KR20160068663A - 나노구조 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노구조는 물, 알코올, 유기용매, 또는 산과 반응하여 용해되는 물질을 포함하고 100 nm이하의 크기를 갖는 복수개의 희생입자들과, 상기 희생입자들 사이를 충진하고 상기 희생입자들과 일체로 형성되며, 상기 물, 상기 알코올, 및 상기 유기용매와 반응하지 않으며, 탄산, 저농도 염산, 저농도 황산, 또는 저농도 질산에 반응하지 않는 화학적 안정성을 갖는 물질을 포함하는 골격층을 포함한다. 상기 나노구조는 상기 희생입자들 및 상기 골격층을 포함하되 상기 골격층이 상기 희생입자들을 밀봉하는 베이스층; 상기 페이스층의 상부에 배치되고 상기 희생입자들이 용해되어 형성된 다수의 공극들 및 상기 골격층을 포함하되 상기 골격층이 상기 공극들을 포위하여 나노스케일의 다공성 매질을 형성하는 표면층; 및 상기 베이스층과 상기 표면층의 사이에 배치되고 상기 희생입자들 및 상기 희생입자들을 밀봉하는 골격층을 포함하되, 상기 표면층의 일부가 소실되는 경우 상기 희생입자들의 일부가 용해되어 상기 나노스케일의 다공성 매질을 리페어하는 리페어층을 포함한다.
Description
본 발명은 나노구조 및 그 제조방법을 나타낸다. 보다 상세하게는 김서림 방지 및 쾌속 건조를 위한 나노구조 및 그 제조방법을 나타낸다.
광학기술의 발달로 안경, 고글, 수경, 자동차, 방독면, 거울 등 다양한 분야에서 유리, 플라스틱 등의 투명한 재료가 사용되고 있다. 투명한 재료의 비열은 공기와 다르기 때문에, 온도차에 의해 표면에 김서림 현상이 나타날 수 있다. 표면에 김서림 현상이 나타나면 시야가 흐려져서 광학기구의 기능이 저하된다.
예를 들어, 안경을 끼고 차가운 곳에 있다가 따뜻한 곳이로 이동되거나 안개낀 지역을 지나가는 경우, 차가운 안경표면이 따뜻한 공기중의 습기와 만나 미세한 크기의 물발울이 생성된다. 또한, 격렬한 운동중에 수경, 고글, 방독면 등에 입김이 닿으면 표면에 김이 서려서 시야가 흐려진다.
기존의 김서림 방지기술의 경우 초친수 또는 초발수 물질을 광학기구의 표면에 코팅하여 사용하고 있다. 그러나 광학기구에 코팅된 재질의 김서림효과가 미미하고, 수명이 짧아서 주기적으로 코팅을 반복해야 하는 문제점이 있다. 또한 사용도중 부분적으로 코팅이 벗겨져서 얼룩무늬가 형성됨으로써 오히려 시야를 흐리는 요인으로 작용한다.
이러한 문제들을 위하여 김서림 방지 및 쾌속 건조를 위한 나노구조가 제안된다.
이러한 문제들을 위하여 상기 나노구조의 제조방법이 제안된다.
상기와 같은 본 발명의 일 특징에 따른 나노구조는 물, 알코올, 유기용매, 또는 산과 반응하여 용해되는 물질을 포함하고 100 nm이하의 크기를 갖는 복수개의 희생입자들과, 상기 희생입자들 사이를 충진하고 상기 희생입자들과 일체로 형성되며, 상기 물, 상기 알코올, 및 상기 유기용매와 반응하지 않으며, 탄산, 저농도 염산, 저농도 황산, 또는 저농도 질산에 반응하지 않는 화학적 안정성을 갖는 물질을 포함하는 골격층을 포함한다. 상기 나노구조는 상기 희생입자들 및 상기 골격층을 포함하되 상기 골격층이 상기 희생입자들을 밀봉하는 베이스층; 상기 페이스층의 상부에 배치되고 상기 희생입자들이 용해되어 형성된 다수의 공극들 및 상기 골격층을 포함하되 상기 골격층이 상기 공극들을 포위하여 나노스케일의 다공성 매질을 형성하는 표면층; 및 상기 베이스층과 상기 표면층의 사이에 배치되고 상기 희생입자들 및 상기 희생입자들을 밀봉하는 골격층을 포함하되, 상기 표면층의 일부가 소실되는 경우 상기 희생입자들의 일부가 용해되어 상기 나노스케일의 다공성 매질을 리페어하는 리페어층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 희생입자들은 물, 알코올, 유기용매, 탄산, 염산, 황산, 질산, 또는 아세트산에 의해 용해되는 물질을 포함하며, 상기 골격층은 상기 물, 상기 알코올, 또는 상기 유기용매에 의해 용해되지 않거나 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산에 대하여 상기 희생입자들과 식각선택비가 큰 화학적으로 안정된 물질을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 특징에 따른 나노구조의 제조방법에 있어서, 나노구조는 표면층에 100 nm 이하의 크기를 갖는 다수의 공극들이 형성된다. 상기 나노구조의 제조방법에 있어서, 먼저 물, 알코올, 유기용매, 탄산, 염산, 황산, 질산, 또는 아세트산에 의해 용해되는 물질을 포함하는 희생입자들과, 상기 물, 상기 알코올, 또는 상기 유기용매에 의해 용해되지 않거나 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산에 대하여 상기 희생입자들과 식각선택비가 큰 화학적으로 안정된 물질을 포함하고 상기 희생입자들을 포위하는 골격층을 형성한다. 이어서, 상기 물, 상기 알코올, 상기 유기용매, 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산을 용해제로 이용하여 상기 희생입자들 중에서 표면에 배치된 희생입자들을 제거하고, 표면에 다수의 공극들을 형성한다.
