KR20220077586A - 전도성 초발수 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

전도성 초발수 구조체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

초발수 구조체가 제공된다. 상기 초발수 구조체는 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 복수의 제1 전도성 나노 입자들을 소결된 바인더층, 및 상기 기판 상에 배치되고, 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 포함하는 초발수 패턴을 포함하되, 상기 기판 상에 복수의 상기 초발수 패턴들이 배치되어, 복수의 상기 초발수 패턴들에 의해 오복부 및 볼록부가 형성될 수 있다.

Description

전도성 초발수 구조체 및 그 제조 방법 {Conductive super-repellent structure and method for manufacturing the same}
본 발명은 전도성 초발수 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판 상에 전도성 나노 입자를 제공하여 거칠기를 구현한 전도성 초발수 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
과제번호 : KPB-17004
사업명 : 기본연구과제
과제명 : 160도 이상 접촉각을 가지는 초발수 표면 코팅 소재 및 공정 개발
주무부처 : 산업통상자원부
관리기관 : 한국세라믹기술원
총연구기간 2017/03/01 ~ 2017/12/31
액체가 고체 표면과 만날 때 일어나는 현상을 젖음 (Wettability)이라고 하는데 젖지 않고 물방울이 생기게 되는 성질을 발수성 (Hydrophobicity)이라 한다. 초발수성은 표면에서 물방울이 표면에 맺히지 못하고 접촉하는 경우 즉각 미끄러져 표면을 이탈하는 거동을 보이며 접촉각이 150º이상이 되는 것을 특징으로 한다.
초발수성 표면은 금속 소재의 부식 방지, 항공기 동체 및 날개의 결빙 방지, 많은 비용이 투자되는 토목 및 건축물의 풍화 방지, 조선 공업에서 어패류 등의 생물 부착 방지, 자동차 외장 코팅, 열 교환 기계류의 착상 방지(Anti-frost), 고분자 가공 분야의 정밀 이형 기술 등 다양하 게 응용되고 있으나 기계적 강도 및 마찰 내구성에 대한 문제점이 존재한다.
이러한 초발수성 표면은 마이크로미터 또는 나노미터크기의 표면거칠기를 부여하여서 조절할 수 있는데, 크게 고체의 표면에 나노 구조를 성장시키거나 식각하는 두가지의 방법으로 구현할 수 다. 나노 구조를 성장시켜 표면 거칠기를 부여하는 방법은 공정이 복잡하고 민감한 반응 조건이 필요하며, 높은 투자비용과 기계적 강도 및 마찰에 대한 내구성이 약한 문제를 가지고 있다. 표면을 식각 하는 방법으로는 산 혹은 기재를 녹일 수 있는 반응성이 높은 소재를 이용하여 표면을 깎아 나가는 방법이 있는데, 비 환경적인 공법으로 안전에 취약하고 역시 기계적 강도 및 마찰에 대한 내구성이 약한 문제가 있다. 다른 방법으로 소수성 입자를 기판 표면에 도포하여 복잡한 구조를 만드는 방법이 있다.
