KR20110090150A - Laminate having superhydrophobic surface and process for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초소수성 표면을 갖는 적층체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기재의 산 처리, 금속 침착, 소수성 물질 코팅에 의해 초소수성 표면을 갖는 적층체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a laminate having a superhydrophobic surface and a method for producing the same, and more particularly, to a laminate having a superhydrophobic surface by acid treatment of a substrate, metal deposition, and coating of a hydrophobic material, and a method for manufacturing the same.
최근, 자연의 모방에 기반을 둔 기술이 상당한 관심을 끌고 있다. 연꽃 잎은 자기-세정(self-cleaning) 효과로 알려져 있다. 연꽃 잎 상의 마이크로미터 규모의 유두상 돌기(papillae) 구조 및 표피상 납질(epicuticular wax)은 자기-세정 효과의 원인이 된다. 연꽃 잎의 자기-세정 특성과 유사하게, 고체 표면의 습윤성은 일상 생활 및 산업에서 큰 흥미를 갖는다. 습윤성은 표면의 기하학적 구조 및 낮은 표면 에너지 재료 코팅에 의해 제어된다. 초소수성(superhydrophobic) 표면은 150° 이상의 수 접촉각(water contact angle) 및 10° 이하의 미끄럼 각(sliding angle)을 만족한다. 초소수성 표면에서, 물방울은 완전히 구형 모양을 갖고 쉽게 굴러 떨어지면서 쌓인 오염물질들을 제거한다. 이러한 초소수성 표면은 오염, 안개 및 눈 쌓임으로부터 재료를 보호한다.Recently, technology based on natural imitation has attracted considerable attention. Lotus leaves are known for their self-cleaning effects. Micrometer scale papillae structure and epidermal wax on lotus leaves contribute to self-cleaning effects. Similar to the self-cleaning properties of lotus leaves, the wettability of solid surfaces is of great interest in everyday life and industry. Wetting is controlled by the surface geometry and low surface energy material coating. The superhydrophobic surface satisfies a water contact angle of 150 ° or more and a sliding angle of 10 ° or less. On superhydrophobic surfaces, water droplets are completely spherical in shape and easily roll off to remove accumulated contaminants. This superhydrophobic surface protects the material from contamination, fog and snow accumulation.
평탄한 표면 상에 낮은 표면 에너지를 갖는 재료 코팅은 120° 이하의 수 접촉각을 갖는다. 따라서 높은 접촉각을 얻기 위해서, 평탄한 표면은 거친 표면으로 변형되어야 한다는 것을 의미한다. 표면 상에 마이크로- 및 나노 구조를 구성하기 위한 많은 방법들이 보고되었다. 예를 들어, 졸-겔 방법, 양극 산화 및 플라스마 처리, 광식각을 이용한 미세 제조, 알킬케텐 이량체의 고화, 및 고분자의 적용이 초소수성 표면을 얻는데 사용되었다. 표면 상에 마이크로미터 및 나노미터 규모 구조의 존재는 다량의 공기의 포획을 수반한다. 이는 물과 고체 표면 사이의 접촉 면적 감소를 야기한다. 마이크로- 및 나노구조와 함께 낮은 표면 에너지를 갖는 재료 코팅은 표면의 초소수성에 기여한다. 불소를 함유하는 화합물은 인공적인 초소수성 표면을 제조하기 위해 고체 재료에 통상적으로 코팅되었다. 최근, 금속 표면 상에 n-알카노산(alkanoic acid)의 자기-조립(self-assembly)이 초소수성 표면을 제조하는데 사용되었다. ITO(Indium Tin Oxide) 유리 기판 상에 Au 클러스터(cluster)는 173°의 수 접촉각을 얻기 위해 n-도데칸티올로 개질되었다. 일련의 n-알카노산은 초소수성 표면을 제조하는데 사용되었다. n-알카노산의 사슬 길이에 따라, 평탄한 표면 상의 접촉각이 68°에서 113°로 변하였다. 알루미늄 합금의 젖은 화학적 에칭 표면은 초소수성 표면을 얻기 위해 스테아르산 및 N,N'-디사이클로헥실카르보디이미드(DCCD)로 처리되었다. 또한, 폴리에틸렌이민-코팅된 알루미늄 웨이퍼의 초소수성 표면은 스테아르산 및 DCCD와의 반응에 의해 얻어졌다. DCCD는 에스터 결합 또는 아미드 결합을 형성하기 위한 탈수제로서 사용되었다.Material coatings with low surface energy on flat surfaces have a water contact angle of 120 ° or less. Thus, in order to obtain a high contact angle, it means that the flat surface must be deformed into a rough surface. Many methods have been reported for constructing micro- and nanostructures on surfaces. For example, sol-gel methods, anodic oxidation and plasma treatment, fine preparation using photoetching, solidification of alkylketene dimers, and application of polymers have been used to obtain superhydrophobic surfaces. The presence of micrometer and nanometer scale structures on the surface involves the capture of large amounts of air. This causes a reduction in the contact area between water and the solid surface. Material coatings with low surface energy along with micro- and nanostructures contribute to the superhydrophobicity of the surface. Compounds containing fluorine have been conventionally coated on solid materials to produce artificial superhydrophobic surfaces. Recently, self-assembly of n-alkanoic acid on metal surfaces has been used to produce superhydrophobic surfaces. Au clusters on Indium Tin Oxide (ITO) glass substrates were modified with n-dodecanethiol to obtain a water contact angle of 173 °. A series of n-alkanoic acids have been used to make superhydrophobic surfaces. Depending on the chain length of n-alkanoic acid, the contact angle on the flat surface changed from 68 ° to 113 °. Wet chemical etch surfaces of aluminum alloys were treated with stearic acid and N, N'-dicyclohexylcarbodiimide (DCCD) to obtain superhydrophobic surfaces. In addition, superhydrophobic surfaces of polyethyleneimine-coated aluminum wafers were obtained by reaction with stearic acid and DCCD. DCCD was used as a dehydrating agent to form ester bonds or amide bonds.
