KR102058414B1 - 발수성이 우수하고 자기회복능력을 갖는 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발수성이 우수하고 자기회복능력을 갖는 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상으로 발수성이 우수하고 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하로 자기세정능력(self-cleaning)이 우수한 동시에, 내구성이 우수하여 외부로부터 물리적 손상에 의한 발수성 및/또는 자기세정능력의 저하가 억제되거나 최소화될 수 있을 뿐만 아니라 물리적/화학적 손상에 의해 저하된 발수성 및/또는 자기세정능력이 회복될 수 있는 자기회복능력(self-healing)을 보유하며, 또한 발수성 및/또는 자기 세정능력과 상충관계(trade off)에 있는 투명성이 80% 이상으로 유지될 수 있고, 나아가 간단하고 신속하게 제조될 수 있어 제조비용이 절감되고 대면적으로 적용이 가능한 발수성 박막을 형성할 수 있는 발수성 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막에 관한 것이다.

Description

발수성이 우수하고 자기회복능력을 갖는 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막{Composition for hydrophobic and self-healing thin film and hydrophobic thin film made from the same}
본 발명은 발수성이 우수하고 자기회복능력을 갖는 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상으로 발수성이 우수하고 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하로 자기세정능력(self-cleaning)이 우수한 동시에, 내구성이 우수하여 외부로부터 물리적 손상에 의한 발수성 및/또는 자기세정능력의 저하가 억제되거나 최소화될 수 있을 뿐만 아니라 물리적/화학적 손상에 의해 저하된 발수성 및/또는 자기세정능력이 회복될 수 있는 자기회복능력(self-healing)을 보유하며, 또한 발수성 및/또는 자기 세정능력과 상충관계(trade off)에 있는 투명성이 80% 이상으로 유지될 수 있고, 나아가 간단하고 신속하게 제조될 수 있어 제조비용이 절감되고 대면적으로 적용이 가능한 발수성 박막을 형성할 수 있는 발수성 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막에 관한 것이다.
최근의 소재 산업에 있어서, 액체의 젖음 거동(Wetting behavior)을 효과적으로 제어할 수 있는 소재의 표면 개질기술이 매우 중요하게 부각되고 있다. 특히, 초발수성(Superhydrophobic) 코팅은 내리는 비에 의해 저절로 소재의 표면이 세척되는 건물외벽, 지문이 묻지 않는 핸드폰 액정소재, 태양광 패널, 전자 소자, 스마트 윈도우 등에 적용되는 등 뛰어난 발수성 및 자기 세정능력에 의한 다양한 응용가능성으로 인해 오랜 관심을 받아 오고 있다.
그러나, 종래 초발수성 코팅은 내구성이 낮아 외부로부터의 물리적 손상에 의해 발수성 및 자기세정능력(self-cleaning)이 저하되고, UV 조사에 의한 화학적 손상에 의해 발수성 및 자기세정능력이 상실되거나 저하되는 문제가 있다.
또한, 종래 초발수성 코팅은 발수성을 구현하기 위해 증가된 표면 거칠기로 인해 빛을 산란시키거나 반사시킴으로써 투명성이 저하되어, 투명성이 요구되는 용도, 예를 들어, 유리창, 자동차 유리, 태양전지 패널유리, 핸드폰 액정 등에 적용하기에는 한계가 있다.
