KR20150061765A - 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀 및 이의 제조방법 - Google Patents

발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀 및 이의 제조방법 Download PDF

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한동호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 알루미늄(Al) 합금 재질의 증발기용 핀 표면에 요철형상의 표면을 형성시키고 그 위에 발수성 단분자층을 형성시켜 증발기 표면에 초발수 특성을 갖는 코팅층을 구비하게 함으로써 응축수가 쉽게 배출 및 제거되는 초발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 증발기용 핀은 초발수적 표면 특성을 갖기 때문에 응축수가 증발기 표면에서 단기간에 제거될 수 있어, 세균, 곰팡이 등의 미생물이 증발길 표면에 증식할 수 없게 되며, 응축수에 의한 알루미늄의 부식을 억제함으로써 냄새를 저감시킬 수 있다.

Description

발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀 및 이의 제조방법{Fin for evaporator with water-repellent coating layer And process for producing the same}
본 발명은 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 알루미늄(Al) 합금 재질의 증발기 핀 표면에 요철형상의 표면을 형성시키고 발수성 분자층을 형성시켜 증발기 표면에 초발수 특성을 갖는 코팅층을 구현함으로써 응축수가 쉽게 배출 및 제거되는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀 및 이의 제조방법이다.
자동차용 또는 가정용으로 주로 사용되는 냉방기, 냉동공조기, 제습기, 에어컨은 개략적으로 압축기, 응축기 및 증발기로 이루어져 있으며, 압축기, 응축기 및 증발기를 냉매가 순환함으로써 열교환이 이루어지게 된다. 즉, 압축기에서 고온 고압으로 압축된 냉매는 응축기로 공급되어 고압 액상의 상태로 응축되고, 응축기에서 응축된 냉매는 저온 저압의 상태로 증발기로 보내어져 증발되면서 주위의 공기를 냉각시킨 뒤에 다시 압축기에서 압축되는 과정을 반복하며 순환하게 된다.
한편 위의 구성 요소들 중에, 증발기에서는 저온의 냉매와 냉매보다 온도가 높은 공기가 서로 열교환을 수행하게 됨에 따라 증발기 표면에 결로 현상으로 인한 물방울이 맺히게 된다. 그런데, 냉방기나 제습기의 소형화 및 고성능화에 따라 증발기의 방열핀이 조밀한 간격으로 배열되고 고풍량이 요구되는 실정에서, 결로 현상으로 인한 물방울은 통풍 저항을 증대시키는 한편 결로된 물방울이 비산되는 문제가 발생하게 되므로, 이러한 물방울을 신속하게 배수하기 위해서는 친수성 기능을 부여한 친수 처리나 또는 소수의 기능을 부여한 소수 처리가 요구된다.
특히 에어컨은 실내 공기 온도를 낮추고 습기를 제거하여 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위한 장치이지만, 사용 중 유발되는 냄새는 사용자에게 불쾌감을 준다. 에어컨 냄새는 주로 열교환이 일어나는 증발기(evaporator)에서 발생하는 것으로 알려져 있으며, 증발기에서 발생되는 주요 냄새 종류로는 증발기 표면에 서식하는 세균 곰팡이 등의 미생물이 배출하는 MVOC(microbial volatile organic compound), 증발기 재질인 알루미늄(Al)의 부식과정에서 배출되는 냄새, 그리고 증발기 표면에 흡착되는 배기가스, 담배연기, 체취 등의 외부 유입 성분 등이 있다(참고 문헌: SAE 2004-01-0214; Current Microbiology Vol. 39(1999), pp.141-145; Current Microbiology Vol. 41(2000), pp.206-209).
증발기의 열교환 과정에서 공기 중 수분이 응축되어 생성되는 응축수는 에어컨 사용 후에 장시간 증발기 표면에 남아 있으면서 세균 곰팡이 등 미생물이 서식하는 환경을 조성하며, 알루미늄(Al) 재질의 부식을 유발할 수 있기 때문에, 증발기에서 유발되는 냄새 문제 개선을 위해서는 응축수가 증발기 표면에서 단시간에 제거될 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.
