KR20130034379A

KR20130034379A - 초소수성 전자기장 차폐재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130034379A
Application number: KR1020110098359A
Authority: KR
Inventors: 조은형; 손진승; 박성훈; 문창렬; 김하진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-05
Also published as: KR101866501B1; US8680497B2; US20130075632A1

Abstract

경화성 수지 및 탄소 물질을 포함하는 초소수성 전자기장 차폐재가 제공된다. 상기 초소수성 전자기장 차폐재는 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제1함몰 패턴 및 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제2함몰 패턴의 2중 이상의 함몰 패턴을 표면에 형성하여 초소수성을 구현한다. 상기 탄소 물질은 차폐재의 총 중량에서 3 중량% 내지 20 중량% 포함할 수 있다.

Description

초소수성 전자기장 차폐재 및 그 제조방법{SUPERHYDROPHOBIC ELECTROMAGNETIC FIELD SHEILDING MATERIAL AND METHOD OF PREPARING THE SAME}

초소수성 전자기장 차폐재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

열가소성 수지 및 탄소 나노 튜브 복합소재는 전자기장 차폐 용도로 사용하기 위해 개발되어 왔다. 그러나 상기 복합소재의 탄소 나노 튜브가 외부 환경에 노출되는 응용분야에 적용될 때, 오염에 의해 그 특성이 저감되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 재료의 표면에 자기 세정기능을 갖는 초소수성 특성을 적용할 수 있다. 초소수성(superhydrophobicity)은 물체의 표면이 극히 젖기 어려운 물리적 특성을 말한다.

현재까지는 유리기판이나 폴리머 등의 이종 기판 위에 코팅 방법으로 초소수성 성질을 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명의 일 구현예는 초소수성을 가지면서 전자기장 차폐 성능이 우수하고, 내구성이 우수한 초소수성 전자기장 차폐재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 구현예는 상기와 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 경화성 수지 및 탄소 물질을 포함하고, 상기 탄소 물질은 총 중량에서 3 중량% 내지 20 중량% 포함하고, 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제1함몰 패턴 및 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제2함몰 패턴의 2중 이상의 함몰 패턴을 표면에 형성하는 초소수성 전자기장 차폐재를 제공한다.

상기 경화성 수지는 열경화성 수지, 광경화성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.

상기 경화성 수지는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 열경화성 수지이거나, 우레탄 아크릴레이트, 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 실리콘계 UV 경화성 수지, 폴리디메틸실록산계 UV 경화성 수지, 에폭시계 UV 경화성 수지, 우레탄계 UV 경화성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 UV 경화형 수지일 수 있다.

상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브, 다중벽 탄소 나노 튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.

상기 탄소 나노 튜브는 COOH의 관능기를 갖는 것일 수 있다.

상기 제1함몰 패턴, 상기 제2함몰 패턴 또는 이들 모두 각각은, 상기 동일 형상의 홈들이 삼각형 어레이 배치를 이루도록 패턴이 형성된 것일 수 있다.

상기 동일 형상의 홈들이 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성되어, 상기 동일 형상의 홈들이 육각형의 중심과 꼭지점에 존재하는 배치 구조를 이루도록 패턴이 형성된 것일 수 있다.

상기 표면 상에 돌출부가 더 형성될 수 있다.

상기 제1함몰 패턴 또는 상기 제2함몰 패턴의 하나의 홈의 크기를 d, 홈의 간격을 p라 하고, 패턴 반경 λ는 λ=d/p할 때,

상기 제1함몰 패턴과 제2함몰 패턴은 아래의 식을 만족하도록 형성될 수 있다.

<수학식 4>

여기서,

는 상기 제1함몰 패턴과 상기 제2함몰 패턴이 형성된 고체 표면에서의 접촉각,

는 상기 제1함몰 패턴 및 상기 제2함몰 패턴 형성 전의 고체 표면에 대한 접촉각이고,

,

는

을 만족한다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 경화성 수지와 고형분 함량 중 3 내지 20 중량%의 탄소 물질을 포함하는 전자기장 차폐재 조성물을 기판에 도포하여 전자기장 차폐재 조성물층을 형성하는 단계; 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면을 갖는 패턴 성형 몰드를 사용하여 상기 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면이 상기 전자기장 차폐재 조성물층의 표면에 전사되도록 임프린팅하는 단계; 및 상기 2중 이상의 함몰 패턴이 형성된 전자기장 차폐재 조성물층을 열경화 또는 광경화하여 초소수성 전자기장 차폐재를 제조하는 단계;를 포함하는 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법을 제공한다.

상기 전자기장 차폐재 조성물에 포함된 탄소 물질은 탄소 나노 튜브이고, 산 용액에 화학적 전처리된 것일 수 있다.

상기 패턴 성형 몰드는 금속, 석영 또는 폴리머 재질의 몰드를 사용할 수 있다.

상기 폴리머 재질의 패턴 성형 몰드는 광을 투과할 수 있도록 투명한 것일 수 있다.

