WO2024253219A1 - 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법 - Google Patents

모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a superhydrophobic three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation and a method for fabricating the same, and more specifically, to a superhydrophobic three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation capable of replicating a hierarchical upright columnar structure, which is a unique structure of a superhydrophobic agave leaf, and a method for fabricating the same.
  • the surface of a solid such as a metal, ceramic, or polymer has its own surface energy, and when a liquid such as water or oil is applied to the surface, the surface energy is reflected as the contact angle between the solid surface and the liquid. If the contact angle is less than 90°, the liquid spreads on the surface and wets it, showing hydrophilicity and excellent wettability, and if the angle is greater than 90°, the spherical liquid droplet does not wet the solid surface and maintains its spherical shape, showing hydrophobicity. If the angle is greater than 150°, the spherical liquid droplet shows repulsion from the solid surface and does not remain stationary on the solid surface, but rolls and falls, showing superhydrophobicity.
  • the rolling liquid droplet rolls and falls while picking up contaminants such as dust or soot on the solid surface, so it additionally shows self-cleaning characteristics that spontaneously clean the surface.
  • a representative example of this superhydrophobicity is the Lotus effect, where water droplets do not form on the surface of a sedge leaf, but instead roll and fall on the surface while maintaining their spherical shape.
  • Lotus effect which simultaneously exhibits superhydrophobic and self-cleaning effects, occurs when a surface covered with a water-repellent material with low surface energy has a microscopically sized rough structure.
  • Typical water-repellent materials are polymers with nonpolar molecular structures.
  • Korean Patent Publication No. 10-2013-0099583 Three-dimensional shaped structure with hydrophobic surface and manufacturing method thereof.
  • the present invention can provide a superhydrophobic three-dimensional structure and a method for producing the same using capillary force-induced coagulation, which has a simple manufacturing process and can be mass-produced at low manufacturing cost.
  • a method for manufacturing a superhydrophobic three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation may include a hierarchical upright pillar forming step of forming a hierarchical upright pillar structure having a top-bottom-up pillar shape and a plurality of protrusions formed on the upper portions of the pillars using polydimethylsiloxane, which is an elastic material; a coagulation inducing step of applying polyvinyl alcohol to a surface of the hierarchical upright pillar structure and drying it to induce coagulation between the protrusions by capillary force; a curing step of applying polydimethylsiloxane to the protrusions and curing it to fix them in a coagulated state; a water-repellent imparting step of coating a hydrophobic wax solution on the entire surface of the hierarchical upright pillar structure; and a coating step of coating a polydopamine aqueous solution, which
  • the hierarchical upright column forming step may include a master mold manufacturing step of manufacturing a master mold of the hierarchical upright column structure; a releasing step of mixing 5 to 15 parts by weight of a curing agent and 50 to 150 parts by weight of an organic silicone, and then injecting them into the master mold to produce a reverse mold having a reverse shape of the master mold, and then releasing the mixed mixture; and a thermal curing step of thermally curing the released reverse mold, and then injecting polydimethylsiloxane into the reverse mold and thermally curing it again.
  • the hierarchical upright column structure may be characterized in that the height of the column is formed to be 250 to 350 ⁇ m, and the height of the protrusion is formed to be 150 to 250 ⁇ m.
  • the coagulation induction step may be characterized by applying 0.8 wt% to 1.2 wt% of the polyvinyl alcohol to the hierarchical upright column structure and drying it at a temperature of 60 to 80°C.
  • the curing step may be characterized by heat curing at a temperature of 60 to 70°C.
  • polydopamine aqueous solution may be characterized by being produced at a pH of 8 to 9 by mixing a Tris-HCL buffer aqueous solution and hydrochloride.
  • the superhydrophobic three-dimensional structure and its manufacturing method using capillary force-induced coagulation according to the embodiment of the present invention as described above can have superhydrophobicity by forming a structure imitating and applying a sedge leaf.
  • Figure 1 is a flow chart showing a method for producing a superhydrophobic three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A to 2F are exemplary drawings showing a method for manufacturing the hierarchical upright column structure of FIG. 1.
  • Figure 3 is a flow chart showing the steps of forming the hierarchical upright column structure of Figure 1.
  • Figure 4 is a graph showing the optimal condition area according to the height of the superhydrophobic three-dimensional structure protrusion of the present invention and the distance from the center of the column.
  • FIGS. 5a and 5b are exemplary diagrams of the hierarchical upright column structures of FIGS. 2a to 2f.
  • Figures 6a to 6d are microscopic photographs showing the process of applying polyvinyl alcohol to the hierarchical upright columnar structure of Figures 2a to 2f and drying it.
  • FIGS. 7a and 7b are microscopic photographs showing the hierarchical upright columnar structures of FIGS. 2a to 2f coated with a hydrophobic wax solution and polydopamine.
  • Figure 8 is a micrograph showing the water repellency of a superhydrophobic three-dimensional structure fabricated by the three-dimensional structure fabrication method using capillary force-induced aggregation of Figure 1.
  • a method for manufacturing a three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation may include a hierarchical upright column formation step (S10), a coagulation induction step (S20), a curing step (S30), a water-repellent imparting step (S40), and a coating step (S50).
  • the method of fabricating a three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation is a method that can replicate the hierarchical upright columnar structure that imitates and applies the surface structure of a fresh agave leaf through a simple process and can increase productivity.
  • FIGS. 2a to 2f a method for fabricating a three-dimensional structure using capillary force-induced coagulation will be described with reference to FIGS. 2a to 2f, with respect to the hierarchical upright columnar structure and its fabrication method.
  • the hierarchical upright column formation step (S10) is a step of forming a master mold of a plurality of hierarchical upright column structures using polydimethylsiloxane.
  • the hierarchical upright column structure of the present invention has a plurality of protrusions formed on the upper part of a column in the form of a top-bottom beam.
  • polydimethylsiloxane is also known as dimethyl polysiloxane or dimethicone.
  • polydimethylsiloxane belongs to the group of high molecular weight organosilicon compounds, commonly called silicones, and is an organic polymer that is used in many applications due to its versatility and properties.
  • the hierarchical upright column forming step (S10) may include a master mold making step (S11), a molding step (S12), and a heat curing step (S13).
  • the master mold manufacturing step (S11) is a step of manufacturing a master mold using IP-S resin on an ITO glass substrate by 3D printing, as shown in Fig. 2a.
  • the shape of the master mold is the hierarchical upright columnar structure described above.
  • 3D printing is preferably done using the 2PP (Two-photon polymerization) method.
  • the 2PP (Two-photon polymerization) method can create complex three-dimensional structures up to a size of about 100 nm by irradiating a laser and using two-photon polymerization.
  • the master mold be manufactured to have a resolution of 0.8 ⁇ m to 1.2 ⁇ m.
  • the reason for this is that when the resolution is less than 0.8, the structure may be too small and may not be suitable for superhydrophobicity, and when the resolution is more than 1.2 ⁇ m, it may not be suitable for placement on an ITO glass substrate. Therefore, it is most preferable that the master mold be manufactured to have a resolution of 1 ⁇ m.