나아가, 종래 초발수성 코팅은 리소그라피(lithography), 플라즈마 에칭(plasma etching), 진공 증착(vacuum deposition) 등을 포함한 top-down 방법을 이용하여 상충관계(trade off)에 있는 발수성과 투명성을 조절하기 위한 연구가 진행되었으나, 이러한 방법은 고가의 진공 장비 및 리소그라피 장비에 의한 제한된 생산성과 제한된 기판의 크기 때문에 대면적화가 어려워 초소수성 표면 제작에 한계를 가지고 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 다양한 그룹에서 실리카 나노입자 조립과 졸-겔(sol-gel) 화학을 이용한 bottom-top 방법을 이용하여 초소수성 표면을 개발하기 위한 연구가 진행되었고, 이러한 방법은 대면적화 및 프린팅 방법의 적용이 가능하기 때문에 코팅의 제조비용이 절감되고 대량생산이 가능하다는 장점이 있으나, 코팅의 물에 대한 높은 접촉각을 구현하기 위한 복잡한 준비 과정이 요구되고 높은 투과율과 초소수성을 만족하는 표면 거칠기의 정확한 조절이 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상으로 발수성이 우수하고 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하로 자기세정능력(self-cleaning)이 우수한 동시에, 내구성이 우수하여 외부로부터 물리적 손상에 의한 발수성 및/또는 자기세정능력의 저하가 억제되거나 최소화될 수 있을 뿐만 아니라 물리적/화학적 손상에 의해 저하된 발수성 및/또는 자기세정능력이 회복될 수 있는 자기회복능력(self-healing)을 보유하며, 또한 발수성 및/또는 자기 세정능력과 상충관계(trade off)에 있는 투명성이 80% 이상으로 유지될 수 있고, 나아가 간단하고 신속하게 제조될 수 있어 제조비용이 절감되고 대면적으로 적용이 가능한 발수성 박막을 형성할 수 있는 발수성 박막용 조성물 및 이로부터 제조된 발수성 박막이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상으로 발수성이 우수하고 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하로 자기세정능력(self-cleaning)이 우수한 발수성 박막용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내구성이 우수하여 외부로부터 물리적 손상에 의한 발수성 및/또는 자기세정능력의 저하가 억제되거나 최소화될 수 있을 뿐만 아니라 물리적/화학적 손상에 의해 저하된 발수성 및/또는 자기세정능력이 회복될 수 있는 자기회복능력(self-healing)을 보유하는 발수성 박막용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 발수성 및/또는 자기 세정능력과 상충관계(trade off)에 있는 투명성이 80% 이상으로 유지될 수 있는 발수성 박막용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 간단하고 신속하게 제조될 수 있어 제조비용이 절감되고 대면적으로 적용이 가능한 발수성 박막용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
발수성 박막용 조성물로서, 분산매, 분산질, 질산알루미늄 및 알킬실란을 포함하고, 상기 분산질은 평균입경이 21 내지 50 nm인 제1 나노입자 및 평균입경이 1 내지 20 nm인 제2 나노입자를 포함하고, 상기 제1 나노입자와 상기 제2 나노입자의 중량 배합비가 1:2 이상이고, 상기 질산알루미늄의 농도는 0.1 M 이상이고, 상기 알킬실란의 농도는 0.01 M 이상인, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 제1 나노입자의 함량은 1 중량% 이상이고, 상기 제2 나노입자의 함량은 2 중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
또한, 상기 제1 나노입자와 상기 제2 나노입자의 중량 배합비가 1:2 내지 1:3인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
그리고, 상기 알킬실란의 농도는 0.01 내지 0.05 M인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
나아가, 상기 제1 나노입자 또는 상기 제2 나노입자는 산화알루미늄 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
한편, 상기 알킬실란은 플루오로알킬실란을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 플루오로알킬실란은 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트리에톡시실란을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
또한, 상기 조성물로부터 형성된 박막의 표면 거칠기(rms)가 60 내지 160°인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
여기서, 상기 조성물로부터 형성된 박막의 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상이고, 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하이며, 투명도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물을 제공한다.
한편, 상기 발수성 박막용 조성물을 기판 위에 코팅한 후 경화시켜 제조된 발수성 박막을 제공한다.
본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물은 입경이 상이한 2종 이상의 나노입자에 의한 박막 내의 마이크로/나노 계층 구조를 형성함으로써 박막의 표면 거칠기를 정밀하게 조절함으로써 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상으로 발수성이 우수하고 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하로 자기세정능력(self-cleaning)이 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물은 나노입자 표면에 적용된 특정 작용기와 첨가제에 의해 박막의 내구성이 향상되어 외부로부터 물리적 손상에 의한 발수성 및/또는 자기세정능력의 저하가 억제되거나 최소화될 수 있을 뿐만 아니라 물리적/화학적 손상에 의해 저하된 발수성 및/또는 자기세정능력이 회복될 수 있는 자기회복능력(self-healing)을 보유하게 되는 우수한 효과를 나타낸다.
그리고, 본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물은 박막의 표면 거칠기의 정밀한 제어를 통해 발수성 및/또는 자기세정능력과 상충관계에 있는 투명도가 80% 이상으로 유지되는 우수한 효과를 나타낸다.
