KR20100003419A - 초발수 필름 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필름기재의 표면에 초발수(Superhydrophobic) 처리를 위한 연꽃 무늬 형상을 효과적으로 구현하기 위해, 다공성 실리카 나노 입자와 수지액을 혼합한 용액을 균일한 패턴 형상의 필름기재상에 도포하고 이를 몰드(Mold)기판으로 하여 임프린팅(Imprinting)함으로써 저가로 대량 제조할 수 있는 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, (a)균일한 패턴 형상의 마스터 필름기재를 준비하는 단계; (b)일정 크기의 다공성 입자를 수지액과 일정무게비로 혼합하여 도포용 혼합물을 제조하는 단계; (c)상기 도포용 혼합물을 상기 마스터 필름기재 상에 도포하여 돌기형 박막을 형성시키는 단계; (d)상기 돌기형 박막이 형성된 상기 마스터 필름기재를 실온 경화시키는 단계; 및 (e)상기 실온 경화시킨 마스터 필름기재를 몰드(Mold)기판으로 하여 상기 돌기형 박막 형상이 전사(transcription)되도록 임프린팅(Imprinting)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래에 비해 간단한 공정과 경제적인 비용으로 고성능 초발수 필름을 제조할 수 있게 되어, 초발수 필름이 적용될 수 있는 각종 산업 분야에서 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 따르면, 마스터로 사용될 초발수 필름을 우선 제조하고 이를 몰드기판으로 임프린팅하여 초발수 필름을 저가로 대량생산하는 것이 가능하기 때문에 본 발명이 적용되는 초발수 처리가 요구되는 분야인 제지산업의 내유 가공제, 화장품 산업의 기능성 무기 분체, 섬유 및 피혁산업의 발수제 등 일상 생활의 각종 제조기술은 물론, 전자 제품의 내지문 필름, 금속 소재의 부식방지 소재, 자동차 외장코팅소재, 고분자 가공 분야의 정밀 이형 기술 분야, 냉동기의 열교환기를 비롯하여, 각종 재해방지 시설에도 다양하게 경제적으로 적용할 수 있게 되어, 산업 전반의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술적 이점이 있다.
초발수, 필름, MLA

Description

초발수 필름 및 이의 제조 방법{Superhydrophobic film and the method thereof}
본 발명은 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필름기재의 표면에 초발수(Superhydrophobic) 처리를 위한 연꽃 무늬 형상을 효과적으로 구현하기 위해, 다공성 실리카 나노 입자와 수지액을 혼합한 용액을 균일한 패턴 형상의 필름기재상에 도포하고 이를 몰드(Mold)기판으로 하여 임프린팅(Imprinting)함으로써 저가로 대량 제조할 수 있는 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
초발수 처리(Superhydrophobic Treatment)는 고체의 표면을 물리화학적으로 표면개질하여 고체의 표면에 액체가 접촉할 때 전진접촉각(Advancing Contact Angle)이 150도 이상 내지는 흐름각(Sliding Angle)이 10도 이내가 되도록 하는 기술을 말한다.
도 1은 일반적인 연꽃 무늬의 초발수 현상을 설명하기 위한 사진이다.
자연계에서 흔히 관찰할 수 있는 초발수 현상은 도 1에 도시된 연꽃 무늬에 서 볼 수 있는데, 연꽃잎에 형성된 구형에 가까운 물방울 맺힘 또는 구름 현상이 그것이다.
초발수 처리는 이와 같이 자연계에서 이미 나타나고 있는 현상을 규명하여 손쉽게 산업적으로 이용하기 위한 초발수 표면의 물리화학적 제작 및 해석, 응용등을 말한다.
연꽃 무늬에서 볼 수 있는 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. 종래에는 이와 같은 연꽃잎 표면의 돌기 형상을 형성하는 것이 어려워 표면 에너지가 작은 소수성 관응기를 갖는 과불소기 및 실리콘기를 함유하는 고분자들을 주로 사용하여 표면을 소수성으로 처리하였다. 대한민국 특허출원 제2006-7022073호에 개시된 종래 기술은, (i)플루오로화 화합물, 및 (ii)융점이 35℃ 이하이고, 수용해도가 25℃에서 10 중량% 이하인 알파히드록시산의 에스테르 유도체를 포함하는 수성 조성물을 사용하여 열 처리 없이 주위 조건에서 도포하는 방법에 관한 것이며, 이와 달리 대한민국 특허출원 제 2004-0058301호에 개시된 또 다른 종래 기술은, 표면보호 필름으로 사용하기 위해 필름의 일면에는 약점착층을 형성시키고, 필름의 이면에는 불소카본수지 0.001 내지 0.5g/㎡를 함유한 대전방지 코팅층을 형성시켜, 표면의 이물을 쉽게 제거할 수 있음은 물론 세정 시 필름의 대전방지 기능 저하를 방지할 수 있는 발수기능을 갖는 필름에 관한 것이 소개되고 있다.