  • the remaining IP-S resin remaining after making the master mold can be removed by washing using an IPA solution and ultrapure water.
  • the master mold manufacturing step (S11) can perform a surface passivation process to lower the surface energy of the manufactured master mold.
  • octafluorocyclobutane (C 4 F 8 ) on the surface of the master mold to a thickness of 3 to 4 nm, the shape of the master mold can be prevented from collapsing, and the release property of the reverse mold in the release step (S12) can be improved.
  • the releasing step (S12) is a step in which a curing agent and organic silicone are mixed and injected into the manufactured master mold to produce a reverse mold having the reverse shape of the master mold, and the manufactured reverse mold is released.
  • the curing agent and organic silicone form the properties and shape of the reverse mold.
  • the hardener it is preferable to use 5 to 15 parts by weight of the hardener.
  • the reason for this is that when less than 5 parts by weight of the hardener is used, the properties of the reverse mold produced may be low, and when more than 15 parts by weight of the hardener is used, the properties of the reverse mold increase, making it difficult to release the mold smoothly.
  • the reason is that when less than 50 parts by weight of organic silicon is used, the shape of the reverse mold may not be formed, and when more than 150 parts by weight of organic silicon is used, the elasticity is too strong, making it difficult to release the reverse mold.
  • a curing agent and organic silicone are injected into the master mold and heat-cured at a temperature of 65 to 75°C for 2 hours to produce a reverse mold.
  • the curing agent and the organic silicone are heat-cured at a temperature lower than 65°C, the strength of the reverse mold may be low, and if the heat-cured at a temperature higher than 75°C, the shape of the reverse mold may collapse. Therefore, it is most preferable that the curing agent and the organic silicone are heat-cured at a temperature of 70°C in the master mold.
  • the heat curing step (S13) is a step in which the released reverse mold is heat cured to improve the release property, polydimethylsiloxane is injected, heat cured again, and then released from the reverse mold to replicate a hierarchical upright columnar structure, as shown in Fig. 2b.
  • the reverse mold be heat-cured at a temperature of 140 to 160°C for 2 hours.
  • the reason for this is that when the reverse mold is heat-cured at a temperature lower than 140°C, the replicated hierarchical upright columnar structure and the release property may be low, and when the reverse mold is heat-cured at a temperature higher than 160°C, the structure of the reverse mold may collapse.
  • Polydimethylsiloxane can be injected into a heat-cured reverse mold and heat-cured. More specifically, polydimethylsiloxane can be injected into a heat-cured reverse mold and heat-cured at a temperature of 65 to 75°C to replicate a hierarchical upright columnar structure.
  • polydimethylsiloxane injected into the reverse mold may not be released from the reverse mold when heat-cured at a temperature below 65°C, and the hierarchical upright columnar structure may collapse when heat-cured at a temperature exceeding 75°C.
  • the heat curing step (S13) is most preferably performed by heat curing the reverse mold at a temperature of 150°C for 2 hours, and then heat curing polydimethylsiloxane again in the reverse mold at a temperature of 60°C for 2 hours to replicate the hierarchical upright columnar structure.
  • the collapse point can be analyzed through the ratio of the diameter, height, and distance between the center of the protrusion and the center of the column of the hierarchical upright column structure protrusion, and accordingly, the optimal ratio of the diameter, height, and distance between the center of the protrusion and the center of the column of the hierarchical upright column structure protrusion can be derived.
  • the optimal cohesive angle can be derived depending on the height of the hierarchical upright columnar structure protrusions and the distance of the column center from the center of the protrusions.
  • ( ⁇ m) is the protrusion height
  • ( ⁇ m) is the distance between the center of the protrusion and the center of the column
  • (rad) is the angle of convergence of the protrusions
  • the protrusion height ( ⁇ m) value and the distance between the center of the protrusion and the center of the column Depending on the value of ⁇ m, the restoring elasticity of the protrusion that occurs and capillary force By comparing the optimal angle of cohesion of the protrusions, (rad) could be derived.
  • the protrusions of the hierarchical upright column structure be formed according to the values derived from the graph showing the optimal condition area according to the height of the protrusion and the distance from the center of the column, as shown in Fig. 4.
  • the replicated hierarchical upright column structure has a height of the column ( ) can be formed to be 250 to 350 ⁇ m, and the height of multiple protrusions formed on the upper part of the pillar ( ) can be formed to be 150 to 250 ⁇ m.
  • the hierarchical upright column structure has a total height ( ) may be most preferably formed into 500 ⁇ m.
  • the columns of the hierarchical upright column structure are preferably at a side angle (
  • the lateral angle of the protrusion ( ) is formed at 5.5° to 6.1°, and the lateral angle of the protrusion ( ) can be formed at an angle of 2.8° to 3.2°.
  • the height of the column in the hierarchical upright column structure ( ) is formed to be less than 250 ⁇ m, productivity may be low when producing a master mold by 3D printing to form a hierarchical upright column structure, and when formed to be more than 350 ⁇ m, collapse may easily occur in the heat-curing step (S13) of the hierarchical upright column structure. Accordingly, the column height ( ) is most preferably formed at 300 ⁇ m.
  • the protrusion height of the hierarchical upright columnar structure ( ) is formed to be less than 150 ⁇ m, it may be unsuitable for cohesion between protrusions, and when it is formed to be more than 250 ⁇ m, the angle at which the protrusions bend is small, so it may be unsuitable for superhydrophobicity. Accordingly, the protrusion height of the hierarchical upright columnar structure ( ) is most preferably formed at 200 ⁇ m.
  • the side angle of the column in the hierarchical upright column structure ( ) is formed at less than 5.5°, a lot of frictional force is generated with the reverse mold being released, which may cause the hierarchical upright column structure to collapse, and the side angle ( ) is formed at an angle exceeding 6.1°, a problem may occur that is not suitable for the form of the hierarchical upright column structure being manufactured.
  • the projections of the hierarchical upright columnar structure have a lateral angle ( ) is formed at less than 2.8°, a lot of frictional force is generated with the reverse mold that is being separated, which may cause the hierarchical upright column structure to collapse, and the side angle ( ) is formed at an angle exceeding 3.2°, a problem may occur that is not suitable for the form of the hierarchical upright column structure being manufactured.
  • the side angles of the columns and projections of the hierarchical upright column structure ( ) are most preferably formed at angles of 5.8° and 3°, respectively.
  • the protrusions of the hierarchical upright column structure are formed in three pieces on the upper part of the column and spaced apart by a distance of 170 to 176 ⁇ m, and it is most preferable that they are formed in three pieces on the upper part of the column and spaced apart by a distance of 173.2 ⁇ m.
  • the pillars and protrusions of the hierarchical upright columnar structure described above are formed to be 300 ⁇ m and 200 ⁇ m, respectively, to provide structural stability.
  • the protrusions are spaced apart by less than 170 ⁇ m, the cohesive angle between the protrusions becomes large, which may cause collapse in the cohesion induction step (S20) and the hardening step (S30).
