KR100891146B1 - 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한초소수성 및 초친수성 표면 제조방법 - Google Patents

계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한초소수성 및 초친수성 표면 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자빔을 조사하여 높은 표면 굴곡을 가지는 마이크로-나노의 복합적인 기공구조와, 표면에너지 증감물질을 이용하여 초친수성 또는 초소수성 물질을 형성할 수 있으며, 전자빔 조사 및 표면에너지 증감물질 처리의 단순 공정으로 초친수성 또는 초소수성 물질을 대량으로 고속 생산할 수 있는 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
그 기술적 구성은 기판 표면에 전구체 물질을 일정 두께로 코팅하는 제1 단계; 상기 전구체 물질에 전자빔을 조사하여 전구체 물질에 표면 굴곡이 증가하도록 계층적 기공을 형성하는 제2 단계; 상기 전구체 물질의 표면 에너지를 증감시키는 물질을 이용하여 초소수성 또는 초친수성으로 변경하는 제3 단계; 를 포함하며 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020070076494
마이크로, 나노, 계층적 기공, 초소수성, 초친수성, 표면, 처리

Description

계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법{Fabrication Method of Superhydrophobic and Superhydrophilic Surfaces Using Hierarchical Pore Structure Produced by Electron Beam Irradiation}
도 1은 본 발명에 따른 계층적 기공구조물을 개략적으로 도시한 단면도 및 제조과정을 개략적으로 도시한 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 계층적 기공구조물 제작방법을 개략적으로 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 계층적 기공구조물 상에 초소수성 및 초친수성 표면이 형성된 단면도 및 제조과정을 개략적으로 도시한 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 계층적 기공구조물 상에 초소수성 및 초친수성 표면 제작방법을 개략적으로 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전구체 물질에 전자빔을 조사하기 전, 후의 SEM 사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을확대한 SEM 사진.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전구체 물질에 전자빔을 조사한 SEM 사진.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 계층적 기공구조물 상에 초소수성 및 초친수성 표면을 생성하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초소수성 표면을 실험한 도.
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>
1: 계층적 기공구조물 10; 기판
20: 전구체 물질 30: 전자빔
40: 표면에너지 증감 물질
2: 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성, 초친수성 물질
본 발명은 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 표면 굴곡을 가지는 마이크로 - 나노의 기공을 가지는 복합적 기공 구조를 이용하여 초소수성 또는 초친수성 표면을 생성할 수 있는 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 접촉각(接觸角, Contact Angle)은 액체가 고체와 접촉하고 있을 때, 액체의 자유 표면이 고체 평면과 이루는 각도로서, 액체 분자 간의 응집력 및 액체, 고체 간의 부착력으로 결정된다.
그리고, 액체가 고체 평면과 이루는 접촉각이 90˚를 초과할 때의 고체 평면은 물과의 친화력이 적은 성질인 소수성(疏水性, Hydrophobic)이며, 액체가 고체 평면과 이루는 접촉각이 90˚ 미만일 때의 고체 평면은 물과의 친화력이 있는 성질인 친수성(親水性, Hydrophilic)이다.
여기서, 임의의 물질이 고체 평면과 이루는 접촉각이 150˚를 초과할 경우에는 물과의 친화력이 특히 적은 성질인 초소수성(Superhydrophobic)이라 하며, 임의의 물질이 고체 평면과 이루는 접촉각이 10˚ 미만일 경우에는 물과의 친화력이 특히 높은 성질인 초친수성(Superhydrophilic)이라 한다.
그리고, 물질의 소수성 또는 친수성은 표면 굴곡(Surface Roughness)과 표면 에너지(Surface Energy)에 의하여 결정되고, 젖음 특성을 설명하는 이론인 웬젤(Wenzel) 공식은 접촉각과 표면 굴곡 간의 관계를 하기 수학식 1과 같이 정의한다.
cos θ' = r cos θ
여기서, r은 표면 굴곡, θ' 는 굴곡이 있는 표면의 접촉각, θ는 편평한 표면의 접촉각을 나타낸다.
