KR20230161904A - 오염 방지 표면을 구비한 물품 및 오염 방지 표면 형성 방법 - Google Patents

오염 방지 표면을 구비한 물품 및 오염 방지 표면 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염 방지 표면을 구비한 물품 및 물품의 표면에 오염 방지 표면 형성 방법에 관한 것이다.

Description

오염 방지 표면을 구비한 물품 및 오염 방지 표면 형성 방법{AN ARTICLE HAVING ANTI-CONTAMINATION SURFACE AND A METHOD FOR FORMING ANTI-CONTAMINATION SURFACE}
본 발명은 오염 방지 표면을 구비한 물품 및 물품의 표면에 오염 방지 표면 형성 방법에 관한 것이다.
오염 방지 코팅은, 산업적으로 특정 표면의 이물질 부착, 또는 오염물이 흡착되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
구체적으로 예를 들어, 디스플레이 패널, 카메라 렌즈, 적외선 센서, 가시광선 센서, 카메라 센서나, 레이더, 라이다 등의 표면에는 사람의 지문이나 먼지, 외부로부터 발생한 얼룩 등, 일반적인 사용 환경이라 하더라도 수시로 오염이 발생할 수 있다.
이런 기기의 표면에 오염이 발생하는 경우, 사용자의 시야를 가리게 되거나, 기기의 오작동을 일으킬 수 있다. 특히, 최근 각광받고 있는 자율 주행 장치에는 여러 센서나 레이더 등이 사용되고 있는데, 이런 기기들의 표면에 오염이 발생하는 경우, 오염물에 의한 데이터 해석에 오류가 발생할 수 있고, 이 경우, 자율 주행 사용자나 주변 사람들의 안전을 크게 위협할 수 있다.
따라서, 이러한 기기의 표면에 오염물이 부착되는 것을 방지하여, 기기 표면을 깨끗하게 유지할 필요가 있다.
그러나 이와 같은 기기의 표면 기재로 사용되는 일반적인 유리나 고분자 수지 등에는 그 특성 상 오염물이 부착되기 쉽기 때문에, 주기적인 세척이 필요하고, 이를 위한 별도의 전원이나 장치를 필요로 하게 되며, 세척 및 건조를 진행한다 하더라도, 이로 인한 별도의 표면 얼룩 등이 발생할 수 있는 문제가 있다.
또한, 오염물이 부착되는 것을 방지하기 위한 초-발수 코팅이나 초-발유 코팅의 경우, 표면 요철이 존재하는데, 이런 표면 요철의 내구성이 높지 않아, 그 효과가 오래 가지 못하는 문제가 있다.
이에, 기기 표면에 오염물이 부착되는 것을 방지할 수 있는 오염 방지 표면에 대한 연구가 필요하다.
본 명세서는, 오염 방지 표면을 구비한 물품, 및 물품의 표면에 오염 방지 표면을 형성하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서는, 기재; 상기 기재 표면의 일부에 존재하며, 윤활 층이 형성된 제1 영역; 및 상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 존재하며, 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품을 제공하고자 한다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 제2 영역의 표면 에너지가 상기 제1 영역의 표면 에너지보다 클 수 있다.
구체적으로, 상기 윤활 층은 표면 에너지가 약 20 mJ/m2 미만일 수 있다.
그리고, 상기 부착 방지 코팅 층은 표면 에너지가 약 20 mJ/m2 이상일 수 있다.
그리고, 상기 부착 방지 코팅 층은 표면 에너지가 약 40 mJ/m2 이하일 수 있다.
발명의 다른 예에 따르면, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 영역은, 볼록 혹은 오목한 형태로 형성될 수 있다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 윤활 층의 두께는 약 0.1 내지 200 ㎛, 또는 약 0.1㎛ 이상, 또는 약 0.5㎛ 이상, 또는 약 1㎛ 이상, 또는 약 200㎛ 이하, 또는 약 150㎛ 이하, 또는 약 100㎛ 이하일 수 있다.
그리고, 상기 윤활 층은, 소수성 무기 경화 층, 및 상기 소수성 무기 경화 층 상에 형성된 불소-실란 경화 층, 및 상기 불소-실란 경화 층 상에 형성된 불소 오일 층을 포함할 수 있다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 소수성 무기 경화 층은, 알킬-트리알콕시 실란 및 테트라알콕시 실란의 경화물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 소수성 무기 경화 층의 두께는 약 0.05 내지 20 ㎛, 또는 약 0.05㎛ 이상, 또는 약 0.1㎛ 이상일 수 있고, 약 20 ㎛ 이하, 또는 약 15 ㎛ 이하, 또는 약 10 ㎛ 이하일 수 있다.
발명의 다른 일 예에 따르면, 상기 불소-실란 경화 층은, 불화 폴리에테르실란의 경화물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 불소 오일 층은, 불화 폴리에테르 오일을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 불소-실란 경화 층 및 불소 오일 층의 두께의 합은, 약 0.1 내지 약 200 ㎛, 또는 약 0.1㎛ 이상, 또는 약 0.5㎛ 이상, 또는 약 1㎛ 이상, 또는 약 200㎛ 이하, 또는 약 150㎛ 이하, 또는 약 100㎛ 이하일 수 있다.
그리고, 상기 부착 방지 코팅 층은, 폴리디알킬실록산 경화물 및 실리콘 오일을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 실리콘 오일은, 점도가 1000 cSt 이하일 수 있다.
한편, 본 명세서는, 기재 표면의 일부에, 소수성 무기 경화 층을 포함하는 제1 영역을 형성하는 단계; 상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 부착 방지 코팅 층을 포함하는 제2 영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 영역에 윤활 층을 형성하는 단계를 포함하는, 오염 방지 표면 형성 방법을 제공한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합을 설명하기 위한 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 이들의 조합 또는 부가 가능성을 배제하는 것은 아니다.
또한 본 명세서에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에” 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기재; 상기 기재 표면의 일부에 존재하며, 윤활 층이 형성된 제1 영역; 및 상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 존재하며, 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품이 제공된다.
본 발명의 발명자들은, 기재 표면 상에 윤활 층이 형성된 제1 영역과 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역을 모두 포함하는 물품의 표면에 오염물이 부착되는 경우, 오염물이 제1 영역으로부터 제2 영역으로 이동하게 되고, 이후 제2 영역의 부착 방지 코팅 층 표면에서 이탈하여, 물품의 표면에 오염물이 부착되지 않는다는 사실을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
먼저, 본 발명의 일 측면에 따른, 오염 방지 표면을 구비한 물품에서, 기재라 함은, 물품의 표면 자체를 구성하는 기재를 의미할 수도 있고, 일반적인 물품의 표면에 상기 오염 방지 표면을 구현하기 위해 별도로 적용된 기재를 의미할 수도 있다.