그러나 이러한 종래의 기술들은 불소 및 불소가 함유된 고분자를 이용한 발 수 기능을 제공하는데, 고가의 불소 수지 및 이의 복잡한 공정으로 인해 많은 경제적인 문제점이 따랐다.
상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 종래에 비해 간단한 공정과 저렴한 비용을 들이면서도 대량으로 신속하게 초발수 기능은 물론 내오염, 내지문 기능을 갖는 초발수 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼는다.
상기와 같은 기술적 과제는 (a)균일한 패턴 형상의 마스터 필름기재를 준비하는 단계; (b)일정 크기의 다공성 입자를 수지액과 일정무게비로 혼합하여 도포용 혼합물을 제조하는 단계; (c)상기 도포용 혼합물을 상기 마스터 필름기재 상에 도포하여 돌기형 박막을 형성시키는 단계; (d)상기 돌기형 박막이 형성된 상기 마스터 필름기재를 실온 경화시키는 단계; (e)상기 실온 경화시킨 마스터 필름기재를 몰드(Mold)기판으로 하여 상기 돌기형 박막 형상이 전사(transcription)되도록 임프린팅(Imprinting)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법에 의해 실현된다.
이때, 상기 임프린팅(Imprinting)하는 단계에서, UV경화수지는 실리콘 타입 UV수지, PDMS(Polydimethylsiloxane)타입 UV수지, 에폭시 타입 UV 수지 및 폴리우레탄UV 수지중 어느 하나의 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
상기(a) 단계에서, 상기 필름기재는 MLA(Micro Lens Arrays) 패턴, 구형 패 턴 및 타원형 패턴 중 어느 하나의 패턴 형상을 갖을 수 있다.
여기서, 상기 MLA 패턴은 패턴크기가 50㎛ 내지 70㎛이내이고, 패턴간격이 4 ㎛내지 10㎛이내인 것이 바람직하다.
상기(b) 단계에서, 상기 다공성 입자는 표면처리가 되어 있지 않은 다공성 실리카 나노 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기(b) 단계에서, 상기 수지액에는PDMS(Polydimethylsiloxane), 열경화성 수지 및 UV 수지 중 어느 하나의 수지가 일정무게비 혼합될 수 있다.
그리고 상기 (b) 단계에서, 상기 도포용 혼합물의 제조 시, 상기 다공성 입자와 상기 수지액을 혼합 후, 일정 시간 교반되는 것이 바람직하다.
한편, MLA(Micro Lens Arrays) 패턴, 구형 패턴 및 타원형 패턴 중 어느 하나의 균일한 패턴 형상을 갖는 마스터 필름기재와, 다공성 입자 및 수지액을 일정무게비로 혼합제조하여 상기 마스터 필름기재 상에 도포하여 초발수 기능을 갖는 돌기형 박막을 형성시킨 후 상기 마스터 필름기재를 몰드(Mold)기판으로 하여 상기 돌기형 박막 형상이 전사(transcription)되도록 임프린팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초발수 필름을 제공한다.
본 발명에 따른 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 따르면, 종래에 비해 간단한 공정과 경제적인 비용으로 고성능 초발수 필름을 제조할 수 있게 되어, 초발수 필름이 적용될 수 있는 각종 산업 분야에서 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술 적 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 초발수 필름 및 이의 제조 방법에 따르면, 마스터로 사용될 초발수 필름을 우선 제조하고 이를 몰드기판으로 임프린팅하여 초발수 필름을 저가로 대량생산하는 것이 가능하기 때문에 본 발명이 적용되는 초발수 처리가 요구되는 분야인 제지산업의 내유 가공제, 화장품 산업의 기능성 무기 분체, 섬유 및 피혁산업의 발수제 등 일상 생활의 각종 제조기술은 물론, 전자 제품의 내지문 필름, 금속 소재의 부식방지 소재, 자동차 외장코팅소재, 고분자 가공 분야의 정밀 이형 기술 분야, 냉동기의 열교환기를 비롯하여, 각종 재해방지 시설에도 다양하게 경제적으로 적용할 수 있게 되어, 산업 전반의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술적 이점이 있다.
