KR20200077234A - 고내열성 초발수 표면처리 방법 및 장치 - Google Patents

고내열성 초발수 표면처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고내열성 초발수 표면처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 일 실시예에서, 기재 표면이 소정 범위의 조도를 갖도록 요철을 형성하기 위해 기재 표면에 블라스팅 처리를 행하는 단계; 및 서스펜션 플라즈마 용사 코팅에 의해 코팅용 용액을 기재 표면에 분사하여 초발수 코팅막을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 코팅용 용액은 (i) 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액; 또는 (ii) 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액 및 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액;인 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법을 개시한다.

Description

고내열성 초발수 표면처리 방법 및 장치 {Surface treatment method and apparatus for making superhydrophobic and high temperature resistant surface}
본 발명은 고내열성 초발수 표면처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속산화물 기반의 신규한 표면 코팅 방법에 의해 고내열성과 초발수성의 코팅 표면을 갖도록 하는 표면처리 방법에 관한 것이다.
표면에서 물과의 접촉을 감소시키는 초발수 특성은 표면에너지가 작은 화학적 특성과 접촉면적이 적은 표면구조에 기인하는 특성으로 가정/생활제품(프라이팬이나 밥솥 등 주방용기의 non-stick 표면, 전자제품의 외장재, 창호의 자기세정 등)부터 산업현장의 운송기/플랜트(자동차, 선박, 항공기의 시인성 강화, 방오, 결빙방지 등)까지 다양한 곳에 적용되는 기술로 많은 연구가 진행 중이다.
하지만 현존하는 대부분의 기술은 불소유기화합물이나 실리콘유기화합물 계열의 물질을 단독 또는 복합으로 코팅하는 방법을 사용하고 있어 장시간 사용과 다양한 환경(고온, 고압 등 포함)에 적용하기에는 내구성 및 안정성에 문제가 있다. 따라서 현재 실질적인 적용에 걸림돌이 되는 내구성, 고온·고압의 안정성이 개선에 대한 필요성이 요구된다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2017-0026985호 (2017년 3월 9일 공개) 특허문헌2: 한국 등록특허 제10-0871877호 (2008년 12월 3일 공고)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 여러 환경(실온, 실압은 물론 고온, 고압 등)에 노출되는 다양한 표면에 표면에너지가 낮은 무기물들을 단일공정으로 코팅하여 경제적으로 표면 거칠기와 화학적 표면개질을 동시에 함으로써 다양한 환경에 노출되어도 내구성과 안정성을 가지는 초발수 표면을 형성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고내열성 초발수 표면을 형성하기 위하여 무기물인 금속산화물을 사용하며, 플라즈마 용사 코팅법으로 표면에 코팅함으로써 코팅과 열처리를 한번에 진행하는 단일공정을 사용한다. 금속산화물은 표면에너지가 낮은 조성을 갖기 위하여 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 실리콘(Si) 등이 도핑된 상태로 사용 되어질 수 있으며, 낮은 온도에서 표면에 코팅이 가능하도록 나노입자의 형태를 가질 수 있다.
