KR20150078976A

KR20150078976A - 리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료

Info

Publication number: KR20150078976A
Application number: KR1020130168883A
Authority: KR
Inventors: 정대영; 발라산카; 이대호; 강동필
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-07-08

Abstract

본 발명은 리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료에 관한 것으로, 평판이나 원통형 금속인 모재의 표면을 리소그래피와 식각을 통하여 형성시킨 요철 마이크로구조 패턴과, 상기 모재를 양극산화와 식각을 통하여 형성시킨 기공이 구비된 나노구조 패턴을 동시에 가지도록 형성되는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드를 기술적 요지로 한다. 그리고 본 발명은 초발수용 몰드를 사용하고, 상기 초발수용 몰드를 몰드로 사용하여 고분자 수지를 상기 초발수용 몰드에 코팅하고, 이를 탈형시켜 필라구조를 가지는 필름을 형성시키는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료를 기술적 요지로 한다. 또한 본 발명은 초발수용 몰드를 사용하고, 상기 초발수용 몰드를 임프린트로 사용하여 임프린팅 공정을 이용하여 고분자에 요철 마이크로구조 패턴과, 나노구조 패턴를 전사하여 초발수 표면을 형성시키는초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료를 또한 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 평판이나 원통형 금속의 표면을 세정하고 연마한 후, 리소그래피를 통하여 마이크로 패턴을 형성하고 이를 식각하여 요철 모양의 마이크로 패턴을 형성하고, 양극산화하고 식각한 후, 전체적으로 적정 크기와 모양으로 잘 요철-패터닝된 마이크로 구조와 그 마이크로 구조 안에 적정 크기와 모양의 나노기공이 잘 배열되어 있는 표면을 갖는 판재나 원통을 제조하고, 이를 몰드나 임프린트로 사용하여 발수성 재료를 성형함으로써 그 몰드의 표면구조가 그 발수 성형체의 표면에 음각된 초발수 표면을 갖는 재료를 대량으로 값싸게 제조하는 이점이 있다.

Description

리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료{Molds fabricated using lithography and anodizing and superhydrophobic materials fabricated using the mold}

본 발명은 리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 평판이나 원통형 금속의 표면을 세정하고 연마한 후, 리소그래피를 통하여 마이크로 패턴을 형성하고 이를 식각하여 요철 모양의 마이크로 패턴을 형성하고, 양극산화하고 식각한 후, 전체적으로 적정 크기와 모양으로 잘 요철-패터닝된 마이크로 구조와 그 마이크로 구조 안에 적정 크기와 모양의 나노기공이 잘 배열되어 있는 표면을 갖는 판재나 원통을 제조하고, 이를 몰드나 임프린트로 사용하여 발수성 재료를 성형함으로써 그 몰드의 표면구조가 그 발수 성형체의 표면에 음각된 초발수 표면을 갖는 재료를 대량으로 값싸게 제조하고자 하는 리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료를 기술적 요지로 한다.

일반적으로 금속이나 세라믹, 고분자 등의 고체의 표면은 그 물질 고유의 표면에너지를 가지고 있어, 이 표면 위에 물이나 기름 등과 같은 액체를 묻힐 경우 고체 표면과 액체 사이의 접촉각으로 그 표면에너지를 반영하게 된다. 그 접촉각이 90° 이하이면 액체가 그 표면 위에 퍼져 그 표면을 그 액체로 젖게 만드는 친수성과 우수한 습윤성(wettability)을 나타내고, 그 각이 90° 이상이면 구상의 액체 방울이 그 고체 표면을 적시지 않고 구상을 계속 유지하는 발수성을 나타낸다. 그리고 그 각이 150° 이상이면 구상의 액체 방울이 고체 표면에서 격퇴성을 띄어 고체의 표면에서 정지상태로 있지 못하고 구르다가 떨어지는 초발수성을 나타낸다. 이때 구르는 액체 방울은 구르면서 그 고체 표면에 묻어있는 먼지나 그을음 등의 오염물을 묻히면서 떨어지므로, 자발적으로 그 표면을 세척하는 자가세정특성을 부가적으로 나타내게 된다. 이 초발수성의 대표적인 예는 연잎 표면에 물방울이 맺히지 않고 구상의 물방울을 유지하면서 그 표면 위를 구르다가 떨어지는 로투스(Lotus) 현상이다.