초발수성은 표면에 접촉하는 액적을 떨어뜨리는 것이 목적이나, 저온 환경 혹은 다습 환경에서는 표면에 수분이 흡착하여 응결되거나 초발수성을 잃게 된다. 이는 초발수성의 동작 원리에 기인한 것으로, 복잡한 나노 구조 내부에서부터 공기 중의 수분이 응결하기 시작하면서 나노 구조를 채워 초발수성이 없어지게 된다. 따라서, 저온 환경 혹은 다습 환경에서도 초발수성을 잃지 않는 표면 구현에 대한 필요성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 전도성이 향상된 초발수 구조체 및 그 제조 방법 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 내구성이 향상된 초발수 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 저온 환경에서 용이하게 적용될 수 있는 전도성 초발수 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 초발수 구조체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 구조체의 제조 방법은 기판 상에 제1 전도성 나노 입자를 포함하는 바인더층을 형성하는 단계, 상기 바인더층 상에, 상기 제1 전도성 나노 입자의 소결 온도 보다 높은 소결 온도를 갖는 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 제공하여, 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 포함하는 베이스 패턴을 형성하는 단계, 상기 바인더층을 소결시켜, 상기 기판 상에 상기 베이스 패턴을 고정시키는 단계, 및 상기 베이스 패턴을 자가조립단분자막 형성물질과 반응시켜, 상기 베이스 패턴과 상기 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 초발수 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴을 형성하는 단계에서, 상기 기판 상에 복수의 상기 베이스 패턴들이 형성되고, 복수의 상기 베이스 패터들에 의해 상기 기판 상에 오목부 및 볼록부가 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴을 형성하는 단계에서, 상기 바인더층 상에 제공된 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들 중 일부의 제2 전도성 나노 입자들은 상기 바인더층 내에 삽입되고, 상기 바인더층 상에 제공된 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들 중 다른 일부의 제2 전도성 나노 입자들은 상기 바인더층 내에 삽입된 제2 전도성 나노 입자 상에 적층되어 상기 바인더층의 외부로 노출되며, 상기 바인더층 내에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자들과, 상기 바인더층 내에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자들 상에 적층된 상기 제2 전도성 나노 입자들로 인해 상기 베이스 패턴이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴을 고정시키는 단계에서, 소결된 복수의 상기 제1 전도성 나노 입자들이 수축됨에 따라, 복수의 상기 제1 전도성 나노 입자들이 상기 기판 상에 고정되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴을 고정시키는 단계에서, 상기 바인더층이 소결되는 동안, 상기 베이스 패턴의 형상이 유지되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 상기 베이스 패턴이 형성된 상기 기판은 친수성을 갖고, 복수의 상기 초발수 패턴이 형성된 상기 기판은 소수성을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 상기 베이스 패턴이 형성된 상기 기판은 물과의 접촉각이 10° 이하이고, 복수의 상기 초발수 패턴이 형성된 상기 기판은 물과의 접촉각이 150° 이상인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더층은, 글래스 프릿(glass frit), 산화 방지제, 분산제, 탈포제, 및 용매를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴을 상기 자가조립단분자막 형성물질과 반응시키는 단계는, 상기 바인더층을 소결시키는 단계 이후 수행되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 초발수 구조체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 구조체는 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 복수의 제1 전도성 나노 입자들이 소결된 바인더층, 및 상기 기판 상에 배치되고, 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 포함하는 초발수 패턴을 포함하되, 상기 기판 상에 복수의 상기 초발수 패턴이 배치되어, 복수의 상기 초발수 패턴들에 의해 오복부 및 볼록부가 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 구조체는, 100 mΩ 이하의 비저항 및 150° 이상의 물에 대한 접촉각을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 초발수 패턴은, 상기 바인더층에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자 및 상기 바인더층에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자 상에 적층되어 상기 바인더층의 외부로 노출되는 상기 제2 전도성 나노 입자를 포함하되, 상기 바인더층의 외부로 노출되는 상기 제2 전도성 나노 입자에 상기 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전도성 나노 입자는, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), 및 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전도성 나노 입자는, 은(Ag), 알루미늄(Al), 및 구리(Cu) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 자가조립단분자막 형성물질은, fatty acid 계열 물질, 및 thiol 계열 물질 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체는, 기판, 상기 기판 상에 배치되고 복수의 제1 전도성 나노 입자들 포함이 소결된 바인더층, 및 상기 기판 상에 배치되고 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 포함하는 초발수 패턴을 포함하되, 상기 기판 상에 상기 복수의 초발수 패턴들이 배치되어, 상기 복수의 초발수 패턴들에 의해 오목부 및 볼록부가 형성될 수 있다. 이에 따라, 100 mΩ 이하의 비저항 및 150° 이상의 물에 대한 접촉각을 갖는 초발수 구조체가 제공될 수 있다. 이로 인해, 저온 환경에서 초발수 특성이 요구되는 장비에 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 방법 중 베이스 패턴 형성 공정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 바인더층이 소결된 베이스 패턴을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 바인더층이 소결됨에 따라 바인더층과 기판 사이의 계면 변화를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체가 적용된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 형성된 Al 기판/Ag 바인더 구조체를 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 니켈(Ni) 베이스 패턴에 ODT가 반응되기 전 상태의 구조체에 대한 물과의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 비교 예에 따른 초발수 구조체의 접촉각을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 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. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 방법 중 베이스 패턴 형성 공정을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 바인더층이 소결된 베이스 패턴을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 바인더층이 소결됨에 따라 바인더층과 기판 사이의 계면 변화를 구체적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체가 적용된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 바인더층(200)이 형성될 수 있다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 제1 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더층(200)은, 상기 기판(100) 상에 바인더 소스가 코팅되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더 소스는 스크린 프린팅 방법으로 코팅될 수 있다. 상기 바인더 소스는, 제1 전도성 나노 입자, 글래스 프릿(glass frit), 산화 방지제, 분산제, 탈포제, 및 용매를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전도성 나노 입자는, 제2 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 및 구리(Cu) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 바인더층(200) 상에 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들이 제공되어, 베이스 패턴(300)이 형성될 수 있다(S200). 예를 들어, 상기 바인더층(200) 상에 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들이 스프레이 코팅됨으로써, 상기 베이스 패턴(300)이 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바인더층(200) 상에 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들이 제공되는 경우, 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들 중 일부의 제2 전도성 나노 입자(EP)들은 상기 바인더층(200) 내부로 삽입될 수 있다. 이와 달리, 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들 중 다른 일부의 제2 전도성 나노 입자(EP)들은, 상기 바인더층(200) 내부로 삽입된 제2 전도성 나노 입자(EP) 상에 적층되어 상기 바인더층(200)의 외부로 노출될 수 있다. 이 경우, 상기 바인더층(200) 내에 삽입된 제2 전도성 나노 입자(EP)들과, 상기 바인더층(200) 내에 삽입된 제2 전도성 나노 입자(EP)들 상에 적층된 제2 전도성 나노 입자(EP)들로 인해 상기 베이스 패턴(300)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판(100) 상에는 복수의 상기 베이스 패턴(300)들이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100) 상에는 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 오목부(100a)들 및 복수의 볼록부(100b)들이 형성될 수 있다. 즉, 상기 기판(100) 상에 복수의 상기 베이스 패턴(300)들이 형성됨으로써, 상기 기판(100)의 표면은 거칠기(roughness)를 가질 수 있다.
상기 기판(100)의 표면이 거칠기를 가짐에 따라, 후술되는 초발수 구조체는 초발수 특성(물과의 접촉각 150°이상)을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 기판(100)의 표면이 거칠기를 갖지 못하는 경우, 후술되는 초발수 구조체는 발수 특성(물과의 접촉각 150° 미만)은 갖되 초발수 특성은 갖지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴(300)을 형성하는 단계에서, 상기 바인더층(200) 상에 서로 다른 크기를 갖는 상기 제2 전도성 나노 입자들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 크기가 큰 상기 제2 전도성 나노 입자 및 상대적으로 크기가 작은 상기 제2 전도성 나노 입자가 상기 바인더층(200) 상에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 표면 거칠기가 향상될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴(300)을 형성하는 단계에서, 상기 바인더층(200) 상에 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)가 제공되되, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)는 두번에 나뉘어 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 패턴(300)을 형성하는 단계는, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 제1 제공 단계, 및 제2 전도성 나노 입자(EP)의 제2 제공 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 제공 단계 및 상기 제공 단계에서, 상기 바인더층(200) 상에 제공되는 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 속도가 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 제공 단계에서 상기 바인더층(200) 상에 제공되는 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 속도는, 상기 제2 제공 단계에서 상기 바인더층(200) 상에 제공되는 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 속도 보다 빠를 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 표면 거칠기가 향상될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴(300)을 형성하는 단계에서, 상기 바인더층(200) 상에 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)가 제공되는 동안, 상기 기판(100)에 진동이 인가되거나 상기 기판(100)이 흔들릴 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 표면 거칠기가 향상될 수 있다.
즉, 상기 베이스 패턴(300)을 형성하는 단계에서, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 제공 방법을 다양하게 제어하거나, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)가 제공되는 상기 기판(100)의 조건을 다양하게 제어하여, 상기 기판(100)의 표면 거칠기를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 후술되는 초발수 구조체의 초발수 특성이 향상될 수 있다.