상기 폴리머 재질은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리디메틸실록산(Poly-Dimethylsiloxane: PDMS), 산화실리콘(SiO₂) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.

상기 임프린팅하는 단계는 상온에서 수행될 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재는 자기 세정 기능을 갖기 때문에 전자기파 차폐 성능을 오래 유지할 수 있고, 내구성이 우수하다. 또한, 그 제조 공정이 간단하고 효율적이며 경제적이다.

도 1은 텍스쳐링(Texturing) 전의 물체 표면에서의 방울의 접촉각을 보여준다.
도 2는 텍스쳐링 후의 물체 표면에서의 방울의 접촉각을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 초소수성 전자기장 차폐재의 표면에 형성된 패턴이 도시된 평면도이다.
도 4는 도 3의 VIII-VIII선 단면도이다.
도 5는 3개의 함몰 홀의 배치 간격 및 크기를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 초소수성 전자기장 차폐재의 표면에 형성된 패턴이 도시된 평면도이다.
도 7은 도 6의 초소수성 전자기장 차폐재의 표면에 형성된 패턴의 단면을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법의 각 단계를 도시한 모식도이다.
도 9는 실시예에서 제조된 초소수성 전자기장 차폐재의 표면 사진이다.
도 10은 비교예에서 제조된 전자기장 차폐재의 표면 사진이다.

이하, 일 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 필요에 따라서 도면을 참고로 설명되며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 본 명세서의 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 과장되게 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 구현예에 따른 초소수성 전자기장 차폐재는 경화성 수지 및 탄소 물질을 포함한 복합재로서, 그 표면에 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제1함몰 패턴 및 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제2함몰 패턴의 2중 이상의 함몰 패턴을 형성한다. 상기 탄소 물질은 탄소 섬유, 탄소 와이어, 탄소 나노 튜브, 그라핀, 플러린 및 이들의 조합에서 선택되는 하나일 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재는 재질의 특성상 전자파 차폐 성능 및 기계적 강도가 우수하고, 또한 상기 패턴을 형성함으로써 초소수성 특성이 부여된다.

상기 경화성 수지는 열경화성 수지, 광경화성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다. 상기 열경화성 수지 및 상기 광경화성 수지는 각각 열경화성 수지 또는 상기 광경화성 수지로서 공지된 수지가 제한 없이 사용될 수 있다.

열경화성 수지의 구체적인 예를 들면, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 등 일 수 있고, 이들의 조합도 가능하다.

광경화성 수지는 전자기파에 의해 경화될 수 있는 수지로서, 구체적인 예를 들면 365nm 파장의 자외선에 의해 경화될 수 있는 수지 일 수 있다. 이러한, 광경화성 수지는 예를 들면 UV 경화성 수지가 있다. UV 경화성 수지의 구체적인 예로서, 우레탄 아크릴레이트, 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 실리콘계 UV 경화성 수지, 폴리디메틸실록산계 UV 경화성 수지, 에폭시계 UV 경화성 수지, 우레탄계 UV 경화성 수지 등이고, 이들의 조합도 가능하다.

상기 탄소 물질로 사용할 수 있는 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브, 다중벽 탄소 나노 튜브 등이 제한 없이 사용될 수 있고, 이들의 조합도 가능하다.

상기 탄소 나노 튜브는 황산, 질산, 염산, 인산 용액 등의 산 용액으로 화학적 전처리된 것을 사용할 수 있다. 산 용액으로 화학적 전처리된 탄소 나노 튜브는 말단 또는 측면에 COOH의 관능기를 가질 수 있다. 산 처리시, 산 용액의 농도, 침지 시간 등을 조절하여 탄소 나노 튜브에 형성되는 COOH의 관능기 함량을 조절할 수 있다. 이러한, 화학적 전처리 방법은 특별히 한정되지 않으며 공지된 방법으로 수행할 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재는 탄소 물질을 총 중량에서 약 3 중량% 내지 약 20 중량% 포함할 수 있다. 상기 초소수성 전자기장 차폐재가 상기 범위의 탄소 물질을 포함하여 적절한 차폐 성능을 확보하면서 원활한 공정 수행이 가능할 수 있다. 상기 탄소 물질의 함량 범위는 그 용도에 따라 적당하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 범위 함량의 탄소 물질를 포함하는 초소수성 전자기장 차폐재는 자기테이프, 센서, 나노프로브, 전자기장 차폐코팅 재료 등의 전자기장 차폐 용도로 사용하기에 적절할 수 있다. 상기 초소수성 전자기장 차폐재는 탄소 물질을 포함함으로써 탄소 물질의 내재적인 전기적, 자기적 특성에 기인한 우수한 전자기장 차폐 성능을 가지는 것 이외에도 피로 저항, 인성의 향상, 강성, 경도, 강도 등이 향상될 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재는 초소수성 특성으로 환경적인 오염에 의한 탄소 물질의 손상을 완화시킬 수 있다. 초소수성 표면을 갖는 상기 초소수성 전자기장 차폐재는 우수한 건조성과 높은 수분 반발성을 가지기 때문에 자기 세정 기능과 습기 방지 기능을 가지게 되어 건축용 외장재, 가정용 및 산업용 고기능성 유리, 광학용 렌즈 등 많은 산업 분야에서 응용되기에 유리하다.

