KR102284223B1 - 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체 - Google Patents

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Abstract

초발수 표면 구형 방법이 제공된다. 상기 초발수 표면 구현 방법은, 가소성 고분자 반응 물질을 포함하는 제1 베이스 소스 및 알코올(alcohol)을 포함하는 제2 베이스 소스가 혼합된 베이스 용매와 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계, 상기 베이스 용매 내에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 분산시켜 코팅 소스를 제조하는 단계, 가소성 고분자를 포함하는 기판에 상기 코팅 소스를 제공하여, 상기 기판이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매가 포함하는 상기 제1 베이스 소스를 반응시켜, 상기 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계, 및 상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체 {Super water repellent surface implementation method and Super water repellent structure}
본 발명은 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기계적 강도 및 내구성이 향상된 초발수 표현 구현 방법 및 초발수 구조체에 관련된 것이다.
액체가 고체 표면과 만날 때 일어나는 현상을 젖음 (Wettability)이라고 하는데 젖지 않고 물방울이 생기게 되는 성질을 발수성 (Hydrophobicity)이라고 한다. 초발수성은 표면에서 물방울이 표면에 맺히지 못하고 접촉하는 경우 즉각 미끄러져 표면을 이탈하는 거동을 보이며 접촉각이 150° 이상이 되는 것을 특징으로 한다.
초발수성 표면은 금속 소재의 부식 방지, 항공기 동체 및 날개의 결빙 방지, 많은 비용이 투자되는 토목 및 건축물의 풍화 방지, 조선 공업에서 어패류 등의 생물 부착 방지, 자동차 외장 코팅, 열 교환 기계류의 착상 방지(Anti-frost), 고분자 가공 분야의 정밀 이형 기술 등 다양하게 응용되고 있으나 기계적 강도 및 마찰 내구성에 대한 문제점이 존재한다.
이러한 초발수성 표면은 마이크로미터 또는 나노미터크기의 표면거칠기를 부여하여서 조절할 수 있는데, 크게 고체의 표면에 나노 구조를 성장시키거나 식각하는 두가지의 방법으로 구현할 수 있다.
나노 구조를 성장시켜 표면 거칠기를 부여하는 방법은 공정이 복잡하고 민감한 반응 조건이 필요하며, 높은 투자비용과 기계적 강도 및 마찰에 대한 내구성이 약한 문제를 가지고 있다. 또한, 표면을 식각 하는 방법으로는 산 혹은 기재를 녹일 수 있는 반응성이 높은 소재를 이용하여 표면을 깎아 나가는 방법이 있는데, 비 환경적인 공법으로 안전에 취약하고 역시 기계적 강도 및 마찰에 대한 내구성이 약한 문제가 있다.
이에 따라, 대상체에 효율적으로 초발수성을 부여할 뿐만 아니라, 기계적 강도 및 마찰에 대한 내구성이 향상될 수 있는 초발수 코팅 방법에 관한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 기계적 강도 및 내구성이 향상된 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 과정이 간소화된 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 절감된 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 초발수 표면 구현 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 표면 구현 방법은 가소성 고분자 반응 물질을 포함하는 제1 베이스 소스 및 알코올(alcohol)을 포함하는 제2 베이스 소스가 혼합된 베이스 용매와 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계, 상기 베이스 용매 내에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 분산시켜 코팅 소스를 제조하는 단계, 가소성 고분자를 포함하는 기판에 상기 코팅 소스를 제공하여, 상기 기판이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매가 포함하는 상기 제1 베이스 소스를 반응시켜, 상기 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계, 및 상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소수성 세라믹 나노 입자 코팅 단계에서, 상기 제1 베이스 소스와 상기 가소성 고분자가 반응된 상기 기판은 점탄성(viscoelasticity) 및 점착성을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소수성 세라믹 나노 입자 코팅 단계에서, 상기 제1 베이스 소스와 반응된 상기 가소성 고분자의 체인(chain) 사이의 거리는, 상기 제1 베이스 소스와 반응되기 전 상기 가소성 고분자의 체인 사이의 거리보다 먼 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 용매 내에서 상기 제1 베이스 소스의 함량은 50 vol% 초과 70 vol% 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계는, 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계, 및 상기 세라믹 나노 입자, 용매, 및 자가조립단분자막(Self-aligned monolayer) 형성물질을 혼합하여 상기 세라믹 나노 입자의 표면을 소수성으로 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가조립단분자막 