그러나, 초소수성 표면을 제조하기 위한 대부분의 방법은 복잡하거나 특별한 장비의 사용을 요구한다.However, most methods for producing superhydrophobic surfaces require the use of complex or special equipment.
따라서, 본 발명의 목적은 초소수성 표면을 갖는 적층체를 간단하고 저렴하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method which can produce a laminate having a superhydrophobic surface simply and inexpensively.
본 발명의 다른 목적은 우수한 초소수성 표면을 가지며, 특히 에어컨의 응축수 제거에 유용한 초소수성 표면을 갖는 적층체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a laminate having an excellent superhydrophobic surface and in particular having a superhydrophobic surface useful for removing condensate in air conditioners.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 기재를 산으로 처리하여 거친 표면을 갖는 기재를 형성하는 단계; 거친 표면을 갖는 기재의 표면에 금속을 침착하여 금속 침착층을 형성하는 단계; 및 금속 침착층에 소수성 물질을 코팅하여 소수성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 초소수성 표면을 갖는 적층체의 제조방법을 제공한다.The present invention to achieve the above object, the step of treating the substrate with an acid to form a substrate having a rough surface; Depositing a metal on the surface of the substrate having the rough surface to form a metal deposition layer; And coating a hydrophobic material on the metal deposition layer to form a hydrophobic coating layer.
본 발명에 따른 적층체의 초소수성 표면은 적어도 120° 이상, 특히 140° 이상의 수 접촉각을 가짐으로써, 우수한 초소수성을 발휘한다.The superhydrophobic surface of the laminate according to the invention exhibits excellent superhydrophobicity by having a water contact angle of at least 120 ° or more, in particular 140 ° or more.
본 발명에서 금속 침착층은 1 내지 100 ㎛의 금속 입자에 의한 다공성 구조를 갖고, 소수성 코팅층은 금속 침착층 상에서 소수성 물질의 자기-조립에 의해 형성됨으로써, 우수한 초소수성을 발휘한다.In the present invention, the metal deposition layer has a porous structure by metal particles of 1 to 100 μm, and the hydrophobic coating layer is formed by self-assembly of hydrophobic material on the metal deposition layer, thereby exhibiting excellent superhydrophobicity.
본 발명에서 기재는 금속 및 무기질 등으로 이루어질 수 있고, 이중에서 금속은 Mg, Fe, Ni, Cu 및 Al 등을 사용할 수 있다. 기재로서 특히 Mg가 바람직한데, 그 이유는 Mg가 초경량 금속이고, 산으로 표면을 전처리시 금속의 침착에 필요한 최적 형태를 이룰 수 있기 때문이다.In the present invention, the substrate may be made of a metal, an inorganic material, and the like, among which the metal may use Mg, Fe, Ni, Cu, Al and the like. Mg is particularly preferred as a substrate because Mg is an ultralight metal and can achieve the optimum form required for the deposition of the metal upon pretreatment of the surface with acid.
본 발명에서 금속 침착층은 Ni, Cu 및 Al 등의 금속으로 이루어질 수 있다. 이중에서 특히 Ni 및 Cu가 바람직한데, 그 이유는 Ni+2 및 Cu+2 이온을 온화한 조건에서 환원시킬 수 있기 때문이다.In the present invention, the metal deposition layer may be made of metals such as Ni, Cu, and Al. Of these, Ni and Cu are particularly preferred, since Ni +2 and Cu +2 ions can be reduced under mild conditions.
