KR100898124B1 - 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소수(疏水)성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법에 관한 것으로서, 금속 기재를 양극 산화 가공하여 금속 기재의 외면에 미세 홀을 형성하는 양극 산화 단계, 금속 기재의 외면에 고분자 물질을 코팅하여 고분자 물질을 금속 기재의 미세 홀에 대응하는 음극 복제 구조물로 형성하는 음극 복제 단계, 음극 복제 구조물의 외면을 외부 형성 물질로 감싸는 외부 구조물 형성 단계, 및 금속 기재를 식각시켜서 음극 복제 구조물과 외부 형성 물질로부터 금속 기재를 제거하는 식각 단계를 포함한다.

소수성, 배관, 미세 요철, 미세 홀, 양극 산화, 음극 복제, 3차원 형상

Description

소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법{Fabricating Method of 3D Shape Structure Having Hydrophobic Inner Surface}

본 발명은 소수(疏水)성 내부 표면을 갖는 구조물의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 표면 처리작업 및 음극 복제 작업을 수행하여 어떠한 3차원 형상 구조물의 내부 표면에도 소수 특성이 부여되게 형성시키는 3차원 형상 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속이나 폴리머 등의 고체 기재의 표면은 고유의 표면 에너지를 가지고 있다. 이는 임의의 액체가 고체 기재에 접촉할 때 액체와 고체 간의 접촉각으로 나타나게 된다. 여기서, 액체는 물 또는 기름과 같은 종류를 통칭하지만, 이하에서는 액체 중에서도 가장 대표적인 물을 언급하여 설명하겠다. 접촉각의 크기가 90°보다 작은 경우에는 구 형상의 물방울이 고체 표면에서 그 형태를 잃고 표면을 적시는 친수성(親水性, hydrophilicity)특성을 나타낸다. 반면, 접촉각의 크기가 90°보다 큰 경우에는 구형상의 물방울이 고체 표면에서 구의 형상을 유지하면서 표면을 적시지 않고 외부 힘에 의해 쉽게 흐르는 소수성(疎水性, hydrophobicity) 특성을 나타낸다. 그 예로서 연꽃 잎 위에 물방울이 떨어졌을 경 우, 연꽃 잎을 적시지 않고 표면을 흐르는 현상이 바로 소수 특성을 나타낸다.

고체 기재의 표면이 갖는 고유의 접촉각은 그 표면이 미세한 요철형상을 갖도록 가공하게 되면 그 값이 변화될 수 있다. 즉, 접촉각이 90°보다 작은 친수성 표면은 표면 가공을 통해 친수성이 더욱 커질 수 있고, 접촉각이 90°보다 큰 소수성 표면도 표면가공을 통해 소수성이 더욱 커질 수 있다. 이러한 고체 기재의 소수성 표면은 다양한 응용이 가능하다. 소수성 표면은 배관 구조물에 적용하면, 배관 내부를 유동하는 액체의 미끄러짐이 보다 용이해져서 그 유량과 유속이 증가한다. 이로 인해, 소수성 표면은 수도관 또는 보일러 배관에 적용시 종래에 비해 이물질이 쌓이는 것이 보다 현저하게 감소된다. 그리고, 소수성 표면은 고분자 물질이 이용된다면, 배관 내면에서의 부식이 방지되기 때문에 수질오염도 감소시킬 수 있다.

그러나, 임의의 용도를 위해 고체 표면의 접촉각을 변화시키는 기술은 현재까지 반도체 제조기술을 응용한 MEMS(Microelectromechanical Systems) 공정으로서, 고체 표면을 마이크로 혹은 나노 단위의 미세한 요철로 형성한다. 이러한 MEMS 공정은 반도체 기술을 기계공학적으로 응용한 첨단의 기술이지만, 반도체 공정은 상당히 고가의 비용이 소요된다. 즉, MEMS 공정은 고체 표면에 나노 단위의 요철을 형성하고자 하는 경우에 금속 표면의 산화, 일정 온도와 일정 전압의 인가, 특수한 용액에서의 산화 및 에칭 같은 작업을 수행한다. 이런 MEMS 공정은 일반적인 작업환경에서 수행할 수 없는 작업들이기 때문에, 특별히 제작된 청정실에서 작업이 이루어져야 하고, 이에 필요한 전용 기계들도 고가의 장비이기 때문이다. 또 한, MEMS 공정은 반도체 공정의 특성상 넓은 표면을 한 번에 처리하지 못하는 점 또한 단점으로 작용한다.