현재 대부분의 자동차 에어컨 증발기는 알루미늄(Al) 재질의 냉매 튜브, 레인포스, 냉각 핀 등을 납땜(brazing)하여 본체를 형성시킨 후, 증발기 홀더에 탑재하여“탈지(fat removal) → 수세(water rinsing) → 산세(acid rinsing) → 수세 → 화성 처리(chemical conversion treatment) → 수세 → 친수 코팅 (hydrophilic coating) → 건조(drying)” 단계를 거치며 이를 도 1에 도시하였다. 특히, 건조 전 각 단계는 증발기 본체를 해당 용액에 담근 후 꺼내는 침지(dipping) 공정으로 진행된다. 탈지 공정은 고온의 납땜(brazing) 공정에서의 산화물 생성을 억제하기 위해 사용된 용제 및 각종 오염물을 제거하기 위해 NaOH 등의 염기성 수용액을 사용한다. 산세 공정에서는 탈지 공정에서 부산물로 생성되는 스머트(Smut)을 제거하기 위해 HNO3 등의 산성 수용액을 사용한다. 화성처리에서는 알루미늄(Al)의 부식 방지를 위해 크롬산계나 지르콘산계 화성 처리액 등을 사용할 수 있으며, 최근에는 유해 중금속인 6가 크롬계는 사용이 제한되고 있다. 각 공정 후 수세 단계에서는 이전 공정에서의 약품을 물로 씻어낸다. 친수코팅 공정에서는 수용성인 폴리아미드계, 아크릴계, 에폭시계 등을 사용하여 코팅하며, 코팅제를 경화시키기 위해 140 ~ 150 ℃에서 건조한다. 그러나 친수 코팅에 의해 증발기 표면의 물방울 접촉각은 20 ~ 40˚ 수준이 된다. 친수 코팅층 위에서 응축수는 증발기 표면 전체로 퍼져 얇은 수막을 형성하면서 원활히 배출되기 때문에 통풍 저항이 감소되지만, 에어컨 사용 후에도 응축수가 장기간 증발기 표면에 남아 있음으로써 세균 곰팡이 등의 미생물이 증식할 수 있는 환경을 조성하여 궁극적으로 에어컨 냄새의 원인으로 작용할 뿐만 아니라, 알루미늄 재질인 증발기를 부식시키는 원인으로도 작용할 수 있다.
한국 특허출원 제2009-0071788호는 냉각핀 표면에 아크릴 에폭시 수지 성분의 발수성 도료를 도포하여 형성한 발수 코팅층을 구비하여, 냉각핀의 부식을 방지하고, 제상 히터에 의해 성에가 녹은 물이 잘 흘러내리도록 하여 증발기의 효율을 더욱 증대시키는 방법을 개시하고 있으나 이는 물방울 접촉각이 60° ~ 120°수준으로 응축수가 증발기 표면에 방울 모양으로 맺혀 잘 굴러 떨어지지 않으면서 서로 연결되어 두꺼운 수막을 형성하기 때문에 통풍 저항이 커지고 열전달 특성이 나빠지는 한계가 있다. 또한 발수 코팅을 위한 사용되는 용제로 메틸에틸케톤, 톨루엔 등의 유기 용제를 사용하기 때문에 침지(dipping) 공정에 적용 시에 유해한 유기 용제가 공기 중으로 쉽게 유출되면 친환경적이지 못한 단점이 있다.
이에 증발기 표면의 응축수를 단시간에 제거하기 위해 물방울 접촉각(contact angle)이 140°이상이 되고 물방울 흐름각(sliding angle)이 10˚ 이하인 초발수 표면을 구현하여야 한다. 일명 연잎 효과 (Lottus Effect)라고 불리우는 이러한 초발수 표면을 구현하는 가장 우수한 방법으로, 연잎처럼 표면에 마이크로-나노 구조체를 형성하면서 표면의 화학특성이 발수성이 있도록 처리하는 것이 알려져 있다.
이와 관련한 종래 기술로, 초발수 표면 구현을 위해 한국 특허출원 제2007-0025626호는 실리콘 수지 60 ~ 75 중량%, 불소 수지 12 ~ 18 중량%, 카본블랙 1.5 ~ 6.5 중량%, 실리콘 오일 3.5 ~ 7 중량%, 은나노 0.2 ~ 0.8 중량, 디옥틸 프탈레이트 3 ~ 8 중량%로 이루어진 발수성 도료를 제시하고 있으나, 실리콘 수지와 불소 수지가 혼합된 발수성 도료는 열교환 사이클이 반복되는 경우 초발수 특성이 저하되는 한계가 있다.
