KR102075763B1 - 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법 - Google Patents

저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초발수 필름에서 마이크로/나노 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 액적의 접촉각과 구름성을 최대화할 수 있도록 한 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 기재 필름;기재 필름 표면에 깁스 자유에너지 식을 이용하여 산출되는 액적 이동시에 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00059
)가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격이 이격되는 마이크로/나노 단위의 패턴들;을 포함하고, 마이크로/나노 단위의 패턴들이 액적의 액체-고체표면 접촉 면적이 CB(Cassie-baxter) 상태을 유지하고, 전체 패턴에서 계면의 면적 변화(
Figure 112017086524759-pat00060
)가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고, 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00061
)가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 배열하여 마이크로 단위의 패턴을 구성하는 것이다.

Description

저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법{Superhydrophobic film with Surface Pattern Structure for Low Adhesion and Method for Manufacturing the same}
본 발명은 초발수 필름에 관한 것으로, 구체적으로 마이크로/나노 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 액적의 접촉각과 구름성을 최대화할 수 있도록 한 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
고체 표면에 물방울이 접촉했을 때, 물방울의 접촉각이 90°이상이면 소수성으로 정의되며, 150°이상인 경우에는 초소수성으로 정의되고 있다.
특히, 수접촉각이 170°이상의 고체 표면에서는, 물방울은 그 표면에서 굴러, 물과의 접촉 흔적을 남기지 않고 청정한 상태를 길게 유지하게 된다.
초발수 처리(Superhydrophobic Treatment)는 고체의 표면을 물리화학적으로 표면개질하여 고체의 표면에 액체가 접촉할 때 전진접촉각(Advancing Contact Angle)이 150°이상 내지는 구름각(Sliding Angle)이 10°이내가 되도록 하는 기술을 말한다.
자연계에서 흔히 관찰할 수 있는 초발수 현상은 연꽃 무늬에서 볼 수 있는데, 연꽃잎에 형성된 구형에 가까운 물방울 맺힘 또는 구름 현상이 그것이다.
이러한 초발수 현상은 연꽃잎 표면에 존재하는 크고 작은 돌기와 관련이 있는데, 이러한 돌기 형상이 연꽃잎 위에 존재하는 물방울의 접촉 표면적을 최소화시켜 물방울이 연꽃잎 상에 맺히거나 또는 굴러 떨어지게 하는 것이다.
종래 기술의 마이크로/나노스케일의 복합 미세구조를 이용한 소수성 표면은 구조의 크기, 구조 사이의 간격, 구조물의 높이와 같은 요소만으로 액적의 접촉각을 극대화시켜 왔다.
하지만, 액적의 접촉각이 150°이상의 초소수성 표면들이 개발되어 왔지만 모든 표면이 자기세정 효과를 갖지는 않는다.
예를 들어, 잘 알려진 연잎 효과(lotus effect)를 가진 연잎의 초소수성은 액적의 접촉각이 높고, 부착력이 낮아 액적이 표면에서 잘 흐를 수 있다.
그러나 장미꽃의 경우 꽃잎 효과(petal effect)를 가져 액적의 접촉각은 연잎 정도의 각도를 가지는 반면 부착력이 높아 액적이 표면에서 떨어지지 않는다.
이러한 점을 들어 액적의 접촉각뿐만 아니라 부착력 및 구름성을 고려한 설계의 필요성이 제기되었다.
이를 위해, 구조물의 크기를 나노 스케일(scale)로 만들어 고체-액체의 접촉 면적을 최소화한 CB(Cassie-baxter) 젖음 생태를 유지하기 위해 표면의 거칠기를 증가시키는 방향으로 꾸준히 연구되었다.
Figure 112017086524759-pat00001
위의 식에서 f(solid fraction)를 줄이기 위해 마이크로 스케일의 구조물을 형성하여 접촉각을 감소시키는 기술을 개발하였다.
그러나 이와 같은 마이크로 스케일 구조물을 이용할 경우 높은 응착력으로 인한 피닝(pinning) 현상이 발생하고 이로 인해 액적의 구름성이 저하된다. 이를 극복하기 위해 복잡한 공정을 통하여 마이크로 구조물에 나노스케일의 구조물을 형성하여 고체-액체의 계면을 극소화 시키는 기술을 개발하였다.
