KR20200029084A

KR20200029084A - 초발수 코팅 방법

Info

Publication number: KR20200029084A
Application number: KR1020180107013A
Authority: KR
Inventors: 이승협; 김도은; 윤기훈; 정연학
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-18
Also published as: KR102203462B1

Abstract

본 발명은 초발수 코팅 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기존 코팅에 비해 공정을 단순화하면서도 초발수 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 초발수 코팅 방법에 관한 것이다.

Description

초발수 코팅 방법{Super water-repellent coating method}

기본적으로, 소재 표면의 젖음성은, 표면 에너지에 의해서 결정되지만, 표면의 미세 구조를 제어하면, 젖음성(wettability)이 극단적으로 감소하여 물에 대한 표면 접촉각이 증가되어 초발수성 표면(superhydrophobic surfaces)이 구현될 수 있다. 표면 나노 구조는 소재 표면의 젖음성을 증폭시키는 데 핵심적인 역할을 하며, 초발수 표면을 구현하는 기본 토대가 된다. 이렇게 인공적으로 만들어진 대부분의 초발수 표면들은 자연에 존재하는 초발수 표면 구조에 착안하여 개발되었다.

이러한 초발수 표면을 갖는 소재들은, 군물 외벽, 자동차 내장재, 자동차, 외장재, 유리, 광학필름 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이에 따라, 그라인딩 공정, 샌드 블라스팅 공정, 및 양극 산화 공정 등 초발수 표면을 갖는 소재들의 제조 방법에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

예를 들어, 대한민국 등록특허공보 10-0776970(출원번호 10-2006-0085329, 출원인 한국기계연구원)에는, 진공 또는 대기압에서 피처리물의 표면에 플라즈마를 발생시키고 챔버 내부에 불소기, 메틸기, 및 염소기 등과 같은 소수성 부재를 유입시켜, 피처리물의 표면을 거칠게 가공함으로써, 피처리물의 재질에 무관하고, 간단한 공정으로, 물과의 접촉각이 140도 이상을 갖도록 하는 플라즈마 처리를 통한 초발수 표면 형성 방법이 개시되어 있다. 다만, 이러한 방법의 경우, 진공 챔버 내에서 수행되어야 하므로 공정이 복잡해지는 문제가 있다.

따라서, 공정은 간소화하면서도 초발수 특성을 크게 개선할 수 있는 초발수 코팅 방법의 개발이 필요한 실정이다.

1. 대한민국 등록특허공보 제10-0776970호 2. 대한민국 등록특허공보 제10-0811620호 3. 대한민국 등록특허공보 제10-1336819호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기존 코팅에 비해 공정을 단순화하면서도 초발수 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 초발수 코팅 방법에 관한 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법은 나노 입자를 자기조립단분자막 형성물질과 함께 제1용매에 혼합한 표면 처리 용액을 마련하여 상기 나노 입자 표면에 자기조립단분자막이 형성되도록 반응시키는 S1단계와; 상기 표면 처리 용액에서 용매를 제거하여 표면처리된 나노 입자가 서로 응집된 클러스터 형태의 초발수 입자를 회수하는 S2단계와; 상기 클러스터 형태의 초발수 입자를 제2용매에 분산시켜 초발수 코팅 용액을 마련하는 S3단계와; 코팅 대상물 표면에 유기 수지를 도포하여 유기 코팅막을 형성한 다음, 상기 유기 코팅막 표면에 상기 초발수 코팅 용액을 분사하여 초발수 코팅층을 형성하는 S4단계와; 상기 초발수 코팅층을 경화시키는 S5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S1단계의 제1용매는 비극성 용매이고, 상기 S3단계의 제2용매는 극성 용매인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S1단계의 나노 입자는 ZnO, TiO₂, SiO₂, ZrO₂, MgO, CdO, V₂O₅ 및 Al₂O₃로 구성된 군에서 적어도 하나가 선택되며, 상기 자기조립단분자막 형성물질은 말단에 실란기, 카르복실산기 및 티올기 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 실란계열 화합물 또는 지방산계열 화합물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S1단계의 나노 입자는 1~50nm의 평균 입경을 가지며, 상기 S2단계를 거친 클러스터 형태의 초발수 입자는 1~20㎛의 평균 입경을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S1단계는 상기 표면 처리 용액을 30~50℃의 온도에서 20~50분 동안 교반하면서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S2단계는 상기 S1단계를 거친 표면 처리 용액을 원심 분리 또는 침전 분리 방식을 통해 용매 일부와, 나노 입자와 결합하지 않은 미반응 자기조립단분자막 형성물질을 제거하는 S2-1단계와; 상기 S2-1단계를 거친 용액을 건조하는 S2-2단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S4단계의 유기 수지는 실리콘, 에폭시, 아크릴, 폴리우레탄, 또는 폴리이미드 중 적어도 어느 하나가 선택되며, 상기 S4단계의 유기 코팅막은 5~20㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법에 있어서, S5단계는 유기 코팅막 및 초발수 코팅층을 50~70℃의 온도에서 20~50분 동안 경화하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제안하고 있는 초발수 코팅 방법에 의하면, 기존에 비해 공정을 단순화하면서도 초발수 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법의 각 단계를 도시하는 블럭도이다.
도 2a는 본 발명의 S1단계 및 S2단계를 도시하는 개략도이며, 도 2b는 본 발명의 S4단계를 도시하는 개략도이다.
도 3은 실시예 1의 건조 전,후의 초발수 입자 크기 분포를 나타내는 실험 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 형성된 초발수 코팅층을 촬영한 SEM사진이다.
도 5는 실시예 1의 초발수 코팅층의 접촉각을 측정한 사진이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법의 각 단계를 도시하는 블럭도이고, 도 2a는 본 발명의 S1단계 및 S2단계를 도시하는 개략도이며, 도 2b는 본 발명의 S4단계를 도시하는 개략도이다.