그리고, 상기 기재 표면에는, 윤활 층이 형성된 제1 영역과, 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역이 존재하며, 상기 기재 표면 상에서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 서로 겹치지 않는 형태로 구별되어 존재할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면의 단면을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
상기 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면을 구비한 물품에서, 오염 방지 표면은, 기재(100); 상기 기재 표면의 일부에 존재하며, 윤활 층이 형성된 제1 영역(200); 및 상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 존재하며, 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역(300)을 확인할 수 있다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 제2 영역의 표면 에너지가 상기 제1 영역의 표면 에너지보다 클 수 있다.
즉, 상기 제1 영역의 경우, 윤활 층이 형성된 영역으로, 그 표면 에너지가 상대적으로 작은 값을 가질 수 있고, 상기 제2 영역의 경우, 부착 방지 코팅이 형성된 영역으로, 그 표면 에너지가 상대적으로 큰 값을 가질 수 있다.
반대로 설명하면, 본 발명의 일 예에 따른 물품 표면의 서로 구별된 제1 및 제2 영역 중에서, 상대적으로 표면 에너지가 작은 값을 가지는 영역을 윤활 층이 형성된 제1 영역이라 일컬을 수 있고, 본 발명의 일 예에 따른 물품 표면의 서로 구별된 제1 및 제2 영역 중에서, 상대적으로 표면 에너지가 큰 값을 가지는 영역을 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역이라 일컬을 수 있다.
상기 오염 방지 표면에 오염이 발생하는 경우, 부착된 오염물은, 표면 에너지 차이로 인해, 상대적으로 작은 표면 에너지 값을 가지는 영역, 즉, 윤활 층이 형성된 제1 영역으로부터, 상대적으로 작은 표면 에너지 값을 가지는 영역, 즉, 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역으로 밀려나게 된다.
구체적으로, 오염 방지 표면에 오염이 발생하면, 제1 영역과 제2 영역의 표면 에너지 차이로 인하여, 오염물과 제1 영역의 표면 계면에 발생하는 제1 계면 장력과, 오염물과 제2 영역의 표면 계면에 발생하는 제2 계면 장력의 차이가 발생한다.
즉, 상기 제1 계면 장력 값이 상기 제2 계면 장력 값 보다 크기 때문에, 오염물 중 제1 영역 상에 걸친 부분은 상대적으로 오염물의 중심으로 모이게 되고, 오염물 중 제2 영역 상에 걸친 부분은 상대적으로 오염물의 바깥쪽으로 퍼지게 되어, 점차 오염물의 중심이 제2 영역 쪽으로 이동하게 된다.
그리고, 상기 제2 영역으로 밀려난 오염물은, 부착 방지 코팅 층으로 인하여, 물품의 표면에서 그대로 이탈 및 제거된다.
이런 원리로 오염 방지 표면이 구현될 수 있으며, 이러한 오염 방지 표면을 구비한 물품은, 그 표면이 외부 오염원으로부터 오염되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
즉, 상술한 효과는, 오염물이 윤활 층 및 부착 방지 코팅 층의 계면과 모두 접하고 있을 때, 윤활 층과 오염물의 계면, 및 부착 방지 코팅 층과 오염물의 계면에 작용하는 표면 장력의 차이에 의해 발생하는 것이다.
윤활 층 혹은 부착 방지 코팅 층 단독으로 사용할 경우, 해당 층 상에서 표면 장력 차이에 의한 오염물의 자발적 이동이 발생하지 않기 때문에, 상술한 효과를 얻기 어렵다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 구현되는 효과를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 표면에 부착된 오염물이 윤활 층과 부착 방지 코팅 층의 계면에서 표면 에너지 차이에 의해 부착 방지 코팅 층 쪽으로 이동한 후, 탈락되는 형태를 확인할 수 있다.
그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물품에서 오염 방지 효과가 구현되는 예를 도시한 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물품이 카메라 등에 의해 인식되는 센서인 경우, 센서 상에 부착된 오염 물질이 윤활 층과 부착 방지 코팅 층의 계면에서 표면 에너지의 차이에 의해 부착 방지 코팅 층 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 오염물 부착에 의한 센서 오작동의 가능성을 줄일 수 있다.
예를 들어, 상기 윤활 층은, 슬립스(SLIPS, Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces) 효과를 구현할 수 있는 층일 수 있다. 여기서 슬립스 층은, 반드시 그 표면이 다공성으로 형성되어야 하는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 윤활 층과 상기 부착 방지 코팅 층의 표면 에너지 값은 모두 약 50 mJ//m2 이하일 수 있다. 즉, 상기 윤활 층과, 상기 부착 방지 코팅 층은 모두 표면 에너지 값이 낮은 것이 바람직할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 윤활 층과 상기 부착 방지 코팅 층은 모두 소수성 층일 수 있다. 이와 동시에, 상기 윤활 층의 표면 에너지가 부착 방지 코팅 층의 표면 에너지보다 상대적으로 작은 값을 가질 수 있고, 반대로, 상기 부착 방지 코팅 층의 표면 에너지가 상기 윤활 층의 표면 에너지보다 상대적으로 큰 값을 가질 수 있다.
구체적으로, 예를 들어, 상기 윤활 층은 표면 에너지는, 약 20 mJ/m2 미만, 혹은 약 18 mJ/m2 미만, 혹은 약 15 mJ/m2 미만, 혹은 약 12 mJ/m2 미만일 수 있다.
윤활 층의 표면 에너지가 상기 범위를 벗어나는 경우, 윤활 층으로부터 부착 방지 코팅 층으로 오염물이 이동하는 상술한 효과가 나타나지 않을 수 있다.
그리고, 상기 부착 방지 코팅 층은 표면 에너지가 약 20 mJ/m2 이상, 혹은 약 20 mJ/m2 이상, 혹은 약 25 mJ/m2 이상일 수 있고, 혹은 약 40 mJ/m2 이하, 35 mJ/m2 이하, 혹은 약 30 mJ/m2 이하일 수 있다.