플라즈마 용사코팅은 나노입자 코팅액을 기판 표면에 분사하면서 나노입자의 표면을 녹여 기판에 코팅하는 방법으로 기존의 고온을 사용하는 용사코팅과는 달리 용액기반 코팅액을 사용하여 낮은 온도에서 공정이 가능하도록 하며, 아주 ?湛? 막두께로 코팅막을 형성하여 접착력을 증가시키면서도 표면의 거칠기를 가지도록 하여 초발수 표면을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 섭씨 500도 이상에서도 안정성을 갖는 초발수 표면을 형성할 수 있다. 종래 불소계 고분자 유기물이나 탄소복합체를 이용한 초발수 코팅의 경우 100° 이상의 높은 접촉각을 형성할 수 있으나 섭씨 200도 이상의 온도에서는 분해/변성되어 성능 유지가 어려운 단점이 있었다. 그러나 본 발명에 따르면 금속산화물의 고온안정성을 기반으로 섭씨 500도 이상의 온도에서도 초발수 특성을 유지하는 고내열 초발수 코팅을 할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 150° 이상의 접촉각을 가지는 초발수 표면을 형성할 수 있다. 종래에는 발수소재가 갖는 화학적 특성으로 접촉각이 90~110°를 가지는 것이 일반적이었지만 본 발명에 따르면 미세입자를 사용한 슬러리를 코팅함으로써 표면에 거칠기를 만들어 접촉각이 150° 이상인 초발수 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 초발수 코팅 표면이 8H 이상의 내마모성을 가질 수 있다. 기존 기술에서는 초발수 특성을 결정하는 최외각의 코팅면이 작은 긁힘에도 벗겨지고 이랑현상이 발생하기 쉬웠지만, 본 발명에서는 무기물 기반의 코팅 재료로 초발수 코팅 표면을 형성하였으므로 긁힘 및 충격에도 견딜 수 있는 고내마모성을 가진다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 열안정성이 뛰어나 분해가 잘 일어나지 않아 유해물질 배출이 없는 초발수 표면을 제공한다. 기존에는 고온에서 유기물 기반의 불소화합물 성분이나 실리콘 유기화합물이 용출되어 인체와 환경에 유해인자를 발생하였지만 본 발명에 따르면 금속산화물과 도핑원소들의 화학적 결합으로 유해물 용출이 원천적으로 차단된다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면코팅 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도2는 일 실시예에 따른 표면코팅에 사용되는 서스펜션 플라즈마 코팅 장치의 개략도,
도3 내지 도5는 대안적 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 코팅 장치의 노즐부를 설명하기 위한 도면,
도6은 일 실시예에 따라 기재에 코팅하는 초발수 코팅층의 예시적 구성을 나타내는 도면,
도7은 본 발명의 실시예에 따른 표면코팅의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면코팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
일 실시예에 따른 표면코팅 방법은 기재 전처리 단계(S10), 블라스팅 처리 단계(S20), 초발수 코팅막 형성 단계(S30), 기재 후처리 단계(S40)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 기재 전처리 단계(S10), 블라스팅 처리 단계(S20), 및 후처리 단계(S40) 중 적어도 하나의 단계가 생략될 수 있다.
일 실시예에서 전처리 단계(S10)는 초발수 코팅 대상인 기재의 표면을 전처리하는 단계이다. 여기서 '기재'는 초발수 코팅을 형성하는 대상물로서, 예를 들어 프라이팬, 냄비 등 각종 조리용품이나 히터, 선풍기, 냉장고, 다리미 등과 같은 생활용품, 또는 각종 건축자재나 자가용 부품, 플랜트현장의 부품인 산업용품 등 임의의 물품이 될 수 있다. 또한 본 발명에서 기재는 금속, 세라믹 또는 플라스틱 재질일 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
일 실시예에서 전처리 단계(S10)에 의해 기재의 표면에 부착된 각종 오염물질을 제거하고 세정할 수 있다. 예를 들어 이 단계(S10)에서 유기용제나 다양한 첨가제를 사용하여 기재 표면의 오염물질을 제거하고 세척할 수 있다.
전처리 단계(S10) 이후 단계(S20)에서 기재 표면에 블라스팅 처리를 수행할 수 있다. 블라스팅 단계(S20)는 기재 표면이 소정 크기의 거칠기(조도: roughness)를 갖도록 하기 위한 것으로, 기재 표면이 소정의 거칠기를 가질 경우 후술하는 코팅막 형성 단계(S30)에서 기재 표면에 코팅막이 훨씬 용이하게 코팅될 수 있고 코팅막과의 접착력을 높일 수 있다.
블라스팅 처리는 예컨대 샌드 블라스팅 방식을 사용할 수 있다. 일 실시예에서 이렇게 블라스팅 처리된 기재 표면은 표면거칠기 값인 RMS가 수 마이크로미터(um) 이하일 수 있으며, 바람직하게는, 1um이하의 표면거칠기를 갖는 것이 적절하다.
다음으로 단계(S30)에서, 블라스팅 처리된 기재의 표면에 초발수 코팅막을 형성한다. 일 실시예에서, 서스펜션 플라즈마 용사 코팅에 의해 코팅용 서스펜션 용액을 기재 표면에 분사하여 초발수 코팅막을 형성할 수 있다.