본 발명에서 소수성 코팅층은 탄소수 4 내지 32개의 지방산 및 퍼플루오로데카노산 등으로 이루어질 수 있다. 지방산으로는 예를 들어 스테아르산과 같은 포화 지방산, 올레산과 같은 불포화 지방산을 사용할 수 있다. 이중에서 특히 스테아르산이 바람직한데, 그 이유는 스테아르산이 자기조립 분자층을 형성하기에 최적이며, 표면에 형성 후 높은 수 접촉각을 이룰 수 있기 때문이다.In the present invention, the hydrophobic coating layer may be composed of 4 to 32 carbon atoms and perfluorodecanoic acid. As fatty acids, for example, saturated fatty acids such as stearic acid and unsaturated fatty acids such as oleic acid can be used. Of these, stearic acid is particularly preferred because stearic acid is optimal for forming self-assembled molecular layers and can achieve high water contact angles after formation on the surface.
본 발명에서 산으로는 HCl, H2SO4 및 HNO3 등과 같은 다양한 산이 가능한데, 황산 및 질산은 강산으로 표면을 과도하게 부식시키기 때문에 HCl이 바람직하다.In the present invention, various acids such as HCl, H 2 SO 4 and HNO 3 may be used as the acid. HCl is preferable because sulfuric acid and nitric acid excessively corrode the surface with a strong acid.
또한, 본 발명은 거친 표면을 갖는 기재; 기재의 거친 표면에 형성된 금속 침착층; 및 금속 침착층 상부에 형성된 소수성 코팅층을 포함하는 초소수성 표면을 갖는 적층체를 제공한다.In addition, the present invention is a substrate having a rough surface; A metal deposition layer formed on the rough surface of the substrate; And a hydrophobic coating layer formed on the metal deposition layer.
본 발명에 따르는 초소수성 표면을 갖는 적층체 및 이의 제조방법은 냉동기, 에어컨, 건축물 또는 운송기기 등에 적용될 수 있다.The laminate having a superhydrophobic surface according to the present invention and a method for manufacturing the same may be applied to a refrigerator, an air conditioner, a building or a transportation device.
본 발명은 기재의 산 처리, 금속 침착, 소수성 물질 코팅에 의해 초소수성 표면을 제조하는 간단하고 저렴한 방법을 제공한다.The present invention provides a simple and inexpensive method for producing superhydrophobic surfaces by acid treatment of substrates, metal deposition, and hydrophobic material coatings.
본 발명에 따른 적층체의 초소수성 표면은 적어도 120° 이상, 특히 140° 이상의 수 접촉각을 가짐으로써, 우수한 초소수성을 발휘한다.The superhydrophobic surface of the laminate according to the invention exhibits excellent superhydrophobicity by having a water contact angle of at least 120 ° or more, in particular 140 ° or more.
도 1은 HCl로 처리, Ni 침착 및 스테아르산 코팅된 Mg 표면 상에서 물방울의 광학 이미지(좌측 사진), 그리고 144.5°의 접촉각을 갖는 Mg 표면 상에서 물방울의 프로파일(우측 사진)을 나타낸 것이다.
도 2는 Mg 판상에서 Ni의 SEM 이미지로서, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이다.
도 3은 Mg 판상에서 침착된 Ni 결정에 스테아르산이 코팅된 SEM 이미지로서, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이다.
도 4는 Mg 판상에 침착된 Cu 결정의 SEM 이미지, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이다.
도 5는 Mg 판상에 침착된 Cu 결정에 스테아르산을 코팅한 SEM 이미지로서, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이다.
도 6은 Mg 표면상에서의 물방울의 프로파일(수 접촉각) 사진으로, 첫 번째 사진은 미처리된 마그네슘이고(비교예 1), 두 번째 사진은 5% HCl로만 처리된 것이며(비교예 2), 세 번째 사진은 Cu 결정의 침착만 이루어진 것이고(비교예 3), 네 번째 사진은 HCl 처리, Cu 침착 및 스테아르산 코팅까지 모두 이루어진 것이다(실시예 2).
도 7은 Mg 표면 상에서 스테아르산 코팅의 XPS 패턴을 나타낸 것이다.
도 8은 Mg 블록의 초소수성 표면 상에서 물방울 pH 및 수 접촉각 사이의 관계를 나타낸 것이다.FIG. 1 shows optical images of water droplets on the Mg surface treated with HCl, Ni deposited and stearic acid coated (left photograph), and profiles of water droplets on the Mg surface with a contact angle of 144.5 ° (right photograph).
2 is an SEM image of Ni on an Mg plate, the right side being an enlarged image (1 μm) on the left side.
FIG. 3 is an SEM image of stearic acid coated on Ni crystals deposited on an Mg plate, and the right side is an enlarged image (1 μm) on the left side.
4 is an SEM image of Cu crystal deposited on an Mg plate, the right side is an enlarged image (1 μm) on the left.
FIG. 5 is an SEM image of stearic acid coated on Cu crystals deposited on an Mg plate, the right side being an enlarged image (1 μm) on the left.
