WO2016036001A1 - 초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2016036001A1
WO2016036001A1 PCT/KR2015/007593 KR2015007593W WO2016036001A1 WO 2016036001 A1 WO2016036001 A1 WO 2016036001A1 KR 2015007593 W KR2015007593 W KR 2015007593W WO 2016036001 A1 WO2016036001 A1 WO 2016036001A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
repellent
polymer
super water
ratchet
mother substrate
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/007593
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김동립
이관수
이흥수
장한민
조영준
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020140115489A external-priority patent/KR101535390B1/ko
Priority claimed from KR1020140116094A external-priority patent/KR101528708B1/ko
Priority claimed from KR1020150068588A external-priority patent/KR101602104B1/ko
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to US15/507,596 priority Critical patent/US10503063B2/en
Publication of WO2016036001A1 publication Critical patent/WO2016036001A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/56—Coatings, e.g. enameled or galvanised; Releasing, lubricating or separating agents
    • B29C33/60—Releasing, lubricating or separating agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/56—Coatings, e.g. enameled or galvanised; Releasing, lubricating or separating agents
    • B29C33/60—Releasing, lubricating or separating agents
    • B29C33/62—Releasing, lubricating or separating agents based on polymers or oligomers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B29C41/02—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C41/08—Coating a former, core or other substrate by spraying or fluidisation, e.g. spraying powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/005—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor characterised by the choice of material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/04—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using liquids, gas or steam
    • B29C35/041—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using liquids, gas or steam using liquids
    • B29C2035/042—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using liquids, gas or steam using liquids other than water
    • B29C2035/043—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using liquids, gas or steam using liquids other than water oil
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/02—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing
    • B29C59/022—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing characterised by the disposition or the configuration, e.g. dimensions, of the embossments or the shaping tools therefor
    • B29C2059/023—Microembossing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/42—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the shape of the moulding surface, e.g. ribs or grooves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0037—Other properties
    • B29K2995/0093—Other properties hydrophobic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • F28F19/04—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings of rubber; of plastics material; of varnish
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04—Coatings; Surface treatments hydrophobic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/20—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes with nanostructures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)

Abstract

초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법을 제공한다. 초발수 계층구조체를 활용하고 그 위에 폴리머 물질을 기계적으로 몰딩하는 방법만을 사용하여 간단하게 초발수 폴리머 계층구조체를 반복적으로 제작할 수 있다. 또한, 담금법 및 진공건조를 이용하여 열교환기의 전열면에서의 초발수 특성을 부여하여 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제공할 수 있다.