이하, 도 2 내지 도6을 병행 참조하여 본 발명에 따른 초발수 필름 제조 방법의 바람직한 일 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 초발수 필름 제조 방법의 일실시예를 설명하기 위해 도시한 그림이다.
도 3은 도 2에 도시된 일 실시예에 따라 패턴크기 50㎛, 패턴간격 8㎛의 MLA 패턴 형상 마스터 필름기재를 이용하여 마스터 필름기재의 표면에 형성된 돌기를 설명하기 위한 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 돌기 및 다공성 실리카 나노입자를 전자주사현미경을 통하여 촬영한 사진이다.
도 5는 도 4에서 도시된 돌기 및 다공성 실리카 나노입자의 전사형태를 전자주사현미경을 통하여 촬영한 사진이다.
도 6은 도 2에 도시된 실시예에 따라 제조된 초발수 필름상에 놓인 물방울을 나타낸 사진이다.
도 7은 도 2에 도시된 실시예에 따라 제조된 초발수 필름이 내오염 및 내지문 효과가 있음을 증명하기 위해 도시한 사진이다.
먼저, 도 2의 (a)에서 도시한 바와 같이, MLA(Micro Lens Arrays) 패턴, 구형 패턴및 타원형 패턴 중 어느 하나의 균일한 패턴 형상의 마스터 필름기재를 준비한다.
마스터 필름기재의 균일 패턴 형상은 MLA 패턴, 구형 패턴 및 타원형 패턴 중 어느 하나의 패턴을 이용해도 무방하나, 패턴크기가 50㎛ 내지 70㎛이내이고, 패턴간격이 4 ㎛내지 10㎛이내인 MLA 패턴 형상 마스터 필름기재를 사용하는 것이 좋다. 일 실시예에서는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 패턴크기가 50㎛이고, 패턴간격이 8㎛인 MLA 시트를 사용한다.
이러한 균일한 패턴 형상의 마스터 필름기재가 준비되면, 이후 표면처리가 되어 있지 않은 다공성 실리카 나노입자를 PDMS(Polydimethylsiloxane), 열경화성 수지 및 UV 수지 중 어느 하나의 소수성 수지로 형성된 수지액에 일정무게비로 혼합하고, 일정 시간 교반 후 도포용 혼합물(도 2의 (b)의 10)을 제조한다.
본 발명에 따르면, 종래와 달리 플로오르가 치환되지 않은 일반 다공성 입자를 이용할 수 있는데, 일 실시예에서는 표면처리가 되어 있지 않은 3㎛의 다공성 실리카 나노입자(도 2의 (b)의 11)를 이용한다. 그리고 상기 수지액에는 PDMS, 열경화성 수지 및 UV 수지와 같은 소수성 수지가 사용될 수 있는데, 일 실시예에서는 상기 수지액 으로 점도 조절을 위한 컨퍼멀코팅액('다우코닝 社의 I-2577'을 이용)과 톨루엔 용액을 1:1의 무게비로 혼합한 수지액을 이용한다.
여기서, 일 실시예에 따른 마스터 필름기재에 도포하기 위한 도포용 혼합물(도 2의 (b)의 10)을 제조하는 방식을 살펴보면, 컨퍼멀코팅액과 톨루엔 용액이 1:1 무게비로 혼합 완성된 수지액에 3㎛의 다공성 실리카 나노입자(도 2의 (b)의 11)를 9:1의 무게비로 혼합한 후, 상온에서 대략 12시간 정도 교반(Stirring)을 통하여 일 실시예에 적용할 도포용 혼합물을 제조한다. 즉, 일 실시예에서는 마스터 필름기재에 도포할 도포용 혼합물의 제조에 기타 다른 화학 공정을 이용하지 않으 며, 교반 등의 물리적 방법으로 혼합하는 방식을 이용하므로, 복잡한 화학 공정을 피할 수 있다.
도 2의 (b)에서 도시한 바와 같이, 이렇게 제조된 상기 도포용 혼합물(도 2의 (b)의 10)을 도 3의 (a)에 도시한 바와 같은 사전에 준비된 패턴크기가 50㎛이고, 패턴간격이 8㎛인 MLA 시트 상에 도포 후 Bar 코팅 방식으로 MLA 시트 상에 돌기형 박막을 형성시킨다.