부착 방지 코팅 층의 표면 에너지가 상기 범위를 벗어나는 경우, 윤활 층으로부터 부착 방지 코팅 층으로 오염물이 이동하는 상술한 효과가 나타나지 않을 수 있고, 부착 방지 코팅 층에서 오염물이 이탈하지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
표면 에너지는 물과 디아이오도메탄의 액적을 해당 표면에 떨어뜨린 이후, 접촉 각 측정기를 이용하여 접촉 각을 측정하고, 측정된 값을 모델 식에 넣고 계산하는 방법으로 측정할 수 있다.
구체적으로, 표면 에너지 계산에는 일반적으로 Fowkes equation 또는 van Oss Chaudhury Good equation 이 사용될 수 있다.
발명의 다른 예에 따르면, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면을 상부에서 관찰한 모습을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
상기 도 4를 참고하면, 상기 제2 영역(300)이 상기 제1 영역(200)을 둘러싸는 형태를 확인할 수 있다.
상기 도 4의 경우 상기 제1 영역을 원의 형태로, 상기 제2 영역을 정사각형의 형태로 도시하였으나, 이는, 상기 제2 영역이 상기 제1 영역을 둘러싸는 일 형태를 설명하기 위해 편의상 도시한 것이며, 상기 제1 및 제2 영역의 모양이 반드시 원 혹은 특정한 다각형에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 상기 오염 방지 표면은, 상기 도면에서와 같이, 하나의 제1 영역 및 하나의 제2 영역을 구비할 수도 있고, 복수의 제1 영역 및 제2 영역을 구비할 수도 있으며, 제1 영역 및 제2 영역의 수가 반드시 동일해야 하는 것도 아니다.
도 5은, 본 발명의 다른 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면을 상부에서 관찰한 모습을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 제1 영역의 평균 면적은, 약 5 cm2 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 제1 영역의 면적과, 상기 제2 영역의 면적의 총 합 대비, 상기 제1 영역, 즉 윤활 층이 형성된 영역의 면적 비율은 약 20 내지 약 80% 인 것이 바람직할 수 있다.
상기 제1 영역의 면적이 너무 넓거나, 제1 영역의 비율이 너무 높은 경우, 즉, 전체 면적에서 윤활 층이 형성된 제1 영역의 면적 비율이 너무 큰 경우, 표면에 부착된 오염물이 제1 영역으로부터 제2 영역으로 이동하지 않고, 제1 영역의 중간에 머물러 있는 문제점이 발생할 수 있다. 그리고, 상기 제1 영역의 면적이 너무 좁거나, 제1 영역의 비율이 너무 낮은 경우, 즉, 전체 면적에서 윤활 층이 형성된 제1 영역의 면적 비율이 너무 적은 경우, 투명도 및 시야 확보에 불리한 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 제1 영역은, 볼록 혹은 오목한 형태로 형성될 수 있다. 제1 영역을 볼록 혹은 오목한 형태로 형성하여, 표면에 부착된 오염물이 제1 영역으로부터 제2 영역으로 이동하는 전술한 효과를 더 촉진시킬 수 있다.
도 6 및 도 7는, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면의 단면을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
상기 도 6 및 도 7를 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면을 구비한 물품에서, 기재(100); 오목 혹은 볼록하게 형성된 제1 영역(200); 및 제2 영역(300)을 확인할 수 있다.
상기 도면에서, 오목 혹은 볼록하게 형성된 제1 영역은, 원호의 형태로 표시되었지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 영역은 그 단면이 다양한 곡선, 혹은 다각형의 형태로 오목, 혹은 볼록하게 형성될 수도 있다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 윤활 층의 두께는 약 0.1 내지 200 ㎛, 또는 약 0.1㎛ 이상, 또는 약 0.5㎛ 이상, 또는 약 1㎛ 이상, 또는 약 200㎛ 이하, 또는 약 150㎛ 이하, 또는 약 100㎛ 이하일 수 있다.
두께가 너무 얇은 경우, 내구성 및 윤활 효과가 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 두께가 너무 두꺼운 경우, 크랙이 발생하거나 윤활 층의 윤활액이 과도하게 흐를 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
그리고, 상기 윤활 층은, 소수성 무기 경화 층, 및 상기 소수성 무기 경화 층 상에 형성된 불소-실란 경화 층, 및 상기 불소-실란 경화 층 상에 형성된 불소 오일 층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 불소-실란 경화 층과 불소 오일 층은, 그 층의 경계가 존재하여 각 층이 명확히 구분될 수도 있고, 그 구성 물질의 특성에 따라, 그 층의 경계가 명확하지 않아, 층으로 구분되지 않는 형태일 수도 있다.
상기 소수성 무기 경화 층은, 이를 형성하기 위한 코팅액(이하 제1 코팅액이라 한다.)의 경화에 의해 형성될 수 있다.
발명의 일 예에 따르면, 상기 소수성 무기 경화 층은, 알킬-트리알콕시 실란 및 테트라알콕시 실란의 경화물을 포함할 수 있으며, 상기 제1 코팅액은 알킬-트리알콕시 실란 및 테트라알콕시 실란을 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알킬-트리알콕시 실란은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
R11-Si(R12)(R13)(R14)
상기 화학식 1에서, R11은, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기이고, R12 내지 R14는 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알콕시 기이다.
더 구체적으로, 상기 R11은, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 또는 펜틸일 수 있으며, 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다.
R12 내지 R14는 각각 독립적으로, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 또는 펜톡시일 수 있으며, 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 상기 알킬-트리알콕시 실란은 메틸-트리메톡시 실란, 메틸-트리에톡시 실란, 메틸-트리프로폭시 실란, 메틸-트리부톡시실란, 메틸-트리펜톡시실란, 에틸-트리메톡시 실란, 에틸-트리에톡시 실란, 에틸-트리프로폭시 실란, 에틸-트리부톡시실란, 에틸-트리펜톡시실란, 프로필-트리메톡시 실란, 프로필-트리에톡시 실란, 프로필-트리프로폭시 실란, 프로필-트리부톡시실란, 프로필-트리펜톡시실란, 부틸-트리메톡시 실란, 부틸-트리에톡시 실란, 부틸-트리프로폭시 실란, 부틸-트리부톡시실란, 부틸-트리펜톡시실란, 펜틸-트리메톡시 실란, 펜틸-트리에톡시 실란, 펜틸-트리프로폭시 실란, 및 펜틸-트리부톡시실란, 펜틸-트리펜톡시실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기와 같은 알킬-트리알콕시 실란은, 조성물 내에서 졸-겔(sol-gel) 반응을 통해 무기 도막의 메인 네트워크를 구성하는 성분이다. 이때 알킬 기는 네트워크 구조에 유연성을 증가시켜 실라놀 간 또는 실라놀과 기재 표면과의 반응 시 발생하는 응력을 완화시킬 수 있다. 알킬 실란만을 사용하는 경우 반응에 참여하는 실라놀 개수가 적어 차후 불소 코팅시에 표면 에너지를 낮추는데 불리하며, 알콕시 실란만을 사용하는 경우, 상술한 응력 완화의 효과를 얻을 수 없다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 테트라알콕시 실란은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 2]
Si(R21)(R22)(R23)(R24)
상기 화학식 2에서, R21 내지 R24는 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알콕시 기이다.