Description

초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법
본 발명은 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 미끄럼각 최소화를 위한 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 나비의 날개, 거미줄, 선인장의 가시 구조 등의 자연모사로부터 시작된, 물방울을 한 방향으로 움직이게 하는 기술 연구는 물 수확(water harvesting)이나 열교환기 등에서의 응축수 배수 또는 미세유체공학(microfluidic) 산업에서 주목받고 있는 기술이다.
하지만, 지금까지의 한 방향으로 물방울을 움직이게 하는데 있어서, 물질 표면에 물방울의 한 방향 거동을 위한 나노 또는 마이크로 구조체를 만든 경우, 표면을 기울였을 때, 한 방향으로 물방울이 굴러떨어짐 현상을 구현하거나, 자기장, 진동 등에 의해 여기된 힘을 외부에서 가함으로써 물방울을 한 방향으로 굴러 떨어뜨릴 수 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0011213(2010.02.03.)에서는 초소수성 표면을 갖는 재료의 제조방법 및 이에 따라 제조된 초소수성 재료에 관하여 개시되었으나, 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부힘 없이 물방울을 일 방향으로 거동시킬 수 있는 구조에 대하여는 개시된 바 없다.
한편, 최근 나비의 날개, 거미줄, 선인장의 가시 구조 등의 자연모사로부터 시작된 초발수성 기술 연구는 금속 표면뿐만 아니라 폴리머와 같은 다양한 물질에 적용하여 물 수확(water harvesting)이나 응축수 배수 및 자가세정(self-cleaning)이 요구되는 주방기기, 미세유체공학(microfluidic), 항공 및 자동차 산업 등에서 주목받고 있는 기술이다.
지금까지 폴리머 물질의 초발수성 구현을 위해서는 폴리머 위에 발수 코팅재를 사용하거나 폴리머 자체에 직접 나노/마이크로구조를 식각 혹은 증착 방식을 이용하여왔다.
그러나 이 방법은 대면적화의 어려움, 높은 공정단가 등의 문제점 때문에 실제 제품화에는 어려움이 있었다. 규칙적인 구조체 배열 등이 필수적인 초발수 응용분야(일방향 응축수 배수 등)에서 이러한 문제점은 더욱 크게 부각되었다.
한편, 열교환기의 전열성능은 전열면의 물에 대한 젖음 특성에 따라서 그 효율이 크게 좌우 될 수 있다.
예를 들어, 냉장고, 에어컨, 히트펌프 등에 적용되는 열교환기의 전열면에서는 응축현상과 서리착상 현상이 일어나게 된다. 이에 대한 효율감소를 최소화하기 위해 열교환기 전열면에 식각을 통해 나노/마이크로 구조를 만들고, 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방법이나 전기화학증착법(electro chemical deposition) 또는 딥코팅(dip coating)등의 방법으로 불소계(fluoro) 또는 실란계(silane)의 발수 또는 초발수 코팅을 하여 전열면에서의 발수 또는 초발수 특성에 의한, 적상응축 유도, 서리착상 지연 효과 증대를 통한 열교환기 효율을 향상시키는 연구가 활발히 진행되어 왔다.
하지만, 종전의 연구는 접촉각 증가를 통한 적상응축 및 서리착상 지연 효과에 대한 연구가 대부분이며, 열교환기 효율 향상에 중요한 응축수 배수에 관한 연구는 미미한 실정이다. 또한, 코팅재 만으로는 상기 언급한 효과 증대를 위한 접촉각 극대화가 어려워 추가적으로 전열면의 나노/마이크로 구조화가 필요한데, 종전의 연구는 이미 제작이 완료된, 복잡한 형상을 가지고 있는 열교환기에 나노/마이크로 구조체를 제작할 수 있는 공정을 바로 적용하지 못하는 한계로 인하여, 열교환기를 구성하고 있는 각각의 부재에 대해서 각각 나노/마이크로 구조체를 만들고, 최종적으로 각각의 부재를 조립하여 발수 또는 초발수 열교환기를 제작하였다. 예를 들어, 일본 공개특허 특개평6-307793(1994.11.01.)에서는 공기측 전열면의 표면에 미리 서브 미크론의 마이크로 요철을 형성하고, 상기 요철 상에 나노미터 크기의 얇은 막 두께의 분기상 불화 탄소계 단분자막을 형성하여 발수처리하였다.
이에 따라, 종전에 연구는 여러 가지 한계점이 있었다.
첫째, 열교환기 전열면의 접촉각 증가에 따른 적상응축 및 서리착상 지연의 효과가 있었음에도 불구하고, 응축된 액적이 전열면에 붙어있는 현상으로 인하여 서리착상 또는 제상작업시 전열면에 발생한 응축수의 배수가 용이하지 않은 문제가 있었다. 따라서, 착제상 사이클이 반복 됨에 따라 열전달 성능이 저하되는 문제로 실제 열교환기 산업에 적용되기 어려웠다.
둘째, 발수 또는 초발수 특성은 낮은 표면에너지와 나노/마이크로 구조체의 형성으로부터 야기되는데, 열교환기 부재에 형성될 수 있는 낮은 표면에너지를 위한 발수 코팅과 나노/마이크로 구조체는 본래 열에 대한 저항성과 기계적 강도가 낮다. 따라서, 각각의 열교환기 부재를 조립하는 과정에서 가해지는 힘 또는 열에 의해, 각각의 부재에 형성되어 있는 발수코팅이나 나노/마이크로 구조체가 손상될 수 있고 이에 따라 발수 또는 초발수 특성이 상당 부분 저하 될 수 있다.
셋째, 각각의 열교환기의 부재에 발수 또는 초발수 특성을 구현한 이후, 조립해야 하므로 공정이 복잡해짐에 따라 비용 및 시간이 많이 소모되는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미끄럼각 최소화를 위한 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열교환 효율이 향상된 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 열교환기의 전열면에 맺히는 물방울을 효율적으로 제거할 수 있는 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체는 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계, 상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 모체기판은 금속기판, 세라믹기판, 또는 폴리머기판일 수 있다.
또한, 상기 모체기판을 제작하는 단계는, 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계 및 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때의 초발수 나노 구조체는 초발수 나노선 구조체이고, 이때의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
또한, 상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 모체기판을 제작하는 단계, 상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계; 및 상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 초발수 나노 구조체는 나노선 또는 나노구 구조체인 것을 특징으로 한다.
또한, 초발수 나노구조체가 나노선 구조체인 경우, 상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는, 수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 이종 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 상기 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체를 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체는 상술한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 상기 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계, 상기 초발수 나노 구조체 상에 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성하는 단계, 상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리 및 세척하는 단계를 포함하고, 상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10°미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모체기판은 금속기판, 세라믹기판, 또는 폴리머기판일 수 있다.
또한, 상기 모체기판을 제작하는 단계는, 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계 및 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
또한, 상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체, 나노구 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 수열합성법, 화학용액 식각법 또는 나노구조체 도포법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보호층의 두께는 20 nm 내지 300 nm일 수 있다.
또한, 상기 보호층은 금속물질 또는 폴리머물질을 포함할 수 있다. 이때의 상기 보호층의 금속물질은 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 보호층의 폴리머물질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 제공한다. 상기 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 초발수 나노 구조체 상에 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리 및 세척하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리 및 세척하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 이종 폴리머는 10°미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
또한, 상기 보호층의 20 nm 내지 300 nm일 수 있다.
또한, 상기 보호층은 금속물질 또는 폴리머물질을 포함할 수 있다. 이때의 상기 보호층의 금속물질은 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 보호층의 폴리머물질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)을 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 폴리머 계층구조체를 제공한다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체는 상술한 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법에 의해 제조된 것일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 제공한다. 상기 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법은 기제작된 열교환기를 준비하는 단계, 상기 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 상기 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 및 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 기제작된 열교환기를 준비하는 단계 및 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 사이에, 상기 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때의 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계는 상기 열교환기 중 적어도 전열면의 자연산화막을 제거하는 것을 특징으로 한다. 이러한 염기성 용액은 NaOH를 포함할 수 있다.
또한, 이때의 식각용액은 묽은 염산용액을 포함할 수 있다.
또한, 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계는, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계 이후에, 상기 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때의 오일은 불소화 오일을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 상기 오일을 도포하는 단계는 상기 나노/마이크로 구조체 사이로 오일을 침투시킴으로써 물방울의 부착력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제공한다.
이러한 초발수 특성을 갖는 열교환기는 전열면 및 적어도 상기 전열면을 포함하는 표면에 형성된 나노/마이크로 구조체를 포함하고, 상기 나노/마이크로 구조체는 오일 도포된 것을 특징으로 한다.
이때의 나노/마이크로 구조체는 진공건조법에 의해 표면의 친수이온이 제거된 것일 수 있다.
또한, 이러한 오일도포의 오일은 불소화오일일 수 있다.
또한, 이러한 나노/마이크로 구조체가 형성된 전열면은 미끄럼각이 10°이하일 수 있다.
본 발명에 따르면, 래칫구조와 초발수 나노 구조체를 이용하여 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있는 초발수 폴리머 계층구조체를 제공할 수 있다.
또한, 상부 표면에 래칫(ratchet)구조가 형성되고, 상기 래칫구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 활용하고 그 위에 폴리머 물질을 기계적으로 몰딩하는 방법만을 사용하여 간단하게 초발수 폴리머 계층구조체를 제작할 수 있다.
이에 더하여 모체에 대한 몰딩방법을 사용하는 만큼 초발수 폴리머 계층구조체를 반복적으로 제작할 수 있다.
제작된 초발수 폴리머 계층구조체는 미끄럼각(sliding angle)이 거의 10°미만인 바, 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서도 외부에서 가해주는 힘없이 물방울이 일방향으로 굴러 떨어지게 하며 향후 물 수확(water harvesting)이나 주방기기 및 배수관 등 다양한 산업에 적용이 가능하다.
본 발명에 따르면, 담금법(immersion method)을 이용해, 이미 제작이 완료된 열교환기에 초발수 특성을 구현할 수 있다. 즉, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액(solution)에 침지함으로 열교환기의 전열면을 용액 안에서 식각하여 전열면에 나노/마이크로 구조를 제작하고 진공건조 하거나 이에 더하여 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하여 초발수 특성을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다.
이로 인한 이점은, 첫째, 용액이 침투할 수 있는 영역에서는 모두 균일하게 초발수 특성을 구현할 수 있으므로, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액에 침지하여 손쉽게 초발수 열교환기를 제작할 수 있다. 따라서, 각각의 부재를 조립할 때 발생할 수 있는 나노/마이크로 구조체 또는 발수 코팅의 손상문제가 없다.
둘째, 용액을 이용하는 방법이므로 대면적 및 복잡한 형상에서도 적용이 가능하다.
셋째, 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작하는데 있어서, 이미 제작이 완료된 열교환기를 직접 사용하므로 공정이 간단하고 비용 및 시간이 적게 들게 되므로 향 후 열교환기 산업에서 쉽게 적용될 수 있다.
넷째, 열교환기의 전열면에서는 적상응축 또는 막상응축 현상이 일어나게 되는데, 초발수 전열면에서 나타나는 적상응축이 발생하는 경우 막상응축에 비해, 응축수에 의한 열저항을 최소화함으로써, 전열성능을 크게 향상 시킬 수 있다.
다섯째, 열교환기에서는 전열면에서 서리착상 현상이 일어나게 되어, 서리에 의한 전열저항 증가 및 유로의 막힘에 의한 압력손실이 발생할 뿐 아니라, 서리를 제거하는 제상작업 사이클이 자주 반복되면서 열교환기의 효율을 크게 저하 시키는 문제점이 있었다. 따라서 초발수 특성을 갖는 열교환기를 간단한 공정으로 제작할 수 있음에 따라, 전열저항, 압력손실, 제상작업 사이클 횟수의 최소화와 더불어 제상작업 시 서리가 잘 떨어지는 효과로 열교환기 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 나노/마이크로 구조체 상에 오일도포를 통해 물방울에 대한 부착력을 감소시켜 상기 언급한 효과로 열교환기 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 래칫 형상을 이루는 삼각형을 나타낸 그림이다.
도 3은 래칫 구조에서 물방울이 받는 힘의 원리를 나타낸 그림이다.
도 4는 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 기판의 도면들이다.
도 5는 비교예 1에 따른 폴리머 래칫(ratechet) 구조체 의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 7은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 9는 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 11은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 12는 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 13은 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 14는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 15는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 18은 본 발명의 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 19은 본 발명의 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 20는 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 반복 제작 후 접촉각을 측정한 결과이다.
도 21은 본 발명의 제조예 8에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 22은 본 발명의 제조예 8에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 23는 본 발명의 제조예 9에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 24는 본 발명의 제조예 9에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 25는 본 발명의 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 26은 본 발명의 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 27은 본 발명의 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 반복 제작 후 접촉각을 측정한 결과이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 29는 제조예 11에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 30 내지 도 33은 제조예 11에 따라 제조된 시편의 식각표면 거칠기를 측정한 이미지이다.
도 34 내지 도 37은 제조예 11에 따라 제조된 시편의 이미지 및 접촉각과 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 38은 제조예 12에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 39는 제조예 13에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 40은 제조예 14에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 41는 제조예 14에서 오일도포 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 42는 비교예 2에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 43은 비교예 2에서 오일도포 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 초발수의 의미는 접촉각(contact angle)이 150°이상이며, 미끄럼각(sliding angle)이 10°이하인 발수 특성을 의미한다. 이 때, 전술된 접촉각은 정지한 액체 표면이 고체 벽에 접촉되는 곳으로 액면과 고체면이 이루는 각을 말한다. 또한, 전술된 미끄럼각은 수평한 바닥면을 기준으로 액체가 흐르기 시작하는 기울기 각도를 의미한다.
