KR20170126743A

KR20170126743A - 초소수성 금속재료 표면 및 초소수성 금속배관 표면의 제조방법

Info

Publication number: KR20170126743A
Application number: KR1020160057189A
Authority: KR
Inventors: 천두만; 오치빈; 이경민
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-20
Also published as: WO2017195935A1

Abstract

본 발명은, 금속재료 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계, 패턴돌기가 형성된 금속재료를 열처리하면서, 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계를 포함하는 초소수성 금속재료 표면의 제조방법을 제공하다.
이와 같은, 초소수성 금속재료 표면의 제조방법은, 금속재료의 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기가 금속재료 표면 상에 돌출 형성된다. 그리고, 금속재료가 열처리되면 패턴돌기 표면이 산화 또는 환원되면서 안정된 상태로 재료표면의 성질이 변화하면서 빠른 시간에 초소수성을 가지게 되는 바, 생산이 용이해지면서 빠른 시간에 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

초소수성 금속재료 표면 및 초소수성 금속배관 표면의 제조방법{Method for fabricating superhydrophobicity surface of metallic meterial and metal pipe}

본 발명은 금속재료 및 금속배관 표면에 패턴을 형성하여 초소수성을 가지게 하는 초소수성 금속재료 표면 및 초소수성 금속배관 표면의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고체 표면에 물방울이 접촉했을 때, 물방울의 접촉각이 150°이상인 경우에는 초소수성으로 정의되고 있다. 그리고, 물방물의 접촉각이 90∼150°의 범위는 소수성으로 정의된다. 일반적으로 소수성은 표면장력이 낮은 분자 잔기로 표면이 덮여짐으로써 발현하는 것이지만, 초소수성은 표면장력이 낮은 분자 잔기만으로 발현시키는 것이 어려워 마이크로 혹은 나노미터 단위의 요철이 필요하다.

한편, 자연계에서는 연잎이나 벼 등의 식물이나 나비, 딱정벌레 등의 곤충에서 표면이 물에 젖는 현상을 방지하여 자가세정, 항력감소 등이 가능한 초소수성 표면이 발견된다.

공학계에서는 이러한 현상들을 모방하여 자가세정, 항력감소 등이 가능한 초소수성 표면을 만드는 방법을 활발하게 연구하고 있다.

특히, 금속으로 이루어진 대상물의 초소수성 표면 제작은, 표면에 마이크로 혹은 나노 단위의 요철을 형성한 후, 고분자의 소수성 재료를 이용하여 코팅을 하거나, 대기 중에 몇 주 또는 몇 달간 노출시키게 된다.

그러나, 고분자의 소수성 재료를 코팅할 경우에는 내구성의 문제와 코팅재료의 사용온도 범위가 낮아 응용에 어려움이 있고, 대기 중에 노출시켜 제작하는 경우에는 공정시간이 너무 길어 실제 양산에서는 사용의 어려움이 있다.

이러한, 종래의 초소수성 표면 제조 방법은, 대한민국공개특허 제10-2010-0046615호(2010.05.07)에 제시된다.

본 발명은, 제조 공정을 간단하게 함과 더불어 제조 시간을 단축시켜 생산이 용이한 초소수성 금속재료 표면 및 초소수성 금속배관 표면의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 금속재료 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계, 상기 패턴돌기가 형성된 상기 금속재료를 열처리하면서, 상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계를 포함하는 초소수성 금속재료 표면의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속배관의 외측 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계, 상기 패턴돌기가 형성된 상기 금속배관을 열처리하면서, 상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계를 포함하는 초소수성 금속배관 표면의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법은, 금속재료의 표면에 마이크론 크기를 가지는 패턴돌기가 금속재료 표면 상에 돌출 형성된다. 그리고, 금속재료가 열처리되면 패턴돌기 표면이 산화 또는 환원되면서 안정된 상태로 재료표면의 성질이 변화하면서 빠른 시간에 초소수성을 가지게 되는 바, 생산이 용이해지면서 빠른 시간에 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법에 의한 제조상태를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료의 표면에 형성되는 패턴의 형상을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료의 다른 크기를 갖는 패턴 형상을 광학 이미지로 나타낸 것이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료의 각기 다른 크기를 갖는 패턴 형상에 따른 패턴돌기의 크기를 광학 이미지로 나타낸 것이다.
도 6은 도 1에 나타낸 패턴홈을 형성하는 레이저 가공장치의 개략 구성도이다.
도 7은 열처리후 산화 또는 환원된 패턴 사이의 간격에 따른 각각 액체의 접촉각을 나타낸 도면이다.
도 8은 열처리시 용기용매를 추가하여 산화 또는 환원된 패턴 사이의 간격에 따른 각각 액체의 접촉각을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속배관 표면의 제조방법 과정을 나타낸 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법 과정을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법에 의한 제조상태를 나타낸 개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법은, 금속재료(100) 표면에 마이크론 크기로 패턴돌기(120)를 형성하는 단계, 패턴돌기(120)를 열처리하면서 산화 또는 환원시키는 단계를 포함한다.

