WO2017095185A1 - 기능성 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

기능성 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2017095185A1
WO2017095185A1 PCT/KR2016/014106 KR2016014106W WO2017095185A1 WO 2017095185 A1 WO2017095185 A1 WO 2017095185A1 KR 2016014106 W KR2016014106 W KR 2016014106W WO 2017095185 A1 WO2017095185 A1 WO 2017095185A1
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rare earth
earth metal
metal oxide
oxide thin
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PCT/KR2016/014106
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김형준
이한보람
오일권
윤창모
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인천대학교 산학협력단
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/16—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires

Definitions

  • the present invention relates to a functional filter and a method for manufacturing the same. More particularly, embodiments of the present invention include a porous substrate and a rare earth metal oxide thin film formed by atomic layer deposition (ALD) on the surface of the porous substrate.
  • ALD atomic layer deposition
  • the rare earth metal oxide thin film relates to a functional filter and a method of manufacturing the same, wherein surface energy is controlled according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film to change hydrophobic properties.
  • Hydrophobic membranes have the property of selectively permeating and separating only the desired materials for a mixture of liquid and gaseous environments. For this reason, hydrophobic membranes are used in a wide range of fields, such as water treatment filters for collecting pollutants in wastewater, medical filters for blocking bacteria and viruses, or impurity removal filters for chemical production.
  • hydrophobic membranes have low surface energy and water repellency, organic solvents pass and water does not. On the other hand, if the surface energy of the hydrophobic membrane is lowered, it will also have a repulsive force in various organic solvents having a weak surface tension than water.
  • polymer-based hydrophobic membranes include materials such as polyvinylidenedifluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE), which are inexpensive and capable of mass production but with thermal stability. And due to its remarkable durability, the scope of application is limited and periodic replacement is required. In addition, the combination of these polymers makes it difficult to finely control the surface energy, which makes it impossible to separate liquids having similar surface tensions.
  • PVDF polyvinylidenedifluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • rare earth oxides not polymers
  • hydrophobic materials with very good thermal and physical stability
  • rare earth metal oxides are inherently hydrophobic because of their unique atomic structure and remained hydrophobic even after heat treatment and abrasion testing at 1000 ° C.
  • the rare earth metal oxides are similar in durability to stainless steels, and have considerable application potential in various hydrophobic related fields.
  • Embodiments of the present invention provide a functional filter and a method of manufacturing the same, the surface energy is adjusted according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film is changed hydrophobic properties.
  • embodiments of the present invention provide a functional filter and a method of manufacturing the same, the thickness of the rare earth metal oxide thin film is easily controlled by the atomic layer thin film deposition method.
  • embodiments of the present invention provide a functional filter in which a rare earth metal oxide thin film is uniformly deposited by an atomic layer thin film deposition method and a method of manufacturing the same.
  • embodiments of the present invention provide a functional filter and a method of manufacturing the same improved durability and chemical and thermal stability.
  • embodiments of the present invention provides a functional filter that can be used as a functional filter that can selectively separate only the desired material and a method of manufacturing the same.
  • a functional filter according to an embodiment of the present invention includes a porous substrate and a rare earth metal oxide thin film formed by atomic layer thin film deposition (ALD) on the surface of the porous substrate, wherein the rare earth metal oxide thin film is formed of the rare earth metal oxide thin film
  • ALD atomic layer thin film deposition
  • the rare earth metal oxide thin film may be characterized in that as the thickness of the rare earth metal oxide thin film increases, the surface energy decreases and the water contact angle increases to change the hydrophobic property.
  • the rare earth metal oxide thin film is composed of Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Pr 6 O 11 , Nd 2 O 3 , Pm 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 At least one selected from the group consisting of, Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Tb 2 O 3 and Lu 2 O 3 Can be.
  • the rare earth metal oxide thin film may have a thickness in the range of 3nm to 50nm.
  • the porous substrate is platinum, polysilicon, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, high molecular weight polyethylene, polypropylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, poly It may be at least one selected from the group consisting of carbonate, polyimide, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide and polyethylene naphthalene.
  • the porous substrate may have a pore size in the range of 0.1 ⁇ m to 1 ⁇ m, and may have a porosity in the range of 10% to 80%.
  • a rare earth metal oxide thin film is formed by preparing a porous substrate and depositing a rare earth metal precursor on the surface of the porous substrate using atomic layer deposition (ALD). It includes, The rare earth metal oxide thin film is characterized in that the surface energy is adjusted according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film to change the hydrophobic characteristics.
  • the rare earth metal precursors are cyclopentadienyl (Cp), methylcyclopentadienyl (MeCp), ethylcyclopentadienyl (EtCp), isopropylcyclopentadienyl (iPrCp), 2 At least one selected from the group consisting of 2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadione (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione, thd), iPr-amd and Guan Phosphorus ligands.
  • the surface energy is finely adjusted according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film so that the hydrophobic property may be changed.
  • the thickness of the rare earth metal oxide thin film may be easily adjusted to a nanometer size level by atomic layer thin film deposition.
  • the rare earth metal oxide thin film may be uniformly deposited up to the pores of the porous substrate by atomic layer thin film deposition.