이와 같이 마이크로 및 나노스케일의 구조물을 형성하기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 하는 단점이 있으며, 나노스케일의 구조물의 경우 구조적으로 취약한 단점을 가지고 있다.
따라서, 상대적으로 구조적 안정성을 가지며 간단한 공정으로 제조가 가능한 마이크로 스케일의 구조물의 형상과 배열을 최적화하여 액적의 접촉각과 구름성을 극대화하기 위한 마이크로 스케일의 구조물의 구조 설계에 관한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0039179호 대한민국 공개특허 제10-2013-0057238호 대한민국 공개특허 제10-2010-0003419호
본 발명은 이와 같이 복잡한 공정이 요구되며, 구조적 내구성이 취약한 나노구조물을 이용한 계층적 초발수표면 패턴의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 마이크로 스케일의 미세 구조물의 형상과 배열을 제어하여 액적의 접촉각과 구름성을 극대화할 수 있도록 한 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 액적이 마이크로 구조물 표면 위에서 움직일 때 깁스 자유에너지 변화를 분석하여, 깁스 자유에너지의 변화를 최소화시켜 액적의 이동에 필요한 일을 최소화하는 미세 구조물 형상 및 배열을 가지는 초발수 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 육각형 패턴으로 맞물리게 배열하여 고체-액체의 계면을 최소화 시킴과 동시에 액적의 마이크로 구조물을 이동할 때 깁스 자유에너지의 변화가 없어 액적이 이동할 때의 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화한 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 육각형 패턴의 모세관(capillary) 현상을 이용하여 깁스 자유에너지 식에서 소수성 표면의 미세구조를 전체
Figure 112017086524759-pat00002
가 감소하는 방향으로 설계한 쐐기 패턴을 갖는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 한 주기의 쐐기를 일정한 간격으로 지그재그 형태로 배열한 패턴으로 좌우 측으로의 모세관력(capillary force)이 같은 것을 이용하여
Figure 112017086524759-pat00003
= 0 이 성립되도록 설계한 W-패턴을 갖는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름은 기재 필름;기재 필름 표면에 깁스 자유에너지 식을 이용하여 산출되는 액적 이동시에 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00004
)가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격이 이격되는 마이크로/나노 단위의 패턴들;을 포함하고, 전체 패턴에서 계면의 면적 변화(
Figure 112017086524759-pat00005
)가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고, 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00006
)가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 배열하여 마이크로 단위의 패턴을 구성하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법은 f(solid fraction) = 1인 플랫한 표면(ΔA가 0)에서 서로 이격되지 않고 반복되는 패턴을 1차 설계하는 단계;깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00007
)가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들 간의 간격이 이격되는 마이크로/나노 단위의 패턴들을 2차 설계하는 단계;2차 설계에 의해 만들어진 마이크로/나노 단위의 패턴들이 액적의 액체-고체표면 접촉 면적이 CB(Cassie-baxter) 상태을 유지하고, 전체 패턴에서 계면의 면적 변화(
Figure 112017086524759-pat00008
)가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고, 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00009
)가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 배열하여 마이크로 단위의 패턴을 기재 필름상에 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 마이크로 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 액적의 접촉각과 구름성을 최대화할 수 있도록 한 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 설계할 수 있다.
둘째, 소수성 표면 위에서 움직이는 액적의 깁스 자유에너지 변화를 분석하고 자유에너지 변화를 최소화시켜 자유에너지 변화에 의한 부착력을 최소화하는 미세 구조물을 설계 및 제작할 수 있도록 한다.
셋째, 육각형 패턴으로 맞물리게 배열하여 표면의 거칠기를 증가시킴과 동시에 액적의 이동시 깁스 자유에너지를 0으로 만들어 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화한 표면 패턴 구조를 제공한다.
넷째, 육각형 패턴의 모세관(capillary) 현상을 이용하여 깁스 자유에너지 식에서 소수성 표면의 미세구조를 전체
Figure 112017086524759-pat00010
가 감소하는 방향으로 설계한 쐐기 패턴을 갖는 표면 패턴 구조를 설계 및 제작할 수 있도록 한다.
다섯째, 한 주기의 쐐기를 일정한 간격으로 지그재그 형태로 배열한 패턴으로 좌.우 측으로의 모세관력(capillary force)이 같은 것을 이용하여
Figure 112017086524759-pat00011
= 0 이 성립되도록 설계한 W-패턴을 갖는 표면 패턴 구조를 설계 및 제작할 수 있도록 한다.