나아가 '초발수 특성을 갖는'의 의미에는 상술한 접촉각 조건에 상관없이 미끄럼각이 10°이하인 경우도 포함할 것이다.
나아가 명세서 전반에 걸쳐 서술되는 '나노/마이크로 구조체'의 의미는 평균 입경이 수㎚ 내지 수㎛인 결정들을 포함하는 결정체를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 '열교환기'는 다른 유체간에 열에너지를 교환하는 기기 또는 장치를 의미하고, 적상응축, 서리착상지연, 또는 응축수의 쉬운 제거를 통해 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 대상 또는 기기를 모두 포함한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 '초발수 특성을 갖는 열교환기'는 열교환기 중 적어도 전열면이 초발수 특성을 갖는다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저, 모체 기판을 제작한다(S100). 이러한 모체 기판은 몰딩법을 수행하여 초발수 폴리머 계층구조체를 제작하기 위한 모체이다. 이때의 모체 기판은 초발수 폴리머 계층구조체를 반복생산하기 위한 내구성을 고려할 때 금속 기판, 세라믹 기판, 또는 폴리머 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 모체 기판은 알루미늄 기판, 스테인리스 강 기판, 실리콘 기판, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 또는 폴리프로필렌(PP) 기판 일 수 있다.
한편, 이러한 모체 기판은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 기판일 수 있다. 즉, 이와 같이 래칫구조와 초발수 나노 구조체 예컨대, 초발수 나노선 또는 나노구 구조체를 포함하는 모체기판은 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있다.
이때, 모체 기판을 제작하는 단계(S100)는 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계 및 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계는, 예를 들어, CNC(Computerized Numerical Control) 가공 등을 통하여 형성할 수 있다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각이다.
그 다음에, 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 두 가지 방법을 통하여 형성할 수 있다.
첫째, 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체를 형성하는 단계는, 상기 래칫 구조 상에 수열합성법, 화학기상증착법 또는 전기화학증착법을 이용하여 나노선 구조체를 형성한 후, 상기 형성된 나노선 구조체를 불소계 물질 또는 실란계 물질을 이용하여 발수코팅하여 초발수 나노선 구조체를 형성할 수 있다. 여기서 발수코팅을 하는 공정은 생략될 수도 있다.
둘째, 상기 방법과 동일한 방법으로 래칫 구조 상에 나노선 구조체를 형성한 후, 진공건조를 수행하여 초발수 나노선 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판을 코발트 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cobalt Nitrate Hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O)와 요소(Urea, CO(NH2)2)를 혼합한 산화코발트 전구체 혼합용액에 침지하여 95℃에서 12시간 동안 수열합성법으로 래칫 구조 상에 산화코발트 나노선을 성장시킨 후, 190℃ 진공분위기에서 1시간 동안 건조하여 산화코발트 초발수 나노선을 성장시킬 수 있다.
따라서, 상술한 특정 조건을 갖는 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체를 형성함으로써, 기판 표면을 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대 상기 기판 표면을 10°이하로 기울인 상태에서도, 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있는 모체 기판을 제작할 수 있다.
한편, 이때의 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체, 나노구 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
이하, 래칫 구조에 의해 물방울이 받는 힘의 원리에 대하여 도 2 및 도 3을 통하여 설명한다.
도 2는 래칫 형상을 이루는 삼각형을 나타낸 그림이다.
도 2를 참조하면 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각이다.
또한, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 d이고, 삼각형의 하부 변의 길이는 l이다.
도 3은 래칫 구조에서 물방울이 받는 힘의 원리를 나타낸 그림이다.
도 3을 참조하면, 표면 구조의 형상이 도 3과 같을 때, 표면구조로부터 물방울에 가해지는 힘은 하기 식 1과 같다.
[식 1]
Figure PCTKR2015007593-appb-I000001
식 1의 결과, 표면 구조에 의해 물방울에 가해지는 힘(F)은 W1과 W2의 차이가 증가할수록 커짐을 알 수 있다.
따라서, W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성함으로써, 기판 표면을 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대, 기판 표면을 10°이하로 기울인 상태에서도, 상기 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 그 다음에, 제작된 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포한다(S200).
이때의 액상 폴리머는 몰딩법에 사용될 수 있는 폴리머라면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
그 다음에, 이러한 모체기판 상에 도포된 폴리머를 양생한다(S300).
예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)의 경우 150℃ 온도에서 약 10분간 열을 가하게 되면 양생할 수 있고 폴리프로필렌(PP)은 180℃ 온도에서 약 30분간 액화를 시킨 후 모체기판 상에 도포한 후 냉각시키는 방법으로 양생할 수 있다.
그 다음에, 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리한다(S400). 따라서, 래칫 구조의 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 래칫 구조의 폴리머 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체가 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 나노홀(nano hole) 구조체가 형성된 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노구 구조체가 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 나노구홀(nano sphere hole) 구조체가 형성된 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 몰딩법을 통해 제조된 폴리머 계층구조체는 상부 표면에 모체기판과 같은 래칫구조가 형성될 것이고, 이러한 래칫구조 상에 모체기판의 나노 구조체와 반대형상의 나노구조체가 형성될 것이다. 따라서, 폴리머 계층구조체의 래칫 구조도 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족할 것이다. 따라서, 이러한 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 위치하게 되므로, 폴리머 계층구조체 역시 미끄럼각이 10°미만인 초발수 구조체가 된다.
따라서, 이러한 폴리머 계층구조체 역시 계층구조체를 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대, 계층구조체 표면을 10°이하로 기울인 상태에서도, 상기 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있다.
위 방법으로 제조된 초발수 폴리머 계층구조체는 다시 모체기판으로 활용되어 이러한 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계(S200), 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계(S300), 양생된 폴리머를 모체기판으로부터 분리하는 단계(S400)를 수행할 수 있고, 이 때에도 제조된 폴리머 계층구조체는 초발수 특성을 갖는다.
예를 들어, 본 발명에 따른 또 다른 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계 및 상기 분리된 이종 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 상기 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 본 발명에 따른 또 다른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계, 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계, 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계, 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계, 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계 및 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
제조예 1: 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판의 제작
CNC 가공을 이용하여 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판을 제작하였다.
도 4는 상부 표면에 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판의 도면들이다.
도 4를 참조하면, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각(W1)은 약 26.56°이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각(W2)은 약 90°이다. 따라서, W2 - W1의 절대값은 약 64°이다.
그리고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이(d)는 0.2㎜이고, 하부변의 길이(l)는 0.4㎜이다.
비교예 1
제조예 1에서 제작된 래칫구조가 형성된 알루미늄 모체기판에 몰딩 방식을 사용하여 폴리머 래칫 구조체를 제작하였다.
즉, 모체기판으로, 래칫구조 표면에 나노 구조체가 없는 깨끗한 표면을 사용하였고, 이러한 표면에 폴리머 물질로 폴리디메틸실록산(PDMS)을 도포하고 양생한 후 분리하여 폴리머 래칫 구조체를 제작하였다.
도 5은 비교예 1에 따른 폴리머 래칫 구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5(a)는 비교예 1에 따른 폴리머 래칫 구조체의 실제작 사진이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 래칫 구조체 표면의 확대사진이다. 도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통하여 폴리머 래칫 구조를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 5(c)는 비교예 1의 폴리머 래칫 구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 5(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 115°이고, 미끄럼각은 90°보다 큼(미끄럼각 〉90°을 알 수 있다.
제조예 2: 나노구홀 구조체가 형성된 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 6은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 6(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 6(b)를 참조하면, 그 다음에, 알루미늄 모체기판(100)의 래칫구조(110) 상에 폴리스티렌 나노구 구조체를 도포시켰다.
보다 구체적으로, 스티렌(Styrene)과 라디칼 개시제(Azobisisobutyronitrile)를 교반하고 이를 에탄올(Ethanol)과 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 혼합용액에 투입하여 70 ℃에서 12시간 동안 물중탕하여 합성된 폴리스티렌 나노 구를 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판 위에 드랍캐스팅(drop casting) 혹은 딥코팅(dip coating) 을 이용하여 도포한다.
도 6(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100) 상에 액상의 폴리머(20)로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 도포한 후 150 ℃에서 10분 동안 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 양생하였다. 도 6(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21)를 모체 기판(100)으로부터 분리하였다. 도 6(e)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체(200)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)로서, 나노구홀 구조체가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(210) 및 나노 구조체(220) 모두 폴리머로 구성된다.
도 7은 본 발명의 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7(a)는 제조예 2에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 7(b)는 도 7(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노구 구조체가 위치하는 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구 구조체를 동시에 가지는 계층구조 몰딩을 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노구 구조체에 대응하는 나노홀들을 갖는다.
도 7(c)는 제조예 2의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 7(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 156°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
제조예 3: 식각된 래칫구조 몰딩을 통한 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 8은 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 8(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 8(b)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100)을 10% 염산(Hydrochloric Acid, HCl) 수용액에 침지하여 약 10분간 식각(etching)하여 래칫구조(110)의 표면에 초발수 나노구조체(120)를 제작하였다.
도 8(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 래칫구조(110)와 초발수 나노구조체(120)를 가지는 알루미늄 계층구조 모체기판(100) 상에 고온(약 180℃)에서 액화된 액상 폴리머(20, 여기서는 폴리프로필렌(PP))를 도포한 후 상온에서 냉각시켜 고체화시킴으로써 제작할 수 있다.
도 8(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21, 여기서는 폴리프로필렌(PP))를 모체 기판(100)으로부터 분리하였다.
따라서, 도 8(e)를 참조하면, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)가 형성된 계층구조이다.
도 9는 본 발명의 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9(a)는 제조예 3에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 식각된 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통하여 초발수 폴리머 계층구조체가 형성되고, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체의 표면의 래칫구조상에 식각된 알루미늄 래칫 구조의 표면과 상반되는 나노구조체가 형성됨을 알 수 있다.
도 9(c)는 제조예 3의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 9(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 151 °이고, 미끄럼각은 약 10°미만 임을 알 수 있다.
제조예 4: 폴리머 래칫(ratchet)구조체 위에 산화코발트 나노선을 증착하여 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 10은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 10(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 10(b)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100) 상에 액상의 폴리머(20)로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 도포하고, 양생하였다. 도 10(c)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21)를 모체 기판(100)으로부터 분리하였다. 도 10(d)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 폴리머 구조체(22)를 제작하였다.
도 10(e)를 참조하면, 그 다음에, 폴리머 구조체(22)의 래칫구조(210) 상에 산화코발트 나노선 구조체(220)를 증착하여 초발수 폴리머 계층구조체(200)를 형성하였다.
보다 구체적으로, 코발트 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cobalt Nitrate Hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O)와 요소(Urea, CO(NH2)2)를 혼합한 산화코발트 전구체 혼합용액에 래칫 형상의 폴리머 구조체를 침지하여 95℃에서 12시간 동안 수열합성법으로 래칫 구조 상에 산화코발트 나노선 구조체를 형성한 후, 190℃ 진공분위기에서 1시간 동안 건조하여 산화코발트 초발수 나노선 구조체를 래칫 구조 상에 성장시켰다.
따라서, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)가 형성된 계층구조이다.
도 11은 본 발명의 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 11(a)는 제조예 4에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 11(b)는 도 11(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통한 폴리머 구조체를 형성되고, 이러한 폴리머 구조체의 표면의 래칫구조상에 산화코발트 나노선이 증착되었음을 알 수 있다. 따라서, 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 산화코발트 나노선 구조체가 위치하고 있다.