  • the functional filter according to the embodiments of the present invention may have a rare earth metal oxide thin film to improve durability and chemical and thermal stability.
  • the functional filter according to embodiments of the present invention can be used as a functional filter that can selectively separate only the desired material.
  • FIG. 1 illustrates a functional filter in which a rare earth metal oxide thin film is formed by an atomic layer thin film deposition method on a porous substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a change in water contact angle (°) and surface energy (mN / m) according to the thickness (nm) of the Y 2 O 3 (yttrium oxide) thin film measured according to an embodiment of the present invention.
  • nm 3 is a thickness (nm) of a yttrium oxide (Y 2 O 3 ) thin film on a platinum (Pt) substrate and a thickness of the yttrium oxide (Y 2 O 3 ) thin film on a polysilicon substrate (Pt) measured according to an embodiment of the present invention.
  • the graph which shows the change of the water contact angle (degree) with (nm) is shown.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a functional filter manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a method for depositing an atomic layer thin film of a rare earth metal oxide according to an embodiment of the present invention.
  • an embodiment As used herein, “an embodiment”, “an example”, “side”, “an example”, etc., should be construed that any aspect or design described is better or advantageous than other aspects or designs. It is not.
  • the term 'or' refers to an inclusive or 'inclusive or' rather than an exclusive or 'exclusive or'.
  • the expression 'x uses a or b' means any one of natural inclusive permutations.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only to distinguish one component from another.
  • a part such as a film, layer, area, configuration request, etc. is said to be "on” or “on” another part, the other film, layer, area, component in the middle, as well as when it is directly above another part. It also includes the case where it is interposed.
  • FIG. 1 illustrates a functional filter in which a rare earth metal oxide thin film is formed by atomic layer deposition (ALD) on a porous substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • ALD atomic layer deposition
  • Functional filter comprises a porous substrate and a rare earth metal oxide thin film formed by atomic layer thin film deposition on the surface of the porous substrate, the rare earth metal oxide thin film is a surface according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film The energy is controlled to change the hydrophobic properties.
  • the functional filter 100 includes a porous substrate 110 and a rare earth metal oxide thin film 120 formed by atomic layer thin film deposition on the porous substrate 110.
  • the porous substrate 110 is a polymer used as a hydrophobic filter, and can be used without particular limitation as long as the porous substrate 110 has a porous structure having a high porosity and a relatively uniform pore size distribution in which materials are easily moved.
  • the porous substrate may be a substrate of a polymer prepared by an stretching process which is a material of a conventional functional filter.
  • the porous substrate 110 is platinum, polysilicon, polyethylene, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, high molecular weight polyethylene, polypropylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, poly It may be at least one selected from the group consisting of acetal, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, and polyethylene naphthalene, but is not limited thereto.
  • the pore size of the porous substrate 110 is preferably in the range of 0.1 ⁇ m to 1 ⁇ m, preferably having a porosity in the range of 10% to 80%.
  • the thickness of the porous substrate 110 is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, more preferably in the range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the rare earth metal oxide thin film 120 is formed on the porous substrate 110 by atomic layer thin film deposition.
  • the thickness of the rare earth metal oxide thin film 120 may be easily adjusted to nanometer size.
  • the rare earth metal oxide thin film 120 may be uniformly deposited to the inside of the pores of the porous substrate 110 by the atomic layer thin film deposition method.
  • the atomic layer thin film deposition method it is possible to deposit a nanometer-thick thin film having excellent uniformity even in a complicated three-dimensional structure.
  • the surface energy is controlled according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film, thereby changing the hydrophobic property.
  • the surface energy decreases and the water contact angle, which is the contact angle with respect to water, increases, thereby changing the hydrophobic property.
  • the surface energy decreases as the thickness of the rare earth metal oxide thin film increases, thereby increasing the contact angle with respect to water.
  • the functional filter 100 adjusts the thickness of the rare earth metal oxide thin film 120 deposited on the porous substrate 110, the surface energy of the rare earth metal oxide thin film 120 is finely adjusted, so that the functional filter 100 is adjusted.
  • Hydrophobicity properties may change.
  • the rare earth metal oxide thin film 120 includes Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Pr 6 O 11 , Nd 2 O 3 , Pm 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 At least any one selected from the group consisting of O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Tb 2 O 3 and Lu 2 O 3 It may be one, but is not limited thereto.
  • the rare earth metal oxide thin film may further include a metal oxide including a metal other than the rare earth metal, in addition to the rare earth metal oxide including the rare earth metal.
  • a metal oxide including a metal other than the rare earth metal in addition to the rare earth metal oxide including the rare earth metal.
  • SiO 2 , PtO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , Mn 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SnO 2 , HfO 2 , SrO, BaO, Na 2 O, MgO, NiO, CaO , ZnO, BaTiO 3 , SrTiO 3 and Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) may further include at least one selected from the group consisting of.
  • the above-mentioned rare earth metal oxide thin film preferably has a thickness in the range of 3 nm to 50 nm.
  • the thickness of the thin film is less than 3 nm, the thermal properties of the functional filter cannot be maintained at high temperature.
