KR102622926B1

KR102622926B1 - 손상 구조체의 복원을 위한 코팅 방법

Info

Publication number: KR102622926B1
Application number: KR1020210109230A
Authority: KR
Inventors: 이원준; 이호영
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2021-08-19
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2024-01-10
Also published as: KR20230027444A

Abstract

본 발명은 손상 구조체의 손상 영역을 복원하기 위한 코팅 방법 및 이를 이용하여 복원된 보강 섬유, 보강 철골구조에 대한 것으로, 코팅 용액을 준비하는 단계, 손상 영역을 포함하는 구조체 표면에, 상기 코팅 용액을 도포하는 단계 및 도포된 코팅 용액이 수분 증발에 의해 자기조립 되는 단계를 포함하고, 상기 손상 영역은, 깊이(h) 대비 너비(w)의 종횡비(w/h)가 0.1 내지 0.5 인 그루브인 특징을 갖는다.
본 발명에 따를 때, 별도의 장비가 요구되지 않으면서 손상 구조체의 기계적 강도에 영향을 주지 않고, 자기조립에 의한 나노 효과를 선택적으로 조절 및 기능화 할 수 있는 복원 방법을 제공한다.

Description

손상 구조체의 복원을 위한 코팅 방법{COATING METHOD FOR RESTORATION OF DAMAGED STRUCTURES}

본 발명은 손상 구조체의 손상 영역 코팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코팅 용액이 손상 영역 내부로 적층되고, 코팅 용액의 나노입자가 자기조립되면서 손상 영역을 복원하는 기술에 관한 것이다.

제품 표면의 긁힘이나 외부 충격에 균열은 제품의 외관 특성, 주요 성능 및 수명을 저하시키게 되므로, 제품 표면을 보호하여 장기적인 제품의 품질 유지를 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.

특히, 자기 복원 특성(SELF-HEALING)을 갖는 코팅 소재에 대한 연구 및 관심이 최근 들어 급격히 증가하고 있다. 자기 복원 특성이란, 외부의 물리적 힘이나 자극이 가해짐에 따라, 스크래치가 발생하는 등 손상이 생겼을 때, 이러한 스크래치 등의 손상이 자체적으로 서서히 치유되거나 감소되는 특성을 의미한다. 이러한 자기 복원 특성을 나타내는 코팅 소재나, 자기 복원 특성의 메커니즘은 다양하게 알려져 있지만, 가장 일반적으로는 탄성을 나타내는 코팅 소재를 사용하는 방식이 널리 알려져 있다. 즉, 이러한 코팅 소재를 사용하면, 코팅층 상에 스크래치 등의 물리적 손상이 가해지더라도, 이러한 코팅 소재 자체가 갖는 탄성으로 인해 손상 부위가 서서히 매워져 자기 복원 특성을 나타낼 수 있다.

그런데, 이러한 자기 복원 특성을 나타내는 기존 코팅층의 경우, 주로 탄성 소재가 포함됨에 따라, 기계적 물성이 충분히 포함되지 못하는 단점이 있었다. 냉장고나 세탁기 등 각종 가전 제품의 외관에 자기 복원 특성을 나타내는 코팅층을 적용하고자 할 경우, 코팅층의 기계적 물성이 높은 수준으로 요구되지만, 이러한 물성을 충족하지 못하였다.

그 외 섬유, 의복 분야에서 나노소재의 증발 패턴에 의한 코팅 연구도 꾸준히 진행되고 있지만, 아직 나노소재의 선택적 구속 및 정렬을 통한 기능적 리소그래피 공정에만 적용되고 있고, 이는 경제적인 측면에서 한계가 있다.

대한민국 등록특허 제 10-0691858호에서는 분자내 실리콘-아크릴을 함유시킴으로서 이소시아네이트와의 반응시 실리콘-아크릴-우레탄의 사다리구조를 나타나게 함으로써 강력한 탄성체 구조를 형성시켜 스크래치가 복원되는 메커니즘을 개시하고 있다. 그러나, 이는 실제로는 가벼운 정도의 스크래치에 대해 단편적으로 복원되는 현상에 적용 가능하며, 기계적, 물리화학적 물성을 충족하기 어려워 다양한 산업에서 효과적으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.