서스펜션 플라즈마 용사법(Suspension Plasma Spray)은 미세 원료 입자를 물이나 에탄올 등의 용매에 분산시킨 현탁액(Suspension)을 플라즈마 제트(Plasma jet)에 투입하여 기재 표면을 향해 분사함으로써 기재 표면에 용사 피막을 형성하는 방법이다. 본 발명의 일 실시예에서는 슬러리 형태의 코팅용 용액을 제조하여 이 슬러리 용액을 플라즈마 용사법에 의해 기재 표면에 분사하여 코팅막을 형성한다. 본 명세서에서는 특별한 구별의 실익이 없는 한 현탁액(suspension), 슬러리, 및 졸(sol)을 구분하지 않고 사용하기로 한다.
제1 실시예에서, 코팅용 용액은 불소함유 금속산화물 미세입자가 용매에 분산된 슬러리 형태의 용액일 수 있다. 여기서 '불소함유 금속산화물 미세입자'는 금속산화물에 불소(F)가 첨가(도핑)된 금속산화물의 나노입자이다.
이 때 '금속산화물'은,
(i) 1족 원소부터 16족 원소까지의 산화물을 형성할 수 있는 원소들 중 하나의 산화물;
(ii) 란탄계와 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y)을 포함하는 희토류 금속 중 하나의 산화물;
(iii) 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론듐(Sr), 바륨(Ba), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 네오비븀(Nb), 크롬(Cr), 몰리브데넘(Mo), 망가니즈(Mn), 테크네튬(Tc), 철(Fe), 루테늄(Re), 코발트(Co), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루니늄(AI), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 규소(Si), 주석(Sn), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 및 텔루륨(Te) 중 하나의 산화물; 및
(iv) 상기 알칼리 금속, 알칼리토금속, 란탄넘족, 아티늄족, 전이금속, 전이후금속, 준금속 중 선택된 둘 이상의 원소로 이루어진 조성물의 산화물;
중 하나를 포함할 수 있다. 엄밀히 말하면 규소(Si), 안티모니(Sb), 텔루륨(Te) 등은 준금속이지만 본 명세서에서는 상술한 다른 금속 등의 산화물과 함께 통칭하여 '금속산화물'이라고 표현하기로 한다.
예를 들어 금속산화물로서 규소 산화물(예컨대 SiO2)을 사용할 경우, '불소함유 금속산화물 미세입자'는 규소 산화물에 불소가 함유된 F-SiO2 (실리콘 옥시플루오라이드) 나노 입자일 수 있다. 본 발명에서 불소함유 금속산화물은 산소 대신 불소를 함유하며 이는 금속산화물을 합성할 때 불소를 제공하는 화합물을 사용함으로써 제조 가능하다. 불소함유 금속산화물 미세입자의 크기는 10nm 내지 500nm인 것이 바람직하다.
이와 같이 금속산화물에 불소를 첨가(도핑)한 것은 표면에너지를 낮추기 위한 것이다. 따라서 대안적 실시예에서 표면에너지를 낮추기 위한 다른 물질, 예컨대 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si)을 불소 대신 금속산화물에 첨가(도핑)할 수도 있다.
본 발명에서 코팅용 슬러리 용액에 사용되는 용매는 예를 들어 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 혼합용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 구체적 실시 형태에 따라 코팅용 슬러리 용액에 다른 용액이나 첨가물이 더 추가될 수 있다. 예를 들어 일 실시예에서 코팅용 슬러리 용액이 바인더, 분산제 및/또는 기능성 충진제를 더 포함할 수 있다.
이상과 같이, 종래에는 초발수 코팅을 위해 불소(F)를 사용할 경우 불소계 고분자 화합물을 주로 사용하였지만 본 발명의 실시예에서는 고분자 화합물을 사용하지 않고 불소함유 금속산화물 나노입자를 용매에 분산시킨 슬러리 형태의 용액을 사용하며 이 슬러리 형태의 용액을 플라즈마 용사코팅 방식으로 기재 표면에 코팅한다.
제2 실시예에서, 본 발명의 코팅용 용액은 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액(이하 "제1 슬러리 용액"이라고도 함) 및 불소함유 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액(이하 "제2 슬러리 용액"이라고도 함)을 포함할 수 있다.
여기서 '금속산화물 미세입자'는 상술한 금속산화물의 나노미터 사이즈의 입자로서, 예를 들어 10nm 내지 500 nm 사이의 크기를 갖는 금속산화물 미세입자를 의미할 수 있다. 일반적으로 금속산화물 미세입자로서 규소 산화물(SiO2)을 많이 사용한다. 그러나 대안적으로 기재와 초발수 코팅층과의 접착력을 높이기 위하여 다른 금속산화물(예컨대 MgO 또는 TiOx 등)을 사용할 수도 있다.