일 실시예에서, 상기 나노구조의 표면이 손상된 경우, 상기 손상된 나노구조의 표면에 상기 물, 상기 알코올, 상기 유기용매, 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산을 용해제로 이용하여 상기 손상된 부분의 희생입자들을 제거하고, 상기 손상된 부분에 공극들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다
일 실시예에서, 상기 희생입자들과 상기 골격층을 형성하는 단계는, 상기 상기 희생입자들과 동일한 물질을 포함하는 제1 타겟과 상기 골격층과 동일한 물질을 포함하는 제2 타겟을 포함하는 타겟어셈블리를 이용하여 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 희생입자들과 상기 골격층을 형성하는 단계는, 상기 희생입자들과 동일한 물질과 상기 골격층과 동일한 물질이 혼합된 타겟을 이용하여 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 제조방법에 있어서, 나노구조는 표면층에 100 nm 이하의 크기를 갖는 다수의 공극들이 형성된다. 상기 나노구조의 제조방법에 있어서, 먼저 다수의 공극들 및 상기 공극들을 포위하는 타겟물질을 포함하는 타겟어셈블리를 준비한다. 이어서, 상기 타겟어셈블리를 스테이지와 평행하게 배열한다. 이후에, 스퍼터링에 의해 상기 타겟어셈블리의 상기 타겟물질을 상기 스테이지에 증착한다. 계속해서, 상기 스테이지 상에 다공성을 갖는 나노구조를 형성한다.
초친수 또는 초발수를 구현함에 있어서 표면경도 향상을 통한 내구성을 증가시키기 위하여 경도가 높은 친수 또는 소수성 물질을 박막코팅할 경우 초친수 또는 초소수 특성을 갖는 동시에 경도를 크게 향상시킬 수 있다.
초친수 또는 초발수를 구현함에 있어서 표면경도 향상을 통한 내구성을 증가시키기 위하여 경도가 높은 친수 또는 소수성 물질을 박막코팅할 경우 초친수 또는 초소수 특성을 갖는 동시에 경도를 크게 향상시킬 수 있다.
표면에 나노구조를 만들게 되면 일반적으로 살균작용을 하게되어 세균이나 세포가 증식할 수 없는 구조가 되기도 한다.
친수성 또는 소수성구현을 위하여 나노구조가 구비된 소수성 물질에 친수성물질을 박막코팅을 하게 되면 초친수성을 바뀌게 되는데 이는 표면 친수성 물질이 친수성을 발현하고 나노구조가 이를 극대화하기 때문이다.
또한 나노구조가 구비된 친수성 물질에 소수성 물질을 박막코팅할 경우 초소수성 특성을 나타나게 되는데 이는 표면 소수성 물질이 소수성을 발현하고 나노구조가 소수성을 극대화하기 때문에 나타나는 현상이다.
이와같은 원리를 통하여 친수성과 소수성이 필요한 고 내구성 제품을 구현할 수 있다.
예를 들면 제품사용기간 동안 그 특성이 유지되는 초친수성 제품을 만들고자 할 경우 친수성 물질의 표면을 나노구조를 형성함으로 표면적을 극대화 할 경우 구현될 수 있다.
또한 이런 기능 외에 제품의 경도 등을 강화시키고자 할 경우 나노구조가 형성된 표면 위에 고경도 친수성 물질을 박막코팅하면 고경도 초친수 특성을 모두 만족하는 제품을 얻을 수 있다.
초소수성 고경도 제품을 얻고자 할 때도 마찬가지로 나노구조가 형성된 표면위에 소수성 고경도 물질을 박막코팅하여 고경도 초소수 특성을 만족하는 제품을 얻을 수 있다.
고경도 친수성 물질의 경우 일반적으로 무기물이 많은데 세라믹 종류 또는 금속을 사용할 수 있다. SiO2 나 Al2O3의 경우 초 친수성을 만들기 위해 매우 쉽게 일반적으로 사용될 수 있는 세라믹 제품이라 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 물질의 고유특성 초기접촉각에 따라 나노스케일에서의 표면적을 증대시켜서 초친수 구조 또는 초발수 구조를 선택적으로 구현할 수 있다. 나노구조는 표면적이 커지므로 친수성 또는 소수성을 극대화시킬 뿐 아니라 그 모양에 따라 각기 다른 특성을 발현하기도 한다. 예를 들어, 나노구조로 인하여 표면상의 굴절율을 변화시켜서 무반사특성, 지문방지특성 등의 효과가 부수적으로 발현될 수 있으며, 태양전지 등에 사용할 경우 효율을 극대화시킬 수가 있다.
그리고 배수(nanodrain 구조, 또는 nanogrooving 구조) 구조에 친수코팅을 하면 김서림방지 뿐 아니라 배수기능도 함께 구현될 수 있다.
초친수 또는 초발수를 구현함에 있어서 표면경도 향상을 통한 내구성을 증가시키기 위하여 경도가 높은 친수 또는 소수성 물질을 박막코팅할 경우 초친수 또는 초소수 특성을 갖는 동시에 경도를 크게 향상시킬 수 있다.
광학적 투과성이 필요한 제품들을 우리의 일상생활에서 흔히 접할 수 있는데 대표적인 것이 안경렌즈와 거울 그리고 유리 등이 있다. 이러한 제품들은 일반적인 환경에서는 투과성이 좋으나 온도의 급격한 변화나 습한 환경에서 김서림이 발생하여 시야를 확보하지 못하게 되어 불편을 초래할 뿐 아니라 어떤 때에는 사고의 위험까지 초래할 수도 있다. 이러한 현상은 온도차나 다습한 환경에 의하여 표면에 미세 물방울이 생기게 되는데 이로 인하여 빛이 산란, 굴절, 회절을 통하여 불투명하게 보이는 것이다.
흔히 시중에서 김서림방지 관련 제품이 나와있는데 이는 일시적인 대책밖에 되지 않으며 효과 자체도 미미한 편이다. 본 발명과 같이 나노구조를 통하여 김서림 방지효과를 구현하면 김서림방지 기능이 2년이상 지속될 수 있어서, 김서림방지코팅렌즈 및 필름의 수명이 획기적으로 증가한다. 예를 들어, 투과율 98% 이상, 표면경도 5H이상이 가능하다.
또한 렌즈와 필름 외에도 자동차도로의 볼록거울, 현미경 접안렌즈, CCTV 렌즈 등 많은 제품들이 관련 기술을 필요로 하므로 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 초기접촉각이 35°이하의 작은 값을 갖는 나노돌출부들에 의해 초친수효과가 발생하는 원리를 나타내는 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 초기접촉각이 60°이상의 큰 값을 갖는 나노돌출부들에 의해 초발수효과가 발생하는 원리를 나타내는 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 초친수 또는 초발수 구조의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 24 내지 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 32는 본 발명의 비교예에 따른 투명체 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 35는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 물발울을 나타내는 단면도이다.