나아가, 본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물은 bottom-up 방식으로 간단하고 신속하게 박막을 형성할 수 있어 박막의 제조비용이 절감되고 대면적으로 적용이 가능한 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물의 실시예의 제조방법 및 이로부터 발수성 박막을 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 실시예에서 발수성 박막의 물에 대한 접촉각 및 투명도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 4는 실시예에서 발수성 박막의 내구성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에서 발수성 박막의 자기 회복능력을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명은 분산매 및 이에 분산된 분산매로서 나노입자를 포함하고, 질산알루미늄 및 알킬실란을 추가로 포함하는 발수성 박막용 조성물에 관한 것이다.
여기서, 상기 분산매는 투명성 박막용 분산매로 사용될 수 있다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 이소프로필아세테이트, 부탄올, 2-부탄올, 옥탄올, 2-에틸헥사놀, 펜탄올, 벤질알콜, 헥산올, 2-헥산올, 사이클로헥산올, 테르피네올, 노나놀, 메틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노메틸에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노메틸에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노에틸에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 2-프로판온, 디아세틸, 아세틸아세톤, 1,2-디아세틸에탄, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 2-메톡시에틸아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, N-메틸-2-피롤리돈, N-메틸아세트아마이드, 이들의 혼합물 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있고, 바람직하게는 이소프로판올을 포함할 수 있다.
상기 분산질은 본 발명에 따른 조성물로부터 발수성 박막을 형성하는 경우 상기 박막이 정밀하게 조절된 표면 거칠기를 보유하도록 함으로써 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상인 우수한 발수성 및 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하인 우수한 자기세정능력을 구현하는 동시에, 상기 발수성 및/또는 자기세정능력과 상충관계에 있는 투명도를 80% 이상으로 유지시키는 기능을 수행한다.
상기 분산질은 상기 박막의 발수성을 위한 표면 거칠기를 구현할 수 있다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 금속산화물, 특히 산화알루미늄, 안티몬주석산화물, 산화비스무트, 산화세륨, 산화코발트, 산화동, 산화철, 산화마그네슘, 산화망간, 산화니켈, 산화규소, 산화티탄, 산화이트륨, 산화아연, 산화지르코늄 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물, 바람직하게는 산화알루미늄을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 분산질은 평균입경이 상이한 2종 이상의 분산질을 포함할 수 있고, 바람직하게는 평균입경이 21 내지 50 nm인 제1 나노입자 및 평균입경이 1 내지 20 nm인 제2 나노입자를 포함할 수 있으며, 이러한 본 발명에 따른 조성물로부터 발수성 박막을 형성하는 경우 상대적으로 평균입경이 작아 중량이 작은 제2 나노입자의 일부 또는 전부가 상대적으로 평균입경이 커서 중량이 큰 제1 나노입자의 상부에 배치되게 되고, 이로써 상기 박막에는 다수의 요철과 같은 마이크로/나노 계층 구조가 형성되어 정밀하게 조절된 표면 거칠기가 보유되고, 결과적으로 상기 박막의 우수한 발수성, 자기세정능력, 투명도가 구현될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 나노입자와 상기 제2 나노입자의 중량 배합비는 1:2 이상, 특히 1:2 내지 1:3일 수 있고, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 상기 제1 나노입자의 함량은 1 중량% 이상이고, 상기 제2 나노입자의 함량은 2 중량% 이상일 수 있다. 상기 제1 나노입자와 상기 제2 나노입자의 특정한 중량 배합비에 의해 상기 조성물로부터 형성되는 박막의 표면 거칠기(rms)는 60 nm 이상 400 nm 미만, 바람직하게는 60 내지 160 nm일 수 있다.
상기 박막의 표면 거칠기(rms)는 상기 박막의 발수성 및 자기세정능력에 큰 영향을 미칠 수 있는데, 상기 박막의 표면 거칠기(rms)가 증가할 경우 상기 박막의 거친 표면상 요철 구조인 마이크로/나노 계층 구조에 존재하는 공기의 양이 증가하므로 상기 공기가 상기 박막의 표면과 상기 박막 표면에 접촉할 수 있는 물의 접촉면적을 최소화하는데 기여하여 결과적으로 상기 박막의 발수성 및 자기세정능력이 향상된다.