  • the thickness of the thin film is greater than 50 nm, the thickness of the thin film is excessively increased to prevent pores of the existing porous substrate, thereby degrading the performance of the functional filter. There is concern.
  • Functional filter 100 formed with a rare earth metal oxide thin film 120 on the porous substrate 110 may have a total pore size in the range of 10nm to 1 ⁇ m, 5% to 75% It may have a porosity of.
  • FIG. 2 is a graph showing a change in water contact angle (°) and surface energy (mN / m) according to the thickness (nm) of the Y 2 O 3 (yttrium oxide) thin film measured according to an embodiment of the present invention.
  • the functional filter according to the embodiment of the present invention uses polysilicon and Y 2 O 3 (yttrium oxide) as a porous substrate and a rare earth metal oxide material, respectively.
  • the rare earth metal oxide thin film is illustratively It formed so that it might become thickness of 3 nm, 6 nm, 8 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, and 50 nm.
  • the surface energy decreases and the water contact angle increases.
  • the surface energy becomes smaller and the contact angle to water becomes larger.
  • the rare earth metal oxide thin film may adjust surface energy and water contact angle by adjusting the thickness of the thin film, thereby changing the hydrophobic property of the functional filter.
  • nm 3 is a thickness (nm) of a yttrium oxide (Y 2 O 3 ) thin film on a platinum (Pt) substrate and a thickness of the yttrium oxide (Y 2 O 3 ) thin film on a polysilicon substrate (Pt) measured according to an embodiment of the present invention.
  • the graph which shows the change of the water contact angle (degree) with (nm) is shown.
  • the functional filter according to the embodiment of the present invention used polysilicon or platinum (Pt) in each case as the porous base material, and in all cases Y 2 O 3 (oxidation) as the rare earth metal oxide material. Yttrium) was used.
  • the rare earth metal oxide thin film is formed to have a thickness of 3 nm, 6 nm, 8 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm and 50 nm, for example.
  • the functional filter according to the exemplary embodiment of the present invention increases the water contact angle as the thickness of the rare earth metal oxide thin film increases, regardless of the type of the porous substrate.
  • the functional filter according to the embodiment of the present invention increases the water contact angle as the thickness of the rare earth metal oxide thin film increases, the surface energy decreases as the thickness of the thin film increases.
  • the functional filter according to an embodiment of the present invention can be seen that the water contact angle varies depending on the type of the porous substrate.
  • the water contact angle may vary due to the van der Waals force between the porous substrate and the water on the thin film, and the ultra-surface energy in nanometers is affected by the lower porous substrate.
  • the surface energy control range may be changed.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a functional filter manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • preparing a porous substrate according to an embodiment of the present invention (S310); And forming a rare earth metal oxide thin film by depositing a rare earth metal precursor on the surface of the porous substrate by using atomic layer thin film deposition (ALD) (S320).
  • ALD atomic layer thin film deposition
  • the rare earth metal oxide thin film can control the surface energy by controlling the thickness of the rare earth metal oxide thin film when the rare earth metal oxide thin film is deposited through atomic layer thin film deposition, and can control the hydrophobic property by controlling the surface energy. .
  • the surface energy decreases and the contact angle increases, thereby changing the hydrophobic property.
  • the surface energy decreases, thereby increasing the water contact angle, thereby changing the hydrophobic property of the functional filter according to the embodiment of the present invention. can do.
  • the porous substrate is a polymer used as a hydrophobic filter, and if there is a porous structure having a high porosity and relatively uniform pore size distribution that is easy to move the material is not particularly limited.
  • the porous base material may be any base material of a polymer produced by an stretching process which is a material of a conventional functional filter.
  • a rare earth metal oxide thin film is formed by depositing a rare earth metal precursor on the surface of the porous substrate using atomic layer thin film deposition in step S320. do.
  • step S320 when forming a rare earth metal oxide thin film by depositing a rare earth metal precursor on the surface of the porous substrate, the functional filter produced according to an embodiment of the present invention by using an atomic layer thin film deposition method to the thickness of the rare earth metal oxide thin film Accordingly, the surface energy may be finely adjusted to change the hydrophobic property, and the thickness of the rare earth metal oxide thin film may be easily adjusted to nanometer size.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a method for depositing an atomic layer thin film of a rare earth metal oxide according to an embodiment of the present invention.
  • steps S510 to S540 are a unit cycle.
  • the atomic layer thin film having a desired thickness may be deposited by controlling the number of times of unit circulation processes in steps S510 to S540 and repeatedly performing the same.
  • a rare earth metal precursor is supplied.
  • a source gas containing a rare earth metal precursor may be supplied into the reaction chamber to adsorb the source gas on the porous substrate.
  • step S520 the source gas remaining in the reaction chamber without being adsorbed to the porous substrate is purged with a purge gas.
  • step S530 an oxidant is supplied.
  • a reaction gas containing an oxidant may be supplied into the reaction chamber to react with the source gas adsorbed on the porous substrate.
  • step S540 the reaction gas remaining in the reaction chamber without reacting with the source gas is purged with a purge gas.