도 36 및 도 37은 도 35에 도시된 나노구조 상에 분무된 물방울을 나타내는 이미지들이다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 39, 도 41, 도 42는 도 38에 도시된 나노구조의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 40은 도 39에 도시된 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 43 내지 도 45는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 리페어(Repair)방법을 나타내는 단면도들이다.
도 46은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 47은 도 46의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 48은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 49는 도 48의 B부분을 확대한 단면도이다.
도 50은 도 48 및 도 49에 의해 제작된 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 초기접촉각이 35°이하의 작은 값을 갖는 나노돌출부들에 의해 초친수효과가 발생하는 원리를 나타내는 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 초기접촉각이 60°이상의 큰 값을 갖는 나노돌출부들에 의해 초발수효과가 발생하는 원리를 나타내는 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 초친수 또는 초발수 구조의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 24 내지 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 32는 본 발명의 비교예에 따른 투명체 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 35는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 물발울을 나타내는 단면도이다.
도 36 및 도 37은 도 35에 도시된 나노구조 상에 분무된 물방울을 나타내는 이미지들이다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 39, 도 41, 도 42는 도 38에 도시된 나노구조의 제조방법을 나타내는 단면도들이다.
도 40은 도 39에 도시된 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 43 내지 도 45는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 리페어(Repair)방법을 나타내는 단면도들이다.
도 46은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 47은 도 46의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 48은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 49는 도 48의 B부분을 확대한 단면도이다.
도 50은 도 48 및 도 49에 의해 제작된 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2에서 가로축은 나노구조의 스케일을 나타내고, 세로축은 액체와 나노구조 사이의 접촉각을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 나노구조는 베이스층(10) 및 표면층(100)을 포함한다. 표면층(100)은 복수개의 나노돌출부들(120), 및 공기층(110)을 포함한다.
베이스층(10)은 파장의 범위가 380nm 내지 780nm인 가시광선의 투과율이 70%이상이고 평면상태에서 순수(Pure Water)에 의한 접촉각이 35°이하인 물질을 포함한다. 본 실시예에서, 베이스층(10)은 평평한 형상을 갖는다. 본 발명에서 평평한 형상이라 함은 전체적으로 평평한 형상을 의미하며, 평판형상, 소정의 곡률을 갖는 완만한 곡면형상 등을 포함한다. 베이스층(10)은 유리, 금속산화물, 투명플라스틱, 등 광을 투과시키는 특성을 갖는 다양한 고체를 포함한다.
이하 설명에서는 이론적인 부분이 포함되어 있으나, 이론적인 부분은 본 발명을 보다 명확히 하고 이해하기 쉽도록 하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위는 하기의 이론에 의해 제한되지 않는다.
도 2의 나노돌출부들(120)은 평면상에서 보았을 때 100 nm 또는 그보다 작은 크기를 갖는다. 도 2의 가로축에서 무구조(1X)는 베이스층(10)의 표면 상에 나노돌출부들(120)이 포함되지 않고 평평한 형상을 갖는 것을 의미한다. 이하, 각각의 물질에서 무구조(1X)에서의 접촉각을 '초기접촉각'이라고 한다.
2X는 베이스층(10)의 표면 상에 나노돌출부들(120)이 포함되며, 평면상의 면적을 1X라고 할 때, 나노돌출부들(120)에 의해 형성되는 표면적이 평면상의 면적의 2배인 것을 의미한다. 3X는 베이스층(10)의 표면 상에 나노돌출부들(120)이 포함되며, 평면상의 면적을 1X라고 할 때, 나노돌출부들(120)에 의해 형성되는 표면적이 평면상의 면적의 3배인 것을 의미한다.
초기접촉각이 35°이하의 작은 값을 갖는 경우, 나노돌출부들(120)에 의한 접촉각은 나노돌출부들(120)에 의해 증가되는 표면적이 평면상의 면적의 약 2배가 될 때까지 감소하다가 이후 일정한 값을 갖는다.
도 3 내지 도 5는 초기접촉각이 35°이하의 작은 값을 갖는 나노돌출부들에 의해 초친수효과가 발생하는 원리를 나타내는 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 나노돌출부들이 없는 평면구조(11) 상에 미세한 물방울(1)이 접촉되었을 때 35°이하의 낮은 접촉각(a)을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 나노돌출부(12)가 있는 평면구조의 경우, 물방울(2)이 나노돌출부(12) 상에 배치된다. 나노돌출부(12)의 크기가 물방울(2)의 크기보다 작기 때문에, 나노돌출부(12)의 상면에 배치된 물방울(2)의 일부가 초기접촉각(a)을 이루더라도 나노돌출부(12)의 측면에 배치된 물방울(2)의 일부는 자중에 의해 나노돌출부(12)보다 큰 접촉각(a')을 이루게 된다.
도 5를 참조하면, 나노돌출부(12)보다 큰 접촉각(도 4의 a')을 이루는 물방울(2')의 일부는 초기접촉각(a)이 될 때까지 아래쪽으로 이동하게 된다. 이러한 현상이 반복되면서 물방울(2')은 평면구조(도 3의 11)보다 넓게 퍼지게 된다. 물방울(2')이 평면구조(도 3의 11)보다 넓게 퍼지게 되면, 전체적으로 볼 때 접촉각이 감소한 효과가 발생하여 초친수 현상이 생성된다.
도 6 내지 도 8은 초기접촉각이 60°이상의 큰 값을 갖는 나노돌출부들에 의해 초발수효과가 발생하는 원리를 나타내는 단면도들이다. 설명의 편의를 위하여 도 6 내지 도 8에서는 초기접촉각이 100°인 것으로 도시된다.
도 6을 참조하면, 나노돌출부들이 없는 평면구조(13) 상에 미세한 물방울(3)이 접촉되었을 때 60°이상의 높은 접촉각(b)을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 나노돌출부(14)가 있는 평면구조의 경우, 물방울(3')이 나노돌출부(14) 상에 배치된다. 나노돌출부(14)의 크기가 물방울(3')의 크기보다 작기 때문에, 나노돌출부(14)의 상면에 배치된 물방울(3')의 일부가 초기접촉각(b)을 이루더라도 인접하는 나노돌출부(14n)의 측면에 배치된 물방울(3')의 일부는 초기접촉각(b)보다 큰 접촉각(b')을 이루게 된다.