형성물질은, silane 계열 물질, fatty acid 계열 물질, 및 thiol 계열 물질 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 나노 입자는, SiO2, TiO2, ZnO, CaCO3, Al2O3, 및 ZrO3 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가소성 고분자 반응 물질은, 아세톤(acetone), 에터(ether), 및 다이클로로 에틸렌(dichloro ethylene) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 소스 내에서 상기 소수성 세라믹 나노 입자는, 95 g/L 이상의 농도를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가소성 고분자는, ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 나일론, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 및 폴리프로필렌 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 초발수 구조체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 구조체는 가소성 고분자를 포함하는 기판, 및 상기 기판 상에 배치된 초발수 입자들을 포함하되, 상기 초발수 입자들은, 친수성의 세라믹 나노 입자가 자가조립단분자막 형성물질에 의하여 소수성으로 변화된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 입자가 배치된 상기 기판 상에 물방울을 떨어뜨리는 경우, 물방울과 상기 초발수 입자가 배치된 상기 기판 사이의 접촉각(contact angle)은 150°이상인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법은 가소성 고분자 반응 물질을 포함하는 제1 베이스 소스 및 알코올(alcohol)을 포함하는 제2 베이스 소스가 혼합된 베이스 용매와 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계, 상기 베이스 용매 내에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 분산시켜 코팅 소스를 제조하는 단계, 가소성 고분자를 포함하는 기판에 상기 코팅 소스를 제공하여, 상기 기판이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매가 포함하는 상기 제1 베이스 소스를 반응시켜, 상기 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계, 및 상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 기계적 강도 및 내구성이 향상된 초발수 표면이 구현될 수 있다. 또한, 추가적인 바인더 및 접착제의 첨가 없이 초발수 표면을 구현할 수 있음에 따라, 공정 비용이 절감되고 공정 과정이 간소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법 중 소수성 세라믹 나노 입자 준비단계를 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법에 사용되는 소수성 세라믹 나노 입자를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 촬영한 사진이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조과정 중 아세톤과 에탄올의 비율에 따른 영향을 비교하는 사진이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 초발수 구조체의 내구성을 비교하는 사진들이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 SiO2의 농도에 따른 특성을 비교하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 '가소성 고분자'란 외부 자극(열 또는 용매 등)에 의하여 고분자를 이루는 체인(chain)사이의 거리가 멀어지며 점탄성(viscoelasticity)을 가지게 되었다가, 외부 자극이 사라지면 원래의 상태로 돌아가는 특성으로 정의된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법 중 소수성 세라믹 나노 입자 준비단계를 설명하는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법에 사용되는 소수성 세라믹 나노 입자를 나타내는 도면이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 나타내는 도면이다. 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체는, 상기 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법을 통하여 형성된 구조체를 의미한다. 다만, 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조방법이 상기 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법으로 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법은 베이스 용매 및 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계(S100), 코팅 소스 제조 단계(S200), 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계(S300), 및 상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계(S400)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 구체적으로 설명된다.