  • the protrusions may be formed at an angle that is not suitable for superhydrophobicity.
  • the number of protrusions of the hierarchical upright column structure is less than three on the upper part of the column, they may coagulate at an angle that is not suitable for superhydrophobicity with a liquid, and if they are formed more than four, there may be a problem that the production of a master mold through 3D printing becomes complicated. Therefore, it is most preferable that the number of protrusions of the hierarchical upright column structure be three.
  • the cohesion induction step (S20) is a step of applying polyvinyl alcohol to the surface of the hierarchical upright columnar structure to induce cohesion of the protrusions of the hierarchical upright columnar structure, as shown in Fig. 2c.
  • 0.8 wt% to 1.2 wt% of polyvinyl alcohol to the surface of the hierarchical upright columnar structure and dry it at a temperature of 60 to 80°C for 1 hour 30 minutes to 2 hours 30 minutes, and most preferably, it is most preferable to apply 1 wt% and dry it at a temperature of 70°C for 2 hours.
  • the hierarchical upright column structure can be dried at a temperature of 70° C. for 2 hours, as shown in FIGS. 6a to 6d, to induce cohesion of the protrusions of the hierarchical upright column structure.
  • the curing step (S30) is a step in which polydimethylsiloxane is applied to the protrusions of the induced cohesive hierarchical upright columnar structure and cured to fix the cohesive state between the protrusions, as shown in Fig. 2d.
  • the curing step (S30) is preferably performed by heat curing at a temperature of 60 to 70°C for 1 hour and 30 minutes to 2 hours and 30 minutes.
  • the fixing strength between the cured protrusions of the hierarchical upright column structure may be reduced and the protrusions may not be fixed, and when the heat-cured at a temperature above 70°C, the protrusions of the hierarchical upright column structure may collapse. Therefore, it is most preferable to dry the protrusions of the hierarchical upright column structure coated with polydimethylsiloxane at a temperature of 65°C.
  • the polydimethylsiloxane when drying the hierarchical upright column structure for less than 1 hour and 30 minutes, the polydimethylsiloxane may not be properly dried, which may result in a decrease in the fixing strength between the protrusions, and when drying the hierarchical upright column structure for more than 2 hours and 30 minutes, the hierarchical upright column structure may collapse. Therefore, it is most preferable to dry the protrusions of the hierarchical upright column structure to which polydimethylsiloxane is applied for 2 hours.
  • the protrusions of the hierarchical upright column structure can be fixed.
  • the water-repellent imparting step (S40) is a step of imparting water-repellent properties by coating a hydrophobic wax solution on the hierarchical upright column structure, as shown in Fig. 2f.
  • the water-repellent imparting step (S40) can impart water-repellent properties by completely submerging the hierarchical upright column structure in a hydrophobic wax solution.
  • the hydrophobic wax solution can be Ultra ever dry.
  • Ultra ever dry is a super-hydrophobic opaque coating agent that prevents corrosion caused by water or oil, strong acid, strong base, and special chemical components. Accordingly, a hierarchical upright column structure coated with Ultra ever dry can be provided with water repellency, and the hierarchical upright column structure can be prevented from corrosion.
  • the layered upright column structure can be coated, and the remaining hydrophobic wax solution can be removed using compressed air.
  • the surface of the layered upright column structure can be uniformly coated with the hydrophobic wax solution.
  • the coating step (S50) may coat the ends of the protrusions with a polydopamine aqueous solution, as shown in Fig. 2f, to additionally impart hydrophilicity to the ends of the protrusions of the hierarchical upright columnar structure coated with a hydrophobic wax solution.
  • Tris-HCL buffer solution acts as a hydrophilic buffer, and hydrochloride plays a role in controlling the pH concentration of the Tris-HCL buffer solution.
  • hydrochloride when less than 45 parts by weight of hydrochloride is used, it may be insufficient to control the pH concentration of the Tris-HCL buffer solution, and when more than 55 parts by weight is used, the hydrophilicity of the polydopamine solution may be reduced, and the problem of corrosion of the protrusions of the hierarchical upright columnar structure may occur.
  • the polydopamine aqueous solution has a pH lower than 8, the acidity is low, making it difficult to coat the protrusions of the hierarchical upright columnar structure, and when the pH exceeds 9, the acidity is high, which may cause the protrusions of the hierarchical upright columnar structure to corrode. Therefore, it is most preferable that the polydopamine aqueous solution be formed at a pH of 8.5.
  • a three-dimensional structure utilizing capillary force-induced coagulation produced through the above-mentioned production method can be formed using polydimethylsiloxane as a hierarchical upright columnar structure with a column in the form of a hollow shaft and a plurality of protrusions formed on the upper part of the column.
  • the protrusions of the hierarchical upright columnar structure can be coated with polydimethysiloxane, thereby forming a fixing force between the cohesive protrusions.
  • the hierarchical upright columnar structure can be coated with a hydrophobic wax solution to impart water-repellent properties, and the ends of the protrusions can be coated with a polydopamine aqueous solution to impart hydrophilic properties.
  • the water-repellent three-dimensional structure produced through the three-dimensional structure production method using capillary force-induced coagulation of the present invention is formed into a structure imitating and applied to a fresh agave leaf, as shown in Fig. 8, by being imparted with water-repellent properties, thereby minimizing the contact area with water and effectively obtaining low frictional resistance from the water surface.
  • a master mold with three protrusions each having a height of 200 ⁇ m and a spacing of 173.2 ⁇ m was produced on the top of a 300 ⁇ m-tall pillar in the shape of a hypotenuse using 3D printing using the two-photon polymerization (2PP) method using IP-S resin on an ITO glass substrate.
  • the master mold was placed on the ITO glass substrate at a resolution of 1 ⁇ m.
  • the residual IP-S resin of the master mold was removed using an IPA solution and an ultrapure water solution.
  • octafluorocyclobutane was deposited on the master mold to a thickness of 3.5 nm.
  • Polydimethylsiloxane was heat-cured in a heterogeneous inverted mold to replicate a multi-layer hierarchical upright columnar structure.
  • the hierarchical upright column structure in which three protrusions are coherently fixed, was coated with Ultra ever dry, a hydrophobic wax solution, and then compressed air was used to remove the remaining hydrophobic wax solution, thereby imparting uniform water-repellent properties.
  • a hierarchical upright columnar structure was fabricated in the same manner as in Example 1, but without coating the hydrophobic solution and polydopamine aqueous solution on the hierarchical upright columnar structure.
  • a hierarchical upright column structure was manufactured using the same method as in Example 1, but with a spacing of 165 ⁇ m between protrusions of the hierarchical upright column structure.
  • a hierarchical upright column structure was manufactured using the same method as in Example 1, but with a spacing of 180 ⁇ m between the protrusions of the hierarchical upright column structure.
  • a 2 cm diameter flat plate made of aluminum was used.
  • the hierarchical upright columnar structure manufactured using the three-dimensional structure manufacturing method using capillary force-induced coagulation of Example 1 and Comparative Example 1 was brought into contact with water to evaluate its water repellency.