한국 특허출원 제2010-0038102호는 증발기 표면을 플라즈마 에칭(plasma etching), 리소그래피(lithography), 아노다이징(anodizing) 등으로 마이크로-나노 구조물을 형성한 후 화학 처리하는 방법, 기판 상에 카본나노튜브(CNT), ZnO, Si 등의 나노구조물을 수직 상승시키는 방법, 카본나노튜브나 ZnO 나노 와이어 등 나노 구조체가 혼합된 발수성 코팅액을 증발기 표면에 도포하는 방법 등을 개시하고 있다.
그러나 증발기 표면을 플라즈마 에칭, 리소그래피, 아노다이징 등으로 마이크로-나노 구조물을 형성한 후 화학 처리하는 방법은, 증발기 본체를 균일하게 처리하기 난해하며, 새로운 설비 투자가 필요하게 되고, 공정시간이 길어져 상업성이 크게 떨어뜨리는 한계가 있다. 또한 기판 상에 카본나노튜브(CNT), ZnO, Si 등의 나노구조물을 수직 상승시키는 방법은 증발기 본체를 균일하게 처리하기 난해하며, 새로운 설비 투자가 필요하게 되고, 공정시간이 길어져 상업성이 크게 떨어진다. 또한 카본나노튜브나 ZnO 나노 와이어 등 나노구조체가 혼합된 발수성 코팅액을 증발기 표면에 도포하는 방법은 나노구조체의 함량이 많아야 초발수성이 좋아지기 때문에 코팅 가격이 상승할 뿐만 아니라 코팅액에서의 장기간 분산성 유지하기가 난해하여 품질 편차의 우려가 있다.
이에 기존의 증발기 표면 처리 설비를 그대로 활용할 수 있으면서, 공정이 보다 단순하고 가격 경쟁력이 있으며 초발수 표면 특성을 부여할 수 있는 증발기 표면의 발수성 코팅층 형성 방법 등이 절실히 필요한 실정이다.
1: 한국 특허출원 제2009-0071788호 2: 한국 특허출원 제2007-0025626호 3: 한국 특허출원 제2010-0038102호
이에 본 발명자들은 공정이 보다 단순하고 가격 경쟁력이 있으며 초발수 표면 특성을 부여할 수 있는 증발기 표면의 발수성 코팅층 형성 방법을 개발하던 중, 냉매와 공기의 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기의 증발기용 핀에서 있어서, 증발기용 핀의 표면이 요철형상 표면을 갖고 요철 형상 표면 위에 지방산의 발수성 단분자층이 형성함으로써, 물방울 접촉각(contact angle)이 140˚ 이상이 되고 물방울 흐름각(sliding angle)이 10˚이하인 초발수 표면을 구현할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 개발하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 물방울 접촉각이 140°~ 160°이고, 물방울 흐름각이 5° ~ 10°인 증발기 표면이 요철형상 표면을 갖고 발수성 단분자층이 형성된 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 증발기 핀의 발수성 코팅층 형성방법을 제공하는데 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 냉매와 공기의 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기의 증발기용 핀에서 있어서, 상기 증발기용 핀은 요철형상의 표면을 갖고 요철형상의 표면 위에 발수성 단분자층이 형성된 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀을 제공한다.
또한 본 발명은 (ⅰ) 증발기용 핀 표면을 에칭(etching)시켜 요철형상 표면을 형성시키는 단계; (ⅱ) 에칭(etching)된 증발기용 핀 표면을 발수 코팅액에 침지하여 발수성 단분자층을 형성시키는 단계; 및 (ⅲ) 열처리하여 발수성 단분자층이 요철형상 표면에 부착하여 발수성 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기 핀의 발수성 코팅층 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따른 증발기용 핀은 초발수적 표면 특성을 갖기 때문에 응축수가 증발기 표면에서 단기간에 제거될 수 있어, 세균, 곰팡이 등의 미생물이 증발길 표면에 증식할 수 없게 되며, 응축수에 의한 알루미늄의 부식을 억제함으로써 냄새를 저감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증기기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법은 기존의 설비 그대로 이용할 수 있어 양산성이 우수하며, 보다 단순한 공정을 거치기에 생산비가 절감되어 증발기용 핀 뿐만 아니라 모든 응축수가 발생하는 열교환기에 널리 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 증발기 표면의 코팅층 형성방법을 도식화한 것이다.