도 1은 깁스 자유에너지에 의한 고체-액체-기체 계면(좌), 거친 표면 위에서 액적의 움직임에 의한 깁스 자유에너지 변화를 나타낸 구성도
도 2는 깁스 자유에너지를 설명하기 위한 구성도
도 3은 깁스 자유에너지 시뮬레이션 결과 그래프
도 4는 액적의 구름방향에 따른 패턴 간격 변화시의 계면 면적의 변화량을 나타낸 구성도
도 5는 표면의 거칠기를 증가시킴과 동시에 액적의 이동시 깁스 자유에너지를 0으로 만들어 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 SEM 이미지 구성도
도 6a 내지 도 6d는 액적의 구름방향에 따른 패턴 간격 변화시의 계면 면적의 변화량을 나타낸 구성도
도 7은 본 발명의 패턴 설계시의 (a)CB 상태 유지를 위한 패턴 구조, (b)낮은 f(solid fraction), (c)ΔA = 0 가 되도록 패턴 간격 조절, (d)패턴 기둥의 옆 면적 제어를 나타낸 구성도
도 8은 액적 구름 방향과 표면 방향 사이의 각도에 따른 구름각 측정 결과 그래프
도 9는 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 나타낸 구성도
도 10a 내지 도 10d는 본 발명에 따라 설계된 마이크로/나노 패턴들을 마이크로 단위로 배열한 구조를 나타낸 구성도
도 11은 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 깁스 자유에너지에 의한 고체-액체-기체 계면(좌), 거친 표면 위에서 액적의 움직임에 의한 깁스 자유에너지 변화를 나타낸 구성도이다.
그리고 도 2는 깁스 자유에너지를 설명하기 위한 구성도이고, 도 3은 깁스 자유에너지 시뮬레이션 결과 그래프이다.
본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법은 마이크로/나노 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 액적의 접촉각과 구름성을 최대화할 수 있도록 한 것으로, 소수성 표면 위에서 움직이는 액적의 깁스 자유에너지 변화를 분석하고 자유에너지 변화를 최소화시켜 자유에너지 변화에 의한 부착력을 최소화하는 미세 구조물을 설계 및 제작할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 저응착을 위한 패턴 설계시에 (a)CB 상태 유지를 위한 패턴, (b)낮은 f(solid fraction), (c)패턴 간격 조절, (d)패턴 기둥의 옆넓이 제어의 구성을 포함한다.
이를 위한 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름은 기재 필름과, 상기 기재 필름 표면에 깁스 자유에너지 식을 이용하여 산출되는 액적 이동시에 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00012
)가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격이 이격되는 마이크로/나노 단위의 패턴들을 포함한다.
그리고 마이크로/나노 단위의 패턴들이 액적의 액체-고체표면 접촉 면적이 CB(Cassie-baxter) 상태을 유지하고, 전체 패턴에서 계면의 면적 변화(
Figure 112017086524759-pat00013
)가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고, 깁스 자유에너지의 차이(
Figure 112017086524759-pat00014
)가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 배열하여 마이크로 단위의 패턴을 구성하는 것이다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조 설계에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴은 깁스 자유에너지(Gibbs free energy;GFE)의 변화를 최소화시키는 구조 형태 및 배열을 갖는다.
자연계 시스템은 깁스 자유에너지가 낮을수록 안정적이다.
접촉각 90°이상의 모재에 미세 구조물을 세워 거칠기를 상승시키면 CB(Cassie-Baxter) 상태로 존재해 표면 소수성이 더 증가하게 된다. 이러한 관점으로 보았을 때, 미세 구조물 위에 CB 상태로 놓여있는 액체는 표면 거칠기에 의해, 바닥 접촉면이 액체-고체, 액체-기체 계면으로 불균일(inhomogeneous)하게 배열되어있다.
안정적인 상태인 액체-고체 계면에서 액체-기체 계면으로 이동할 때 자유에너지 차이가 발생한다. 에너지 차이는 액적이 움직이는데 필요한 에너지이며, 이는 곧 에너지 베리어로써 액적의 이동을 방해하는 방향으로 작용하며 이것이 부착력 혹은 구름저항력이다.