도 11(c)는 제조예 4의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 11(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 154 °이고, 미끄럼각은 약 5°미만임을 알 수 있다.
제조예 5: 폴리머 래칫(ratchet)구조체 위에 산화아연 나노선 구조체를 성장시킨 후 몰딩하여 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 12는 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 12(a)를 참조하면, 비교예 1에서 제작된 폴리머 래칫(ratchet) 구조체를 모체기판(22)으로 사용하였다.
도 12(b)를 참조하면, 그 다음에, 폴리머 래칫 구조체인 모체기판(22)의 래칫구조(210) 상에 산화아연(ZnO) 나노선 구조체(220)를 성장시켰다.
보다 구체적으로, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 기판 위에 산화아연(zinc oxide, ZnO) 나노선 성장을 위한 시드층(Seed layer)을 형성하기 위하여 아연 아세테이트 이수화물(Zinc Acetate Dihydrate, Zn(CH3COO)2·2H2O)과 에탄올(Ethanol, C2H5OH)의 혼합용액에 침지하고 200 ℃ 정도로 20분 정도 건조한 후 아연 니트레이트 헥사하이드레이트(Zinc Nitrate Hexahydrate, Zn(NO3)2·6H2O)와 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramine, C6H12N4)이 용해된 수용액에 95 ℃에서 3시간 동안 수열합성시켜 산화아연 나노선을 성장시킬 수 있다.
도 12(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(22) 상에 액상의 이종 폴리머(30)로 폴리프로필렌(PP)을 도포하고, 양생하였다. 여기서는 폴리프로필렌(PP)를 180 ℃에서 액화시켜 모체기판(22) 상에 도포한 후 상온에서 냉각시켜 고체화시킴으로써 양생을 진행하였다.
도 12(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(31)를 모체 기판(22)으로부터 분리하였다. 도 12(e)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체(300)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(300)는 상부에 래칫구조(310)가 형성되고, 이러한 래칫구조(310) 상에 나노 구조체(320)로서 나노홀 구조가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(310) 및 나노 구조체(320) 모두 폴리머로 구성된다.
도 13은 본 발명의 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 13(a)는 제조예 5에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 13(b)는 도 13(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노선 구조체가 위치하는 폴리머 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노선 구조체를 동시에 가지는 계층구조 몰딩을 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노선 구조체에 대응하는 나노홀들을 갖는다.
도 13(c)는 제조예 5의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 13(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 155°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
제조예 6: 나노구홀 구조체를 가지는 초발수 폴리머 계층구조체 몰딩을 통한 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 14는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 14(a)를 참조하면, 먼저 제조예 2에서 제작된 나노구홀을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 모체기판(200)으로 사용하였다.
도 14(b)를 참조하면, 그 다음에, 나노구홀을 가지는 초발수 폴리머 계층구조 모체기판(200) 상에 액상의 이종 폴리머 물질(30)을 도포시켰다.
보다 구체적으로, 나노구홀을 가지는 초발수 폴리머 계층구조 모체기판(200)을 내열성이 있는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하고 이종 폴리머 물질로는 폴리프로필렌(PP)을 사용하여 고온(약 180℃)에서 액화 시킨 후 초발수 폴리머 계층구조 모체기판(200) 상에 도포한 후 상온에서 냉각시킴으로써 고체화시켜 양생하여 제작할 수 있다.
도 14(c)를 참조하면, 이렇게 양생된 이종 폴리머(31)를 모체 기판(200)으로부터 분리하였다.
도 14(d)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 또 다른 형태의 초발수 폴리머 계층구조체(300)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(300)는 상부에 래칫구조(310)가 형성되고, 이러한 래칫구조(310) 상에 나노 구조체(320)로서, 나노구 구조체가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(310) 및 나노 구조체(320) 모두 폴리머로 구성된다.
도 15는 본 발명의 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 15(a)는 제조예 6에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 15(b)는 도 15(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 15(a) 및 도 15(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노구홀 구조체가 위치하는 폴리머 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구 구조체를 동시에 가지는 계층구조를 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노구홀 구조체에 대응하는 나노구들을 갖는다.
도 15(c)는 제조예 6의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 15(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 158°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계(S110), 상기 초발수 나노 구조체 상에 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성하는 단계(S210), 상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계(S310), 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계(S410) 및 상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리 및 세척하는 단계(S510)를 포함할 수 있다. 이때의 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10°미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하, 보다 구체적으로 설명하면,
먼저, 모체 기판을 제작한다(S110). 이러한 모체 기판은 몰딩법을 수행하여 초발수 폴리머 계층구조체를 제작하기 위한 모체이다. 이때의 모체 기판은 초발수 폴리머 계층구조체를 반복생산하기 위한 내구성을 고려할 때 금속 기판, 세라믹 기판 또는 폴리머 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 모체 기판은 알루미늄 기판, 스테인리스 강 기판, 실리콘 기판, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 기판 또는 폴리폴리프로필렌(PP) 기판 일 수 있다.
이러한 모체 기판은 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 기판일 수 있다. 즉, 이와 같이 래칫구조와 초발수 나노 구조체를 포함하는 모체기판은 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있다. 이러한 일 방향 거동과 관련하여 도 2 및 도 3을 참조하여 상술하였다.
또한, 이때의 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체, 나노구 구조체, 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 모체기판을 제작하는 단계는, 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계 및 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계는, 예를 들어, CNC(Computerized Numerical Control) 가공 등을 통하여 형성할 수 있다.
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각이다.
또 다른 예로, 기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계는 래칫 구조의 모체 상에 몰딩법을 이용하여 래칫 구조의 기판을 형성할 수 있다.
그 다음에, 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 네 가지 방법을 통하여 형성할 수 있다.
첫째, 래칫 구조 상에 초발수 나노선 구조체를 형성하는 단계는, 상기 래칫 구조 상에 수열합성법, 화학기상증착법 또는 전기화학증착법을 이용하여 나노선 구조체를 형성한 후, 상기 형성된 나노선 구조체를 불소계 물질 또는 실란계 물질을 이용하여 발수코팅하여 초발수 나노선 구조체를 형성할 수 있다. 여기서 발수코팅을 하는 공정은 경우에 따라 생략될 수도 있다.
둘째, 래칫 구조 상에 수열합성법, 화학기상증착법 또는 전기화학증착법을 이용하여 나노선 구조체를 형성한 후, 진공건조를 수행하여 초발수 나노선 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판을 코발트 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cobalt Nitrate Hexahydrate, Co(NO3)2·6H2O)와 요소(Urea, CO(NH2)2)를 혼합한 산화코발트 전구체 혼합용액에 침지하여 95 ℃에서 12시간 동안 수열합성법으로 래칫 구조 상에 산화코발트 나노선을 성장시킨 후, 190 ℃ 진공분위기에서 1시간 동안 건조하여 산화코발트 초발수 나노선을 성장시킬 수 있다.
셋째, 래칫구조 상에 나노구조체 도포법을 이용하여 나노구 구조체를 도포할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판에 스티렌과, AIBN의 혼합용액에 PVP와 중합반응하여 만들어진 나노구를 도포할 수 있다.
넷째, 래칫구조 상에 화학용액을 이용하여 식각하여 나노홀 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판을 10% 염산(Hydrochloric Acid, HCl) 수용액에 침지하여 약 10분간 식각(etching)하여 래칫구조의 표면에 초발수 나노홀 구조체를 제작할 수 있다. 한편, 경우에 따라, 이러한 식각공정의 결과물로 래칫구조의 표면에 초발수 나노돌기 구조체가 제조된 것으로도 볼 수 있을 것이다.
따라서, 상술한 특정 조건을 갖는 래칫 구조상에 초발수 나노 구조체를 형성함으로써, 기판 표면을 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대 상기 기판 표면을 10°이하로 기울인 상태에서도, 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있는 모체 기판을 제작할 수 있다.
그 다음에, 상기 초발수 나노 구조체 상에 상기 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성한다(S210).
이와 같이 초발수 나노 구조체 상에 보호층을 형성함으로써 모체기판을 이용한 반복적인 몰딩시 나노 구조체 파손 및 이탈을 방지할 수 있다.
이때의 보호층은 초발수 나노 구조체 상에 박막 형태로 코팅된 층으로서, 이러한 보호층의 두께는 나노미터 크기로 얇게 설정할 수 있다. 예를 들어, 이때의 보호층의 두께는 20 nm 내지 300 nm일 수 있다. 따라서, 이때의 보호층의 두께를 20 nm 내지 300 nm로 설정함으로써, 몰딩 후에 제조되는 나노 구조체의 초발수 성질에는 그다지 영향을 미치지 않는다.
또한, 보호층의 물질로는 크게 제한되지는 않는다. 예를 들어, 보호층은 금속물질 또는 폴리머물질을 포함할 수 있다.
예컨대, 이때의 보호층의 금속물질은 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 보호층의 폴리머물질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)을 포함할 수 있다.
또한, 이러한 보호층은 단일층 또는 복수층일 수 있다. 예를 들어, 이러한 보호층은 금속 또는 폴리머 단일층일 수 있고, 금속층 및 금속층 상에 위치하는 폴리머층을 포함하는 복수층일 수 있다.
이러한 보호층은 졸-겔 코팅(Sol-Gel Coating), PECVD법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링법(Sputtering), 전자빔 증착법(Electron Beam Deposition) 또는 ALD법(Atomic Layer Deposition)과 같은 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
그 다음에, 제작된 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포한다(S310).
이때의 액상 폴리머는 몰딩법에 사용될 수 있는 폴리머라면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
그 다음에, 이러한 모체기판 상에 도포된 폴리머를 양생한다(S410).
예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)의 경우 150℃ 온도에서 약 10분간 열을 가하게 되면 양생할 수 있고 폴리프로필렌(PP)은 180℃ 온도에서 약 30분간 액화를 시킨 후 모체기판 상에 도포한 후 냉각시키는 방법으로 양생할 수 있다.
그 다음에, 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리 및 세척한다(S510). 따라서, 래칫 구조의 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 래칫 구조의 폴리머 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노구 구조체가 형성되고, 초발수 나노선 구조체 상에 보호층이 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 나노홀(nano hole) 구조체가 형성된 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노구 구조체가 형성되고, 초발수 나노구 구조체 상에 보호층이 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 음각 반구형의 나노구조체가 형성된 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노홀 또는 나노돌기 구조체가 형성되고, 초발수 나노선 구조체 상에 보호층이 형성된 모체기판을 사용할 경우, 이러한 몰딩법을 이용하여 상부 표면에 래칫 구조가 형성되고, 이러한 래칫 구조 상부에는 나노선 또는 나노돌기 구조체가 형성된 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 몰딩법을 통해 제조된 초발수 폴리머 계층구조체는 상부 표면에 모체기판과 같은 래칫구조가 형성될 것이고, 이러한 래칫구조 상에 모체기판의 나노 구조체의 반대형상과 유사한 나노구조체가 형성될 것이다.
따라서, 초발수 폴리머 계층구조체의 래칫 구조도 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족할 것이다. 따라서, 이러한 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 위치하게 되므로, 초발수 폴리머 계층구조체 역시 미끄럼각이 10°미만인 초발수 구조체가 된다.
따라서, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체 역시 계층구조체를 거의 기울이지 않은 상태, 예컨대, 초발수 폴리머 계층구조체 표면을 10°이하로 기울인 상태에서도, 상기 기판 상에서 물방울이 외부 힘 없이 일방향으로 거동할 수 있다.
또한, 이렇게 제작된 모체기판을 반복적으로 사용하여 초발수 폴리머 계층구조체를 반복제작할 수 있다. 한편, 초발수 폴리머 계층구조체를 반복제작시 중간과정마다 필요할 경우 모체기판 상부를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계(S120), 상기 초발수 나노 구조체 상에 상기 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성하는 단계(S220), 상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계(S320), 상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계(S420), 상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리 및 세척하여 제2 모체기판을 형성하는 단계(S520), 상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계(S620), 상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계(S720) 및 상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리 및 세척하는 단계(S820)를 포함할 수 있다. 이때의 분리된 이종 폴리머는 10°미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 한다.
먼저, 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작한다(S120).
이때의 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고, 래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고, 상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각일 수 있다.
또한, 이때의 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체, 나노구 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함할 수 있다.
이러한, 제1 모체기판은 도 1과 관련하여 상술한 모체기판과 동일한 바 자세한 설명은 생략한다.
그 다음에, 상기 초발수 나노 구조체 상에 상기 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성한다(S220).
이와 같이 초발수 나노 구조체 상에 보호층을 형성함으로써 모체기판을 이용한 반복적인 몰딩시 나노 구조체 파손 및 이탈을 방지할 수 있다.
이때의 보호층은 초발수 나노 구조체 상에 박막 형태로 코팅된 층으로서, 이러한 보호층의 두께는 나노미터 크기로 얇게 설정할 수 있다. 예를 들어, 이때의 보호층의 두께는 20 nm 내지 300 nm일 수 있다. 따라서, 이때의 보호층의 두께를 20 nm 내지 300 nm로 설정함으로써, 몰딩 후에 제조되는 나노 구조체의 초발수 성질에는 그다지 영향을 미치지 않는다.
또한, 보호층의 물질로는 크게 제한되지는 않는다. 예를 들어, 보호층은 금속물질 또는 폴리머물질을 포함할 수 있다.
