KR20040100839A - 미세구조화된 표면을 가지는 고체 물체 - Google Patents

미세구조화된 표면을 가지는 고체 물체 Download PDF

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로렌쯔한스
브란트노르베르트
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룀 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은 돌기가 0 내지 2mm의 범위에서 높이(H)의 최소치와 최대치를 가지고, 당해 최소 높이와 최대 높이가 0.005 내지 20mm의 파장 범위로 서로 주기적으로 연속되고, 인접 돌기들의 열의 간격이 0.002 내지 5mm이고, 열들 사이의 골짜기 형태 부분은 평면 형태이거나, 곡면 형태이거나, 끝이 뾰족한 형태일 수 있으며, 횡단면상의 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들의 쐐기각( α) 범위가 20 내지 60°임을 특징으로 하는, 횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들을 갖는, 주방향으로 배향되는 열들을 갖는 미세구조화된 표면을 적어도 부분적으로 가지며, 플라스틱, 유리, 세라믹, 또는 금속으로 이루어진 고체 물체에 관한 것이다.

Description

미세구조화된 표면을 가지는 고체 물체 {Solid body having microstructured surface}
기계적 수단에 의해 제조된 미세구조화된 표면을 갖는 고체 물체는 본질적으로 공지되어 있으며, 당해 물체는 자연에 존재하는, 마찰을 감소시키는 물리적 원리, 예컨데 상어의 피부를 모방한 것이다. 따라서 이들은 또한 흔히 "샥스킨(sharkskin)"이라 불린다. 표면을 적절히 구조화하면, 기체 또는 액체가 난류 상태로 유동하는 경우 마찰 저항 또는 유동 저항의 감소를 관찰할 수 있다.
독일 공개특허공보 제36 09 541 A1호는, 유동물질이 표면 위로 난류식으로 유동하는 물체의 벽 전단 응력이 감소되는 표면(당해 표면은 유동 방향으로 통하고 경사진 가장자리들에 의해 형성된 갈비뼈 형태 돌기(rib)들에 의해 서로 이격된 채널들을 갖는다)에 의해 유동저항이 감소되는 것에 대해 기술한다. 이 경우 갈비뼈 형태 돌기는 연속적인 열들로서 평행하게 배열되는 것이 아니고 각각 서로로부터 분지되어 나온다.
유럽 공개특허공보 제0 846 617 A2호는, 유동의 주방향을 가지는 유동이 난류식으로 표면 위로 유동하는 벽을 위한 표면(당해 표면은 유동 방향으로 배열되어 있고, 유동의 주방향에 대해 측방향으로 이격되어 있는 갈비뼈 형태 돌기로서 높이가 갈비뼈 형태 돌기간 간격의 40 내지 60%인 갈비뼈 형태 돌기를 갖는다)에 대해 기술한다. 갈비뼈 형태 돌기들은 쐐기각이 20 내지 50°인 쐐기 형태가 존재하는 방식으로 형성된다. 열들 사이의 골짜기(valley) 형태 부분은 평면 형태이거나 곡면 형태일 수 있다.
문제점과 해결책
독일 공개특허공보 제36 09 541 A1호에 기재된 표면은, 갈비뼈 형태 돌기 소자들의 교호로 인해, 힘들게 또는 고비용을 들여 제조되고, 동시에 이들의 마찰 감소 효과는 미미하다는 단점이 있다.
유럽 공개특허공보 제0 846 617 A2호에 기재된 구조물은, 표면이, 당해 표면 위로 유동하는 유동 물질이 비교적 낮은 마찰에 의해 균질한 방식으로 유동하도록 한다. 하지만 미세구조물들의 규칙적인 배열은, 표면과 당해 표면 위로 유동하는 매질인 유체 또는 기체 사이에서 비교적 얇은 경계층만이 형성되게 하는 효과를 가져서, 마찰 유도 전단 응력의 방지에 대해 최적이지 않다. 따라서 유동이 교란되기 쉽고, 심지어는 유동이 중단될 수도 있다.
선행 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은, 마찰저항 또는 유동저항을 보다 더 감소를 감소시킬 수 있는 미세구조화된 표면을 갖는 고체 물체를 개발하는 것이다.