도 8을 참조하면, 초기접촉각(b)보다 큰 접촉각(도 7의 b')을 이루는 물방울(3')의 일부는 초기접촉각(b)이 될 때까지 위쪽으로 이동하게 된다. 이러한 현상이 반복되면서 물방울(3')은 평면구조(도 8의 13)보다 발수특성을 나타낸다. 따라서, 전체적으로 볼 때 접촉각이 증가한 효과가 발생하여 초발수 현상이 생성된다.
물의 경우 수소결합, 표면장력 등에 의해 초기접촉각이 35°~ 60°인 경우가 분기점으로 작용한다. 습도, 온도 등 주변환경에 따라서, 초기접촉각이 40°~ 70°인 경우가 분기점으로 작용할 수도 있다. 초기접촉각이 분기점보다 작은 경우, 나노돌출부들에 의해 접촉각이 더 낮아지는 초친수 현상이 발생한다. 초기접촉각이 분기점보다 높은 경우, 나노돌출부들에 의해 접촉각이 더 높아지는 초발수 현상이 발생한다.
다른 물질, 예를 들어 유기용매, 알코올, 등,의 경우, 각각의 물성에 따라 서로 다른 분기점을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 초친수 또는 초발수 구조의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 나노구조를 이용한 초친수 또는 초발수 구조를 제조하기 위하여, 먼저 서로 다른 초기접촉각(a, b)을 갖는 복수개의 물질계열들을 선정한다(S110). 예를 들어, 물질계열들로는 유리계열, 세라믹계열, 반도체계열, 플라스틱계열, 등을 포함할 수 있다.
유리계열은 산화실리콘, 사파이어, 강화유리, 등을 포함할 수 있다. 세라믹계열은 알루미나, PLZT 등의 투광성 세라믹을 포함할 수 있다. 반도체계열은 ZnO, InO, GaO, SnO, ITO, IZO, 등의 투명한 재질을 포함할 수 있다. 플라스틱계열은 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리비닐카보네이트, 등의 투명한 플라스틱을 포함할 수 있다.
이어서, 각각의 물질계열별로 평평한 형상의 베이스층(10), 상기 베이스층(10) 상에 배치되고 100nm 이하의 크기를 가지며 표면적이 상기 베이스층(10)의 평면상의 면적의 2배(2X)가 되는 복수개의 나노돌출부들(120), 및 인접하는 나노돌출부들(120) 사이에 배치되는 공기층(110)을 형성한다(S120).
계속해서, 상기 물질계열별로 상기 나노돌출부들(120)에 의해 형성된 접촉각을 측정한다(S130).
이어서, 상기 측정된 접촉각과 상기 초기접촉각(a, b)을 비교한다(S140).
이후에, 상기 측정된 접촉각이 상기 초기접촉각(a, b)에 비해 감소하는 경우 해당 물질계열을 초친수계열로 분류하고, 상기 측정된 접촉각이 상기 초기접촉각(a, b)에 비해 증가하는 경우 해당 물질계열을 초발수계열로 분류한다(S150).
마지막으로, 상기와 같이 분류된 초친수계열 및 초발수계열을 기초로, 해당계열의 초발수구조 또는 초친수구조를 제조한다(S160).
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 1 및 도 10을 참조하면, 나노돌출부들(120)은 원기둥 형상을 가지며 매트릭스 형상으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 예를 들어, 나노돌출부들(120) 및 베이스층(10)은 동일한 층으로부터 형성될 수 있다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:2이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm이하이다.
도 1 및 도 11을 참조하면, 나노돌출부들(120)은 원기둥 형상을 가지며 매트릭스 형상으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:3이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm이하이다.
도 1 및 도 12를 참조하면, 나노돌출부들(120)은 속이 빈 실린더 형상을 가지며 매트릭스 형상으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:2이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm이하이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 1 및 도 13을 참조하면, 나노돌출부들(120)은 속이 빈 실린더 형상을 가지며 매트릭스 형상으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:2이다.
본 실시예에서, 각 나노돌출부(120)의 크기는 200nm 이상이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm보다 작다. 각 나노돌출부(120)의 크기가 200 nm보다 작거나, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 100 nm 보다 큰 경우, 가시광선(380nm ~ 780nm)의 λ/4의 범위에 들어가기 때문에 가시광선의 일부가 교란되어 특정한 파장의 색이 시인될 수 있다. 그러나 본 실시예에서는, 각 나노돌출부(120)의 크기가 가시광선의 최대파장(780nm)의 λ/4보다 큰 200nm 이상이고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 가시광선의 최소파장(380nm)의 λ/4과 유사하거나 작은 100nm보다 작기 때문에, 외부에서 아무런 색이 시인되지 않고 투명성이 유지된다.
도 1 및 도 14를 참조하면, 나노돌출부들(120)은 속이 빈 실린더 형상을 가지며 매트릭스 형상으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:2이다.
본 실시예에서, 각 나노돌출부(120)의 크기는 200nm 이상이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm 보다 작으며, 예를 들어 50 nm일 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지니다.
도 1 및 도 15를 참조하면, 나노돌출부들(120)은 세로방향으로 연장된 반원형 돌출부 및 그루부(groove) 형상을 가지며 가로방향으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:2이다.
본 실시예에서, 각 나노돌출부(120)의 크기는 200nm 이상이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm보다 작다. 각 나노돌출부(120)의 크기가 200 nm보다 작거나, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 100 nm 보다 큰 경우, 가시광선(380nm ~ 780nm)의 λ/4의 범위에 들어가기 때문에 가시광선의 일부가 교란되어 특정한 파장의 색이 시인될 수 있다. 그러나 본 실시예에서는, 각 나노돌출부(120)의 크기가 가시광선의 최대파장(780nm)의 λ/4보다 큰 200nm 이상이고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 가시광선의 최소파장(380nm)의 λ/4과 유사하거나 작은 100nm보다 작기 때문에, 외부에서 아무런 색이 시인되지 않고 투명성이 유지된다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 1 및 도 16을 참조하면, 나노돌출부들(120)은 세로방향으로 연장된 직사각형 프리즘 형상의 돌출부 및 상기 프리즘 형상의 돌출부들 사이에 형성되는 그루부(groove)형상을 가지며 가로방향으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:20이다.