예컨대, 이때의 보호층의 금속물질은 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 보호층의 폴리머물질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)을 포함할 수 있다.
또한, 이러한 보호층은 단일층 또는 복수층일 수 있다. 예를 들어, 이러한 보호층은 금속 또는 폴리머 단일층일 수 있고, 금속층 및 금속층 상에 위치하는 폴리머층을 포함하는 복수층일 수 있다.
이러한 보호층은 졸-겔 코팅(Sol-Gel Coating), PECVD법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링법(Sputtering), 전자빔 증착법(Electron Beam Deposition) 또는 ALD법(Atomic Layer Deposition)과 같은 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
그 다음에, 제작된 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포한다(S320).
이때의 액상 폴리머는 몰딩법에 사용될 수 있는 폴리머라면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함할 수 있다.
그 다음에, 이러한 모체기판 상에 도포된 폴리머를 양생한다(S420).
예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)의 경우 150℃ 온도에서 약 10분간 열을 가하게 되면 양생할 수 있고 폴리프로필렌(PP)은 180℃ 온도에서 약 30분간 액화를 시킨 후 모체기판 상에 도포한 후 냉각시키는 방법으로 양생할 수 있다.
그 다음에, 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리 및 세척하여 제2 모체기판을 형성한다(S520).
그 다음에, 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포한다(S620). 즉, 제2 모체기판의 폴리머 물질과 다른 이종의 폴리머를 선택하여 몰딩할 수 있다.
그 다음에, 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생한다(S720).
그 다음에, 양생된 이종 폴리머를 상기 상기 제2 모체기판으로부터 분리 및 세척한다(S820).
따라서, 몰딩법을 이용하여 제조된 초발수 폴리머 계층구조체를 제2 모체기판으로 이용하여 다시 몰딩법을 이용하여 이종의 초발수 폴리머 계층구조체를 제작할 수 있다.
제조예 7: 음각 반구형 나노구조체가 형성된 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 18은 본 발명의 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 18(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 18(b)를 참조하면, 그 다음에, 알루미늄 모체기판(100)의 래칫구조(110) 상에 폴리스티렌 나노구 구조체를 도포시켰다.
보다 구체적으로, 스티렌(Styrene)과 라디칼 개시제(Azobisisobutyronitrile)를 교반하고 이를 에탄올(Ethanol)과 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone) 혼합용액에 투입하여 70 ℃에서 12시간 동안 물중탕하여 합성된 폴리스티렌 나노 구를 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 알루미늄 기판 위에 드랍캐스팅(drop casting) 혹은 딥코팅(dip coating) 을 이용하여 도포한다.
도 18(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 래칫구조(110)와 나노구 구조체(120)로 이루어진 계층구조체에 스퍼터링법을 이용하여 백금(Pt) 물질의 금속 박막을 입힌 후 PSSNa(Poly styrene　sulfonic　acid　sodium　salt) 물질을 딥코팅하여 보호층(130)을 증착하였다.
도 18(d)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100) 상에 액상의 폴리머(20)로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 도포한 후 150 ℃에서 10분 동안 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 양생하였다.
도 18(e)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21)를 모체 기판(100)으로부터 분리하고 이를 세척하였다.
도 18(f)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체(200)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 나노 구조체(220)가 형성된 구조이다. 이때의 나노 구조체(220)는 음각 반구형의 나노구조체가 형성될 것이다. 또한, 이때의 래칫구조(210) 및 나노 구조체(220) 모두 동일 물질의 폴리머로 구성된다.
도 19는 본 발명의 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 19(a)는 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 19(b)는 도 19(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 19(a) 및 도 19(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노구 구조체가 위치하는 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구 구조체를 동시에 가지는 계층구조 몰딩을 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노구 구조체에 대응하는 음각 반구형 나노구조체가 형성된다.
도 19(c)는 제조예 7의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 19(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 156°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
도 19(d)는 제조예 7에서 Sputter를 통한 수십 나노미터 두께의 백금(Platinum) 금속박막과 PSSNa(Poly styrene　sulfonic acid　sodium　salt) 수용액 딥코팅으로 형성된 폴리머박막을 포함하는 보호층이 형성된 모체기판의 모습을 보여주고 있으며 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구 구조체가 잘 나타나 있음을 확인할 수 있다.
도 19(e)는 도 19(d)의 보호층이 코팅된 모체기판을 이용하여 반복적으로 폴리머 초발수 계층구조체를 제작한 이후에 모체기판의 표면을 분석한 사진이다. 도 19(e)를 참조하면, 보호층을 통하여 보호된 나노구 구조체들이 반복적인 몰딩과정 후에도 모체기판 상에 온전히 존재하고 있음을 확인 할 수 있다.
도 20은 제조예 7에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 반복 제작 후 접촉각을 측정한 결과이다.
도 20을 참조하면, 동일한 모체기판을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체를 7회 반복하여 제작한 후 각 구조체별 접촉각을 측정한 결과 약 156°에서 152°범위에서의 접촉각을 가짐을 알 수 있다. 이는 반복된 몰딩 후에도 보호층에 의해 나노구 구조체들이 떨어져나가지 않기 때문에 제작된 초발수 폴리머 계층구조체들이 높은 초발수성을 유지할 수 있음을 알 수 있다.
제조예 8: 식각된 래칫구조 몰딩을 통한 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 21은 본 발명의 제조예 8에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 21(a)를 참조하면, 먼저 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 21(b)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100)을 10% 염산(Hydrochloric Acid, HCl) 수용액에 침지하여 약 10분간 식각(etching)하여 래칫구조(110)의 표면에 초발수 나노구조체(120)를 제작하였다. 이때의 초발수 나노구조체(120)는 나노홀 구조체이다.
도 21(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 래칫구조(110)와 초발수 나노구조체(120)를 가지는 알루미늄 계층구조 모체기판(100) 상에 고온(약 180℃)에서 액화된 액상 폴리머(20, 여기서는 폴리프로필렌(PP))를 도포한 후 상온에서 냉각시켜 고체화시킴으로써 제작할 수 있다.
도 21(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21, 여기서는 폴리프로필렌(PP))를 모체 기판(100)으로부터 분리하고 세척하였다.
따라서, 도 21(e)를 참조하면, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 초발수 나노구조체(220)가 형성된 계층구조이다.
도 22는 본 발명의 제조예 8에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 22(a)는 제조예 8에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 22(b)는 도 22(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 22(a) 및 도 22(b)를 참조하면, 식각된 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 몰딩법을 통한 초발수 폴리머 계층구조체가 형성되고, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체의 표면에는 식각된 알루미늄 래칫 구조의 표면 형상과 반대되는 나노구조체가 형성됨을 알 수 있다.
도 22(c)는 제조예 8의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 22(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 151 °이고, 미끄럼각은 약 10°미만 임을 알 수 있다.
도 22(d)는 폴리머 구조체 분리 후 식각된 래칫구조(모체기판)의 표면 이미지이다. 도 22(d)를 참조하면, 상기 제조공정만으로 몰딩 분리 후 모체기판 표면 구조가 잘 유지되고 있음을 알 수 있다.
도 22(e)는 모체기판에서 분리된 초발수 폴리머 계층구조체의 표면 이미지이다. 도 22(e)를 참조하면, 상기 모체기판에서 분리된 초발수 폴리머 계층구조체의 표면을 확인할 수 있으며 모체기판의 나노구조가 폴리머 물질에 의해 떨어지거나 잔존하지 않음을 알 수 있다.
한편, 이때의 모체기판으로의 분리를 좀 더 용이하게 하기 위해서는 액상폴리머 도포 전에 PSSNa(Poly styrene　sulfonic acid　sodium　salt) 등 윤활코팅을 추가적으로 수행하는 것이 바람직할 것이다.
제조예 9: 알루미늄 래칫(ratchet)구조체 위에 산화세륨 나노선 구조체를 성장시킨 후 몰딩하여 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 23은 본 발명의 제조예 9에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 23(a)를 참조하면, 제조예 1과 같은 래칫 구조(110)의 알루미늄 모체기판(100)을 제작하였다.
도 23(b)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100)의 래칫구조(110) 상에 산화세륨(CeO2) 나노선 구조체(120)를 성장시켰다.
보다 구체적으로, 상부 표면에 래칫 구조가 형성된 기판 위에 산화세륨(cerium oxide, CeO2) 나노선 성장을 위한 세륨전구체 혼합용액을 제조하기 위하여 세륨 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cerium(III) Nitrate Hexahydrate, Ce(NO3)3·6H2O) 와 요소(Urea, CO(NH2)2)를 물과 혼합한다. 혼합한 세륨전구체 혼합용액에 모체기판(100)을 침지하여 95 ℃에서 24시간 동안 수열합성법으로 산화세륨 나노선 구조체를 기판 상에 성장시킨 후, 공기 중에서 350 ℃로 4시간동안 열처리 및 190 ℃ 진공분위기에서 1시간 동안 건조하여 산화세륨 초발수 나노선 구조체를 상기 모체기판(100) 위에 성장 시켰다.
도 23(c)를 참조하면, 그 다음에, 이러한 모체기판(100) 상에 액상의 폴리머(20)로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 도포하고, 양생하였다.
도 23(d)를 참조하면, 이렇게 양생된 폴리머(21)를 모체기판(100)으로부터 분리 및 세척하였다.
따라서, 도 23(e)를 참조하면, 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(200)는 상부에 래칫구조(210)가 형성되고, 이러한 래칫구조(210) 상에 초발수 나노구조체(220)가 형성된 계층구조이다.
도 24는 본 발명의 제조예 9에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 24(a)는 제조예 9에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 24(b)는 도 24(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 24(a) 및 도 24(b)를 참조하면, 상부에 초발수 나노선 구조체가 위치하는 알루미늄 래칫 구조를 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노선 구조체를 동시에 가지는 계층구조 몰딩을 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 모체기판의 초발수 나노선 구조체에 대응하는 나노홀들을 갖는다.
도 24(c)는 제조예 9의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 24(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 151°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
도 24(d)는 폴리머 구조체 분리 후 식각된 래칫구조(모체기판)의 표면 이미지이다. 도 24(d)를 참조하면, 상기 제조공정만으로 몰딩 분리 후 모체기판 표면의 산화세륨(CeO2) 나노선 구조체가 잘 유지되고 있음을 알 수 있다.
도 24(e)는 모체기판에서 분리된 초발수 폴리머 계층구조체의 표면 이미지이다. 도 24(e)를 참조하면, 상기 모체기판에서 분리된 초발수 폴리머 계층구조체의 표면을 확인할 수 있으며 모체기판의 나노구조가 폴리머 물질에 의해 떨어지거나 잔존하지 않음을 알 수 있다.
한편, 이때의 분리를 좀 더 용이하게 하고, 모체기판의 보존을 보강하기 위해서 액상폴리머 도포 전에 Pt 금속 등 구조체 이탈방지용 코팅 또는 PSSNa(Poly styrene　sulfonic acid　sodium　salt) 등 윤활코팅을 추가적으로 수행하여 보호층을 형성하는 것이 바람직하다.
제조예 10: 음각 반구형 나노구조체를 가지는 초발수 폴리머 계층구조체 몰딩을 통한 초발수 폴리머 계층구조체 제작
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 폴리머 계층구조체를 제조하였다.
도 25는 본 발명의 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법을 나타낸 개략단면도들이다.
도 25(a)를 참조하면, 먼저 제조예 7에서 제작된 래칫 구조 및 음각 반구형 나노구조체를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체를 제2 모체기판(200A)으로 사용하였다.
도 25(b)를 참조하면, 그 다음에, 제2 모체기판(200A) 상에 액상의 이종 폴리머 물질(30)을 도포시켰다.
보다 구체적으로, 제2 모체기판(200A)을 내열성이 있는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하고 이종 폴리머 물질로는 폴리프로필렌(PP)을 사용하여 고온(약 180)에서 액화 시킨 후 제2 모체기판(200) 상에 도포한 후 상온에서 냉각시킴으로써 고체화시켜 양생하여 제작할 수 있다.
도 25(c)를 참조하면, 이렇게 양생된 이종 폴리머(31)를 제2 모체기판(200A)으로부터 분리 및 세척하였다.
도 25(d)를 참조하면, 이러한 몰딩 방식을 이용하여 또 다른 형태의 초발수 폴리머 계층구조체(300)를 제작하였다. 이러한 초발수 폴리머 계층구조체(300)는 상부에 래칫구조(310)가 형성되고, 이러한 래칫구조(310) 상에 나노 구조체(320)로서, 양각 반구형 나노구조체가 형성된 계층구조이다. 또한, 이때의 래칫구조(310) 및 나노 구조체(320) 모두 폴리머로 구성된다.
도 26은 본 발명의 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진들과 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다.
도 26(a)는 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 실제작 사진이고, 도 26(b)는 도 26(a)의 초발수 폴리머 계층구조체 표면의 확대사진이다. 도 26(a) 및 도 26(b)를 참조하면, 상부에 초발수 폴리머 계층구조체를 제2 모체기판으로 활용하여 마이크로 스케일의 래칫구조와 나노스케일의 나노구형 구조체를 동시에 가지는 계층구조를 통한 일방향성을 가지는 초발수 폴리머 계층구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다. 이때의 제작된 초발수 폴리머 계층구조체의 상부표면은 래칫구조가 형성된 구조이고, 이러한 래칫구조 표면에는 제2 모체기판의 음각 반구형 나노구조체에 대응하는 양각 반구형 나노 구조체들을 갖는다.
도 26(c)는 제조예 10의 초발수 폴리머 계층구조체의 접촉각 및 미끄럼각 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 26(c)를 참조하면, 접촉각(θ)이 158°이고, 미끄럼각은 약 10°미만임을 알 수 있다.
도 27은 제조예 10에 따른 초발수 폴리머 계층구조체의 반복 제작 후 접촉각을 측정한 결과이다. 도 27을 참조하면 동일한 제2 모체기판을 이용하여 초발수 폴리머 계층구조체를 7회 반복하여 제작한 후 각 구조체별 접촉각을 측정한 결과 약 158°에서 153°범위에서의 접촉각을 가짐을 알 수 있다. 이는 반복된 몰딩 후에도 제2 모체기판의 구조가 망가지지 않으며 제작된 폴리머 계층구조체들이 높은 초발수성을 유지할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 래칫구조와 초발수 나노선 구조체를 이용하여 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서, 외부에서 가해주는 힘 없이도 물방울을 일 방향으로 거동하게 할 수 있는 초발수 폴리머 계층구조체를 제공할 수 있다.
또한, 초발수 계층구조체를 활용하고 그 위에 폴리머 물질을 기계적으로 몰딩하는 방법만을 사용하여 간단하게 초발수 폴리머 계층구조체를 제작할 수 있다.
이에 더하여 모체에 대한 몰딩방법을 사용하는 만큼 초발수 폴리머 계층구조체를 반복적으로 제작할 수 있다.
제작된 초발수 폴리머 계층구조체는 미끄럼각(sliding angle)이 거의 10°미만인 바, 표면이 거의 기울어지지 않은 상태에서도 외부에서 가해주는 힘없이 물방울이 일방향으로 굴러 떨어지게 하며 향후 물 수확(water harvesting)이나 주방기기 및 배수관 등 다양한 산업에 적용이 가능하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 설명한다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 28을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법은 기제작된 열교환기를 준비하는 단계(S130), 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계(S230), 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계(S330), 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계(S430) 및 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계(S530)를 포함한다.