6 is a profile (water contact angle) picture of water droplets on the surface of Mg, the first picture is untreated magnesium (Comparative Example 1), the second picture is treated with 5% HCl only (Comparative Example 2), and the third The photo shows only the deposition of Cu crystals (Comparative Example 3), and the fourth photo consists of all HCl treatment, Cu deposition and stearic acid coating (Example 2).
7 shows the XPS pattern of stearic acid coating on Mg surface.
FIG. 8 shows the relationship between water droplet pH and water contact angle on the superhydrophobic surface of Mg blocks.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.
본 발명의 초소수성 표면을 갖는 적층체는 거친 표면을 갖는 기재, 기재의 거친 표면에 형성된 금속 침착층, 및 금속 침착층 상부에 형성된 소수성 코팅층으로 구성된다.The laminate having a superhydrophobic surface of the present invention is composed of a substrate having a rough surface, a metal deposition layer formed on the rough surface of the substrate, and a hydrophobic coating layer formed on the metal deposition layer.
기재는 금속 및 무기질 등으로 이루어진다. 금속으로는 Mg, Fe, Ni, Cu 및 Al 등 다양한 금속 재료 및/또는 이들의 합금을 사용할 수 있으며, 특히 Mg가 바람직하다. 무기질로는 유리, 실리콘 웨이퍼 등 다양한 무기질 재료를 사용할 수 있다.The base material is made of metal, inorganic material, and the like. Various metal materials and / or alloys thereof, such as Mg, Fe, Ni, Cu, and Al, may be used as the metal, and Mg is particularly preferable. As the inorganic material, various inorganic materials such as glass and silicon wafers can be used.
기재는 통상적으로 판상(plate) 형태로 이루어지나, 비판상 형태도 가능하며, 그 형태는 특별히 제한되지 않는다.The substrate is usually in the form of a plate, but a critical form is also possible, and the form is not particularly limited.
기재는 산으로 처리되어 거친 표면을 갖는데, 이 거친 표면은 마이크로미터와 나노미터 규모 구조를 형성하는데 일조하여 초소수성을 증대하는 역할을 한다.The substrate is treated with an acid to have a rough surface, which serves to form micrometer and nanometer scale structures that serve to increase superhydrophobicity.
금속 침착층은 Ni, Cu 및 Al 등으로 이루어질 수 있으며, 특히 Ni 및 Cu가 바람직하다.The metal deposition layer may be made of Ni, Cu, Al, and the like, with Ni and Cu being particularly preferred.
금속 침착층의 두께는 10 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 이 두께 범위 내에서 침착된 결정 입자 사이의 공간에 충분한 양의 공기가 있음으로 해서 물방울의 접촉면을 최소화시킨다.It is preferable that the thickness of a metal deposition layer is 10-100 micrometers. There is a sufficient amount of air in the space between the crystal grains deposited within this thickness range to minimize the contact surface of the water droplets.
금속 침착층은 표면 상에 1 내지 100 ㎛의 금속 입자에 의한 다공성 구조를 갖는다. 표면 상에 침착된 금속 클러스터는 나노 규모의 돌기구조를 갖는다. 표면 상의 마이크로미터와 나노미터 규모 구조 및 공동(cavity)은 공기를 포획함에 있어서 중요한 역할을 한다. 표면의 거친 마이크로 구조는 소수성 표면을 제조하는데 중요하다.The metal deposition layer has a porous structure with metal particles of 1 to 100 μm on the surface. The metal cluster deposited on the surface has a nanoscale protrusion structure. Micrometer and nanometer scale structures and cavities on the surface play an important role in trapping air. The rough microstructure of the surface is important for producing hydrophobic surfaces.
소수성 코팅층은 탄소수 4 내지 32개의 지방산 및 퍼플루오로데카노산 등으로 이루어질 수 있다. 지방산으로는 예를 들어 스테아르산과 같은 포화 지방산, 올레산과 같은 불포화 지방산을 사용할 수 있으며, 특히 스테아르산이 바람직하다.The hydrophobic coating layer may be composed of fatty acids having 4 to 32 carbon atoms, perfluorodecanoic acid, and the like. As the fatty acid, for example, saturated fatty acids such as stearic acid, unsaturated fatty acids such as oleic acid can be used, and stearic acid is particularly preferable.
소수성 코팅층의 두께는 사용된 지방산의 길이에 의하여 결정되며, 특히 스테아르산의 분자 길이가 가장 바람직하다.The thickness of the hydrophobic coating layer is determined by the length of the fatty acids used, in particular the molecular length of stearic acid being most preferred.
