | 2018-06-21 | 국민대학교산학협력단 | 마이크로 구조체 및 마이크로 구조체 상부에 배치된 나노패턴들을 구비하는 표면을 갖는 알루미늄 기판 |
| KR101956458B1 (ko) * | 2016-12-13 | 2019-03-12 | 국민대학교산학협력단 | 마이크로 구조체 및 마이크로 구조체 상부에 배치된 나노패턴들을 구비하는 표면을 갖는 알루미늄 기판 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101470287B1 (ko) | 액적이 일방향으로 거동이 가능한 초발수 계층 구조체 및 이의 제조방법 | |
| Hou et al. | Tunable water harvesting surfaces consisting of biphilic nanoscale topography | |
| Kim et al. | Control of superhydrophilicity/superhydrophobicity using silicon nanowires via electroless etching method and fluorine carbon coatings | |
| Bielinski et al. | Rational design of hyperbranched nanowire systems for tunable superomniphobic surfaces enabled by atomic layer deposition | |
| Kong et al. | Bioinspired superwettability micro/nanoarchitectures: Fabrications and applications | |
| Chen et al. | Outmatching superhydrophobicity: bio-inspired re-entrant curvature for mighty superamphiphobicity in air | |
| Abdulhussein et al. | Current trend in fabrication of complex morphologically tunable superhydrophobic nano scale surfaces | |
| Darmanin et al. | Superhydrophobic surfaces by electrochemical processes | |
| Wang et al. | Multistimuli-responsive microstructured superamphiphobic surfaces with large-range, reversible switchable wettability for oil | |
| Li et al. | Ordered micro/nanostructured arrays based on the monolayer colloidal crystals | |
| Li et al. | Untraditional approach to complex hierarchical periodic arrays with trinary stepwise architectures of micro-, submicro-, and nanosized structures based on binary colloidal crystals and their fine structure enhanced properties | |
| Gurav et al. | Superhydrophobic surface decorated with vertical ZnO nanorods modified by stearic acid | |
| Faustini et al. | Engineering functionality gradients by dip coating process in acceleration mode | |
| Yang et al. | Block copolymer nanopatterning for nonsemiconductor device applications | |
| US11123696B2 (en) | Microbubble integrated structure and method of manufacturing the same | |
| US10503063B2 (en) | Super water repellent polymer hierarchical structure, heat exchanger having super water repellency, and manufacturing method therefor | |
| Sun et al. | Simple and affordable way to achieve polymeric superhydrophobic surfaces with biomimetic hierarchical roughness | |
| Zhang et al. | A strategy of antifogging: air-trapped hollow microsphere nanocomposites | |
| KR20150078976A (ko) | 리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료 | |
| Huang et al. | Grating-structured metallic microsprings | |
| Lai et al. | Uni-, bi-, and tri-directional wetting caused by nanostructures with anisotropic surface energies | |
| KR101535390B1 (ko) | 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법 | |
| JP2007118169A (ja) | マイクロチャンネルの内部を、金属酸化物、それらの誘導体及びコンポジット構造体でコートする方法 | |
| Song et al. | Flexible tri-switchable wettability surface for versatile droplet manipulations | |
| Ding et al. | Stretchable superhydrophobic elastomers with on-demand tunable wettability for droplet manipulation and multi-stage reaction |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A107 | Divisional application of patent | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180702 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190624 Year of fee payment: 5 |