먼저, 기제작된 열교환기를 준비한다(S130). 본 발명은 담금법을 이용한 방법으로써, 이미 제작이 완료된 열교환기에 초발수 특성을 구현하는 공정을 수행할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 열교환기의 각각의 부품에 초발수 특성을 구현한 이후, 조립함으로써 발생될 수 있는 초발수 특성의 저하 문제를 방지할 수 있다.
이러한 열교환기는 예를 들어, 냉장고, 에어컨 또는 히트펌프일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 적상응축, 서리착상지연, 또는 응축수의 쉬운 제거를 통해 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 대상 혹은 기기를 모두 포함한다.
그 다음에, 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지(S230)한다. 이 단계(S230)는 열교환기의 전열면이 예컨대 알루미늄 합금으로 구성될 경우, 이러한 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하는 역할을 한다.
따라서 이러한 염기성용액은 열교환기 전열면의 자연 산화막을 제거할 수 있는 물질이면 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 염기성용액은 NaOH를 포함할 수 있다.
또한, 이러한 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계(S230)는 상온에서 수행할 수 있다.
한편, 이러한 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계(S230)는 경우에 따라 생략 가능하다.
그 다음에, 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성할 수 있다(S330).
이때, 열교환기의 전열면에 후술하는 진공건조를 통한 초발수 특성을 구현하기 위하여는 열교환기의 표면의 거칠기를 Ra(arithmetic average of absolute values)는 4.76㎛ 이상이고, Rq(root mean squared)는 5.81㎛ 이상이고, Rt(maximum height of the profile)는 35.06㎛ 이상이 될때까지 식각하는 것이 바람직하다.
만일, 열교환기의 표면의 거칠기를 상술한 조건까지 형성하지 못할 경우, 물방울과 표면의 나노/마이크로 구조체 사이에 초발수 특성을 발현시킬 수 있는 공기 층이 충분히 형성되지 않을 수 있으므로, 후술하는 진공건조에 의하여도 초발수 특성이 발현되지 않을 수 있다.
이때의 식각용액은 전열면의 물질에 따라 적정하게 선택할 수 있다. 이러한 식각용액은 산성용액일 수 있다. 예를 들어, Al 표면을 식각할 경우, 이러한 식각용액으로 묽은 염산(HCl)용액을 사용할 수 있다. 또 다른 예로, 스테인리스 강(SUS304)을 식각할 경우, 이러한 식각용액으로 염화철(Ⅲ)(FeCl3), 염산(HCl), 인산(H3PO4) 및 과산화수소(H2O2)를 포함하는 혼합수용액을 사용할 수 있다.
따라서, 이러한 담금법(immersion method)을 이용하여 이미 제작이 완료된 열교환기를 식각용액에 담가(immersion) 열교환기 재료인 알루미늄 합금 또는 스테인리스 강 등의 재료를 용액에서 식각함으로써, 이러한 재료 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 대면적 및 복잡한 모양의 열교환기에서도 적용 가능한 장점이 있고, 고가의 장비가 필요 없다.
그 다음에, 상술한 식각공정으로 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조한다(S430). 이러한 진공 건조를 통해 나노/마이크로 구조체로부터 OH-, Cl- 등의 친수이온을 제거할 수 있다.
이러한 나노/마이크로 구조체를 진공 건조하는 단계(S430)는 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상술한 조건 하에서 진공 건조를 수행할 경우, 나노/마이크로 구조체로부터 OH-, Cl- 등의 친수이온을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.
따라서, 담금법 및 진공건조법을 이용하여 기제작된 열교환기 중 적어도 전열면의 표면에 초발수 특성을 구현할 수 있다. 즉, 열교환기의 전열면의 표면의 미끄럼각은 10°이하로 형성할 수 있는 바, 이러한 전열면에 맺히는 물방울을 굴려 떨어뜨려 열교환기의 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계 이후에, 상기 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계를 더 추가할 수 있다.
이러한 오일 도포는 예컨대, 스핀코팅을 통하여 수행할 수 있다.
이러한 추가 오일 도포는 열교환기의 전열면의 표면상에 초발수 특성을 이용하여 전열면의 표면에 맺히는 물방울을 굴러 떨어뜨릴 수도 있고, 물방울의 상태에 따라 부착력이 감소된 전열면의 표면에 맺힌 물방울 또는 서리를 탈착시켜 분리시킬수도 있다. 따라서, 열교환기의 효율을 증가시킬 수 있다.
이때의 오일은 불소화 오일(Fluorinated Oil)을 포함할 수 있다.
한편, 종래의 발수코팅으로 사용되는 불소계 코팅은 heptadecafluoro-1,1,2,2-etrahydrodecyltrichlorosilane 또는 (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trichlorosilane과 같은 불소계 코팅물질을 사용한 것으로서, 불소계 코팅물질과 표면과의 화학결합에 의해 발수코팅하는 것이다. 따라서, 전열표면에 발수성을 부여하나 화학결합이 불안정하여 고온 다습한 환경에서 내구성이 급격히 저하되므로 열교환기에 적용하여 사용하기 어려운 문제가 있다. 또한 이러한 발수코팅에 사용되던 불소계 코팅물질은 서리부착력을 감소시키지 못한다.
이에 반하여, 본 발명에서 사용한 불소화 오일은 전열면 표면에 불소화 오일을 도포하여 전열면 표면의 나노/마이크로 구조체 사이에 침투하여 존재하는 형태이며, 표면과 불소화 오일 사이의 화학결합이 일어나는 것이 아니다. 따라서, 이러한 불소화 오일을 전열면의 나노/마이크로 구조체 상에 도포함으로써, 낮은 미끄럼각을 유지할 수 있고, 응축수가 얼기 전에 굴러떨어뜨려 서리착상의 원인을 제거할 수 있다. 또한, 서리부착력을 감소시켜, 제상작업등이 용이한바, 열교환기의 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기는 기제작된 열교환기에 상술한 공정을 이용하여 제조된 것일 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 초발수 특성을 갖는 열교환기는 전열면 및 적어도 상기 전열면을 포함하는 표면에 형성된 나노/마이크로 구조체를 포함하고, 상기 나노/마이크로 구조체는 오일도포된 것을 특징으로 한다.
이때의 전열면의 표면 거칠기는 Ra(arithmetic average of absolute values)는 4.76㎛ 이상이고, Rq(root mean squared)는 5.81㎛ 이상이고, Rt(maximum height of the profile)는 35.06㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 이러한 전열면의 나노/마이크로 구조체는 진공건조법에 의해 OH-, Cl- 등의 친수이온이 제거된 것일 수 있다.
따라서, 이러한 나노/마이크로 구조체가 형성된 전열면은 미끄럼각이 10°이하일 수 있다.
이때의 나노/마이크로 구조체에 도포된 오일은 불소화오일을 포함할 수 있다. 또한, 이때의 도포된 오일은 나노/마이크로 구조체와 화학결합이 일어나는 것이 아니고, 이러한 나노/마이크로 구조체 사이에서 액체상으로 존재하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 나노/마이크로 구조체 표면에 오일이 도포되어 나노/마이크로 구조체 사이로 오일을 침투시켜 존재함으로써 물방울의 부착력 예컨대 서리부착력을 감소시킬 수 있다.
따라서, 열교환기의 전열면의 표면에 형성된 오일이 도포된 나노/마이크로 구조체에 의해 열교환기의 전열면의 표면에 물방울이 맺혔을 경우, 미끄럼각이 10°이하인 바, 물방울을 굴려 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 오일도포에 의해 물방울과의 부착력을 감소시켰기 때문에, 전열면에 맺히거나 얼어붙은 물방울 또는 서리를 탈착시켜 떨어뜨릴 수 있다.
제조예 11
본 발명에 따른 담금법 및 진공건조법을 이용하여 알루미늄 합금(Al alloy) 시편에 초발수 특성을 구현하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 2:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 0분(Only NaOH), 5분, 10분, 15분 및 20분으로 각각 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
도 29는 제조예 11에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 29를 참조하면, 식각용액에의 침지시간이 0분(Only NaOH), 5분 및 10분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 75°약 133°및 약 141°이고, 미끄럼각(SA)은 모두 핀드(pinned) 상태이다. 이러한 핀드 상태는 표면을 90°기울인 상태에서도 물방울이 고정된 상태를 의미한다.
그리고, 식각용액에의 침지시간이 15분 및 20분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 155°및 약 155°이고, 미끄럼각(SA)은 둘다 약 5°로 초발수 특성을 나타냈다.
따라서, 식각시간을 일정 시간 이상 수행한 후, 진공건조를 수행하여야 초발수 특성이 구현됨을 알 수 있다.
도 30 내지 도 33은 제조예 11에 따라 제조된 시편의 식각표면 거칠기를 측정한 이미지이고, 도 34 내지 도 37은 제조예 11에 따라 제조된 시편의 이미지 및 접촉각과 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 30 및 도 34는 식각시간을 5분으로 수행한 경우이다. 도 30을 참조하면, Ra는 2.03㎛이고, Rq는 2.52㎛이고, Rt는 22.11㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 34를 참조하면, 접촉각(CA)은 약 133°이고 미끄럼각(SA)은 핀드(pinned) 상태임을 알 수 있다.
도 31 및 도 35은 식각시간을 10분으로 수행한 경우이다. 도 31을 참조하면, Ra는 3.94㎛이고, Rq는 4.95㎛이고, Rt는 37.19㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 35를 참조하면, 접촉각(CA)은 약 141°이고 미끄럼각(SA)은 핀드(pinned) 상태임을 알 수 있다.
도 32 및 도 36은 식각시간을 15분으로 수행한 경우이다. 도 32를 참조하면, Ra는 4.76㎛이고, Rq는 5.81㎛이고, Rt는 35.06㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 36을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 155°이고 미끄럼각(SA)은 약 5°로 초발수 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 33 및 도 37은 식각시간을 20분으로 수행한 경우이다. 도 33을 참조하면, Ra는 4.78+1.06 ㎛이고, Rq는 5.86㎛이고, Rt는 39.14㎛임을 알 수 있다. 또한, 도 37을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 155°이고 미끄럼각(SA)은 약 5°로 초발수 특성이 나타남을 알 수 있다.
제조예 12
본 발명에 따른 담금법 및 진공건조법을 이용하여 알루미늄 합금(Al alloy) 시편에 초발수 특성을 구현하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 1:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 0분(Only NaOH), 1시간, 1시간30분, 2시간, 2시간30분, 3시간 및 3시간30분으로 각각 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
도 38은 제조예 12에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 38을 참조하면, 식각용액에의 침지시간이 0분(Only NaOH), 1시간, 1시간30분, 2시간 및 2시간30분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 75°약 138°약 148°약 148°및 약 150°이고, 미끄럼각(SA)은 각각 pinned, pinned, 약 25°약 25°및 약 25°이다.
그리고, 식각용액에의 침지시간이 3시간 및 3시간30분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 153°및 약 152°이고, 미끄럼각(SA)은 둘다 약 9°로 초발수 특성을 나타냈다.
따라서, 식각시간을 일정 시간 이상 수행한 후, 진공건조를 수행하여야 초발수 특성이 구현됨을 알 수 있다.
제조예 13
본 발명에 따른 담금법 및 진공건조법을 이용하여 알루미늄 합금(Al alloy) 시편에 초발수 특성을 구현하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 10:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 0분(Only NaOH), 1분, 2분, 3분, 4분, 5분 및 6분으로 각각 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
도 39는 제조예 13에 따라 제조된 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지들이다.
도 39를 참조하면, 식각용액에의 침지시간이 0분(Only NaOH), 1분, 2분 및 3분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 75°약 116°약 132°및 약 150°이고, 미끄럼각(SA)은 각각 pinned, pinned, pinned 및 약 25°이다.
그리고, 식각용액에의 침지시간이 4분, 5분 및 6분인 경우, 접촉각(CA)은 각각 약 156°약 154°및 약 156°이고, 미끄럼각(SA)은 모두 약 5°로 초발수 특성을 나타냈다.
따라서, 식각시간을 일정 시간 이상 수행한 후, 진공건조를 수행하여야 초발수 특성이 구현됨을 알 수 있다.
제조예 14
본 발명에 따른 담금법, 진공건조법 및 오일도포를 이용하여 초발수 특성 및 감소된 부착력을 갖는 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 제조하였다.
먼저, 알루미늄 합금(Al alloy) 시편을 준비하였다.
그 다음에, 알루미늄 합금 시편을 상온의 1M NaOH 용액에 30분 내지 1시간 동안 침지하여 알루미늄 합금 표면의 자연 산화막(native oxide)를 제거하였다.
그 다음에 식각용액으로 상온의 HCl(순도37%):H2O = 10:20ml인 혼합용액을 준비하였다. 이러한 식각용액에 알루미늄 합금 시편을 침지하여 알루미늄 합금 표면에 나노/마이크로 구조체를 형성하였다. 이때의 침지시간은 5분으로 수행하였다.
그 다음에, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 진공건조하였다.
그 다음에, 상온에서 불소화 오일을 스핀코팅 방법(spin 속도: 1000rpm)으로 알루미늄 합금 시편 표면에 도포하였다.
도 40은 제조예 14에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 40을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 154°이고, 미끄럼각(SA)은 약 5°로 초발수 특성을 나타냈다.
도 41은 제조예 14에서 오일도포 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 41을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 116°이고, 미끄럼각(SA)은 모두 약 9°로 나타났다. 따라서, 오일도포 후에도 미끄럼각은 10°이하로 유지함을 알 수 있다. 따라서, 오일 도포된 경우, 물방울을 쉽게 굴려 떨어뜨릴수도 있고, 부착된 서리를 쉽게 떨어뜨릴 수도 있음을 알 수 있다.
비교예 3
Bare Al 합금 시편을 준비하였다.
이러한 Bare Al 합금 시편 상에 불소화 오일을 스핀코팅 방법(spin 속도: 1000rpm)으로 알루미늄 합금 시편 표면에 도포하였다.
도 42는 비교예 3에서 오일도포 전의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 42를 참조하면, 접촉각(CA)은 약 75°이고, 미끄럼각(SA)은 pinned 상태로 초발수 특성이 없음을 알 수 있다.
도 43은 비교예 3에서 오일코팅 후의 시편의 접촉각 및 미끄럼각을 측정한 이미지이다.
도 43을 참조하면, 접촉각(CA)은 약 103°이고, 미끄럼각(SA)은 pinned 상태로 초발수 특성이 없음을 알 수 있다.
따라서, 단순히 오일도포만으로는 초발수 특성을 구현할 수 없을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 담금법(immersion method)을 이용해, 이미 제작이 완료된 열교환기에 초발수 특성을 구현할 수 있다. 즉, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액(solution)에 침지함으로 열교환기의 전열면을 용액 안에서 식각하여 전열면에 나노/마이크로 구조를 제작하고 진공건조 하거나 이에 더하여 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하여 초발수 특성을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다.
이로 인한 이점은, 첫째, 용액이 침투할 수 있는 영역에서는 모두 균일하게 발수 또는 초발수 특성을 구현할 수 있으므로, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액에 침지하여 손쉽게 발수 또는 초발수 열교환기를 제작할 수 있다. 따라서, 각각의 부재를 조립할 때 발생할 수 있는 나노/마이크로 구조체 또는 발수 코팅의 손상문제가 없다.
둘째, 용액이 침투할 수 있는 영역에서는 모두 균일하게 초발수 특성을 구현할 수 있으므로, 이미 제작이 완료된 열교환기를 용액에 침지하여 손쉽게 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작할 수 있고, 용액을 이용하는 방법이므로 대면적 및 복잡한 형상의 열교환기에도 적용이 가능하다.
셋째, 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작하는데 있어서, 이미 제작이 완료된 열교환기를 직접 사용하므로 공정이 간단하고 비용 및 시간이 적게 들게 되므로 향 후 열교환기 산업에서 쉽게 적용될 수 있다.
넷째, 초발수 특성을 갖는 열교환기를 제작함에 따라 적상응축 및 물방울이 쉽게 굴러떨어지는 현상에 의해 전열저항이 최소화됨으로, 전열성능 및 열교환기 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 서리착상을 지연시킴에 따라, 전열저항, 압력손실, 제상작업 사이클 횟수의 최소화와 더불어 제상작업 시 서리가 잘 떨어지는 효과로 열교환기 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 나노/마이크로 구조체 상에 오일도포를 통해 물방울 혹은 서리에 대한 부착력을 감소시켜 상기 언급한 효과로 열교환기 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
[부호의 설명]
20: 액상의 폴리머 21: 양생된 폴리머
22: 폴리머 구조체 30: 이종 액상의 폴리머
31: 양생된 이종 폴리머 100: 모체기판
110: 래칫 구조 120: 초발수 나노 구조체
130: 보호층 200: 폴리머 계층구조체
200A: 제2 모체기판 210: 래칫 구조
220: 나노 구조체 230: 보호층
300: 폴리머 계층구조체 310: 래칫 구조
320: 나노 구조체