이러한 초발수성과 자가세정효과를 동시에 나타내는 Lotus 효과는 표면에너지가 적은 발수재료로 덮여있는 표면이 미시적 크기의 요철 구조를 가질 때 나타나는 것으로 알려져 있다. 일반적인 발수재료로는 비극성의 분자구조를 갖는 고분자 물질들이다.

일반적으로 고체 표면이 미시적 크기의 요철 구조를 가지면 그 접촉각이 변하게 되는데, 친수성 표면이나 발수성 표면 모두에서 그 접촉각이 증가하여 나타난다. 그래서 발수 표면이 미시적으로 거칠수록 좀 더 발수적인 특성을 나타내는데, 이는 공기가 그 미세구조 내에 포획되어 액체와 그 고체표면 사이의 접촉면적을 감소시키기 때문이다. 물방울이 연잎 위에 놓였을 때, 그 나노표면구조에 포획된 공기는 표면 전체가 습윤되는 것을 막아, 단지 나노구조표면의 끝부분과 같이 아주 적은 면적만이 물방울과 접촉하도록 한다. 이러한 현상은 물과 공기간의 계면은 확대시키나, 고체표면과 물방울 간의 계면은 최소화함으로써 접촉을 통하여 물방울의 표면 확대를 위한 에너지를 전혀 공급하지 않으므로, 물이 퍼지지 않고 구 모양을 갖도록 한다. 그래서 물과 고체표면간의 접촉각은 거의 전적으로 물의 표면장력에 의존한다. 접촉각과 그 표면의 기하학적인 구조 사이의 상관관계는 Cassie-Baxter 모델과 Wenzel 모델이 혼합된 혼합식

로 나타낼 수 있는데, 여기서 r은 수직으로 투영된 고체표면-액체방울간 접촉면적에 대한, 액체방울-공기와의 접촉면적을 제외한, 실제 고체표면-액체방울간의 접촉면적의 비이고, θrc는 거친 표면에서의 겉보기 접촉각이고, θ는 평평한 고체표면에서의 접촉각이고, f는 고체표면 분율, 즉 액체방울의 전체 접촉면적에서 공기와의 접촉면적을 제외한, 실제로 고체표면과 접촉한 면적의 전체 접촉면적에 대한 비율이다.

이러한 초발수 표면은 발수 표면 위에 미시적 크기의 표면구조를 형성하거나, 미시적 크기의 거칠기를 갖는 표면에 발수성 막을 코팅하거나, 거친 표면구조를 형성하면서 동시에 물질의 표면에너지를 낮추는 방법을 사용하여 제조할 수 있는데, 현재까지 이 초발수 표면 제조를 위하여 무수히 많은 방법이 개발되어 왔다.

이러한 방법들 중에는 알루미늄 금속 표면을 양극산화할 경우 형성되는 수백 ㎚ 이하 수 ㎚ 이상 크기의 나노 기공이 정렬된 나노구조를 이용하여 초발수에 적합한 미시표면구조를 갖는 몰드 또는 형틀을 제조하여 이를 사용하여 발수재료에 미시표면구조를 제조함으로써 초발수 재료를 제조하고자 하는 방법들이 개발되고 있다.

US 20090011222A1 특허는 자세한 공정은 소개하지 않았지만, 알루미늄 금속 표면을 양극산화하여 제조한 60-70 ㎚의 나노 기공이 배열된 나노구조 표면을 얻은 후, 이 위에 PFOS 처리를 행함으로써 175.6°접촉각과 5°접촉각 이력을 얻었다고 보고하였다. 그러나 1000 시간의 QUV 테스트 후에는 120-130°접촉각으로 감소하였다고 보고하였는데, 이러한 열화 특성 때문인지 이 부분을 특허 청구항에 포함시키지 않았다.

또한 US 7,393,391 B2 특허는 알루미늄 금속 표면을 2단계 양극산화법으로 양극산화하여 제조한 50-150 ㎚의 나노 기공이 배열된 나노구조 표면을 얻은 후, 이를 기판에서 분리하여 한 면은 50-300 ㎚ 두께의 플라스마 중합 플루오르카본 막을 형성함으로써 접촉각이 140° 이상인 발수표면을 형성하였고, 다른 한 면은 형성된 그대로에서 접촉각이 10° 이하인 친수 표면을 얻었다고 보고하였다.