먼저, 금속재료(100)를 준비한 후, 상기 금속재료(100) 표면에 마이크론 크기를 가지는 패턴돌기(120)를 형성한다. 여기서, 상기 금속재료(100)는 판 형상을 가지게 되나, 이에 한정하지 않고 곡선형상을 가지는 금속재료일 수도 있다. 이러한, 상기 금속재료(100)는 구리 재질을 사용하나, 이에 한정하지 않고 알루미늄 재질 또는 스테인레스 재질 외에 다른 금속재료를 사용할 수도 있음은 물론이다. 그리고, 일 실시예에서는 상기 패턴돌기(120)는 격자 형상으로 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 일정한 패턴을 가지는 라인형태나 점 형태로도 형성될 수 있음은 물론이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 패턴돌기(120)는 완성될 금속재료(100)의 표면이 초소수성을 가지게 한다. 이러한, 상기 패턴돌기(120)는 상기 금속재료(100) 표면에 마이크론 크기의 패턴홈(110)을 형성시, 상기 패턴홈(110)을 따라 상기 금속재료(100)의 표면에 동시에 형성되는 버어(Burr)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 금속재료(100)가 초소수성을 가지도록 패턴 사이 간격(a), 즉 각각의 상기 패턴홈(110)에 의해 형성된 상호 마주보는 상기 패턴돌기(120) 사이의 간격은 마이크론 크기로 형성된다. 더불어, 상기 패턴돌기(120)는 마이크론 크기, 즉 상기 패턴돌기(120)의 높이 및 상기 패턴돌기(120)의 폭은 마이크론 크기로 형성하게 된다. 여기서, 마이크론 크기는 마이크로 미터(㎛) 단위의 크기를 말하며, 1 ~ 1천 마이크로 미터 사이의 값을 갖는 크기로 해석될 수 있으며, 일 실시예에서는 상기 금속재료(100)가 초소수성을 가지도록 패턴 사이 간격(a)은 50㎛ ~ 500㎛의 값으로 마련될 수 있다. 그리고, 상기 패턴돌기(120)의 높이는 10㎛ ~ 50㎛의 값으로 형성될 수 있다. 여기서, 도 4를 참조하면, 패턴 사이 간격(a), 즉 각각의 상기 패턴홈(110)에 의해 형성된 상호 마주보는 상기 패턴돌기(120) 사이의 간격은 도 4(a) 100㎛, 도 4(c) 300㎛, 도 4(e) 500㎛, 도 4(b)는 도 4(a)의 부분확대도, 도 4(d)는 도 4(c)의 부분확대도, 도 4(f)는 도 4(e)의 부분확대도이다. 그리고, 도 5(a)는 패턴 사이 간격(a), 즉 각각의 상기 패턴홈(110)에 의해 형성된 상호 마주보는 상기 패턴돌기(120) 사이의 간격이 100㎛인 경우의 패턴돌기(120) 평균 높이가 23㎛인 것을 나타낸 도면이고, 도 5(b)는 각각의 상기 패턴홈(110)에 의해 형성된 상호 마주보는 상기 패턴돌기(120) 사이의 간격이 300㎛인 경우의 패턴돌기(120) 평균 높이가 23㎛인 것을 나타낸 도면이고, 도 5(c)는 각각의 상기 패턴홈(110)에 의해 형성된 상호 마주보는 상기 패턴돌기(120) 사이의 간격이 500㎛인 경우의 패턴돌기(120) 평균 높이가 21㎛인 것을 나타낸 도면이다.