도 1은 깁스 자유에너지에 의한 고체-액체-기체 계면(좌), 거친 표면 위에서 액적의 움직임에 의한 깁스 자유에너지 변화를 나타낸 것이다.
Figure 112017086524759-pat00015
여기서,
Figure 112017086524759-pat00016
는 깁스 자유에너지,
Figure 112017086524759-pat00017
는 깁스 자유에너지 변화량,
Figure 112017086524759-pat00018
는 계면의 면적,
Figure 112017086524759-pat00019
는 계면 면적의 변화량이다.
그리고
Figure 112017086524759-pat00020
는 고체-액체간 계면면적 . 고체-액체간 계면장력,
Figure 112017086524759-pat00021
는 고체-기체간 계면면적 . 고체-기체간 계면장력,
Figure 112017086524759-pat00022
는 액체-기체간 계면면적 . 액체-기체간 계면장력이다.
그리고
Figure 112017086524759-pat00023
으로 정의되는 것으로 면적이 변화될 때의 깁스 자유에너지의 변화의 비를 나타내고,
Figure 112017086524759-pat00024
는 면적의 변화를 나타낸다.
본 발명에서는 이러한 개념을 적용하여, 소수성 표면 위에서 움직이는 액적의 깁스 자유에너지 변화를 분석하고 자유에너지 변화를 최소화시켜 자유에너지 변화에 의한 부착력을 최소화하는 미세 구조물을 설계 및 제작한다.
그리고 도 4는 액적의 구름방향에 따른 패턴 간격 변화시의 계면 면적의 변화량을 나타낸 구성도이다.
f = 1인 플랫한 표면에서는 ΔA가 0이고, 패턴을 그려서 패턴 간격을 벌리게 되면 ΔA 발생한다. 따라서 액적의 구름방향에 수직한 방향으로만 패턴 간격을 벌리면 ΔA = 0 가 된다.
도 5는 표면의 거칠기를 증가시킴과 동시에 액적의 이동시 깁스 자유에너지를 0으로 만들어 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 SEM 이미지 구성도이다.
도 5의 육각형 패턴들은 액적이 좌우로 이동할 때 깁스 자유에너지의 변화가 없도록 설계한 패턴이다.
그러나 상하로 이동할 때는 계면의 변화로 인해 깁스 자유에너지의 차이가 생겨 이는 곧 저항력으로 작용한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 육각형 패턴으로 맞물리게 배열하여 표면의 거칠기를 증가시킴과 동시에 액적의 이동시 깁스 자유에너지를 0으로 만들어 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화한다.
그리고 도 6a 내지 도 6d는 액적의 구름방향에 따른 패턴 간격 변화시의 계면 면적의 변화량을 나타낸 구성도이다.
액적의 이동시 GFE의 차이(ΔG)가 에너지 장벽(energy barrier)으로 구름 저항으로 작용한다.
이와 같은 구름 저항을 줄이기 위해, 접촉 면적이 작은 CB 상태이면서 f(solid fraction)를 낮춰 접촉각을 증가시키면서, GFE의 차이가 없게끔 패턴을 설계하는 것이 바람직하다.
즉, ΔG는 곧 ΔA에 의해 결정되므로 ΔA = 0 가 되도록 설계한다.
그리고 도 7은 본 발명의 패턴 설계시의 (a)CB 상태 유지를 위한 패턴 구조, (b)낮은 f(solid fraction), (c)ΔA = 0 가 되도록 패턴 간격 조절, (d)패턴 기둥의 옆 면적 제어를 나타낸 구성도이다.
본 발명의 패턴 설계시에 액체-고체표면 접촉 면적이 낮은 CB 상태를 갖도록 하고, 낮은 f(solid fraction), ΔG = 0, 패턴간 최대 간격을 CB 상태 유지를 위하여 패턴 기둥의 옆 면적이 최대가 되도록 제어한다.
이와 같은 사항들을 고려하여 설계한 패턴들의 액적 구름 방향과 표면 방향 사이의 각도에 따른 구름각 측정 결과는 도 8에서와 같다.
도 8은 액적 구름 방향과 표면 방향 사이의 각도에 따른 구름각 측정 결과 그래프이다.