더 구체적으로, 상기, R21 내지 R24는 각각 독립적으로, 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시, 또는 펜톡시일 수 있으며, 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 상기 테트라알콕시 실란은, 테트라메톡시 실란, 테트라에톡시 실란, 테트라프로폭시 실란, 테트라부톡시 실란, 및 테트라펜톡시 실란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기와 같은 테트라알콕시 실란은, 조성물 내에서 전술한 실라놀 간 혹은 실라놀과 기재 표면과의 반응에 참여 가능한 실라놀기를 증가시킬 수 있으며 이는 차후 불소 실란과의 반응도를 높여서 표면 에너지가 낮은 표면을 구현하는데 도움이 된다.
테트라알콕시 실란을 과량 사용하게 되면 실라놀 간에 반응이 과도하게 진행하여 전체 네트워크게 강한 수축을 유발하여 크랙이 발생하거나 부착이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서 알킬-트리알콕시 실란과 테트라알콕시 실란을 적정 비율로 혼합 사용함으로써, 전체 코팅층 네트워크에 크랙이 발생하는 문제를 방지하고, 표면에 적절한 양의 실라놀 반응기를 구비하도록 할 수 있다.
그리고, 상기 제1 코팅액에는, 유기 산이 더 사용될 수도 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 산은, 탄소 수 1 내지 5의 카르복실 산일 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 상기 유기 산은, 포름 산, 아세트 산, 및 프로피온산 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기와 같은 유기 산은, 조성물 내에서 실란 그룹의 가수 분해를 촉진하는 촉매로 사용되며, 전체 네트워크 구조를 결정하는 역할을 할 수 있다. pH가 낮은 산성 조건에서는 가수 분해 속도가 축합 반응 속도보다 우세하여 실란에 의한 결합이 리니어(Linear)한 구조를 형성하게 된다. 반면, 염기성 조건에서는 축합 반응 속도가 더 빨라 반대로 입자 상 구조를 형성하게 된다. 유기 산이 아닌 염산 등의 무기 산도 사용할 수 있으나, 겔 타임 조절하는데 있어 유기산이 보다 유용하게 사용될 수 있다.
그리고, 상기 제1 코팅액은, 알킬-트리알콕시 실란 100 중량부에 대하여, 테트라알콕시 실란 약 1 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
테트라 알콕시 실란이 너무 적게 사용되는 경우, 이후 불소 실란과 반응할 실라놀 기의 숫자가 너무 적어져서 표면 에너지를 적절한 정도로 낮추기 어려우며, 너무 많은 경우에는 과량의 실라놀 기 반응에 의해 전체 코팅 네트워크에 작용하는 응력이 증가하여, 코팅층에 크랙이 발생하거나, 코팅층의 부착력이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 제1 코팅액은, 알킬-트리알콕시 실란 100 중량부에 대하여, 유기 산 약 1 내지 약 10 중량부를 포함할 수 있다.
유기 산이 지나치게 적게 포함되는 경우 가수분해 속도가 저하되어 제대로 된 리니어 구조의 네트워크를 얻기 어려워지고, 이에 따라 코팅 도막의 물성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있으며, 지나치게 많이 포함되는 경우 겔 타임 감소에 따라 반응을 조절하기 어려워지고, 네트워크에 참여하지 않는 유기 산이 과량 존재하게 되어, 코팅층의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 제1 코팅액의 pH는 약 7 이하, 또는 약 5 이하, 또는 약 3 이하일 수 있고, 약 1 이상, 또는 약 2 이상일 수 있다.
pH는 가수분해 속도와 축합 반응 속도에 영향을 줄 수 있는데, 이 두 반응의 속도 차이에 의해 도막의 구조가 결정되고, 제조된 코팅액의 저장 안정성에 영향을 주게 된다.
이러한 관점에서 상술한 범위의 pH를 가지는 산성 조건에서 안정적인 무기 도막이 얻어질 수 있다.
상기 제1 코팅액은 상술한 성분 외에 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 이러한 유기 용매로는 구체적으로 예를 들어, 알코올 류, 혹은 에테르 류 등을 포함할 수 있으며, 유기 용매의 양은 코팅성 및 도포 이후 건조 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.
그리고, 상기 소수성 무기 경화 층의 두께는 약 0.05 내지 20 ㎛, 또는 약 0.05㎛ 이상, 또는 약 0.1㎛ 이상일 수 있고, 약 20 ㎛ 이하, 또는 약 15 ㎛ 이하, 또는 약 10 ㎛ 이하일 수 있다. 소수성 무기 경화 층의 두께가 너무 얇은 경우, 코팅 경도 등 물성이 저하될 수 있으며, 소수성 무기 경화 층의 두께가 너무 두꺼운 경우, 코팅층에 크랙이 생기거나 코팅층이 박리되는 문제가 발생할 수 있다.
그리고, 상기 불소-실란 경화 층은, 이를 형성하기 위한 코팅액(이하 제2 코팅액이라 한다.)의 경화에 의해 형성될 수 있다.
발명의 다른 일 예에 따르면, 상기 불소-실란 경화 층은, 불화 폴리에테르실란의 경화물을 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불화 폴리에테르실란은 하기 화학식 3-1 내지 3-4로 표시되는 잔기(moiety)을 포함하는 화합물일 수 있다.
[화학식 3-1]
CF3-
[화학식 3-2]
-CF2-CF2-O-
[화학식 3-3]
-CF2-CF2-CF2-O-
[화학식 3-4]
-Si(R31)(R32)(R33)
상기 화학식 3-4에서, R31 내지 R33는 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알콕시 기이다.
상기와 같은 불화 폴리에테르 실란은, 일 말단에 플루오르화 카본을 포함하고, 다른 일 말단에는 알콕시 실란 기를 포함하며, 중간에 플루오르화 에톡시, 혹은 플루오르화 프로폭시 그룹을 구비한 형태의 화합물로, 제1 코팅층과 직접적으로 공유 결합을 형성하여 단단한 코팅층을 형성할 수 있으며 다량의 불소 사슬 덕분에 코팅층의 표면 에너지를 극단적으로 낮출 수 있다.
