KR20130023327A - 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조 - Google Patents

초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조는, 금속대상물의 표면에 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하여 형성되거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 식각되어 금속대상물과 일체로 형성된 마이크로 크기의 요철과, 상기 요철의 표면에 플라즈마 식각 공정을 실시하여 요철과 일체로 형성된 나노 크기의 돌기와, 상기 돌기의 외측에 코팅되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성되고, 상기 돌기와 초발수-초친수층은 진공 챔버에서 연속적으로 형성되며, 상기 초발수-초친수층은 O2 플라즈마 또는 CF4 플라즈마가 선택적으로 적용되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조{A surface structure of metal having an Superhydrophobic/Superhydrophilic property coatings}
본 발명은 금속대상물의 표면에 마이크로 크기의 요철을 형성하고, 마이크로 크기의 요철에 나노 크기의 돌기가 형성된 마이크로-나노 표면구조층과, 상기 마이크로-나노 표면구조층의 외측에 코팅되어 마이크로-나노 표면구조층이 초발수 또는 초친수 특성을 가진 초발수-초친수층을 포함하여 구성되는 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조에 관한 것이다.
근래에는 소재의 표면 특성을 개선하여 초친수 혹은 초발수 특성을 갖는 연구가 진행되고 있다. 이는 안경 렌즈 혹은 휴대폰 표면의 내지문 코팅 등에 응용하여 보다 깨끗한 표면을 얻을 수 있는 장점이 있다.
예컨대 대한민국 공개특허 제10-2010-0115126호에는 암모늄기를 가지는 전해질 고분자를 이용한 초발수/초친수 표면 코팅 및 음이온 교환을 통한 표면 특성의 제어 방법이 개시되어 있다.
그리고, 대한민국 등록특허 제0929374호에는 친수성 또는 소수성 액상폴리머를 무한궤도의 외면에 캐스팅한 후 분리시킴으로써 연속적인 초발수 필름의 제조가 가능하도록 한 초발수필름 제조장치 및 이를 이용한 초발수 필름 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기한 종래의 기술들은 대상물인 기판이 실리콘이거나 폴리머가 적용되므로 적용 대상물이 제한되는 문제점이 있다.
한편, 금속 표면의 젖음성을 개선하여, 자동차나 건축물의 외장재에 적용하면 보다 깨끗한 표면을 얻을 수 있고, 오일을 사용하는 내연 기관에 적용하게 되면 오일 손실을 막음으로써 고효율을 얻을 수 있다.
이에 따라 금속 표면에 대하여 초발수 및 초친수 특성을 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
예컨대, 대상물의 표면에 코팅으로 박막을 형성하여 표면 특성을 개선하고자 하는 기술이 있다.
그러나, 이러한 종래 기술은 대상물에 코팅만으로 부착된 상태를 유지하게 되므로 내구력 및 밀착력이 낮아 박막이 쉽게 분리되는 문제점이 있다.
또한, 박막이 사라지게 되면 친수 혹은 발수 특성 자체가 사라지게 되며 코팅만으로는 표면 특성을 향상시키는데 한계가 있다.