도 2는 일반적인 증발기의 본체 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 증발기용 핀의 표면을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 증발기용 핀에 형성된 자가조립 단분자층(self assembled monolayer)의 형성 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법을 도식화한 것이다.
도 6은 비교예 및 실시예의 알루미늄 시험편의 표면을 전계방출주사전자현미경(FE-SEM)의 분석결과를 나타낸 것으로, (a)와 (b)는 비교예 1의 알루미늄 시험편의 표면을 1,000배 및 10,000배로 확대하여 나타낸 것이고, (c) 및 (d)는 실시예의 알루미늄 시험편의 표면을 1,000배 및 10,000배로 확대하여 나타낸 것이다.
도 7은 비교예 및 실시예의 알루미늄 시험편의 표면 정접촉각을 나타낸 것으로, (a)는 비교예 1의 알루미늄 시험편 표면의 접촉각(99°)을 나타낸 것이고, (b)는 비교예 2의 알루미늄 시험편 표면의 접촉각(11°)을 나타낸 것이고, (c)는 실시예의 알루미늄 시험편 표면의 접촉각(154°)을 나타낸 것이다.
도 8은 비교예 및 실시예의 알루미늄 시험편의 표면 흐름각을 나타낸 것으로, (a)는 비교예 1의 알루미늄 시험편 표면의 기울기 0°, 10°, 20°에서의 흐름각을 나타낸 것이고, (b)는 비교예 2의 알루미늄 시험편 표면의 기울기 0°, 10°, 20°에서의 흐름각을 나타낸 것이고, (c)는 실시예의 알루미늄 시험편 표면의 약 5 ~ 10°의 흐름각을 나타낸 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 보호의 설명>
10: 튜브
20: 핀
30: 초발수성 코팅층
이하에서 본 발명을 하나의 구현예로서 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 냉매와 공기의 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기의 증발기용 핀에서 있어서, 상기 증발기용 핀은 요철형상의 표면을 갖고 요철형상의 표면 위에 발수성 단분자층이 형성된 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀을 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 증발기용 핀의 표면을 도식한 것으로, 증발기 핀의 마이크로- 나노 크기의 미세 요철형상의 표면 위에 발수성 코팅층이 형성되어 있는 것으로 특징으로 한다. 마이크로- 나노 크기의 미세 요철형상의 표면은 일반적인 평평한 표면과 대비하여 발수성 코팅층이 형성되었을 때 물방울이 요철 사이에 존재하는 공기와의 접촉면이 증가하여 초발수성을 구현할 수 있게 한다.
상기 증발기용 핀은 알루미늄(Al) 합금으로, 바람직하게는 알루미늄 합금 3003, 4343 및 7072로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 알루미늄 합금을 사용할 수 있다.
요철형상 표면을 갖는 알루미늄(Al) 합금으로 이루어진 증발기용 핀은 에칭(etching)을 통해 형성된 것으로, 에칭은 알칼리 수용액에 침지(dipping)하여 마이크노- 나노 크기의 미세 요철형상 표면을 구현할 수 있다.
상기 발수성 단분자층은 지방산의 친수성 헤드(hydrophilic head)가 증발기용 핀의 표면에 흡착하고, 소수성 테일(hydrophobic tail)이 공기층으로 향하는 형성으로, 자가조립으로 단분자 층이 형성된 것이다. 다시 말해 발수성 단분자층은 자가조립 단분자층(self assembled monolayer)으로, 도 4에 이들의 형성 및 부착 모습을 도식화하여 나타냈다.
요철형상 표면에 자가조립 단분자층(self assembled monlayer)이 형성되며, 발수성 코팅층은 1 ~ 10 nm의 두께로 코팅된다. 따라서 에칭 공정에서 형성된 마이크로-나노 크기의 미세 요철형상이 유지된다.
상기 자가조립 단분자 층을 형성하는 발수 코팅액은 미리스트올레산(Myristoleic acid), 팔미톨레산(Palmitoleic acid), 사이에닉산(Sapienic acid), 올레산(Oleic acid), 엘라이드산(Elaidic acid), 박센산(Vaccenic acid), 리놀렌산(Linoleic acid), 리노엘라이딕산(Linoelaidic acid), α-리놀렌산(α-Linolenic acid), 아라키돈산(Arachidonic acid), 에이코사펜타엔 산(Eicosapentaenoic acid), 에루스산(Erucic acid), 도코사헥사엔산(Docosahexaenoic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프릭산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키딕산(Arachidic acid), 베헨산(Behenic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 및 세로틴산(Cerotic acid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 지방산(fatty acid)을 포함한다.
