KR101593644B1 - 미세 다공성 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 또는 폴리머 재질의 평판 또는 필름에 마이크로 스케일의 다수의 기공(pore)을 형성한 미세 다공성 구조체와 이 미세 다공성 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체는, 금속 또는 폴리머에 열에 의해 발포하는 화학 발포제를 혼합하여 평판 또는 필름으로 제작한 다음, 상기 금속 또는 폴리머 재질의 평판이나 필름에 레이저 빔을 조사하거나 초음파 또는 전자전기 파장을 방출하여 국부 가열을 통해 발포제를 발포시킴으로써 기포를 생성하고, 상기 기포에 의해 평판이나 필름에 개방형 기공(open pore type) 또는 폐쇄형 기공(closed pore type)을 형성하는 방법으로 제조된다.

Description

미세 다공성 구조체 및 그 제조방법{Micro-porous Structure and Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 마이크로 스케일의 구멍들이 형성되어 있는 미세 다공성 필름과 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리머 또는 금속재질의 필름 또는 기판을 발포제를 혼합하여 제작하고, 상기 필름 또는 기판의 지정된 위치에 레이저를 조사하여 국부 가열함으로써 화학발포제(CBA, Chemical Blowing Agent)를 발포시켜 필름 또는 기판에 마이크로 스케일의 기공(pore)들이 서로 중첩되면서 외부로 연통된 채널 형태를 갖거나 내부에 갇혀진 기포 형태를 형성한 미세 다공성 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

기존의 물은 차단하면서 물질파는 통과시키는 소재로는 W.L.고어 & 어소시에이션(W. L. Gore and Associates)의 등록 상표인 고어텍스(Gore-Tex)가 있다. 마이크로 조직을 가진 다공성 형태의 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)을 코팅한 구조로 현재 방수/방풍/투습 섬유로서 신발, 의류, 우산 등의 의류 산업 분야에 이용되고 있다.

그러나 최근 이러한 방수 기술을 정보통신, 전자, 바이오 분야로 확대하려는 노력이 이루어지면서 섬유가 아닌 필름 형태의 방수 기술 확보가 시급해지고 있다. 스마트폰과 같은 휴대용 단말기의 스피커 분야와 배터리 방수 기술 분야의 방수 기술이나, 음식물을 상하지 않게 보관하는 통기성 포장재 기술 연구 등이 그 예이다. 기존의 방수기술에 대한 선행 연구로는 등록특허 제10-0599764호에 개시된 방수기판 및 그 제조방법에 대한 기술이 있다.

상기 등록특허의 방수기판은 마이크로미터 크기의 미세구멍을 통해 물 등의 액체는 차단하고 기체, 음파, 빛 등의 물질파의 통과는 허용할 수 있도록 한 것이다.

그러나 상기 등록특허의 방수기판을 비롯한 기존의 방수 기술은 도 1에 도시된 것과 같이 미세 구멍(2)이 레이저 빔에 의해 기재(1)를 일직선 형태로 관통하거나 소정의 깊이의 홈으로 형성되므로 방수 성능이 낮은 단점이 있으며, 레이저 빔의 가열시 미세 구멍 주위로 발생하는 버어(burr)(3)를 제거하기 위한 별도의 가열이나 냉각 처리가 필요하게 되므로 미세 구멍을 형성하는 과정이 복잡한 문제가 있다.

등록특허 제10-0599764호 (등록일자 2006년07월05일) "방수기판 및 그 제조방법" 등록특허 제10-1203292호(등록일자 2012년11월14일) " 나노 미세 기공의 가공방법"

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 빔이 기판이나 필름을 관통하는 방식을 이용하지 않고, 레이저 빔이 기판이나 필름을 국부 가열하여 기판 또는 필름에 함유된 발포제를 발포시켜 마이크로 스케일의 기공(pore)들이 서로 중첩되면서 형성되도록 하여 방수 성능을 향상시킴과 동시에 기공 형성 후 별도의 후처리를 필요로 하지 않아 가공 공정을 대폭 단축시킬 수 있는 미세 다공성 구조체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체는, 발포제가 혼합되어 제조된 폴리머 또는 금속 재질의 필름 또는 평판으로 된 기재와; 상기 기재에 함유된 발포제가 국부 가열(local heating)에 의해 발포되면서 형성된 다수의 기공(pore)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명은 상기한 미세 다공성 구조체를 제조하기 위한 방법으로서, 발포제가 혼입된 금속 또는 폴리머 재질의 기재를 압력 조절이 가능한 챔버 내부에 투입하는 단계와; 상기 기재의 지정된 위치를 국부적으로 가열하여 기재에 함유된 발포제를 발포시켜 기공을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 평판이나 필름으로 된 기재의 원하는 위치를 국부 가열하여 발포제를 발포시켜 마이크로 스케일의 기공을 형성함으로써 기존의 일직선 또는 균일한 곡선 형태를 갖는 미세 기공과는 현저히 다른 형태의 기공을 구현하게 된다. 따라서, 본 발명의 미세 다공성 구조체는 기존보다 우수한 방수성과, 발수성 표면, 표면적 증가, 낮은 유전율 등을 구현할 수 있는 효과가 있다.

