KR101712313B1

KR101712313B1 - 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물

Info

Publication number: KR101712313B1
Application number: KR1020160023383A
Authority: KR
Inventors: 김찬홍
Original assignee: 주식회사 지유디이에스
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-03-03

Abstract

본 발명은 연잎효과를 구현하기 위한 초소수성(Superhydrophobic) 신소재 제작을 위한 혼합조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면장력을 극대화시키기 위한 혼합조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물은 연잎처럼 표면장력을 극대화하여 초소수성(超疏水性)을 구현할 수 있다. 또한 친환경소재로 구성되어 2차 환경피해가 발생하지 않으며, 유지관리가 간편하고 장기적인 수명 확보가 가능한 잇점을 아울러 지니고 있다.

Description

연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물{The Superhydrophobic Mixture for the realization of the lotus effect}

본 발명은 연잎효과를 구현하기 위한 초소수성(Superhydrophobic) 신소재 제작을 위한 혼합조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면장력을 극대화시키기 위한 혼합조성물에 관한 것이다.

새벽안개가 걷힐 무렵 연못 위에 떠있는 연잎을 보면 마음이 청아해진다. 연잎 위에 작은 물방울들이 투명하게 빛나며 동글동글 맺혀 있다. 실바람이라도 불면 이들이 조금씩 굴러다니며 이내 큰 물방울을 만든다. 연잎 위에 묻어있는 미세한 먼지를 닦아내며 물방울이 연못으로 떨어진다.

과학자들은 연잎 표면에 어떤 비밀이 숨어있는지 알아내고, 그 결과를 실생활에 응용하기 시작했다. 흔히 물과 친하게 잘 섞이는 성질을 친수성, 반대로 물과 친하지 않은 성질을 소수성이라고 부른다. 연잎 표면은 자연계 어떤 물질보다 소수성이 강하기 때문에 초소수성을 지닌다. 전자현미경을 이용해 표면을 나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 수준으로 관찰한 결과 그 초소수성의 비밀이 드러났다.

보통 바닥면 위에 물방울이 놓여 있을 때 물방울의 측면과 바닥면이 접촉하는 각도가 60도보다 크면 소수성, 30도 이하이면 친수성을 띤다고 말한다. 그런데 연잎 바닥면이 물방울과 접촉하는 각도는 150도 이상이다. 그냥 소수성이 아닌 초소수성을 갖는다는 뜻이다. 그 이유는 무엇일까. 연잎 표면에 있는 무수한 미세 돌기 덕분이다. 먼저 바닥면의 미세 돌기는 물방울이 연잎 표면과 접촉하는 각도를 커지게 만든다. 또한 바닥면 위에 형성돼 있는 봉오리들에도 무수한 돌기가 있어 비슷한 효과를 일으킨다. 연잎 표면은 이와 같은 이중적인 소수성 덕분에 초소수성을 띠는 것이다.

나노 세계에서는 이처럼 표면이 거칠수록 소수성이 강해지는 특이한 현상이 벌어진다. 이른바 연잎 효과라고 부르는 특성이다. 우리가 접하는 일상에서 표면이 아무리 거칠어도 물에 잘 젖지 않는 대상을 찾기는 쉽지 않다. 그러나 실험실에서는 실리콘 같은 고체의 표면을 미세 가공하여 이중 돌기를 갖는 나노구조 표면을 만들 수 있다. 각 돌기의 길이와 폭은 대략 50nm 내외이다. 옆이나 위에서 보면 마치 꽃이 피어나는 모습 같다. 원리를 알았으면 다음은 모방 단계. 과학자들은 연잎 효과를 모방한 다양한 제품을 제작하고 있다. 비를 맞거나 물을 뿌리면 먼지가 깨끗하게 떨어지는 페인트, 콜라나 커피가 쏟아져도 툭툭 털어내면 깨끗해지는 기능성 의류 등 다양한 제품이 이미 판매되고 있다.