제2 코팅액에서 상기 불화 폴리에테르 실란은, 알콕시 불화알킬 계열 용매와 함께 사용될 수 있다.
여기에 사용되는 알콕시 불화알킬 계열 용매는, 다음 화학식 4로 표시되는 에테르 화합물일 수 있다.
CF3-(CF2)n-O-(CH2)m-CH3
상기 화학식에서, n 및 m 은, 각각 독립적으로, 1 내지 5의 정수일 수 있다.
상기 에테르 화합물은, 산소를 중심으로 한 쪽에는 플루오르가 치환되지 않은 알킬 그룹이 연결되고, 다른 한 쪽에는 모든 수소 원자가 플루오르로 치환된 알킬 그룹이 연결된다.
이러한 에테르 화합물은 상술한 불화 폴리에테르 실란 화합물과 상용성이 우수하여, 불화 폴리에테르 실란 화합물을 제2 코팅액 내에서 균일하게 분산시킬 수 있다.
그리고, 상기 불소 오일층은, 이를 형성하기 위한 코팅액(제3 코팅액)의 도포로 형성될 수 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불소 오일층은 불화 폴리에테르 오일을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 불화 폴리에테르 오일은 하기 화학식 4-1 내지 4-3로 표시되는 그룹을 포함하는 화합물일 수 있다.
[화학식 4-1]
CF3-
[화학식 4-2]
-CF2-CF2-O-
[화학식 4-3]
-CF2-CF2-CF2-O-.
상기와 같은 폴리 에테르 오일은, 양 말단에 CF3를 포함하고, 내부에 퍼플루오로알킬렌 옥사이드 반복 단위를 포함하는, 일종의 퍼플루오로폴리에테르로, 이러한 화학 구조로 인해 불소-실란 경화 층과는 우수한 접합을 유지하면서도, 윤활 효과를 구비하게 하여, 오염 방지 성능을 구현할 수 있다.
불소 실란 경화 층이 형성된 금속 표면에 상기 제3 코팅액 도포 시, 도포 두께는 약 0. 1 내지 약 100㎛일 수 있다.
두께가 너무 얇은 경우, 윤활 효과가 저하될 수 있으며, 두께가 너무 두꺼운 경우, 경우에는 윤활액이 표면에서 흐르는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 불소-실란 경화 층 및 불소 오일 층의 두께의 합은, 약 0.1 내지 약 200 ㎛, 또는 약 0.1㎛ 이상, 또는 약 0.5㎛ 이상, 또는 약 1㎛ 이상, 또는 약 200㎛ 이하, 또는 약 150㎛ 이하, 또는 약 100㎛ 이하일 수 있다.
불소 실란 경화 층의 경화 두께가 너무 얇은 경우, 코팅이 제대로 이루어지지 않아, 표면의 불소 함량이 낮아서 적절히 낮은 표면 에너지를 유지할 수 없으며, 불소 실란 경화 층의 경화 두께가 너무 두꺼운 경우, 고분자 실란이 덩어리로 뭉치는 바, 코팅층이 균일하게 형성되지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
그리고, 상기 부착 방지 코팅 층은, 폴리디알킬실록산 경화물 및 실리콘 오일을 포함할 수 있다.
이 경우, 실리콘 오일을 폴리디알킬실록산 가교 중합체 내에 가두어 둘 수 있어, 우수한 부착 방지 성능을 발휘할 수 있으면서도, 코팅 층의 내구성이 우수하고, 코팅 표면이 고체 상태를 유지하여, 미끄럽지 않고, 실리콘 성분이 표면 외로 용출되지 않는 특징이 있다.
상기 부착 방지 코팅 층은, 양 말단에 에틸렌성 불포화 그룹을 구비한 폴리디알킬실록산, 유기 용매, 및 실리콘 오일을 포함하는, 제1액; 및 가교제를 포함하는 제2액을 포함하는, 이액형 코팅액에 의해 형성될 수 있다.
상기 폴리디알킬실록산 은, 하기 화학식 5로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 5]
상기 화학식 5에서,
n은 실록산 반복 단위의 반복 수로, 10 내지 1,000 의 정수이고,
R1 및 R8은 각각 독립적으로, 수소 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬이고,
R2 내지 R7은 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알킬이다.
상기 n은 약 10 이상, 또는 약 30 이상, 또는 약 50 이상일 수 있고, 1000 이하, 또는 약 500 이하, 또는 약 300 이하, 또는 약 100 이하일 수 있다.
상기와 같이 양 말단에 에틸렌성 불포화 그룹을 구비한 폴리디알킬실록산 단량체는, 일종의 긴 사슬을 구비한 단량체로, 다른 단량체 성분들과 중합이 가능하다.
이러한 폴리디알킬실록산 단량체와 가교제를 사용하여 코팅층을 형성하고 중합을 진행하는 경우, 폴리디알킬실록산 단량체와 가교제에 의한 가교 결합이 형성되어, 디알킬실록산 단위의 사슬에 의한 네트워크 구조가 형성될 수 있다.
특히, 상기와 같은 폴리디알킬실록산 단량체는, 부착 방지 성능을 구현하기 위한 실리콘 오일과 거의 동일한 화학적 성질을 가지고 있어, 실리콘 오일과의 상용성이 매우 우수하고, 이에 따라 실리콘 오일이 상기 폴리디알킬실록산에 의한 네트워크 구조에 잘 포집될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따른 코팅용 조성물을 이용하여 코팅 층을 형성하면, 폴리디알킬실록산 단량체와 가교제에 의한 가교 네트워크 사이에 실리콘 오일 성분이 포집되어, 부착 방지 효과를 구현할 수 있으면서도, 실리콘 오일이 가교 네트워크 외부로 용출되지 않을 수 있다.
또한, 상기와 같은 폴리디알킬실록산 단량체는, 가교 중합 이후에는 그 결합 강도가 매우 강하여, 코팅 층 형성 시, 코팅 층의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 폴리디알킬실록산 단량체에서 실록산 반복 단위의 수는 폴리디알킬실록산 사슬의 길이를 결정짓는 것으로, 결국 가교 중합 이후, 가교 네트워크 구조에서 빈 공간의 크기와 관련이 있으며, 이 빈 공간의 크기는 실리콘 오일이 가교 중합 네트워크 외부로 용출되는지 여부와 직접적인 연관이 있다.