그리고, 표면 굴곡 r은 1을 초과하므로, θ가 90°보다 작은 친수성의 경우에는 θ'이 θ보다 작아져 친수성이 증가하고, θ가 90°보다 큰 소수성의 경우에는 θ'이 θ보다 커져 소수성이 증가한다.
따라서, 소수성 및 친수성을 얻기 위한 전제 조건은 높은 표면 굴곡이며, 높은 표면 굴곡을 가지는 평면에 낮은 표면 에너지가 부가되면 초소수성이 되고, 높은 표면 굴곡을 가지는 평면에 높은 표면 에너지가 부가되면 초친수성이 된다.
여기서, 표면 굴곡은 표면의 마이크로, 나노 구조로 생성되는데, 마이크로, 나노 구조를 생성하기 위하여, 기계 가공(Mechanical Machining), 플라즈마 식각(Plasma Etching), 주조(Casting) 등의 방법이 있다.
또한, 표면 에너지는 화학적 공정으로 증가 또는 감소시키는데, 플라즈마 고분자화(Plasma Polymerization), 밀납 응고(Wax Solidification), 금속의 음극산화(Anodic Oxidation of Metal), 용액침전(Solution Precipitation), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition), 승화물질첨가(Addition of Sublimation Material), 상분리(Phase Separation) 등이 있다.
그러나, 표면 굴곡을 형성하는 기계적인 방법은 단일 공정으로 생성할 수 있는 면적이 적고, 산업 분야에 적용하기 위하여 대면적으로 생성할 경우에는 많은 시간과 비용이 소요되며, 표면 에너지를 형성하는 화학적 방법은 단일 공정으로 대면적 제조가 가능하나, 다수의 화학물질이 적용되는 복잡한 공정을 거쳐야 하고, 한 공정에서 다른 공정으로 옮겨갈 때 불순물이 침투할 수 있는 확률이 높으며, 이 에 따라 제조된 초소수성 및 초친수성 표면의 균일도가 낮아지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 전자빔을 조사하여 높은 표면 굴곡을 가지는 마이크로-나노의 복합적인 기공구조와, 표면에너지 증감물질을 이용하여 초친수성 또는 초소수성 물질을 형성할 수 있는 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전자빔 조사 및 표면에너지 증감물질 처리의 단순 공정으로 초친수성 또는 초소수성 물질을 대량으로 고속 생산할 수 있는 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 높은 표면굴곡 구조를 전자빔 조사 공정으로 제조가능하며, 초친수성 또는 초소수성 물질을 표면에너지 증감물질 처리 공정으로 형성가능한 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일정 크기의 기판; 상 기 기판 표면에 일정 두께로 형성되고, 전자빔을 조사받아 계층적 기공이 형성되어 표면 굴곡이 증가되는 전구체 물질; 을 포함한다.
그리고, 상기 계층적 기공구조물은 상기 전구체 물질의 표면 에너지를 증감시키는 물질; 을 더 포함하여 초소수성 또는 초친수성으로 변경되는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 전구체 물질은 기판과 친화성을 가지는 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 실리콘인 경우에는, 상기 전구체 물질은 실리콘 그리스(Silicone Grease)인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 실리콘 그리스는 폴리디메틸실록산과 실리카의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 실리콘 그리스의 일정 두께는 2μｍ 이상 30 이하μｍ 인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 표면 에너지를 증가시키는 물질은 높은 표면 에너지를 가진 D-0이고, 상기 표면 에너지를 감소시키는 물질은 낮은 표면 에너지를 가진 플루오로실란(Fluorosilane)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계층적 기공은 상기 전구체 물질에 형성되는 소정 크기의 제1 기공; 상기 제1 기공을 이루는 입자 간에 형성되는 소정 크기의 제2 기공; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 기공의 소정 크기는 마이크로 단위이고, 제2 기공의 소정 크기는 나노 단위인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 계층적 기공은 마이크로 - 나노 복합구조인 것을 특징으로 한다.