소수성 코팅층은 금속 침착층 상에서 소수성 물질의 자기-조립에 의해 형성됨으로써, 우수한 초소수성을 발휘한다. 금속 클러스터 상에서 소수성 물질의 자기-조립은 표면 자유 에너지를 크게 감소시킴으로써, 수 접촉각을 크게 증대시킨다. 마이크로미터 및 나노미터 규모 구조와 더불어, 낮은 표면 에너지 재료가 초소수성 표면을 얻는데 중요한 인자이다.The hydrophobic coating layer is formed by self-assembly of hydrophobic material on the metal deposition layer, thereby exhibiting excellent superhydrophobicity. Self-assembly of hydrophobic materials on metal clusters greatly reduces surface free energy, thereby greatly increasing water contact angle. In addition to micrometer and nanometer scale structures, low surface energy materials are important factors in obtaining superhydrophobic surfaces.
본 발명에 따른 초소수성 표면을 갖는 적층체의 제조방법은 다음과 같다.The method for producing a laminate having a superhydrophobic surface according to the present invention is as follows.
먼저, 기재를 아세톤, 증류수 등으로 세척한 후 건조시킨다.First, the substrate is washed with acetone, distilled water and the like and then dried.
다음, 기재를 산으로 처리하여 거친 표면을 갖는 기재를 형성한다. 산 처리는 기재를 산 용액에 담금으로써 이루어질 수 있다. 기재를 산으로 처리하면, 기재 표면에 미세한 요철구조를 갖는 거친 표면이 형성된다. 산으로는 HCl, H2SO4 및 HNO3 등을 사용할 수 있으며, 특히 HCl이 바람직하다. 산 처리 이후 증류수 등으로 세척한 후 건조시킨다.The substrate is then treated with acid to form a substrate with a rough surface. Acid treatment can be accomplished by immersing the substrate in an acid solution. When the substrate is treated with an acid, a rough surface having a fine concavo-convex structure is formed on the surface of the substrate. As the acid, HCl, H 2 SO 4 and HNO 3 may be used, with HCl being particularly preferred. After acid treatment, the mixture is washed with distilled water and then dried.
다음, 거친 표면을 갖는 기재의 표면에 금속을 침착하여 금속 침착층을 형성한다. 침착은 금속 염과 환원제를 포함하는 용액에 기재를 담금으로써 이루어질 수 있다. 환원제는 금속 염의 금속 이온을 환원시켜 기재 표면에 침착시키는 역할을 한다. 금속 염으로는 예를 들어 NiSO4, CuSO4와 같은 황산 염 등을 사용할 수 있다. 환원제로는 N2H4 등을 사용할 수 있다. 침착 이후 건조시킨다.Next, metal is deposited on the surface of the substrate having the rough surface to form a metal deposition layer. Deposition can be accomplished by immersing the substrate in a solution comprising a metal salt and a reducing agent. The reducing agent serves to reduce the metal ions of the metal salts and deposit them on the surface of the substrate. As the metal salt, for example, sulfates such as NiSO 4 and CuSO 4 can be used. N 2 H 4 or the like can be used as the reducing agent. Dry after deposition.
다음, 금속 침착층에 소수성 물질을 코팅하여 소수성 코팅층을 형성한다. 코팅은 기재를 소수성 물질을 포함하는 용액에 담금으로써 이루어질 수 있다. 코팅 이후 건조시킨다.Next, a hydrophobic material is coated on the metal deposition layer to form a hydrophobic coating layer. Coating can be accomplished by immersing the substrate in a solution comprising a hydrophobic material. Dry after coating.
이와 같이, 마이크로/나노 구조를 제공하는 기재의 산 처리 및 금속 침착에 의해, 그리고 낮은 표면에너지를 제공하는 소수성 물질 코팅에 의해, 수 접촉각이 140° 이상인 초소수성 표면을 간단하고 저렴한 방법으로 얻을 수 있다.As such, by acid treatment and metal deposition of substrates providing micro / nano structures, and by hydrophobic material coatings providing low surface energy, superhydrophobic surfaces with a water contact angle of 140 ° or more can be obtained in a simple and inexpensive manner. have.
본 발명의 초소수성 표면을 갖는 적층체 및 이의 제조방법은 냉동기 및 에어컨(가정용 및 자동차)에 적용될 경우, 응축수를 쉽게 제거함으로써 효율을 증대시킬 수 있다. 구체적으로, 금속 표면을 초소수성 표면으로 변화시켜 에어컨디셔너의 증발기에 응측되는 수분을 쉽게 제거함으로써, 에어컨의 효율을 증가시키고 이를 통해 전력소비와 전기료를 절감할 수 있다. 로터스 효과를 이용한 응축수의 신속한 제거는 증발기 표면의 부식방지를 통하여 내구성을 오래도록 유지시키고 외관을 깨끗이 유지하는 탁월한 효능을 나타낸다. 이러한 물방울의 제거는 기기의 전기적인 효율을 증가시키는 기능을 가지고 있다.The laminate having a superhydrophobic surface of the present invention and a method of manufacturing the same may increase efficiency by easily removing condensate when applied to a refrigerator and an air conditioner (home and automobile). Specifically, by changing the metal surface to a superhydrophobic surface to easily remove the moisture hit the evaporator of the air conditioner, it is possible to increase the efficiency of the air conditioner, thereby reducing power consumption and electricity bills. Rapid removal of condensate using the Lotus effect provides excellent durability for long lasting durability and clean appearance through corrosion protection of the evaporator surface. The removal of these droplets has the function of increasing the electrical efficiency of the device.