본 실시예에서, 각 나노돌출부(120)의 크기는 200nm 이상이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100 nm보다 작다. 각 나노돌출부(120)의 크기가 200 nm보다 작거나, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 100 nm 보다 큰 경우, 가시광선(380nm ~ 780nm)의 λ/4의 범위에 들어가기 때문에 가시광선의 일부가 교란되어 특정한 파장의 색이 시인될 수 있다. 그러나 본 실시예에서는, 각 나노돌출부(120)의 크기가 가시광선의 최대파장(780nm)의 λ/4보다 큰 200nm 이상이고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 가시광선의 최소파장(380nm)의 λ/4과 유사하거나 작은 100nm보다 작기 때문에, 외부에서 아무런 색이 시인되지 않고 투명성이 유지된다.
도 1 및 도 17을 참조하면, 나노돌출부들(120)은 세로방향으로 연장된 직사각형 프리즘 형상의 돌출부 및 상기 프리즘 형상의 돌출부들 사이에 형성되는 그루부(groove)형상을 가지며 가로방향으로 배열된다. 나노돌출부들(120)은 베이스층(10)과 동일한 재질을 포함한다. 본 실시예에서 종횡비(Aspect Ratio)는 1:20이다.
본 실시예에서, 각 나노돌출부(120)의 크기는 100nm 이하이며, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 200 nm보다 크다. 각 나노돌출부(120)의 크기가 100 nm보다 크거나, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200 nm 보다 작은 경우, 가시광선(380nm ~ 780nm)의 λ/4의 범위에 들어가기 때문에 가시광선의 일부가 교란되어 특정한 파장의 색이 시인될 수 있다. 그러나 본 실시예에서는, 각 나노돌출부(120)의 크기가 가시광선의 최소파장(380nm)의 λ/4보다 작은 100nm과 비슷하거나 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 가시광선의 최대파장(780nm)의 λ/4보다 큰 200nm보다 크기 때문에, 외부에서 아무런 색이 시인되지 않고 투명성이 유지된다.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 18을 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:2이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 200nm보다 크고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100nm보다 작다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 세로방향으로 길게 연장되어, 이방성 구조를 갖는다.
도 19를 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:2이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 100nm 보다 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200nm보다 크다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 세로방향으로 길게 연장되어, 이방성 구조를 갖는다.
도 20을 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:4이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 200nm보다 크고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100nm보다 작다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 세로방향으로 길게 연장되어, 이방성 구조를 갖는다.
도 21을 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:4이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 100nm 보다 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200nm보다 크다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 세로방향으로 길게 연장되어, 이방성 구조를 갖는다.
도 22를 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:12이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 200nm보다 크고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100nm보다 작다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 세로방향으로 길게 연장되어, 이방성 구조를 갖는다.
도 23를 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:12이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 100nm 보다 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200nm보다 크다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 세로방향으로 길게 연장되어, 이방성 구조를 갖는다.
도 24 내지 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지들이다.
도 24를 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:3이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 200nm보다 크고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100nm보다 작다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 원기둥 형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다.
도 25를 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:3이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 100nm 보다 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200nm보다 크다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 원기둥 형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다.
도 26을 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:6이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 200nm보다 크고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100nm보다 작다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 원기둥 형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다.
도 27을 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:6이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 100nm 보다 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200nm보다 크다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 원기둥 형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다.
도 28을 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:18이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 200nm보다 크고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리는 100nm보다 작다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 원기둥 형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다.
도 29를 참조하면, 나노구조의 종횡비(Aspect Ratio)가 1:18이고, 각 나노돌출부(120)의 크기가 100nm 보다 작고, 인접하는 나노돌출부들(120) 사이의 거리가 200nm보다 크다. 본 실시예에서 각 나노돌출부(120)는 원기둥 형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 1 및 도 30을 참조하면, 각 나노돌출부들(120)은 원뿔형상을 가지며, 나노돌출부들(120)이 매트릭스 형상으로 배열된다. 인접하는 나노돌출부들(120)의 거리는 100nm이하이다.
도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 이미지이다.
도 1 및 도 31을 참조하면, 각 나노돌출부들(120)은 불규칙한 방향으로 성장한 바늘 형상을 갖는다. 본 실시예에서, 베이스층(10) 상에 산화실리콘 결정을 성장시켜서 바늘 형상의 나노돌출부들(120)을 형성할 수 있다. 산화실리콘 결정을 성장시키는 방법은, 화학기상증착, 물리기상증착, 에피텍셜증착, 원자층증착, 스퍼터링 증착 등의 방법을 사용할 수 있다.
도 32는 본 발명의 비교예에 따른 투명체 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 1 및 도 32를 참조하면, 상기 비교예에 따른 투명체는 나노구조를 구비하지 않고 평평한 형상을 갖는다. 상기 투명체 상에 배치된 물방울은 초기접촉각과 동일한 값으로 배치되어, 투명체 상에 물방울 형상으로 잔류한다.
투명체 상에 잔류하는 물방울들은 가시광을 산란시켜서 투명체의 시야가 교란된다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 안개를 도시하는 이미지이다.
도 1 및 도 33을 참조하면, 상기 나노구조는 이방성 나노돌출부들(도 15 내지 도 23)을 포함한다. 이방성 나노돌출부들에 의해 물방울의 접촉각은 초기접촉각보다 작아지고, 나노구조 상에 완만하게 퍼지게 된다.
나노구조 상에 완만하게 퍼진 물방울로 인하여 나노구조의 시야가 향상된다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 안개를 나타내는 이미지이다.
도 1 및 도 34를 참조하면, 상기 나노구조는 매트릭스 형상, 육각 형상, 랜덤(Random) 형상 등으로 배열된 나노돌출부들(도 10 내지 도 14, 도 24 내지 도 31)을 포함한다. 나노돌출부들에 의해 물방울의 접촉각이 사싱상 0도가 되어, 초친수 현상을 나타낸다. 본 실시예에서, 나노돌출부들 상의 물방울은 나노구조 상에 납작하게 퍼지게 된다.
나노구조 상에 납작하게 퍼진 물방울로 인하여 나노구조는 투명성을 유지한다.