재언하면, 진흙 속에 뿌리를 박고 자라는 연꽃은 수려할 뿐만 아니라 청아한 초록빛 자태를 뽐낸다. 그런데 비가 오는 날, 연잎에 떨어진 물방울은 잎을 적시지 않고 주르르 흘러내린다. 연못 수면과 나란히 떠 있는 잎사귀에서는 커다란 물방울이 바람과 물결에 따라 이리저리 왔다가 잎에 묻은 먼지를 털어내며 떨어진다. 이처럼 잎이 물방울에 젖지 않고 더러워지지 않는 현상을 연잎 효과라고 부른다. 물방울이 물체의 표면을 적시느냐 그렇지 않느냐의 여부는 화학적 성질에 따라 정해진다. 표면장력이 크면 물과 접촉한 면적을 작게 하여 물이 표면을 덜 적시게 된다. 이러한 성질을 소수성이라고 하며, 반대로 표면장력이 작으면 물이 표면을 많이 적시게 되어 친수성이 된다. 그런데 연잎의 표면을 현미경으로 확대시키면 표면이 작은 돌기로 덮여 있는 것을 볼 수 있다. 이처럼 표면이 나노 돌기로 덮여 있으면, 표면장력이 크고 작음과 관계없이 물과 닿는 면적이 아주 작게 된다. 다시 말해 화학적인 표면장력이 아니라 물리적인 나노의 거칠기에 기인하기 때문에, 이러한 성질을 초소수성이라고 한다.

연잎 효과를 모방한 나노기술은 이미 다양한 곳에 응용되고 있다. 대표적인 예로, 비를 맞거나 물을 뿌려주는 것만으로도 먼지가 깨끗하게 떨어지는 페인트가 있다. 또한 최근 독일의 한 회사가 세라믹 변기 표면에 나노 코팅기술을 적용하여 물이 잘 흐르게 만드는데 성공했다. 연잎 효과를 실생활에 이용한 또 다른 예로 첨단 기능성 의복이 있다. 즉 물에 젖지 않으며 잘 더러워지지 않는 옷이다. 때가 묻지 않는 섬유의 비밀은 섬유 표면에 아주 작은 보푸라기를 붙이는데 있다.

이러한 초소수성을 구현하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 하지만, 대다수가 테프론 수지를 이용한 방법 또는 유기용매에 나노소자를 용해하여 사용하는 방법을 활용하고 있다. 테프론 수지는 불소를 활용하기 때문에 환경 위해성으로 사용에 많은 제약을 받고 있으며, 유기용매를 이용한 방식도 2차 환경오염의 문제를 여전히 안고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 친환경 기술을 통한 연잎효과의 구현 신기술이 필요한 시점이다.

문헌 1, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0133354호(2011.12.12.) 문헌 2, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0082217호(2013.07.19.)

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점으로부터 착안된 것으로, 본 발명의 목적은, 초소수성 효과를 구현하되 초소수성의 성능을 개선하고, 친환경 소재로 2차 환경오염을 예방하고, 유지관리가 편리한 연잎효과 구현을 위한 초소수성 신소재를 제조하는 혼합조성물에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 켄탈레나이트, 램프로파이어, 퍼거소나이트, 탄탈라이트로 구성되어진 혼합조성물로 이루어 진다. 이를 통하여 연잎과 유사한 초소수성 기능을 구현하게 되는 것이다

본 발명은 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물에 관한 것으로서 연잎처럼 표면장력을 극대화하여 초소수성(超疏水性)을 구현할 수 있다. 또한 친환경소재로 구성되어 2차 환경피해가 발생하지 않으며, 유지관리가 간편하고 장기적인 수명 확보가 가능한 잇점을 아울러 지니고 있다.

본 발명에 따른 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물에 관한 것으로서, 켄탈레나이트, 램프로파이어, 퍼거소나이트, 탄탈라이트로 구성되어진 혼합조성물로 이루어 진다.

본 발명에 의한 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물의 구성비는 아래 표 1에서 기술하고 있다.

본 발명에 의한 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물의 구체적인 내용을 살펴보면 다음과 같다.

켄탈레나이트(Kentallenite)는 몬조나이트의 일종으로서 감람암 보통휘석 흑운모 사장석 칼륨장석 자철석 인회석으로 되는 중성심성암(中性深成岩)이다. 비중은 2.75이다. 스코틀랜드의 바라크리시 부근의 켄탈렌 채석장에서 산출된 암석을 1900년에 명명하였다. 감람암 보통휘석 흑운모 사장석 칼륨장석 자철석 인회석으로 되는 중성심성암(中性深成岩)이다. 자소휘석을 함유하는 경우도 있다. 비중 2.75이다. 사장석과 칼륨장석은 거의 같은 비율이며, 칼리장석은 다른 광물 사이를 메우는 형태로 결정화되어 있다. 스코틀랜드의 바라크리시 부근의 켄탈렌 채석장에서 산출된 암석을 1900년 영국의 J.B.힐과 H.키나스텐이 명명하였다.