따라서 최근에는 표면 기술의 제어와 코팅을 결합하여 표면 특성을 개선하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만 대부분의 기술은 표면에 코팅한 물질을 제어하여 구조 및 젖음성을 개선시키는 것이기에 젖음성 특성은 앞의 기술에 비해 개선되었으나 내구성 및 밀착력 문제는 여전히 남아있는 상태이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 금속대상물의 표면에 마이크로 크기의 요철을 형성하고, 마이크로 크기의 요철에 나노 크기의 돌기가 형성된 마이크로-나노 표면구조층과, 상기 마이크로-나노 표면구조층의 외측에 코팅되어 마이크로-나노 표면구조층이 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성되는 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 금속 표면 구조를 형성시에 작업 조건에 따라 초발수 또는 초친수를 선택적으로 가질 수 있도록 한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조는, 금속대상물의 표면에 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하여 형성되거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 식각되어 금속대상물과 일체로 형성된 마이크로 크기의 요철과, 상기 요철의 표면에 플라즈마 식각 공정을 실시하여 요철과 일체로 형성된 나노 크기의 돌기와, 상기 돌기의 외측에 코팅되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성되고, 상기 돌기와 초발수-초친수층은 진공 챔버에서 연속적으로 형성되며, 상기 초발수-초친수층은 O2 플라즈마 또는 CF4 플라즈마가 선택적으로 적용되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조는, 금속대상물의 표면에 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하여 형성되거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 식각되어 금속대상물과 일체로 형성된 마이크로 크기의 요철과, 상기 요철의 표면에 플라즈마 식각 공정을 실시하여 요철과 일체로 형성된 나노 크기의 돌기와, 상기 돌기의 외측에 코팅되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성되고, 상기 돌기는 플라즈마 식각 시간 및 가속 전압을 변경시에 초발수 또는 초친수 특성이 선택적으로 발현되며, 상기 초발수-초친수층은 O2 플라즈마 또는 CF4 플라즈마가 선택적으로 적용되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 요철과 돌기는 금속대상물과 일체로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 초발수-초친수층은 물과의 접촉각이 25°이하이거나 130°이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조는, 금속대상물의 표면에 마이크로 크기의 요철을 형성하고, 마이크로 크기의 요철에 나노 크기의 돌기가 형성된 마이크로-나노 표면구조층과, 상기 마이크로-나노 표면구조층의 외측에 코팅되어 마이크로-나노 표면구조층이 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성된다.
그리고, 금속 표면 구조를 형성시에 작업 조건에 따라 초발수 또는 초친수를 선택적으로 가질 수 있도록 구성된다.
따라서, 다양한 사용 환경에 요구되는 발수성과 친수성을 선택적으로 형성할 수 있게 되므로 다양한 분야에 폭넓게 적용 가능한 이점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에 따르면, 제조 과정이 간소하여 생산성이 향상되는 이점이 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 과정을 나타낸 개요도.
도 2 는 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3 은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 요철형성단계 전 금속대상물의 표면 상태를 나타낸 주사 전자 현미경 사진.
도 4 는 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 요철형성단계가 완료된 금속대상물의 표면 상태를 나타낸 주사 전자현미경 사진.
도 5 은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 돌기형성단계를 위한 플라즈마 식각장치의 구성을 나타낸 개략도.
도 6 은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 돌기형성단계가 완료된 금속대상물의 표면 상태를 나타낸 주사 전자현미경 사진.
도 7 은 도 6의 일부를 확대한 주사 전자 현미경 사진.
도 8 은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 돌기형성단계 중 작업 조건에 따른 젖음성 차이를 나타낸 비교 사진.
도 9 는 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 일단계인 초발수-초친수층형성단계 중 작업 조건에 따른 젖음성 차이를 나타낸 접촉각 비교 사진.
이하에서는 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조(이하 '금속 표면 구조(10)라 칭함)을 첨부된 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 금속 표면 구조(10)의 형성 과정을 나타낸 개요도이다.
도면과 같이, 상기 금속 표면 구조(10)는 금속대상물(W)의 표면에 마이크로 크기의 요철(12)과, 상기 요철(12)의 표면에 형성된 나노 크기의 돌기(14)와, 상기 돌기(14)의 외측에 형성된 초발수-초친수층(18)을 포함하여 구성된다.
상기 요철(12)과 돌기(14)는 금속대상물(W)과 일체로 형성된 것으로, 보다 구체적으로는 상기 요철(12)은 기계적 가공 또는 화학적 가공을 통해 형성되어 상기 금속대상물(W)의 표면에 마이크로 크기를 갖는 것이며, 상기 돌기(14)는 요철(12)에 플라즈마 식각 공정을 통해 나노 크기를 갖도록 형성된다.
보다 구체적으로는, 상기 요철(12)는 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하여 형성되거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 식각되어 형성된다.
따라서, 상기 요철(12)과 돌기(14)는 금속대상물(W)과 일체로 형성된다.
상기 돌기(14)의 외측에는 초발수-초친수층(18)이 구비된다. 상기 초발수-초친수층(18)은 돌기(14)에 코팅되어 젖음성 특성을 부여하기 위한 구성으로, 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD)에 의해 형성되며, 코팅되는 성분에 따라 초발수성 또는 초친수성을 갖도록 한다.