도 35는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조 상에 분무된 물발울을 나타내는 단면도이고, 도 36 및 도 37은 도 35에 도시된 나노구조 상에 분무된 물방울을 나타내는 이미지들이다.
도 1, 도 35 내지 도 37을 참조하면, 베이스층(10) 및 나노돌출부들(120)이 초기접촉각이 70도 이상의 물질들(예를 들어, 플라스틱 계열)로 형성된다. 나노돌출부들(120)에 의해 발수특성이 극대화되어 초발수 현상을 나타낸다.
나노구조 상의 물방울은 구 형상을 이루게 되어, 약간의 경사 또는 주위의 충격을 받으면 옆으로 흘러내리게 된다. 따라서 물방울이 나노구조의 표면으로부터 용이하게 제거될 수 있다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 38을 참조하면, 나노구조는 복수개의 희생입자들(212) 및 골격층(214)을 포함하고, 베이스층(210), 리페어층(250), 및 표면층(220)으로 구분된다.
희생입자들(212)은 물, 알코올, 유기용매, 식각액 등에 반응하여 용해되는 물질을 포함한다. 본 실시예에서, 희생입자들(212)은 염기성 산화물, 염, 등 용해가 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 희생입자들(212)은 B2O3, ZnO, CaO, FeO, Na2O, NaCl, Al2O3, AgPO3, BaCO3, BaCrO4, Ba(IO3)2, AgNO3, CaF2, CaCO3, CaC2O4, Cr2O3, CuO, KBr, 등의 무기물, 유기용질 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 희생입자들(212)의 크기는 100 nm이하일 수 있다. 희생입자들(212)의 크기가 100 nm보다 클 경우 자외선의 λ/4보다 커지기 때문에 보라색이 시인될 수 있다. 그러나 모든 희생입자들(212)의 크기가 100 nm이하일 필요는 없으며, 소수의 희생입자들(212)이 100 nm보다 크더라도 그 수가 적으면 육안으로 보라색이 시인되지 않는다.
골격층(214)은 희생입자들(212)의 사이를 충진하고 희생입자들(212)과 일체로 형성되어 내부의 희생입자들(212)을 밀봉하고 나노구조를 지지한다. 골격층(214)은 물, 알코올, 유기용매와 반응하지 않으며, 일상생활에서 노출될 수 있는 탄산, 저농도 염산, 저농도 황산, 저농도 질산에 반응하지 않는 화학적 안정성을 갖는다. 본 실시예에서, SiO2, Al2O3, MgO, 등의 무기물, 테프론과 같은 유기물 등을 포함할 수 있다.
베이스층(210)은 나노구조의 베이스를 형성하며 희생입자들(212) 및 희생입자들(212)을 포위하여 밀봉하는 골격층(214)을 포함한다.
표면층(220)은 베이스층(210) 상에 배치되고 희생입자들(212)이 용해되어 형성된 다수의 공극들(222) 및 공극들(222)을 포위하는 골격층(214)을 포함한다. 각 공극(222)의 크기는 100 nm이하이다.
표면층(220)에 배치된 공극들(222) 및 골격층(214)에 의해 나노구조의 표면에 나노스케일의 다공성 매질이 형성되고, 초친수 또는 초발수 특성을 나타낸다. 예를 들어, 골격층(214)의 물에 대한 초기접촉각이 35°이하인 경우 나노구조는 초친수 특성을 나타내고, 골격층(214)의 물에 대한 초기접촉각이 60°이상인 경우 나노구조는 초발수 특성을 나타낸다.
리페어층(250)은 베이스층(210)과 표면층(220)의 사이에 배치되어 표면층(220) 일부가 소실되는 경우 소실된 부분의 초친수 또는 초발수 특성을 회복시키는데 사용된다. 리페어층(250) 및 리페어층(250)을 이용한 리페어방법에 대해서는 도 43 내지 도 45에서 후술한다.
도 39, 도 41, 도 42는 도 38에 도시된 나노구조의 제조방법을 나타내는 단면도들이고, 도 40은 도 39에 도시된 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이다.
도 39 및 도 40을 참조하면, 먼저 복수개의 희생입자들(212), 표면 희생입자들(222a), 및 골격층(214)을 포함하는 베이스층(210), 표면층(220), 및 리페어층(250)을 형성한다.
본 실시예에서, 베이스층(210), 표면층(220), 및 리페어층(250)은 증착장치(270)를 이용하여 형성될 수 있다. 증착장치(270)는 스테이지(280) 및 타겟어셈블리(291)를 포함한다. 타겟어셈블리(291)는 제1 타겟(291a) 및 제2 타겟(291b)을 포함한다.
제1 타겟(291a)은 염기성 산화물, 염, 등 용해가 가능한 물질을 포함할 수 있고, 제2 타겟(291b)은 화학적 안정성이 높은 SiO2, MgO, 등의 무기물, 테프론과 같은 유기물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 타겟(291a)은 B2O3를 포함하고, 제2 타겟(291b)은 SiO2를 포함할 수 있다.
도 41을 참조하면, 이어서 용해제(Ec)를 이용하여 표면층(220) 내에 배치된 표면 희생입자(도 39의 222a)를 제거한다. 용해제(Ec)는 표면 희생입자(도 39의 222a)의 재질에 따라 이를 용해시킬 수 있는 물질 중의 하나를 포함하며, 물, 알코올, 유기용매, 탄산, 염산, 황산, 질산, 아세트산 등을 포함할 수 있다.
도 42를 참조하면, 표면 희생입자(도 39의 222a)가 제거되어 표면층(220) 내에 다수의 공극들(222)이 형성된다.
도 43 내지 도 45는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 리페어(Repair)방법을 나타내는 단면도들이다.
도 43을 참조하면, 외부충격 등으로 인하여 나노구조의 표면에 손상(251)이 발생될 수 있다. 나노구조의 표면에 손상(251)이 발생되면, 공극들(222) 중의 일부가 소실되어 다공성 구조가 상실된다. 손상(251)은 다공성 구조를 상실시켜서 초친수 또는 초발수 특성을 저하시키고 외부광의 일부를 교란시켜서 투명도가 저하된다.
도 44를 참조하면, 용해제(Er)를 이용하여 리페어층(250) 내에 배치된 손상(251) 부분의 희생입자를 제거한다.