선행 기술의 문제점은, 본 발명에 따라,
돌기가 0 내지 2mm의 범위에서 높이(H)의 최소치와 최대치를 가지고,
당해 최소 높이와 최대 높이가 0.005 내지 20mm의 파장 범위로 서로 주기적으로 연속되고,
인접 돌기들의 열의 간격이 0.002 내지 5mm이고, 열들 사이의 골짜기 형태 부분은 평면 형태이거나, 곡면 형태이거나, 끝이 뾰족한(tapered) 형태일 수 있으며,
횡단면상의 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들의 쐐기각( α) 범위가 15 내지 75°인 것을 특징으로 하는, 횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들을 갖는, 주방향으로 배향되는 열들을 갖는 미세구조화된 표면을 적어도 부분적으로 가지며, 플라스틱, 유리, 세라믹, 또는 금속으로 이루어진 고체 물체에 의해 해결된다.
본 발명에 따르는 고체 물체는 특히, 기체 또는 유체가 표면 위로 유동하는 경우 매우 낮은 마찰 저항 또는 유동 저항을 나타내는 이점이 있다. 이는 특히, 횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들의 열들을 갖는 표면 구조에 의해 성취된다.
동시에, 돌기 높이(H)의 최소치와 최대치가 0 내지 2mm 범위이고, 당해 최소 높이와 최대 높이가 0.005 내지 20mm 범위의 파장으로 주기적으로 연속되는 것은, 본질적으로 다소 균질하지 않은 표면 유동(overflow)을 비교적 장거리에 걸쳐서도 중단되지 않게 하는 효과를 거둔다. 본 발명에 따르면, 이러한 구조에 의해 선행 기술보다 전반적으로 더 좋은 결과가 얻어진다.
본 발명은 횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들을 갖는, 주방향으로 배향되는 열(row)들을 갖는 미세구조화된 표면을 적어도 부분적으로 가지며, 플라스틱, 유리, 세라믹 또는 금속으로 이루어진 고체 물체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 당해 고체 물체의 제조방법과 가능한 용도에 관한 것이다.
본 발명은 하기 도면에 의해 설명되나, 이에 제한되지는 않는다.
도 1a:
쐐기각 상수( α)가 대략 60°이고 골짜기 형태 부분의 끝이 뾰족한 쐐기 형태 미세구조물들로 이루어진 평행한 열들(평행한 열들은 돌기들의 높이방향에서 사인곡선 형태로 파동치듯이 배열된다)을 갖는 압출된 플라스틱 시트에 대한 상기한 구조의 상세도이다. 미세구조물들은 횡단면 기준 너비에서 주기적으로 파동치듯이 배열된다. 횡단면 A-A, B-B 및 C-C의 상호간의 간격은 각각 반파장이다. 인접한 열들의 최소 및 최대 높이 프로파일은 반파장에서 상쇄된다. 도면의 화살표는 압출 방향을 나타낸다.
도 1b:
도 1a의 횡단면 A-A, B-B 및 C-C의 도식도이다. 횡단면 A-A, B-B 및 C-C는 평행한 열들에서 연속되는 돌기들의 높이(H)의 최소치와 최대치, 끝이 뾰족한 골짜기 형태 부분 및 파동치는 형상을 갖는 횡단면 기준 너비를 나타낸다.
도 1c:
횡단면에서의 높이(H), 횡단면 기준 너비(B) 및 쐐기각( α)을 갖는, 대칭 사다리꼴 프로파일을 갖는 돌기(좌측) 및 대칭 쐐기 프로파일을 갖는 돌기(우측)를 나타낸다.
본 발명은 횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들을 갖는, 주방향으로 배향되는 열들을 갖는 미세구조화된 표면을 적어도 부분적으로 가지며, 플라스틱, 유리, 세라믹 또는 금속으로 이루어진 고체 물체에 관한 것이다.
구성 물질
플라스틱, 특히 열경화성 플라스틱이 바람직하며, 특히 열가소성 수지가 특히 바람직하다. 열가소성 수지의 경우, 비결정질 플라스틱이 바람직하다.
적합한 플라스틱은, 예를 들면, 폴리메틸 메타크릴레이트 플라스틱, 내충격성 개질된 폴리메틸 메타크릴레이트 플라스틱, 폴리카보네이트 플라스틱, 폴리스티렌 플라스틱, 스티렌-아크릴로니트릴 플라스틱, 폴리에틸렌 테레탈레이트 플라스틱, 글리콜 변성된 폴리에틸렌 테레탈레이트 플라스틱, 폴리비닐 클로라이드 플라스틱, 투명 폴리올레핀 플라스틱, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 플라스틱 또는 기타 열가소성 수지와의 혼합물(블렌드)이 있다.