이러한 본 발명의 미세 다공성 구조체는 이동통신 단말기의 스피커나 안테나 및 배터리 등에 방수 기능을 부여하는 방수 필름이나 통기성 필름, 음식물 포장재 등은 물론이고, 전자·전기 및 바이오 센서, 3차원 발포 프린팅, 반도체용 저유전 박막, 단열재, 흡음재 등에도 많은 다양한 분야에 유용하게 적용할 수 있다.

도 1은 종래의 미세 다공성 구조체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체를 제조하는 방법의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 다공성 구조체의 평면도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체의 여러가지 형태를 나타낸 것으로, 개방형 기공(open pore type)의 예들을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체의 여러가지 형태를 나타낸 것으로, 폐쇄형 기공(closed pore type)의 예들을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체에 형성되는 기공의 여러가지 형태를 나타낸 도면이다.
도 7은 폴리머로 된 기재에 펄스 레이저 빔을 조사하여 부산대학교 심볼 패턴 형태로 만들어진 펄스 레이저 빔을 조사하여 만들어진 본 발명의 미세 다공성 구조체의 현미경 사진이다.
도 8은 폴리머 평판으로 된 기재에 펄스 레이저 빔을 조사하여 다양한 형태의 기공 크기를 갖도록 된 본 발명의 미세 다공성 구조체의 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체의 작용을 설명하는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 금속 또는 폴리머 재질의 평판 또는 필름에 마이크로 스케일의 다수의 기공(pore)을 형성한 미세 다공성 구조체와 이 미세 다공성 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체는, 금속 또는 폴리머에 열에 의해 발포하는 화학 발포제를 혼합하여 평판 또는 필름으로 제작한 다음, 상기 금속 또는 폴리머 재질의 평판이나 필름에 레이저 빔을 조사하거나 초음파 또는 전자전기 파장을 방출하여 국부 가열을 통해 발포제를 발포시킴으로써 기포를 생성하고, 상기 기포에 의해 평판이나 필름에 개방형 기공(open pore type) 또는 폐쇄형 기공(closed pore type)을 형성하는 방법으로 제조된다.

도 2는 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체를 제조하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면으로, 발포제가 혼입된 금속 또는 폴리머 재질의 기재(10)를 압력 조절이 가능한 챔버(C) 내부에 투입하고, 챔버(C) 내부를 공기, 이산화탄소(CO₂) 또는 질소(N₂) 등의 가스로 채운다.

이어서, 챔버(C)의 상측에서 레이저 조사장치(미도시)를 기재(10)에 대해 상대 이동시키면서 펄스 레이저 빔(pulsed laser beam)을 조사한다. 상기 레이저 조사장치에서 방출된 펄스 레이저 빔은 챔버(C) 상부면의 석영이나 유리 등의 투명 재질로 된 윈도우(W)를 통과하여 기재(10)의 지정된 위치에 촛점이 맞춰지면서 기재(10)의 지정된 위치를 국부적으로 가열하게 된다. 상기 펄스 레이저 빔은 파장(λ)이 0.1 ~ 100 ㎛ 인 것이 바람직하다.

이와 같이 레이저 빔에 의해 국부적으로 가열된 부위에서는 발포제가 발포하면서 기포(bubble)가 형성되고, 상기 기포는 독립적으로 또는 중첩되면서 기공(20)(pore)을 형성하게 된다. 상기 레이저 빔의 조사에 의해 국부적으로 가열되는 기재(10)의 온도는 기재(10)의 원료는 용융시키지 않고 기재(10)에 함유된 발포제만 발포시킬 정도의 온도로 제어된다.

이 때, 상기 챔버(C) 내부로 주입되는 가스의 양을 조절하여 챔버(C) 내부 압력을 조절함으로써 상기 기재(10)에 형성되는 기공(20)을 개방형 기공(open pore type) 또는 폐쇄형 기공(closed pore type)으로 조절할 수 있다. 즉, 챔버(C) 내부의 압력을 낮게 조정하면 기재(10)에 형성된 기포가 기재(10)의 외부로 분출되면서 개방형 기공이 형성되고, 챔버(C) 내부의 압력을 높게 조정하면 기재(10)에 형성된 기포가 기재(10) 외부로 분출되지 못하고 기재(10) 내부에 갖혀져 폐쇄형 기공을 형성하게 된다.