한편, 기판 표면에 전구체 물질을 일정 두께로 코팅하는 제1 단계; 상기 전구체 물질에 전자빔을 조사하여 전구체 물질에 표면 굴곡이 증가하도록 계층적 기공을 형성하는 제2 단계; 상기 전구체 물질의 표면 에너지를 증감시키는 물질을 이용하여 초소수성 또는 초친수성으로 변경하는 제3 단계; 를 포함한다.
여기서, 상기 기판이 실리콘인 경우에는, 상기 전구체 물질은 실리콘 그리스(Silicone Grease)인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 실리콘 그리스는 폴리디메틸실록산과 실리카의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리콘 그리스의 일정 두께는 2μｍ 이상 30 이하μｍ 인 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 제2 단계의 계층적 기공은 상기 전구체 물질에 형성되는 소정 크기의 제1 기공; 상기 제1 기공을 이루는 입자 간에 형성되는 소정 크기의 제2 기공; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 기공의 소정 크기는 마이크로 단위이고, 제2 기공의 소정 크기는 나노 단위로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계층적 기공은 마이크로 - 나노 복합구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 계층적 기공구조물을 개략적으로 도시한 단면도 및 제조과정을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 계층적 기공구조물 제작방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 계층적 기공구조물(1)은 기판(10)과 전구체 물질(20)을 포함하여 이루어진다.
(가)는 본 발명에 따른 계층적 기공구조물(1)의 단면도이며, (나)는 계층적 기공구조물(1)을 생성하는 제조 공정을 개략적으로 도시한다.
여기서, 기판(10)은 생성하고자 하는 계층적 기공구조물(1)의 크기에 대응되게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 기판(10)의 상부면에 일정 두께(w)를 가지고 상기 전구체 물질(20)이 상기 기판(10)의 상부면을 코팅하도록 증착된다.
또한, 기판(10)에 증착된 전구체 물질(20)에 전자빔(30)을 조사하는데, 이 과정을 통하여 전구체 물질(20)에 계층적 기공구조가 형성된다.
이때, 계층적 기공구조는 마이크로 단위의 제1 기공이 형성되고, 상기 제1 기공을 이루는 물질 간에 나노 단위의 제2 기공이 형성되어, 계층을 이루고 있다.
다시 말하면, 나노 단위의 제2 기공은 계층적 기공구조를 이루는 입자 간에 생성된 기공이며, 나노 단위의 입자가 모여서 마이크로 단위의 제1 기공을 이루는 것이다.
그리고, 기판(10)은 전구체 물질(20)과 친화력이 있는 물질로 구비되는 것이 바람직한데, 친화도(親和度, Affinity)가 높아야 기판(10)과 전구체 물질(20)이 진행되어 화합물이 생성될 때 각 원소 간에 작용하는 힘이 높고, 이에 따라 화학적 결합이 발생되기 때문이다.
예를 들면, 기판(10)이 실리콘인 경우, 전구체 물질(20)은 실리콘 그리스(Silicon Grease)로 구비되어, 상기 실리콘 그리스에 전자빔이 조사되어 계층적 기공구조물(1)을 형성할 때, 실리콘과 실리콘 그리스 간에 형성된 친화력으로 계층적 기공구조가 형성된다.
더불어, 상기 전구체 물질(20)의 두께가 일정 두께 미만 또는 일정 두께 초과일 경우에는 전자빔 조사에 의하여 기공이 형성되지 않거나, 깨져버리는 경우가 발생하므로 상기 전구체 물질(20)의 두께를 일정 두께로 도포하는 것이 중요한 변수가 된다.
이때, 전자빔(30)의 조사 조건도 중요한 변수 중 하나인데, 전자빔 에너지, 전자빔 전류 밀도, 전자빔 조사량, 전자빔 조사장치의 진공도 등을 조절하여 계층적 기공이 형성될 수 있도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 계층적 기공구조물의 제조 과정을 설명한다.
우선, 생성할 계층적 기공구조물(1)에 대응되는 크기의 기판을 준비한다.