  • the rare earth metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention by repeatedly performing the unit circulation process of the steps S510 to S540, the rare earth metal precursor and the oxidant can be deposited in cycles by sequentially exposing the rare earth metal precursor and the oxidant to rare earth The thickness of the metal oxide thin film can be adjusted.
  • the rare earth metal precursor may be any precursor as long as the precursor comprises a rare earth metal.
  • the rare earth metal precursor may be cyclopentadienyl (Cp), methylcyclopentadienyl (MeCp), ethylcyclopentadienyl (EtCp), isopropylcyclopentadienyl (isopropylcyclopentadienyl, iPrCp), 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptadione (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione, thd), iPr-amd and Guan It may include at least one ligand which is.
  • Y (iPrCp) 2 (N-iPr-amd) was used as the precursor of the Y 2 O 3 atomic layer thin film deposition method.
  • the pure polysilicon porous substrate (more than about 40% porosity, about 20 ⁇ m thickness) was fixed in a closed chamber. Thereafter, a Y 2 O 3 thin film having a thickness of 3 nm was deposited on the porous polysilicon substrate (1.22 ⁇ / cycle) through a decomposition process of the Y (iPrCp) 2 (N-iPr-amd) at 70.
  • a functional filter obtained by coating Y 2 O 3 to a thickness of 3 nm was obtained.
  • a functional filter coated with Y 2 O 3 having a thickness of 6 nm, 8 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, and 50 nm was prepared by atomic layer thin film deposition at 70.
  • Test Example Measurement of thickness, water contact angle and surface energy of functional filter
  • Y 2 O 3 to the functional filter uncoated contact angle and surface energy each represents a 31.6 ° and 37mN / m
  • Y 2 O 3 is the number of functional filter coating the contact angle and surface energy
  • the thickness increased from 3 nm to 50 nm
  • the water contact angle increased from 44.8 ° to 108 °
  • the surface energy decreased from 36.4 mN / m to 13.2 mN / m.
  • the functional filter of Example 1 was found that the thicker the thickness of the coated Y 2 O 3 is smaller the surface energy, the larger the water contact angle. In other words, the surface energy was controlled by controlling the thickness of Y 2 O 3 coated on the functional filter.
  • the functional filter may be finely adjusted the surface energy according to the thickness of the rare earth metal oxide thin film, and easily adjust the thickness of the rare earth metal oxide thin film to the nanometer level by atomic layer thin film deposition.
  • the rare earth metal oxide thin film may be uniformly deposited into the pores of the porous substrate by atomic layer thin film deposition.
  • the functional filter according to the embodiments of the present invention may have improved durability by having a rare earth metal oxide thin film, and may improve chemical and thermal stability.
  • the functional filter according to the embodiment of the present invention can be used as a functional filter capable of selectively separating a variety of liquids having a different desired material, for example, the surface tension.
  • it can be used as a functional filter in the fields of wastewater treatment, water agglomerates of generators, solar cells, automobile parts, gas turbine coatings, feeding separators, cookers, surgical instruments, windows or glasses.

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Abstract

본 발명은 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)에 의해 형성된 희토류 금속 산화물 박막을 포함하고, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 기능성 필터 및 그 제조방법을 개시한다.

Description

기능성 필터 및 그 제조방법
본 발명은 기능성 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명의 실시예들은 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)에 의해 형성된 희토류 금속 산화물 박막을 포함하고, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 기능성 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
소수성 멤브레인은 액체 및 기체 환경의 혼합물질에 대해 원하는 물질만 선택적으로 투과 및 분리할 수 있는 특성을 갖는다. 이로 인해, 소수성 멤브레인은 폐수의 오염물질 포집용 수처리 필터, 박테리아와 바이러스의 차단용 의료 필터 또는 화학물질 제조용 불순물 제거 필터 등의 광범위한 분야에서 사용되고 있다.
소수성 멤브레인은 표면에너지가 작아 발수성을 갖기 때문에 유기용제류는 통과시키고 물은 통과시키지 않는 특성을 갖는다. 한편, 소수성 멤브레인의 표면에너지를 더 낮추게 되면 물보다 표면장력이 약한 다양한 유기용제류에도 반발력을 갖게 된다.
최근 폐수처리 분야 및 물과 기름의 분리 분야 등에 적용하기 위해 고분자 기반의 소수성 멤브레인을 이용한 액체 분리가 연구된 바 있다[Moo J. K. et al, Chem. Mater., 2015, 27 (9), pp 3441]. 표면에너지가 다르게 두 종류의 고분자 조성을 달리하여 공중합체의 표면에너지를 조절함으로써, 물, 글리세롤, 에틸렌글리콜 및 올리브유를 분리하였다. 따라서, 소수성 멤브레인의 표면에너지 조절을 이용하여 표면장력이 다른 다양한 액체들을 선택적으로 분리할 수 있다는 가능성을 보여주었다.