  • Example 1 had the highest measured contact angle with water compared to Comparative Examples 2 and 3.
  • Example 1 the effect of reducing the water surface frictional resistance of the hierarchical upright columnar structure fabricated by the three-dimensional structure fabrication method using the capillary force-induced coagulation of Example 1 was measured using 40 wt% of glycerol.
  • Example 1 used 43 surfaces in which 91 hierarchical upright column structures were arranged in a hexagonal arrangement, for a total of 3,913 hierarchical upright column structures in a hexagonal arrangement.
  • a flat plate with a diameter of 2 cm formed of aluminum of Comparative Example 4 was used.
  • glycerol has an apparent viscosity of 3.137 mPas.
  • Example 1 the hierarchical upright column structure manufactured in Example 1 was more effective in reducing water surface frictional resistance than Comparative Example 4.

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Abstract

본 발명은 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 탄성적 재료인 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 사용하여, 상협하광 형태의 기둥과 상기 기둥의 상부에 복수개의 돌기가 형성된 계층적 직립 기둥 구조를 성형하는 계층적 직립 기둥 형성 단계; 상기 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 도포하고, 건조시켜 모세관력에 의해 상기 돌기 간의 응집을 유도하는 응집 유도 단계; 상기 돌기에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 도포하고, 경화시켜 응집된 상태로 고정하는 경화 단계; 상기 계층적 직립 기둥 구조 전면에 소수성 왁스 용액을 코팅하는 발수성 부여 단계 및 상기 돌기에 친수성 용액인 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 코팅하는 코팅 단계를 포함하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법을 제공할 수 있다.

Description

모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법
모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 초발수성을 가진 생이가래 잎의 독특한 구조인 계층적 직립 기둥 구조를 복제할 수 있는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속이나 세라믹, 고분자 등의 고체의 표면은 그 물질 고유의 표면 에너지를 가지고 있어, 이 표면 위에 물이나 기름 등과 같은 액체를 묻힐 경우 고체 표면과 액체 사이의 접촉각으로 그 표면에너지를 반영하게 된다. 그 접촉각이 90°이하이면 액체가 그 표면 위에 퍼져 젖게 만드는 친수성과 우수한 습윤성을 나타내고, 그 각이 90°이상이면 구상의 액체 방울이 그 고체 표면을 적시지 않고 구상을 유지하는 발수성을 나타낸다. 그리고 그 각이 150°이상이면 구상의 액체 방울이 고체 표면에서 격퇴성을 띄어 고체의 표면에서 정지상태로 있지 못하고 구르다가 떨어지는 초발수성을 나타낸다. 이때 구르는 액체 방울은 구르면서 그 고체 표면에 묻어 있는 먼지나, 그을음 등의 오염물을 묻히면서 떨어지므로, 자발적으로 그 표면을 세척하는 자가세정특성을 부가적으로 나타내게 된다. 이 초발수성의 대표적인 예는 생이가래 잎의 표면에 물방울이 맺히지 않고 구상의 물방울을 유지하면서 그 표면 위를 구르다가 떨어지는 Lotus 효과이다.
이러한, 초발수성 자가세정효과를 동시에 나타내는 Lotus 효과는 표면 에너지가 적은 발수재료로 덮여 있는 표면이 미시적 크기의 요철 구조를 가질 때, 나타는 것으로 알려져 있다. 일반적인 발수재료로는 비극성의 분자구조를 갖는 고분자 물질들이다.
일반적으로, 고체 표면이 미시적 크기의 요철 구조를 가지면 그 접촉각이 변하게 되는데, 친수성 표면이나 발수성 표면 모두에서 그 접촉각이 증가하여 나타난다. 그래서 발수 표면이 미시적으로 거칠수록 좀 더 발수적인 특성을 나타내는데, 이는 공기가 그 미세구조 내에 포획되어 액체와 그 고체표면 사이의 접촉면적을 감소시키기 때문이다.
생이가래는 물방울이 생이가래 잎 위에 놓였을 때, 그 나노 표면 구조에 포획된 공기는 표면 전체가 습윤되는 것을 막아, 단지 나노 구조 표면의 끝부분과 같이 아주 적은 면적만이 물방울과 접촉하고, 이러한 현상은 물과 공기간의 계면은 확대시키나, 고체표면과 물방울 간의 계면은 최소화함으로써, 접촉을 통하여 물방울의 표면 확대를 위한 에너지를 전혀 공급하지 않으므로, 물이 퍼지지 않고 구 모양을 갖도록 한다. 그래서 물과 고체표면간의 접촉각인 거의 전적으로 물의 표면장력에 의존한다.
이에, 종래에는 초소수성을 가진 요철 구조를 비교적 단순한 공정으로 제작하는 기술이 공개되었는데, 종래의 기술에는 한국공개특허 제10-2013-0099583호(소수성 표면을 갖는 3차원 형상 구조물 및 그 제조방법)이 공개되어 있다.
하지만, 소수성을 가진 생이가래 잎의 모사, 응용한 구조는 다수개의 계층적 직립 구조를 3D 프린팅으로 제작하기에는 많은 비용이 발생하여, 생산성이 극히 낮은 문제점이 있다. 소수성을 가진 생이가래 잎의 모사, 응용한 구조를 비교적 단순한 방법을 통해 제작할 수 있는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법이 필요한 실정이다.
상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 제조 공정이 단순하고, 저렴한 제조 비용으로 대량 복제가 가능한 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법을 제공할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법은, 탄성적 재료인 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 사용하여, 상협하광 형태의 기둥과 상기 기둥의 상부에 복수개의 돌기가 형성된 계층적 직립 기둥 구조를 성형하는 계층적 직립 기둥 형성 단계; 상기 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 도포하고, 건조시켜 모세관력에 의해 상기 돌기 간의 응집을 유도하는 응집 유도 단계; 상기 돌기에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 도포하고, 경화시켜 응집된 상태로 고정하는 경화 단계; 상기 계층적 직립 기둥 구조 전면에 소수성 왁스 용액을 코팅하는 발수성 부여 단계 및 상기 돌기에 친수성 용액인 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 코팅하는 코팅 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 계층적 직립 기둥 형성 단계는, 상기 계층적 직립 기둥 구조의 마스터 몰드를 제작하는 마스터 몰드 제작 단계; 경화제 5 내지 15 중량부와 유기 실리콘 50 내지 150 중량부를 혼합 후, 상기 마스터 몰드에 투입하여 상기 마스터 몰드의 역상 형태의 역상 몰드를 제작하고 이형시키는 이형 단계 및 이형된 상기 역상 몰드를 열경화 시킨 후, 상기 역상 몰드에 상기 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 투입하여, 다시 열경화하는 열경화 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 계층적 직립 기둥 구조는, 상기 기둥의 높이가 250 내지 350㎛로 형성되고, 상기 돌기의 높이가 150 내지 250㎛으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 응집 유도 단계는, 상기 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 0.8wt% 내지 1.2wt%를 상기 계층적 직립 기둥 구조에 도포하여, 60 내지 80℃의 온도에서 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 경화 단계는, 60 내지 70℃의 온도에서 열경화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액은, Tris-HCL 완충 수용액과 염산염을 혼합하여 pH8 내지 pH9로 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 및 그 제작 방법은 생이가래 잎의 모사, 응용한 구조를 성형하여, 초발수성을 가질 수 있다.