'불소함유 금속산화물 미세입자'는 상술한 '불소함유 금속산화물 미세입자'이며 불소함유 금속산화물 미세입자의 크기는 10nm 내지 500nm인 것이 바람직하다.
또한 제2 실시예의 코팅용 용액에 사용되는 용매는 예를 들어 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 혼합용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 구체적 실시 형태에 따라 상기 용매 외에 다른 용액이나 첨가물이 더 추가될 수 있다.
금속산화물 미세입자의 슬러리 용액(제1 슬러리 용액)과 불소함유 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액(제2 슬러리 용액)을 각기 별개의 저장용기에 준비하여 플라즈마 코팅 공정시 순차적으로 기재에 코팅할 수도 있고, 제1 슬러리 용액과 제2 슬러리 용액을 혼합한 혼합 슬러리 용액을 하나의 저장용기에 준비하여 플라즈마 코팅에 의해 기재에 코팅할 수도 있다.
이와 관련하여 도2는 일 실시예에 따라 표면 코팅에 사용되는 서스펜션 플라즈마 코팅 장치를 개략적으로 도시하였다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 코팅 장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부(10), 서스펜션을 수용하는 하나 이상의 서스펜션 저장부(30,50), 노즐과 공급관을 세척하기 위한 세척액을 수용하는 세척액 저장부(40), 서스펜션을 순차적으로 공급하거나 서로 섞는 기능을 가지는 서스펜션 제어기(60), 및 서스펜션을 플라즈마 발생부(10)에 공급하는 서스펜션 공급 노즐(15)을 포함할 수 있다.
플라즈마 발생부(10)는 애노드(11), 캐소드(12), 가스 주입구(13), 및 출구(14)로 구성될 수 있다. 가스 주입구(13)는 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에 형성되고, 예컨대 아르곤, 헬륨, 수소, 질소 가스 및 공기 중 적어도 하나를 포함하는 열원 가스가 가스 주입구(13)를 통해 주입된다. 가스 주입구(13)로 주입된 열원 가스는 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에 인가되는 고전압 고전력에 의해 플라즈마 불꽃으로 변화되어 출구(14)를 통해 분사된다.
도시한 실시예에서 제1 서스펜션 저장부(30)는 제1 슬러리 용액, 즉 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 저장하고, 제2 서스펜션 저장부(50)는 제2 슬러리 용액, 즉 불소함유 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 저장할 수 있다.
제1 서스펜션 저장부(30)는 금속산화물 미세입자의 코팅용 용액을 저장하고 있는 동안 금속산화물 미세입자가 용매 내에 균일하게 분산되어 있도록 교반(stirring)을 위한 교반기(31)를 구비할 수 있고, 마찬가지로 제2 서스펜션 저장부(50)도 교반기(51)를 구비할 수 있다. 대안적 실시예에서 교반기 대신 초음파나 진동 등의 방법을 통해 저장된 용액을 균일한 분산도로 유지시킬 수 있는 장치가 구비될 수도 있다.
제1 및 제2 서스펜션 저장부(30,50)의 코팅용 용액은 각각 제1 공급관(P11)과 제3 공급관(P13)을 통해 서스펜션 제어기(60)로 공급되고, 서스펜션 제어기(60)는 하나의 코팅용 용액만 선택하거나 둘 이상의 코팅용 용액을 혼합하여 노즐 공급관(P2)을 통해 노즐(15)로 공급한다. 노즐(15)에서 분사되는 코팅용 용액은 플라즈마 제트에 의해 기재(20)의 표면에 분사되며 기재(20)의 표면에 코팅층이 형성될 수 있다.
일 실시예에서 노즐(15)은 플라즈마 발생부(10)의 출구(14)의 상부에 인접하게 배치되어 노즐(15)을 통해 코팅용 용액을 분사할 수 있다. 그러나 대안적 실시예에서 노즐(15)의 위치나 개수가 달라질 수 있다. 이와 관련하여 도3 내지 도5는 대안적 실시예에 노즐 형상이나 위치를 예시적으로 도시하였다.