현재 상용화된 고분자 기반의 소수성 멤브레인으로는 PVDF(Polyvinylidenedifluoride, 폴리비닐리덴디플루오리드) 또는 PTFE(Polytetrafluoroethylene, 폴리테트라플루오로에틸렌)와 같은 물질이 사용되고 있는데, 이들은 값이 싸고 대량 생산이 가능하지만 열적 안정성 및 내구성이 현저히 떨어져 응용 범위가 제한적이며 주기적인 교체가 필요하다. 이와 더불어, 이들 고분자들의 조합으로는 표면에너지의 미세 조절이 어려워서 비슷한 표면장력을 지닌 액체의 분리가 불가능하다.
최근 매우 우수한 열적 및 물리적 안정성을 가진 소수성 물질로서, 고분자가 아닌 희토류 금속 산화물(Rare earth oxide, REO)에 대한 연구가 발표된 바 있다[Gisele A. et al., Nature Materials, 12, 2013, 315]. 이에 따르면, 희토류 금속 산화물은 그 자체의 독특한 원자 구조 때문에 본질적으로 소수성 특성을 가지며 1000℃의 열처리 및 마모테스트 후에도 소수성 특성이 유지되었다. 또한, 희토류 금속 산화물은 내구성이 스테인리스 강과 비슷하여, 다양한 소수성 관련 분야에서 상당히 높은 응용 가능성을 가지고 있다.
본 발명의 실시예들은 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 기능성 필터 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 용이하게 조절되는 기능성 필터 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막이 균일하게 증착되는 기능성 필터 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 내구성과 화학적 및 열적 안정성이 향상된 기능성 필터 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 원하는 물질만을 선택적으로 분리할 수 있는 기능성 필터로서 이용이 가능한 기능성 필터 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)에 의해 형성된 희토류 금속 산화물 박막을 포함하고, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 한다.
상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 증가함에 따라 표면에너지가 감소하고 수접촉각이 증가하여 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 희토류 금속 산화물 박막은 Sc2O3, Y2O3, La2O3, Ce2O3, Pr6O11, Nd2O3, Pm2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Tb2O3 및 Lu2O3로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 3㎚ 내지 50㎚ 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 다공성 기재는 백금, 폴리실리콘, 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 다공성 기재는 0.1㎛ 내지 1㎛ 범위의 기공 크기 가질 수 있고, 10% 내지 80% 범위의 기공도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터 제조방법은 다공성 기재를 준비하는 단계 및 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)을 이용하여 희토류 금속 전구체를 증착시켜 희토류 금속 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 한다.
상기 희토류 금속 전구체는 시클로펜타디에닐(Cyclopentadienyl, Cp),메틸시클로펜타디에닐 (methylcyclopentadienyl, MeCp), 에틸시클로펜타디에닐(ethylcyclopentadienyl, EtCp), 이소프로필시클로펜타디에닐(isopropylcyclopentadienyl, iPrCp), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵타디온(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione, thd), iPr-amd 및 Guan으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 리간드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 미세하게 조절되어 소수성 특성이 변화될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 기능성 필터는 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 나노미터 크기 수준으로 용이하게 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 기능성 필터는 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막이 다공성 기재의 기공 내부까지 균일하게 증착될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막을 가짐으로써 내구성과 화학적 및 열적 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 기능성 필터는 원하는 물질만을 선택적으로 분리할 수 있는 기능성 필터로서 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 기재 상에 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막이 형성된 기능성 필터를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 Y2O3(산화이트륨) 박막의 두께(㎚)에 따른 수접촉각(°) 및 표면에너지(mN/m) 변화를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 백금(Pt) 기재 상의 산화이트륨(Y2O3) 박막의 두께(㎚) 및 폴리실리콘 기재 상의 산화이트륨(Y2O3) 박막의 두께(㎚)에 따른 수접촉각(°)의 변화를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 희토류 금속 산화물의 원자층 박막 증착 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 기재 상에 원자층 박막 증착법(ALD, atomic layer deposition)에 의해 희토류 금속 산화물 박막이 형성된 기능성 필터를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터는 다공성 기재 및 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법에 의해 형성된 희토류 금속 산화물 박막을 포함하고, 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화한다.
도 1을 참조하면, 기능성 필터(100)는 다공성 기재(110) 및 다공성 기재(110) 상에 원자층 박막 증착법에 의해 형성된 희토류 금속 산화물 박막(120)을 포함한다.
다공성 기재(110)는 소수성 필터로 사용되는 고분자로서, 물질의 이동이 용이한 높은 기공도 및 비교적 균일한 기공 크기 분포를 갖는 다공성 구조를 갖는다면 특별한 제한 없이 사용가능하다. 예를 들면, 상기 다공성 기재는 통상적인 기능성 필터의 재료인 연신 공정에 의해 제조되는 고분자의 기재일 수도 있다.
보다 구체적으로, 다공성 기재(110)는 백금, 폴리실리콘, 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다공성 기재(110)의 기공 크기는 0.1㎛ 내지 1㎛ 범위가 바람직하며, 10% 내지 80% 범위의 기공도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 다공성 기재(110)의 두께는 크게 제한이 없으나, 1㎛ 내지 100㎛ 범위가 바람직하고, 5㎛ 내지 30㎛ 범위가 보다 바람직하다.