그리고 돌기형 박막이 형성된 마스터 필름기재를 실온 경화시켜 도 2의 (c)에서 도시한 바와 같이, 몰드(Mold)기판으로 사용될 초발수 필름을 제조한다.
이렇게 형성된 몰드(Mold)기판으로 사용될 초발수 필름은 도 3에 (b)에 도시된 바와 같다.
한편, 도 4의 (a)는 마스터 필름기재상에 형성된 돌기를 전자주사현미경을 통하여 촬영한 것이고, 도 4의 (b)는 전자주사현미경을 이용하여, 개개의 돌기상에 형성된 다공성 실리카 나노입자를 촬영한 것이다.
도 4에서 도시된 바와 같이, MLA 시트에는 전체적으로 패턴크기가 50㎛이고, 패턴간격이 8㎛ 마이크로 패턴 형상이 그대로 남아있으면서도, 개개의 MLA 렌즈 입자상에도 3㎛의 다공성 실리카 나노입자가 다수 도포되어, 마이크로/나노 계층 구조를 형성하고 있음을 알 수 있다.
이후, 도 2의 (d)에서 도시한 바와 같이, 실온 경화시킨 마스터 필름기재를 몰드(Mold)기판으로 하여 상기 돌기형 박막의 형상이 전사되도록 임프린팅(Imprinting)을 수행한다.
상기 임프린팅(Imprinting)이란, 고온에서 물리적 접촉에 의해 나노구조물이 새겨진 마스터를 고온조건에서 기판에 복제하는 방식인 가열식 임프린팅(Thermal imprinting)과 투명한 몰드(Mold)기판위에 마스터를 제작하고 자외선에 의해 경화되는 UV경화수지를 사용하여 나노구조물이 새겨진 마스터를 기판에 복제하는 방식인 UV임프린팅(UV imprinting)으로 구분된다.
일 실시예에서는 UV임프린팅 방식으로 초발수 필름을 제조하는 방법을 살펴본다.
도 2의 (d)에서 도시한 바와 같이, 도 2의 (c)에서 나타낸 실온 경화시킨 상기 마스터 필름기재위에 UV경화수지를 도포하는데, UV경화수지는 실리콘 타입 UV수지, PDMS(Polydimethylsiloxane)타입 UV수지, 에폭시 타입 UV 수지 및 폴리우레탄UV 수지중 어느 하나의 수지를 선택하여 사용할 수 있다.
일 실시예에서는 에폭시 타입 UV 수지로 미국”Norland”사에서 개발된 NOA63을 UV경화수지로 사용한다.
이후 상기NOA63위에PE필름을 덮고 롤러로 성형한 후 약 5분간 자외선을 통과시켜 UV경화수지의 경화를 유발한다.
다음, 도 2의 (e)에서 도시한 바와 같이, 마스터 필름기재를 제거하고 전사 복제된 필름을 다시 약 5분간 자외선을 통과시켜 경화를 유도하여 초발수 필름을 완성한다.
도 5의 (a)는 본 발명에 따른 초발수 필름상에 형성된 돌기의 전사형태를 전자주사현미경을 통하여 촬영한 것이고, 도 5의 (b)는 전자주사현미경을 이용하여, 개개의 돌기의 전사형태상에 형성된 다공성 실리카 나노입자의 전사형태를 촬영한 것이다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 임프린팅(Imprinting)공정을 통하여 도 4에서 도시한 패턴크기가 50㎛이고, 패턴간격이 8㎛ 마이크로 패턴 형상을 갖는 마스터 필름기재상의 돌기형상이 반대형태로 전사(transcription)되어 오목한 형태로 형성되어 있으며 개개의 MLA렌즈 입자상에도 3㎛의 다공성 실리카 나노입자 형상이 그대로 전사(transcription)되었음을 알 수 있다.
이와 같이 제조된 일 실시예를 접촉각 측정기를 이용하여 측정해 본 결과, 도 6에서 도시한 바와 같이, 153.43도의 표면 접촉각 (여기서, '좌측 표면 접촉각이 151.50도'이고, '우측 표면 접촉각이 155.37도'의 측정값이 도출되었으며, 이들의 평균을 '표면 접촉각'이라 함)을 갖는 것을 알 수 있다.
여기서, 153.43도의 표면 접촉각을 갖는 일 실시예를 주지된 초발수 처리의 표면 접촉각 조건(고체의 표면에 액체가 접촉할 때, 전진접촉각(Advancing Contact Angle)이 150도 이상)과 비교해 보면, 일 실시예가 우수한 초발수 성능을 발휘할 있음을 알 수 있다.