US 20090260702A1과 US 20100028615A1, US 20100126873A1 특허는 초발수 표면의 제조를 위하여 판상이나 원통형의 알루미늄 표면에 입자분무기를 사용하여 50-180 마이크론 크기의 모래입자를 쏘아 마이크론 크기의 요철을 표면에 만든 다음, 이 표면을 양극산화함으로써 나노 크기의 기공이 존재하도록 하여 미세구조와 나노구조가 혼재하는 표면구조를 만듦으로써, 이를 몰드(mold)로 사용하여 폴리테트라플로로에틸렌(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE) 등의 발수 재료에 표면 복사를 함으로써 접촉각 165°초발수성을 부여하였다고 보고하였다.

US 20090194914A1과 US 20100243458A1 특허는 초발수성 표면 제조가 목적이 아닌 비반사(anti-reflection) 제품 제조를 위한 스탬프 또는 몰드와 그 제조방법에 관한 특허로서, 실린더형의 알루미늄 금속 표면을 2단계 양극산화법으로 양극산화하여 제조한 다음 화학적 에칭법과 보다 낮은 인가전압을 사용하는 양극산화법을 혼용하여 나방의 눈과 같은 구조를 갖는 몰드를 제조하였다고 보고하였다.

그러나 우수한 초발수성을 위해서는 미세구조와 나노구조 둘 다가 잘 형성되어 있는 표면을 갖는 발수성 재료여야 하는데, 상술한 기술들은 마이크로 구조의 제조를 위한 기술은 상세히 언급하지 않은 채, 양극산화를 이용하여 나노구조를 만든 후 그 위에 발수성 고분자 재료를 코팅함으로써 초발수성이 아닌 우수한 발수성을 갖는 표면을 제조하는 기술이거나, 초발수 표면 재료의 대량생산을 위한 임프린트 또는 몰드 제조기술로서는 미세구조를 만든 기술이 없이 오직 나노구조 표면만으로 그 표면을 형성함으로써, 그 초발수 성능이 그리 우수하지 못한 기술이거나, 양극산화를 통하여 나노구조를 형성하기 전에 미세구조의 제조를 위해서 모레와 같은 입자를 입자분무기로 쏘아 미세구조를 만드는 기술에 관한 것으로, 이 경우에는 미세구조가 균일하지 않을 뿐만 아니라, 표면에 수직하게 자라는 특성과 옴푹 들어간 표면에 우선적으로 자라는 특성을 갖는 나노 기공 분포의 균일성도 낮아지고, 기공도 여러 가지 각도로 성장하게 되어 성형체 리플리카를 탈형할 경우 그 탈형이 용이하지 않는 단점이 있어, 균일하게 미세구조와 나노구조가 혼합된 초발수성 표면의 제조에는 많은 문제가 있다.

(문헌1) 미국특허청 공개특허공보 US 20090011222A1(공개일자 2009년 1월 8일) (문헌2) 미국특허청 공고특허공보 US 7,393,391 B2(공고일자 2008년 7월 1일) (문헌3) 미국특허청 공개특허공보 US 20090260702A1(공개일자 2009년 10월 22일) (문헌4) 미국특허청 공개특허공보 US US 20100028615A1(공개일자 2010년 2월 4일) (문헌5) 미국특허청 공개특허공보 US US 20100126873A1(공개일자 2010년 5월 27일)

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 평판이나 원통형 금속의 표면을 세정하고 연마한 후, 리소그래피를 통하여 마이크로 패턴을 형성하고 이를 식각하여 요철 모양의 마이크로 패턴을 형성하고, 양극산화하고 식각한 후, 전체적으로 적정 크기와 모양으로 잘 요철-패터닝된 마이크로 구조와 그 마이크로 구조 안에 적정 크기와 모양의 나노기공이 잘 배열되어 있는 표면을 갖는 판재나 원통을 제조하고, 이를 몰드나 임프린트로 사용하여 발수성 재료를 성형함으로써 그 몰드의 표면구조가 그 발수 성형체의 표면에 음각된 초발수 표면을 갖는 재료를 대량으로 값싸게 제조하고자 하는 리소그래피와 양극산화법으로 제조한 초발수용 몰드와 이 몰드로 제조한 초발수 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 평판이나 원통형 금속인 모재의 표면을 리소그래피와 식각을 통하여 형성시킨 요철 마이크로구조 패턴과, 상기 모재를 양극산화와 식각을 통하여 형성시킨 기공이 구비된 나노구조 패턴을 동시에 가지도록 형성되는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드를 기술적 요지로 한다.