그리고, 상기 기판의 상부면 또는 일정면에 전구체 물질(20)을 일정 두께(w)로 코팅되도록 증착시킨다(S10).
그리고 나서, 전구체 물질(20)이 코팅된 면에 전자빔 에너지, 전자빔 전류 밀도, 전자빔 조사량, 전자빔 조사장치의 진공도 등을 조절하여 전자빔을 조사하면(S20), 전구체 물질(20)에 계층적 기공구조가 형성되는데, 표면 굴곡이 증가되도록 마이크로-나노 단위의 복합적 기공이 형성된다(S30).
도 3은 본 발명에 따른 계층적 기공구조물 상에 초소수성 및 초친수성 표면이 형성된 단면도 및 제조과정을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 계층적 기공구조물 상에 초소수성 및 초친수성 표면 제작방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 물질(2)은 기판(10)과 전구체 물질(20)과 표면 에너지 증감물질(40)을 포함하여 이루어진다.
(가)는 본 발명에 따른 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 물질(2)의 단면도이며, (나)는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 물질(2)을 생성하는 제조 공정을 개략적으로 도시한다.
여기서, 기판(10)은 생성하고자 하는 계층적 기공구조물(1)의 크기에 대응되게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 기판(10)의 상부면에 일정 두께(w)를 가지고 상기 전구체 물질(20)이 상기 기판(10)의 상부면을 코팅하도록 증착된다.
또한, 기판(10)에 증착된 전구체 물질(20)에 전자빔(30)을 조사하는데, 이 과정을 통하여 전구체 물질(20)에 계층적 기공구조가 형성된다.
이때, 계층적 기공구조는 마이크로 단위의 제1 기공이 형성되고, 상기 제1 기공을 이루는 물질 간에 나노 단위의 제2 기공이 형성되어, 계층을 이루고 있다.
다시 말하면, 나노 단위의 제2 기공은 계층적 기공구조를 이루는 입자 간에 생성된 기공이며, 나노 단위의 입자가 모여서 마이크로 단위의 제1 기공을 이루는 것이다.
그리고, 기판(10)은 전구체 물질(20)과 친화력이 있는 물질로 구비되는 것이 바람직한데, 친화도(親和度, Affinity)가 높아야 기판(10)과 전구체 물질(20)이 진행되어 화합물이 생성될 때 각 원소 간에 작용하는 힘이 높고, 이에 따라 화학적 결합이 발생되기 때문이다.
예를 들면, 기판(10)이 실리콘인 경우, 전구체 물질(20)은 실리콘 그리스(Silicon Grease)로 구비되어, 상기 실리콘 그리스에 전자빔이 조사되어 계층적 기공구조물(1)을 형성할 때, 실리콘과 실리콘 그리스 간에 형성된 친화력으로 계층적 기공구조가 형성된다.
또한, 전자빔(30)이 조사되고 난 후의 계층적 기공구조물(1) 상에 표면에너지 증감 물질(40) 처리하는데, 높은 표면 에너지를 가지는 물질로 처리하는 경우에는 초친수성 표면이 생성되고, 낮은 표면 에너지를 가지는 물질로 처리하는 경우에는 초소수성 표면이 생성된다.
더불어, 상기 전구체 물질(20)의 두께가 일정 두께 미만 또는 일정 두께 초 과일 경우에는 전자빔 조사에 의하여 기공이 형성되지 않거나, 깨져버리는 경우가 발생하므로 상기 전구체 물질(20)의 두께를 일정 두께로 도포하는 것이 중요한 변수가 된다.
이때, 전자빔(30)의 조사 조건도 중요한 변수 중 하나인데, 전자빔 에너지, 전자빔 전류 밀도, 전자빔 조사량, 전자빔 조사장치의 진공도 등을 조절하여 계층적 기공이 형성될 수 있도록 한다.