이전의 등방성(isotropic) 패턴(Ref.7)은 방향에 따라 구름각이 큰 변화가 없는 반면, 본 발명에 의해 설계한 패턴은 방향성을 가지고 의도한 방향(0°)에서 우수한 기능성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 9는 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 나타낸 구성도이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 사항들을 반영한 저응착을 위한 표면 패턴 구조는 도 9에서와 같이, 마이크로/나노 패턴을 하나의 형상으로 설계하여 (a)CB 상태 유지를 위한 패턴 구조, (b)f(solid fraction), (c)패턴 간격 조절, (d)패턴 기둥의 옆넓이 제어를 하여 배열할 수 있고,
마이크로/나노 패턴을 제 1 축상으로 반복 배열되는 제 1 형상을 갖는 패턴과, 제 1 형상을 갖는 패턴들 사이에 제 2 축상으로 반복 배열되는 형태를 갖도록 할 수 있다.
그리고 복수 개의 축상으로 각각 반복 배열되는 서로 다른 형태를 갖는 나노 패턴들을 갖도록 할 수 있다.
이와 같이 도 9에 나타낸 패턴들은 ΔA = 0을 만족하는 본 발명의 일 예에 따른 것으로, 이로 제한되지 않고 다른 형상으로 설계될 수 있음은 당연하다.
그리고 본 발명에 따라 설계된 마이크로/나노 패턴들을 마이크로 단위로 배열한 구조의 일 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명에 따라 설계된 마이크로/나노 패턴들을 마이크로 단위로 배열한 구조를 나타낸 구성도이다.
도 10a 내지 도 10d의 쐐기 패턴은 육각형 패턴에 잘 알려진 모세관(capillary) 현상을 이용한 것으로 수학식 2의 깁스 자유에너지 식에서 소수성 표면의 미세구조를 전체
Figure 112017086524759-pat00025
가 감소하는 방향으로 설계한 것이다.
Figure 112017086524759-pat00026
도 10a 내지 도 10d의 쐐기 패턴은 액적의 앞쪽에서 부분적으로 모세관력(capillary force)을 유도하는 구조를 갖는다.
도 10a 내지 도 10c는 f = 1인 플랫한 표면(ΔA가 0)에서 서로 이격되지 않고 반복되는 패턴을 1차 설계하고, 수학식 2의 깁스 자유에너지 식을 이용하여 산출되는 액적 이동시에 GFE의 차이(
Figure 112017086524759-pat00027
)가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격을 이격시켜 패턴을 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴을 기재 필름상에 형성하여 액적이 액체-고체표면 접촉 면적이 낮은 CB 상태을 유지하고, 전체 패턴에서
Figure 112017086524759-pat00028
가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고,
Figure 112017086524759-pat00029
가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동(화살표 방향)하도록 쐐기 패턴을 설계한 것이다.
도 10a는 어느 하나의 시작점에서 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴을 제 1 축으로 일정 너비에 배열되도록 하고, 어느 하나의 시작점에서 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴을 제 2 축으로 일정 너비에 배열되도록 하고, 제 1 축과 제 2 축이 시작점에서 일정 각도를 갖고 점점 이격되도록 하여 액적이 이동(화살표 방향)하도록 쐐기 패턴을 설계한 것이다.
그리고 도 10b는 어느 하나의 시작점에서부터 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들의 배열 개수를 점차 증가시켜 액적이 이동(화살표 방향)하도록 설계한 것이다.
그리고 도 10c는 어느 하나의 시작점에서부터 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들을 시작점에서 일정 각도를 갖고 점점 이격되는 제 1 축과 제 2 축을 따라 배열하고, 시작점을 수평 방향으로 일정 간격 이동시켜 같은 형태로 반복하여 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들을 배열하여 액적이 이동(화살표 방향)하도록 설계한 것이다.
그리고 도 10d는 어느 하나의 시작점에서부터 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들의 배열 개수를 점차 증가시켜 액적이 이동(화살표 방향)하도록 설계한 쐐기 패턴을 서로 반대 방향으로 번갈아 배치한 것이다.
즉, 한 주기의 쐐기를 일정한 간격으로 지그재그 형태로 배열한 패턴으로 좌 우 측으로의 모세관력(capillary force)이 같으므로 ΔG = 0이 성립한다.