이같이, 상기 패턴돌기(120)는 상기 금속재료(100) 표면 상에 상기 패턴홈(110)을 형성시 동시에 격자 형상의 패턴으로 일체상태로 돌출 형성되는 버어로 구조적으로 안정적인 장점을 가지게 된다. 여기서, 상기 패턴홈(110)은 패턴의 크기가 마이크론 크기로 형성되므로 레이저 가공을 통해 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않고 프라즈마나 아크 등의 에너지 가공 또는 가공날을 이용한 기계 가공을 통해 형성될 수도 있음은 물론이다. 이같이, 일 실시예에서는 상기 패턴돌기(120)는 레이저 가공, 에너지 가공 또는 기계 가공을 통해 상기 금속재료(100) 표면에 상기 패턴홈(110)이 형성될 때, 상기 패턴홈(110)을 따라 외측으로 동시에 형성된 버어가 돌출 형성된 구조인 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 상기 금속재료(100) 표면에 상기 패턴홈(110)을 형성하지 않고, 상기 금속재료(100) 표면에 바로 마이크론 크기의 패턴돌기가 돌출 형성될 수도 있음은 물론이다.

도 6을 참조하면, 레이저 가공장치를 이용하여, 레이저 가공에 의한 패턴홈(110)의 형성은, 상기 금속재료(100)를 3축 방향 스테이지 상에 장착하고 레이저를 제어하여 상기 금속재료(100) 표면에 조사하면서 스테이지를 이동시켜 원하는 형태의 패턴홈(110)을 상기 금속재료(100) 표면에 형성시킬 수 있다.

이후, 상기 패턴홈(110)과 상기 패턴돌기(120)가 형성된 상기 금속재료(100)를 오븐(Oven)과 같은 열처리장치에 넣어 열처리하게 된다. 이같이 상기 패턴홈(110)에 의해 상기 금속재료(100) 표면에 형성된 패턴돌기(120)는 열역학적으로 불안정한 상태이므로 안정된 상태를 얻기 위해서는 상온에서는 오랜 시간이 소요되나 열처리를 통해 단시간에 달성할 수 있게 된다. 즉, 상기 금속재료(100)를 가열하면서 상기 패턴돌기(120) 표면에 산화 또는 환원 작용이 용이하게 이루어지면서 상기 버어(120) 표면에 레이저 가공중 생성된 산화제이구리(CuO)와 같은 금속산화물의 표면에 산화제일구리(Cu₂O)등이 생성되면서 소수성을 가지는 안정적된 표면이 형성되게 한다. 이때, 상기 금속재료(100)는 상기 열처리장치에 넣은 상태에서 50℃ ~ 300℃에서 1 ~ 24시간 열처리하게 되는데, 보다 바람직하게는 상기 금속재료(100)의 구조가 변형되지 않도록 100℃에서 2시간 ~ 14시간 열처리하는 것이 바람직하다. 도 7을 참조하면, 상기 금속재료(100)를 오븐(Oven)과 같은 열처리장치에 넣어 100℃ 에서 열처리할 경우, 2시간 이후부터는 소수성을 가지게 되고, 11시간 이후부터는 초소수성을 가짐을 알 수 있다.

이같이, 상기 패턴돌기(120)가 형성된 상기 금속재료(100)를 오븐(Oven)과 같은 열처리장치에 넣어 열처리시, 상기 열처리장치 내부로 유기용매를 공급하여, 상기 유기용매가 상기 금속재료(100)의 패턴돌기(120) 표면과 화학 작용하면서 산화제이구리(CuO)를 산화제일구리(Cu₂O)로의 환원이 가속되게 할 수 있다. 이와 같이, 상기 유기용매를 추가로 공급하여 100℃ 에서 열처리하면 레이저 가공중에 산화된 상기 패턴돌기(120) 표면에 산화제일구리(Cu₂O)가 환원을 통해 형성되는데, 도 8과 같이 상기 패턴돌기(120)의 패턴 간격에 상관없이 30분 이후부터는 초소수성을 가짐을 알 수 있다. 구리의 경우 유기용매로서 에탄올이 반응속도를 향상시키는데 도움을 줄 수 있으나 에탄올에 한정하지 않고 금속에 따라 메탄올, 이소프로판올, 알코올, 에테르, 아세톤, 아세틸렌과 같은 다른 유기용매를 선택적으로 사용할 수도 있음은 물론이다. 이같이, 상기 에탄올을 추가로 공급할 경우, 상기 금속재료(100)는 50℃ ~ 300℃에서 10분 ~ 12시간동안 가열하게 된다.