상기 기재(10)는 두께가 0.001 ~ 10,000㎛ 인 금속 또는 폴리머 재질의 평판 또는 필름으로, 상기 기재(10)가 금속 재질인 경우 금속에 혼입되는 발포제는 TiH₂ 이고, 기재(10)가 폴리머일 경우에는 발포제가 아조디카본아미드(Azodicarbonamide)인 것이 바람직하다.

상기와 같이 기재(10)에 펄스 레이저 빔이 조사되어 국부 가열됨으로써 생성되는 기공(20)은 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이 복수개의 기공(20)들이 서로 중첩된 채널(channel) 형태의 기공군(氣孔群)(21)을 이루면서 기재(10)의 양쪽 표면을 통해 외부로 연통된 개방형 기공(open pore type)을 형성하거나, 도 5에 도시된 것과 같이 복수개의 기공(20)이 독립적으로 또는 서로 중첩되어 기공군(21)을 형성한 상태로 기재(10)의 내부에 갖혀진 폐쇄형 기공(closed pore type)을 형성할 수 있다. 기공(20)이 복수개가 서로 중첩되거나 독립적으로 형성되되 기재(10)의 한쪽 표면을 통해서만 외부로 연통되는 구조는 폐쇄형 기공으로 간주하며, 복수개의 기공(20)이 서로 중첩되거나 독립적으로 기재(10)의 양쪽 표면을 통해 외부로 연통되는 구조는 개방형 기공으로 간주하여 설명한다.

상기 개방형 기공(20)과 폐쇄형 기공(20)은 하나의 기재(10)에 함께 존재할 수 있다(도 4의 D 도면 참조). 도 4에 도시된 개방형 기공은 복수개의 기공(20)들이 서로 중첩되어 연결되면서 일직선에 가까운 채널을 이루거나(도 4의 A 및 B 도면 참조), 복수개의 기공(20)들이 서로 구불구불하게 얽히면서 중첩되는 구조(도 4의 C 및 D 도면 참조)로 형성될 수 있다. 또한, 기재(10)에 형성되는 기공(20)의 크기는 비교적 균일하게 형성될 수도 있지만, 여러가지 다양한 크기로 제어될 수도 있다.

상기 기재(10)에 형성되는 기공(20)이 폐쇄형 기공(20)일 경우, 도 5의 A에 도시된 것처럼 복수개의 기공(20)이 독립적으로 기재(10) 내부에 존재할 수도 있지만, 도 5의 B 및 C에 도시된 것처럼 복수개의 기공(20)이 서로 중첩되면서 기공군(21)을 형성하되, 기공군(21)이 기재(10)의 한쪽 표면을 통해 외부와 연통되거나, 기공군(21)이 기재 내부에 완전히 갖힌 구조를 가질 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 미세 다공성 구조체를 구성하는 기재(10)에 형성된 기공(20)은 단독으로 마이크로 스케일의 크기를 가질 뿐만 아니라, 기공(20)이 일직선이나 매끄러운 곡선으로 이루어지지 않고, 기공(20)의 내면이 불규칙하고 울퉁불퉁한 면을 가지며, 복수개의 기공(20)이 서로 중첩되면서 구불구불한 통로(channel)를 이루게 되므로 물과 같은 액체가 기재(10)를 통과하기 위한 동선이 길어지게 되고, 통로의 직경(또는 폭)이 계속 변화하여 내부의 최소 직경은 더 작은 구멍을 형성하게 되므로 기공(20)의 크기가 다소 크게 형성되더라도 물이 기공(20)을 통과할 수 있는 가능성이 거의 없게 되어 방수성을 더욱 향상시킬 수 있는 이점을 제공하게 된다.

상기 기재(10)에 형성되는 기공(20)의 형태는 도 6에 도시된 것과 같이 원형이나 타원형, 육각형 등의 다각형, 구름형 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 그리고, 상기 기공(20)의 크기(원형일 경우는 직경, 타원형일 경우는 장폭의 길이, 다각형과 구름형일 경우 최대 폭의 길이를 기준으로 함)는 0.001 ~ 1000 ㎛인 것이 바람직하다.

도 7은 폴리머 기재(10)에 펄스 레이저 빔을 조사하고 챔버(C)의 압력을 조정하여 기공(20)을 부산대학교 심볼 형태로 패터닝한 현미경 사진이고, 도 8은 아조디카본아미드(Azodicarbonamide) 발포제가 혼입된 폴리머 평판으로 된 기재(10)에 펄스 레이저 빔을 조사하고 챔버(C)의 압력을 조정하여 다양한 크기의 미세 기공(20)을 형성한 현미경 사진이다.