이와 같이 종래기술에 따른 소수성 표면을 형성하는 기술은 그 공정이 매우 복잡하고 대량생산이 어려우며, 높은 제작비용으로 인해 그 적용 자체가 쉽지 않다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 미세 입자 분사와 양극 산화를 이용한 표면 처리작업과, 고분자 물질의 음극 복제 작업으로 종래기술에 비해 단순하면서도 상대적으로 저렴한 제작비용으로 소수성 내부 표면을 갖는 구조물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 어떠한 3차원 형상 구조물의 내부 표면에도 소수성이 부여되게 형성시키는 3차원 형상 구조물의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명에 따른 3차원 형상 구조물의 제조방법은 금속 기재를 양극 산화 가공하여 상기 금속 기재의 외면에 미세 홀을 형성하는 양극 산화 단계, 상기 금속 기재의 외면에 고분자 물질을 코팅하여 상기 고분자 물질을 상기 금속 기재의 미세 홀에 대응하는 음극 복제 구조물로 형성하는 음극 복제 단계, 상기 음극 복제 구조물의 외면을 외부 형성 물질로 감싸는 외부 구조물 형성 단계, 및 상기 금속 기재를 식각시켜서 상기 음극 복제 구조물과 상기 외부 형성 물질로부터 상기 금속 기재를 제거하는 식각 단계를 포함한다.

상기 외부 형성 물질은 상기 음극 복제 구조물과 접하는 면에 점착성이 부여된 소재이면서, 상기 음극 복제 구조물의 굴곡된 외면에 부착되게 유연한(flexible) 특성을 갖는다. 상기 외부 형성 물질은 아크릴 필름이다.

본 발명에 따른 3차원 형상 구조물의 제조방법은 상기 양극 산화 단계 이전에 미세 입자를 분사시켜 상기 금속 기재의 외면에 미세 요철을 형성시키는 입자 분사 단계를 더 포함한다.

상기 입자 분사 단계에서 상기 금속 기재는 원기둥 형상이고, 상기 미세 입자는 상기 금속 기재의 원주면에 분사된다. 상기 외부 형성 물질은 상기 금속 기재의 원주면에 해당하는 영역에 부착된다.

상기 음극 복제 단계는 고분자 물질이 상기 금속 기재의 미세 홀에 주입되어, 상기 음극 복제 구조물이 상기 미세 홀에 대응하는 다수 개의 기둥들을 구비한다.

상기 음극 복제 단계는 인접하는 상기 다수 개의 기둥들이 부분적으로 들러붙음으로 다수의 군락을 형성한다.

상기 식각 단계는 습식 식각에 의해 상기 금속 기재를 식각시킨다.

상기 금속 기재는 알루미늄 소재이다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법은 내부 표면에 소수성을 부여시킬 수 있으면서도, 종래기술의 MEMS 공정에서 필요로 하는 고가의 장비를 사용하지 않아서 그 제작비용도 상대적으로 저렴하고, 그 공정도 단순한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 복제용 틀인 금속 기재의 형상을 달리하고, 외부 형성 물질을 부착하는 단계를 수행함으로써, 테이퍼(taper)진 배관 구조물, 음료저장용 캔, 기타 3차원의 복잡한 형상의 제품에도 그 내부 표면에 소수 특성을 부여할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 소수성 내부 표면을 갖는 구조물의 제조방법은 미세 입자 분사 단계(S1), 양극 산화 단계(S2), 음극 복제 단계(S3), 외부 구조물 형성 단계(S4), 및 금속 기재 식각 단계(S5)를 수행함으로써, 종래기술의 MEMS 공정에 비해 단순하면서도 상대적으로 저렴한 제작비용으로 소수성 내부 표면을 갖는 구조물을 제조할 수 있다. 더욱이, 본 실시예는 상기와 같은 제조 단계에 의해서 어떠한 3차원 형상 구조물의 내부 표면에도 소수 특성이 부여되도록 구조물을 제조할 수 있다.

도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법에 따라 배관 구조물의 각 단계별 제조공정을 각각 나타낸 개략도로서, 도 2a는 본 실시예에 사용되는 금속 기재이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 금속 기재(110)는 지름 2 mm, 길이 70 mm 인 원기둥 형상의 알루미늄 시편으로서, 배관(pipe) 구조물의 내면에 소수 특성을 부여하기 위한 용도로 사용된다. 본 실시예는 사전 준비 작업으로 과염소산(perchloric acid)과 에탄올(ethanol)을 1:4의 부피비로 혼합한 용액에 금속 기재(110)를 담근 후에 전해 연마(electropolishing)를 실시하여, 금속 기재(110)의 표면을 평탄화시킨다.

