KR101887075B1 - 마찰항력 저감을 위한 3중 초발수 구조 필름 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
일면에 다수의 마이크로미터 크기를 갖는 미세패턴이 일방향을 향하며 형성된 폴리머 수지, 상기 미세패턴에 수열합성되어 형성된 나노선 구조체 및 상기 나노선 구조체를 덮도록 형성되는 코팅층을 포함하며, 상기 미세패턴은, 수중에서 기포를 포집하도록, 상기 일면에서 돌출되며 단면이 리블렛 형상을 지니며 기 설정된 길이만큼 상기 일면을 따라 연장되어 형성된 돌기를 포함하여 수중에서 마찰항력을 저감시키며, 미세패턴 간 미세 간격을 통해 형상 변화를 최소화하여 곡면에 용이하게 적용 가능한 3중 초발수 구조 필름에 관한 것이다.
Description
본 발명은 표면 마찰 항력(Skin Friction Drag)을 저감시키는 마이크로-나노/코팅의 3중 초발수 폴리머 수지 필름에 관한 것으로서, 구체적으로 수중에서 물에 의한 마찰 항력이 저감되도록 특정 미세 형상을 지닌 초발수(Superhydrophobic surface) 폴리머 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 개발되고 있는 군용 함정, 경비정, 잠수함, 어뢰 등 수중에서 고속으로 움직이는 수중 운동체의 속도는 거의 한계에 도달하였으며, 이러한 수중 운동체의 움직임에 있어 가장 큰 제약의 대부분은 물에 의한 표면 마찰 항력이 차지하고 있다.
표면 마찰 항력은 유체의 점성으로 인하여 생기는 저항으로서 흐르는 액체 속에 있는 물체 표면에 작용하는 마찰응력의 합력으로서, 고속으로 움직이는 수중 운동체의 한계속도를 돌파, 주행거리 증가 및 연료소비 감소를 위해서는 표면 마찰항력 저감이 필수적이다.
이러한 종래의 기술들은 대부분 추가적인 구조 또는 장치가 요구되며, 지속적으로 에너지가 소비된다. 따라서, 추가적인 에너지 소비가 요구되지 않는 마찰항력 저감 방법으로 표면을 개질하는 방법이 각광을 받고 있다.
표면을 개질하는 방법 중 미세 구조를 기반으로 표면의 미세 구조 사이에 공기층을 형성하여 마찰항력을 저감시키는 연구가 활발히 진행되고 있으며,
나비의 날개, 거미줄, 선인장의 가시, 연꽃의 꽃잎 구조, 상어 비늘 등의 자연모사로부터 시작된 초발수성 기술을 마찰항력 저감시키는 데 이용하는 방안도 제시되었으나,
고 레이놀즈수에서 마찰항력 저감의 효과가 감소되며, 수중에서 고속으로 움직이는 경우 안정적으로 공기층을 포집하지 못하여 특정 레이놀즈수 이상에서는 마찰항력 저감의 효과가 사라지는 문제점이 발생하고 있으며, 수중에서 고속으로 장기간 움직이는 경우 시간이 지남에 따라 표면의 미세구조가 마모되는 문제점이 발생하고 있다.
본 발명의 일 목적은, 마찰항력이 효과적으로 저감될 수 있는 미세 구조를 지닌 3중 초발수 필름을 제시하려는 데있다.
본 발명의 일 목적은, 상기 전술한 문제점을 해결하여, 고 레이놀즈수에서도 마찰항력 저감효과가 감소되거나 사라지지 않으며, 내구성이 높은 미세 구조를 지닌 3중 초발수 필름을 제시하려는 데 있다.