재료의 방수 및 자기 세정 성질은 종종 '연잎 효과 (Lotus Effect)'로 불리는 데 연은 진흙층이 쌓인 연못이나 강에서 서식하지만, 연잎은 작은 왁스 나노 구조에 의해 항상 오염 없이 깨끗한 상태를 유지한다. 즉, 연잎의 표면은 매우 거칠어 물이 흡수되지 않는데, 물 방울은 연잎에서 굴러 떨어지며 이 때 더러운 오염물을 함께 끌고 가게 된다. 또한 이러한 초소수성 특성은 재료 표면의 마찰저항이나 항력을 감소시킬 수 있기 때문에 자동차 등의 운송수단, 특히 항공기, 선박, 심해저 탐사선 등의 대형 이동수단의 표면에 적용하면, 매우 탁월한 연료 절감 효과를 기대할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 초소수성 전자기장 차폐재는 탄소 물질을 포함하는 복합재에 자기 세정 기능을 갖는 초소수성 표면을 만들어 줌으로써, 오염에 의한 재료의 전자기적 특성의 감소가 최소화된 복합 기능 소재로서 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 상기 초소수성 전자기장 차폐재는 표면에 형성된 패턴에 대하여 상세히 설명한다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재는 표면에 형성된 패턴은 2중 이상의 함몰 패턴 구조를 가져, 높은 소수성(hydrophobicity)을 가지면서도 내구성을 유지할 수 있도록 마련된다.

고체와 접촉하는 액적 아래의 공기와의 접촉면을 넓게 하면 공기와 접촉하고 있는 액적의 계면은 표면 에너지가 높으므로 액적이 구형화하여 전체 표면 에너지를 낮추고자 하므로 고체와의 접촉각이 높아지게 된다. 따라서 소수성을 높이기 위해서는, 액적 아래의 고체면을, 예를 들어, 패터닝하여 액적 아래에 가능한 많은 공기 포켓(air pocket)을 형성시켜 주어 비접촉 바닥면과의 거리를 크게 하여 외란이 발생하여도 공기 포켓이 유지되도록 할 필요가 있다.

구조에 의해 소수성이 나타나는 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 표면에 미세요철을 형성하기 전의 물체(1)의 표면(3)에서의 방울(5)의 접촉각을 보여주며, 도 2는 표면에 미세요철을 형성하는 텍스쳐링 후의 물체(1)의 표면(3)에서의 방울(5)의 접촉각을 보여준다.

텍스쳐링 전의 방울(5)의 접촉각(θ_E)은 다음의 식(Young's Equation)에 의해 결정될 수 있다.

[수학식 1]

여기서,

는 고체와 기체 사이의 계면 장력(interfacial tension),

은 고체와 액체 사이의 계면 장력,

는 액체와 기체 사이의 계면 장력이다.

텍스쳐링에 의해 방울(5)의 접촉각(θ_E ^*)은 다음의 식에 의해 증가하게 된다.

[수학식 2]

여기서,

는 방울(drop) 아래의 액체와 접하고 있는 고체의 면적 비율(area fraction)이다.

이때, 액체 방울(5)이 텍스쳐링된 면을 적시지 않기 위해서는 다음의 조건을 만족하여야 한다.

[수학식 3]

여기서,

는 돌출된 면적에 대한 실제 면적의 비율이다. 실제 면적은 돌출구조를 펼친 것에 해당한다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재의 표면은 이러한 원리에 의해 접촉각을 증가시켜 자기세정(self-cleaning), 물방울 맺힘 방지, 낮은 항력(drag force)이 가능한 구조를 만들기 위한 것으로서, 임프린트(imprint) 방식에 의해 패턴을 형성할 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재는 초소수성을 유지하면서도 일반적인 초소수성 표면의 문제점인 낮은 내구성을 극복할 수 있도록 패턴을 형성한다.

도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 초소수성 전자기장 차폐재(30)의 표면의 일부를 보인 평면도이고, 도 4는 도 3의 VIII-VIII선 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 초소수성 전자기장 차폐재(30)는, 높은 소수성을 가지면서도 내구성을 유지하도록 표면에서 돌출하는 구조 대신 고체 표면에서 함몰되는 구조를 가지는 것으로, 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 패턴 구조를 둘 이상으로 형성한 2중 이상의 함몰 패턴을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 함몰 홈은 마이크로 사이즈 또는 나노 사이즈로 형성될 수 있다.