상기 S100 단계에서는, 베이스 용매 및 소수성 세라믹 나노 입자가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 용매는 제1 베이스 소스 및 제2 베이스 소스가 혼합되어 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 소스는, 가소성 고분자 반응 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 베이스 소스는 아세톤(acetone), 에터(ether), 및 다이클로로 에틸렌(dichloro ethylene) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 베이스 소스는 알코올(alcohol)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 베이스 소스는 에탄올(ethanol)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 용매 내에서 상기 제1 베이스 소스 및 상기 제2 베이스 소스의 함량이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 베이스 소스의 함량은 50 vol% 초과 70 vol% 미만으로 제어될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 베이스 소스의 함량은 30 vol% 초과 50 vol% 미만으로 제어될 수 있다. 즉, 상기 제1 베이스 소스와 상기 제2 베이스 소스의 부피(vol) 비율은 6:4 로 제어될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제1 베이스 소스 및 상기 제2 베이스 소스의 함량이 제어되는 경우, 후술되는 코팅 소스의 코팅 효율이 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 베이스 소스의 함량이 70 vol%이상이고 상기 제2 베이스 소스의 함량이 30 vol% 이하인 경우, 후술되는 코팅 소스가 코팅된 초발수 구조체에 크랙(crack)이 발생되어, 초발수 구조체의 초발수 특성이 저하될 수 있다. 반면, 상기 제1 베이스 소스의 함량이 50 vol%이하이고 상기 제2 베이스 소스의 함량이 50 vol% 이상인 경우, 후술되는 코팅 소스가 기판에 코팅되지 않는 문제점이 발생될 수 있다. 하지만, 상기 제1 베이스 소스와 상기 제2 베이스 소스의 부피(vol) 비율이 6:4 로 제어되는 경우, 후술되는 코팅 소스의 코팅 효율이 향상되어 후술되는 초발수 구조체가 용이하게 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계는, 세라믹 나노 입자(12)를 준비하는 단계(S110), 및 상기 세라믹 나노 입자(12), 용매, 및 자가조립단분자막(Self-aligned monolayer, SAM) 형성물질을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다(S120). 상기 세라믹 나노 입자(12) 및 상기 자가조립단분자막 형성물질이 혼합되는 경우, 상기 세라믹 나노 입자(12) 상에 자가조립단분자막(14)이 형성될 수 있다. 상기 자가조립단분자막(14)이 형성된 상기 세라믹 나노 입자(12)는 소수성을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 세라믹 나노 입자(12) 및 상기 자가조립단분자막 형성물질이 혼합되는 경우, 상기 세라믹 나노 입자(12)의 -OH기와 상기 자가조립단분자막 형성물질의 작용기가 반응할 수 있다. 이에 따라, 상기 세라믹 나노 입자(12)의 표면은, 상기 자가조립단분자막 형성물질의 특성을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 소수성을 갖는 자가조립단분자막 형성물질과 상기 세라믹 나노 입자(12)를 혼합시킴으로써, 친수성을 갖는 상기 세라믹 나노 입자(12)의 표면을 개질시켜, 소수성으로 변경시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 세라믹 나노 입자(12)는 SiO2, TiO2, ZnO, CaCO3, Al2O3, 및 ZrO3 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 세라믹 나노 입자(12)는 100 nm 이하의 크기, 바람직하게는 5~25 nm의 크기를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가조립단분자막 형성물질은 silane계 물질, fatty acid계 물질, 및 thiol계 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자기조립단분자막 형성물질은 트리메톡시오크라데실란(Trimethoxy(ocradecyl)silane), 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane, OTS), 퍼플루오로데실트리클로로실란(perfluorodecyltrichlorosilane, PFOTS), 퍼플루오로데실트리에톡시실란(perfluorodecyltriethoxysilane), 퍼플루오로옥틸트리에톡시실란(perfluorooctyltriethoxysilane) 등 F기가 13개 이상인 트리클로로실란(trichlorosilane)이나 트리에톡시실란(triethoxysilane), 탄소가 12개 이상인 지방산 계열로서 도데카노산(dodecanoic acid), 테트라데칸산(tetradecanoic acid), 헥사데칸산(hexadecanoic acid), 스테아르산(stearicacid), 옥타데칸산(octadecanoic acid)으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되는 것을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매는 상기 세라믹 나노 입자(12)를 둘러싸는 상기 자가조립단분자막(14)이 용이하게 형성되도록 비극성 용매가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 톨루엔(toluene), 헥산(hexane), 펜탄(pentane), 에틸 알코올(ethyl alcohol) 등일 수 있다. 이와 달리, 상기 용매로서 극성 용매가 사용되는 경우, 자가조립단분자막 형성 물질, 예를 들어 퍼플루오로옥틸트리에톡시실란(perfluorooctyltriethoxysilane)끼리의 고분자 중합이 일어나기 때문에 상기 자가조립단분자막(12)이 용이하게 형성되지 않을 수 있다.