이와 같이 본 발명은 평판이나 필름으로 된 기재(10)의 원하는 위치에 레이저 빔을 조사하거나 초음파 또는 전자전기 파장(Electro magnetic wave)을 가하여 순간적인 국부 가열을 통해 발포제를 발포시켜 마이크로 스케일의 기공(20)을 형성함으로써 기존의 일직선 또는 균일한 곡선 형태를 갖는 미세 기공과는 현저히 다른 형태의 기공(20)을 구현하게 된다. 따라서, 도 9에 도시된 것과 같이 본 발명의 미세 다공성 구조체는 물은 기공(20)을 통과하지 못하고, 가스, 열, 음파와 빛 등의 물질파는 기공(20)을 통과할 수 있도록 하여 기존보다 우수한 방수성과, 발수성 표면, 표면적 증가, 낮은 유전율 등을 구현하게 된다.

이러한 본 발명의 미세 다공성 구조체는 이동통신 단말기의 스피커나 배터리 등에 방수 기능을 부여하는 방수 필름이나 통기성 필름, 음식물 포장재 등은 물론이고, 전자·전기 및 바이오 센서, 3차원 발포 프린팅, 반도체용 저유전 박막, 단열재, 흡음재 등에도 많은 다양한 분야에 유용하게 적용할 수 있다.

또한 기재(10)에 조사되는 레이저 빔의 파장이나 초점 거리, 챔버(C) 내부의 압력 등의 여러가지 공정 변수를 제어하여 기공(20)의 크기나 형태, 밀도 등을 적용 제품의 용도에 적합하게 조정할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10 : 기재 20 : 기공
21 : 기공군 C : 챔버
W : 윈도우

Claims (14)

1. 발포제가 혼합되어 제조된 폴리머 또는 금속 재질의 필름 또는 평판으로 된 기재(10)와;
   상기 기재(10)에 함유된 발포제가 국부 가열(local heating)에 의해 발포되면서 형성된 다수의 기공(pore)(20)을 포함하는 미세 다공성 구조체.
2. 제1항에 있어서, 상기 기재(10)에는 기재(10)의 지정된 위치에 레이저 빔을 조사하거나, 초음파 또는 전기전자 파장(Electro magnetic wave)을 가하여 순간적으로 발포제가 가열됨으로써 기공(20)이 형성된 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
3. 제2항에 있어서, 상기 기공(20)은 원형, 또는 타원형, 또는 다각형, 또는 구름형으로 된 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
4. 제3항에 있어서, 상기 기공(20)은 복수개가 서로 중첩되어 기공군(21)을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
5. 제3항에 있어서, 상기 기공(20)은 0.001 ~ 1000 ㎛의 직경 또는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
6. 제4항에 있어서, 상기 기공군(21)은 기재(10)의 한쪽 표면 또는 양쪽 표면을 통해 외부로 개방된 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
7. 제1항에 있어서, 상기 기재(10)의 두께는 0.001 ~ 10,000㎛ 인 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
8. 제1항에 있어서, 상기 기재(10)에 함유된 발포제는 기재(10)가 금속일 경우 TiH₂ 이고, 기재(10)가 폴리머일 경우 아조디카본아미드(Azodicarbonamide)인 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 미세 다공성 구조체를 제조하기 위한 방법으로서,
   발포제가 혼입된 금속 또는 폴리머 재질의 기재(10)를 압력 조절이 가능한 챔버(C) 내부에 투입하는 단계와;
   상기 기재(10)의 지정된 위치를 국부적으로 가열하여 기재(10)에 함유된 발포제를 발포시켜 기공(20)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 기공(20)을 형성하는 단계에서는 챔버(C)의 외부에서 기재(10)에 레이저 빔을 조사하여 기공(20)의 지정된 위치를 국부 가열하여 발포제를 발포시키는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 기재(10)에 레이저 빔을 조사할 때 기재(10)와 레이저 빔 조사장치를 상대 이동시키면서 기재(10)의 설정된 위치에 제한적으로 기공(20)을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체의 제조방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 기공(20)을 형성하는 단계에서 챔버(C) 내부에 가스를 채워넣은 상태에서 진행되는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체의 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 챔버(C) 내부의 가스압력을 조정하여 기재(10)에 형성되는 기공(20)이 기재(10) 내부에 갖혀 있는 폐쇄형 기공을 형성하거나, 기공(20)이 기재(10)의 양쪽 표면을 통해 외부로 개방된 개방형 기공을 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체의 제조방법.
14. 제10항에 있어서, 상기 레이저 빔은 파장(λ)이 0.1 ~ 100 ㎛ 인 펄스 레이저인 것을 특징으로 하는 미세 다공성 구조체의 제조방법.
    

Images