한편, 상기 박막의 표면 거칠기(rms)가 증가하는 경우 상기 박막의 발수성 및 자기세정능력이 향상되는 반면, 상기 박막의 투명도가 저하되는 문제가 있다. 즉, 상기 박막의 표면 거칠기(rms)가 400 nm 이상인 경우 파장이 400 내지 800 nm인 가시광선이 상기 박막을 통과하지 못하고 상기 박막의 표면에서 난반사되어 상기 박막의 투명도가 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물은 앞서 기술한 제1 나노입자와 제2 나노입자가 정밀하게 제어된 평균입경을 갖고, 이러한 제1 나노입자와 제2 나노입자의 정밀하게 제어된 배합비를 통해, 앞서 기술한 바와 같은 60 내지 160 nm의 표면 거칠기가 보유됨으로써, 결과적으로 물에 대한 접촉각이 160°이상이고 물의 미끄러짐각이 10°이하이며, 투명도가 80% 이상으로 구현될 수 있다.
상기 질산알루미늄(Al(NO3)3)은 상기 나노입자 사이와 상기 나노입자와 상기 박막이 형성되는 기판 사이를 연결해 주는 역할을 수행해 상기 박막의 내구성을 향상시켜 외부로부터의 물리적 손상 및 이에 의한 발수성 저하를 억제할 수 있다. 상기 조성물 내에서 상기 질산알루미늄(Al(NO3)3)의 농도는 0.1 M 이상, 예를 들어 0.1 내지 3 M일 수 있고, 상기 질산알루미늄(Al2(NO3))의 농도가 0.01 M 미만인 경우 상기 박막의 내구성이 향상되지 않을 수 있다.
상기 알킬실란은 상기 나노입자의 표면에 도입되어 상기 나노입자 사이 또는 상기 나노입자와 상기 질산알루미늄 사이의 가교(crosslinking)를 유발하여 상기 박막의 내구성을 추가로 향상시키는 동시에, 알킬기가 갖는 낮은 표면 에너지에 의해 상기 박막의 발수성을 추가로 향상시키는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 알킬실란은 상기 박막에 대한 UV 조사 등에 의한 상기 박막의 화학적 손상에 의해 저하된 발수성 및 자기세정능력을 회복시키는 자기 회복(self-healing)기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 박막에 대한 UV 조사시 상기 박막의 표면에는 하이드록실기 또는 카르복실기와 같은 극성 그룹이 도입되고 그 결과 상기 박막은 물에 대한 낮은 접촉각을 가지는 친수성 표면이 되는데, 상기 박막을 약 150℃의 온도로 가열하면 상기 박막 내부에 있던 알킬실란 분자가 표면에너지를 최소화하기 위해 표면쪽으로 이동하게 되고 이러한 알킬실란 분자의 회전과 움직임의 결과로 도입되었던 하이드록실기 또는 카르복실기와 같은 극성 그룹이 상기 박막 내부로 숨게 되며 상기 알킬실란은 상기 박막의 표면에 노출되게 되면서 상기 박막의 발수성 및 자기세정능력이 다시 회복될 수 있다.
상기 알킬실란은 바람직하게는 플루오로알킬실란, 더욱 바람직하게는 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트리에톡시실란을 포함할 수 있다. 또한, 상기 조성물 내에서 상기 알킬실란의 농도는 0.01 M 이상, 예를 들어 0.01 내지 0.05 M의 농도로 포함될 수 있고, 상기 알킬길산의 농도가 0.01 M 미만인 경우 상기 박막의 내구성, 발수성, 자기 회복기능 등이 향상되지 않거나 구현되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발수성 박막용 조성물의 실시예의 제조방법 및 이로부터 발수성 박막을 형성하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 평균입경이 상이한 2종의 산화알루미늄 나노입자, 질산알루미늄(Al(NO3)3) 및 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸에톡시실란(FAS)을 분산매에 첨가하여 혼합물을 제조하고, 이를 기판 위에 스핀코팅하여 발수성 박막을 제조할 수 있다.
또한, 상기 발수성 박막 내부에는 상대적으로 평균입경이 작은 산화알루미늄 나노입자의 일부가 상대적으로 평균입경이 큰 산화알루미늄 나노입자의 상부에 배치됨으로써 정밀하게 조절된 상기 박막의 표면 거칠기(rms)와 이에 의한 발수성 및 자기세정능력이 구현될 수 있고, 상기 나노입자 사이 및 상기 나노입자와 기판 사이를 질산알루미늄(Al(NO3)3)와 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸에톡시실란(FAS)이 서로 연결시키는 구조를 가짐으로써 상기 박막의 내구성이 향상되고 자기 회복능력이 구현될 수 있다.