또한, 높은 표면 에너지를 가진 물질 또는 낮은 표면 에너지를 가진 물질로 상기 계층적 기공이 형성된 면에 도포하는데, 초소수성의 표면을 형성하기 위해서는 낮은 표면 에너지를 가지는 물질을 도포하고, 초친수성의 표면을 형성하기 위해서는 높은 표면 에너지를 가지는 물질로 도포한다.
이하, 본 발명에 따른 계층적 기공구조물의 제조 과정을 설명한다.
우선, 생성할 계층적 기공구조물(1)에 대응되는 크기의 기판을 준비한다.
그리고, 상기 기판의 상부면 또는 일정면에 전구체 물질(20)을 일정 두께(w)로 코팅되도록 증착시킨다(S10).
그리고 나서, 전구체 물질(20)이 코팅된 면에 전자빔 에너지, 전자빔 전류 밀도, 전자빔 조사량, 전자빔 조사장치의 진공도 등을 조절하여 전자빔을 조사하면(S20), 전구체 물질(20)에 계층적 기공구조가 형성되는데, 표면 굴곡이 증가되도록 마이크로-나노 단위의 복합적 기공이 형성된다(S30).
또한, 높은 표면 에너지를 가진 물질 또는 낮은 표면 에너지를 가진 물질로 상기 계층적 기공이 형성된 면에 도포하는데(S40), 초소수성의 표면을 형성하기 위해서는 낮은 표면 에너지를 가지는 물질을 도포하고(S51), 초친수성의 표면을 형성하기 위해서는 높은 표면 에너지를 가지는 물질로 도포한다(S53).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전구체 물질에 전자빔을 조사하기 전, 후의 SEM 사진이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 계층적 기공구조물(1)은 기판(10)을 실리콘으로, 전구체 물질(20)을 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethylsiloxane)과 실리카(Silica)의 혼합물인 실리콘 그리스(Silicon Grease)로 준비한다.
그리고, 상기 전구체 물질(20)의 두께는 10mm 로 코팅하고, 전자빔(30) 조사 장치에 넣고 전자빔을 조사하는데, 전자빔(30)의 조사 조건은 다음과 같다.
에너지는 50 keV 이고, 전류 밀도는 30 μA/cm2 이며, 조사량은 1.1 x 1017/cm2 - 2.7 x 1018/cm2이고, 진공도는 2 x 10-5 torr 이하이다.
(가)는 전자빔(30)을 조사하기 전의 사진인데, 전자빔(30) 조사 전의 전구체 물질(20)인 실리콘 그리스의 표면은 어떠한 굴곡도 없이 편평하다.
(나)는 전자빔(30)을 조사하고 난 후의 사진인데, 약 10 - 20 μm 크기의 기공을 가진 구조가 생성된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 계층적 기공구조물 및 계층적 기공구조물을확대한 SEM 사진이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 계층적 기공구조물의 계층적 기공구조는 다음과 같다.
(가)는 10 - 20 μm 크기의 기공을 이루고 있는 전구체 물질(20)인 실리콘 그리스 표면을 도시하며, (나)는 10 - 20 μm 크기의 기공을 10 배 확대한 사진이며, (다)는 (나)의 벽면을 10배 확대한 사진이다.
우선, 10 - 20 μm 크기의 기공을 확대하여 보면, 상기 기공을 이루고 있는 입자 간에 50 - 150 nm 크기의 기공을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 전자빔(30)을 조사하여 마이크로미터 크기의 기공과, 나노미터 크기의 기공이 동시에 존재하는 계층적 기공구조가 제조된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전구체 물질에 전자빔을 조사한 SEM 사진이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 계층적 기공구조물(1)의 전구체 물질(20)인 실리콘 그리스의 두께는 일정 조건을 만족하여야 한다.
(가)는 실리콘 그리스의 두께가 2 μm 보다 얇을 때 전자빔(30)을 조사하고 난 후의 표면을 나타내고, (나)는 실리콘 그리스의 두께가 30 μm 보다 두꺼울 때 전자빔(30)을 조사하고 난 후의 표면을 나타낸다.