이와 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3중 초발수 구조 필름은, 일면에 다수의 마이크로미터 크기를 갖는 미세패턴이 일방향을 항하며 형성된 폴리머 수지, 상기 미세패턴에 수열합성되어 형성된 나노선 구조체, 상기 나노선 구조체를 덮도록 형성되는 코팅층을 포함하며, 상기 미세패턴은, 수중에서 기포를 포집하도록, 상기 일면에서 돌출되어 기 설정된 길이만큼 상기 일면을 따라 연장되며 단면이 리블렛 형상을 지니는 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하여 수중에서 마찰항력을 보다 더 저감할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 미세패턴은, 상기 리블렛 형상의 돌기를 3개씩 평행하게 포함하는 덴티클 형상인 것을 특징으로 하여 마찰항력을 보다 더 감소 시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 3중 초발수 구조 필름의 상기 리블렛 형상의 돌기는, 길이방향으로 경사지게 형성된 구조인 것을 특징으로 하여 수중에서 마찰항력을 더 감소 시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 3중 초발수 구조 필름의 상기 미세패턴은, 평면 또는 특정한 곡면을 가지는 수중 운동체에 형상변형 없이 부착되도록, 상기 폴리머 수지는 상기 평면 또는 특정한 곡면으로 형성되며, 상기 미세패턴은 서로 기 설정된 간격으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 3중 초발수 구조 필름의 상기 폴리머 수지는, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 3중 초발수 구조 필름의 상기 코팅층은, 수중에서 상기 미세패턴 및 나노선 구조체의 형상변형이 없도록 기 설정된 두께로 일정하게 형성되며, 화학기상증착법, 원자층증착법, 헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실트리메톡시실레인 용액 코팅법 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 용액 코팅법 중 하나의 방법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 본체의 전부 또는 일부가 수중에서 이동하며 마찰 항력을 받는 수중 운동체에 있어서, 상기 수중 운동체의 외면을 구성하며 물과 접촉하는 표면은, 일면에 다수의 마이크로미터 크기를 갖는 미세패턴이 일방향을 향하며 형성되고, 상기 미세패턴에 수열합성되어 형성된 나노선 구조체, 상기 나노선 구조체를 덮도록 형성되는 코팅층을 포함하며, 상기 미세패턴은, 수중에서 기포를 포집하도록, 상기 일면에서 돌출되고 기 설정된 길이만큼 상기 일면을 따라 연장되어 형성된 리블렛 형상을 지니는 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 운동체로서 수중에서 마찰항력이 저감될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 수중 운동체의 상기 미세패턴은, 상기 리블렛 형상의 돌기를 3개씩 평행하게 포함하는 덴티클 형상인 것을 특징으로 하여 수중에서 마찰항력을 보다 더 감소 시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 수중 운동체의 상기 리블렛 형상의 돌기는, 길이방향으로 경사지게 형성된 구조인 것을 특징으로 하여 수중에서 마찰항력을 더 감소 시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 3중 초발수 구조 필름 제작방법에 있어서,다수의 마이크로미터 크기의 역 덴티클 형상의 미세패턴이 일방향을 향하며 형성된 금형(110)을 준비하는 단계, 상기 금형(110)의 미세패턴이 형성된 면에 액상 폴리머 수지를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머 수지를 양생하는 단계, 상기 도포되어 양생된 폴리머 수지를 상기 금형(110)과 분리하는 단계, 상기 폴리머 수지의 미세패턴이 형성된 면에 나노선 구조체를 수열합성하는 단계, 수중에서 상기 미세패턴 및 나노선 구조체의 형상변형이 없도록 기 설정된 두께로 일정하게 형성되며, 수열합성된 상기 나노선 구조체를 덮도록 초박막 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 3중 초발수 필름은, 난류 유동에서 발생하는 강한 세기의 와류에 의한 영향을 약화시키는 마이크로 미세패턴으로 인해 그 사이에 형성된 공기층이 유지됨으로써 효과적으로 마찰항력을 저감시켜 수중에서 고속으로 이동할 수 있다.
또한, 본 발명은, 고 레이놀즈수의 유동에서도 안정적으로 공기층을 포집하여 마찰항력 저감 효과가 감소하지 않으면서도, 수중 내구성 및 안정성을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은, 몰딩방식을 이용하여 제작되어 저비용으로 대량생산이 가능하다.