Claims (44)

  1. 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계;
    상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계; 및
    상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모체기판은 금속기판, 세라믹기판, 또는 폴리머기판인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모체기판을 제작하는 단계는,
    기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초발수 나노 구조체는 초발수 나노선 구조체이고,
    상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고,
    래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고,
    상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  8. 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 모체기판을 제작하는 단계;
    상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
    상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리하는 단계; 및
    상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체 또는 나노구 구조체인 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초발수 나노 구조체가 나노선 구조체인 경우,
    상기 분리된 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는,
    수열합성법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  11. 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계;
    상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
    상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계;
    상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계;
    상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계; 및
    상기 분리된 이종 폴리머 표면의 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상부에 초발수 나노 구조체가 형성된 상기 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  12. 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계;
    상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
    상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리하여 제2 모체기판을 형성하는 단계;
    상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계; 및
    상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 분리된 이종 폴리머는 10˚ 미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고,
    래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고,
    상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  14. 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 모체기판을 제작하는 단계;
    상기 초발수 나노 구조체 상에 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성하는 단계;
    상기 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계; 및
    상기 양생된 폴리머를 상기 모체기판으로부터 분리 및 세척하는 단계를 포함하고,
    상기 모체기판으로부터 분리된 폴리머는 10°미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 모체기판은 금속기판, 세라믹기판, 또는 폴리머기판인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 모체기판을 제작하는 단계는,
    기판 상부 표면에 래칫 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고,
    래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고,
    상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 초발수 나노 구조체는 나노선 구조체, 나노구 구조체 또는 나노홀 구조체를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체를 형성하는 단계는 수열합성법, 화학용액 식각법 또는 나노구조체 도포법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는 20 nm 내지 300 nm인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 보호층은 금속물질 또는 폴리머물질을 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 보호층의 금속물질은 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 보호층의 폴리머물질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)을 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 액상 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르설폰(PES)를 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  25. 상부 표면에 래칫(ratchet) 구조가 형성되고, 상기 래칫 구조 상에 초발수 나노 구조체가 형성된 제1 모체기판을 제작하는 단계;
    상기 초발수 나노 구조체 상에 초발수 나노 구조체 이탈방지용 보호층을 형성하는 단계;
    상기 제1 모체기판 상에 액상 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상 폴리머를 양생하는 단계;
    상기 양생된 폴리머를 상기 제1 모체기판으로부터 분리 및 세척하여 제2 모체기판을 형성하는 단계;
    상기 제2 모체기판 상에 액상의 이종 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 도포된 액상의 이종 폴리머를 양생하는 단계; 및
    상기 양생된 이종 폴리머를 상기 제2 모체기판으로부터 분리 및 세척하는 단계를 포함하고,
    상기 분리된 이종 폴리머는 10°미만의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 래칫 구조는 W2 - W1의 절대값이 50°이상이고,
    래칫 형상을 이루는 삼각형의 높이는 100㎛ 내지 400㎛인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하고,
    상기 W1은 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 어느 하나의 각이고, 상기 W2는 래칫 형상을 이루는 삼각형의 하부 두 개의 각 중 다른 하나의 각인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는 20 nm 내지 300 nm인 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 보호층은 금속물질 또는 폴리머물질을 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 보호층의 금속물질은 알루미늄(Al), 금(Au) 또는 백금(Pt)을 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 보호층의 폴리머물질은 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌(PE), 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF) 또는 폴리에테르설폰(PES)을 포함하는 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법.
  31. 제1항, 제8항, 제11항, 제12항, 제14항 및 제25항 중 어느 한 항의 초발수 폴리머 계층구조체 제조방법에 의해 제조된 초발수 폴리머 계층구조체.
  32. 기제작된 열교환기를 준비하는 단계;
    상기 기제작된 열교환기를 식각용액에 침지하여 상기 열교환기 중 적어도 전열면에 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계를 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 기제작된 열교환기를 준비하는 단계 및 상기 나노/마이크로 구조체를 형성하는 단계 사이에,
    상기 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계를 더 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 기제작된 열교환기를 염기성용액에 침지하는 단계는 상기 열교환기 중 적어도 전열면의 자연산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 염기성 용액은 NaOH를 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 식각용액은 묽은염산 용액을 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  37. 제32항에 있어서,
    상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계는, 0.1 Torr 내지 1 Torr 의 진공분위기에서 150 ℃ 내지 180 ℃ 온도로 1시간 내지 2시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  38. 제32항에 있어서,
    상기 형성된 나노/마이크로 구조체를 진공건조하는 단계 이후에,
    상기 진공건조된 나노/마이크로 구조체 표면에 오일을 도포하는 단계를 더 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 오일은 불소화 오일을 포함하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 오일을 도포하는 단계는 상기 나노/마이크로 구조체 사이로 오일을 침투시킴으로써 물방울 또는 서리의 부착력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기 제조방법.
  41. 전열면; 및
    적어도 상기 전열면을 포함하는 표면에 형성된 나노/마이크로 구조체를 포함하고,
    상기 나노/마이크로 구조체는 오일도포된 것을 특징으로 하는 초발수 특성을 갖는 열교환기.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 나노/마이크로 구조체는 진공건조법에 의해 표면의 친수이온이 제거된 것인 초발수 특성을 갖는 열교환기.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 오일도포의 오일은 불소화오일인 초발수 특성을 갖는 열교환기.
  44. 제41항에 있어서,
    상기 나노/마이크로 구조체가 형성된 전열면은 미끄럼각이 10°이하인 초발수 특성을 갖는 열교환기.
PCT/KR2015/007593 2014-09-01 2015-07-22 초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법 WO2016036001A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/507,596 US10503063B2 (en) 2014-09-01 2015-07-22 Super water repellent polymer hierarchical structure, heat exchanger having super water repellency, and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140115489A KR101535390B1 (ko) 2014-09-01 2014-09-01 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법
KR10-2014-0115489 2014-09-01
KR10-2014-0116094 2014-09-02
KR1020140116094A KR101528708B1 (ko) 2014-09-02 2014-09-02 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법
KR10-2015-0068588 2015-05-18
KR1020150068588A KR101602104B1 (ko) 2015-05-18 2015-05-18 초발수 폴리머 계층구조체 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016036001A1 true WO2016036001A1 (ko) 2016-03-10