도3의 대안적 실시예에서 복수개의 노즐(15)이 플라즈마 발생부(10)의 출구(14)의 주위에 방사상으로 일정 간격 이격되어 배치될 수 있고, 각 노즐(15)에서 코팅용 용액이 출구(14)를 향해 분사될 수 있다. 도시한 실시예에서는 4개의 노즐(15)을 도시하였지만 노즐(15)의 개수나 간격은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
도4의 실시예에서는 노즐(16)이 캐소드(12) 내부에 배치된다. 즉 캐소드(12)와 동축 구조로 노즐(16)이 배치되어 출구(14)를 향해 코팅용 용액을 분사하도록 구성된다. 이에 따라, 열원 가스가 애노드(11)와 캐소드(12) 사이의 고전압에 의해 플라즈마 불꽃으로 변화되어 출구(14)로 분사될 때 노즐(16)로부터 분사되는 코팅용 용액이 혼합되어 분사될 수 있다.
도5는 디스크 형상의 노즐 캡(70)을 플라즈마 발생부(10)의 출구(14)측에 결합하여 사용하는 실시예를 나타낸 것으로, 도5(a)는 플라즈마 발생부(10)와 노즐 캡(70)의 개략적인 단면도이고 도5(b)는 도5(a)의 A-A' 선을 따른 노즐 캡(70)의 사시도를 개략적으로 도시하였다.
도면에서 알 수 있듯이 노즐 캡(70)은 플라즈마 제트의 분사 방향으로 소정 두께를 갖는 디스크 형상으로, 중앙에 플라즈마 제트가 관통하는 관통구(74)가 형성되어 있고 내부에 빈 공간을 가진다. 즉 노즐 캡(70)의 외주면(71)과 내주면(72)이 내부의 빈 공간을 둘러싸며 일 측면(73)은 플라즈마 발생부(10)의 출구(14)에 결합되어 있다. 서스펜션 제어기(60)에서 공급되는 코팅용 용액은 공급관(P2)을 통해 노즐 캡(70)의 내부 공간으로 유입되어 내부 공간을 채우게 되고, 내주면(72)에 형성된 하나 이상의 분사구멍(75)을 통해 코팅용 용액이 관통구(74)를 향해 분사된다. 이와 같이 노즐 캡(70)을 사용하면 플라즈마 제트를 향해 방사상 방향에서 균일하게 코팅용 용액이 분사될 수 있다.
도시한 실시예에서는 노즐 캡(70)의 내주면(72)의 내경이 플라즈마 발생부(10)의 출구(14)의 직경과 같도록 도시하였고 노즐 캡(70) 내부 전체에 빈 공간이 형성된 것으로 도시하였지만, 대안적 실시예에서 예컨대 내주면(72)의 직경이 출구(14)의 직경보다 클 수도 있으며, 또한 노즐 캡(70)의 내부의 일부 영역에서만 빈 공간이 형성되어 있을 수 있다.
이상 상술한 서스펜션 플라즈마 코팅 장치를 이용하여 도6에 도시한 것과 같은 다양한 방식으로 기재(20)에 초발수 표면코팅을 할 수 있다.
예를 들어 제1 서스펜션 저장부(30)에 금속산화물(예컨대 SiO2)의 미세입자 슬러리 용액("제1 슬러리 용액")이 저장되고 제2 서스펜션 저장부(50)에 불소함유 금속산화물(예컨대 F-SiO2)의 미세입자 슬러리 용액("제2 슬러리 용액")이 저장되어 있다고 가정하면, 도6(a)에서와 같이 기재(20) 위에 불소함유 금속산화물층(100)만 코팅하여 초발수 코팅표면을 형성할 수 있다. 이 경우 제1 서스펜션 저장부(30)의 제1 슬러리 용액은 사용하지 않고 제2 서스펜션 저장부(50)의 제2 슬러리 용액만 사용하여 코팅하였다.