또한, 본 발명은, 다양한 곡면을 지니는 외면에 부착하더라도 미세패턴의 형상 변화를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 작동원리를 나타내는 그림이다.
도 2는 본 발명의 제조방법의 일 실시예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 제조방법을 나타내는 개략단면도들이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 구조 필름 형성을 위한 금형(110)의 확대도이며, 도 4b는 도 4a에 대응하여 형성된 마이크로 구조 필름의 확대도이다.
도 5a, 도 5b는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 구조 필름 형성을 위한 실제작된 금형(110)의 이미지들이다.
도 6a, 도 6b는 본 발명의 일 실시예인 실 제작된 마이크로 구조 필름의 이미지이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c는 본 발명의 일 실시예의 나노선 구조체를 나타낸 이미지들이다.
도 8은 본 발명의 실제 제작된 본 발명의 일 실시예의 3중 초발수 구조 필름의 이미지이다.
도 9는 비교예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 접촉각, 미끄럼각 및 리바운딩 높이의 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 제조방법의 일 실시예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 제조방법을 나타내는 개략단면도들이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 구조 필름 형성을 위한 금형(110)의 확대도이며, 도 4b는 도 4a에 대응하여 형성된 마이크로 구조 필름의 확대도이다.
도 5a, 도 5b는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 구조 필름 형성을 위한 실제작된 금형(110)의 이미지들이다.
도 6a, 도 6b는 본 발명의 일 실시예인 실 제작된 마이크로 구조 필름의 이미지이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c는 본 발명의 일 실시예의 나노선 구조체를 나타낸 이미지들이다.
도 8은 본 발명의 실제 제작된 본 발명의 일 실시예의 3중 초발수 구조 필름의 이미지이다.
도 9는 비교예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 접촉각, 미끄럼각 및 리바운딩 높이의 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
명세서 전반에 걸쳐 서술되는 '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.
또한, 명세서 전반에 걸쳐 서술되는 '나노/마이크로 구조체'의 의미는 평균 입경이 수㎚ ~ 수㎛인 결정들을 포함하는 결정체를 의미한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
3중 초발수 구조 필름은 100 ㎛ 내지 1000 ㎛ 크기의 마이크로 구조와 100 nm 내지 500 nm 크기의 나노 구조로 이루어지는 Core Part와 초박막 코팅으로 이루어지는 Shell Part로 구성된다. 이와 같은 이유로 종래의 표면개질을 통한 마찰항력 감소 기술보다 높은 레이놀즈수를 가지는 유동에서도 마찰항력을 안정적으로 저감 하면서도 높은 내구성을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 작동 원리를 나타내는 그림이다. 도 1을 참고하면, 본 발명은 마이크로 구조, 나노 구조 및 초박막 코팅의 3중 구조를 포함한다.
해당 마이크로 구조는 난류 유동에서 구조 표면에 발생하는 강한 소용돌이(Strong vortex)를 밀어내어 표면에서 보다 멀리 위치하도록 한다. 이에 따라, 홈에는 약한 소용돌이(Weak vortex)가 발생하여, 강한 소용돌이(Strong vortex)에 의한 강한 전단응력이 보다 좁은 면적에만 가해지도록 하여 마찰항력 저감할 수 있다.
나노 구조는 수중에서 기포를 포집하여 공기층을 형성하고, 수중에서 고속으로 움직이는 경우에도 안정적으로 공기층을 유지하여 마찰항력 저감 효과를 지속적으로 유지할 수 있다.