희토류 금속 산화물 박막(120)은 다공성 기재(110) 상에 원자층 박막 증착법에 의해 형성된다. 희토류 금속 산화물 박막(120) 형성시 원자층 박막 증착법을 이용함으로써, 희토류 금속 산화물 박막(120)의 두께는 나노미터 크기로 용이하게 조절될 수 있다.
또한, 희토류 금속 산화물 박막(120)은 원자층 박막 증착법에 의해 다공성 기재(110)의 기공 내부까지 균일하게 증착될 수 있다. 원자층 박막 증착법을 통하여, 복잡한 형상의 3차원 구조에서도 뛰어난 균일도를 가지는 나노미터 두께의 박막을 증착할 수 있다.
희토류 금속 산화물 박막(120)은 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화한다.
또한, 희토류 금속 산화물 박막(120)은 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 증가함에 따라 표면에너지가 감소하고 물에 대한 접촉각인 수접촉각이 증가하여 소수성 특성이 변화할 수 있다. 다시 말해, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 두꺼워질수록 표면에너지가 작아지고, 이에 따라 물에 대한 접촉각이 커질 수 있다.
따라서, 기능성 필터(100)는 다공성 기재(110) 상에 증착되는 희토류 금속 산화물 박막(120)의 두께를 조절함에 따라 희토류 금속 산화물 박막(120)의 표면에너지가 미세하게 조절되어, 기능성 필터(100)의 소수성 특성이 변화할 수 있다.
희토류 금속 산화물 박막(120)은 Sc2O3, Y2O3, La2O3, Ce2O3, Pr6O11, Nd2O3, Pm2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Tb2O3 및 Lu2O3으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 희토류 금속을 포함하는 희토류 금속 산화물 이외에, 희토류 금속이 아닌 다른 금속을 포함하는 금속 산화물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, SiO2, PtO2, Al2O3, B2O3, Mn2O3, ZrO2, TiO2, SnO2, HfO2, SrO, BaO, Na2O, MgO, NiO, CaO, ZnO, BaTiO3, SrTiO3 및 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
전술한 희토류 금속 산화물 박막의 두께는 3㎚ 내지 50㎚ 범위인 것이 바람직하다. 박막의 두께가 3㎚ 미만인 경우에는 고온에서 기능성 필터의 열적 특성을 유지할 수 없고, 50㎚를 초과하는 경우에는 박막의 두께가 과도하게 증가하여 기존 다공성 기재의 기공을 막아 기능성 필터의 성능을 저하시킬 우려가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다공성 기재(110) 상에 희토류 금속 산화물 박막(120)이 형성된 기능성 필터(100)는, 10㎚ 내지 1㎛ 범위의 총 기공 크기를 가질 수 있고, 5% 내지 75%의 기공도를 가질 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따른 수접촉각 및 표면에너지의 변화를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 측정된 Y2O3(산화이트륨) 박막의 두께(㎚)에 따른 수접촉각(°) 및 표면에너지(mN/m) 변화를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터는 다공성 기재 및 희토류 금속 산화물 물질로서, 예시적으로 각각 폴리실리콘 및 Y2O3(산화이트륨)을 이용하였다.
원자층 박막 증착법을 이용하여 상기 희토류 금속 산화물의 두께를 각각 다르게 하여 상기 다공성 기재 상에 증착시킨 후, 상기 각각의 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 대한 수접촉각 및 표면에너지를 측정하였다. 여기서, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 예시적으로 3㎚, 6㎚, 8㎚, 10㎚, 20㎚, 30㎚, 40㎚ 및 50㎚의 두께가 되도록 형성하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 증가할수록 표면에너지는 감소하였고, 수접촉각은 증가하였다. 다시 말해, 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 두꺼워질수록 표면에너지는 작아지고, 물에 대한 접촉각은 커진다.
본 발명의 실시예에 따르면 희토류 금속 산화물 박막은 박막의 두께를 조절함으로써 표면에너지 및 수접촉각을 조절할 수 있고, 이에 따라 기능성 필터의 소수성 특성을 변화시킬 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 상이한 두 가지 기재 상의 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따른 수접촉각의 변화를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 백금(Pt) 기재 상의 산화이트륨(Y2O3) 박막의 두께(㎚) 및 폴리실리콘 기재 상의 산화이트륨(Y2O3) 박막의 두께(㎚)에 따른 수접촉각(°)의 변화를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 필터는 다공성 기재 물질로서 각각의 경우에 폴리실리콘 또는 백금(Pt)을 이용하였고, 희토류 금속 산화물 물질로서 모든 경우에 Y2O3(산화이트륨)을 이용하였다.