모세관력이 패턴의 시작과　끝　부분에서 발생하고, 모세관력이 앞뒤, 위아래로　상쇄되어 좌,우 어느 방향으로 가든 일정한 구름 저항력을 가질 수 있도록 한 것이다.
여기서, 전체 패턴 크기가 작아질수록 모세관력은 0에 수렴하고, 구조 개수에 따라 발생하는 모세관력이 변화된다.
이와 같은 도 10a 내지 도 10d의 본 발명에 따라 설계된 마이크로/나노 패턴들을 마이크로 단위로 배열한 구조에서 액적의 이동 방향이 정해지는 메카니즘을 설명하면 다음과 같다.
도 10a 내지 도 10d에서 액적의 이동 방향은 화살표 방향이 되는데, 이는 모세관력을 이용한 것이다.
자연계의 시스템은　깁스 자유에너지를 최소화하려는 특성을 갖는데, 액적이 어떠한 방향으로 이동 시에,
ΔG　= 0 이 라면, 저항이 없는 상태이고, ΔG 　> 0 이면, 액적의 이동시에 그 만큼의 에너지가 필요한 것이다.
만약, ΔG　< 0 이라면, 액적이 자발적으로 이동하게 되는 상태이다.
이를 이용하여 쐐기 모양의 패턴에서 우측면 화살표 방향으로 액적은 이동하게 된다.
액적이 존재하는 상태에서는 액체 - 고체 계면의 면적은 늘지만, 액체와 기체 계면은 줄게 되고, 액체(물) - 기체 계면의 표면 에너지는 0.072 N/m　로 일반적으로, 액체-고체 계면의 표면에너지 보다 훨씬 높다.
따라서, 액체 - 기체 계면의 면적이 줄어들수록 시스템의 깁스 자유 에너지 G는 감소하기 때문에 화살표 방향으로 액적이 이동하는 것이 시스템의 깁스 자유에너지 측면에서 최소화되는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.
도 11은 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, f = 1인 플랫한 표면(ΔA가 0)에서 서로 이격되지 않고 반복되는 패턴을 1차 설계한다.(S1101)
그리고 수학식 2의 깁스 자유에너지 식에 의해 산출되는 액적 이동시에 GFE의 차이(
Figure 112017086524759-pat00030
)가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격을 이격시켜 패턴을 2차 설계한다.(S1102)
이어, 2차 설계에 의해 만들어진 패턴을 기재 필름상에 형성하여 액적이 액체-고체표면 접촉 면적이 낮은 CB 상태을 유지하고, 전체 패턴에서
Figure 112017086524759-pat00031
가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고,
Figure 112017086524759-pat00032
가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하는 초발수 필름을 제조한다.(S1103)
이상에서 설명한 본 발명에 따른 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법은 마이크로/나노 미세 구조물의 형태와 배열을 제어하여 액적의 접촉각과 구름성을 최대화할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 소수성 표면 위에서 움직이는 액적의 깁스 자유에너지 변화를 분석하고 자유에너지 변화를 최소화시켜 자유에너지 변화에 의한 부착력을 최소화하는 미세 구조물을 설계 및 제작한다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 기재 필름;
    기재 필름 표면에 깁스 자유에너지 식을 이용하여 산출되는 액적 이동시에 깁스 자유에너지의 차이(
    Figure 112019081431551-pat00033
    )가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격이 이격되는 마이크로/나노 단위의 패턴들;을 포함하고,
    마이크로/나노 단위의 패턴들이 액적의 액체-고체표면 접촉 면적이 CB(Cassie-baxter) 상태을 유지하고, 전체 패턴에서 계면의 면적 변화(
    Figure 112019081431551-pat00034
    )가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고, 깁스 자유에너지의 차이(
    Figure 112019081431551-pat00035
    )가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 배열하여 마이크로/나노 단위의 패턴을 구성하고,
    상기 마이크로 단위의 패턴은, 어느 하나의 시작점에서 마이크로/나노 단위의 패턴을 제 1 축으로 일정 너비에 배열되도록 하고, 어느 하나의 시작점에서 마이크로/나노 단위의 패턴을 제 2 축으로 일정 너비에 배열되도록 하고, 제 1 축과 제 2 축이 시작점에서 일정 각도를 갖고 점점 이격되도록 하여 액적이 이동하도록 패턴을 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  2. 제 1 항에 있어서, 깁스 자유에너지 식은,
    Figure 112017086524759-pat00036
    으로 정의하고,
    여기서,
    Figure 112017086524759-pat00037
    는 깁스 자유에너지,
    Figure 112017086524759-pat00038
    는 깁스 자유에너지 변화량,
    Figure 112017086524759-pat00039