이러한 관점에서, 상기 n은 약 10 이상, 또는 약 30 이상, 또는 약 50 이상일 수 있고, 1000 이하, 또는 약 500 이하, 또는 약 300 이하, 또는 약 100 이하일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 n 값은 함께 사용한 실리콘 오일의 분자 크기와 더 관련이 있다.
이 때, 상기 폴리디알킬실록산 성분:실리콘 오일의 중량 비율은 약 1:5 내지 약 5:1, 또는 약 1:5 내지 약 3.5:1, 혹은, 1:3.5 내지 2.5:1인 것이 바람직할 수 있다.
상기 범위를 벗어나 실리콘 오일이 지나치게 많이 포함되는 경우, 조성물에 의해 형성되는 부착 방지 코팅의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 코팅 층 형성을 위한 경화가 더디게 진행되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 실리콘 오일이 지나치게 적게 포함되는 경우, 부착 방지 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 유기 용매는, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 에틸아세테이트, 2-부탄올, 자일렌 및 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 용매는, 실리콘 오일을 고르게 분산시키기 위하여 사용되는 것인 바, 본 발명이 반드시 여기에 한정되는 것은 아니고, 케톤 류, 알코올 류, 아세테이트 류, 및 방향족 화합물 류 중에, 실리콘 오일에 대한 용해도가 높은 용매를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 오일은 점도가 500cSt 이하, 혹은, 1 cSt 이상, 500 cSt 미만으로, 그 하한 값은 약 1 cSt 이상, 또는 약 5 cSt 이상, 또는 약 7 cSt 이상일 수 있고, 그 상한 값은 약 500 cSt 미만, 또는 약 400 cSt 이하, 또는 약 300 cSt 이하, 또는 약 150 cSt 이하일 수 있다.
실리콘 오일의 점도가 너무 낮은 경우 부착 방지 효과를 구현하기 위해 필요한 오일의 함량이 증가하게 되고 이로 인해 피착체와의 밀착성이 저하되어 코팅이 벗겨질 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 실리콘 오일의 점도가 너무 높은 경우, 코팅 시 오일이 표면으로 용출되어 오일에 의한 오염이 발생할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 실리콘 오일은 중량 평균 분자량 값이 약 1,000 내지 약 10,000, 또는 약 1,000 내지 약 5,000 인 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
실리콘 오일의 분자량 값이 너무 낮은 경우 실리콘 오일의 점도가 낮은 경우와 마찬가지로 부착 방지 효과를 내기 위해 오일의 함량이 증가하게 되고 이로 인해 내열수 평가 시 기재와의 밀착성이 떨어져 코팅이 벗겨질 수 있는 문제점이 발생할 수 있으며, 실리콘 오일의 분자량 값이 너무 높은 경우 실리콘 오일의 점도가 너무 높은 경우와 마찬가지로 코팅 시 오일이 표면으로 용출되어 오일에 의한 오염이 발생할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1액은, 휘발성 분지형 실록산 화합물을 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 휘발성 분지형 실록산은, 실리콘 오일, 에틸렌성 불포화 그룹을 구비한, 폴리디알킬실록산, 기타 유사 계열 화합물의 분산성을 향상시켜, 코팅 층 형성 시 코팅성을 향상시켜줄 수 있으며, 도포 이후에는 휘발되어 코팅 층 내에서 제거될 수도 있다.
이러한 화합물의 예시로는, 테트라(트리알킬실록시)실란 화합물을 들 수 있고, 여기에서 알킬 그룹은, 탄소 수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지 쇄 알킬 그룹일 수 있다.
더 구체적으로 예를 들어, 상기 휘발성 분지형 실록산 화합물은 테트라(트리메틸실록시)실란, 테트라(트리에틸실록시)실란, 테트라(트리프로필실록시)실란, 테트라(트리이소프로필실록시)실란, 테트라(트리부틸실록시)실란, 테트라(트리이소부틸실록시)실란 등을 들 수 있다.
그리고, 상기 가교제는, 3 이상의 에틸렌성 불포화 그룹을 포함하는 실록산 화합물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 가교제는, 하기와 같이 실록 반복 단위들이 연결된 고리형 실록산일 수 있다.
상기 화학식에서, n은 3 이상 10 이하, 또는 3 내지 7이하일 수 있고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알킬기, 또는 에틸렌성 불포화 그룹을 포함하는 탄소 수 2 내지 5의 알킨(Alkene)이고, 상기 R1 및 R2 중 적어도 하나는 에틸렌성 불포화 그룹을 포함하는 탄소 수 2 내지 5의 알킨(Alkene)이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 조성물에서는, 양 말단에 에틸렌성 불포화 그룹을 구비한, 폴리디알킬실록산이 상기 가교제를 중심으로 중합되어, 그물 형태의 가교 네트워크를 형성할 수 있다.
발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 제1액 및 제2액은, 각각 독립적으로, 에틸렌성 불포화 그룹에 의해 표면 개질된 실리카를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 에틸렌성 불포화 그룹에 의해 표면 개질된 실리카 화합물은, 실리카 그룹의 표면에서 실라놀 그룹의 말단에, 비닐 그룹, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬화 비닐 그룹, 탄소 수 1 내지 5의 디알킬화 비닐 그룹 등의 에틸렌성 불포화 그룹이 연결된 형태일 수 있다.
상기와 같이 에틸렌성 불포화 그룹에 의해 표면 개질된 실리카 화합물은 중합 과정에서 에틸렌성 불포화 그룹이 상술한 가교제, 및/또는 양 말단에 에틸렌성 불포화 그룹을 구비한, 폴리디알킬실록산 화합물과 연결되어, 역시 그물 형태의 가교 네트워크를 형성하는 역할을 할 수 있으며, 특히 중합에 의해 형성된 코팅 층의 기계적 물성 및 치수 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 명세서는, 기재 표면의 일부에, 소수성 무기 경화 층을 포함하는 제1 영역을 형성하는 단계; 상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 부착 방지 코팅 층을 포함하는 제2 영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 영역에 윤활 층을 형성하는 단계를 포함하는, 오염 방지 표면 형성 방법을 제공한다.
각 층을 형성하기 위해 필요한 코팅 액에 대해서는 전술한 것으로 갈음한다.
코팅 액의 도포 시, 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 직접 붓 등의 도구로 도포하거나, 점도를 적절히 조절한 후 분무하거나, 바를 이용하여 코팅하는 등, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 선택할 수 있다.