또한, 보다 단순한 공정을 통해 비용적인 문제를 해결할 수 있으며, 생산성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법을 보여주기 위한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1의 계층적 직립 기둥 구조의 제작 방법을 보여주기 위한 예시도이다.
도 3은 도 1의 계층적 직립 기둥 구조 형성 단계를 보여주기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 초발수성 3차원 구조 돌기의 높이와 기둥 중심과의 거리에 따른 최적 조건 영역을 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2a 내지 도 2f의 계층적 직립 기둥 구조의 예시도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 2a 내지 도 2f의 계층적 직립 기둥 구조에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 도포하여 건조되는 과정을 나타낸 현미경 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 도 2a 내지 도 2f의 계층적 직립 기둥 구조에 소수성 왁스 용액 및 폴리도파마인(Polydopamine)을 코팅한 모습을 나타낸 현미경 사진이다.
도 8은 도 1의 모세관력 유도 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법에 의해 제작된 초발수성 3차원 구조의 발수성을 나타낸 현미경 사진이다.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용 되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체 걸쳐 사용되는 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 “포함하다”,”구비하다”또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2a 내지 도 2f를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법은, 계층적 직립 기둥 형성단계(S10), 응집 유도 단계(S20), 경화 단계(S30), 발수성 부여 단계(S40) 및 코팅 단계(S50)을 포함할 수 있다.
모세관력 유도 응집을 이용한 3차원적 구조 제작 방법은 생이가래 잎의 표면 구조를 모사 및 응용한 계층적 직립 기둥 구조를 단순한 공정을 통해 복사할 수 있으며, 생산성을 높일 수 있는 방법이다.
한편, 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법은 도 2a 내지 도 2f를 참조하여, 계층적 직립 기둥 구조 및 제작되는 방법에 대해 설명하기로 한다.
계층적 직립 기둥 형성 단계(S10)는 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 사용하여, 다수개의 계층적 직립 기둥 구조의 마스터 몰드를 성형하는 단계이다.
여기서, 본 발명의 계층적 직립 기둥 구조는 상협하광 형태의 기둥의 상부에 복수개의 돌기가 형성된 것이다.
한편, 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)은 디메틸 폴리실록산 또는 디메티콘으로도 알려져 있다. 또한, 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)은 일반적으로는 실리콘이라고 하는 고분자 유기 규소 화합물 그룹에 속하며, 다양성과 특성으로 인해 많은 응용 분야에 사용되고 있는 유기 고분자이다.
보다 구체적으로는, 도 3을 참조하면, 계층적 직립 기둥 형성 단계(S10)는 마스터 몰드 제작 단계(S11), 이형 단계(S12) 및 열경화 단계(S13)을 포함할 수 있다.
마스터 몰드 제작 단계(S11)는 3D 프린팅으로 ITO 글래스 기판 위에 IP-S 레진을 이용하여, 도 2a와 같이, 마스터 몰드를 제작하는 단계이다. 여기서, 마스터 몰드의 형태는 앞서 상술된 계층적 직립 기둥 구조이다.
한편, 3D 프린팅은, 2PP(Two-photon polymeriztaion) 방식을 사용하는 것이 바림직하다. 이유에 있어서는, 2PP(Two-photon polymeriztaion) 방식은 레이저를 조사하여, 2광자 중합을 통해 100nm 정도의 크기까지 복잡한 3차원 구조를 생성할 수 있기 때문이다.
마스터 몰드는 0.8㎛ 내지 1.2㎛의 해상도를 가지도록 제작되는 것이 바람직하다. 이유에 있어서는, 0.8 미만의 해상도를 가질 시, 그 구조가 너무 작아, 초소수성을 가지기에 부적합할 수 있으며, 1.2㎛ 초과의 해상도를 가질 시, ITO 글래스 기판에 배치되기에 부적합할 수 있다. 이에, 마스터 몰드는 1㎛의 해상도를 가지도록 제작되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 마스터 몰드를 제작하고 남은 잔여 IP-S 레진은, IPA 용액과 초순수를 사용하여 세척하여 제거할 수 있다.
또한, 마스터 몰드 제작 단계(S11)는 제작된 마스터 몰드의 표면 에너지를 낮추기 위해 표면 패시베이션(surface passivation) 공정을 수행할 수 있는데, 마스터 몰드의 표면에 옥타플루오로사이클로부탄(Octafluorocyclobutane, C4F8)을 3 내지 4nm 두께로 증착시켜, 마스터 몰드의 형태가 붕괴되는 것을 방지할 수 있으며, 이형 단계(S12)에서의 역상 몰드의 이형성을 향상시킬 수 있다.
이형 단계(S12)는 경화제와 유기 실리콘을 혼합 후, 제작된 마스터 몰드에 투입하여, 마스터 몰드의 역상 형태의 역상 몰드를 제작하며, 제작된 역상 몰드를 이형시키는 단계이다.
여기서, 경화제와 유기 실리콘은 역상 몰드의 물성 및 형태를 형성하는 것이다.
한편, 경화제는 5 내지 15 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 이유에 있어서는, 경화제 5 중량부 미만으로 사용 시, 제작되는 역상 몰드의 물성이 낮을 수 있으며, 경화제 15 중량부 초과로 사용 시, 역상 몰드의 물성이 높아져, 이형시키기 원활하지 않을 수 있다.
또한, 유기 실리콘은 50 내지 150 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 이유에 있어서는, 유기 실리콘 50 중량부 미만 사용 시, 역상 몰드의 형태를 형성하지 못할 수 있으며, 유기 실리콘 150 중량부 초과 사용 시, 탄성력이 너무 강해, 역상 몰드를 이형시키기 용이하지 않을 수 있다.
이에, 경화제와 유기 실리콘은 1 : 10의 비율로 혼합하여 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이때, 경화제와 유기 실리콘은 마스터 몰드에 투입되어, 65 내지 75℃의 온도에서 2시간동안 열경화시켜 역상 몰드를 제작할 수 있다.
여기서, 경화제와 유기 실리콘은 65℃ 미만으로 열경화 시, 역상 몰드의 강도가 낮을 수 있으며, 75℃의 온도 초과로 열경화 시, 역상 몰드 형태가 붕괴될 수 있다. 이에, 경화제와 유기 실리콘은 마스터 몰드에 70℃의 온도에서 열경화되는 것이 가장 바람직하다.
열경화 단계(S13)는 이형된 역상 몰드를 열경화시켜, 이형성을 향상시키고, 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 투입하여, 다시 열경화 시킨 후, 역상 몰드와 해제되어, 도 2b와 같이, 계층적 직립 기둥 구조를 복제하는 단계이다.