상기 지방산의 탄소수는 8 ~ 30 정도로, 긴 사슬의 알킬기(alkyl)는 소수성 성질을 갖고, 카르복실기(carboxyl)는 친수성 성질을 띄기에 친수성 헤드(hydrophilic head)가 증발기 표면에 흡착하고, 소수성 테일(hydrophobic tail)이 공기층으로 향하는 형상을 구현할 수 있는 것이다.
이러한 표면 현상을 갖는 증발기용 핀은 증발기용 핀은 물방울 접촉각이 140°~ 160° 이고, 물방울 흐름각이 5° ~ 10°을 갖는 초발수성 특성을 갖는다.
다음으로 본 발명은 (ⅰ) 증발기용 핀 표면을 에칭(etching)시켜 요철형상 표면을 형성시키는 단계; (ⅱ) 에칭(etching)된 증발기용 핀 표면을 발수 코팅액에 침지하여 발수성 단분자층을 형성시키는 단계; 및 (ⅲ) 발수성 단분자층이 요철형상 표면에 부착하도록 열처리하여 발수성 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법을 제공한다. 도 5는 본 발명에 따른 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법을 도식화한 것이다.
본 발명에 따른 발수성 코팅층 형성방법에 있어서, (ⅰ) 단계는 증발기용 핀 표면을 에칭(etching)시켜 요철형상 표면을 형성시키는 단계이다.
상기 증발기용 핀은 알칼리 합금 소재로 이뤄져 있으며, 더욱 바람직하게는 알루미늄 합금 3003, 4343 및 7072로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 알루미늄 합금을 사용한다.
이러한 소재의 증발기용 핀은 LiOH, NaOH, KOH, CsOH 및 RbOH로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 알칼리 수용액을 포함하는 에칭액에 침지(dipping)하여 마이크로-나노 크기의 미세 요철 형상의 표면을 형성시킨다. 보다 바람직하게는NaOH 수용액이다. 그 이유는 KOH, CsOH와 같이 인체에 유해한 정도가 적고 가격적인 측면에서 유리하기 때문이다.
한편 알루미늄(Al)은 일반적으로 공기 중 산소와 쉽게 반응하여 표면은 주로 Al2O3 층이 수 nm 두께로 존재한다. 하기 식 1 및 2는 알칼리 수용액에서 증발기 표면의 산화알루미늄(Al2O3 )과 알루미늄(Al)의 에칭 과정에서 발생하는 화학 반응식을 나타낸 것이다.
(식 1) Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na+ + 2[Al(OH)4]-
(식 2) 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na+ + 2[Al(OH)4]- + 3H2↑
이러한 특성을 이용하여 알칼리 용액을 이용하여 증발기용 핀을 에칭 시킬 수 있는 것이다.
이때 상기 알칼리 수용액은 0.1 ~ 100 g/L을 농도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 수용액 농도가 0.1 g/L 미만인 경우 마이크로- 나노 크기의 요철 구조 형성이 미흡해지고, 100 g/L 초과인 경우 에칭 반응이 급격하게 진행되면서 부분적으로 에칭량이 과대해지면서 균일한 반응을 진행하지 못해 향후 열교환 사이클이 반복될 경우 증발기 튜브가 터질 수 있기에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
아울러 에칭 시에 온도는 20 ~ 100℃로, 다시 말해 알칼리 용액을 20 ~ 100℃온도인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 용액의 온도가 20℃ 미만인 경우 처리 시간이 길어져 생산성이 저하되는 문제가 있고, 100℃ 초과인 경우 에칭 반응이 급격하게 진행되며 수분 증발 등으로 알칼리 수용액의 농도 유지가 어려워질 수 있기에 상기 범위 내에서 수행하는 것이 좋다. 또한 생산성을 위해 에칭은 1 ~ 10 분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 에칭이 끝난 후, 이물질을 제거하기 위해 증발기용 핀을 수조에 넣어 수세 처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 수세가 균일하게 일어날 수 있도록 적절히 회전시켜 주는 것이 좋다.