도 45를 참조하면, 리페어층(250) 내에 배치된 손상(251) 부분의 희생입자를 제거하여 리페어공극(252)을 형성한다. 리페어공극(252)으로 인하여 표면의 다공성 구조가 회복되어 초친수 또는 초발수 특성이 회복된다. 또한, 100 nm이하의 크기를 갖는 다공성 구조로 인하여 외부광의 교란이 방지되고 가시광선의 투과도가 회복된다.
도 46은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이고, 도 47은 도 46의 A부분을 확대한 단면도이다. 본 실시예에서 타겟어셈블리를 제외한 나머지 구성요소들은 도 38 내지 도 45에 도시된 실시예와 동일하므로, 동일한 구성요소들에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 39, 도 46, 및 도 47을 참조하면, 타겟어셈블리(292)는 제1 타겟물질(292a) 및 제2 타겟물질(292b)을 포함한다. 제1 타겟물질(292a)은 제2 타겟물질(292b)과 혼합되어, 스퍼터링 등의 방식에 의해 스테이지(280) 상에 증착된다.
따라서 도 39와 같은 표면층(220), 리페어층(250), 및 베이스층(210)이 형성된다. 이후의 단계는 도 41 내지 도 45에 도시된 실시예와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 48은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원시나노구조를 제조하는 증착장치를 나타내는 단면도이고, 도 49는 도 48의 B부분을 확대한 단면도이며, 도 50은 도 48 및 도 49에 의해 제작된 나노구조를 나타내는 단면도이다.
도 39, 도 48 내지 도 50을 참조하면, 타겟어셈블리(393)는 다수의 공극들(393a) 및 타겟물질(393b)을 포함한다. 본 실시예에서 타겟어셈블리(393)는 스테이지(380)와 평행하게 배열된다.
스퍼터링에 의해 타겟어셈블리(383)의 타겟물질(393b)은 스테이지(380)에 증착된다. 증착과정에서 다수의 공극들(393a)에 의해 다수의 공극들(312), 표면 공극들(322), 및 골격층(314)이 형성된다. 본 실시예에서, 베이스층(310), 및 리페어층(350) 내에 형성되는 것은 다수의 공극들(312)이며, 표면층(320) 내에는 표면공극들(322)이 형성된다.
본 실시예에서, 표면층(320)의 일부가 손상되더라도 리페어층(350) 내의 공극들(312)로 인하여 별도의 리페어절차 없이도 자동으로 다공성 구조가 유지된다.
다른 실시예에서, 표면에 포러스한 나노구조를 만드는 방법으로 반도체 포토-에칭 공정을 통하여 구현하는 방법, 나노 파티클을 분산시켜 표면에 코팅한 후 분산제와 분산시켰던 케미칼을 제거하는 방법, 표면 나노코팅 한 파티클을 이용하여 에칭하는 방법, 플라즈마 분위기에서 에칭 가스를 이용하여 표면의 포러스한 구조를 만드는 방법, 나노물질의 표면상에서 자기조립 방법, 나노몰드를 이용한 복제방법, 박막을 포러스하게 올려서 랜덤한 구조를 만드는 방법 등을 활용할 수도 있다.
표면에 나노구조를 만들게 되면 일반적으로 살균작용을 하게되어 세균이나 세포가 증식할 수 없는 구조가 되기도 한다.
친수성 또는 소수성구현을 위하여 나노구조가 구비된 소수성 물질에 친수성물질을 박막코팅을 하게 되면 초친수성을 바뀌게 되는데 이는 표면 친수성 물질이 친수성을 발현하고 나노구조가 이를 극대화하기 때문이다.
또한 나노구조가 구비된 친수성 물질에 소수성 물질을 박막코팅할 경우 초소수성 특성을 나타나게 되는데 이는 표면 소수성 물질이 소수성을 발현하고 나노구조가 소수성을 극대화하기 때문에 나타나는 현상이다.
이와같은 원리를 통하여 친수성과 소수성이 필요한 고 내구성 제품을 구현할 수 있다.
예를 들면 제품사용기간 동안 그 특성이 유지되는 초친수성 제품을 만들고자 할 경우 친수성 물질의 표면을 나노구조를 형성함으로 표면적을 극대화 할 경우 구현될 수 있다.
또한 이런 기능 외에 제품의 경도 등을 강화시키고자 할 경우 나노구조가 형성된 표면 위에 고경도 친수성 물질을 박막코팅하면 고경도 초친수 특성을 모두 만족하는 제품을 얻을 수 있다.
초소수성 고경도 제품을 얻고자 할 때도 마찬가지로 나노구조가 형성된 표면위에 소수성 고경도 물질을 박막코팅하여 고경도 초소수 특성을 만족하는 제품을 얻을 수 있다.
고경도 친수성 물질의 경우 일반적으로 무기물이 많은데 세라믹 종류 또는 금속을 사용할 수 있다. SiO2 나 Al2O3의 경우 초 친수성을 만들기 위해 매우 쉽게 일반적으로 사용될 수 있는 세라믹 제품이라 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 물질의 고유특성 초기접촉각에 따라 나노스케일에서의 표면적을 증대시켜서 초친수 구조 또는 초발수 구조를 선택적으로 구현할 수 있다. 나노구조는 표면적이 커지므로 친수성 또는 소수성을 극대화시킬 뿐 아니라 그 모양에 따라 각기 다른 특성을 발현하기도 한다. 예를 들어, 나노구조로 인하여 표면상의 굴절율을 변화시켜서 무반사특성, 지문방지특성 등의 효과가 부수적으로 발현될 수 있으며, 태양전지 등에 사용할 경우 효율을 극대화시킬 수가 있다.
그리고 배수(nanodrain 구조, 또는 nanogrooving 구조) 구조에 친수코팅을 하면 김서림방지 뿐 아니라 배수기능도 함께 구현될 수 있다.
초친수 또는 초발수를 구현함에 있어서 표면경도 향상을 통한 내구성을 증가시키기 위하여 경도가 높은 친수 또는 소수성 물질을 박막코팅할 경우 초친수 또는 초소수 특성을 갖는 동시에 경도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 90 nm이하 선폭의 초배수나노구조를 구비한 김서림방지 코팅필름 및 렌즈를 구현할 수도 있다.