대한민국 등록 특허 제10-0691858호

본 발명은 손상 영역 종횡비에 따른 코팅 용액 세실드롭의 적층률을 계산하고, 손상 구조체-코팅 용액의 나노입자 간 상호작용을 통해 강화된 손상 영역 코팅 방법을 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면은, 손상 구조체의 손상 영역을 복원하기 위한 코팅 방법으로, 코팅 용액을 준비하는 단계, 손상 영역을 포함하는 구조체 표면에, 상기 코팅 용액을 도포하는 단계 및 도포된 코팅 용액이 수분 증발에 의해 자기조립 되는 단계를 포함하고, 상기 손상 영역은, 깊이(h) 대비 너비(w)의 종횡비(w/h)가 0.1 내지 0.5 인 그루브인 것인, 손상 구조체 코팅 방법을 제공한다.

일 실시형태에 따르면, 코팅 용액의 도포단계에서, 코팅 용액의 나노입자가 그루브 내부 안쪽 방향으로 정렬하여 적층되는 것일 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅 용액의 나노입자 적층률은, 하기의 식 1 및 식 2에 의하는 것일 수 있다.

[식 1]

[식 2]

(여기서, V _r 은 분산매가 고정된 방울 반가 방향으로 퍼지는 속도인 반가속도, N _cum 은 계면에서 쌓이는 나노입자의 수, r ₀ 은 초기 유체의 반가 위치, r ₀ (t)는 시간에 따른 나노입자 유체 흐름의 초기 위치(t: 증발시간-유체흐름 시간), V _r (r(t),t)는 반가위치와 시간에 따른 유체 속도 함수, C ₀ 는 고정된 내부 세실드롭(sessile drop) 내 분산 입자의 초기 농도, R은 고정된 세실드롭(sessile drop)이 초기에 계면을 이루는 접촉선의 반지름, h _i 은 고정된 세실드롭(sessile drop)의 초기 높이임)

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅 용액의 코팅 방향은, 마랑고니 응력에 의해 손상 영역 내부로 유도되는 것일 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 손상 영역은, 브이자(V), 유자(U), 또는 더블유자(W) 모양 그루브 인 것일 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅 용액은, 탄소나노튜브 나노입자, 저분자량 펩타이드 나노입자 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 저분자량 펩타이드 나노 입자는, 다이페닐알라닌(FF)를 포함할 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅 용액은, 다이메틸 설폭사이드(DMSO), 다이메틸 포름아마이드(DMF), 다이메틸 아세트아마이드(DMAc) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 용매와 물을 포함할 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 물은, 코팅 용액 전체 대비 10 부피% 내지 30 부피%의 조성을 가질 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 자기조립 단계에서, 상기 손상 영역의 내부 또는 표면에 3차원 다공성 구조체 또는 2차원 시트가 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 일 실시예에 따른 코팅 방법에 따라 복원된 보강 섬유를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, 전술한 일 실시예에 따른 코팅 방법에 따라 복원된 보강 철골구조를 제공한다.

본 발명은 손상 구조체의 손상 영역을 복원하기 위한 코팅 방법 및 이를 이용하여 복원된 보강 섬유, 보강 철골구조에 대한 것으로, 코팅 용액을 준비하는 단계, 손상 영역을 포함하는 구조체 표면에, 상기 코팅 용액을 도포하는 단계 및 도포된 코팅 용액이 수분 증발에 의해 자기조립 되는 단계를 포함하고, 상기 손상 영역은, 깊이(h) 대비 너비(w)의 종횡비(w/h)가 0.1 내지 0.5 인 그루브인 특징을 갖는다.

본 발명에 따를 때, 별도의 장비가 요구되지 않으면서 손상 구조체의 기계적 강도에 영향을 주지 않고, 자기조립에 의한 나노효과를 선택적으로 조절 및 기능화 할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅 전 후의 변화를 나타낸 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 구조체가 코팅된 섬유 모재의 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 코팅 용액이 손상 영역에 고정 및 코팅되는 모습을 나타내는 편광현미경 사진이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 선택 코팅된 나노입자 형상을 나타내는 주사전자현미경(SEM)사진이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅 용액 유체의 거동과 나노입자의 유체상 이송에 관한 예측 시뮬레이션을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅 용액에 부유한 전구체 형태(a) 와 손상 구조체에 코팅 및 성장한 나노입자(b)를 나타내는 SAXS (소각 X선회절분석) q-I 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따라 복원된 보강 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 복원된 보강 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 비교예에 따라 복원된 보강 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 10은 비교예에 따라 복원된 보강 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 및 제조예에 따라 복원된 보강 섬유의 물성을 측정한 그래프이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 손상 구조체의 손상 영역을 복원하기 위한 코팅 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에서 상기 손상 구조체는, 손상된 영역을 포함하는 모재를 의미하며, 모재는 섬유, 철골구조, 파이프 등 일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

본 명세서에서 상기 손상 영역은, 자연적으로 생긴 결함(Defect), 스크래치, 균열, 틈 뿐만 아니라 인위적으로 만든 손상부 모두를 의미한다.