도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 초발수 코팅 방법은 나노 입자를 자기조립단분자막 형성물질과 함께 제1용매에 혼합한 표면 처리 용액을 마련하여 상기 나노 입자 표면에 자기조립단분자막이 형성되도록 반응시키는 S1단계와, 상기 표면 처리 용액에서 용매를 제거하여 표면처리된 나노 입자가 서로 응집된 클러스터 형태의 초발수 입자를 회수하는 S2단계와, 상기 클러스터 형태의 초발수 입자를 제2용매에 분산시켜 초발수 코팅 용액을 마련하는 S3단계와, 코팅 대상물 표면에 유기 수지를 도포하여 유기 코팅막을 형성한 다음, 상기 유기 코팅막 표면에 상기 초발수 코팅 용액을 분사하여 초발수 코팅층을 형성하는 S4단계와, 상기 초발수 코팅층을 경화시키는 S5단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 S1단계는 나노 입자 표면에 자기조립단분자막을 형성하는 단계로서, 상기 표면 처리 용액을 30~50℃의 온도에서 20~50분 동안 교반하면서 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

상기 표면 처리 용액은 나노 입자와, 자기조립단분자막 형성물질과, 제1용매로 구성되는데, 여기서 나노 입자, 예를 들어 SiO₂는 -OH기를 가지고 있기 때문에 일반적으로 친수성이지만, 표면의 -OH기와, 자기조립단분자막 형성물질의 작용기가 반응하여 나노 입자 표면에 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer, SAM)을 형성하게 되면 그 표면이 소수성을 갖게 된다.

상기 나노 입자는 ZnO, TiO₂, SiO₂, ZrO₂, MgO, CdO, V₂O₅ 및 Al₂O₃로 구성된 군에서 적어도 하나가 선택되는 것을 예시할 수 있다.

상기 자기조립단분자막 형성물질은 말단에 실란기, 카르복실산기 및 티올기 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 실란계열 화합물 또는 지방산계열 화합물 등인 것을 예시할 수 있다.

보다 구체적으로, 자기조립단분자막 형성물질은 상기 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane,OTS),퍼플루오로데실트리클로로실란(perfluorodecyltrichlorosilane), 퍼플루오로데실트리에톡시실란(perfluorodecyltriethoxysilane), 퍼플루오로옥틸트리에톡시실란(perfluorooctyltriethoxysilane) 등 F기가 13개 이상인 트리클로로실란(trichlorosilane)이나 트리에톡시실란(triethoxysilane), 탄소쇄가 12개 이상인 지방산 계열로서 도데카노산(dodecanoic acid), 테트라데칸산(tetradecanoic acid), 헥사데칸산(hexadecanoic acid), 스테아르산(stearic acid), 옥타데칸산(octadecanoic acid)으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되는 것을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1용매는 S1단계의 SAM 형성 반응이 원활하게 이루어지도록 비극성 용매인 것이 바람직하며, 톨루엔, 헥산, 펜탄 등을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그에 반해, 제1용매로서 극성 용매를 사용하게 되면 자기조립단분자막 형성물질, 예를 들어 퍼플루오로옥틸트리에톡시실란(perfluorooctyltriethoxysilane) 자끼리의 고분자 중합이 일어나기 때문에 자기조립단분자막(SAM) 형성이 원활하게 이루어지지 않는다.

본 발명의 S2단계는 S1단계의 반응을 통해 자기조립단분자막(SAM)이 형성된 나노 입자를 클러스터 형태의 초발수 입자로 만드는 단계이다.