상기 S200 단계에서는 코팅 소스가 제조될 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 코팅 소스는, 상기 베이스 용매(20) 내에 상기 소수성 세라믹 나노 입자(10)가 분산되어 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소수성 세라믹 나노 입자(10)의 농도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 소스 내에서 상기 소수성 세라믹 나노 입자는 95 g/L 이상의 농도를 가질 수 있다. 이 경우, 후술되는 초발수 구조체와 물방울 사이의 접촉각(contact angle)이 150° 이상일 수 있다. 즉, 상기 코팅 소스 내에서 상기 소수성 세라믹 나노 입자의 농도가 95 g/L 이상인 경우, 후술되는 초발수 구조체의 초발수 특성이 용이하게 발생될 수 있다.
상기 S300 단계에서는 상기 기판(100)에 상기 코팅 소스가 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상기 코팅 소스 내에 상기 기판(100)이 침지되는 방법으로, 상기 기판(100)에 상기 코팅 소스가 제공될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 기판(100)은 20 mm/s의 속도로 상기 코팅 소스 내에 함침되고, 30s 동안 디핑(dipping)되며, 0.5 mm/s의 캐스팅 속도로 코팅될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등의 방법으로 상기 기판(100)에 상기 코팅 소스가 제공될 수 있다. 상기 기판(100)에 상기 코팅 소스가 제공되는 방법은 제한되지 않는다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 가소성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가소성 고분자는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 나일론, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 및 폴리프로필렌 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)에 상기 코팅 소스가 제공되는 경우, 상기 기판(100)이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매(20)가 포함하는 상기 제1 베이스 소스가 반응될 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)은 점탄성(viscoelasticity) 및 점착성을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 가소성 고분자(예를 들어, ABS)와 상기 제1 베이스 소스(예를 들어, 아세톤)가 반응되는 경우, 상기 가소성 고분자를 구성하는 복수의 체인(chain)들 사이의 거리가 멀어질 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)에는 점탄성 특성이 나타나게 되는데, 점탄성 특성을 갖는 물질의 고분자량으로 인하여 점착성 특성까지 함께 나타나게 된다. 결과적으로, 상기 기판(100)의 점착성에 의하여, 상기 코팅 소스가 포함하는 상기 소수성 세라믹 입자(10)는 상기 기판(100)의 표면에 증착될 수 있다. 즉, 상기 기판(100) 상에 상기 소수성 세라믹 입자(10)가 코팅될 수 있다.
상기 S300 단계 이후 후술되는 S400 단계 이전, 상기 소수성 세라믹 입자(10)가 코팅된 상기 기판(100)은 반응 가스에 노출될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응 가스는, 상기 제1 베이스 소스와 같은 가소성 고분자 반응 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 반응 가스는 아세톤(acetone), 에터(ether), 및 다이클로로 에틸렌(dichloro ethylene) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)이 상기 반응 가스에 노출되는 경우, 상기 기판(100)과 상기 반응 가스가 반응되어, 상기 소수성 세라믹 입자(10)의 코팅 효율이 향상될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 반응 가스(예를 들어, 기화된 아세톤)에 상기 가소성 고분자(예를 들어, ABS)를 포함하는 상기 기판(100)이 노출되는 경우, 상기 반응 가스에 의하여, 상기 가소성 고분자에 팽윤 현상이 일어나 흐름성이 생길 수 있다. 이에 따라, 미처 접합되지 못한 상기 소수성 세라믹 입자(10)들이 상기 기판(100)의 표면에 증착되므로, 상기 소수성 세라믹 입자(10)의 코팅 효율이 향상될 수 있다.