그리고 본 발명은 초발수용 몰드를 사용하고, 상기 초발수용 몰드를 몰드로 사용하여 고분자 수지를 상기 초발수용 몰드에 코팅하고, 이를 탈형시켜 필라구조를 가지는 필름을 형성시키는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료를 기술적 요지로 한다.

또한 본 발명은 초발수용 몰드를 사용하고, 상기 초발수용 몰드를 임프린트로 사용하여 임프린팅 공정을 이용하여 고분자에 요철 마이크로구조 패턴과, 나노구조 패턴를 전사하여 초발수 표면을 형성시키는초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료를 또한 기술적 요지로 한다.

상기 요철 마이크로 구조 패턴은 모재의 표면을 세정하고 연마한 후 리소그래피를 통하여 마이크로 패턴을 형성하고, 이를 식각하여 기공이 구비된 요철 모양의 마이크로구조 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 모재는 밸브금속이나 밸브금속합금인 것이 바람직하다.

상기 밸브금속은 Al, W, Ti, Ta, Hf, Nb, Zr 중 하나인 것이 바람직하다.

상기 밸브금속합금은 Al, W, Ti, Ta, Hf, Nb, Zr의 금속 그룹에서 두 가지 이상의 금속으로 구성된 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 모재는 밸브금속에 Cu, Mn, Si, Mg, Cr, Zn, Li, V, Mo, Ga, Ge, Fe, Cr, Co, Ni, C, O 원소들 중 하나 이상의 원소를 혼합하여 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 연마는 기계적 연마, 전해연마 중 하나 이상이 사용되어 표면의 표면거칠기를 0.1㎚ ~ 10㎛ 로 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 리소그래피는 UV-광을 사용하는 리소그래피를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 리소그래피 이후의 식각은 이빔(e-beam ), 플라스마, Ar+ 중 하나를 이용하는 건식 식각이나, 식각 용액을 사용하는 습식 식각 중 하나를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 요철 모양의 마이크로 구조 패턴은 주기 0.5 ~ 50㎛, 높이 0.5 ~ 50㎛ 범위인 것이 바람직하다.

상기 양극산화는 전해질로서 0.001M ~ 5M 농도의 인산, 옥살산, 황산, 말론산, 주석산 및 구연산의 혼합용액, 황산과 옥살산의 혼합용액, 유기산의 혼합용액 중 하나를 사용하여 -50~300℃의 온도를 유지하면서 1~ 500V의 전압을 1초 ~ 1주일 동안 인가하여 양극산화하는 것이 바람직하다.

상기 양극산화는 기공의 균일한 분포와 정렬를 위하여 두 번 이상이 진행되는 것이 바람직하다.

상기 초발수용 몰드와 필름의 탈착성 향상을 위하여 상기 초발수용 몰드에 이형성 막을 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 양극산화는 경(hard) 양극산화의 경우는 1시간 이내로, 연(mild) 양극산화의 경우는 3시간 이내로 진행되는 것이 바람직하다.

상기 초발수용 몰드는 강도향상을 위하여 니켈(Ni) 또는 텅스텐(W)이 코팅되는 것이 바람직하다.

상기 이형성 막 재료는 알킬 실리콘(alkyl silicone)인 임을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.것이 바람직하다.

상기 고분자 수지는 polystyrene(PS); polycarbonate(PC); polyurethane(PU); polyimide(PI); polymethylmethacrylate (PMMA)를 포함하는 폴리아크릴레이트; polybutylene terephthalate(PBT), polyethylene terephthalate (PET)을 포함하는 폴리에스트르; polyethylene(PE), polypropylene(PP)을 포함하는 폴리알킬렌; polyvinyl chloride(PVC), polyvinylidene fluoride(PVdF)을 포함하는 비닐폴리머; polydimethylsiloxane(PDMS)을 포함한 실리콘 고분자 중의 하나인 것이 바람직하다.