나아가, 상기 박막의 표면은 소수화 처리제에 의해 추가로 표면처리됨으로써 발수성 및 자기세정능력이 추가로 향상될 수 있고, 상기 소수화 처리제는 예를 들어 옥타데실포스포닉산(Octadecylphosphonic acid)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 옥타데실포스포닉산(Octadecylphosphonic acid) 말단의 수산화기 등이 이온화되어 상기 산화알루미늄 중 금속 원소와 배위결합을 형성함으로써 상기 산화알루미늄의 표면이 친수성에서 소수성으로 개질될 수 있다.
여기서, 상기 옥타데실포스포닉산(Octadecylphosphonic acid)과 같은 상기 소수화 처리제는 상기 산화알루미늄 중 금속 원소와 배위결합을 하는 말단의 반대단이 메틸기(-CH3)와 같은 소수성 작용기로 구성되기 때문에, 상기 박막에 추가로 소수성을 부여할 수 있다.
[실시예]
1. 발수성 박막용 조성물 및 박막의 제조예
분산매로서 아이소프로필 알코올에 아래 표 1에 나타난 분산질로서 제1 나노입자를 첨가하고 초음파세척기를 이용하여 30분 동안 분산시킨 후, 제2 나노입자를 첨가하고 초음파세척기를 이용하여 60분 동안 분산시켜 나노입자 혼합용액을 제조하고, 2-메톡시에탄올에 첨가된 질산알루미늄을 30분 동안 교반한 후 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸에톡시실란과 함께 나노입자 혼합용액에 첨가하여 발수성 박막용 조성물을 제조하고, 상기 발수성 박막용 조성물을 유리기판(Corning 1737F glass) 위에 3,000 rpm의 속도로 30초 동안 스핀코팅한 후 150℃에서 10분간 경화시켜 발수성 박막을 제조했다.
제1 나노입자
(중량%)		 제2 나노입자
(중량%)		 질산알루미늄
(M)		 알킬실란
(M)
비교예1 0 0 0 0
비교예2


1.0		 0 0.1 0
비교예3 0.5 0.1 0
비교예4 1 0.1 0
실시예1 2 0.1 0
실시예2 3 0.1 0
비교예5 2 0 0
실시예3 2 0.1 0.01
실시예4 2 0.1 0.02
실시예5 2 0.1 0.03
실시예6 2 0.1 0.04
제1 나노입자 : 평균입경 50nm 산화알루미늄 입자
제2 나노입자 : 평균입경 20nm 산하알루미늄 입자
질산알루미늄 : 질산알루미늄 9수화물 (98%; Aldrich)
알킬실란 : 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트리에톡시실란(97%; Alfa Aesar)
2. 물성 평가
1) 발수성, 자기세정능력 및 투명도 평가
비교예 1 내지 4 및 실시예 1 내지 2의 박막에 대해 표면 거칠기, 물에 대한접촉각, 물의 미끄러짐각 및 투명도를 각각 평가했다. 평가 결과는 아래 표 2 및 도 2에 도시된 바와 같다.
표면 거칠기
(rms)(nm)		 물에 대한 접촉각
(°)		 물의 미끄러짐각
(°)		 투명도
(%)
비교예 1 <0.1 99.2(±0.1) NA 98
비교예 2 17 130.9(±0.4) NA 97
비교예 3 27 145.5(±0.1) NA 96
비교예 4 46 158.3(±0.2) 15 95
실시예 1 64 161.3(±0.5) <2 91
실시예 2 160 164.3(±0.4) <2 84
NA : 측정불가
상기 표 2 및 도 2에 나타난 바와 같이, 평균입경이 50nm인 제1 나노입자와 평균입경이 20nm인 제2 나노입자의 중량 배합비가 1:2 이상인 실시예 1 및 2의 발수성 박막은 물에 대한 접촉각이 160°를 초과하여 초발수성이 구현되고 물의 미끄러짐각이 2°미만으로 자기세정능력이 우수한 동시에 이러한 발수성 및 자기세정능력과 상충관계에 있는 투명도도 80% 이상으로 유지되는 것으로 확인되었다.