상기 S1단계의 나노 입자는 1~50nm의 평균 입경을 가지는 데 반해, 다수의 나노 입자가 응집된 초발수 입자는 1~20㎛의 평균 입경을 가지게 된다. 즉, 나노 입자를 응집시켜 마이크로 단위의 초발수 입자로 성장시키게 되면 개별 나노 입자에 비해 표면 거칠기가 현저히 증가하기 때문에 초발수 특성을 크게 개선할 수 있다.

상기 S2단계는 상기 S1단계를 거친 표면 처리 용액을 원심 분리 또는 침전 분리 방식을 통해 용매 일부와, 나노 입자와 결합하지 않은 미반응 자기조립단분자막 형성물질을 제거하는 S2-1단계와, 상기 S2-1단계를 거친 용액을 건조하는 S2-2단계로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

상기 S2-1단계에서는 과량으로 함유된 용매의 일부를 1차적으로 제거하고, S4단계의 초발수 코팅 용액에서 불순물로 작용하는 미반응 자기조립단분자막 형성물질을 제거하는 역할을 한다.

상기 S2-2단계는 잔량의 용매를 제거하고 나노 입자들 간의 응집을 유도하기 위는 역할을 하는 것으로서, 상온(예를 들어, 15~25℃)에서 이루어지는 것이 바람직한데, S2-2단계가 고온에서 건조가 이루어지게 되면 초발수 입자 크기의 균일성을 확보하기 어렵고, 초발수 성능 저하의 원인이 되기 때문이다.

본 발명의 S3단계는 클러스터 형태의 초발수 입자를 제2용매에 분산시켜 초발수 코팅 용액을 마련하는 단계로서, 제2용매는 S4단계 및 S5단계에서 코팅시 쉽게 휘발하는 친환경성 극성 용매, 예를 들어 에탄올인 것을 예시할 수 있다.

본 발명의 S4단계는 코팅 대상물 표면에 유기 수지를 도포하여 유기 코팅막을 형성한 다음, 상기 유기 코팅막 표면에 상기 초발수 코팅 용액을 분사하여 초발수 코팅층을 형성하는 단계이다.

상기 유기 수지는 공기 중, 혹은 고온 환경에서 경화시켜 코팅층을 형성할 수 있는 실리콘, 에폭시, 아크릴, 폴리우레탄, 또는 폴리이미드 중 적어도 어느 하나가 선택되는 것을 예시할 수 있다.

상기 S4단계의 유기 코팅막은 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 등의 다양한 방법으로 형성할 수 있으며, 5~20㎛의 두께인 것을 예시할 수 있다.

상기 초발수 코팅 용액은 상기 유기 코팅막이 경화하기 전에 분사하는 것이 바람직한데, 초발수 입자를 유기 코팅막에 접착, 고정시키기 위함이다. 유기 코팅막의 경화 정도에 따라 초발수 입자가 유기 코팅막 내로 일부 함침될 수도 있고, 표면에 부착될 수도 있게 된다.

본 발명의 S5단계는 상기 유기 코팅막 및 초발수 코팅층을 50~70℃의 온도에서 20~50분 동안 경화하여 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

먼저, 5~15nm 범위 크기의 SiO₂ 나노 입자 2g과, Perfluorooctyltriethoxysilane 1mL를 톨루엔 40mL에 혼합하여 표면 처리 용액을 마련하고, 이를 40℃에서 40분 동안 교반하면서 반응시켰다.(S1단계)

다음으로, 상기 표면 처리 용액을 원심 분리한 다음, 상온에서 건조하여 초발수 입자를 회수하였다.(S2단계)

도 3은 실시예 1의 건조 전,후의 초발수 입자 크기 분포를 나타내는 실험 결과이다. 도 3을 참조하면 건조 전의 표면 처리 용액에 함유된 입자 평균 입경이 2.7㎛이던 것이, 건조 과정을 거치면서 10㎛의 초발수 입자로 응집한다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 원심 분리 등의 용매 제거 과정을 통해 SAM, 용매에 분산되고 응집되지 않은 나노 입자들이 제거되므로 균일한 입자 크기의 초발수 입자를 회수할 수 있게 된다.

즉, S2단계를 거치지 않는 경우에는 나노 입자의 응집 내지 초발수 입자의 성장이 제한되어 초발수 입자 크기가 도 3에서 확인한 바와 같이 작아지게 된다. 한편 S1단계의 자기조립단분자막(SAM)을 형성한 표면 처리 용액을 S4단계의 초발수 코팅 용액으로 직접 사용하는 경우에는, 반응하지 않은 자기조립단분자막 형성물질이 불순물이 되어 초발수 특성에 악영향을 주는 것은 물론, 제2용매에 비해 휘발성이 낮은 제1용매를 사용하게 되므로, 경화 시간 증가 및 코팅막의 품질 저하의 원인이 될 수 있으므로, 제2단계를 통해 초발수 입자 회수 과정을 거친 후 이를 제2용매에 분산하여 초발수 코팅 용액으로 사용하는 것이 바람직하다.