이에 따라, 평판이나 원통형 금속의 표면을 세정하고 연마한 후, 리소그래피를 통하여 마이크로 패턴을 형성하고 이를 식각하여 요철 모양의 마이크로 패턴을 형성하고, 양극산화하고 식각한 후, 전체적으로 적정 크기와 모양으로 잘 요철-패터닝된 마이크로 구조와 그 마이크로 구조 안에 적정 크기와 모양의 나노기공이 잘 배열되어 있는 표면을 갖는 판재나 원통을 제조하고, 이를 몰드나 임프린트로 사용하여 발수성 재료를 성형함으로써 그 몰드의 표면구조가 그 발수 성형체의 표면에 음각된 초발수 표면을 갖는 재료를 대량으로 값싸게 제조하는 이점이 있다.

상기의 구성에 의한 본 발명은, 우수한 규칙성을 갖는 미세구조 내부에 적절한 모양과 크기를 갖는 나노구조를 가져, 종래의 기술에 비하여 훨씬 우수한 균일성과 탈형성을 갖는 대량생산을 위한 몰드나 임프린트를 제조할 수 있고, 이 몰드나 임프린트를 사용함으로써 종래의 기술에 비하여 훨씬 우수한 초발수성과 균일성을 갖는 초발수성 재료를 훨씬 빠른 속도로 싸게 제조할 수 있어, 초발수 재료의 가격 저렴화 및 사용 범용화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 UV-광 리소그래피와 양극산화법, 식각법으로 제조한 미세구조와 나노구조가 혼재되어 있는 표면 FE-SEM 사진을 나타낸 도이고,
도 2는 UV-광 리소그래피를 사용하여 제조한 패턴된 포토 리지스트로 덮여있는 알루미늄 표면 FE-SEM 사진을 나타낸 도이고,
도 3은 UV-광 리소그래피와 양극산화 후 식각법으로 제조한 요철 미세구조 표면 FE-SEM 사진을 나타낸 도이고,
도 4는 UV-광 리소그래피와 양극산화 후 식각법, 2단계 양극산화법 후 식각법으로 제조한 입구의 모양이 열려지고 기공이 직선화된 나노기공을 갖는 나노구조 표면 FE-SEM 사진을 나타낸 도이고,
도 5는 도 4의 임프린트를 표면처리한 후 그 표면을 이용하여 제조한 나노 필라(pillar) 구조의 표면을 갖는 PDMS 고분자 필름 표면 FE-SEM 사진을 나타낸 도이고,
도 6은 미세구조 없이, 이단계 양극산화법에서 2차 양극산화를 15분간 시행하여 나노구조만 갖는 임프린트(첫 번째 사진)를 사용하여 제조한 PDMS 필름 표면 사진(두 번째 사진)과, 탈형 후 임프린트와 PDMS 고분자 필름에서 각각 측정한 물 접촉각 사진을 나타낸 도이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조로 상세히 설명하기로 한다

< 제1실시예 >

도시되 바와 같이, 본 발명의 제1실시예는 모재로써 알루미늄 판재를 사용한다. 개략적으로 설명하면 알루미늄 판재 위에 UV-광 리소그래피와 식각법을 사용하여 미세구조 표면을 만든 후, 양극산화하고 식각하여 나노구조를 형성하여 도 1과 같이 미세구조와 나노구조가 혼합된 임프린트를 제조한 후, 알킬 실란을 코팅한 후 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 고분자를 몰딩하여 건조시킨 후 탈형하여 초발수 고분자 필름을 제조하는 내용에 관한 것이다.

상기 초발수 고분자 필름을 제조하기 위하여, 먼저 초발수용 몰드 또는 임프린트를 제조하기 위하여 굿펠로우(Goodfellow) 사의 순도 99.999% 두께 1.0 mm의 알루미늄 판재를 알코올과 아세톤, 왕수를 사용하여 차례로 세정한 다음, 420℃에서 3시간 동안 열처리한다.

그런 다음, 표면거칠기를 낮추기 위해 중량비로 HClO₄ : ETOH = 1: 4의 혼합용액 전해질에 담궈 20V를 인가하면서 30분 동안 전해 연마한 후 120℃에서 1시간 동안 건조하였다.