즉, 상기 초발수-초친수층(18)은 O2, SiO2 또는 OH기를 포함하는 경우 친수성을 띄게 되며, DLC 또는 DLC, HMDSO 가 도핑된 F를 포함하는 경우 발수성을 띄게 된다.
이하 첨부된 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법을 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법을 나타낸 공정 순서도가 도시되어 있다.
첨부된 도면과 같이, 상기 금속 표면 구조(10)는, 금속대상물의 표면에 기계적 가공 또는 화학적 기공을 실시하여 요철(12)을 형성하는 요철형성단계(S100)와, 상기 요철(12)에 플라즈마 식각 공정을 통해 돌기를 형성하는 돌기형성단계(S200)와, 상기 돌기(14)의 외측에 초발수-초친수층(18)을 금속 표면 구조(10)가 초발수 또는 초친수 성능을 갖도록 하는 초발수-초친수층형성단계(S300)를 순차적으로 실시하여 완성된다.
상기 요철형성단계(S100)는 도 4와 같은 금속대상물(W)의 표면을 기계 가공 또는 화학적 가공을 통해 마이크로 크기의 요철(12)을 형성하는 단계로서, 전술한 바와 같이 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따라 요철형성단계(S100)를 실시하여 형성된 요철(12)은 첨부된 도 4와 같다.
상기 요철형성단계(S100) 이후에는 돌기형성단계(S200)와 초발수-초친수형성단계(S300)가 순차적으로 실시된다. 상기 돌기형성단계(S200)와 초발수-초친수형성단계(S300)는 진공 챔버에서 연속적으로 실시되며, 아래와 같은 구성을 가지는 플라즈마 식각장치(도 5의 도면부호 100)를 통해 실시된다.
즉, 상기 돌기형성단계는, 1.0×10-5Torr 내지 5.0×10-2Torr의 진공 분위기에서 실시되고, 상기 초발수-초친수층형성단계는, 1.0×10-5Torr 내지 7.6×102Torr의 압력하에서 실시된다.
첨부된 도 5를 참조하여 실시예를 토대로 개략적으로 살펴보면, 상기 플라즈마 식각장치(100)는, 형성된 플라즈마에 포함된 이온 또는 전자가 전가장 또는 자기장에 의해 가속되어 대상물의 표면과 충돌함으로써 대상물의 표면을 식각하는 장치이다.
상기 돌기(14)는 금속대상물(W)의 금속성분의 식각률 차이에 의해 형성되는 것으로서, 합금으로 형성된 대부분의 금속 소재(스테인레스 스틸 300계, 400계, 냉연 강판 등)이 사용 가능하다.
상기와 같이 구성되는 플라즈마 식각장치(100)를 이용하여 돌기형성단계(S200)가 완료되면, 첨부된 도 6과 같이 나노 크기의 돌기(14)가 형성된다.
도 6은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 돌기형성단계(S200)가 완료된 금속대상물의 표면 상태를 나타낸 주사 전자현미경 사진이고, 도 7은 도 6의 일부를 확대한 주사 전자 현미경 사진이다.
상기 돌기(14)를 형성하는 조건으로서 공정 챔버(140) 내부의 압력 범위는 1.0×10-5Torr 내지 5.0×10-2Torr의 진공 분위기이며, 플라즈마의 가속 전압 크기는 400V 내지 10.0kV 범위 이내이다.
상기 돌기형성과정(S240)중에 플라즈마 식각 시간 및 가속 전압에 따라 상기 돌기(14)는 는 친수성 또는 발수성을 나타내게 된다.
이에 대한 실시예는 첨부된 도 8과 같다.
즉, 도 8은 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 돌기형성단계(S200) 중 작업 조건에 따른 젖음성 차이를 나타낸 비교 사진 으로서, STS304로 이루어진 금속대상물(W)에 대하여 플라즈마 식각을 -600W에서 5분간 실시한 경우 108°의 물 접촉각을 나타냈고, -600W에서 1분간 진행하였을 때에는 40°의 물접촉각을 나타내었다.