광학적 투과성이 필요한 제품들을 우리의 일상생활에서 흔히 접할 수 있는데 대표적인 것이 안경렌즈와 거울 그리고 유리 등이 있다. 이러한 제품들은 일반적인 환경에서는 투과성이 좋으나 온도의 급격한 변화나 습한 환경에서 김서림이 발생하여 시야를 확보하지 못하게 되어 불편을 초래할 뿐 아니라 어떤 때에는 사고의 위험까지 초래할 수도 있다. 이러한 현상은 온도차나 다습한 환경에 의하여 표면에 미세 물방울이 생기게 되는데 이로 인하여 빛이 산란, 굴절, 회절을 통하여 불투명하게 보이는 것이다.
흔히 시중에서 김서림방지 관련 제품이 나와있는데 이는 일시적인 대책밖에 되지 않으며 효과 자체도 미미한 편이다. 본 발명과 같이 나노구조를 통하여 김서림 방지효과를 구현하면 김서림방지 기능이 2년이상 지속될 수 있어서, 김서림방지코팅렌즈 및 필름의 수명이 획기적으로 증가한다. 예를 들어, 투과율 98% 이상, 표면경도 5H이상이 가능하다.
또한 렌즈와 필름 외에도 자동차도로의 볼록거울, 현미경 접안렌즈, CCTV 렌즈 등 많은 제품들이 관련 기술을 필요로 하므로 다양한 분야에 적용될 수 있다.
1, 2, 3 : 물방울
10, 11, 13, 210 : 베이스층
110 : 공기층 12, 14, 120 : 나노돌출부
100, 220, 320 : 표면층 212, 312 : 희생입자
214, 314 : 골격층 222, 252, 322 : 공극
250, 350 : 리페어층 251 : 손상
270, 370 : 증착장치 280, 380 : 스테이지
291, 292, 393 : 타겟어셈블리 Ec, Er : 식각액
110 : 공기층 12, 14, 120 : 나노돌출부
100, 220, 320 : 표면층 212, 312 : 희생입자
214, 314 : 골격층 222, 252, 322 : 공극
250, 350 : 리페어층 251 : 손상
270, 370 : 증착장치 280, 380 : 스테이지
291, 292, 393 : 타겟어셈블리 Ec, Er : 식각액
Claims (7)
- 물, 알코올, 유기용매, 또는 산과 반응하여 용해되는 물질을 포함하고 100 nm이하의 크기를 갖는 복수개의 희생입자들과, 상기 희생입자들 사이를 충진하고 상기 희생입자들과 일체로 형성되며, 상기 물, 상기 알코올, 및 상기 유기용매와 반응하지 않으며, 탄산, 저농도 염산, 저농도 황산, 또는 저농도 질산에 반응하지 않는 화학적 안정성을 갖는 물질을 포함하는 골격층을 포함하되,
상기 희생입자들 및 상기 골격층을 포함하되 상기 골격층이 상기 희생입자들을 밀봉하는 베이스층;
상기 페이스층의 상부에 배치되고 상기 희생입자들이 용해되어 형성된 다수의 공극들 및 상기 골격층을 포함하되 상기 골격층이 상기 공극들을 포위하여 나노스케일의 다공성 매질을 형성하는 표면층; 및
상기 베이스층과 상기 표면층의 사이에 배치되고 상기 희생입자들 및 상기 희생입자들을 밀봉하는 골격층을 포함하되, 상기 표면층의 일부가 소실되는 경우 상기 희생입자들의 일부가 용해되어 상기 나노스케일의 다공성 매질을 리페어하는 리페어층을 포함하는 나노구조. - 제1항에 있어서, 상기 희생입자들은 물, 알코올, 유기용매, 탄산, 염산, 황산, 질산, 또는 아세트산에 의해 용해되는 물질을 포함하며, 상기 골격층은 상기 물, 상기 알코올, 또는 상기 유기용매에 의해 용해되지 않거나 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산에 대하여 상기 희생입자들과 식각선택비가 큰 화학적으로 안정된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조의 제조방법.
- 표면층에 100 nm 이하의 크기를 갖는 다수의 공극들이 형성된 나노구조의 제조방법에 있어서,
먼저 물, 알코올, 유기용매, 탄산, 염산, 황산, 질산, 또는 아세트산에 의해 용해되는 물질을 포함하는 희생입자들과, 상기 물, 상기 알코올, 또는 상기 유기용매에 의해 용해되지 않거나 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산에 대하여 상기 희생입자들과 식각선택비가 큰 화학적으로 안정된 물질을 포함하고 상기 희생입자들을 포위하는 골격층을 형성하는 단계; 및
상기 물, 상기 알코올, 상기 유기용매, 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산을 용해제로 이용하여 상기 희생입자들 중에서 표면에 배치된 희생입자들을 제거하고, 표면에 다수의 공극들을 형성하는 단계를 포함하는 나노구조의 제조방법. - 제3항에 있어서, 상기 나노구조의 표면이 손상된 경우, 상기 손상된 나노구조의 표면에 상기 물, 상기 알코올, 상기 유기용매, 상기 탄산, 상기 염산, 상기 황산, 상기 질산, 또는 상기 아세트산을 용해제로 이용하여 상기 손상된 부분의 희생입자들을 제거하고, 상기 손상된 부분에 공극들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 희생입자들과 상기 골격층을 형성하는 단계는, 상기 상기 희생입자들과 동일한 물질을 포함하는 제1 타겟과 상기 골격층과 동일한 물질을 포함하는 제2 타겟을 포함하는 타겟어셈블리를 이용하여 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 희생입자들과 상기 골격층을 형성하는 단계는, 상기 희생입자들과 동일한 물질과 상기 골격층과 동일한 물질이 혼합된 타겟을 이용하여 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조의 제조방법.
- 표면층에 100 nm 이하의 크기를 갖는 다수의 공극들이 형성된 나노구조의 제조방법에 있어서,
먼저 다수의 공극들 및 상기 공극들을 포위하는 타겟물질을 포함하는 타겟어셈블리를 준비하는 단계;
상기 타겟어셈블리를 스테이지와 평행하게 배열하는 단계;
스퍼터링에 의해 상기 타겟어셈블리의 상기 타겟물질을 상기 스테이지에 증착하는 단계; 및
상기 스테이지 상에 다공성을 갖는 나노구조를 형성하는 단계를 포함하는 나노구조의 제조방법.
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