또한, 본 발명의 초소수성 표면을 갖는 적층체 및 이의 제조방법은 건축물에 적용될 경우, 수분으로부터 건축물의 보존에 기여할 수 있다. 또한, 운송기기(예: 비행기, 차)에 적용될 경우, 운행의 기능을 높일 수 있다. 자동차에 응용할 경우 현재 기계적으로 응축수를 제거하는 방법이 사용되기 때문에, 본 발명을 이용할 경우 불필요한 기계를 제거함으로써 공간 활용을 늘릴 수 있다.In addition, the laminate having the superhydrophobic surface of the present invention and a method of manufacturing the same may contribute to preservation of the building from moisture when applied to the building. In addition, when applied to a transport device (eg, airplane, car), it is possible to increase the function of the operation. Since the present invention uses a method of mechanically removing condensate when used in automobiles, the use of the present invention can increase space utilization by removing unnecessary machines.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예에 의해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an Example is given and this invention is demonstrated in detail. However, the protection scope of the present invention is not limited by the following examples.
[실시예 1]Example 1
다음과 같은 과정을 거쳐 초소수성 표면을 갖는 적층체를 제조하였다. 기재로는 조각 형태의 마그네슘 금속판을 사용하였고, 산으로는 HCl을 사용하였으며, 금속 침착의 금속으로는 Ni를 사용하였고, 소수성 물질로는 스테아르산을 사용하였다.A laminate having a superhydrophobic surface was prepared by the following procedure. Magnesium metal plate in the form of a substrate was used, HCl was used as an acid, Ni was used as a metal for metal deposition, and stearic acid was used as a hydrophobic material.
(1) 기재 세척(1) substrate cleaning
마그네슘 조각을 아세톤에 세척한 후, 초음파 욕조 속 증류수에서 5분 동안 세척하였다.The magnesium pieces were washed in acetone and then for 5 minutes in distilled water in an ultrasonic bath.
(2) 산 처리(2) acid treatment
건조 후, 마그네슘 조각을 5% HCl 용액에 2분 동안 담근 후, 증류수로 세척한 다음, 80℃에서 1시간 동안 건조시켰다.After drying, the magnesium pieces were soaked in 5% HCl solution for 2 minutes, washed with distilled water, and then dried at 80 ° C. for 1 hour.
(3) 금속 침착(3) metal deposition
산 처리된 마그네슘 조각을 80℃에서 4시간 동안 금속 침착용 혼합 용액(H2O 100 ㎖ 중 NiSO4·6H2O 1.3 g 및 N2H4 0.62 g)에 담근 후, 실온에서 밤새 건조시켰다.The acid treated magnesium pieces were soaked in a mixed solution for metal deposition (1.3 g of NiSO 4 .6H 2 O and 0.62 g of N 2 H 4 in 100 ml of H 2 O) at 80 ° C. for 4 hours, and then dried at room temperature overnight.
(4) 소수성 물질 코팅(4) hydrophobic coating
금속 침착된 마그네슘 조각을 스테아르산 수용액(증류수 100 ㎖ 중 1 g)에 50분 동안 담근 후, 실온에서 24시간 동안 건조시켰다.The metal-deposited magnesium pieces were soaked in an aqueous solution of stearic acid (1 g in 100 ml of distilled water) for 50 minutes and then dried at room temperature for 24 hours.
[실시예 2][Example 2]
실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 침착 금속으로 Cu를 사용하여 Cu-침착된 초소수성 마그네슘 판을 제조하였다. 금속 침착용 혼합 용액은 H2O 100 ㎖ 중 CuSO4·5H2O 1.3 g 및 N2H4 0.62 g으로 조성하였다.A Cu-deposited superhydrophobic magnesium plate was prepared in the same manner as in Example 1 except using Cu as the deposited metal. The mixed solution for metal deposition was composed of 1.3 g of CuSO 4 5H 2 O and 0.62 g of N 2 H 4 in 100 ml of H 2 O.
[비교예 1]Comparative Example 1
미처리된 마그네슘.Untreated magnesium.
[비교예 2]Comparative Example 2
마그네슘에 5% HCl로 산 처리만 하였다.Magnesium was treated with acid only with 5% HCl.
[비교예 3]Comparative Example 3
마그네슘에 Cu 침착만 하였다.Only Cu was deposited on magnesium.
[시험예][Test Example]
기하학적 구조Geometric structure
초소수성 표면의 기하학적 나노- 및 마이크로 구조를 조사하기 위해, 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope)을 사용하였다.In order to investigate the geometric nano- and microstructures of the superhydrophobic surface, a scanning electron microscope (SEM) was used.