상기 제2 전도성 나노 입자(EP)는 상기 제1 전도성 나노 입자 보다 소결 온도가 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)는 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), 및 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 크기는 100 nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 크기는 5 nm 내지 25 nm일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 패턴(300)이 공기 중에 노출되는 경우, 상기 베이스 패턴(300)이 포함하는 상기 제2 전도성 나노 입자들은 자연 산화될 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 베이스 패턴(300)들이 형성된 상기 기판(100)은, 자연 산화된 상기 제2 전도성 나노 입자로 인해 친수성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 베이스 패턴(300)들이 형성된 상기 기판(100)은 물과의 접촉각이 10°이하일 수 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 기판(100) 상에 상기 베이스 패턴(300)이 형성된 후, 상기 바인더층(200)이 소결될 수 있다(S300). 상기 바인더층(200)이 소결되는 경우, 상기 바인더층(200)이 포함하는 상기 복수의 제1 전도성 나노 입자들이 수축될 수 있다. 이에 따라, 수축된 상기 복수의 제1 전도성 나노 입자들로 인하여, 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들이 상기 기판(100) 상에 고정될 수 있다. 즉, 상기 바인더층(200)이 소결됨에 따라, 상기 베이스 패턴(300)이 상기 기판(100) 상에 고정될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)는 상기 제1 전도성 나노 입자 보다 소결 온도가 높으므로, 상기 바인더층(200)이 소결되는 동안 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)는 반응되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 바인더층(200)이 소결되는 동안 상기 베이스 패턴(300)의 형상이 유지될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 소결 온도가 상기 제1 전도성 나노 입자의 소결 온도와 유사하거나 상기 제1 전도성 나노 입자의 소결 온도 보다 낮은 경우, 상기 바인더층(200)이 소결되는 동안 상기 베이스 패턴(300)의 형상이 변형되어, 상기 기판(100) 표면의 거칠기가 감소되는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 상기 바인더층(200)이 소결됨에 따라, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)과 상기 바인더층(200)의 계면(IF)에는 상기 기판(100)이 포함하는 상기 제1 금속과 상기 바인더층(200)이 포함하는 상기 제2 금속의 화합물 또는 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 합금이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)과 상기 바인더층(200)의 결합력이 향상될 수 있다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 상기 베이스 패턴(300)이 자가조립단분자막 형성물질(SAM)과 반응될 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 패턴(300)과 상기 자가조립단문자막 형성물질(SAM)이 결합된 초발수 패턴(400)이 형성될 수 있다(S400). 이로 인해, 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체가 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 자연 산화된 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)의 하이드록시기(-OH)와 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)의 작용기가 반응되어, 상기 제2 전도성 나노 입자(EP)에 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)이 결합될 수 있다.
또한, 상기 기판(100) 상에 복수의 상기 베이스 패턴(300)들이 형성됨에 따라, 상기 기판(100) 상에 복수의 상기 초발수 패턴(400)들이 형성될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 초발수 패턴(400)들이 형성된 상기 기판(100)의 표면은 거칠기를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)은 stearic acid를 비롯한 fatty acid 계열 물질, 및 ODT(Octadecanethiol)을 비롯한 thiol 계열 물질 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 즉, 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)은 탄소 사슬(carbon chain)으로 구성되어 소수성을 가지며, 탄소 사슬의 길이가 길수록 강한 소수성을 나타낼 수 있다.
이에 따라, 제2 전도성 나노 입자(EP)에 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)이 반응되는 경우, 상기 초발수 패턴(400)은 소수성을 가질 수 있다. 이로 인해, 상기 복수의 초발수 패턴(400)이 형성된 상기 기판(100)은 물과의 접촉각이 150°이상인 초발수 특성을 가질 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)들이 fatty acid 계열 물질, 및 thiol 계열 물질 중 어느 하나를 포함하므로, 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)의 열분해 온도(약, 300℃)가, 상기 바인더층(200)이 포함하는 상기 제1 전도성 나노 입자의 소결 온도(약, 600℃) 보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 패턴(200)을 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)과 반응시키는 단계는, 상기 바인더층(200)을 소결시키는 단계 이후 수행될 수 있다. 이와 달리, 상기 베이스 패턴(200)이 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)과 반응된 후 상기 바인더층(200)이 소결되는 경우, 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)이 열분해됨에 따라, 상기 초발수 구조체에 초발수 특성이 발현되지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체는, 상기 기판(100), 상기 기판(100) 상에 배치되고 복수의 상기 제1 전도성 나노 입자들 포함이 소결된 상기 바인더층(200), 및 상기 기판(100) 상에 배치되고 상기 자가조립단분자막 형성물질(SAM)이 결합된 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자(EP)들을 포함하는 상기 초발수 패턴(400)을 포함하되, 상기 기판(100) 상에 상기 복수의 초발수 패턴(400)들이 배치되어, 상기 복수의 초발수 패턴(400)들에 의해 오목부(100a) 및 볼록부(100b)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 100 mΩ 이하의 비저항 및 150° 이상의 물에 대한 접촉각을 갖는 초발수 구조체가 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 초발수 구조체는 낮은 비저항을 가짐으로써, 저온 환경에서 초발수 특성 구현이 필요한 장치에 용이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)에 전류(C)를 흘려 가열함으로써, 상기 초발수 패턴(400)까지 열(H)이 제공될 수 있다. 이에 따라, 저온 환경에서 공기 중의 수분 응결에 따른 상기 초발수 구조체의 거칠기 감소 문제가 해결될 수 있으므로, 저온 환경에서 초발수 특성 구현이 필요한 장치에 용이하게 적용될 수 있다.