상기 돌기형성단계(S200) 이후에는 초발수-초친수층형성단계(S300)가 실시된다.
상기 초발수-초친수층형성단계(S300)는, 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD) 공정에 의해 초발수-초친수층(18)을 형성하는 과정으로, 본 발명의 실시예에서는 화학기상증착법을 채택하여 실시하였다.
상기와 같은 과정에 따라 제조된 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조(10)는 돌기형성단계(S200) 중 전술한 바와 같은 플라즈마 식각 시간 및 가속 전압의 조건 변화에 따라 첨부된 도 9와 같이 초발수 또는 초친수 특성을 가지게 된다.
그리고, 플라즈마 식각 시간 및 가속 전압의 조건 변화 이외에 초발수-초친수층(18)에 포함되는 성분의 차이에 의해 친수 및 발수 특성이 더욱 높아지게 된다.
즉, 도 9는 본 발명에 의한 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조의 형성 방법에서 일단계인 초발수-초친수층형성단계(S300) 중 작업 조건에 따른 젖음성 차이를 나타낸 접촉각 비교 사진으로, 물과 22°이하의 접촉각을 갖는 초친수성을 가질 수도 있고, 155°이상의 물접촉각을 가져 초발수성을 가질 수도 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 돌기형성단계(S200)에서 발수 성능을 갖도록 형성된 돌기(14)에 초발수-초친수층형성단계(S300) 실시시에 CF4 플라즈마 처리를 실시하게 되면 155°이상의 물접촉각을 가지게 되며, 친수 성능을 갖도록 형성된 돌기(14)에 초발수-초친수층형성단계(S300) 실시시에 O2 플라즈마 처리를 실시하게 되면 22°이하의 물접촉각을 가지게 된다.
그리고, 초친수, 초발수 층의 내구성 향상을 위해 DLC 혹은 산화물에 Fluorine을 도핑하여 박막형성을 실시할 수 있고, 본 발명으로 형성한 박막은 상온, 상압 상태에서 한 달이 지나도 접촉각이 거의 변하지 않는 모습(5% 미만)을 보인다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
10. 금속 표면 구조 12. 요철
14. 돌기 18. 초발수-초친수층
100. 플라즈마 식각장치 S100. 요철형성단계
S200. 돌기형성단계 S300. 초발수-초친수층형성단계
W . 금속대상물

Claims (4)

  1. 금속대상물의 표면에 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하여 형성되거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 식각되어 금속대상물과 일체로 형성된 마이크로 크기의 요철과, 상기 요철의 표면에 플라즈마 식각 공정을 실시하여 요철과 일체로 형성된 나노 크기의 돌기와, 상기 돌기의 외측에 코팅되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성되고,
    상기 돌기와 초발수-초친수층은 진공 챔버에서 연속적으로 형성되며,
    상기 초발수-초친수층은 O2 플라즈마 또는 CF4 플라즈마가 선택적으로 적용되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조.
  2. 금속대상물의 표면에 마이크로샌드 블라스팅, 방전 가공, 레이저 가공을 실시하여 형성되거나, 에칭공정 또는 포토 리소그라피 공정을 실시하여 식각되어 금속대상물과 일체로 형성된 마이크로 크기의 요철과, 상기 요철의 표면에 플라즈마 식각 공정을 실시하여 요철과 일체로 형성된 나노 크기의 돌기와, 상기 돌기의 외측에 코팅되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 하는 초발수-초친수층을 포함하여 구성되고,
    상기 돌기는 플라즈마 식각 시간 및 가속 전압을 변경시에 초발수 또는 초친수 특성이 선택적으로 발현되며,
    상기 초발수-초친수층은 O2 플라즈마 또는 CF4 플라즈마가 선택적으로 적용되어 초발수 또는 초친수 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 요철과 돌기는 금속대상물과 일체로 형성됨을 특징으로 하는 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 초발수-초친수층은 물과의 접촉각이 25°이하이거나 130°이상인 것을 특징으로 하는 초발수/초친수 특성을 가진 금속 표면 구조.

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