도 3 및 도 4는 초소수성 전자기장 차폐재(30)가 제1함몰 패턴(40)과 제2함몰 패턴(50)으로 이루어진 예를 보여준다. 상기 초소수성 전자기장 차폐재(30)은, 상대적으로 큰 주기의 제1함몰 패턴(40)이 형성되고, 또한 상기 제1함몰 패턴(40)의 벽(45)의 상면(45a)에 상대적으로 작은 크기의 제2함몰 패턴(50)을 형성하여, 2중 이상의 함몰 패턴 구조는 갖는다.

상기 제1함몰 패턴(40)은 고체 표면에서 함몰 형성된 제1함몰 홈(41)들을 복수 개 포함하여 형성된 패턴이다. 상기 제2함몰 패턴(50)은 제1함몰 패턴(40)의 벽(45)의 상면에서 함몰 형성된 제1함몰 홈(41)보다 작은 크기의 제2함몰 홈(51)들을 복수 개 포함하여 형성된 패턴이다. 제1함몰 홈(41)과 제2함몰 홈(51)은 그 크기를 달리하는데, 홈의 직경, 홈간 간격, 홈의 깊이 등이 다를 수 있다.

도 3에서와 같이, 제1함몰 패턴(40)은 제1함몰 홈(41)들이 삼각형 어레이 배치, 예를 들어, 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성될 수 있다. 제1함몰 홈(41)들이 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성될 때, 제1함몰 패턴(40)은 제1함몰 홈(41)들이 육각형(hexagonal)의 중심과 꼭지점에 존재하는 배치 구조를 이루게 된다. 이와 같이, 제1함몰 패턴(40)은 제1함몰 홈(41)들이 육각형으로 밀접하게 채워진 구조로 형성될 수 있다.

제2함몰 패턴(50)은 제1함몰 패턴(40)의 벽(45) 상면(45a) 즉, 초소수성 전자기장 차폐재(30)의 표면으로부터 함몰된 구조로 형성되는데, 이 제2함몰 패턴(50)은 예를 들어, 제2함몰 홈(51)들이 전체적으로 삼각형 어레이 배치, 예컨대, 전체적으로 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성될 수 있다. 제1함몰 홈(41)이 형성된 함몰 영역에는 제2함몰 홈(51)들은 형성되지 않을 수 있으며, 제1함몰 홈(41) 이외 영역 즉, 제1함몰 홈(41)을 둘러싸는 벽(45)의 상면에서 전체적으로 삼각형 어레이 배치, 예를 들어, 전체적으로 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성될 수 있다. 제2함몰 홈(51)들이 전체적으로 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성될 때, 제2함몰 패턴(50)은 전체적으로는 제2함몰 홈(51)들이 육각형(hexagonal)의 중심과 꼭지점에 존재하는 배치 구조를 이루게 된다. 이와 같이, 제2함몰 패턴(50)은 제2함몰 홈(51)들이 육각형으로 밀접하게 채워진 구조로 형성될 수 있다.

상기 제1함몰 패턴(40) 및 제2함몰 패턴(50)은 도 3에 예시적으로 보인 바와 같이, 육각형으로 밀접하게 채워진 듀얼 원형 홈 면을 구성하도록 형성될 수 있다. 도 3에서는 제1함몰 패턴(40)의 제1함몰 홈(41)과 제2함몰 패턴(50)의 제2함몰 홈(51)이 모두 원형으로 형성된 예를 보여주는데, 제1함몰 홈(41)과 제2함몰 홈(51)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.

상기 제1함몰 패턴(40) 및 제2함몰 패턴(50)은 도 3에 예시적으로 보인 바와 같이, 육각형으로 밀접하게 채워진 듀얼 원형 홈 면을 구성하도록 형성될 때, 다음과 같은 접촉각을 기대할 수 있다.

도 5를 참조하면, 함몰 홈(60) 즉, 제1 또는 제2함몰 홈(41, 51)의 크기를 d, 간격을 p라 하고, 패턴 반경 λ는 λ=d/p할 때, 상기 제1함몰 패턴(40)과 제2함몰 패턴(50)의 이중 함몰 패턴 구조는 아래의 수학식 4를 만족하도록 형성될 수 있다.

[수학식 4]

여기서,

는 제1함몰 패턴(40)과 제2함몰 패턴(50)이 형성된 고체 표면에서의 방울의 접촉각,

는 제1함몰 패턴(40) 및 제2함몰 패턴(50) 형성 전의 고체 표면에 대한 접촉각이고,

,

는

을 만족한다.

즉, 제1함몰 홈(41)의 크기를 d_L, 간격을 p_L이라 할 때, 패턴 반경 λ_L은 λ_L =d_L/p_L이 되고,

는

이 된다. 제2함몰 홈(51)의 크기를 d_S, 간격을 p_S이라 할 때, 패턴 반경 λ_S은 λ_S =d_S/p_S이 되고,

는

이 된다.

는 상기 수학식 1의 영의 방정식에 의해 얻어질 수 있다.

상대적으로 큰 주기의 제1함몰 패턴(40)과 상대적으로 작은 주기의 제2함몰 패턴(50)의 이중 함몰 패턴 구조를 가지는 초소수성 전자기장 차폐재(30)에 대한 예를 나타내는 수학식 4를 얻기 위한 과정은 다음과 같다.