여기서, 역상 몰드는 140 내지 160℃의 온도에서 2시간 동안 열경화되는 것이 바람직하다. 이유에 있어서는, 역상 몰드가 140℃의 온도 미만으로 열경화 시, 복제되는 계층적 직립 기둥 구조와 이형성이 낮을 수 있으며, 160℃의 온도 초과로 열경화 시, 역상 몰드의 구조가 붕괴될 수 있기 때문이다.
열경화된 역상 몰드에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 투입시켜, 열경화시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 열경화된 역상 몰드에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 투입하여, 65 내지 75℃의 온도에서 열경화시켜, 계층적 직립 기둥 구조를 복사할 수 있다.
여기서, 역상 몰드에 투입된 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)은 65℃의 온도 미만으로 열경화 시, 역상 몰드와 이형되지 않을 수 있으며, 75℃의 온도 초과로 열경화 시, 계층적 직립 기둥 구조가 붕괴될 수 있다.
열경화 단계(S13)는 150℃의 온도에서 2시간동안 역상 몰드 열경화시킨 후, 역상 몰드에 다시 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 60℃의 온도에서 2시간동안 열경화 시켜, 계층적 직립 기둥 구조를 복제하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 계층적 직립 기둥 구조 돌기의 직경, 높이 및 돌기 중심과 기둥 중심 거리에 따른 비율을 통해 붕괴 포인트를 분석할 수 있으며, 이에 따라, 계층적 직립 기둥 구조 돌기의 직경, 높이 및 돌기의 중심과 기둥 중심 거리의 최적 비율을 도출할 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조 돌기의 높이와, 돌기의 중심으로부터의 기둥 중심의 거리에 따라, 응집되는 최적의 각도를 도출해낼 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하면,
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000001
(㎛)는 돌기 높이,
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000002
(㎛)는 돌기의 중심과 기둥 중심의 거리,
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000003
(rad)는 돌기의 응집되는 각도,
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000004
는 복원탄성력,
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000005
는 모세관력 작용 힘이다.
이에, 도 5a 및 도 5b와 같이, 돌기 높이
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000006
(㎛)값과 돌기의 중심과 기둥 중심의 거리
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000007
㎛)값에 따라, 발생되는 돌기의 복원탄성력
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000008
와 모세관력 작용 힘
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000009
를 비교하여, 돌기의 응집되는 최적의 각도를
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000010
(rad)를 도출할 수 있었다.
복원탄성력
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000011
보다 모세관력 작용 힘
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000012
이 낮게 작용되면, 돌기가 탈응집될 수 있으므로, 이에, 복원탄성력
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000013
보다 모세관력 작용 힘
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000014
이 강하게 작용되어, 돌기가 응집되는 것이 바람직하다.
따라서, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 도 4와 같이, 돌기의 높이와 기둥 중심과의 거리에 따른 최적 조건 영역을 나타낸 그래프에서 도출된 값에 따라, 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 다시 도 5b를 참조하면, 복제된 계층적 직립 기둥 구조는 기둥의 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000015
)가 250 내지 350㎛로 형성될 수 있으며, 기둥의 상부에 형성된 복수개의 돌기의 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000016
)가 150 내지 250㎛로 형성될 수 있다. 이때, 계층적 직립 기둥 구조는 총 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000017
)가 500㎛으로 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조의 기둥은 바람직하게 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000018
)가 5.5° 내지 6.1°로 형성되고, 돌기의 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000019
)가 2.8° 내지 3.2°의 각도로 형성될 수 있다.
이유에 있어서는, 계층적 직립 기둥 구조의 기둥 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000020
)가 250㎛ 미만으로 형성될 시, 계층적 직립 기둥 구조를 성형하기 위한, 마스터 몰드를 3D 프린팅으로 제작하기에, 생산성이 낮아질 수 있으며, 350㎛ 초과로 형성될 시, 계층적 직립 기둥 구조의 열경화 단계(S13)에서 붕괴가 쉽게 일어날 수 있다. 이에, 계층적 직립 기둥 구조의 기둥 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000021
)가 300㎛로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
계층적 직립 기둥 구조의 돌기 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000022
)가 150㎛ 미만으로 형성될 시, 돌기간의 응집력에 있어 부적합할 수 있으며, 250㎛ 초과로 형성될 시, 돌기가 휘어지는 각도가 미비하여, 초소수성을 가지기에 부적합할 수 있다. 이에, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기 높이(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000023
)가 200㎛로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
계층적 직립 기둥 구조의 기둥의 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000024
)가 5.5°미만으로 형성될 시, 이형되는 역상 몰드와 많은 마찰력이 발생되어, 계층적 직립 기둥 구조가 붕괴될 수 있으며, 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000025
)가 6.1°초과로 형성될 시, 제작되는 계층적 직립 기둥 구조의 형태에 적합하지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000026
)가2.8°미만으로 형성될 시, 이형되는 역상 몰드와 많은 마찰력이 발생되어, 계층적 직립 기둥 구조가 붕괴될 수 있으며, 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000027
)가 3.2°초과로 형성될 시, 제작되는 계층적 직립 기둥 구조의 형태에 적합하지 않는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 계층적 직립 기둥 구조의 기둥과 돌기의 측면 각도(
Figure PCTKR2023007839-appb-img-000028
)는 각각 5.8°, 3°의 각도로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 기둥의 상부에 3개로 형성되어, 170 내지 176㎛ 거리만큼 이격되는 것이 바람직하며, 기둥의 상부에 3개로 형성되어, 173.2㎛ 거리만큼 이격되어 형성되는 것이 가장 바람직하다.
이유에 있어서는, 앞서 상술된 계층적 직립 기둥 구조의 기둥과 돌기는 각각 300㎛와 200㎛로 형성되어, 구조적인 안정성을 부여받게 되는데, 이때, 돌기간 170㎛ 미만으로 이격 될 시, 돌기간의 응집되는 각도가 커져, 응집 유도 단계(S20) 및 경화 단계(S30)에서 붕괴될 수 있으며, 176㎛ 초과로 이격 될 시, 돌기간의 초소수성을 가지기에 부적합한 각도로 형성될 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 기둥의 상부에 3개 미만으로 형성될 시, 액체와의 초소수성을 가지기에 부적합한 각도로 응집될 수 있으며, 4개 초과로 형성될 시, 3D 프린팅을 통한 마스터 몰드 제작이 복잡해지는 문제점이 발생할 수 있어, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 3개로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
응집 유도 단계(S20)는 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 도포하여, 도 2c와 같이, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기의 응집력을 유도하는 단계이다.
보다 구체적으로는, 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 0.8wt% 내지 1.2wt%를 도포하여, 60 내지 80℃의 온도에서 1시간 30분 내지 2시간 30분동안 건조시키는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는, 1wt%를 도포하여 70℃의 온도에서 2시간동안 건조시키는 것이 가장 바람직하다.