또한, 코팅층은 마이크로/나노 구조의 수중 마찰로 인하여 발생하는 미세구조의 마모에 대한 저항을 높여 수중 내구성을 향상시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 제조방법을 나타내는 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 2 및 도3을 참조하면, 다수의 마이크로미터 크기의 역 덴티클 형상의 미세패턴이 일방향을 향하며 형성된 금형(110)을 준비하는 단계(S100), 상기 금형(110)의 미세패턴이 형성된 면에 액상 폴리머 수지를 도포하는 단계(S200), 상기 도포된 액상 폴리머 수지를 양생하는 단계(S300), 상기 도포되어 양생된 폴리머 수지(120)를 상기 금형(110)과 분리하는 단계(S400), 상기 폴리머 수지(120)의 미세패턴이 형성된 면에 나노선 구조체(130)를 수열합성하는 단계(S500) 및 상기 나노선 구조체(130)를 덮도록 초박막 코팅하는 단계(S600)를 포함한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 구조 필름 형성을 위한 금형(110)의 확대도이며, 도 5a, 도 5b는 본 발명의 일 실시예인 마이크로 구조 필름 형성을 위한 실제작된 금형(110)의 이미지이다.
도 5a 및 도 5b를 참고하면, 금형(110)을 준비하는 단계(S100)는 몰딩 기법을 이용하기 위하여, 금형(110)의 일면에 마이크로 크기의 덴티클 형상에 대응되는 역 덴티클 형상의 미세패턴(121)을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예인 도 4a를 참고하면, 금형(110)의 일면에는 미세패턴(121)을 형성하는 일정한 크기의 격자(111)들이 엇갈려 구비되어 있다. 격자(111) 내부에는 복수의 홈(112)이 평행하게 형성되어 있으며, 복수의 홈(112) 각각은 U자 형상을 지니고 있다. 따라서, 미세패턴에는 홈(112)의 형상과 대응되는 리블렛 형상의 돌기(122)가 형성될 수 있다.
역 덴티클 형상의 미세패턴을 형성은 레이저 가공, 컴퓨터수치제어(Computer Numerical Control, CNC) 가공 등의 방법으로 가공을 할 수 있으며, 전술한 방법에 국한되지 않는다. 또한, 금형(110)의 재료로는 알루미늄, 합금주철, 합금강 등을 사용할 수 있으며, 이에 한하지 않는다.
상기 금형(110)을 준비하는 단계(S100), 액상 폴리머 수지를 도포하는 단계(S200), 도포된 액상 폴리머 수지를 양생하는 단계(S300)에서 이용되는 액상 폴리머 수지는 곡면을 갖는 수상 운동체의 외면에도 적용 가능하게 하기 위하여 유연성을 갖는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene, LDPE) 등을 이용할 수 있다. 도 8을 참고하면, 본 발명의 실제 제작된 본 발명의 일 실시예인 3중 초발수 구조 필름의 이미지이며, 3중 초발수 구조 필름의 유연성을 확인할 수 있다.
폴리머 수지(120)는 유연 폴리머 수지에 국한되지 않고, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES) 등 단단한(rigid) 폴리머 수지를 이용할 수 있다.
도 4b는 도 4a에 대응하여 형성된 마이크로 구조 필름의 확대도이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예인 실 제작된 마이크로 구조 필름의 이미지이다.
도 6a 및 도 6b를 참고하면, 상기 도포되어 양생된 폴리머 수지(120)를 상기 금형(110)과 분리하는 단계(S400)를 거쳐 제작된 폴리머 수지(120)는 마이크로 크기의 덴티클(Denticle) 형상을 지닌 미세패턴을 포함하고 있다.
덴티클(Denticle) 형상은 상어비늘표면의 마이크로구조를 자연모사한 형상을 의미하며, 평행하게 형성된 리블렛 형상의 돌기(122)들로 이루어져 있다. 이러한 리블렛 형상에는 U형-리블렛(Riblet), V형-리블렛(Riblet), 사다리꼴형 리블렛(Riblet) 형상이 있으며, 본 발명의 일 실시예는 마찰항력 저감 효과가 높은 U형-리블렛(Riblet) 구조를 이용할 수 있다.