수학식 1의 영의 방정식과 수학식 5의 단위 면적당 에너지 변화(dE)에 대한 식을 고려한다.

[수학식 5]

dE = (w+v(1-w))γ + + (1-v)(1-w)(γ_SL - γ_SV) + γcosθ^*

여기서, w는 액적(droplet)의 아래 고체 표면에서 큰 공기 포켓과 작은 공기 포켓의 액적/기체 인터페이스(interface)의 비율(fractions)을 나타낸다. 큰 공기 포켓은 상대적으로 큰 제1함몰 홈(41), 작은 공기 포켓은 상대적으로 작은 제2함몰 홈(51)을 나타낼 수 있다.

에너지 변화를 최소화하는 값 즉, dE = 0을 수학식 5에 대입하면, 수학식 6이 얻어질 수 있다.

[수학식 6]

cosθ^* = (1-w)((1-v)cosθ_E -v) - w

따라서, 큰 공기 포켓의 고체/액체 인터페이스의 비율(fractions)은 1-w, 작은 공기 포켓의 고체/액체 인터페이스의 비율(fractions)은 1-v 가 되므로, φ_L = 1-w, φ_S = 1-v가 되고, 이를 수학식 6에 대입하면, 수학식 4가 얻어진다.

제1함몰 홈(41)과 제2함몰 홈(51)의 크기가 같은 경우, w=v가 되고, φ=1-w라 할 때, 이를 수학식 6에 대입하면, 수학식 7이 얻어질 수 있다.

[수학식 7]

cosθ^* = φ² (cosθ_E + 1) - 1

아래의 표 1은 상대적으로 크고 피치가 큰 제1함몰 홈(41)을 가지는 제1함몰 패턴(40)과 상대적으로 작고 큰 피치의 제2함몰 홈(51)을 가지는 제2함몰 패턴(50)의 이중 함몰 패턴 구조의 설계 예를 보여준다.

p_L =	60㎛	제1함몰 홈 패턴 피치
d_L =	58㎛	제1함몰 홈 패턴 직경
p_S =	8㎛	제2함몰 홈 패턴 피치
d_S =	7㎛	제2함몰 홈 패턴 직경
θ =	110	함몰 홈이 없는 고체 표면과의 접촉각
λ_L =	0.9667	제1함몰 홈에 대한 패턴 반경
λ_S =	0.875	제2함몰 홈에 대한 패턴 반경
φ_L =	0.15	제1함몰 홈에 대한 고체/액체 인터페이스 비율
φ_S =	0.30	제2함몰 홈에 대한 고체/액체 인터페이스 비율
θ^*	166	캐시 상태(cassie state)에서의 접촉각

제1 및 제2함몰 홈(41, 51)에 대한 패턴 반경 λ_L, λ_S는 함몰 홈 피치에 대한 함몰 홈의 크기(직경)의 비율을 의미하는 것으로, 전술한 바로부터 알 수 있듯이, λ_L= d_L/p_L , λ_S = d_S/p_S 로부터 얻어진 값이다.

는

로부터 얻어진 값이고,

는

로부터 얻어진 값이다.

표 1의 설계 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 함몰 홈이 없는 고체 표면에 대해 접촉각이 θ = 110인데 비해, 함몰 홈의 크기를 서로 달리한 제1함몰 패턴(40)과 제2함몰 패턴(50)의 이중 함몰 패턴이 형성된 고체 표면에 대해서는 접촉각을 θ^* = 166로 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재(30)는, 표면에서 함몰되는 구조를 가지며, 함몰 구조를 형성하는 벽(45)에 작은 크기의 함몰 구조를 형성하여, 액적과 고체 표면 사이의 공기가 포집되는 면적이 넓어져 초소수성을 가질 수 있으며, 함몰 구조로 형성함에 의해 표면 강성이 높아서 스크래치(scratch) 등에 강한 내구적 특성을 가질 수 있다. 또한, 예를 들어, 큰 함몰 구조에 작은 함몰 구조를 이중으로 형성하여 작은 함몰 구조가 손상되었을 때에도 큰 함몰 구조에 의해 기본적인 초소수성 구조가 유지될 수 있어 높은 내구성을 얻을 수 있다.