램프로파이어(Lamprophyre)는 황반암이라고도 부른다. 반상(斑狀)의 자형조직을 가진 완정질의 암색맥암의 총칭이다. 반정은 운모, 휘석, 각섬석 등의 유색광물이, 석기(石基)는 장석류로 구성된다. 주요 구성광물에 따라 미네트, 커산타이트, 보게사이트, 스페사르타이트, 캠포토나이트 등으로 분류된다. 화성암 특히 화강암 또는 섬장암 중에서 산출된다. 램프로파이어는 반상의 자형조직을 가진 완정질(holocrystalline: 전체가 결정질로 된 광물의 집합체이면서 유리질 물질을 전혀 함유하지 않는 화성암으로 암석의 결정도를 나타낼 때 사용된다. 마그마가 지하에서 천천히 고결될 경우에 생기기 쉽다. 반심성암심성암, 일부 화산암에서 볼 수 있다. 입상일 경우에는 완정질 입상, 반상일 경우에는 완정질 반상이라고 한다.)의 암색맥암의 총칭이다. 황반암이라고도 한다. 반정(phenocryst: 화성암 조직에서 유리질 또는 세립 결정질의 석기 속에 점재하는 큰 결정으로 육안으로도 볼 수 있다. 반정을 이루는 광물은 지하의 마그마굄에서나 마그마가 상승하는 도중에 서서히 냉각될 때 정출한 것이며, 이를 에워싸고 있는 석기 부분은 마그마가 지하의 얕은 곳 또는 지표에서 급속히 냉각될 때 생성된 것이다. 반정광물은 자형결정을 이루는 것이 많다. 편광현미경으로 보면, 고용체를 형성하는 광물종의 반정은 색이나 기타 광학적 성질이 한결같지 않고, 화학조성상으로도 균질이 아닌 경우가 있는데, 특히 사장석이나 단사휘석의 반정에서 뚜렷하다. 석영의 반정은 때로 둥그스름하거나 오목한 모양이고, 각섬석이나 흑운모의 반정은 자철석의 미세한 결정의 집합체로 에워싸인 경우도 있다. 이런 것들은 반정광물이 정출한 후에 불안정하게 되어, 마그마에 의해 부분적으로 녹거나 마그마와 반응하여 다른 광물이 되었기 때문이다. 따라서 반정광물을 조사함으로써 지하에서 진행된 마그마의 정출과정을 추정할 수 있다.)은 운모휘석각섬석 등의 유색광물로 되며, 석기는 주로 장석류로 구성된다. 일반적으로 이산화탄소황인물을 많이 함유하고, 탄산염광물황화광물인산염광물(인회석)함수광물(녹니석제올라이트 등)을 함유한다. 주요 구성 광물에 따라 미네트(흑운모정장석), 커산타이트(흑운모사장석), 보게사이트(보통휘석보통각섬석정장석), 스페사르타이트(보통휘석보통각섬석사장석), 캠포토나이트(알칼리휘석알칼리각섬석사장석) 등으로 분류된다. 각종 화성암 특히 화강암 또는 섬장암 중에서 산출된다. 일반적으로 휘발 성분이 많은 현무암질 마그마 기원의 관입암맥이며, 그 성분의 일부는 모암에서 비롯된 것으로 추정된다.

퍼거소나이트(Fergusonite)는 다양한 희토류원소와의 복합 산화물로 이루어진 정방정계의에 광물이다. 때로는 이트륨, 에리븀, 탄탈럼을 포함하기도 한다. 주석의 사광(砂鑛) 중에서 지르콘과 함께 또는 페그마타이트 속에서도 산출된다. 화학식은 (Ce,La,Nd)NbO4 이다. 영국의 정치인이자 광물 수집가인 로버트 퍼거슨(1767~1840)의 이름에서 광물의 이름을 따왔다. 화학성분은 (Ce,La,Nd)NbO4이다. 일반적으로 복잡한 화학조성을 가지며 이트륨에리븀탄탈럼이 주성분이며 우라늄세륨족희토류를 함유하고, 때로는 물헬륨을 함유하기도 한다. 방사성이 있다. 주상 또는 추상(錐狀) 결정을 이루는데, 특히 기둥의 선단에 비슷한 방향으로 발달한 추면(錐面)을 가지는 것이 특징이다. 그 밖에 작은 괴상입상을 이룬다. 쪼개짐은 분명하지 않고 단구(斷口)는 패각상(貝殼狀)에 가깝다. 신선한 파면은 흑갈색으로 지방광택 또는 금속광택이 강하지만 표면은 광택이 없다. 불투명하지만 얇은 조각은 빛을 통과시킨다. 주석의 사광(砂鑛) 중에서 지르콘과 함께 산출되기도 하고 페그마타이트 속에서 소량이 산출되기도 한다.