또한, 도 4b를 참고하면, 폴리머 수지(120)는 일면에 다수의 마이크로미터 크기를 갖는 리블렛 형상의 돌기를 포함하는 덴티클 형상의 미세패턴(121)은 금형(110)의 격자(111)와 대응되도록 각각의 미세패턴(121)이 엇갈려 형성될 수 있다.
미세패턴(121)에 포함된 리블렛 형상의 돌기(122)들은 같은 방향을 향하며 균일하게 간격으로 형성될 수 있으며, 리블렛 형상의 돌기(122)는 수백 마이크로의 크기를 지니고 있다. 또한, 리블렛 형상의 돌기(122)는 폴리머 수지(120)의 표면에서 돌출되어 미세패턴(121)의 길이만큼 폴리머 수지의 표면을 따라 연장되어 형성될 수 있다.
곡면을 갖는 수상 운동체에 적용이 가능하도록 곡면의 형상을 갖는 금형(110)에 경화시 단단해지는 액상 폴리머 수지를 도포하여 수상 운동체의 외면에 대응되는 곡면을 지닌 마이크로 구조 필름을 제작할 수 있다.
또한, 도 4a 및 도4b를 참고하면, 미세패턴(121)과 인접하는 미세패턴(121)사이에 일정한 미세간격(123)이 형성되어 있다. 미세간격(123)은 금형(110)의 격자(111)와 인접하는 격자(111) 사이에 일정 간격으로 형성된 갭(113)에 의하여 형성될 수 있다. 마이크로 구조 필름이 곡면에 부착되는 경우, 미세간격(123)이 신장 또는 수축되어 미세패턴(121)의 형상 변형이 최소화될 수 있다.
또한, 미세패턴(121)은 평행하게 형성된 리블렛 형상의 돌기를 3개씩 포함하는 덴티클(denticle) 형상을 지니고 있으며, 도 6b를 참고하면, 리블렛 형상의 돌기(122)가 길이방향으로 햐항 경사지게 형성되어, 수중에서의 마찰항력을 보다 더 저감시킬 수 있다.
다음으로, 나노선 구조체(130)를 수열합성하는 단계(S500)에 대해서 구체적으로 살펴보면, 마이크로 구조 상에 수열합성법, 화학기상증착법 또는 전기화학증착법을 이용하여 나노선 구조체(130)를 형성할 수 있다. 그러나, 수중에서 고속으로 이동하는 수중운동체 외부 표면에 부착되는 바, 높은 내구성이 요구되어 수열합성법에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 나노선 구조체(130)의 물질은 산화아연(ZnO), 산화코발트(Co3O4) 등을 사용할 수 있으며, 나노선 구조체(130)의 물질은 이에 국한되지 않는다.
수열합성에 의해 형성된 나노선 구조체(130)는 수중에서 마이크로 구조를 지닌 폴리머 수지의 비표면적을 보다 넓게 하여 마이크로 구조 표면에 공기층을 형성하여 물과 수중 운동체 표면의 접촉을 줄여 마찰항력 감소시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 나노선 구조체(130)는 비표면적을 보다 넓게 하여 모세관 힘을 증가됨에 따라, 표면에 형성된 공기층이 빠른 유속의 외부 유동에 의해 박리되는 현상을 효과적으로 저감시킬 수 있다
또한, 도 7a는 나노선 구조체(130)는 종횡비가 큰 나노선 구조, 7b는 위쪽 끝부분이 뭉쳐진 나노선 구조를 지니는 것을 알 수 있다. 이러한 형상은 농도, 조성비, 합성 시간, 건조 공정에 따라 형상이 달라질 수 있다.
또한, 도 7c를 참고하면, 긴 나노선 표면에 작은 나노선들이 합성된 형태의 나노선 구조를 확인할 수 있으며, 이는 1차로 종횡비가 큰 나노선 구조를 형성한 후, 재차 공정를 통해 종횡비가 큰 나노선의 표면에 작은 나노선을 형성시킬 수 있다.