내후성 플라스틱은, 예를 들면, 폴리메타크릴레이트 플라스틱 및/또는 내충격성 개질된 폴리메타크릴레이트 플라스틱, 폴리비닐리덴 플루오라이드 플라스틱 및/또는 폴리메타크릴레이트 플라스틱및 폴리비닐리덴 플루오라이드 플라스틱 및/또는 폴리카보네이트 플라스틱의 혼합물이 바람직하다.
높은 수준의 표면 경도를 가지는 플라스틱이, 상부 표면유동에 의해 발생하는 연삭 마모를 방지하기에 특히 적합하다.
액정 중합체 역시 적합하다.
금속의 경우, 알루미늄 및 티탄, 및 당해 금속의 합금 및 또한 가능하게는 마그네슘 합금이 언급될 수 있다.
표면의 구조화
돌기 높이(H)의 최소치는 0 내지 2mm 범위이다. 최소치 높이는 바람직하게는 0.001 내지 1mm 범위이며, 특히 바람직하게는 0.01 내지 0.1mm 범위이다.
돌기 높이(H)의 최대치는 0 내지 2mm 범위이다. 최대치 높이는 바람직하게는 0.001 내지 1mm 범위이며, 특히 바람직하게는 0.01 내지 0.1mm 범위이다.
이 경우 최대 높이는 항상 최소 높이보다 크다. 최대 높이는 바람직하게는 최소 높이보다 적어도 0.001mm, 특히 바람직하게는 적어도 0.01mm 크다.
돌기의 높이는 골짜기 형태 부분과 연관되어 정해진다. 골짜기 형태 부분이 기준면에 존재하면, 돌기들의 높이는 이와 연관되어 파동치듯 변화한다. 돌기가 기준면에 존재하고 골짜기 형태 부분들의 깊이가 파동치듯 변하는 것(이에 의해, 돌기들의 높이 역시 파동치듯 변한다) 또한 이론적으로 가능하다. 하지만 최소 높이는 바람직하게 0mm 보다는 크다.
최소 높이와 최대 높이는, 0.005 내지 20mm, 바람직하게는 0.05 내지 5mm의 파장 범위로 주기적으로 서로 연속된다. 사인곡선 형태의 파동 프로파일이 바람직하다.
인접한 돌기들의 열들 사이의 상호간의 간격은 0.02 내지 5mm, 바람직하게는 0.005 내지 0.5mm, 특히 바람직하게는 0.02 내지 0.2mm이고, 열들 사이의 골짜기 부분은 평면 형태이거나, 곡면 형태이거나, 끝이 뾰족한 형태일 수 있다. 돌기들의 열들은 바람직하게는, 주방향으로 서로 평행하게 늘어선다.
횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태인 돌기는 쐐기각( α, 도 1c 참조)이 15 내지 75°, 바람직하게는 30 내지 60°, 특히 바람직하게는 30 내지 45°범위이다. 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 횡단면은 바람직하게는 대칭이지만, 약간 또는 상당히 비대칭인 것 또한 가능하다. 하지만 후자의 경우, 유동 기술적인 측면에서 실행하기에 더 문제가 있고, 생산 기술적인 측면에서 실행하기가 더 어렵다. 이 경우, 각 α와 마주보는 각 α'는 각 α와 다르나, 각 α에 대해 지정한 범위 내에 있어야 한다. 결과적으로 기능상에 중대한 손상이 없다면, 횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태인 돌기로부터 변형된 형태 및 약간 수정된 형태, 및 당해 형태들의 혼합이 하나의 표면에서 사용될 수도 있다.
또한 돌기들은 횡단면 기준 너비(B) 내에서 주기적으로, 파동치는 형상으로 늘어설 수 있다.
돌기들은 이들의 주방향으로 똑바로 늘어설 수 있거나, 주방향에 대해 측면방향으로, 바람직하게는 사인곡선 형태로 진동하듯이 늘어설 수 있다. 돌기 측면 프로파일이 주방향에 대해 측방향으로 진동하는 형태인 경우, 측면 진동의 파장은 0.005 내지 20mm, 바람직하게는 0.001 내지 10mm, 특히 바람직하게는 0.01 내지 1mm일 수 있다.
각각의 열에서 돌기의 쐐기각( α)이 일정한 것이 바람직하다.
인접한 열들의 돌기들의 주기적인 높이 변동은, 특히 바람직하게는, 반파장에 의해, 특히 사인곡선 형태의 한개의 파장의 절반에 의해 교호 방식으로 서로 상쇄되는 것이 바람직하다. 당해 높이 프로파일은, 바람직하지 않은 공명 진동 및/또는 음향 진동의 발생이 상당히 감소되는 이점을 가진다.