다음으로 상기 (ⅱ) 단계는 에칭(etching)된 증발기용 핀 표면을 발수 코팅액에 침지하여 발수성 단분자층을 형성시키는 단계이다. 에칭(etching)된 마이크로- 나노 크기의 요철형상 표면이 형성된 증발기용 핀 표면에 발수 코팅액에 침지하여 발수성 단분자층을 형성시킨다.
상기 발수성 단분자층은 지방산의 친수성 헤드(hydrophilic head)가 증발기 표면에 흡착하고, 소수성 테일(hydrophobic tail)이 공기층으로 향하는 형성으로 자가 조립된 것으로, 위에 언급한 바와 같이 자가조립 단분자층(self assembled monolayer)을 형성하게 된다. 이를 도 4를 통해 확인할 수 있다.
이때 상기 지방산은 미리스트올레산(Myristoleic acid), 팔미톨레산(Palmitoleic acid), 사이에닉산(Sapienic acid), 올레산(Oleic acid), 엘라이드산(Elaidic acid), 박센산(Vaccenic acid), 리놀렌산(Linoleic acid), 리노엘라이딕산(Linoelaidic acid), α-리놀렌산(α-Linolenic acid), 아라키돈산(Arachidonic acid), 에이코사펜타엔 산(Eicosapentaenoic acid), 에루스산(Erucic acid), 도코사헥사엔산(Docosahexaenoic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프릭산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키딕산(Arachidic acid), 베헨산(Behenic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 및 세로틴산(Cerotic acid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 지방산을 포함하는 발수 코팅액은 용매로, 메탄올, 에탄올, 프라판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 및 헵탈올로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 알코올 용매을 사용하는 것이 바람직하며, 이때 지방산의 농도는 발수 코팅액 전체 중량 대비 0.01 ~ 20 중량%을 사용하는 것이 바람직하다. 지방산 농도가 0.01 중량% 미만인 경우 지방산이 증발기 표면에 고르게 분포되기 어려우며, 20 중량% 초과인 경우 증발기용 핀을 침지(dipping)하여 꺼낼 때 부분적으로 많은 양의 지방산이 표면에 남아 있기 때문에 원료의 낭비가 초래되기에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 아울러, 증발기용 핀을 발수 코팅액에 침지(dipping)할 때 반응이 균일하게 일어날 수 있도록 적절히 회전시켜주는 것이 바람직하다.
상기 (ⅱ) 단계의 발수성 단분자층을 형성 과정은 20 ~ 30℃ 온도에서 10 ~ 30 분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 온도가 20℃ 미만인 경우 단분자층 형성에 많은 시간이 소요되는 문제가 있고, 30℃ 초과인 경우 용매의 증발이 심해져 용액의 농도가 증가하는 문제가 있으며, 10 분 미만인 경우 단분자층이 고르게 형성되지 못하는 문제가 있고, 30분 초과인 경우 생산성이 저하되는 문제가 있기에 상기 범위 내에서 수행하는 것이 좋다.
상기 (ⅲ) 단계는 발수성 단분자층이 요철형상 표면에 부착하도록 열처리하여 발수성 코팅층을 형성시키는 단계이다.
마이크로-나노 크기의 요철이 형성된 증발기용 핀 표면에 형성된 자가조립 단분자층은 화학결합이 불충분한 불안정한 상태이다. 따라서, 열처리를 통해서 지방산의 결합을 충분하게 이루질 수 있도록 하여 초발수성 코팅층을 안정하게 형성한다.
보다 구체적으로 상기 열처리는 70 ~ 150℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 70℃ 미만인 경우 지방산과 증발기용 핀 표면 간의 화학결합이 불충분하여 내구성을 저하 시킬 수 있으며, 150℃ 초과인 경우 증발기용 핀 표면 위에 자가조립 단분자 층의 지방산의 조립 구조가 깨지거나 지방산이 증발하여 발수성의 뷸균일을 초래할 수 있다.
본 발명에 따른 발수성 코팅층 형성방법은 상기 (ⅲ) 단계 이후 10 ~ 20분 동안 건조시키는 (ⅳ) 단계를 더 포함한다. 이때 건조는 생산성 향상을 위해 20분을 초과하지 않는 것이 바람직하다.