이유에 있어서는, 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)이 0.8wt% 미만으로 도포 될 시, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기의 응집력이 약해 완만한 곡률을 가질 수 없으며, 1.2wt% 초과로 도포 될 시, 모세관력에 의한 유도 응집이 강해, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기의 응집력이 강해 붕괴될 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 60℃의 온도 미만에서 건조 시, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)이 제대로 건조되지 않아, 돌기간의 응집력 유도가 적절하게 이루어지지 않을 수 있으며, 80℃의 온도 초과로 건조 시, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 붕괴될 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyviny alcohol)을 1시간 30분 미만으로 건조 시, 폴리비닐알코올(Polyviny alcohol)이 제대로 건조되지 않아, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 제대로 응집력을 형성하지 않을 수 있으며, 2시간 30분 초과로 건조 시, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 붕괴되는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 계층적 직립 기둥 구조는 도 6a 내지 도 6d와 같이, 70℃의 온도에서 2시간동안 건조되어, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기의 응집력을 유도할 수 있다.
경화 단계(S30)는 유도 응집된 계층적 직립 기둥 구조의 돌기에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 도포하여, 도 2d와 같이, 경화시켜 돌기간의 응집된 상태를 고정하는 단계이다.
보다 구체적으로, 경화 단계(S30)는 60 내지 70℃의 온도에서 1시간 30분 내지 2시간 30분동안 열경화시키는 것이 바람직하다.
이유에 있어서는, 폴라다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)이 도포된 계층적 직립 기둥 구조를 60℃의 온도 미만으로 열경화 시, 계층적 직립 기둥 구조의 응진된 돌기간 고정력이 저하되어 고정되지 않을 수 있으며, 70℃의 온도 초과로 열경화 시, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 붕괴될 수 있다. 이에, 65℃의 온도에서 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)이 도포된 계층적 직립 기둥 구조의 돌기를 건조시키는 것이 가장 바람직하다.
또한, 1시간 30분 미만으로, 계층적 직립 기둥 구조를 건조 시, 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)이 제대로 건조되지 않아 돌기 간의 고정력이 저하될 수 있으며, 2시간 30분 초과로, 계층적 직립 기둥 구조를 건조 시, 계층적 직립 기둥 구조가 붕괴되는 문제점이 발생할 수 있다. 이에, 2시간동안 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)이 도포된 계층적 직립 기둥 구조의 돌기를 건조시키는 것이 가장 바람직하다.
이에, 도 7a와 같이, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 고정될 수 있다.
발수성 부여 단계(S40)는 계층적 직립 기둥 구조에 소수성 왁스 용액을 코팅하여, 도 2f와 같이 발수성을 부여하는 단계이다.
보다 구체적으로는, 발수성 부여 단계(S40)는 소수성 왁스 용액을 계층적 직립 기둥 구조가 완전히 잠기도록 하여, 발수성을 부여할 수 있다. 여기서 소수성 왁스 용액은, U ltra ever dry를 사용할 수 있다.
U ltra ever dry는, 초발수 불투명 코팅제이며, 물 또는 기름 강산성 강염기 특수 화학성분으로 인한 부식을 막아주는 코팅제이다. 이에, U ltra ever dry로 코팅된 계층적 직립 기둥 구조는 발수성이 부여받을 수 있으며, 계층적 직립 기둥 구조가 부식되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 소수성 왁스 용액은, U ltra ever dry를 사용하는 것에 반드시 한정하지 않으며, 계층적 직립 기둥 구조의 발수성을 부여하기 위한 용이한 소수성 왁스 용액을 사용하기만 하면 된다.
한편, 계층적 직립 기둥 구조의 코팅하고, 남은 잔여 소수성 왁스 용액은 압축공기를 이용해 제거할 수 있다. 이에, 계층적 직립 기둥 구조 표면이 균일하게 소수성 왁스 용액이 코팅될 수 있다.
코팅 단계(S50)는 소수성 왁스 용액이 코팅된 계층적 직립 기둥 구조의 돌기 말단에 추가적으로 친수성을 부여하기 위해, 도 2f와 같이, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 돌기의 말단에 코팅할 수 있다.
보다 구체적으로, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 부분적으로 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액에 잠기도록 하여, 23 내지 25시간동안 방치시켜, 도 7b와 같이, 코팅시킬 수 있다.
여기서, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기를 23시간 미만으로 방치 시, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액이 계층적 직립 기둥 구조의 돌기에 완전히 코팅되지 않을 수 있으며, 25시간 초과로 방치 시, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기에 도포된 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액이 증발하여, 친수성을 가지기에 부적합할 수 있다.
한편, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액은 Tris-HCL 완충 수용액 45 내지 65 중량부와 염산염 35 내지 55 중량부를 혼합하여 pH8 내지 pH9로 생성될 수 있다.
Tris-HCL 완충 수용액은 친수성을 가진 완충제 역할을 하며, 염산염은 Tris- HCL 완충 수용액의 pH 농도를 조절하는 역할을 한다.
여기서, Tris-HCL 완충 수용액의 45 중량부 미만을 사용 시, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 친수성을 가지기에 미비할 수 있으며, 55 중량부 초과로 사용 시, 친수성이 과하게 부여되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 염산염은, 45 중량부 미만을 사용 시, Tris-HCL 완충 수용액의 pH 농도를 조절하기에 미비할 수 있으며, 55 중량부 초과로 사용 시, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액의 친수성이 낮아질 수 있으며, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 부식되는 문제점이 발생할 수 있다.
이에, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액은 pH8 미만일 시, 산성도가 낮아, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기에 코팅에 있어, 용이하지 않을 수 있으며, pH9 초과 시, 산성도가 높아, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기가 부식되는 문제점이 발생할 수 있으며, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액은 pH8.5로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기와 같은 제작 방법을 통해 제작되는 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조는, 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 사용하여, 상협하광 형태의 기둥과 기둥 상부에 복수개의 돌기가 형성된 계층적 직립 기둥 구조로 형성될 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 도포하여 건조시켰다. 이에, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기간 응집력을 형성할 수 있다.
또한, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기는 폴리다이메틸실록산(Polydimethysiloxane)이 도포되어, 응집된 돌기간의 고정력이 형성될 수 있다.
이때, 상기 계층적 직립 기둥 구조는 소수성 왁스 용액으로 코팅되어, 발수성을 부여받을 수 있으며, 돌기의 말단에 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액이 코팅되어, 친수성을 부여받을 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법을 통해 제작된 발수성 3차원 구조는, 발수성을 부여받아, 도 8에 도시된 바와 같이, 생이가래 잎의 모사, 응용한 구조로 형성되어, 물과의 접촉면을 최소화할 수 있었으며, 수면으로부터 효과적으로 낮은 마찰 저항을 얻을 수 있다.