(가)의 경우에는, 실리콘 그리스의 두께가 너무 얇아 기공이 형성되기에 충분하지 않고, (나)의 경우에는, 실리콘 그리스의 두께가 너무 두꺼워 실리콘 그리스가 전자빔(30) 조사 후에 깨져버린 경우이다.
따라서, 기판(10)을 실리콘으로, 전구체 물질(20)을 실리콘 그리스로, 전자빔(30) 조사 조건이 상기와 동일할 경우에는, 실리콘 그리스의 두께는 2μm 이상, 30 μm 이하가 되어야 한다.
만약, 기판(10)과 전구체 물질(20)이 상기와 같지 않을 경우에는 전구체 물질(20)의 두께는 변경될 수 있으며, 전자빔(30) 조사 조건 또한 변경될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 계층적 기공구조물 상에 초소수성 및 초친수성 표면을 생성하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법을 도시한 도이다.
여기서, 첫번째 사진은 기판(10)에 전구체 물질(20)을 도포하고 난 후 물방울을 올려놓고 단면을 촬영한 것인데, 일정 접촉각을 이루며 물방울이 퍼지지 않은 것을 확인할 수 있고, 이때의 접촉각은 105˚로 소수성을 나타낸다.
그리고, 두번째 사진은 전구체 물질(20) 상에 전자빔(30)을 조사하고 난 후에 물방울을 올려놓고 단면을 촬영한 것인데, 높은 표면 굴곡을 가진 전구체 물질(20) 상에서 물방울이 (가)의 경우보다 접촉각이 48˚로 감소하고, 친수성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
또한, 전자빔(30) 조사로 높은 표면 굴곡을 가진 계층적 기공구조를 가진 표면에 낮은 표면에너지를 가진 물질인 플루오로실란(Fluorosilane)을 처리하면, 170˚의 접촉각을 보이는 초소수성 표면으로 변경된다.
더불어, 전자빔(30) 조사로 낮은 표면 굴곡을 가진 계층적 기공구조를 가진 표면에 높은 표면에너지를 가진 물질인 D - 0 로 처리하면, 3˚의 낮은 접촉각을 가지는 초친수성 표면으로 변경된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초소수성 표면을 실험한 도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 초소수성 표면은 도면과 같은 성질을 나타낸다.
여기서, 초소수성 표면에서 물방울을 올려놓는 경우에는 약 2˚만 기울이면, 물방울이 흘러내는 현상을 보인다.
이는, 계층적 기공구조를 가지는 표면이 연꽃잎의 표면과 같은 자기정화(Self-Cleaning)의 효과를 가질 수 있음을 나타낸다.
이를 응용하면, 초소수성 표면은 물에 거의 젖지 않으므로, 물에 의한 또는 물을 통하여 발생하는 화학적 반응이나, 화학 결합의 생성이 거의 발생하지 않는다.
따라서, 물에 의한 표면 산화가 발생도가 낮으므로, 물에 자주 노출되거나 또는 접촉되는 기계, 구조물 등의 표면을 초소수성 처리하는 경우에는 내구성이 높아지고, 제품 수명이 연장된다.
또한, 자동차 유리 표면에 이용되는 경우에는, 비가 와도 차 유리에 달라붙지 않고 흘러내리므로, 와이퍼의 구동 횟수가 감소하며, 방수용 의류 제작에도 응용될 수 있으며, 수증기도 잘 달라붙지 못하므로 겨울철에 유리가 뿌옇게 되는 김 서림 현상을 방지할 수 있고, 비닐 하우스 지붕에 수분 증착으로 인한 햇빛 투과량 감소를 방지할 수 있어 농업 분야에도 응용가능하다.
더불어, 건축재에 응용될 경우, 겨울철 적설에 의한 피해를 줄일 수 있으며, 표면의 먼지 입자들을 흡착하여 흘러내리기 때문에 자기정화기능을 가질 수 있고, 이를 응용하면 건물 외벽재 산업에 응용될 수 있다.