원자층 박막 증착법을 이용하여 상기 희토류 금속 산화물의 두께를 각각 다르게 하여 다공성 기재 상에 증착시킨 후, 각각의 두께에 대한 수접촉각을 측정하였다. 여기서, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 예시적으로 3㎚, 6㎚, 8㎚, 10㎚, 20㎚, 30㎚, 40㎚ 및 50㎚의 두께가 되도록 형성하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 필터는 다공성 기재의 종류에 상관없이 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 증가할수록 수접촉각은 증가하였다. 다시 말해, 희토류 금속 산화물 박막은 다공성 기재의 종류에 상관없이 박막의 두께가 두꺼워질수록 물에 대한 접촉각은 커진다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 두꺼워질수록 수접촉각이 커지기 때문에, 이에 따라 박막의 두께가 두꺼워질수록 표면에너지가 작아지는 것을 예측할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 필터는 다공성 기재의 종류에 따라 수접촉각이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 상기 다공성 기재의 종류에 따른 수접촉각은 다공성 기재와 박막 상의 물 간 반데르발스 힘이 관여하여 나노미터 단위의 극초표면에너지가 하부 다공성 기재의 영향을 받아 달라질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 기능성 필터를 통하여 다공성 기재의 종류를 변경함에 따라 표면에너지 조절 범위를 변경할 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터 제조방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 기재를 준비하는 단계(S310); 및 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)을 이용하여 희토류 금속 전구체를 증착시켜 희토류 금속 산화물 박막을 형성하는 단계(S320)를 포함한다.
상기 희토류 금속 산화물 박막은 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화한다.
다시 말해, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 원자층 박막 증착법을 통하여 상기 희토류 금속 산화물 박막 증착시 희토류 금속 산화물 박막의 두께를 조절하여 표면에너지를 조절할 수 있고, 표면에너지 조절을 통하여 소수성 특성을 제어할 수 있다.
상기 희토류 금속 산화물 박막은 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 증가함에 따라 표면에너지가 감소하고 접촉각이 증가하여 소수성 특성이 변화할 수 있다.
다시 말해, 상기 희토류 금속 산화물 박막은 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 두꺼워질수록 표면에너지가 작아져, 이에 따라 수접촉각이 커질 수 있고, 이에 의해 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터의 소수성 특성이 변화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터 제조 방법은 S310 단계에서, 다공성 기재를 준비한다. 단계 S310에서, 다공성 기재는 소수성 필터로 사용되는 고분자로서, 물질의 이동이 용이한 높은 기공도 및 비교적 균일한 기공 크기 분포를 갖는 다공성 구조를 갖는다면 특별한 제한이 없다.
또한, 상기 다공성 기재는 통상적인 기능성 필터의 재료인 연신 공정에 의해 제조되는 고분자의 기재라면 모두 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터 제조 방법은 단계 S310에서 다공성 기재를 준비한 후, 단계 S320에서 상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법을 이용하여 희토류 금속 전구체를 증착시켜 희토류 금속 산화물 박막을 형성한다.
단계 S320에서, 상기 다공성 기재의 표면 상에 희토류 금속 전구체를 증착시켜 희토류 금속 산화물 박막 형성시, 원자층 박막 증착법을 이용함으로써 본 발명의 실시예에 따라 제조된 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 미세하게 조절되어 소수성 특성이 변화될 수 있고, 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 나노미터 크기로 용이하게 조절될 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 원자층 박막 증착법을 통한 희토류 금속 산화물 박막 형성방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 희토류 금속 산화물의 원자층 박막 증착 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 희토류 금속 산화물의 원자층 박막 증착 방법은 단계 S510 내지 S540을 단위 순환 공정(1 cycle)으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 희토류 금속 산화물의 원자층 박막 증착 방법은 단계 S510 내지 S540의 단위 순환 공정의 횟수를 조절하여, 이를 반복적으로 수행함으로써 원하는 두께의 원자층 박막을 증착할 수 있다.
단계 S510에서는 희토류 금속 전구체(rare erth precursor)를 공급한다. 예를 들어, 희토류 금속 전구체를 포함하는 원료 가스를 반응 챔버 내에 공급하여 다공성 기재 상에 원료 가스를 흡착시킬 수 있다.
단계 S520에서는 상기 다공성 기재에 흡착되지 않고 반응 챔버 내에 잔류하는 원료 가스를 퍼지(perge) 가스로 퍼지시킨다.
단계 S530에서는 산화제(oxidant)를 공급한다. 예를 들어, 산화제를 포함하는 반응 가스를 반응 챔버 내로 공급하여 다공성 기재 상에 흡착되어 있는 원료 가스와 반응시킬 수 있다.
단계 S540에서는 상기 원료 가스와 반응하지 않고 반응 챔버 내에 잔류하는 반응 가스를 퍼지 가스로 퍼지시킨다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 희토류 금속 산화물 박막은 상기 단계 S510 내지 S540의 단위 순환 공정을 반복적으로 수행하여, 희토류 금속 전구체 및 산화제를 순차적으로 다공성 기재에 노출시킴으로써 사이클 단위로 증착이 가능하여 희토류 금속 산화물 박막의 두께 조절이 가능하다.
상기 희토류 금속 전구체는 희토류 금속을 포함하는 전구체라면 어느 것이든 무관하다. 예를 들어, 상기 희토류 금속 전구체는 시클로펜타디에닐(Cyclopentadienyl, Cp),메틸시클로펜타디에닐 (methylcyclopentadienyl, MeCp), 에틸시클로펜타디에닐(ethylcyclopentadienyl, EtCp), 이소프로필시클로펜타디에닐(isopropylcyclopentadienyl, iPrCp), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵타디온(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione, thd), iPr-amd 및 Guan으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 리간드를 포함할 수 있다.