도포 후, 상온에서 약 10분 내지 약 1시간 동안 건조를 진행할 수 있다. 이러한 건조 조건은, 함께 사용한 용매의 종류 및 양에 따라 달라질 수 있다.
건조 이후, 약 100 내지 약 150 ℃의 온도 조건에서 약 30분 내지 약 2시간 동안 경화를 진행할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 물품 표면에 오염물이 부착되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면의 단면을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 구현되는 효과를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물품에서 오염 방지 효과가 구현되는 예를 도시한 모식도이다.
도 4는, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면을 상부에서 관찰한 모습을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
도 5은, 본 발명의 다른 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면을 상부에서 관찰한 모습을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
도 6 및 도 7는, 본 발명의 일 예에 따른 오염 방지 표면이 구비된 물품에서, 오염 방지 표면의 단면을 모식적으로 나타낸 이미지이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염 방지 표면을 구비한 물품 제조를 위한 공정을 간단히 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염 방지 물품의 오염 방지 성능 평가를 나타낸 사진이다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
윤활 층은, 소수성 무기 경화 층, 및 상기 소수성 무기 경화 층 상에 형성된 불소-실란 경화 층, 및 상기 불소-실란 경화 층 상에 형성된 불소 오일 층의 형태로 구성하였다.
소수성 무기 경화 층 형성용 코팅액(이하, 제1-1 코팅액)으로 다음과 같이 준비하였다.
알킬-트리알콕시 실란 성분으로는 메틸-트리메톡시 실란을 5 중량부 사용하고, 테트라알콕시 실란 성분으로는 테트라에톡시 실란 1 중량부를 사용하고, 유기 산 성분으로는 물에 희석된 6 wt% 아세트산 용액을 4 중량부 사용하여, 이들을 혼합하였다. (pH 약 2.3)
상기 코팅액 100 중량부 대비 용매로 약 50 중량부의 이소프로필알코올을 이용해 희석하여 제1-1 코팅액을 제조하였다.
불소-실란 경화 층 형성용 코팅액(이하, 제1-2 코팅액)으로 다음과 같이 준비하였다.
불화 폴리에테르 실란 성분으로는, Daikin 사의 퍼플루오로폴리에테르-실란인 Optool-DSX를 용매인 3M 사의 Novec-7200에 1wt% 농도로 용해시켜 사용하였다.
불소 오일 층 형성용 코팅액(이하, 제1-3 코팅액)으로 다음과 같이 준비하였다.
불화 폴리에테르 오일 성분으로는, Daikin 사의 퍼플루오로폴리에테르인 DEMNUM-S65를 용매인 3M 사의 Novec-7200에 1wt% 농도로 용해시켜 사용하였다. (건조 후 표면 에너지 18mN/m2; 제조 사 TDS 자료 기준)
부착 방지 코팅 층 형성을 위한 코팅액(이하, 제2 코팅액)으로는 양 말단에 에틸렌성 불포화 그룹을 구비한 폴리디알킬실록산 및 가교제로 Dow 사의 Sylgard (R)184 silicone elastomer kit, 베이스 수지 2 중량부 및 가교제 0.2 중량부를 사용하고, 실리콘 오일로는, 25 ℃에서 측정한 점도 값 10cSt인 (Kinematic viscosity, 표면 에너지 21mN/m, 제조사 TDS 자료 기준), Gelest 사의 폴리디메틸실록산 계열 실리콘 오일 3.3 중량부를 준비하고, 여기에 용매로 메틸에틸케톤 3 중량부를 사용하여, 혼합하였다.
실시예 1
오염 방지 표면을 구비한 물품 제조를 위하여, 도 8에 도시된 공정에 따라 진행하였다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염 방지 표면을 구비한 물품 제조를 위한 공정을 간단히 나타낸 도면이다.
윤활 층을 형성하기 위한 기재(이하, 제1 기재, 110)로, 두께 1mm, 가로 세로 각 1cm인 슬라이드 글라스를 준비하였다. 붓을 이용하여 제1 기재의 표면에 상기 제1-1 코팅액을 도포하고, 상온에서 약 30분 간 건조한 후, 약 130 ℃ 온도 조건에서 약 1시간 동안 경화하여, 약 5㎛ 두께의 소수성 무기 경화 층(210)을 형성하였다.
여기에 다시 붓을 이용하여 상기 제1-2 코팅액을 도포하고, 상온에서 약 30분 간 건조한 후, 약 130 ℃ 온도 조건에서 약 1시간 동안 경화하여, 약 50nm 두께의 불소-실란 경화 층(220)을 형성하였다.
이와 별도로, 부착 방지 코팅 층 형성을 위한 기재(이하, 제2 기재, 120)로, 두께 1mm, 가로, 세로 각 3cm인 슬라이드 글라스를 준비하고, 롤러를 이용하여 제2 기재의 표면에 상기 제2 코팅액을 도포하였다. (건조 두께 기준 약 1mm)
상기 제2 기재의 표면에 도포된 제2 코팅액이 완전히 경화되기 전에 그 중앙에 상기 제2 코팅액이 상기 불소-실란 경화 층이 형성된 제1 기재를 둘러싸는 형태가 되도록 제1 기재를 위치시키고, 상기 물품을 상온에서 약 6시간 동안 양생하여, 건조 두께 약 1mm의 부착 방지 코팅 층(300)이 형성된 시편을 제조하였다.(부착 방지 코팅 층 표면 에너지: 23 mJ/m2)
상기 제2 기재의 부착 방지 코팅 층으로 둘러싸인 제1 기재의 불소-실란 경화 층(220) 상에 붓을 이용하여 상기 제1-3 코팅액을 약 10㎛의 두께로 도포하여, 불소 오일 층(230)을 형성하였다.
실시예 2
제1 기재로 지름이 2cm인 볼록 렌즈를 사용하고, 제2 기재로 지름이 3.5cm인 오목 렌즈를 사용하여, 윤활 층이 볼록한 형태가 되도록 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 진행하였다.
실시예 3
불소 오일 층 형성용 코팅액(제1-3 코팅액)으로 다음과 같이 준비하였다.
불화 폴리에테르 오일 성분으로는, Daikin 사의 퍼플루오로폴리에테르인 DEMNUM-S200를 용매인 3M 사의 Novec-7200에 1wt% 농도로 용해시켜 사용하였다. (경화 후 표면 에너지 19mN/m2; 제조 사 TDS 자료 기준)
그 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 진행하였다.