또한, 보다 단순한 공정을 통해 비용적인 문제를 해결할 수 있으며, 생산성을 높일 수 있는 장점을 가진다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 실시 예를 제시하나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
ITO 글래스 기판 위에 IP-S레진을 이용하여, 2PP(Two-photon polymerization) 방식을 이용한 3D 프린팅으로 300㎛의 높이를 가진 상협하광 형태의 기둥의 상부에 200㎛의 높이를 가지며, 173.2㎛만큼 이격 거리를 가진 3개의 돌기가 형성된 마스터 몰드를 제작하였다. 이때, 마스터 몰드는, ITO 글래스 기판 위에 1㎛의 해상도로 배치되었다. 여기서, 마스터 몰드의 잔여 IP-S레진은 IPA 용액과 초순수 용액을 사용하여, 제거하였다. 또한, 마스터 몰드에 옥타플루오로사이클로부탄(Octafluorocyclobutane)을 3.5nm 증착 시켰다.
경화제 10 중량부와 유기 실리콘 100 중량부를 혼합 후, 마스터 몰드에 투입하였고, 열경화시켜 마스터 몰드의 역상 형태인 역상 몰드를 제작하여, 이형시켰다.
이형된 역상 몰드에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 열경화시켜, 다수개의 계층적 직립 기둥 구조를 복제하였다.
복제된 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alchol)을 1wt% 도포하여, 건조시켰다.
이후, 계층적 직립 기둥 구조의 응집된 돌기는 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 도포하여, 열경화시켜 도 6a와 같이, 계층적 직립 기둥 구조를 군집시켰다.
3개의 돌기가 응집되어 고정된 계층적 직립 기둥 구조는 소수성 왁스 용액인 Ultra ever dry를 코팅시킨 후, 압축공기를 이용하여 잔여 소수성 왁스 용액을 제거하여, 균일한 발수성을 부여하였다.
이후, pH8.5의 Tris-HCL 완충 수용액과 연삼염을 혼합하여, 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 제작하였고, 제작된 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 계층적 직립 기둥 구조의 돌기 말단에 코팅하여, 초발수성 3차원 구조를 제작하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 계층적 직립 기둥 구조를 제작하되, 소수성 용액 및 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 계층적 직립 기둥 구조에 코팅하지 않고 제작하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 계층적 직립 기둥 구조를 제작하되, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기간 165㎛만큼 이격 거리를 형성시켜 제작하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 계층적 직립 기둥 구조를 제작하되, 계층적 직립 기둥 구조의 돌기간 180㎛만큼 이격 거리를 형성시켜 제작하였다.
[비교예 4]
알루미늄으로 형성된 직경 2cm의 평판을 사용하였다.
[실험예 1]
실시예 1 및 비교예 1의 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법으로 제작된 계층적 직립 기둥 구조를 물과 접촉시켜, 발수성을 평가하였다.
그 결과는 아래 표 1과 같다.
계층적 직립 기둥 구조의 발수성 평가
실시예 1 비교예 1
발수성 97% 81%
표 1을 참조하면, 비교예 1보다 실시예 1의 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법으로 제작된 계층적 직립 기둥 구조의 발수성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
본 실험에서는 실시예 1, 비교예 2 및 3의 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법으로 제작된 계층적 직립 기둥 구조의 초소수성을 평가하기 위해, 응집된 돌기와 물과의 접촉각을 측정하였다.
그 결과는 아래 표 2와 같다.
계층적 직립 기둥 구조의 돌기간 이격 거리로 인한 접촉각 평가
실시예 1 비교예 2 비교예 3
접촉각 168° 148° 142°
표 2를 참조하면, 비교예 2 및 3보다 실시예 1로 제작된 계층적 직립 기둥 구조가 물과의 접촉각이 가장 높게 측정되는 것을 확인할 수 있었다.
이에, 계층적 직립 기둥 구조 상부에 형성된 3개의 돌기가 173.2㎛만큼 이격 시, 초소수성이 극대화되는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 3]
본 실험에서는 실시예 1의 모세관력 유도 응집을 이용한 3차원 구조 제작 방법으로 제작된 계층적 직립 기둥 구조의 수면 마찰저항 감소 효과를 측정하기 위해, 글리세롤 40wt%를 사용하여, 실험을 진행하였다.
여기서, 실시예 1은 91개의 계층적 직립 기둥 구조가 육각 배열된 표면을 43개 복제하여, 총 3,913개의 계층적 직립 기둥 구조가 육각 배열된 표면을 사용하였으며, 또한, 실시예 1의 계층적 직립 기둥 구조의 수면 마찰저항 감소 효과를 비교하기 위해, 비교예 4의 알루미늄으로 형성된 직경 2cm의 평판을 사용하였다.
이때, 글리세롤은 3.137mPas의 겉보기 점도를 가진다.
그 결과는 하기 표 3과 같다.
수면 마찰저항 감소 효과 측정
실시예 1 비교예 4
겉보기 점도 0.591 mPas 3.289 mPas
표 3을 참조하면, 비교예 4보다 실시예 1로 제작된 계층적 직립 기둥 구조가 수면 마찰저항 감소 효과가 뛰어나다는 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 탄성적 재료인 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 사용하여, 상협하광 형태의 기둥과 상기 기둥의 상부에 복수개의 돌기가 형성된 계층적 직립 기둥 구조를 성형하는 계층적 직립 기둥 형성 단계;
    상기 계층적 직립 기둥 구조 표면에 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol)을 도포하고, 건조시켜 모세관력에 의해 상기 돌기 간의 응집을 유도하는 응집 유도 단계;
    상기 돌기에 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 도포하고, 경화시켜 응집된 상태로 고정하는 경화 단계;
    상기 계층적 직립 기둥 구조 전면에 소수성 왁스 용액을 코팅하는 발수성 부여 단계 및
    상기 돌기에 친수성 용액인 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액을 코팅하는 코팅 단계를 포함하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계층적 직립 기둥 형성 단계는,
    상기 계층적 직립 기둥 구조의 마스터 몰드를 제작하는 마스터 몰드 제작 단계;
    경화제 5 내지 15 중량부와 유기 실리콘 50 내지 150 중량부를 혼합 후, 상기 마스터 몰드에 투입하여 상기 마스터 몰드 역상 형태의 역상 몰드를 제작하고 이형시키는 이형 단계 및
    이형된 상기 역상 몰드를 열경화 시킨 후, 상기 역상 몰드에 상기 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane)을 투입하여, 다시 열경화하는 열경화 단계를 포함하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계층적 직립 기둥 구조는,
    상기 기둥의 높이가 250 내지 350㎛로 형성되고,
    상기 돌기의 높이가 150 내지 250㎛으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 응집 유도 단계는,
    상기 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 0.8wt% 내지 1.2wt%를 상기 계층적 직립 기둥 구조에 도포하여, 60 내지 80℃의 온도에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경화 단계는,
    60 내지 70℃의 온도에서 열경화시키는 것을 특징으로 하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리도파마인(Polydopamine) 수용액은,
    Tris-HCL 완충 수용액과 연삼염을 혼합하여 pH8 내지 pH9로 생성되는 것을 특징으로 하는 모세관력 유도 응집을 이용한 초발수성 3차원 구조 제작 방법.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항을 이용하여 제작되는 초발수성 3차원 구조.
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