실시 예에 따른 초발수 구조체 제조
알루미늄(Al) 기판 상에 바인더로서 은(Ag) 나노 입자 페이스트(JY Laboratories)를 스크린 프린팅 방식으로 코팅한 후, 코팅된 은(Ag) 나노 입자 페이스트 표면에 100mL 에탄올 용매 및 2g의 니켈(Ni) 나노 입자(0~100 nm, Sigma-Aldrich)가 혼합된 용액을 스프레이 코팅 방식으로 코팅하여, 니켈(Ni) 베이스 패턴을 형성하였다. 특히, 알루미늄(Al) 기판의 표면이 거칠기를 갖도록 니켈(Ni) 베이스 패턴을 형성하였다.
이후, Al 기판/Ag 바인더층/Ni 베이스 패턴 구조체를 60℃의 온도에서 1시간 동안 건조시키고, 600℃의 온도에서 30분간 열처리하여 소결시켰다. 최종적으로, 100 mL 에탄올 용매에 2 mL ODT(Octadecanethiol, 98%, Sigma Aldrich)가 분산된 용액을, 소결된 구조체에 제공하고 상온에서 24시간 반응시킨 후, 60℃의 온도에서 1시간동안 건조시켜, 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체를 제조하였다.
비교 예에 따른 초발수 구조체 제조
상술된 실시 예에 따른 방법으로 초발수 구조체를 제조하되, 알루미늄(Al) 기판의 표면이 거칠기를 갖지 않도록 제조하였다.
상술된 실시 예 및 비교 예에 따른 초발수 구조체의 특징이 아래의 <표 1>을 통해 정리된다.
구분 구조 거칠기 구현
실시 예 Al 기판/Ag 바인더/Ni 패턴 O
비교 예 Al 기판/Ag 바인더 X
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 형성된 Al 기판/Ag 바인더 구조체를 촬영한 사진이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정에서 형성된 Al 기판/Ag 바인더/Ni 패턴 구조체를 촬영하여 나타낸다. 도 9 및 도 10에서 확인할 수 있듯이, 알루미늄(Al) 기판 상에 Ni 패턴으로 인하여 거칠기가 구현된 것을 확인할 수 있었다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 니켈(Ni) 베이스 패턴에 ODT가 반응되기 전 상태의 구조체에 대한 물과의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체의 제조 과정 중 니켈(Ni) 베이스 패턴에 ODT가 반응되기 전 상태의 구조체를 준비한 후, 물과의 접촉각을 측정하여 나타내었다. 도 11에서 확인할 수 있듯이, ODT가 반응되기 전 상태의 구조체는, 물과의 접촉각이 10° 이하로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 초발수 구조체의 접촉각을 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명의 비교 예에 따른 초발수 구조체의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 실시 예(거칠기 구현 O) 및 비교 예(거칠기 구현 X)에 따른 초발수 구조체를 준비한 후, 각각에 대해 물과의 접촉각을 측정하여 나타낸다. 도 12에서 확인할 수 있듯이 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체는 물과의 접촉각이 150° 이상으로 나타나는 반면, 도 13에서 확인할 수 있듯이 상기 비교 예에 따른 초발수 구조체는 물과의 접촉각이 약 130°로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 상기 실시 예에 따른 초발수 구조체를 제조하는 과정에서, 표면 거칠기가 구현되지 않는 경우 발수 특성(물과의 접촉각 150° 미만)은 나타나지만, 초발수 특성(물과의 접촉각 150° 이상)은 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
200: 바인더층
300: 베이스 패턴
400: 초발수 패턴
EP: 제2 전도성 나노 입자
SAM: 자가조립단분자막 형성물질

Claims (14)

  1. 기판 상에 제1 전도성 나노 입자를 포함하는 바인더층을 형성하는 단계;
    상기 바인더층 상에, 상기 제1 전도성 나노 입자의 소결 온도 보다 높은 소결 온도를 갖는 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 제공하여, 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 포함하는 베이스 패턴을 형성하는 단계;
    상기 바인더층을 소결시켜, 상기 기판 상에 상기 베이스 패턴을 고정시키는 단계; 및
    상기 베이스 패턴을 자가조립단분자막 형성물질과 반응시켜, 상기 베이스 패턴과 상기 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 초발수 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 패턴을 형성하는 단계에서,