또한, 상기 초소수성 전자기장 차폐재(30)는 함몰 구조를 이중 또는 그 이상으로 구성함에 의해, 단일 구조에 비해 낮은 세장비의 패턴을 사용할 수 있으므로, 공정이 쉬워질 수 있다. 이러한 초소수성 전자기장 차폐재(30)는 예를 들면 나노임프린트(nanoimprint)와 같은 생산성 높은 공정으로 제작될 수 있다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재(30) 표면의 이중 이상의 함몰된 구조에 도 6 및 도 7에서와 같이 표면 위에 돌출부(70) 즉, 돌출된 기둥이나 입자를 더 구비하여 거친 표면을 갖도록 형성되거나 돌출부가 고체 표면에 형성된 작은 함몰구조를 대체할 수도 있다. 이 경우에도 돌출부가 손상되더라도 아래 큰 함몰구조가 남아 있으므로 소수성은 유지가 되기 때문이다. 도 6은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 초소수성 전자기장 차폐재의 표면에 형성된 패턴을 도시한 평면도이고, 도 7은 도 6의 초소수성 전자기장 차폐재의 표면에 형성된 패턴의 단면을 도시한 단면도이다.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법을 제공한다. 상기 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법은 경화성 수지와 탄소 물질을 포함하는 전자기장 차폐재 조성물을 기판에 도포하여 층을 형성하는 단계; 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면을 갖는 몰드의 상기 면이 상기 층의 표면에 전사되도록 임프린팅하는 단계; 및 상기 2중 이상의 함몰 패턴이 형성된 층을 열경화 또는 광경화하여 초소수성 전자기장 차폐재를 제조하는 단계를 포함한다. 상기 전자기장 차폐재 조성물에서 탄소 물질의 함량은 고형분 함량 중 3 중량% 내지 20 중량%이 되도록 배합할 수 있다. 이하, 도 8을 참고하여 상기 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법의 각 단계를 상세히 설명한다.

먼저, 경화성 수지와 탄소 물질을 포함하는 전자기장 차폐재 조성물을 준비한다. 상기 경화성 수지 및 탄소 물질에 관한 상세한 설명은 전술하여 설명한 바와 같다.

상기 탄소 물질로 사용될 수 있는 탄소 나노 튜브는 황산, 질산, 염산, 인산 용액 등의 산 용액에 함침시켜 화학적 전처리된 것을 사용할 수 있다. 상기 화학적 전처리 시, 산 용액의 농도, 침지 시간 등을 조절하여 탄소 나노 튜브에 형성되는 COOH의 관능기 함량을 조절할 수 있고, 이러한, 화학적 전처리 방법은 특별히 한정되지 않으며 공지된 방법으로 수행할 수 있다. 이와 같이 화학적 전처리된 탄소 나노 튜브를 사용하면 전자기장 차폐재 조성물 내에서의 분산성이 향상되고, 기계적 강도를 더욱 개선할 수 있다. 상기 전자기장 차폐재 조성물은 경화성 수지와 탄소 물질 이외에, 광개시제, 분산제, 소포제, 항산화제, 자외선 흡수제, 안정화제 등 용도에 따라 필요한 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 준비된 전자기장 차폐재 조성물을 기판(100) 위에 도포하여 전자기장 차폐재 조성물층(110)을 형성한다(도 8a).

도 8b에 나타난 바와 같이 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면을 갖는 패턴 성형 몰드(120)를 준비한 다음, 상기 2중 이상의 함몰 패턴이 상기 전자기장 차폐재 조성물층(110)의 표면에 전사되도록 상기 전자기장 차폐재 조성물층(110)의 표면과 상기 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면이 접하도록 상기 패턴 성형 몰드(120)를 상기 전자기장 차폐재 조성물층(110)에 올려 놓고 가압(도 8b의 화살표 A 방향)하여 임프린팅(imprint)한다(도 8c). 상기 2중 이상의 함몰 패턴은 전술하여 설명한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

임프린팅시 가압하는 압력의 크기는 상기 전자기장 차폐재 조성물이 경화성 수지를 사용하기 때문에 열가소성 수지를 사용하는 경우에 비하여 낮은 압력을 사용할 수 있다. 이러한 임프린팅시 압력의 크기는 전자기장 차폐재 조성물의 점도와 관련되는데, 경화성 수지를 사용하는 상기 전자기장 차폐재 조성물은 열가소성 수지 조성물에 비하여 상대적으로 점도가 낮기 때문에 점도가 높은 열가소성 수지 조성물을 임프린팅하는데 필요한 압력보다 낮은 압력으로 임프린팅할 수 있게 된다.

경화성 수지를 사용하면서 상기 패턴 성형 몰드(120)를 이용한 임프린팅 공정를 적용함으로써 명확한 패턴을 형성하기에 유리할 수 있다.