마지막으로, 상기 나노선 구조체(130)를 덮도록 초박막 코팅하는 단계(S600)는 탄소 계열 코팅 또는 불소 계열 코팅을 이용할 수 있으며, 탄소 계열 코팅은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 등의 공정을 이용하여 증착 할 수 있으며, 불소 계열 코팅은 헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실트리메톡시실레인(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl trimethoxysilane, HDFS), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoro ethylene, PTFE) 등을 용액 코팅 방식(Dip Coating, Spin Coating, 혹은 Spray Coating 등)을 이용하여 코팅할 수 있다. 또한, 수중에서 장기간 사용으로 코팅층이 벗겨지는 경우 용액으로 된 코팅 물질을 분사하여 코팅을 보강할 수 있다.
마이크로/나노 구조에 매우 얇은 두께로 균일하게 덮인 코팅층(140)은 미세패턴(121) 및 나노선 구조체(130)의 형상을 바꾸지 않으면서 수중 마찰로 인하여 발생하는 미세구조의 마모에 대한 저항을 높여 수중 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
마이크로/나노, 코팅층의 3중 초발수 구조 필름은 수중에서 고속으로 운항하는 군용함정, 경비정, 잠수함, 어뢰 등 본체의 전부 또는 일부가 수중에서 이동하는 수중 운동체의 표면에 접착제를 이용하여 부착하거나 외부 표면자체가 마이크로/나노, 코팅층의 3중 초발수 구조를 지니어, 추가적인 에너지 소비 또는 장비 설치가 없이도 효과적으로 마찰항력을 저감하여 이동 속도를 증가시킬 수 있다.
도 9는 비교예에 따른 3중 초발수 구조 필름의 접촉각, 미끄럼각 및 리바운딩 높이의 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9를 참고하면, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)로 제작된 평평한 필름과 본 발명의 일 실시예에 따르는 3중 초발수 구조 필름 초발수 성능 비교한다. (a)는 평평한 PDMS 필름의 접촉각 및 미끄럼각을 나타내는 이미지이며, 정접촉각이 118°±2°, 미끄럼각이 미끄럼각 90° 이상을 가지고 있음을 알 수 있다. 또한, (b)를 참고하면, 높이 약 3 cm에서 지름 약 2.9 mm의 물방울을 수직 낙하하였을 때 평평한 PDMS 필름에서 물방울의 리바운딩 높이(Rebounding Height)는 1.91mm 임을 나타낸다.
반면에, (c)를 참고하면, 3중 초발수 구조 필름 3중 초발수 구조 필름 정접촉각이 155°±5°, 미끄럼각은 2° 미만을 가지고 있어 평평한 PDMS 필름에 비해 우수한 성능을 지니고 있다. 또한, (d)를 참고하면, 높이 약 3 cm에서 지름 약 2.9 mm의 물방울을 수직 낙하하였을 때, 리바운딩 높이(Rebounding Height)가 6.85mm로 평평한 PDMS 필름에 비해 약 3.6배의 리바운딩 높이(Rebounding Height)를 가져 우수한 초발수 성능을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 3중 초발수 구조 필름을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
110: 금형 111: 격자
112: 홈 113: 갭
120: 폴리머 수지 121: 미세패턴
122: 리블렛 형상의 돌기 123: 미세간격
130: 나노선 구조체 140: 코팅층
112: 홈 113: 갭
120: 폴리머 수지 121: 미세패턴
122: 리블렛 형상의 돌기 123: 미세간격
130: 나노선 구조체 140: 코팅층
Claims (10)
- 일면에 다수의 마이크로미터 크기를 갖는 미세패턴이 일방향을 향하며 형성된 폴리머 수지;
수중에서 기포를 포집하도록, 상기 미세패턴에 수열합성되어 형성된 나노선 구조체; 및
상기 나노선 구조체를 덮도록 형성되는 코팅층을 포함하며,
상기 미세패턴은,
상기 일면에서 돌출되고 기 설정된 길이만큼 상기 일면을 따라 연장되는 리블렛 형상의 돌기를 포함하며,
상기 미세패턴은 서로 기 설정된 간격으로 이격되어 형성되며, 길이 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 3중 초발수 구조 필름. - 제1항에 있어서,