    상기 기판 상에 복수의 상기 베이스 패턴들이 형성되고, 복수의 상기 베이스 패터들에 의해 상기 기판 상에 오목부 및 볼록부가 형성되는 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 패턴을 형성하는 단계에서,
    상기 바인더층 상에 제공된 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들 중 일부의 제2 전도성 나노 입자들은 상기 바인더층 내에 삽입되고,
    상기 바인더층 상에 제공된 상기 복수의 제2 전도성 나노 입자들 중 다른 일부의 제2 전도성 나노 입자들은 상기 바인더층 내에 삽입된 제2 전도성 나노 입자 상에 적층되어 상기 바인더층의 외부로 노출되며,
    상기 바인더층 내에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자들과, 상기 바인더층 내에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자들 상에 적층된 상기 제2 전도성 나노 입자들로 인해 상기 베이스 패턴이 형성되는 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 패턴을 고정시키는 단계에서,
    소결된 복수의 상기 제1 전도성 나노 입자들이 수축됨에 따라, 복수의 상기 제1 전도성 나노 입자들이 상기 기판 상에 고정되는 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 패턴을 고정시키는 단계에서,
    상기 바인더층이 소결되는 동안, 상기 베이스 패턴의 형상이 유지되는 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    복수의 상기 베이스 패턴이 형성된 상기 기판은 친수성을 갖고,
    복수의 상기 초발수 패턴이 형성된 상기 기판은 소수성을 갖는 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    복수의 상기 베이스 패턴이 형성된 상기 기판은 물과의 접촉각이 10° 이하이고, 복수의 상기 초발수 패턴이 형성된 상기 기판은 물과의 접촉각이 150° 이상인 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 바인더층은, 글래스 프릿(glass frit), 산화 방지제, 분산제, 탈포제, 및 용매를 더 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 패턴을 상기 자가조립단분자막 형성물질과 반응시키는 단계는, 상기 바인더층을 소결시키는 단계 이후 수행되는 것을 포함하는 초발수 구조체의 제조 방법.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 복수의 제1 전도성 나노 입자들을 소결된 바인더층; 및
    상기 기판 상에 배치되고, 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 복수의 제2 전도성 나노 입자들을 포함하는 초발수 패턴을 포함하되,
    상기 기판 상에 복수의 상기 초발수 패턴들이 배치되어, 복수의 상기 초발수 패턴들에 의해 오복부 및 볼록부가 형성되는 초발수 구조체.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 초발수 구조체는, 100 mΩ 이하의 비저항 및 150° 이상의 물에 대한 접촉각을 갖는 초발수 구조체.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 초발수 패턴은, 상기 바인더층에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자 및 상기 바인더층에 삽입된 상기 제2 전도성 나노 입자 상에 적층되어 상기 바인더층의 외부로 노출되는 상기 제2 전도성 나노 입자를 포함하되,
    상기 바인더층의 외부로 노출되는 상기 제2 전도성 나노 입자에 상기 자가조립단분자막 형성물질이 결합된 것을 포함하는 초발수 구조체.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 나노 입자는, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), 및 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 중 어느 하나를 포함하는 초발수 구조체.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 나노 입자는, 은(Ag), 알루미늄(Al), 및 구리(Cu) 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 자가조립단분자막 형성물질은, fatty acid 계열 물질, 및 thiol 계열 물질 중 어느 하나를 포함하는 초발수 구조체.
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