도 1은 스테아르산으로 개질된 Ni-침착된 마그네슘 판 상에 물방울을 보여준다. 좌측 사진은 HCl로 처리, Ni 침착 및 스테아르산 코팅된 Mg 표면 상에서 물방울의 광학 이미지이고, 우측 사진은 144.5°의 접촉각을 갖는 Mg 표면 상에서 물방울의 프로파일을 나타낸다.1 shows water droplets on a Ni-deposited magnesium plate modified with stearic acid. The left picture is the optical image of the water droplets on the Mg surface treated with HCl, Ni deposited and stearic acid coated, and the right picture shows the profile of the water droplets on the Mg surface with a contact angle of 144.5 °.
도 2는 Mg 판상에서 Ni의 SEM 이미지로서, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이고, 도 3은 Mg 판상에서 침착된 Ni 결정에 스테아르산이 코팅된 SEM 이미지로서, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이며, 도 4는 Mg 판상에 침착된 Cu 결정의 SEM 이미지, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이고, 도 5는 Mg 판상에 침착된 Cu 결정에 스테아르산을 코팅한 SEM 이미지로서, 우측은 좌측의 확대 이미지(1 ㎛)이다.FIG. 2 is an SEM image of Ni on an Mg plate, the right side is an enlarged image (1 μm) on the left side, and FIG. 3 is an SEM image of stearic acid coated on a Ni crystal deposited on an Mg plate, and the right image is an enlarged image on the left side ( 1 μm), FIG. 4 is an SEM image of Cu crystals deposited on an Mg plate, the right side is an enlarged image (1 μm) on the left side, and FIG. 5 is an SEM image of stearic acid coated on Cu crystals deposited on an Mg plate. , The right side is an enlarged image (1 μm) on the left side.
도 2 내지 도 5는 각각 Ni 또는 Cu-침착된 마그네슘 판의 초소수성 표면의 전형적인 형태를 나타낸다. 다공성 구조 및 Ni 또는 Cu 입자(1 내지 100 ㎛ 크기)가 표면 상에 관찰되었다. 표면 상에 침착된 금속 클러스터는 나노 규모의 돌기를 갖는 흥미로운 구조를 나타냈다. 표면 상의 마이크로미터와 나노미터-규모 구조 및 공동은 물에 대한 기반으로 작용하는 공기를 포획함에 있어서 중요한 역할을 하였다. 낮은 표면 에너지 재료뿐만 아니라 표면의 거친 마이크로 구조는 소수성 표면을 제조하는데 중요하다.2-5 show typical forms of superhydrophobic surfaces of Ni or Cu-deposited magnesium plates, respectively. Porous structures and Ni or Cu particles (1-100 μm in size) were observed on the surface. Metal clusters deposited on the surface exhibited an interesting structure with nanoscale protrusions. Micrometer and nanometer-scale structures and cavities on the surface have played an important role in capturing air that acts as the basis for water. Low surface energy materials as well as the rough microstructure of the surface are important for making hydrophobic surfaces.
수 접촉각Number of contact angle
수 접촉각은 접촉각 측정기를 이용하여 측정하였다.The male contact angle was measured using a contact angle meter.
도 6은 Mg 표면상에서의 물방울의 프로파일(수 접촉각) 사진으로, 첫 번째 사진은 미처리된 마그네슘이고(비교예 1), 두 번째 사진은 5% HCl로만 처리된 것이며(비교예 2), 세 번째 사진은 Cu 결정의 침착만 이루어진 것이고(비교예 3), 네 번째 사진은 HCl 처리, Cu 침착 및 스테아르산 코팅까지 모두 이루어진 것이다(실시예 2).6 is a profile (water contact angle) picture of water droplets on the surface of Mg, the first picture is untreated magnesium (Comparative Example 1), the second picture is treated with 5% HCl only (Comparative Example 2), and the third The photo shows only the deposition of Cu crystals (Comparative Example 3), and the fourth photo consists of all HCl treatment, Cu deposition and stearic acid coating (Example 2).
도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 5% HCl로 개질된 마그네슘 표면은 20.4°의 수 접촉각으로 여전히 친수성 표면이었다(비교예 2). 스테아르산 코팅 없이, Cu-침착된 마그네슘 표면의 수 접촉각은 34.4°이었다(비교예 3). 스테아르산으로 개질된 Cu-침착된 마그네슘 표면은 142.5°의 수 접촉각을 갖는 초소수성 표면이었다.As can be seen in FIG. 6, the magnesium surface modified with 5% HCl was still a hydrophilic surface with a water contact angle of 20.4 ° (Comparative Example 2). Without stearic acid coating, the water contact angle of the Cu-deposited magnesium surface was 34.4 ° (Comparative Example 3). The Cu-deposited magnesium surface modified with stearic acid was a superhydrophobic surface with a water contact angle of 142.5 °.