이하, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 원자층 박막 증착 방법을 이용하여 제조된 기능성 필터의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예: Y2O3(산화이트륨)이 코팅된 기능성 필터의 제조
Y(iPrCp)2(N-iPr-amd)을 Y2O3 원자층 박막 증착법의 전구체로서 사용하였다. 이때 순수한 폴리실리콘 다공성 기재(기공도 약 40% 이상, 두께 약 20㎛)를 밀폐된 챔버 내에 고정시켰다. 이후 70의 환경에서 상기 Y(iPrCp)2(N-iPr-amd)의 분해 과정을 거쳐 폴리실리콘 다공성 기재에 3㎚ 두께의 Y2O3 박막을 증착시켰다(1.22Å/cycle). 그 결과, Y2O3가 3㎚ 두께로 코팅된 기능성 필터가 수득되었다.
상기와 동일한 방법으로 70에서 원자층 박막 증착법에 의하여 6㎚, 8㎚, 10㎚, 20㎚, 30㎚, 40㎚ 및 50㎚ 두께의 Y2O3가 코팅된 기능성 필터를 제조하였다.
시험예: 기능성 필터의 두께, 수접촉각 및 표면에너지 측정
상기 실시예에 의해 Y2O3가 코팅된 기능성 필터의 Y2O3 두께별 수접촉각 및 표면에너지를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 기능성 필터의 수접촉각 및 표면에너지를 비교하기 위하여 Y2O3가 코팅되지 않은 기능성 필터의 수접촉각 및 표면에너지를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.
Figure PCTKR2016014106-appb-T000001
상기 표 1에 나타난 바와 같이, Y2O3가 코팅되지 않은 기능성 필터의 수접촉각 및 표면에너지는 각각 31.6° 및 37mN/m를 나타내고, Y2O3가 코팅된 기능성 필터의 수접촉각 및 표면에너지는 두께가 3㎚에서 50㎚로 증가함에 따라 수접촉각은 44.8°에서 108°로 증가하였고, 표면에너지는 36.4mN/m에서 13.2mN/m로 감소하였다.
이를 통해 실시예1의 기능성 필터는 코팅된 Y2O3의 두께가 두꺼워질수록 표면에너지는 작아지고, 수접촉각은 커지는 것을 알 수 있었다. 다시 말해, 기능성 필터에 코팅되는 Y2O3의 두께를 조절함에 따라 표면에너지를 조절할 수 있었다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 미세하게 조절될 수 있고, 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막의 두께를 나노미터 수준으로 용이하게 조절될 수 있으며, 원자층 박막 증착법에 의해 희토류 금속 산화물 박막이 다공성 기재의 기공 내부까지 균일하게 증착될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 기능성 필터는 희토류 금속 산화물 박막을 가짐으로써 내구성이 향상될 수 있고, 화학적 및 열적 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기능성 필터는 원하는 물질, 예를 들어 표면장력이 다른 다양한 액체들을 선택적으로 분리할 수 있는 기능성 필터로서 이용될 수 있다. 예를 들면, 폐수 처리, 발전기의 물 응집기, 태양전지, 자동차 부품, 가스 터빈 코팅, 수유분리기, 요리도구, 수술도구, 창문 또는 안경 등의 분야에서 기능성 필터로서 이용 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 다공성 기재; 및
    상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)에 의해 형성된 희토류 금속 산화물 박막을 포함하고,
    상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 기능성 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 금속 산화물 박막은
    상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께가 증가함에 따라 표면에너지가 감소하고 수접촉각이 증가하여 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 기능성 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 금속 산화물 박막은
    Sc2O3, Y2O3, La2O3, Ce2O3, Pr6O11, Nd2O3, Pm2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, Tb2O3 및 Lu2O3로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기능성 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 금속 산화물 박막은 3㎚ 내지 50㎚ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 기능성 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재는 백금, 폴리실리콘, 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리에틸렌나프탈렌으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기능성 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재는 0.1㎛ 내지 1㎛ 범위의 기공 크기를 갖고, 10% 내지 80% 범위의 기공도를 갖는 것을 특징으로 하는 기능성 필터.
  7. 다공성 기재를 준비하는 단계; 및
    상기 다공성 기재의 표면 상에 원자층 박막 증착법(ALD)을 이용하여 희토류 금속 전구체를 증착시켜 희토류 금속 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 희토류 금속 산화물 박막은 상기 희토류 금속 산화물 박막의 두께에 따라 표면에너지가 조절되어 소수성 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 기능성 필터 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 희토류 금속 전구체는 시클로펜타디에닐(Cyclopentadienyl, Cp), 메틸시클로펜타디에닐 (methylcyclopentadienyl, MeCp), 에틸시클로펜타디에닐(ethylcyclopentadienyl, EtCp), 이소프로필시클로펜타디에닐(isopropylcyclopentadienyl, iPrCp), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵타디온(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedione, thd), iPr-amd 및 Guan으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나인 리간드를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 필터 제조방법.
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