상기 S400 단계에서는, 상기 소수성 세라믹 나노 입자(10)가 코팅된 상기 기판(100)이 건조될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 소수성 세라믹 나노 입자(10)가 코팅된 상기 기판(100)은 60℃의 오븐에서 30분 동안 건조될 수 있다. 이에 따라, 초발수 구조체가 제조될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체는, 가소성 고분자를 포함하는 기판(100), 및 상기 기판(100) 상에 배치되는 복수의 소수성 세라믹 나노 입자(10)들을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 소수성 세라믹 나노 입자(10)들에 의하여 상기 기판(100)의 표면은 초발수 특성을 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 복수의 소수성 세라믹 나노 입자(10)들은 초발수 입자로 작용될 수 있다. 보다 구체적으로, 기판 상에 복수의 소수성 나노 입자들이 증착되는 경우, 기판의 표면에 나노 단위의 거칠기가 형성될 수 있다. 이에 따라, 물(water)이 거친 표면 사이로 침투하지 못하게 되어, 초발수 특성이 발현될 수 있다.
종래에는, 소수성 입자를 기판 표면에 도포하여 복잡한 구조를 형성함으로써, 초발수 표면을 구현하였다. 하지만, 단순히 소수성 입자를 도포하는 방법으로는 기계적 강도 및 내구성이 현저하게 저하되는 문제점이 발생하여, 바인더 및 접착제를 추가적으로 첨가하여 기판 상에 입자를 고정시켰다.
이와 달리, 본 발명의 실시 예에 초발수 표면 구현 방법은, 기판 자체가 바인더 및 접착제 역할을 수행함에 따라, 바인더 및 접착제의 추가적인 첨가 없이도 기계적 강도 및 내구성이 향상된 초발수 표면을 구현할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법은 가소성 고분자 반응 물질을 포함하는 제1 베이스 소스 및 알코올(alcohol)을 포함하는 제2 베이스 소스가 혼합된 베이스 용매와 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계, 상기 베이스 용매 내에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 분산시켜 코팅 소스를 제조하는 단계, 가소성 고분자를 포함하는 기판에 상기 코팅 소스를 제공하여, 상기 기판이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매가 포함하는 상기 제1 베이스 소스를 반응시켜, 상기 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계, 및 상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 기계적 강도 및 내구성이 향상된 초발수 표면이 구현될 수 있다. 또한, 추가적인 바인더 및 접착제의 첨가 없이 초발수 표면을 구현할 수 있음에 따라, 공정 비용이 절감되고 공정 과정이 간소화될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체 및 초발수 표면 구현 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 변형 예에 따른 초발수 표면 구현 방법이 설명된다.
본 발명의 변형 예에 따른 초발수 표면 구현 방법은, 베이스 용매 및 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계, 코팅 소스 제조 단계, 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계, 및 상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 변형 예에 따른 초발수 표면 구현 방법은, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법과 같을 수 있다.
다만, 상기 변형 예에 따른 초발수 표면 구현 방법은, 상기 코팅 단계가 가소성 고분자를 포함하는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판을 열처리하는 단계, 열처리된 상기 기판에 상기 코팅 소스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법과 비교하여, 기판 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기판이 열처리되는 경우, 상기 가소성 고분자를 구성하는 복수의 체인(chain)들 사이의 거리가 멀어질 수 있다. 이에 따라, 상기 기판에는 점탄성 특성이 나타나게 되는데, 점탄성 특성을 갖는 물질의 고분자량으로 인하여 점착성 특성까지 함께 나타나게 된다.
이후, 점탄성 및 점착성을 갖는 상기 기판에 상기 코팅 소스가 제공되는 경우, 상기 기판이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매가 포함하는 상기 제1 베이스 소스가 반응되어, 점탄성 및 점착성이 더욱 향상될 수 있다. 이에 따라, 상기 기판 상에 상기 소수성 세라믹 입자가 더욱 단단하게 고정될 수 있다. 결과적으로, 상기 변형 예에 따른 초발수 표면 구현 방법을 통해 제조된 초발수 구조체의 기계적 강도 및 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
이상, 본 발명의 변형 예에 따른 초발수 표면 구현 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 소수성 세라믹 나노 입자 제조
5~25 nm 크기의 SiO2 나노 입자 2g, 에탄올 40 mL, 및 PFOTS 1 mL를 40분의 시간 동안 혼합하여, SiO2 나노 입자 표면을 소수성으로 개질시켰다.