또 다른 실시예로서, 도6(b)에 도시한 것처럼 기재(20) 위에 금속산화물 미세입자와 불소함유 금속산화물 미세입자의 혼합층(200)을 형성할 수 있다. 이 경우 제1 서스펜션 저장부(30)의 공급관(P11)과 제2 서스펜션 저장부(50)의 공급관(P13)을 둘 다 개방하고 서스펜션 제어기(60)에서 제1 및 제2 슬러리 용액을 적절하게 혼합하여 혼합 슬러리를 공급관(P2)을 통해 노즐(15)로 공급함으로써 이러한 혼합층을 형성할 수 있다. 또는 대안적으로, 하나의 저장부(예컨대 제1 저장부(30) 또는 제2 저장부(50))에 제1 슬러리 용액과 제2 슬러리 용액을 미리 혼합한 혼합 슬러리 용액을 저장하여 플라즈마 코팅을 수행할 수도 있다.
도6(c)는 기재(20) 위에 금속산화물층(300)과 불소함유 금속산화물층(400)을 순차적으로 코팅한 실시예를 나타낸다. 불소함유 금속산화물은 표면에너지가 낮아 기재와의 접착력이 좋지 못할 수 있기 때문에, 도6(c)와 같이 먼저 금속산화물의 제1 슬러리 용액을 기재(20)에 플라즈마 코팅하고 그 후 제2 서스펜션 저장부(50)의 제2 슬러리 용액을 기재(20)에 코팅하면 불소함유 금속산화물층(400)의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도6(d)는 기재(20) 위에 금속산화물층과 불소함유 금속산화물층을 순차적으로 형성하되 금속산화물층에서 불소함유 금속산화물층으로 점진적으로 천이하면서 형성되도록 구성할 수 있다. 이 경우 저장부(30,50)의 밸브(33,53) 및/또는 서스펜션 제어기(60)를 제어하여, 제1 슬러리 용액만 우선 공급하여 플라즈마 코팅을 수행하다가 점진적으로 제1 슬러리 용액의 공급량을 줄이고 제2 슬러리 용액의 공급량을 늘리다가 마지막에는 제2 슬러리 용액만 공급하여 플라즈마 코팅을 수행함으로써 위와 같이 점진적으로 천이하는 코팅층(500)을 형성할 수 있다.
이와 같이 다양한 코팅 방식에 의해 둘 이상의 코팅용 용액을 각각 단독으로 또는 혼합하여 플라즈마 코팅함으로써 기재(20)와의 접착력을 높이고 최외각의 표면에너지가 낮은 초발수 표면을 기재(20)에 형성할 수 있다.
한편 일 실시예에서, 단계(S30)의 플라즈마 코팅 공정은 실온 및 실압에서 이루어지며, 플라즈마 발생부(10)와 기재(20) 사이의 거리는 예컨대 2cm 내지 20cm의 사이에서 유지될 수 있다. 본 발명에 따른 초발수 코팅막을 형성하기 위해 플라즈마 용사 코팅 단계(S30)에서 기재(20)의 표면 온도는 섭씨 500도 이상 섭씨 5000도 이하인 것이 바람직하다. 그리고 이 단계(S30)에 의해 코팅된 코팅막의 두께는 50nm 내지 100μm이고 코팅막의 표면 거칠기는 1nm 내지 1μm 사이인 것이 바람직하다.
상술한 코팅막 형성 단계(S30)에 의해 기재의 표면에 초발수 코팅막을 형성한 후, 필요에 따라 후처리 단계(S40)를 더 수행할 수 있다. 일 실시예에서 후처리 단계(S40)는 코팅막이 기재(20)의 표면에 더욱 확실히 밀착할 수 있도록 하는 소성공정을 포함할 수 있다. 예를 들어 일 실시예에 따른 후처리 단계(S40)는 섭씨 내지 500도 내지 1000도 사이의 온도 환경에서 10초 내지 60분 사이의 시간동안 기재(20)를 소성시키는 단계를 포함할 수 있다.