그리고, 초소수성 나노 물질을 이용한 전지 개발에 이용될 수 있고, 마이크로 유체장치의 유로에 소수성으로 표면 처리하는 경우에는 유체의 유동성을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 마이크로 유체장치의 특성을 향상시킬 수 있다.
반대로, 초친수성의 성질을 이용할 경우에는, 열전달특성을 향상시켜 소형 전자장비의 고효율 냉각장치에 활용될 수 있으며, 임계열 유속(CHF: Critical Heat Flux)을 증가시켜 원자력 발전소의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 단순 공정으 로 초소수성 또는 초친수성 표면의 형성이 가능하여 제조단가를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 산업에 용이하게 응용 및 적용가능하고, 대량 생산 및 고속 생산이 가능하며, 물과 친화력이 적은 초소수성을 이용하여 발수성, 방오성, 비점착성, 저표면장력 등의 기능을 부여하는 산업 전반에 걸쳐 응용 및 적용이 가능하며, 기계 및 구조물의 표면을 초소수성 처리하여 내구성을 증가시켜 제품 수명을 연장할 수 있고, 마이크로 유체칩의 유로에 초소수성 물질로 표면처리하여 유체의 유동성을 증가시킬 수 있으며, 물과 친화력이 있는 초친수성을 이용하여 소형 전자장비의 고효율 냉각장치의 열전달특성을 향상시킬 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (18)

  1. 일정 크기의 기판;
    상기 기판 표면에 일정 두께로 형성되고, 전자빔을 조사받아 계층적 기공이 형성되어 표면 굴곡이 증가되는 전구체 물질;
    을 포함하는 계층적 기공구조물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 계층적 기공구조물은
    상기 전구체 물질의 표면 에너지를 증감시키는 물질;
    을 더 포함하여 초소수성 또는 초친수성으로 변경되는 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전구체 물질은 기판과 친화성을 가지는 물질인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  4. 청구항 1항 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판은 실리콘인 경우에는, 상기 전구체 물질은 실리콘 그리스(Silicone Grease)인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 실리콘 그리스는 폴리디메틸실록산과 실리카의 혼합물인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 실리콘 그리스의 일정 두께는 2μｍ 이상 30 이하μｍ 인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 표면 에너지를 증가시키는 물질은 D-0이고, 상기 표면 에너지를 감소시키는 물질은 플루오로실란(Fluorosilane)인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 계층적 기공은
    상기 전구체 물질에 형성되는 소정 크기의 제1 기공;
    상기 제1 기공을 이루는 입자 간에 형성되는 소정 크기의 제2 기공;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 기공의 소정 크기는 마이크로 단위이고, 제2 기공의 소정 크기는 나노 단위인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 계층적 기공은 마이크로 - 나노 복합구조인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물.
  11. 기판 표면에 전구체 물질을 일정 두께로 코팅하는 제1 단계;
    상기 전구체 물질에 전자빔을 조사하여 전구체 물질에 표면 굴곡이 증가하도 록 계층적 기공을 형성하는 제2 단계;
    상기 전구체 물질의 표면 에너지를 증감시키는 물질을 이용하여 초소수성 또는 초친수성으로 변경하는 제3 단계;
    를 포함하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전구체 물질은 기판과 친화성을 가지는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 기판이 실리콘인 경우에는, 상기 전구체 물질은 실리콘 그리스(Silicone Grease)인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 실리콘 그리스는 폴리디메틸실록산과 실리카의 혼합물로 이루어지는 것 을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 실리콘 그리스의 일정 두께는 2μｍ 이상 30 이하μｍ 인 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 단계의 계층적 기공은
    상기 전구체 물질에 형성되는 소정 크기의 제1 기공;
    상기 제1 기공을 이루는 입자 간에 형성되는 소정 크기의 제2 기공;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 기공의 소정 크기는 마이크로 단위이고, 제2 기공의 소정 크기는 나노 단위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 계층적 기공은 마이크로 - 나노 복합구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 계층적 기공구조물을 이용한 초소수성 및 초친수성 표면 제조방법.
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