실시 예에 따른 베이스 용매 제조
아세톤(Acetone) 및 에탄올(ethanol)을 6:4의 부피 비율로 혼합하여, 베이스 용매를 제조하였다.
실시 예에 따른 코팅 소스 제조
상술된 실시 예에 따른 베이스 용매 내에 실시 예에 따른 소수성 세라믹 나노 입자를 분산시켜 코팅 소스를 제조하였다.
실시 예에 따른 초발수 구조체 제조
상술된 실시 예에 따른 코팅 소스 내에 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 기판을 함침시켜, ABS 기판 표면에 SiO2 나노 입자를 증착시켰다. 이후, SiO2 나노 입자가 증착된 ABS 기판을 건조시켜 실시 예에 따른 초발수 구조체를 제조하였다. 보다 구체적으로, SiO2 나노 입자 증착 과정에서 함침 속도는 20 mm/s로 제어되고, 디핑은 30s 동안 수행되었으며, 캐스팅 속도는 0.5 mm/s로 제어되었다. 또한, 건조 과정은 60℃의 오븐에서 30분 동안 수행되었다.
비교 예에 따른 초발수 구조체 제조
ABS 기판 상에 SiO2 나노 입자를 코팅하여 비교 예에 따른 초발수 구조체를 제조하였다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 촬영한 사진이다.
도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 서로 다른 배율에서 SEM(Scanning Electron Microscopy) 촬영하여 나타내었다.
도 8의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이, ABS 기판 표면에 SiO2 나노 입자들이 증착되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 초발수 구조체의 표면이 2~3 μm 크기의 구조와 이를 구성하는 10~20 nm 크기의 나노 구조로 구성된 2중 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조과정 중 아세톤과 에탄올의 비율에 따른 영향을 비교하는 사진이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 제조하되, 초발수 구조체의 제조 과정에 사용되는 베이스 용매가 포함하는 아세톤 및 에탄올의 부피(vol) 비율을 서로 다르게 하고, 서로 다른 아세톤 및 에탄올의 부피 비율에 따라 제조된 초발수 구조체를 각각 촬영하여 나타내었다.
도 9에서 확인할 수 있듯이, 아세톤 및 에탄올의 부피 비율이 10:0 및 7:3인 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체는, 다수의 크랙(crack)이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 아세톤 및 에탄올의 부피 비율이 5:5인 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체는, 아세톤과 ABS 기판이 충분하게 반응되지 못하여 코팅이 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었다. 반면, 아세톤 및 에탄올의 부피 비율이 6:4인 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체는, ABS 기판 상에 SiO2 나노 입자가 효과적으로 코팅된 것을 확인할 수 있었다.
도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 제조하되, 초발수 구조체의 제조 과정에서 사용되는 베이스 용매가 포함하는 아세톤 및 에탄올의 부피(vol) 비율을 서로 다르게 하고, 서로 다른 아세톤 및 에탄올의 부피 비율에 따라 제조된 초발수 구조체를 각각 촬영하여 나타내었다. 도 10의 (a)는 아세톤 및 에탄올이 7:3의 부피 비율로 제어된 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체를 나타내고, 도 10의 (b)는 아세톤 및 에탄올이 6:4의 부피 비율로 제어된 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체를 나타낸다.