이렇게 형성된 발수성 코팅층은 접촉각이 140°~ 160°이고, 물방울 흐름각이 5° ~ 10°인 초발수성인 것으로, 응축수가 발생 시에 증발기 표면에서 단기간에 제거할 수 있으며, 이로 인해 세균, 곰팡이 등의 미생물이 번식하지 않고, 알루미늄 재질이 부식되지 않아 쾌적한 실내 공기를 유지할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 증발기용 핀과 이의 제조방법은 자동차용 또는 가정용으로 주로 사용되는 냉방기, 냉동공조기, 제습기, 에어컨에 널리 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 : 초발수성 표면 특성을 갖는 알루미늄의 제작
증발기용 핀으로 사용되는 소재인 망간(Mn)이 함유된 알루미늄(Aluminum, Al 3003) 평판을 아세톤으로 세척하여 유기 오염물을 제거하였다. 그 다음 알루미늄 평판을 80℃의 2 g/L NaOH 수용액에 5 분 동안 침지(dipping)시키는 에칭 공정을 통해 표면에 나노 크기의 요철형상을 형성시켰다. 에칭 공정을 거친 알루미늄 평판을 에탄올을 용매로 하는 25℃(상온)의 5 중량% 라우르산(lauric acid) 발수 코팅액에 30 분 동안 침지시키고 100 ℃의 플레이트에서 20 분 동안 열처리하고 건조시켜 표면에 발수성 코팅층을 형성시켰다.
비교예 1: 발수성 표면 특성을 갖는 알루미늄의 제작
증발기용 핀으로 사용되는 소재인 망간(Mn)이 함유된 알루미늄(Aluminum, Al 3003) 평판을 아세톤으로 세척하여 유기 오염물을 제거하였다. 실시예의 에칭 공정 없이 알루미늄 평판을 에탄올을 용매로 하는 25℃(상온)의 5 중량% 라우르산(lauric acid) 발수 코팅액에 30 분 동안 침지시키고 100 ℃의 플레이트에서 20 분 동안 열처리하여 표면에 발수성 코팅층을 형성시켰다.
비교예 2: 요철형상의 표면을 갖는 알루미늄의 제작
증발기용 핀으로 사용되는 소재인 망간(Mn)이 함유된 알루미늄(Aluminum, Al 3003) 평판을 아세톤으로 세척하여 유기 오염물을 제거하였다. 그 다음 알루미늄 평판을 80℃의 2 g/L NaOH 수용액에 5 분 동안 침지(dipping)시키는 에칭 공정을 통해 표면에 나노 크기의 요철형상을 형성시켰다. 이에 요철형상이 형성된 알루미늄 시험편을 제조하였다.
실험예 1: SEM 이미지 분석
상기 실시예 및 비교예1에서 제조한 발수성 코팅층이 형성된 알루미늄 시험편의 표면을 전계방출주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6의 (a)와 (b)는 비교예 1의 알루미늄 시험편의 표면을 1,000배 및 10,000배로 확대하여 나타낸 것이고, (c) 및 (d)는 실시예의 알루미늄 시험편의 표면을 1,000배 및 10,000배로 확대하여 나타낸 것이다. 에칭을 통해 나노 크기의 요철형상을 구현해 낼 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 물방울 접촉각 측정
상기 실시예 및 비교예 1, 2에서 제조한 발수성 코팅층이 형성된 알루미늄 시험편의 표면의 발수성을 확인하기 위해 접촉각측정기(contact angle analyzer)를 사용하여 초순수의 정접촉각을 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7의 (a)는 비교예 1의 알루미늄 시험편 표면의 접촉각(99°)을 나타낸 것이고, 도 7의 (b)는 비교예 2의 알루미늄 시험편 표면의 접촉각(11°)을 나타낸 것이고, 도 7의 (c)는 실시예의 알루미늄 시험편 표면의 접촉각(154°)을 나타낸 것이다. 이를 통해 본 발명에 따라 제조된 발수성 코팅층이 초발수적 특성을 갖는 것임을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 물방울 흐름각의 측정
상기 실시예 및 비교예 1, 2에서 발수성 코팅층이 형성된 알루미늄 시험편의 표면의 흐름각을 확인하기 위해 접촉각측정기(contact angle analyzer)와 각도 조절이 가능한 스테이지를 사용하여 초순수의 흐름각을 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8의 (a)는 비교예 1의 알루미늄 시험편 표면의 기울기 0°, 10°, 20°에서의 흐름각 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 8의 (b)는 비교예 2의 알루미늄 시험편 표면의 기울기 0°, 10°, 20°에서의 흐름각 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 8의 (c)는 실시예의 알루미늄 시험편의 표면의 약 5 ~ 10°의 흐름각 측정 결과를 나타낸 것이다. 이를 통해 본 발명에 따른 코팅층은 초발수적 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 증발기용 핀 및 이의 제조방법은 초발수성 코팅 표면을 구현하기에 자동차용 또는 가정용으로 주로 사용되는 냉방기, 냉동공조기, 제습기, 에어컨 등의 열교환기에 널리 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 냉매와 공기의 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기의 증발기용 핀에 있어서,