실시예 4
윤활 층 형성을 위해, 제1-1 및 제1-2 코팅액을 사용하는 대신, 기재에 대전 방지용으로 사용되는 테플론 시트(제조 사: ALPHAFLON, 제품명: AG018AD.AS, 두께: 0.18mm, 표면 에너지: 19 mN/m2)를 붙여 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 진행하였다.
비교예 1
기재 표면의 중심부에 윤활 층만 형성되도록 하였다. (부착 방지 코팅 층 부재)
윤활 층을 형성하기 위한 기재로, 두께 1mm, 가로 세로 각 3cm인 슬라이드 글라스를 준비하였다. 붓을 이용하여 제1 기재의 표면에 상기 제1-1 코팅액을 도포하고, 상온에서 약 30분 간 건조한 후, 약 130 ℃ 온도 조건에서 약 1시간 동안 경화하여, 약 5㎛ 두께의 소수성 무기 경화 층을 형성하였다.
여기에 다시 붓을 이용하여 상기 제1-2 코팅액을 도포하고, 상온에서 약 30분 간 건조한 후, 약 130 ℃ 온도 조건에서 약 1시간 동안 경화하여, 약 50nm 두께의 불소-실란 경화 층을 형성하였다.
상기 불소-실란 경화 층(220) 상에 붓을 이용하여 상기 제1-3 코팅액을 약 10㎛의 두께로 도포하여, 불소 오일 층을 형성하였다.
비교예 2
기재 표면의 중심에 부착 방지 코팅 층만 형성되도록 하였다.
기재로, 두께 1mm, 가로 세로 각 3cm인 슬라이드 글라스를 준비하였다.
기재 중심부에 붓을 이용하여 가로 세로 1cm 크기로 상기 제2 코팅액을 도포하고, 상온에서 약 6시간 동안 양생하여, 건조 두께 약 1mm의 코팅 층이 형성된 시편을 제조하였다.
참고로, 상기 비교예 1 및 2는 모두 친수성 표면인 슬라이드 글라스에 소수성 표면이 형성된 예시로 볼 수 있다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 소수성 무기 경화 층(210) 및 불소-실란 경화 층(220)을 형성하기 위한 과정을 생략하고, 제2 기재의 부착 방지 코팅 층으로 둘러싸인 제1 기재 상에 붓을 이용하여 상기 제1-3 코팅액을 약 10㎛의 두께로 도포하여, 불소 오일 층(230) 만을 형성하였다.
오염 방지 성능 평가
평가를 위한 오염물로, 친수성 물질인 염화 칼륨(KCl) 포화 수용액, 소수성 물질인 순간 접착제(Loctite 495)를 준비하였다.
상기 실시예 및 비교예의 윤활 층 계면에 오염물 각 100㎕ 씩 떨어뜨리고, 윤활 층에서 부착 방지 코팅 층으로 오염물의 자발적 이동이 발생하는지 여부와, 부착 방지 코팅 층에서 오염물의 탈락이 가능한지 여부를 각각 O, X로 평가하였다.
각 평가 결과를 하기 표에 정리하였다.
염화칼륨 (KCl)
포화 수용액		 순간 접착제
이동 탈락 이동 탈락
실시예 1 O O O O
실시예 2 O O O O
실시예 3 O O O O
실시예 4 O O O O
비교예 1 O X O X
비교예 2 O X O X
비교예 3 X X X X
본 발명의 일 실시예에 따른 오염 방지 물품은, 오염물이 부착되더라도, 윤활 층과 부착 방지 코팅 층의 계면에서 윤활 층으로부터 부착 방지 코팅 층으로 오염물이 이동하고, 이후 부착 방지 코팅 층에서 오염물이 탈락하여, 오염 방지 성능이 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 윤활 층 만을 형성하거나(비교예 1), 부착 방지 코팅 층 만을 형성하거나(비교예 2), 혹은 본원 발명과 유사한 구조를 가지더라도, 윤활 층이 제대로 형성되지 않는 경우, 오염물의 자발적 이동이나 탈락이 제대로 구현되지 않아, 오염 방지 성능이 미흡한 것을 확인할 수 있었다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염 방지 물품의 오염 방지 성능 평가를 나타낸 사진이다.
도 9를 참조하면, 윤활 층과 부착 방지 코팅 층의 계면에서 윤활 층으로부터 부착 방지 코팅 층으로 오염물이 이동하고, 이후 부착 방지 코팅 층에서 오염물이 탈락하는 것을 확인할 수 있다.

Claims (17)

  1. 기재;
    상기 기재 표면의 일부에 존재하며, 윤활 층이 형성된 제1 영역; 및
    상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 존재하며, 부착 방지 코팅 층이 형성된 제2 영역을 포함하는,
    오염 방지 표면을 구비한 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역의 표면 에너지가 상기 제1 영역의 표면 에너지보다 큰, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 윤활 층은 표면 에너지가 20 mJ/m2 미만인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부착 방지 코팅 층은 표면 에너지가 20 mJ/m2 이상인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부착 방지 코팅 층은 표면 에너지가 40 mJ/m2 이하인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역이 상기 제1 영역을 둘러싸는 형태로 형성되는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역은, 볼록 혹은 오목한 형태로 형성되는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 윤활 층의 두께는 0.1 내지 200 ㎛인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 윤활 층은, 소수성 무기 경화 층, 및 상기 소수성 무기 경화 층 상에 형성된 불소-실란 경화 층, 및 상기 불소-실란 경화 층 상에 형성된 불소 오일 층을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소수성 무기 경화 층은, 알킬-트리알콕시 실란 및 테트라알콕시 실란의 경화물을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 소수성 무기 경화 층의 두께는 0.05 내지 20 ㎛ 인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 불소-실란 경화 층은, 불화 폴리에테르실란의 경화물을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 불소 오일 층은, 불화 폴리에테르 오일을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 불소-실란 경화 층 및 불소 오일 층의 두께의 합은, 0.1 내지 200 ㎛ 인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 부착 방지 코팅 층은, 폴리디알킬실록산 경화물 및 실리콘 오일을 포함하는, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 실리콘 오일은, 점도가 1000 cSt 이하인, 오염 방지 표면을 구비한 물품.
  17. 기재 표면의 일부에, 소수성 무기 경화 층을 포함하는 제1 영역을 형성하는 단계;
    상기 기재 표면 중 상기 제1 영역이 아닌 영역 중 적어도 일부에 부착 방지 코팅 층을 포함하는 제2 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 영역에 윤활 층을 형성하는 단계를 포함하는,
    오염 방지 표면 형성 방법.
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