그 다음으로, 초발수 입자 2g을 에탄올 100mL에 분산하여 초발수 코팅 용액을 마련한다.(S3단계)

그 다음으로, 폴리우레탄 수지를 알루미늄판 표면에 스핀 코팅하여 15㎛의 유기 코팅막을 형성하고, 유기 코팅막 상에 초발수 코팅 용액 5mL를 분사하여 초발수 코팅층을 형성한다.(S4단계) 그리고 60℃ 온도조건에서 30분 동안 경화시켜 초발수 코팅을 완료하고(S5단계), 거칠기 및 접촉각을 측정하였다. 도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 형성된 초발수 코팅층을 촬영한 SEM사진이고, 도 5는 실시예 1의 초발수 코팅층의 접촉각을 측정한 사진이다.

도 4를 참조하면, 실시예 1의 초발수 코팅층을 구성하는 클러스터 형태의 초발수 입자는 다수의 나노 입자가 응집된 구조를 가지기 때문에, 초발수 입자 표면을 구성하는 개별 나노 입자에 의한 표면 거칠기와, 초입자 입자 자체 외형의 불규칙성, 초입자 입자들의 불규칙적인 배치에 의해 표면 거칠기가 복합적으로 작용하기 때문에 초발수 특성이 극대화된다. 본 실시예 1의 거칠기는 Ra 기준으로 20~50㎛ 수준이다.

도 5를 참조하면, 실시예 1의 초발수 코팅층에 의한 접촉각은 161°로 측정되어 우수한 초발수 성능을 발휘한다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 초발수 코팅 방법은 초발수 성능을 제공하기 때문에 다양한 분야에 적용할 수 있는데, 예를 들어 전자소자, 열교환기 등에 적용하는 것을 예시할 수 있다. 열교환기의 경우 초발수 성능으로 인해 제상시간을 단축하고, 컴푸레서 가동시간을 단축함으로써, 소비전력을 개선할 수 있으며, fin pitch를 최소화하여 컴팩트한 구조가 가능하며, 열전달율을 25% 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

나노 입자를 자기조립단분자막 형성물질과 함께 제1용매에 혼합한 표면 처리 용액을 마련하여 상기 나노 입자 표면에 자기조립단분자막이 형성되도록 반응시키는 S1단계와;
상기 표면 처리 용액에서 용매를 제거하여 표면처리된 나노 입자가 서로 응집된 클러스터 형태의 초발수 입자를 회수하는 S2단계와;
상기 클러스터 형태의 초발수 입자를 제2용매에 분산시켜 초발수 코팅 용액을 마련하는 S3단계와;
코팅 대상물 표면에 유기 수지를 도포하여 유기 코팅막을 형성한 다음, 상기 유기 코팅막 표면에 상기 초발수 코팅 용액을 분사하여 초발수 코팅층을 형성하는 S4단계와;
상기 초발수 코팅층을 경화시키는 S5단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S1단계의 제1용매는 비극성 용매이고,
상기 S3단계의 제2용매는 극성 용매인 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S1단계의 나노 입자는 ZnO, TiO₂, SiO₂, ZrO₂, MgO, CdO, V₂O₅ 및 Al₂O₃로 구성된 군에서 적어도 하나가 선택되며,
상기 자기조립단분자막 형성물질은 말단에 실란기, 카르복실산기 및 티올기 중 어느 하나의 작용기를 포함하는 실란계열 화합물 또는 지방산계열 화합물인 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S1단계의 나노 입자는 1~50nm의 평균 입경을 가지며,
상기 S2단계를 거친 클러스터 형태의 초발수 입자는 1~20㎛의 평균 입경을 가지는 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S1단계는 상기 표면 처리 용액을 30~50℃의 온도에서 20~50분 동안 교반하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S2단계는, 상기 S1단계를 거친 표면 처리 용액을 원심 분리 또는 침전 분리 방식을 통해 용매 일부와, 나노 입자와 결합하지 않은 미반응 자기조립단분자막 형성물질을 제거하는 S2-1단계와; 상기 S2-1단계를 거친 용액을 건조하는 S2-2단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S4단계의 유기 수지는 실리콘, 에폭시, 아크릴, 폴리우레탄, 또는 폴리이미드 중 적어도 어느 하나가 선택되며,
상기 S4단계의 유기 코팅막은 5~20㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 S5단계는 유기 코팅막 및 초발수 코팅층을 50~70℃의 온도에서 20~50분 동안 경화하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초발수 코팅 방법.