이 후 상기 알루미늄 판재 위에 스핀코팅(spin coating)법으로 포토 리지스트를 두께 3㎛ 정도 코팅한 후 50℃에서 20분, 90℃에서 20분간 소프트 베이킹(soft-baking) 하고, 직경 4cm의 원이 육각으로 배열된 포토 마스크를 덮어 UV-광을 100초 동안 조사한 후, 120초 동안 현상하고 세정한 후 80℃에서 20분, 120℃에서 30분 동안 건조한 후 상온까지 서서히 냉각하여 도 2와 같은 마이크로 구조 패턴을 제조하였다.

이후 이 미세 패턴을 갖는 알루미늄 판재를 0.3M 옥살산 용액에 담궈 140 V를 10분 동안 인가하면서 양극산화 한 다음, 0.19M의 인산/0.12M의 크롬산 혼합용액을 이용하여 1시간 동안 식각하여 도 3의 요철 미세구조와 직경 250 nm의 나노구조를 갖는 표면을 형성하였다.

이후 0.1M 인산 용액에 담궈 195V를 20시간 동안 인가하면서 양극산화한 후 식각하여 씨앗(seed) 층을 제조한 후 다시 0.1M 인산용액에 담궈 195V를 15분 동안 인가하면서 양극산화한 후 0.1M 인산용액에서 2시간 동안 식각하여 도 4에서 보여주는 모양과 크기의 기공을 형성하였다. 도 4에서 기공의 입구의 모양이 열려지고 기공이 직선화된 나노기공을 갖는 나노구조 표면이 형성되었음을 알 수 있다.

이후 이 미세구조와 나노구조의 혼합구조의 표면을 갖는 알루미늄 판재를 과산화수소:황산=1:1 혼합용액에서 1시간 처리하여 표면에 흡착된 산소를 제거한 후, 다시 진공 데시케이트에 2시간 동안 넣어 잔류 산소를 제거하였다.

이후 톨루엔 20g에 실란 2방울을 떨어뜨린 용액을 사용하여 하루 동안 처리하여 판재 표면을 알킬 실란으로 코팅한 후 알코올로 세정한 후 120℃에서 2시간 동안 건조하였다.

이후 PDMS 고분자인 실가드(Sylgard, 제품명) A를 B와 10:1로 3시간 동안 위스킹(isking) 공정으로 섞어 알루미늄 판재 표면에 코팅을 한 후 50℃에서 하루 동안 건조하여 손으로 떼내어 도 5의 나노 필라(pillar) 구조를 갖는 PDMS 필름을 제조한 후 물접촉각을 측정하여 157°의 접촉각을 얻었다.

< 제2실시예 >

본 발명의 제2실시예는 전해연마 후 미세구조의 제조 없이 양극산화하고 식각하여 나노구조만이 형성된 초발수용 몰드 또는 임프린트를 제조한 후, 알킬 실란을 코팅한 후 PDMS 고분자를 몰딩하여 초발수 고분자 필름을 제조하는 내용에 관한 것이다.

상기 초발수 고분자 필름을 제조하기 위하여, 먼저 Goodfellow 사의 순도 99.999% 두께 1.0 mm의 판재를 알코올과 아세톤, 왕수를 사용하여 차례로 세정한 다음, 420℃에서 3시간 동안 열처리한 후 ,표면거칠기를 낮추기 위해 중량비로 HClO₄ : ETOH = 1: 4의 혼합용액 전해질에 담궈 20V를 인가하면서 30분 동안 전해연마한 후 120℃에서 1시간 동안 건조하였다. 이후 0.1M 인산 용액에 담궈 195V를 20시간 동안 인가하면서 양극산화한 후 식각하여 씨앗(seed) 층을 제조한 후 다시 0.1M 인산용액에 담궈 195V를 10분 또는 15분 동안 인가하면서 양극산화한 후 0.1M 인산용액에서 2시간 동안 식각한 후 과산화수소:황산=1:1 혼합용액으로 표면처리하여 흡착 산소를 제거하고, 진공 데시케이트를 사용하여 잔류 산소를 제거한 후, 판재 표면을 알킬 실란으로 코팅한 후, PDMS를 그 표면에 몰딩한 후 건조하여 도 6의 결과를 얻었다. 이는 미세구조 없이 나노구조만으로도 매우 높은 물접촉각을 얻을 수 있었다는 사실을 보여준다.