도 8c는 이와 같이 임프린팅된 전자기장 차폐재 조성물층(110)과 패턴 성형 몰드(120)를 도시하고 있고, 이 상태에서 임프린팅된 전자기장 차폐재 조성물층(110)을 경화시킬 수 있다. 도 8d는 광경화, 예를 들어 UV 경화인 경우를 나타내며 상기 패턴 성형 몰드(120)를 통해 임프린팅된 전자기장 차폐재 조성물층(110)에 UV 조사하여 UV 경화시킨다. 이와 같이 패턴 성형 몰드(120)를 이형하지 않은 상태에서 경화시킨 다음 이형(도 8e)하게 되면 보다 정확한 패턴 형성이 가능하다. 패턴 성형 몰드(120)를 이형하지 않은 상태에서 경화시키기 위해서는 상기 패턴 성형 몰드(120)가 투명하여 UV 등의 광을 투과시킬 수 있는 것이면 된다. 전자기장 차폐재 조성물층(110)에 UV 등의 광 에너지를 인가하면 광개시제가 불안정한 형태의 자유 라디칼로 분리되고, 자유 라디칼은 상대적으로 결합이 약한 모노머의 탄소 이중결합 또는 탄소 물질의 반응성 작용기의 결합을 끊어내어 재결합함으로써 활성 모노머를 형성한다. 이렇게 형성된 활성 모노머는 다시 주위의 다른 모노머의 탄소 이중결합을 끊고 재결합하는 식의 연쇄반응을 통해 긴 사슬을 이루게 된다. 이러한 반응은 자유 라디칼이 완전히 없어져 안정한 상태가 될 때까지 진행이 된다.

도 8e는 경화가 끝난 뒤 패턴 성형 몰드(120)를 이형한 뒤 패턴이 형성된 초소수성 전자기장 차폐재가 제조된 것을 보여준다. 또한, 상기 전자기장 차폐재 조성물은 경화성 수지를 사용하기 때문에 경화 및 이형 과정에 시간이 단축된다. 열가소성 수지 조성물인 경우라면 열을 가하여 패턴을 형성한 후 충분한 시간을 두고 냉각시킨 뒤 이형해야 패턴의 변형을 최소화하여 이형 전 패턴의 모양을 유지할 수 있다. 반면, 경화성 수지를 사용하는 상기 전자기장 차폐재 조성물은 이러한 냉각을 위한 시간을 요하지 않고, 경화가 완료되면 바로 이형이 가능하기 때문에 그만큼 공정 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 이와 같이 상기 전자기장 차폐재 조성물은 경화성 수지를 사용하기 때문에 고온 공정을 요하지 않기 때문에, 패턴 성형 몰드(120)의 재질로서 사용할 수 있는 선택의 폭이 넓어지게 된다. 따라서, 상기 패턴 성형 몰드(120)는 Ni, Si 등의 금속, 석영 등의 하드 스탬프(hard stamp) 뿐만 아니라 유연한 폴리머 재질의 몰드도 사용할 수 있게 된다. 상기 패턴 성형 몰드(120)가 폴리머 재질인 경우, 구체적으로, 폴리우레탄(polyurethane), 폴리디메틸실록산(Poly-Dimethylsiloxane: PDMS), 및 산화실리콘(SiO₂)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것 또는 이들의 조합일 수 있다. 이와 같이, 유연한 폴리머 재질의 몰드의 사용이 가능하기 때문에 롤 프린팅(roll printing) 공정 등에 응용되어 상대적으로 대면적에 대하여 균일한 패턴 전사가 가능할 수 있게 된다.

상기 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법은 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하기 위하여 2개 이상의 패턴 성형 몰드를 사용하는 2 단계의 공정이 아니고, 전술한 바와 같이 2중 이상의 함몰 패턴을 동시에 구현할 수 있는 하나의 패턴 성형 몰드(120)를 사용함으로써 하나의 공정으로 간편하게 수행될 수 있다.

이상과 같이 상기 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법은 패턴 전사성이 우수하여 마이크로 패턴 뿐만 아니라 다양한 미세 패턴을 구현할 수 있고, 상온 저압 공정이 가능하기 때문에 공정의 효율성, 경제성 및 생산성이 향상되어 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 초소수성 특성을 간단히 부여할 수 있는 방법이다.

전술한 초소수성 전자기장 차폐재는 상기 제조방법에 의해서 구현될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

( 실시예 )

실시예 1

퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 수지 94wt%, 황산 및 질산 혼합용액에서 화학적 전처리를 한 다중벽 탄소 나노 튜브 5wt%, 광개시제로서 1-히드록실사이클로헥실 페닐 케톤 1wt%를 혼합하여 전자기장 차폐재 조성물을 준비한 다음, 글라스 기판 위에 적당량을 도포하여 전자기장 차폐재 조성물층을 형성한다. 상기 표 1의 함몰 패턴 구조를 갖는 투명한 폴리우레탄 스탬프를 준비하고, 도 8에 나타난 순서에 따라 상온에서 500 Pa 압력으로 임프린팅한 뒤, UV 조사하여 경화시킨 뒤 바로 스탬프를 이형하여 초소수성 전자기장 차폐재를 제조한다.

비교예 1

반응성 에틸렌 터폴리머(reactive ethylene terpolymer, RET) 수지 95wt%, 질산 용액에서 화학적 전처리를 한 다중벽 탄소 나노 튜브 5 wt%를 혼합하여 조성물을 준비한 다음, 글라스 기판 위에 적당량을 도포하여 조성물층을 형성한다. 먼저, 상기 조성물층의 녹는점인 75℃까지 핫플레이트 위에서 가열한다. 이어서, 상기 표 1의 함몰 패턴 구조를 갖는 Ni 스탬프를 상기 조성물층 위에 올려 놓고, 1000 Pa의 압력을 가하여 임프린팅한다. 1시간 동안 방치하여 냉각시킨 뒤, Ni 스탬프를 이형하여 전자기장 차폐재를 제조한다.