상기 미세패턴은,
상기 리블렛 형상의 돌기를 3개씩 평행하게 포함하는 덴티클 형상인 것을 특징으로 하는 3중 초발수 구조 필름. - 삭제
- 제1항에 있어서,
평면 또는 특정한 곡면을 가지는 수중 운동체에 형상변형 없이 부착되도록, 상기 폴리머 수지는 상기 평면 또는 특정한 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3중 초발수 구조 필름. - 제1항에 있어서,
상기 폴리머 수지는,
폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3중 초발수 구조 필름. - 제1항에 있어서,
상기 코팅층은,
수중에서 상기 미세패턴 및 나노선 구조체의 형상변형이 없도록 기 설정된 두께로 일정하게 형성되며, 화학기상증착법, 원자층증착법, 헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로데실트리메톡시실레인 용액 코팅법 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 용액 코팅법 중 하나의 방법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 3중 초발수 구조 필름. - 본체의 전부 또는 일부가 수중에서 이동하며 마찰 항력을 받는 수중 운동체에 있어서,
상기 수중 운동체의 외면을 구성하며 물과 접촉하는 표면은,
일면에 다수의 마이크로미터 크기를 갖는 미세패턴이 일방향을 향하며 형성되고,
수중에서 기포를 포집하도록, 상기 미세패턴에 수열합성되어 형성된 나노선 구조체; 및
상기 나노선 구조체를 덮도록 형성되는 코팅층을 포함하며,
상기 미세패턴은,
상기 일면에서 돌출되고 기 설정된 길이만큼 상기 일면을 따라 연장되어 형성되며 리블렛 형상을 지니는 돌기를 포함하며,
상기 미세패턴은 서로 기 설정된 간격으로 이격되어 형성되며, 길이 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체. - 제7항에 있어서,
상기 미세패턴은,
상기 리블렛 형상의 돌기를 3개씩 평행하게 포함하는 덴티클 형상인 것을 특징으로 하는 수중 운동체. - 제8항에 있어서,
상기 리블렛 형상의 돌기는,
길이방향으로 경사지게 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 수중 운동체. - 다수의 마이크로미터 크기의 역 덴티클 형상의 미세패턴이 일방향을 향하며 형성된 금형을 준비하는 단계;
상기 금형의 미세패턴이 형성된 면에 액상 폴리머 수지를 도포하는 단계;
상기 도포된 액상 폴리머 수지를 양생하는 단계;
상기 도포되어 양생된 폴리머 수지를 상기 금형과 분리하는 단계;
상기 폴리머 수지의 미세패턴이 형성된 면에 나노선 구조체를 수열합성하는 단계; 및
수중에서 상기 미세패턴 및 나노선 구조체의 형상변형이 없도록 기 설정된 두께로 일정하게 형성되며, 수열합성된 상기 나노선 구조체를 덮도록 초박막 코팅하는 단계를 포함하며,
상기 미세패턴은 서로 기 설정된 간격으로 이격되어 형성되며, 길이 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 3중 초발수 구조 필름 제작방법.
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| KR1020170081983A KR101887075B1 (ko) | 2017-06-28 | 2017-06-28 | 마찰항력 저감을 위한 3중 초발수 구조 필름 및 그 제조방법 |
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| KR1020170081983A KR101887075B1 (ko) | 2017-06-28 | 2017-06-28 | 마찰항력 저감을 위한 3중 초발수 구조 필름 및 그 제조방법 |
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| KR1020170081983A KR101887075B1 (ko) | 2017-06-28 | 2017-06-28 | 마찰항력 저감을 위한 3중 초발수 구조 필름 및 그 제조방법 |
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2017
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