본 명세서에서 상기 복원은, 손상 영역을 포함하는 손상 구조체의 틈 또는 균열을 메워 원래의 표면으로 되돌리기 위한 과정을 모두 포함한다.

본 명세서에서, 상기 코팅은, 손상 영역 계면에 용액을 도포하는 코팅층 형성 뿐만 아니라, 구조체 내부 조직의 함침, 몰딩, 인몰드 성형, 담지 등 손상 영역 상부에 용액을 붓는 모든 행위를 의미한다.

상기 코팅 용액은, 자기조립 성질을 가지는 나노구조체를 포함할 수 있으며, 상기 나노구조체를 나노입자라고 한다. 코팅 용액으로는 물을 포함한 유기 용매가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용매는 높은 비점을 갖는 용매이면 한정되지 않으나, 바람직하게는, DMSO, DMF, DMAc 일 수 있다. 코팅 용액에 포함된 물의 비율은 나노입자에 따라 달라질 수 있으며, 이종 펩타이드 기반의 나노입자를 사용할 경우 코팅 용액 전체 20 부피% 정도의 부피 분율을 구성할 수 있다.

상기 손상 영역의 깊이는, 표면에서부터 손상 영역의 가장 깊은 곳 까지의 수직 거리를 의미하며, 손상 영역의 너비는 결함이 있는 표면의 가장 넓은 직경을 의미한다. 상기 그루브(groove)는 구조체의 표면에 존재하는 손상 영역을 의미하며, 요철 패턴, 홈 또는 그루브처럼 내부로 움푹 파인 형상이면 한정되지 않는다.

상기 손상 영역의 종횡비가 0.1 내지 0.5의 수치 범위에 해당하는 경우, 손상 영역의 복원에 적합한 코팅 용액 나노입자의 선택이 가능하다. 바람직하게는, 종횡비가 0.3 이상 0.5 이하일 경우 탄소 기반 나노입자, 종횡비가 0.1 이상 0.3 이하일 경우, 펩타이드 기반 나노입자를 사용할 수 있다.

펩타이드 나노입자는, 종횡비가 0.1 이상 0.3 이하일 때, 손상 영역의 너비에서 성장에 따른 3차원 다공성 구조체 형태의 정렬이 유도될 수 있으나, 0.3 을 초과하는 경우, 나노입자가 손상 영역의 너비에 쌓이는 것 이외에 그 주변부도 코팅되어 주변부를 완전히 덮은 2차원 시트 형태(판상 구조체) 형태로 코팅이 될 수 있다. 탄소 기반 나노입자는, 펩타이드 기반 나노입자와 반대로 응집특성이 강하고 긴 종횡비를 가지는 탄소 나노입자를 선택적으로 정렬할 수 있어서 손상 영역의 종횡비가 0.3 초과일 때 3차원 다공성 구조체 형태의 정렬이 가능하다.

더욱 바람직하게는, 손상 영역의 종횡비가 0.3이라는 기준값에 근접할수록 그루브 내부의 젖음성이 강하여, 3차원 다공성 구조체가 형성될 수 있다. 손상 영역 종횡비가 0.3 을 초과하는 조건에서는, 2차원 표면 코팅이 더 강한 구조전환의 힘을 가지게 되고, 그 결과 구조체 표면에 강하게 코팅이 되며, 3차원 다공성 구조체는 상대적으로 약하게 코팅력을 가질 것으로 예상된다.

즉, 손상 영역의 종횡비가 0.3 이 아니라면, 깊이 또는 너비를 조정하여 0.3에 근접하게 만들 수 있다. 그리고, 손상 구조체 모재의 종류에 따라 탄소 기반 나노입자 또는 펩타이드 기반 나노입자를 포함하는 코팅 용액을 선택한다면, 3차원 다공성 구조체 형상을 이루며 강한 코팅이 가능하다.