반면, 평균입경이 50nm인 제1 나노입자와 평균입경이 20nm인 제2 나노입자의 중량 배합비가 1:2 미만인 비교예 1 내지 4의 발수성 박막은 불충분한 표면 거칠기에 의해 발수성이 불충분하고 특히 자기세정능력이 크게 저하되는 것으로 확인되었다.
2) 내구성 평가
비교예 5 및 실시예 3 내지 6의 발수성 박막의 표면을 5분 동안 초음파 처리한 후 물에 대한 접촉각을 측정했다. 또한 상기 각각의 발수성 박막을 45°로 기울여 고정시키고 상기 박막 위에 산성비 조건(pH 5.5)의 물방울(80㎕)을 10방울/분의 속도로 총 10 ℓ 떨어트린 후 물에 대한 접촉각을 측정했다. 측정 결과는 도 3 및 4에 도시된 바와 같다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 질산알루미늄을 포함하는 실시예 3 내지 6의 발수성 박막은 내구성이 우수하여 초음파 처리나 낙수에 의한 손상시 물에 대한 접촉각, 즉 발수성의 저하가 최소화되는 반면, 질산알루미늄을 포함하지 않는 비교예 5의 발수성 박막은 내구성이 약해 초음파 처리나 낙수에 의한 손상시 물에 대한 접촉각, 즉 발수성이 현저히 저하되는 것으로 확인되었다.
3) 자기 회복능력 평가
실시예 6의 발수성 박막의 화학적 손상으로 인한 자기 회복능력을 확인하기 위해 UV Ozone cleaner(UVO)를 이용하여 박막에 의도적으로 손상을 주어 친수성을 개질시킨 후 150℃의 온도로 가열을 하여 다시 소수성으로 회복시키는 자기 회복과정을 10회 반복하면서 매회 박막의 물에 대한 접촉각을 측정했다. 측정결과는 도 5에 도시된 바와 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 6의 발수성 박막은 화학적 손상으로 인해 표면에 하이드록실기 또는 카르복실기와 같은 극성 그룹이 도입되어 물에 대한 접촉각이 현저히 저하된 경우에도 가열에 의해 다시 물에 대한 접촉각이 회복되는 자기 회복능력을 보유하는 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

Claims (10)

  1. 발수성 박막용 조성물로서,
    분산매, 분산질, 질산알루미늄 및 알킬실란을 포함하고,
    상기 분산질은 평균입경이 21 내지 50 nm인 제1 나노입자 및 평균입경이 1 내지 20 nm인 제2 나노입자를 포함하고,
    상기 제1 나노입자와 상기 제2 나노입자의 중량 배합비가 1:2 내지 1:3이고,
    상기 질산알루미늄의 농도는 0.1 M 이상이고,
    상기 알킬실란의 농도는 0.01 M 이상이며,
    상기 발수성 박막용 조성물로부터 형성된 발수성 박막은 표면 거칠기(rms)가 60 nm 이상 400 nm 미만으로 조절되어, 물에 대한 접촉각(contact angle)이 160°이상이고, 물의 미끄러짐각(sliding angle)이 10°이하이며, 투명도가 80% 이상이고,
    상기 발수성 박막용 조성물로부터 상기 발수성 박막을 형성시 상기 알킬실란은 상기 나노입자 사이 또는 상기 나노입자와 상기 질산알루미늄 사이의 가교를 유발하고,
    상기 발수성 박막의 가열에 의해 상기 박막의 내부에 있던 상기 알킬실란 분자가 상기 박막의 표면쪽으로 이동하게 되고 이러한 알킬실란 분자의 회전과 움직임의 결과로, 상기 발수성 박막의 표면에 도입되어 상기 발수성 박막의 발수성을 저하시킬 수 있는 하이드록실기 또는 카르복실기의 극성 그룹이 상기 박막 내부로 숨게 되어 상기 박막의 발수성 및 자기세정능력이 회복되는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 제1 나노입자의 함량은 1 중량% 이상이고, 상기 제2 나노입자의 함량은 2 중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알킬실란의 농도는 0.01 내지 0.05 M인 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노입자 또는 상기 제2 나노입자는 산화알루미늄 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알킬실란은 플루오로알킬실란을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플루오로알킬실란은 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트리에톡시실란을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발수성 박막용 조성물.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항의 발수성 박막용 조성물을 기판 위에 코팅한 후 경화시켜 제조된 발수성 박막.
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