도 9는 상기 실시예 1에서 제조된 초소수성 전자기장 차폐재 표면 사진이고, 도 10은 상기 비교예 1에서 제조된 전자기장 차폐재 표면 사진이다. 도 10의 전자기장 차폐재에서는 많은 흠결(defect)가 관찰되며 패턴 전사성이 양호하지 않았고, 패턴의 깊이도 Ni 스탬프 패턴의 25% 수준 정도에 불과하였다. 반면, 도 9의 초소수성 전자기장 차폐재는 스탬프의 패턴이 그대로 반영되어 도 10에 비하여 흠결 및 균일성이 크게 개선됨을 확인할 수 있고, 패턴 높이도 스탬프의 패턴 높이과 거의 유사하였다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

1: 물체 3: 표면
5: 방울 30: 초소수성 전자기장 차폐재
40: 제1함몰 패턴 41: 제1함몰 홈
45: 제1함몰 패턴의 벽 45a: 제1함몰 패턴의 벽의 상면
50: 제2함몰 패턴 51: 제2함몰 홈
60: 함몰 홈 70: 돌출부
100: 기판 110: 전자기장 차폐재 조성물층
120: 패턴 성형 몰드

Claims

경화성 수지 및 탄소 물질을 포함하고,
상기 탄소 물질은 총 중량에서 3 중량% 내지 20 중량% 포함하고,
동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제1함몰 패턴 및 동일 형상의 복수의 홈을 포함하는 제2함몰 패턴의 2중 이상의 함몰 패턴을 표면에 형성하는 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 경화성 수지는 열경화성 수지, 광경화성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 경화성 수지는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 열경화성 수지이거나, 우레탄 아크릴레이트, 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 실리콘계 UV 경화성 수지, 폴리디메틸실록산계 UV 경화성 수지, 에폭시계 UV 경화성 수지, 우레탄계 UV 경화성 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 UV 경화형 수지인 것인 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브, 이중벽 탄소 나노 튜브, 다중벽 탄소 나노 튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 튜브는 COOH의 관능기를 갖는 것인 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 제1함몰 패턴, 상기 제2함몰 패턴 또는 이들 모두 각각은, 상기 동일 형상의 홈들이 삼각형 어레이 배치를 이루도록 패턴이 형성된 것인 초소수성 전자기장 차폐재.
제6항에 있어서,
상기 동일 형상의 홈들이 정삼각형 어레이 배치를 이루도록 형성되어, 상기 동일 형상의 홈들이 육각형의 중심과 꼭지점에 존재하는 배치 구조를 이루도록 패턴이 형성된 것인 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 표면 상에 돌출부가 더 형성된 초소수성 전자기장 차폐재.
제1항에 있어서,
상기 제1함몰 패턴 또는 상기 제2함몰 패턴의 하나의 홈의 크기를 d, 홈의 간격을 p라 하고, 패턴 반경 λ는 λ=d/p할 때,
상기 제1함몰 패턴과 제2함몰 패턴은 아래의 식을 만족하도록 형성되는 초소수성 전자기장 차폐재:
<수학식 4>

여기서,
는 상기 제1함몰 패턴과 상기 제2함몰 패턴이 형성된 고체 표면에서의 접촉각,
는 상기 제1함몰 패턴 및 상기 제2함몰 패턴 형성 전의 고체 표면에 대한 접촉각이고,
및
는
을 만족한다.
경화성 수지와 고형분 함량 중 3 내지 20 중량%의 탄소 물질을 포함하는 전자기장 차폐재 조성물을 기판에 도포하여 전자기장 차폐재 조성물층을 형성하는 단계;
2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면을 갖는 패턴 성형 몰드를 사용하여 상기 2중 이상의 함몰 패턴을 형성하는 면이 상기 전자기장 차폐재 조성물층의 표면에 전사되도록 임프린팅하는 단계; 및
상기 2중 이상의 함몰 패턴이 형성된 전자기장 차폐재 조성물층을 열경화 또는 광경화하여 초소수성 전자기장 차폐재를 제조하는 단계;
를 포함하는 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 전자기장 차폐재 조성물에 포함된 탄소 물질은 탄소 나노 튜브이고, 산 용액에 화학적 전처리된 것인 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 패턴 성형 몰드는 금속, 석영 또는 폴리머 재질의 몰드를 사용하는 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 폴리머 재질의 패턴 성형 몰드는 광을 투과할 수 있도록 투명한 것을 사용하는 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 폴리머 재질은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리디메틸실록산(Poly-Dimethylsiloxane: PDMS), 산화실리콘(SiO₂) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것인 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 임프린팅하는 단계는 상온에서 수행되는 것인 초소수성 전자기장 차폐재의 제조방법.