상기 손상 영역의 종횡비 기준값에 근사한 손상 영역은, 준 안정 조립체의 수소결합의 선택성과 방향성에 따라 다양한 차원의 구조 시스템 전환을 이끌어 열역학적으로 안정한 구조의 재조립을 유도할 수 있다.

이와 같이 그루브의 공간적 비율 수치화를 통해 자기조립되는 나노입자의 유체상 이동을 예상하고, 효과적인 코팅 용액의 선택이 가능할 수 있다. 이는 유체 흐름에 대한 외부 물리적 자극을 유도하는 그루브 종횡비와 내부로 유입되는 농도에 따라 자기조립되는 나노입자의 형상이 결정되기 때문이다.

상기 자기조립은 코팅 용액 내 자기 조립 성질을 갖는 나노입자에 의해 일어나며, 수분 증발에 따라 마랑고니 응력을 일으키고, 코팅 용액의 나노입자를 손상 영역 내부로 이동시킨다.

코팅 용액을 손상 구조체에 도포한 다음, 기판에 손상 구조체를 고정하고 열 처리 및 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열 처리 및 건조는, 자기 조립 단계 이전 또는 동시에 수행될 수 있다. 열 처리 온도는, 코팅 용액 내 나노입자에 따라 달라질 수 있으며, 이종 펩타이드 기반 나노입자를 포함할 경우 90 ℃ 내지 100 ℃의 범위에서 열 처리 및 건조시킬 수 있다.

손상 구조체의 복원은, 코팅 용액 용매의 종류보다 나노입자의 형태, 표면전하, 나노입자 농도에 더 의존적일 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 코팅 영역의 도포단계에서, 코팅 용액의 나노입자가 그루브 내부 안쪽 방향으로 정렬하여 적층되는 것일 수 있다.

상기 나노입자는 열, 빛, 유체 흐름 등의 자극을 통해 결합 과정에서 기하 이성질체에 영향을 주어 입체적 구조체의 전이특성을 갖게 되거나, 계면에 대한 농도 saturation에 따라 성장 방향성이 달라질 수 있다.

즉, 유체 흐름에 대한 외부 물리적 자극을 유도하는 그루브 치수 와 내부로 유입되는 코팅 용액의 농도에 따라 자기조립 나노입자의 형상과 이동 방향을 결정할 수 있다.

코팅 용액의 코팅 방울은 물과 나노입자를 포함한 방울, 둥근 드롭(drop) 형태를 의미할 수 있다. 나노입자의 코팅 방울은 증발 과정에서 손상 영역 계면으로 이동하고 그 속도가 점차 증가할 때, 이에 비례하여 나노입자가 그루브 내부로 쌓인다.

[식 1]

[식 2]

상기 식1 및 식2를 통해, 시간에 따라 반가속도가 초기에 상쇄되어 고정된 유체 방울 중심 쪽으로 나노입자가 이송될 수 있으며, 그 양은 전체 부유 입자의 50% 이상임을 나타낸다.

즉, 나노입자의 적층률은, 계면에서 쌓이는 나노입자의 농도와 반가 방향으로 유체가 흐르는 속도에 따라 결정됨을 나타내는 식이며, 식 1 및 2에서 상기 계면은, 세실드롭의 접촉선이다.

상기 세실드롭은 코팅 용액의 고정 방울(손상 영역에 충진 및 정렬된 고정 나노입자)을 의미하며, 손상 구조체 모재는 코팅 용액의 고정 방울의 유체상 흐름을 통제 또는 전이할 수 있는 수단에 해당한다.

상기 마랑고니 응력은 유체의 유동을 의미하며, 본 명세서에서의 유체는 코팅 용액을 구성하는 모든 유체를 의미한다.

상기 마랑고니 응력은, 유체 내에서의 온도 차이에 의한 밀도 구배에 의해 고온부에서 저온부로 부력 유동이 발생하는 레일레이-베나드 대류(Rayleigh-Benard Convection)와 구별된다. 코팅 용액 계면 상부에서 코팅 용액 내 나노입자와 손상 영역 간의 활성이 이루어지지 않아 평형 분배를 잃는다면, 계면 불안정성이 발생할 수 있다. 이러한 불안정성은 계면에서의 화학 반응, 증발 또는 팽창, 압축에 의해 활성화될 수 있고, 결국 마랑고니 응력을 초래한다.