이러한 150도 이상의 표면 접촉각을 갖는 일 실시예는 초발수 성능은 물론 내오염/내지문 효과를 가진다.
도 7에 도시된 바와 같이, 일 실시예의 표면상에 오염물질(예: 흑색의 탄소나노 분체)을 도포하고, 물방울을 떨어뜨려, 물방울의 구름 효과에 의한 오염물질의 제거 정도를 살펴본 결과, 본 발명에 따른 초발수 필름은 오염물질이 효과적으 로 제거되는 자기 정화적 특성을 가짐을 알 수 있었다.
위와 같이 초발수 기능을 갖는 돌기형 박막이 형성된 마스터 필름기재를 우선 형성한 후 이를 몰드기판으로 하여 임프린팅하면 대량의 초발수 필름을 용이하고 신속하게 제작하는 것이 가능하다.
이에 따라 생산비용도 크게 절감할 수 있는 것은 물론이다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술 분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
도 1은 일반적인 연꽃 무늬의 초발수 현상을 설명하기 위한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 초발수 필름 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위해 도시한 그림이다.
도 3은 도 2에 도시된 일 실시예에 따라 패턴크기 50㎛, 패턴간격 8㎛의 MLA 패턴 형상 마스터 필름기재를 이용하여 마스터 필름기재의 표면에 형성된 돌기를 설명하기 위한 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 돌기 및 다공성 실리카 나노입자를 전자주사현미경을 통하여 촬영한 사진이다.
도 5는 도 4에서 도시된 돌기 및 다공성 실리카 나노입자의 전사형태를 전자주사현미경을 통하여 촬영한 사진이다.
도 6은 도 2에 도시된 실시예에 따라 제조된 초발수 필름상에 놓인 물방울을 나타낸 사진이다.
도 7은 도 2에 도시된 실시예에 따라 제조된 초발수 필름이 내오염 및 내지문 효과가 있음을 증명하기 위해 도시한 사진이다.

Claims (7)

  1. (a)균일한 패턴 형상의 마스터 필름기재를 준비하는 단계;
    (b)일정 크기의 다공성 입자를 수지액과 일정무게비로 혼합하여 도포용 혼
    합물을 제조하는 단계;
    (c)상기 도포용 혼합물을 상기 마스터 필름기재 상에 도포하여 돌기형 박막을 형성시키는 단계;
    (d)상기 돌기형 박막이 형성된 상기 마스터 필름기재를 실온 경화시키는 단계;및
    (e)상기 실온 경화시킨 마스터 필름기재를 몰드(Mold)기판으로 하여 상기 돌기형 박막 형상이 전사(transcription)되도록 임프린팅(Imprinting)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 임프린팅(Imprinting)하는 단계에서, UV경화수지는 실리콘 타입 UV수지, PDMS(Polydimethylsiloxane)타입 UV수지, 에폭시 타입 UV 수지 및 폴리우레탄UV 수지중 어느 하나의 수지인 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기(a) 단계에서, 상기 마스터 필름기재는 MLA(Micro Lens Arrays) 패턴, 구형 패턴 및 타원형 패턴 중 어느 하나의 패턴 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 MLA 패턴은 패턴크기가 50㎛ 내지 70㎛이내이고, 패턴간격이 4 ㎛내지 10㎛이내인 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기(b) 단계에서, 상기 다공성 입자는 표면처리가 되어 있지 않은 다공성 실리카 나노 입자인 것을 특징으로 하는 초발수 필름의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기(b) 단계에서, 상기 수지액에는PDMS(Polydimethylsiloxane), 열경화성 수지 및 UV 수지 중 어느 하나의 수지가 일정무게비 혼합된 것을 특징으로 하는 초 발수 필름의 제조 방법.
  7. MLA(Micro Lens Arrays) 패턴, 구형 패턴 및 타원형 패턴 중 어느 하나의 균일한 패턴 형상을 갖는 마스터 필름기재와, 다공성 입자 및 수지액을 일정무게비로 혼합제조하여 상기 마스터 필름기재 상에 도포하여 초발수 기능을 갖는 돌기형 박막을 형성시킨 후 상기 마스터 필름기재를 몰드(Mold)기판으로 하여 상기 돌기형 박막 형상이 전사(transcription)되도록 임프린팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 초발수 필름.
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