본 발명을 기준으로 하여, 당해 분야의 숙련가에게는, 본원 명세서에 기재된 표면 구조물이 어떠한 방법으로 또는 명시되지 않은 기타 방법으로, 이들 구조물의 기능을 심하게 변화시키지 않고 수정할 수 있음이 명백하다. 당해 수정들은 본 발명에 포함되는 것으로 간주한다.
제조 방법
고체 물체 또는 이에 상응하는 형상의 부품의 제조는, 1차 성형법, 재성형법, 연마 가공 또는 증착 기술, 예를 들면, 엠보싱(embossing)법, 칩제거 가공, 캐스팅, 주입 성형, 고에너지 조사(예를 들면, 레이저 빔), 사진식각 기술 등에 의한 미세구조물의 복제에 의해 가능하다.
플라스틱의 경우 적절한 방법은, 중합 개시제를 함유한 중합체 혼합물(예를들면, 메틸 메타크릴레이트 및 폴리메틸 메타크릴레이트의 시럽)이 1차 금형에서 복제되는 방법이다. 당해 플라스틱은, 예를 들면, 네가티브형으로 복제된 미세구조물을 갖는 유리판일 수 있다.
열가소성 수지의 경우, 예를 들면, 압출된 시트 또는 필름을 엠보싱 롤러(roller), 바람직하게는 금속 롤러를 통과시킬 수 있으며, 당해 수지는 네가티브형으로 복제된 미세구조물을 갖는다.
미세구조물이 엠보싱하기 쉬운 층에 압인되는(그 아래에 놓인 플라스틱 층은 사실상 지지체 기능을 하는 것으로 보인다) 동시압출법을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 유럽 공개특허공보 제659 531호는 미세구조물[프레즈넬 렌즈(Fresnel lense)]를 압인하기 위한 유사한 동시압출법에 대해 기술하고 있으며, 당해 방법은 당해 기술 분야의 숙련가들에게는 일상적인 방법으로 개조한 후에도 원칙적으로 미세구조물에 적절하다.
고체 물체의 사용
본 발명에 따르는 고체 물체는, 운송수단(비행기, 선박, 또는 자동차)의 표면을 유동하는 공기 또는 물의 마찰을 감소시키기 위한 마찰 감소 표면을 갖는 부재로서, 또는 유체가 라인(line) 및 탱크(tank)에서 고속으로 유동할 경우 유체 유동의 마찰을 감소시키기 위한 라인 및 탱크로서, 또는 보호가 필요한 표면에 대한 오염물의 부착을 감소시키기 위해, 또는 항균성 표면으로서, 또는 광굴절 및/또는 확산성 광산란 표면으로서, 또는 무반사 피복된 표면으로서 사용될 수 있다.
유리한 유동 특성과는 별개로, 광학적, 촉감적, 접착성 및/또는 열역학적 효과 역시 기술적으로 성취될 수 있고, 당해 효과들은 반가공되거나 완전가공된 플라스틱 부품들에 있어서 이들의 표면에 대해 바람직하게 요구된다.
유용한 효과
본 발명은, 본 발명에 따라 구조화된 표면 위에서 유동하는 유체 또는 기체(특히, 공기)의 마찰을 보다 더 감소시키고자 하는 요망을 바람직하게는 채널 또는 돌기 구조물의 사인곡선 형태의 높이 프로파일 및/또는 사인곡선 형태의 측면 프로파일에 의해 성취함으로써, 상기 선행 기술의 기하학적 구조를 개선한 것이다. 이로 인해, 작고 국지적인 와류(vortex)가 생성되어 대체로 같은 상태를 유지하고, 유동되어 지나간 유체에 대하여 개선된 경계층을 형성하며, 당해 경계층에서 마찰 유도 전단 응력이 더 잘 억제될 수 있으며, 그 결과 표면 위에서의 유체 또는 기체의 지연 마찰 효과가 감소된다.
마찬가지로, 공지된 기하학적 구조에 비해 구조물의 불규칙성이 비교적 더 크기 때문에, 유해한 공명 진동의 발생이 상당히 감소된다. 오염물이 있는 경우, 국부적인 돌출부들(최대 높이를 갖는 사인곡선 형태 돌기들)은 표면 연마에 사용되거나 표면의 완전 습윤화에 대한 저항에 사용되는 지점들을 제공하며, 이에 의해 오염물로 이루어진 층의 응집성 구조가 파괴되어 오염물 섬들로 분할되어 이들 부분이 경사진 돌기 측면들에 의해 쉽게 세척되어 제거될 수 있다. 그 결과, 자가 세척 효과가 얻어진다.