이와 같이, 일 실시예에 따른 초소수성 금속재료 표면의 제조방법에 의하면, 상기 금속재료(100)의 표면에 마이크론 크기를 가지는 상기 패턴돌기(120)가 상기 금속재료(100) 표면 상에 돌출 형성된다. 그리고, 상기 금속재료(100)가 열처리되면 상기 패턴돌기(120) 표면이 산화 또는 환원되면서 빠른 시간에 초소수성을 가지게 되는 바, 생산이 용이해지면서 빠른 시간에 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속배관 표면의 제조방법 과정을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 금속배관 표면의 제조방법은, 금속배관 외측 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기를 형성하는 단계, 패턴돌기를 열처리하면서 산화 또는 환원시키는 단계를 포함한다. 그리고, 추가적으로 열처리 속도를 빨리하기 위한 금속배관이 구리일 경우 유기용매로서 에탄올을 투입하는 단계를 거치게 할 수 있다. 이같이, 일 실시예에 따른 초소수성 금속배관 표면의 제조방법은, 상기 금속재료(100) 대신에 중공을 가지는 관 구조의 금속배관 표면, 보다 상세하게는 금속배관의 외측 표면에 초소수성을 가지도록 앞서 설명한 바와 같이 패턴돌기를 형성하고, 상기 패턴돌기를 산화 또는 환원을 시키는 단계를 포함하는 제조방법으로, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 초수성 금속표면의 제조방법에 설명한 바와 동일한 바 그 설명을 생략한다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 초소수성 금속배관 표면의 제조방법에 의하면, 상기 금속배관의 외측 표면에 마이크론 크기를 가지는 패턴돌기가 상기 금속배관 외측 표면 상에 돌출 형성된다. 그리고, 상기 금속배관이 열처리되면 상기 패턴돌기 표면이 산화 또는 환원되면서 빠른 시간에 초소수성을 가지게 되는 바, 생산이 용이해져 빠른 시간에 대량 생산을 가능하게 함과 더불어 열교환기에 사용할 때 상기 금속배관 외측 표면에 서리 및 결빙이 발생하는 것을 방지함으로써 열교환 효율을 안정적으로 유지할 수 있게 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 금속재료 110: 패턴홈
120: 패턴돌기

Claims

금속재료 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계와;
상기 패턴돌기가 형성된 상기 금속재료를 열처리하면서, 상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계를 포함하는 초소수성 금속재료 표면의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계에서,
상기 패턴돌기는 레이저 가공을 통해 마이크론 크기의 패턴홈을 형성시, 상기 패턴홈의 형성에 대응되게 상기 패턴홈 외측에 돌출 형성되는 버어 인 초소수성 금속재료 표면의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계에서,
상기 금속재료는 50℃ ~ 300℃에서 1시간 ~ 24시간 동안 열처리되는 초소수성 금속재료 표면의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계에서,
상기 패턴돌기 표면에 유기용매를 추가로 공급하는 단계를 더 포함하는 초소수성 금속재료 표면의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 유기용매를 추가로 공급할 경우, 상기 금속재료는 50℃ ~ 300℃에서 10분 ~ 12시간 동안 열처리되는 초소수성 금속재료 표면의 제조방법.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 금속재료는 구리 재질이며,
상기 유기용매는 에탄올 인 초소수성 금속재료 표면의 제조방법.
금속배관의 외측 표면에 마이크론 크기의 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계와;
상기 패턴돌기가 형성된 상기 금속배관을 열처리하면서, 상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계를 포함하는 초소수성 금속배관 표면의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 패턴돌기를 돌출 형성하는 단계에서,
상기 패턴돌기는 레이저 가공을 통해 마이크론 크기의 패턴홈을 형성시, 상기 패턴홈의 형성에 대응되게 상기 패턴홈 외측에 돌출 형성되는 버어 인 초소수성 금속배관 표면의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 패턴돌기를 산화 또는 환원시키는 단계에서,
상기 금속배관은 50℃ ~ 300℃에서 1시간 ~ 24시간 동안 열처리되는 초소수성 금속배관 표면의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 패턴돌기 표면을 산화 또는 환원시키는 단계에서,
상기 패턴돌기 표면에 유기용매를 추가로 공급하는 단계를 더 포함하는 초소수성 금속배관 표면의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 유기용매를 추가로 공급할 경우, 상기 금속배관은 50℃ ~ 300℃에서 10분 ~ 12시간 동안 열처리되는 초소수성 금속배관 표면의 제조방법.
청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
상기 금속배관은 구리 재질이며,
상기 유기용매는 에탄올 인 초소수성 금속배관 표면의 제조방법.