마랑고니 응력에 의해 이동된 나노입자는 서로 충돌하고 오버랩되며, 강한 π-π결합에 의해 손상 영역 내부로부터 일 방향으로 정렬되어 고정될 수 있다.

상기 그루브 모양은 모두 내부로 오목하게 파인 형태이며, 손상 영역의 종횡비 측정을 위해 바람직하게는 브이자, 유자일 수 있고, 더욱 바람직하게는 브이자 형태일 수 있다.

상기 탄소나노튜브 나노입자는, 바람직하게는 손상 영역의 그루브 종횡비가 0.3 이상 0.5 이하일 때 코팅 영역의 나노입자로 사용될 수 있다. 그러나, 손상 영역의 그루브가 0.1로 넓은 그루브를 가질 때에도 높은 표면친화성을 가져 fibrous 형상으로 코팅되며 넓은 분포로 손상된 표면을 덮는 것을 확인할 수 있어, 손상 구조체 모재에 따라 0.1 일 때도 탄소나노튜브 나노입자의 사용이 가능하다.

상기 저분자량 펩타이드 나노입자는 펩타이드 나노구조체를 의미하고, 외부 자극(열, 빛, 유체흐름) 혹은 첨가제 도입을 통하여 구조적 전이 특성을 가진다. 자극과정을 통해 결합 상 기하 이성질체에 영향을 주어 선형에서 입체 구조체의 전이특성을 갖게 되거나, 계면에 대한 농도 saturation에 따라 성장 방향성이 달라진다.

상기 다이페닐알라닌은, 사이클로 다이페닐알라닌일 수 있고, 손상 영역 그루브의 종횡비 0.1 이상 0.3 이하에서 코팅 용액의 나노입자로 사용될 수 있다. 그루브 종횡비 약 0.3 경계 값은 펩타이드 나노구조체(Cyclo-FF NWs) 적용 시, 입체적 구조의 조립이 발생하는 경계 치수에 해당할 수 있다.

또한, 수상 분산된 IMNT 나노재료는, 손상 구조체로서 폴리아마이드 섬유를 모재로 하는 경우, 표면 친화성은 약하나 그루브 내부 깊숙하게 코팅이 되는 형상을 관찰할 수 있다.

상기 코팅 용액의 용매는, 나노입자와 물을 용해하기 위한 분산매이며, 높은 비점을 갖는 것을 특징으로 한다.

물은, 바람직하게는 코팅 용액 전체의 20 부피%의 조성을 가질 수 있으며, 해당 조성의 물을 포함할 경우, 유체 흐름에 의한 마랑고니 응력을 일으키면서 나노입자가 손상 영역 내부로 이동하고, 3차원 다공성 구조체 형상으로 자기조립될 수 있다.

상기 3차원 다공성 구조체는 바람직하게는 손상 영역 그루브의 종횡비 0.3 에서 펩타이드 나노입자의 경계값이 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 손상 구조체의 손상 영역 복원을 위한 코팅 방법은, 손상 구조체를 복원하기 위해 코팅재료를 선택하는 과정이 필요한 경우 제한없이 적용 가능하다.

특히, 바람직하게는 치과용 복원재료 선택에 적용 가능하며, 레진, 아말감, 금 등의 기존 치과용 재료를 대체 가능하다. 손상 치아의 종횡비를 계산하고, 손상 영역 경계값 0.3의 근사값에 포함되게 가공한 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자를 포함하는 코팅용액으로 복원할 수 있다.

상기 섬유는 특별히 종류를 한정하지 않으나, 바람직하게는, 폴리아마이드 계열일 수 있다.

상기 섬유는 치과용 섬유 강화 복합 재료를 포함한다.

상기 철골구조는 파이프를 포함할 수 있다.

이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

<실시예1. 손상 영역 종횡비(w/h) < 0.3 손상 섬유 펩타이드 나노입자 코팅>

1. 펩타이드 전구체 코팅 용액 제조

다이페닐알라닌 (FF) 2 mg를 DMSO 수용액 (20% 증류수)에 넣은 후 2시간 동안 교반시켜 코팅 용액을 수득하였다.