도 10의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 아세톤 및 에탄올이 7:3의 부피 비율로 제어된 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우, 크랙(crack)으로 인한 불량이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 도 10의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 아세톤 및 에탄올이 6:4의 부피 비율로 제어된 베이스 용매를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우, 불량 없이 깔끔한 코팅층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 초발수 구조체를 효과적으로 제조하기 위하여, 베이스 용매가 포함하는 아세톤 및 에탄올의 부피 비율을 제어하되, 아세톤은 50 vol% 초과 70 vol% 미만으로 제어되고, 에탄올은 30 vol% 초과 50 vol% 미만으로 제어되어야 함을 알 수 있었다. 또한, 아세톤 및 에탄올의 부피 비율이 6:4로 제어되는 경우, 가장 효과적으로 초발수 구조체가 제조되는 것을 확인할 수 있었다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 초발수 구조체의 내구성을 비교하는 사진들이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 비교 예에 따른 초발수 구조체에 대해 마찰 테스트를 진행하고, 마찰 테스트 전 상태의 초발수 구조체의 접촉각(contact angle) 및 마찰 테스트 후 상태의 초발수 구조체의 접촉각(contact angle)을 측정하여 나타내었다. 보다 구체적으로, 마찰 테스트는 초발수 구조체에 대하여 기계적 마찰을 수행하는 방법으로 진행되었다. 또한, 접촉각의 측정은, 초발수 구조체의 표면에 물방울을 떨어뜨린 후, 물방울과 초발수 구조체 사이의 각도를 측정하는 방법으로 진행되었다. 도 11의 (a)는 마찰 테스트 전 상태를 나타내고, 도 11의 (b)는 마찰 테스트 후 상태를 나타낸다.
도 11의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 비교 예에 따른 초발수 구조체의 경우, 마찰 테스트 전 상태에서 156.1°의 접촉각을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 11의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 비교 예에 따른 초발수 구조체의 경우, 마찰 테스트 후 상태에서 93.4°의 접촉각을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체에 대해 마찰 테스트를 진행하고, 마찰 테스트 전 상태의 초발수 구조체의 접촉각(contact angle) 및 마찰 테스트 후 상태의 초발수 구조체의 접촉각(contact angle)을 측정하여 나타내었다. 보다 구체적으로, 마찰 테스트는 초발수 구조체에 대하여 기계적 마찰을 수행하는 방법으로 진행되었다. 또한, 접촉각의 측정은, 초발수 구조체의 표면에 물방울을 떨어뜨린 후, 물방울과 초발수 구조체 사이의 각도를 측정하는 방법으로 진행되었다. 도 12의 (a)는 마찰 테스트 전 상태를 나타내고, 도 12의 (b)는 마찰 테스트 후 상태를 나타낸다.
도 12의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 경우, 마찰 테스트 전 상태에서 158.5°의 접촉각을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 12의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 경우, 마찰 테스트 후 상태에서 156.2°의 접촉각을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 11 및 도 12에서 알 수 있듯이, 단순히 SiO2 나노 입자를 코팅하여 제조된 변형 예에 따른 초발수 구조체의 경우, 마찰 테스트가 수행됨에 따라 접촉각이 현저하게 감소(156.1°->93.4°)되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, ABS 기판과 아세톤과의 반응을 통해 SiO2 나노 입자를 코팅한 실시 예에 따른 초발수 구조체의 경우, 마찰 테스트가 수행됨에도 불구하고 접촉각의 변화(158.5°->156.2°)가 거의 발생되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 변형 예에 따른 초발수 구조체의 경우 낮은 내구성으로 인하여 기계적 마찰에 의해 SiO2 나노 입자들이 제거됨에 따라 초발수 특성을 잃게 되지만, 실시 예에 따른 초발수 구조체의 경우 높은 내구성으로 인하여 기계적 마찰에도 불구하고 SiO2 나노 입자들이 제거되지 않아 초발수 특성이 유지되는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 SiO2의 농도에 따른 특성을 비교하는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 제조하되, 초발수 구조체의 제조 과정에서 사용하는 코팅 소스가 포함하는 소수성 SiO2 나노 입자의 농도를 80g/L ~ 110g/L로 제어하고, 각 농도에 따라 제조된 초발수 구조체의 접촉각을 측정하여 나타내었다. 접촉각의 측정은, 초발수 구조체의 표면에 물방울을 떨어뜨린 후, 물방울과 초발수 구조체 사이의 각도를 측정하는 방법으로 진행되었다.