나노구조에 의해서 만으로 물의 접촉각을 150° 이상으로 올리는 것은 리토그래피(lithography)에 의해서 가능하다. 그러나, 에칭이나 금속 결정의 침착만 가지고는 물의 접촉각의 변화가 매우 크기 때문에, 반드시 나노구조 및 낮은 표면에너지 물질의 코팅이 동시에 이루어져야 한다.It is possible by lithography to raise the contact angle of water by more than 150 ° with the nanostructure alone. However, since the change in contact angle of water is very large only by etching or deposition of metal crystals, coating of nanostructures and low surface energy materials must be performed simultaneously.
이와 같이, 수 접촉각에서의 중요한 변화는 금속 클러스터 상에서 스테아르산의 자기-조립이 표면 자유 에너지를 크게 감소시켰다는 것이다. 스테아르산 처리후 거칠기 및 구조의 명백한 변화는 없었다. 이러한 결과는 마이크로미터- 및 나노미터-규모 구조 그리고 낮은 표면 에너지 재료가 초소수성 표면을 얻는데 중요한 인자임을 나타낸다.As such, an important change in the water contact angle is that self-assembly of stearic acid on metal clusters greatly reduced surface free energy. There was no obvious change in roughness and structure after stearic acid treatment. These results indicate that micrometer- and nanometer-scale structures and low surface energy materials are important factors for obtaining superhydrophobic surfaces.
XPS 패턴XPS Pattern
마그네슘 표면에 스테아르산의 코팅 여부를 X선 광전자 분광법(XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 이용하여 확인하였다.Stearic acid was coated on the magnesium surface by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
도 7은 Mg 표면 상에서 스테아르산 코팅의 XPS 패턴을 나타낸 것으로, C, O의 XPS 신호가 소수성 금속 표면에서 관찰되었다. 이는 금속 표면이 스테아르산으로 덮여 있음을 나타낸다.7 shows the XPS pattern of stearic acid coating on the Mg surface, where XPS signals of C and O were observed on the hydrophobic metal surface. This indicates that the metal surface is covered with stearic acid.
pH 영향pH influence
수용액의 pH를 변화시키면서 마그네슘 표면의 초소수성의 변화 여부를 조사하였다.It was investigated whether the superhydrophobicity of the magnesium surface changes while changing the pH of the aqueous solution.
도 8은 초소수성 마그네슘 표면 상에서 pH 및 수 접촉각 사이의 관계를 나타낸다. 마그네슘 표면 상의 접촉각은 pH가 1 내지 14로 변할 때 124.5° 내지 144.5°이었다. 표면의 수 접촉각에서 관찰된 변화를 토대로, 수용액의 pH는 금속 표면의 초소수성에 별로 영향을 미치지 않는다고 결론지을 수 있다. 초소수성 표면은 광범위한 pH 값에 대해 안정하였다.8 shows the relationship between pH and water contact angle on the superhydrophobic magnesium surface. The contact angle on the magnesium surface was 124.5 ° to 144.5 ° when the pH varied from 1 to 14. Based on the observed changes in the water contact angle of the surface, it can be concluded that the pH of the aqueous solution has little effect on the superhydrophobicity of the metal surface. The superhydrophobic surface was stable over a wide range of pH values.
결론적으로, 금속 침착 및 스테아르산 코팅에 의해 마그네슘의 초소수성 표면을 제조하는 간단하고 저렴한 방법을 개발하였다. 니켈 또는 구리 침착 및 스테아르산 표면 코팅에 의해 마그네슘 상에 초소수성 표면을 제조하였다. 제조된 표면은 산성 및 염기성 용액에 대하여 안정하였다.In conclusion, a simple and inexpensive method of producing superhydrophobic surfaces of magnesium by metal deposition and stearic acid coatings has been developed. Superhydrophobic surfaces were prepared on magnesium by nickel or copper deposition and stearic acid surface coating. The prepared surface was stable against acidic and basic solutions.
Claims (13)
거친 표면을 갖는 기재의 표면에 금속을 침착하여 금속 침착층을 형성하는 단계; 및
금속 침착층에 소수성 물질을 코팅하여 소수성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는
초소수성 표면을 갖는 적층체의 제조방법.Treating the substrate with an acid to form a substrate having a rough surface;
Depositing a metal on the surface of the substrate having the rough surface to form a metal deposition layer; And
Coating a hydrophobic material on the metal deposition layer to form a hydrophobic coating layer
A method for producing a laminate having a superhydrophobic surface.
기재의 거친 표면에 형성된 금속 침착층; 및
금속 침착층 상부에 형성된 소수성 코팅층을 포함하는
초소수성 표면을 갖는 적층체.A substrate having a rough surface treated with an acid;
A metal deposition layer formed on the rough surface of the substrate; And
A hydrophobic coating layer formed on top of the metal deposition layer
Laminates having a superhydrophobic surface.
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