2. 펩타이드 전구체 섬유 모재 위 표면 코팅

코팅 용액 20-30 마이크로 리터의 소량 방울만 고정된 섬유 모재에 떨어트린 후, 90-100도에서 열처리하였다.

다시 1단계에서 제조한 코팅 용액을 w/h < 0.3 의 손상 영역을 갖는 손상 섬유 모재 위에 코팅하였다. 상기 섬유 모재는 polyamide 계열로 깊이(h)가 30 마이크론, 너비(w)가 10 마이크론 미만인 섬유를 사용하였다.

<실시예2. 손상 영역 종횡비(w/h)> 0.3 손상 섬유 펩타이드 나노입자 코팅>

w/h > 0.3 의 손상 영역을 갖는 깊이(h)가 30 마이크론, 너비(w)가 10 마이크론 이상인 polyamide 계열을 사용한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 수행하였다.

<실시예3. 손상 영역 종횡비(w/h)> 0.3 손상 섬유 CNT 나노입자 코팅>

전술한 실시예2의 1단계에서 다이페닐알라닌 대신 CNT를 사용한 것을 제외하고 실시예2와 동일하게 실시하였다.

<비교예1. 코팅 용액의 나노입자 농도 조절>

전술한 실시예2의 1단계에서 다이페닐알라닌을 2 mg이 아닌 10 mg으로 과량을 넣어 DMSO 수용액 (20% 증류수)에 넣은 후 2시간 동안 교반시켜 10mg/ml 농도의 코팅 용액을 수득한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하였다.

<비교예2. 열 처리 온도 조절>

코팅 용액의 제조 및 코팅 후 열 처리 건조 온도로 120 도의 높은 온도에서 건조한 것 이외에 실시예2와 동일하게 실시하였다.

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 결과를 관찰할 때, 실시예 1에서는 섬유 모재 표면 위, 손상 영역 내부의 코팅 특성 모두를 확인하였다. 도1, 도3 및 도4를 참조할 때, 섬유 모재 부여 공간에 고정 및 코팅됨을 확인할 수 있다.

실시예 2의 경우 공간적 구조, 특히 w/h > 0.3 이상 (넓은 폭의 dent) 형상을 갖는 섬유 모재 표면 위 코팅은 실시예1와 다르게 코팅특성을 확인할 수 없다(도 7 참조).

실시예3의 경우, 코팅 용액은 긴 종횡비 특성의 탄소나노튜브를 나노입자로 이용하여 코팅한 결과이며, 넓은 폭의 dent 임에도 나노소재의 충진 및 정렬된 고정 형상을 확인할 수 있다(도 8 참조).

즉, 손상 영역의 종횡비에 따라 적절한 코팅 용액의 나노입자 종류가 달라질 수 있다.

비교예1, 2는, 최적의 코팅 용액의 농도와 열 처리 온도 조건을 도출하기 위한 실험예에 해당한다.

비교예1을 관찰할 때, 농도가 높으면 과량이 소재 입자가 섬유모재 dent 에 쌓이는 것 외에도 그 주변부 역시 코팅이 되는 것을 확인할 수 있었다. 주변부의 코팅에 의하여 나노입자의 성질이 주변부 모재와 상호작용하고, 섬유 모재의 미세구조가 변화됨을 확인할 수 있었다(도 9 참조).

비교예 2를 관찰할 때, 유체 상 코팅 이후, 열처리 온도가 높게 수행되면 나노입자의 상변형에 영향을 주어 2차원에 한하여 판상 구조체를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다(도 10 참조).

실시예1과 비교예1에 따라 제조된 보강 섬유의 기계적 물성 변화를 확인하기 위해 인장강도 특성을 비교하였으며(하기 도11참조), 이를 통해, 코팅 나노입자의 성장 및 섬유 모재의 미세구조 변화에 따라 기계적 물성 강화 효과를 확인하였다.

그리고 도 5는, 실시예 1에 따라 코팅용액 유체의 거동과 나노입자의 유체 상 이송에 관한 예측 시뮬레이션을 나타낸 그래프이다. X 축은 코팅 용액의 반가 속도 (Radial velocity) 이고, Y축은 나노입자가 접촉선 계면에서 쌓이는 입자의 농도(방울 수)를 상대적인 비율로 나타내었다. 그 결과, 시간에 따라 기판 위 고정된 나노입자 코팅 방울은 증발과정에서 계면으로 이동하고 그 속도가 점차 증가할 때, 입자의 쌓임 또한 비례 관계임을 확인할 수 있다. 상기 실시예에 의한 코팅 과정은 섬유 모재에 파인 모양 혹은 공간적 구조(손상 영역) 종횡비 0.3에 근사하게 부여했을 때, 시간에 따라 반가속도가 초기에 상쇄되며 고정된 유체 방울 중심 쪽 (안쪽으로)으로 입자가 이송되며, 그 양은 전체 부유 입자의 50% 이상임을 나타내었다.