Family

ID=55440022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2015/007593 WO2016036001A1 (ko) 2014-09-01 2015-07-22 초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10503063B2 (ko)
WO (1) WO2016036001A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109715298A (zh) * 2016-09-19 2019-05-03 尼蓝宝股份有限公司 液滴喷射涂料

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11473807B2 (en) 2017-01-12 2022-10-18 Nelumbo Inc. Temperature and relative humidity controller
US11041665B1 (en) 2017-11-30 2021-06-22 Nelumbo Inc. Droplet-field heat transfer surfaces and systems thereof
ES2723899A1 (es) * 2018-02-27 2019-09-03 Bsh Electrodomesticos Espana Sa Evaporador con recubrimiento
US20220001432A1 (en) * 2018-08-08 2022-01-06 Northwestern University Serrated surfaces for anti-icing applications

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080058398A (ko) * 2005-09-16 2008-06-25 엔테그리스, 아이엔씨. 방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치
KR20100003419A (ko) * 2008-07-01 2010-01-11 엘지마이크론 주식회사 초발수 필름 및 이의 제조 방법
KR20100033732A (ko) * 2008-09-22 2010-03-31 한국표준과학연구원 유체 이송 장치
JP2010174269A (ja) * 2009-01-27 2010-08-12 Central Glass Co Ltd アルミニウム部材の製造方法
JP2010270952A (ja) * 2009-05-20 2010-12-02 Central Glass Co Ltd 撥水性アルミニウム部材の製造方法
KR20110126966A (ko) * 2010-05-18 2011-11-24 포항공과대학교 산학협력단 소수성 시트 및 그 제조 방법
JP2012066417A (ja) * 2010-09-21 2012-04-05 Iwate Univ 金型、その製造方法、金型を用いた樹脂成形体の製造方法並びにその製造方法によって製造された樹脂成形体
JP2013036733A (ja) * 2011-07-12 2013-02-21 Denso Corp 撥水性基材、熱交換器、及び撥水性基材の製造方法
KR20140005426A (ko) * 2012-07-03 2014-01-15 한국전기연구원 나노구조와 미세구조가 혼재하는 초발수 표면

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008058398A (ja) 2006-08-29 2008-03-13 Optrex Corp 有機ｅｌ表示装置の駆動装置
JP2010155441A (ja) 2009-01-05 2010-07-15 Fujifilm Corp 親水性部材及び熱交換器用フィン材の製造方法
US20130295327A1 (en) * 2010-10-28 2013-11-07 Jun-Ying Zhang Superhydrophobic film constructions
KR101402353B1 (ko) 2012-12-20 2014-06-02 한국생산기술연구원 초발수 및 발유 초발수 및 발유 성능을 갖는 유무기 복합입자 및 그 제조 방법.
US20140238646A1 (en) * 2013-02-25 2014-08-28 Alcatel-Lucent Ireland Ltd. Sloped hierarchically-structured surface designs for enhanced condensation heat transfer

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080058398A (ko) * 2005-09-16 2008-06-25 엔테그리스, 아이엔씨. 방향-편향성을 갖는 웨트 표면을 갖는 유체 취급 장치
KR20100003419A (ko) * 2008-07-01 2010-01-11 엘지마이크론 주식회사 초발수 필름 및 이의 제조 방법
KR20100033732A (ko) * 2008-09-22 2010-03-31 한국표준과학연구원 유체 이송 장치
JP2010174269A (ja) * 2009-01-27 2010-08-12 Central Glass Co Ltd アルミニウム部材の製造方法
JP2010270952A (ja) * 2009-05-20 2010-12-02 Central Glass Co Ltd 撥水性アルミニウム部材の製造方法
KR20110126966A (ko) * 2010-05-18 2011-11-24 포항공과대학교 산학협력단 소수성 시트 및 그 제조 방법
JP2012066417A (ja) * 2010-09-21 2012-04-05 Iwate Univ 金型、その製造方法、金型を用いた樹脂成形体の製造方法並びにその製造方法によって製造された樹脂成形体
JP2013036733A (ja) * 2011-07-12 2013-02-21 Denso Corp 撥水性基材、熱交換器、及び撥水性基材の製造方法
KR20140005426A (ko) * 2012-07-03 2014-01-15 한국전기연구원 나노구조와 미세구조가 혼재하는 초발수 표면

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109715298A (zh) * 2016-09-19 2019-05-03 尼蓝宝股份有限公司 液滴喷射涂料
EP3515608A4 (en) * 2016-09-19 2020-06-03 Nelumbo Inc. DROPLET EJECTION COATINGS

Also Published As

Publication number Publication date
US10503063B2 (en) 2019-12-10
US20170282416A1 (en) 2017-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016036001A1 (ko) 초발수 폴리머 계층구조체, 초발수 특성을 갖는 열교환기 및 그 제조방법
WO2018052197A1 (ko) 증착 마스크용 금속판, 증착 마스크 및 이의 제조방법
WO2016053014A1 (ko) 패턴화 기판의 제조 방법
WO2015084122A1 (ko) 블록 공중합체
WO2015084124A1 (ko) 블록 공중합체
WO2015084125A1 (ko) 블록 공중합체
WO2015084120A1 (ko) 단량체 및 블록 공중합체
WO2019050198A2 (ko) Oled 화소 증착을 위한 금속 재질의 증착용 마스크 및 이의 제조방법
WO2014157856A1 (ko) 감광성 코팅 조성물, 그를 이용한 코팅 전도막 및 그의 제조 방법
WO2010011076A2 (ko) 고상파우더 연속 증착장치 및 고상파우더 연속 증착방법
WO2016064220A1 (ko) 온도 변화 또는 온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이들을 이용한 에너지 하베스팅 장치
WO2016053011A9 (ko) 블록 공중합체
WO2018124459A1 (ko) 페로브스카이트 화합물 및 그 제조방법, 페로브스카이트 화합물을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법
WO2016072809A1 (ko) 페로브스카이트 발광소자용 발광층 및 이의 제조방법과 이를 이용한 페로브스카이트 발광소자
WO2016072810A1 (ko) 엑시톤 버퍼층을 포함하는 페로브스카이트 발광 소자 및 이의 제조방법
WO2020231068A1 (ko) 마이크로 led 흡착체 및 이를 이용한 마이크로 led 디스플레이 제작 방법 및 마이크로 led 디스플레이
WO2017111561A1 (ko) 합금 코팅 강판 및 이의 제조방법
WO2013048156A2 (ko) 수분산 조성물 및 이를 이용한 광학필름
WO2018124792A1 (ko) 발포체용 조성물, 유연 열전소자, 연성 전도성 적층체 및 이의 제조방법
WO2018128381A1 (ko) 광결정 구조체 및 이를 포함하는 위조 방지용 색변환 필름
WO2023191535A1 (ko) 클릭반응을 이용한 패턴화된 cnt 필름 코팅 기판 및 이의 제조방법
US20040248420A1 (en) Substrate with microstructure formed thereon and manufacturing method thereof
CN100539046C (zh) 半导体器件及剥离方法以及半导体器件的制造方法
WO2015178704A2 (ko) 그래파인의 하나 이상의 굽힘변형, 위치이동, 중 하나 이상 선택되는 것을 구비하여 일 함수를 하나 이상 조절하는 트랜지스터
WO2015163619A1 (ko) 그래핀의 제조방법 및 그래핀 원자층이 식각되는 그래핀 제조방법 및 웨이퍼결합방법을 구비하는 그래핀 굽힘 트랜지스터, 및 그래핀 굽힘 트랜지스터

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15837918

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15507596

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15837918

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1