도7은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 초발수 코팅막의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도시한 실험에서 F-SiO2의 미세입자 슬러리 용액을 기재에 코팅한 것으로, 도7(a)는 이 코팅막이 형성된 기재를 섭씨 500도에서 10분, 20분, 60분 동안 놓아둔 상태의 사진이고 도7(b)는 섭씨 600도에서 10분, 20분, 60동안 놓아둔 상태의 사진이다. 도면에서 본 발명에 따른 초발수 코팅막은 섭씨 500도 또는 그 이상의 온도에서도 접촉각 150도 이상의 초발수 특성을 유지하고 있으며 따라서 금속산화물 표면처리 기반의 고내열성 초발수 표면을 형성할 수 있음을 확인하였다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 플라즈마 발생부
15: 서스펜션 공급 노즐
30, 50: 서스펜션 저장부
40: 세척액 저장부
60: 서스펜션 제어기

Claims (14)

  1. 고내열성 초발수 표면처리 방법으로서,
    기재 표면이 소정 범위의 조도(roughness)를 갖도록 요철을 형성하기 위해 기재 표면에 블라스팅 처리를 행하는 단계(S20); 및
    서스펜션 플라즈마 용사 코팅에 의해 코팅용 용액을 기재 표면에 분사하여 초발수 코팅막을 형성하는 단계(S30);를 포함하며,
    상기 코팅용 용액은 (i) 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액; 또는 (ii) 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액 및 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액;인 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속산화물은,
    (i) 3족 원소부터 12족 원소까지의 전이금속 중 하나의 산화물;
    (ii) 란탄계와 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y)을 포함하는 희토류 금속 중 하나의 산화물;
    (iii) 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론듐(Sr), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 및 규소(Si) 중 하나의 산화물; 및
    (iv) 상기 전이금속, 희토류 금속, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론듐(Sr), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 및 규소(Si)로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상의 원소로 이루어진 조성물의 산화물; 중 하나인 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매가 물, 에탄올, 벤젠, 및 톨루엔 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자의 크기가 10nm 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 초발수 코팅막을 형성하는 단계(S30)가,
    상기 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 기재 표면에 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 초발수 코팅막을 형성하는 단계(S30)가,
    상기 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 기재 표면에 코팅하고, 그 위에 상기 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 초발수 코팅막을 형성하는 단계(S30)가,
    상기 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 기재 표면에 코팅하고, 그 위에 상기 금속산화물 미세입자와 상기 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자의 혼합 슬러리 용액을 코팅하고, 그 위에 상기 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자의 슬러리 용액을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초발수 코팅막을 형성하는 단계(S30)에 의해 코팅된 코팅막의 두께가 50nm 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 고내열성 초발수 표면처리 방법.
  9. 기재의 표면에 고내열성 초발수 표면처리를 수행하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치로서,
    제1 코팅용 용액을 저장하는 제1 저장부;
    제2 코팅용 용액을 저장하는 제2 저장부;
    플라즈마 제트를 발생시키는 플라즈마 발생부;
    상기 제1 코팅용 용액과 제2 코팅용 용액 중 적어도 하나를 공급받아 순차적으로 공급하거나 서로 섞는 기능을 갖는 서스펜션 제어기; 및
    상기 서스펜션 제어기로부터 배출되는 코팅용 용액을 상기 플라즈마 발생부의 출구측에 분사하는 노즐;을 포함하고,
    상기 제1 코팅용 용액은 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액이고,
    상기 제2 코팅용 용액은 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자를 용매에 분산시킨 슬러리 용액인 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 불소(F), 질소(N), 탄소(C), 또는 실리콘(Si) 중 하나를 도핑한 금속산화물 미세입자의 크기가 10nm 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치가 상기 제1 코팅용 용액을 기재 표면 위에 코팅하고 그 위에 상기 제2 코팅용 용액을 코팅하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치가 상기 제1 코팅용 용액을 기재 표면에 코팅하고, 그 위에 상기 제1 코팅용 용액과 제2 코팅용 용액의 혼합 용액을 코팅하고, 그 위에 상기 제2 코팅용 용액을 코팅하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 노즐이 상기 플라즈마 발생부의 캐소드 내부에 이 캐소드와 동축으로 배치되어 플라즈마 발생부의 출구를 향해 제1 또는 제2 코팅용 용액을 분사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 노즐이 상기 플라즈마 발생부의 출구측에 결합된 노즐 캡을 포함하고,
    상기 노즐 캡은, 플라즈마 제트의 분사 방향으로 소정 두께를 가지며 내부에 빈 공간이 있는 디스크 형상이며, 중앙에 플라즈마 제트가 관통하도록 관통구가 형성되고 이 관통구를 둘러싸는 내주면에 하나 이상의 분사구멍이 형성되어 있으며, 상기 제1 또는 제2 코팅용 용액이 상기 노즐 캡의 내부 공간에 채워진 후 상기 분사구멍을 통해 분사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 코팅 장치.
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