    는 계면의 면적,
    Figure 112017086524759-pat00040
    는 계면 면적의 변화량,
    Figure 112017086524759-pat00041
    는 고체-액체간 계면면적 . 고체-액체간 계면장력,
    Figure 112017086524759-pat00042
    는 고체-기체간 계면면적 . 고체-기체간 계면장력,
    Figure 112017086524759-pat00043
    는 액체-기체간 계면면적 . 액체-기체간 계면장력인 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로/나노 단위의 패턴은,
    육각형 패턴으로 맞물리게 배열하여 표면의 거칠기를 증가시킴과 동시에 액적의 이동시 깁스 자유에너지를 0으로 만들어 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화하는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로/나노 단위의 패턴은,
    하나의 형상이 반복되거나,
    마이크로/나노 패턴을 제 1 축상으로 반복 배열되는 제 1 형상을 갖는 패턴과, 제 1 형상을 갖는 패턴들 사이에 제 2 축상으로 반복 배열되는 형태를 갖거나,
    복수 개의 축 상으로 각각 반복 배열되는 서로 다른 형태를 갖는 복수 개의 마이크로/나노 패턴들을 갖는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 마이크로/나노 단위의 패턴은,
    액체-고체표면 접촉 면적이 CB 상태 유지를 위한 패턴 구조, 낮은 f(solid fraction), ΔG = 0이 되도록 하는 패턴의 단면 형상 및 간격 조절, 패턴간 최대 간격을 CB 상태 유지를 위하여 패턴 기둥의 옆넓이가 최대가 되도록 설계하는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴은,
    육각형 패턴을 액적의 앞쪽에서 부분적으로 모세관력(capillary force)을 유도하는 구조를 갖도록 배열하는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  7. 제 6 항에 있어서, 모세관력(capillary force)은,
    Figure 112017086524759-pat00044
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴은,
    f(solid fraction) = 1인 플랫한 표면(ΔA가 0)에서 서로 이격되지 않고 반복되는 패턴을 1차 설계하고,
    깁스 자유에너지 식을 이용하여 산출되는 액적 이동시에 GFE의 차이(
    Figure 112017086524759-pat00045
    )가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들간의 간격을 이격시켜 패턴을 2차 설계하여 만들어진 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴을 기재 필름상에 형성하여 액적이 액체-고체표면 접촉 면적이 낮은 CB 상태을 유지하고, 전체 패턴에서
    Figure 112017086524759-pat00046
    가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고,
    Figure 112017086524759-pat00047
    가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 쐐기 패턴을 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴은,
    어느 하나의 시작점에서부터 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들의 배열 개수를 점차 증가시켜 액적이 이동하도록 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  11. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴은,
    어느 하나의 시작점에서부터 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들을 시작점에서 일정 각도를 갖고 점점 이격되는 제 1 축과 제 2 축을 따라 배열하고, 시작점을 일정 간격으로 수평 방향으로 이동시켜 같은 형태로 반복하여 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들을 배열하여 액적이 이동하도록 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  12. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴은,
    어느 하나의 시작점에서부터 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들의 배열 개수를 점차 증가시켜 액적이 이동하도록 설계한 쐐기 패턴을 서로 반대 방향으로 번갈아 배치하여,
    모세관력이 패턴의 시작과　끝　부분에서 발생하고, 모세관력이 앞뒤, 위아래로　상쇄되어 좌,우 어느 방향으로 가든 일정한 구름 저항력을 가질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름.