또한, 도 6은 실시예 1에 따라 코팅 용액에 (a)부유한 나노입자 전구체 형태와 섬유 모재에 코팅 및 (b)성장한 나노입자를 나타내는 SAXS (소각 X선회절분석) q-I 그래프이다. 도 6을 참조할 때, q= 0.02 내지 0.03 범위에서 (a)는 원형의 응집 형상을 보이며, (b)에서는 특정방향으로 정렬된 결정입자의 구조체를 보임을 확인할 수 있었다. 깊이(h) 30 마이크론과 다양한 너비(w)에 따른 손상 영역을 포함하는 섬유 모재의 젖음성을 나타낸 그래프를 참조할 때, 종횡비가 0.3에 근접할수록 그루브 내부 젖음성이 강해지는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims

손상 구조체의 손상 영역을 복원하기 위한 코팅 방법으로,
코팅 용액을 준비하는 단계;
손상 영역을 포함하는 구조체 표면에, 상기 코팅 용액을 도포하는 단계; 및
도포된 코팅 용액이 수분 증발에 의해 자기조립 되는 단계;
를 포함하고, 상기 손상 영역은, 깊이(h) 대비 너비(w)의 종횡비(w/h)가 0.1 내지 0.5 인 그루브인 것이며,
상기 자기조립 단계에서, 상기 손상 영역의 내부 또는 표면에 3차원 다공성 구조체 또는 2차원 시트가 형성되는, 손상 구조체 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 코팅 용액의 도포단계에서, 코팅 용액의 나노입자가 그루브 내부 안쪽 방향으로 정렬하여 적층되는 것인, 손상 구조체 코팅 방법.
제2항에 있어서,
상기 코팅 용액의 나노입자 적층률은, 하기의 식 1 및 식 2에 의하는 것인, 손상 구조체 코팅 방법.
[식 1]

[식 2]

(여기서, V _r 은 분산매가 고정된 방울 반가 방향으로 퍼지는 속도인 반가속도, N _cum 은 계면에서 쌓이는 나노입자의 수, r ₀ 은 초기 유체의 반가 위치, r ₀ (t)는 시간에 따른 나노입자 유체 흐름의 초기 위치(t: 증발시간-유체흐름 시간), V _r (r(t),t)는 반가위치와 시간에 따른 유체 속도 함수, C ₀ 는 고정된 내부 세실드롭(sessile drop) 내 분산 입자의 초기 농도, R은 고정된 세실드롭(sessile drop)이 초기에 계면을 이루는 접촉선의 반지름, h _i 은 고정된 세실드롭(sessile drop)의 초기 높이임)
제1항에 있어서,
상기 코팅 용액의 코팅 방향은, 마랑고니 응력에 의해 손상 영역 내부로 유도되는 것인, 손상 구조체 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 손상 영역은, 브이자(V), 유자(U), 또는 더블유자(W) 모양 그루브 인 것인, 손상 구조체 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 코팅 용액은, 탄소나노튜브 나노입자, 저분자량 펩타이드 나노입자 또는 이 둘 모두를 포함하는, 손상 구조체 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 저분자량 펩타이드 나노 입자는, 다이페닐알라닌(FF)를 포함하는, 손상 구조체 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 코팅 용액은, 다이메틸 설폭사이드(DMSO), 다이메틸 포름아마이드(DMF), 다이메틸 아세트아마이드(DMAc) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 용매와 물을 포함하는, 손상 구조체 코팅 방법.
제8항에 있어서,
상기 물은, 코팅 용액 전체 대비 10 부피% 내지 30 부피%의 조성을 갖는, 손상 구조체 코팅 방법.
삭제
제1항의 손상 구조체 코팅 방법에 따라 복원된, 보강 섬유.
제1항의 손상 구조체 코팅 방법에 따라 복원된, 보강 철골구조.