Claims

평판이나 원통형 금속인 모재의 표면을 리소그래피와 식각을 통하여 형성시킨 요철 마이크로구조 패턴과, 상기 모재를 양극산화와 식각을 통하여 형성시킨 기공이 구비된 나노구조 패턴을 동시에 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제1항에 있어서, 상기 요철 마이크로 구조 패턴은 모재의 표면을 세정하고 연마한 후 리소그래피를 통하여 마이크로 패턴을 형성하고, 이를 식각하여 기공이 구비된 요철 모양의 마이크로구조 패턴을 형성함을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 모재는 밸브금속이나 밸브금속합금인 것을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제3항에 있어서, 상기 밸브금속은 Al, W, Ti, Ta, Hf, Nb, Zr 중 하나인 것을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제3항에 있어서, 상기 밸브금속합금은 Al, W, Ti, Ta, Hf, Nb, Zr의 금속 그룹에서 두 가지 이상의 금속으로 구성된 합금으로 형성됨을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 모재는 밸브금속에 Cu, Mn, Si, Mg, Cr, Zn, Li, V, Mo, Ga, Ge, Fe, Cr, Co, Ni, C, O 원소들 중 하나 이상의 원소를 혼합하여 형성시킴을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 연마는 기계적 연마, 전해연마 중 하나 이상이 사용되어 표면의 표면거칠기를 0.1㎚ ~ 10㎛ 로 형성시킴을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 리소그래피는 UV-광을 사용하는 리소그래피를 사용하여 형성됨을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 리소그래피 이후의 식각은 이빔(e-beam ), 플라스마, Ar+ 중 하나를 이용하는 건식 식각이나, 식각 용액을 사용하는 습식 식각 중 하나를 사용하여 형성됨을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 요철 모양의 마이크로 구조 패턴은 주기 0.5 ~ 50㎛, 높이 0.5 ~ 50㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 양극산화는 전해질로서 0.001M ~ 5M 농도의 인산, 옥살산, 황산, 말론산, 주석산 및 구연산의 혼합용액, 황산과 옥살산의 혼합용액, 유기산의 혼합용액 중 하나를 사용하여 -50~300℃의 온도를 유지하면서 1~ 500V의 전압을 1초 ~ 1주일 동안 인가하여 양극산화함을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제2항에 있어서, 상기 양극산화는 기공의 균일한 분포와 정렬를 위하여 두 번 이상이 진행됨을 특징으로 하는 리소그래피와 양극산화로 제조한 초발수용 몰드.
제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서의 초발수용 몰드를 사용하고, 상기 초발수용 몰드를 몰드로 사용하여 고분자 수지를 상기 초발수용 몰드에 코팅하고, 이를 탈형시켜 필라구조를 가지는 필름을 형성시킴을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.
제13항에 있어서, 상기 초발수용 몰드와 필름의 탈착성 향상을 위하여 상기 초발수용 몰드에 이형성 막을 코팅함을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.
제13항에 있어서, 상기 양극산화는 경(hard) 양극산화의 경우는 1시간 이내로, 연(mild) 양극산화의 경우는 3시간 이내로 진행됨을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.
제13항에 있어서, 상기 초발수용 몰드는 강도향상을 위하여 니켈(Ni) 또는 텅스텐(W)이 코팅됨을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.
제14항에 있어서, 상기 이형성 막 재료는 알킬실리콘(alkyl silicone)임을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.
제13항에 있어서, 상기 고분자 수지는 polystyrene(PS); polycarbonate(PC); polyurethane(PU); polyimide(PI); polymethylmethacrylate (PMMA)를 포함하는 폴리아크릴레이트; polybutylene terephthalate(PBT), polyethylene terephthalate (PET)을 포함하는 폴리에스트르; polyethylene(PE), polypropylene(PP)을 포함하는 폴리알킬렌; polyvinyl chloride(PVC), polyvinylidene fluoride(PVdF)을 포함하는 비닐폴리머; polydimethylsiloxane(PDMS)을 포함한 실리콘 고분자 중의 하나인 것을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.
제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서의 초발수용 몰드를 사용하고, 상기 초발수용 몰드를 임프린트로 사용하여 임프린팅 공정을 이용하여 고분자에 요철 마이크로구조 패턴과, 나노구조 패턴를 전사하여 초발수 표면을 형성시킴을 특징으로 하는 초발수용 몰드로 제조한 초발수 재료.