도 13에서 확인할 수 있듯이, 80g/L의 농도를 갖는 소수성 SiO2 나노 입자를 포함하는 코팅 소스를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우 144.65°의 접촉각을 나타내고, 85g/L의 농도를 갖는 소수성 SiO2 나노 입자를 포함하는 코팅 소스를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우 145.53°의 접촉각을 나타내고, 90g/L의 농도를 갖는 소수성 SiO2 나노 입자를 포함하는 코팅 소스를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우 148.38°의 접촉각을 나타내고, 95g/L의 농도를 갖는 소수성 SiO2 나노 입자를 포함하는 코팅 소스를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우 150.78°의 접촉각을 나타내고, 100g/L의 농도를 갖는 소수성 SiO2 나노 입자를 포함하는 코팅 소스를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우 151.67°의 접촉각을 나타내고, 110g/L의 농도를 갖는 소수성 SiO2 나노 입자를 포함하는 코팅 소스를 통하여 제조된 초발수 구조체의 경우 152.14°의 접촉각을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 150°이상의 접촉각을 갖는 초발수 구조체를 제조하기 위하여, 코팅 소스가 포함하는 소수성 SiO2 나노 입자의 농도가 95 g/L 이상으로 제어되어야 하는 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
10: 소수성 세라믹 입자
20: 베이스 용매

Claims (12)

  1. 가소성 고분자 반응 물질인 아세톤을 포함하는 제1 베이스 소스 및 에탄올을 포함하는 제2 베이스 소스가 혼합된 베이스 용매와 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계;
    상기 베이스 용매 내에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 분산시켜 코팅 소스를 제조하는 단계;
    가소성 고분자를 포함하는 기판에 상기 코팅 소스를 제공하여, 상기 기판이 포함하는 상기 가소성 고분자와 상기 베이스 용매가 포함하는 상기 제1 베이스 소스를 반응시켜, 상기 기판 상에 상기 소수성 세라믹 나노 입자를 코팅하는 단계; 및
    상기 소수성 세라믹 나노 입자가 코팅된 상기 기판을 건조시키는 단계를 포함하되,
    상기 베이스 용매를 준비하는 단계에서, 상기 제1 베이스 소스는 50 vol% 초과 70 vol% 미만, 상기 제2 베이스 소스는 30 vol% 초과 50 vol% 미만으로 혼합되고,
    상기 소수성 세라믹 나노 입자 코팅 단계에서, 상기 제1 베이스 소스와 상기 가소성 고분자가 반응된 상기 기판은 점탄성(viscoelasticity) 및 점착성을 갖는 것을 포함하는 초발수 표면 구현 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 소수성 세라믹 나노 입자 코팅 단계에서,
    상기 제1 베이스 소스와 반응된 상기 가소성 고분자의 체인(chain) 사이의 거리는, 상기 제1 베이스 소스와 반응되기 전 상기 가소성 고분자의 체인 사이의 거리보다 먼 것을 포함하는 초발수 표면 구현 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 소수성 세라믹 나노 입자를 준비하는 단계는,
    세라믹 나노 입자를 준비하는 단계; 및
    상기 세라믹 나노 입자, 용매, 및 자가조립단분자막(Self-aligned monolayer) 형성물질을 혼합하여 상기 세라믹 나노 입자의 표면을 소수성으로 변화시키는 단계를 포함하는 초발수 표면 구현 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 자가조립단분자막 형성물질은, silane 계열 물질, fatty acid 계열 물질, 및 thiol 계열 물질 중 어느 하나를 포함하는 초발수 표면 구현 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 입자는, SiO2, TiO2, ZnO, CaCO3, Al2O3, 및 ZrO3 중 어느 하나를 포함하는 초발수 표면 구현 방법.
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 코팅 소스 내에서 상기 소수성 세라믹 나노 입자는, 95 g/L 이상의 농도를 갖는 것을 포함하는 초발수 표면 구현 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 가소성 고분자는, ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 나일론, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 및 폴리프로필렌 중 어느 하나를 포함하는 초발수 표면 구현방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020190149206A 2019-11-20 2019-11-20 초발수 표면 구현 방법 및 초발수 구조체 KR102284223B1 (ko)

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