    상기 증발기용 핀은 요철형상의 표면을 갖고 요철형상의 표면 위에 발수성 단분자층이 형성된 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 증발기용 핀은 알루미늄(Al) 합금인 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 요철형상 표면은 에칭(etching)을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 발수성 단분자층은 지방산의 친수성 헤드(hydrophilic head)가 증발기용 핀 표면에 흡착하고, 소수성 테일(hydrophobic tail)이 공기층으로 향하는 형상으로 자가 조립된 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 지방산은 미리스트올레산(Myristoleic acid), 팔미톨레산(Palmitoleic acid), 사이에닉산(Sapienic acid), 올레산(Oleic acid), 엘라이드산(Elaidic acid), 박센산(Vaccenic acid), 리놀렌산(Linoleic acid), 리노엘라이딕산(Linoelaidic acid), α-리놀렌산(α-Linolenic acid), 아라키돈산(Arachidonic acid), 에이코사펜타엔 산(Eicosapentaenoic acid), 에루스산(Erucic acid), 도코사헥사엔산(Docosahexaenoic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프릭산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키딕산(Arachidic acid), 베헨산(Behenic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 및 세로틴산(Cerotic acid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 발수성 단분자층은 1 ~ 10 nm의 두께인 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 증발기용 핀은 물방울 접촉각이 140°~ 160°이고, 물방울 흐름각이 5° ~ 10°인 것을 특징으로 하는 발수성 코팅층이 형성된 증발기용 핀.
  8. (ⅰ) 증발기용 핀 표면을 에칭(etching)시켜 요철형상 표면을 형성시키는 단계;
    (ⅱ) 에칭(etching)된 증발기용 핀 표면을 발수 코팅액에 침지하여 발수성 단분자층을 형성시키는 단계; 및
    (ⅲ) 발수성 단분자층이 요철형상 표면에 부착하도록 열처리하여 발수성 코팅층을 형성시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 에칭은 LiOH, NaOH, KOH, CsOH 및 RbOH로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 알칼리 수용액에 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 알칼리 용액의 농도는 0.1 ~ 100 g/L이며, 온도는 20 ~ 100℃인 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 에칭은 1 ~ 10 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 (ⅰ) 단계는 에칭 후 수세 처리하는 단계는 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 발수 코팅액은 미리스트올레산(Myristoleic acid), 팔미톨레산(Palmitoleic acid), 사이에닉산(Sapienic acid), 올레산(Oleic acid), 엘라이드산(Elaidic acid), 박센산(Vaccenic acid), 리놀렌산(Linoleic acid), 리노엘라이딕산(Linoelaidic acid), α-리놀렌산(α-Linolenic acid), 아라키돈산(Arachidonic acid), 에이코사펜타엔 산(Eicosapentaenoic acid), 에루스산(Erucic acid), 도코사헥사엔산(Docosahexaenoic acid), 카프릴산(Caprylic acid), 카프릭산(Capric acid), 라우르산(Lauric acid), 미리스트산(Myristic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid), 아라키딕산(Arachidic acid), 베헨산(Behenic acid), 리그노세르산(Lignoceric acid) 및 세로틴산(Cerotic acid)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 지방산(fatty acid)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 발수 코팅액은 용매로, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 및 헵탄올로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 알코올 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 지방산의 농도는 발수 코팅액 전체 중량 대비 0.01 ~ 20 중량%인 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 (ⅱ) 단계의 발수성 단분자층을 형성은 20 ~ 30℃ 온도에서 10 ~ 30 분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계의 열처리는 70 ~ 150℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  18. 제 8 항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계 이후, 10 ~ 20분 동안 건조시키는 (ⅳ) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
  19. 제 8 항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계의 발수성 코팅층은 접촉각이 140°~ 160°이고, 물방울 흐름각이 5° ~ 10°인 초발수성인 것을 특징으로 하는 증발기용 핀의 발수성 코팅층 형성방법.
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