표면에 살생물 작용제가, 예를 들면, 피복물로서 제공되거나 기제 조성물 속에 동시압출되거나 도입되어 제공되는 경우, 균일한 구조물과 비교하여 표면적이 증가됨으로 인해 살생물제의 작용을 보조하여 향상시키는 전반적인 효과를 거둔다.
광학적 특성: 본 발명에 따르는 구조물은 표면에서의 광반사를 감소시킨다. 게다가 특히, 투명 내지 반투명 및 무색의 또는 유색의 플라스틱으로부터 일어날 수 있는 표면으로부터의 빛의 굴절과 재출현에 의해, 장식적인 색상과 광채 효과가 얻어진다. 본 발명의 구조화된 표면은 매우 우수한 그립(grip)에 의한 수용(holding)을 제공하는데, 그 이유는, 돌기들의 돌출부들이, 국부적으로 돌출된 돌출부가 없는 평평한 구조물에 비해, 보다 깊숙히 국부적으로 표피, 섬유 직물, 피혁 등의 속으로 압착될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따르는 구조물은 비결정질, 부분 결정질, 가교결합되거나 가교결합되지 않은 플라스틱으로부터, 그리고 금속 및 저융점 유리로부터의 주로 평평한 표면으로부터 1차 성형 또는 재성형 방식에 의해 제조될 수 있거나, 칩제거 방식 또는 고에너지 조사에 의해 가공될 수 있다.

Claims (8)

  1. 돌기가 0 내지 2mm의 범위에서 높이(H)의 최소치와 최대치를 가지고, 당해 최소 높이와 최대 높이가 0.005 내지 20mm의 파장 범위로 서로 주기적으로 연속되고, 인접 돌기들의 열의 간격이 0.002 내지 5mm이고, 열들 사이의 골짜기 형태 부분은 평면 형태이거나, 곡면 형태이거나, 끝이 뾰족한 형태일 수 있으며, 횡단면상의 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들의 쐐기각( α) 범위가 20 내지 60°임을 특징으로 하는,
    횡단면상으로 사다리꼴 형태 또는 쐐기 형태의 돌기들을 갖는, 주방향으로 배향되는 열들을 갖는 미세구조화된 표면을 적어도 부분적으로 가지며, 플라스틱, 유리, 세라믹, 또는 금속으로 이루어진 고체 물체.
  2. 제1항에 있어서, 돌기들이 횡단면 기준 너비(B)에서 주기적으로 파동치듯이 배열되어 있음을 특징으로 하는 고체 물체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 열에서 돌기의 쐐기각( α)이 일정함을 특징으로 하는 고체 물체.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 돌기가 0.005 내지 20mm의 측면 진동 파장으로, 주방향에 대해 측방향으로 진동하는 프로파일을 가짐을 특징으로 하는 고체 물체.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 인접한 열들의 돌기들의 주기적인 높이 변동이 교호 방식으로 서로에 대해 상쇄됨을 특징으로 하는 고체 물체.
  6. 제5항에 있어서, 인접한 열들의 돌기들의 주기적인 높이 변동이, 각각의 경우에, 교호 방식으로 반파장에 의해 서로에 상쇄됨을 특징으로 하는 고체 물체.
  7. 1차 성형법, 재성형법, 연마 가공 또는 증착법, 특히 엠보싱법, 칩제거 가공, 캐스팅, 주입 성형, 고에너지 조사 및/또는 사진식각 기술로 미세구조물을 복제함으로써 본질적으로 공지되어 있는 방법으로 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따르는 고체 물체를 제조하는 방법.
  8. 운송수단(비행기, 선박, 또는 자동차)의 표면을 유동하는 공기 또는 물의 마찰을 감소시키기 위한 마찰 감소 표면을 갖는 부재로서의, 또는 유체가 라인 및 탱크에서 고속으로 유동할 경우 유체 유동의 마찰을 감소시키기 위한 라인 및 탱크로서의, 또는 보호가 필요한 표면에 대한 오염물의 부착을 감소시키기 위한, 또는 항균성 표면으로서의, 또는 광굴절 및/또는 확산성 광산란 표면으로서의, 또는 무반사 피복된 표면으로서의, 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따르는 고체 물체의 용도.
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