탄탈라이트(Tantalite)는 중요한 탄탈럼의 광석이며 컬럼바이트와 비슷지만 컬럼바이트보다 비중이 훨씬 더 크다. 화학성분은 (Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6이다. 페그마타이트 속에서 산출되며 중요한 탄탈럼의 광석이다. 컬럼바이트와 비슷하지만 탄탈럼의 함유량이 나이오븀보다 많다. 굳기 5.57.3, 비중 5.57.3이다. 사방정계이며 주상 또는 판상 결정을 이루며 입상괴상을 이룬다. 검은색으로 불투명하며 아금속 광택을 가진다. 조흔색(條痕色)은 흑색 또는 암적갈색이다. 무른 광물이다.

위에서 언급한 물질들로 구성된 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물의 구성비를 살펴보면 [표 1] 과 같다.

표 1본 발명에 따른 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물의 구성비

구 분	물 질 명	구성비율	비고
초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물	켄탈레나이트(Kentallenite)	25wt%	오차율3wt%
	램프로파이어(Lamprophyre)	20wt%	오차율2wt%
	퍼거소나이트(Fergusonite)	30wt%	오차율3wt%
	탄탈라이트(Tantalite)	25wt%	오차율3wt%

상기한 구성비는 반복 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다.

(실시예)

1. 혼합조성물의 혼합과정

각각의 무기재료 평균입경이 약 40nm인 켄탈레나이트(Kentallenite) 25 중량부, 램프로파이어(Lamprophyre) 20 중량부, 퍼거소나이트(Fergusonite) 30 중량부 및 탄탈라이트(Tantalite) 25 중량부를 골고루 혼합하였다.

2. 무기질 바인더의 제조

칼슘실리케이트(Calcium Silicate) 용액과 소르빈산칼륨(Potassium sorbate) 용액을 부피비 2 : 1로 혼합하여 얻은 무기질 바인더를 상기 혼합조성물에 0.2 중량부 추가하여 혼합물을 얻었다.

그리고, 상기 혼합조성물과 상기 방법으로 제조한 무기질 바인더를 함께 교반기에 넣고 5,000rpm으로 15분간 혼합 교반하여 반응시키고, 압착가공하여 밀도가 45kg/m³인 1001005mm인 정사각형 보드를 제조하였다.

실시예에 따라 제조된 조성물의 함량을 하기 [표 2]에 정리하였다.

구 분	실시예
켄탈레나이트(Kentallenite)	25
램프로파이어(Lamprophyre)	20
퍼거소나이트(Fergusonite)	30
탄탈라이트(Tantalite)	25
무기질 바인더	0.2

<물성측정>

하기에 나타낸 각 방법으로 상기 실시예에 따라 제조된 정사각형 보드의 물성을 측정하여, 그 결과는 다음 [표 3]에 나타내었다.

1. 열전도율

열전도율은 KS L 9016에 의한 205 시험조건에서 측정하였다.

2. 밀도

밀도는 KS M 3808에 의거하여 측정하였으며, 다음 [식 1]을 통하여 계산하였다.

[식 1]

밀도(kg/m³)=W(건조중량)/V(부피)

3. 투습계수

투습계수는 두께 25mm당 투습계수로 계산하였다.

4. 접촉각도(Contact Angle)

접촉각도는 물방울을 실시예에 따라 제조된 정사각형 보드 위에 떨어뜨리고, 해당 물방울과 정사각형 보드 표면이 이루는 각(角)을 측정하였다.

5. 연소 측정온도

연소 측정온도는 약 1,200 기준으로 측정한 온도이다.

구 분	실시예
열전도율(W/mK)	0.027
밀도(Kg/m³)	143
투습계수(ng/m²sPa)	34
접촉각도()	158.7
연소 여부	불연성
연소시 유해가스 방출여부	전무(全無)

상기에서는 본 발명에 따른 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물에 대한 이해를 돕기 위해 구체적인 실시 예를 들어 설명하였지만, 이러한 구체적인 실시 예로부터 본 발명의 기술사상이 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 충분히 변경 또는 변형 가능한 정도는 본 발명의 범주로 이해하여야 할 것이다.

Claims

켄탈레나이트(Kentallenite) 22wt%~28wt%, 램프로파이어(Lamprophyre) 18wt%~22wt%, 퍼거소나이트(Fergusonite) 27wt%~33wt%, 탄탈라이트(Tantalite) 22~28wt%로 구성되어진 것을 특징으로 하는 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물.
제 1 항에 있어서,
칼슘실리케이트(Calcium Silicate) 용액과 소르빈산칼륨(Potassium sorbate) 용액을 부피비 2 : 1로 혼합하여 얻은 무기질 바인더를 상기 혼합조성물에 0.2 중량부 추가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 연잎효과를 구현한 초소수성 신소재 제작을 위한 혼합조성물.
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