  13. f(solid fraction) = 1인 플랫한 표면(ΔA가 0)에서 서로 이격되지 않고 반복되는 패턴을 1차 설계하는 단계;
    깁스 자유에너지의 차이(
    Figure 112019081431551-pat00048
    )가 발생하지 않도록 액적의 구름 방향에 수직한 방향으로 패턴들 간의 간격이 이격되는 마이크로/나노 단위의 패턴들을 2차 설계하는 단계;
    2차 설계에 의해 만들어진 마이크로/나노 단위의 패턴들이 액적의 액체-고체표면 접촉 면적이 CB(Cassie-baxter) 상태을 유지하고, 전체 패턴에서 계면의 면적 변화(
    Figure 112019081431551-pat00049
    )가 0이 아닌 방향으로는 액적이 이동하지 않고, 깁스 자유에너지의 차이(
    Figure 112019081431551-pat00050
    )가 발생하지 않는 방향으로 액적이 이동하도록 배열하여 마이크로 단위의 패턴을 기재 필름상에 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 마이크로 단위의 패턴을 기재 필름상에 형성하는 단계에서, 마이크로 단위의 패턴을 어느 하나의 시작점에서 마이크로/나노 단위의 패턴을 제 1 축으로 일정 너비에 배열되도록 하고, 어느 하나의 시작점에서 마이크로/나노 단위의 패턴을 제 2 축으로 일정 너비에 배열되도록 하고, 제 1 축과 제 2 축이 시작점에서 일정 각도를 갖고 점점 이격되도록 하여 액적이 이동하도록 패턴을 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 깁스 자유에너지 식은,
    Figure 112017086524759-pat00051
    으로 정의하고,
    여기서,
    Figure 112017086524759-pat00052
    는 깁스 자유에너지,
    Figure 112017086524759-pat00053
    는 깁스 자유에너지 변화량,
    Figure 112017086524759-pat00054
    는 계면의 면적,
    Figure 112017086524759-pat00055
    는 계면 면적의 변화량,
    Figure 112017086524759-pat00056
    는 고체-액체간 계면면적 . 고체-액체간 계면장력,
    Figure 112017086524759-pat00057
    는 고체-기체간 계면면적 . 고체-기체간 계면장력,
    Figure 112017086524759-pat00058
    는 액체-기체간 계면면적 . 액체-기체간 계면장력인 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 마이크로/나노 단위의 패턴들은,
    육각형 패턴으로 맞물리게 배열하여 표면의 거칠기를 증가시킴과 동시에 액적의 이동시 깁스 자유에너지를 0으로 만들어 에너지 베리어에 의한 저항력을 최소화하는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 마이크로/나노 단위의 패턴들은,
    하나의 형상이 반복되거나,
    마이크로/나노 패턴을 제 1 축상으로 반복 배열되는 제 1 형상을 갖는 패턴과, 제 1 형상을 갖는 패턴들 사이에 제 2 축상으로 반복 배열되는 형태를 갖거나,
    복수 개의 축 상으로 각각 반복 배열되는 서로 다른 형태를 갖는 복수 개의 마이크로/나노 패턴들을 갖는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법
  17. 제 13 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 마이크로/나노 단위의 패턴들은,
    액체-고체표면 접촉 면적이 CB 상태 유지를 위한 패턴 구조, 낮은 f(solid fraction), ΔG = 0이 되도록 하는 패턴의 단면 형상 및 간격 조절, 패턴간 최대 간격을 CB 상태 유지를 위하여 패턴 기둥의 옆넓이가 최대가 되도록 설계하는 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
  18. 삭제
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴을 기재 필름상에 형성하는 단계에서,
    마이크로 단위의 패턴을 어느 하나의 시작점에서부터 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들의 배열 개수를 점차 증가시켜 액적이 이동하도록 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴을 기재 필름상에 형성하는 단계에서,
    마이크로 단위의 패턴을 어느 하나의 시작점에서부터 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들을 시작점에서 일정 각도를 갖고 점점 이격되는 제 1 축과 제 2 축을 따라 배열하고, 시작점을 일정 간격으로 수평 방향으로 이동시켜 같은 형태로 반복하여 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들을 배열하여 액적이 이동하도록 설계한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 마이크로 단위의 패턴을 기재 필름상에 형성하는 단계에서,
    마이크로 단위의 패턴을 어느 하나의 시작점에서부터 마이크로/나노 단위의 육각형 패턴들의 배열 개수를 점차 증가시켜 액적이 이동하도록 설계한 쐐기 패턴을 서로 반대 방향으로 번갈아 배치하여,
    모세관력이 패턴의 시작과　끝　부분에서 발생하고, 모세관력이 앞뒤, 위아래로　상쇄되어 좌,우 어느 방향으로 가든 일정한 구름 저항력을 가질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 저응착을 위한 표면 패턴 구조를 갖는 초발수 필름의 제조 방법.
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