도 3은 도 2a에 도시된 금속 기재에 미세 요철을 형성시키는 입자 분사기를 나타낸 개략도이다.

도 1, 도 2b, 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 미세 입자(11)를 분사시켜 금속 기재(110)의 외면에 미세 요철(113)을 형성시키는 미세 입자 분사 단계을 수행한다(S1). 이를 위해 본 실시예는 입자 분사기(10)를 이용한다. 입자 분사기(10)는 미세 입자(11)를 임의의 속도와 압력으로 금속 기재(110)의 표면에 충돌시킨다. 그러면, 금속 기재(110)는 미세 입자(11)의 충격 에너지에 의해 변형이 발생되면서, 그 외면에 미세 요철(113)이 형성된다. 특히, 본 실시예는 미세 입자(11)를 금속 기재(110)의 원주 표면에 집중시키며, 미세 입자(11)를 분사하는 과정에서 금속 기재(110)를 회전시킴으로써 금속 기재(110)의 원주 표면에 미세 요철(113)이 골고루 분포되도록 한다. 본 실시예에 사용되는 입자 분사기(10)는 모래 입자를 분사하는 샌드 블라스터이며, 모래 입자를 대신하여 금속구와 같은 미세 입자를 분사하는 미세 입자 분사기가 사용되더라도 무방하다. 이러한 입자 분사기(10)의 작동에 의해 금속 기재(110)의 외면에는 마이크로(micro) 단위의 미세 요철(113)이 형성된다.

도 4는 도 3에 도시된 A 영역을 확대한 것으로서 금속 기재의 표면에 형성된 미세 요철을 나타낸 확대 도면이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 기재(110)의 미세 요철(113)은 요(凹)부(111)의 깊이, 철(凸)부(112)의 높이, 또는 철부(112) 사이의 간격으로 그 크기를 판단한다. 미세 요철(113)의 크기는 입자 분사기(10)의 미세 입자(11) 분사속도, 분사압력 및 미세 입자(11)의 크기에 따라 달라지며, 이러한 미세 요철(113)의 크기에 영향을 주는 요소들의 값을 사전에 설정 적용함으로써 조절할 수도 있다.

일반적인 고체, 즉 금속이나 폴리머(polymer)의 접촉각은 90°보다 작은 젖음성 물질이다. 이러한 금속 기재의 표면을 본 실시예에 따른 표면 가공방법에 따라 미세 요철(113)을 갖도록 가공하면 접촉각은 더욱 작아지게 되어, 젖음성이 더욱 강해지는 현상을 나타낸다.

도 5는 도 2b에 도시된 금속 기재를 양극 산화시키는 양극 산화 장치를 나타낸 개략도이다.

도 1, 도 2c, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 금속 기재(110)를 양극 산화 가공(anodizing)하여 금속 기재(110)의 외면에 미세 홀(hole)을 형성하는 양극 산화 단계를 수행한다(S2). 양극 산화 공정은 금속 기재(110)를 전해질 용액(23)에 담근 후에 전극을 인가시키면, 금속 기재(110)의 표면에 양극 산화층(120)이 형성된다. 이로 인해 양극 산화 공정은 금속 기재(110)의 외면에 형성된 미세 요철(113) 보다 더 미세한 나노미터 단위 직경으로 미세 홀을 형성할 수 있다.

이를 위해 본 실시예는 도 5에 도시된 양극 산화 장치(20)를 이용한다. 양극 산화 장치(20)는 본체(21)의 내부 수용공간에 전해질 용액(23 ; 일례로 0.3M 옥살산 C₂H₂O₄ 또는 인산)이 일정량 채워지고, 이런 전해질 용액(23)에 금속 기재(110)가 담겨진다. 양극 산화 장치(20)는 전원 공급부(25)를 구비하는데, 금속 기재(110)는 전원 공급부(25)의 양극 또는 음극 중 어느 하나에 연결되고, 백금소재의 다른 금속 기재(26)는 전원 공급부(25)의 다른 나머지 극성에 연결된다. 여기서, 다른 금속 기재(26)는 전원 인가가 가능한 전도체라면, 그 소재가 한정되지 않는다. 실험조건으로서, 금속 기재(110)와 다른 금속 기재(26)는 설정된 거리(일례로 50 mm)로 유지되면서, 전원 공급부(25)는 설정된 정전압(일례로 60 V)을 인가하게 된다. 이때, 전해질 용액(23)은 일정 온도(일례로 15°C) 하에서 유지되는데, 용액 농도의 국부적인 편향을 막기 위하여 교반기(stirrer)로 교반시킨다. 그러면, 금속 기재(110)의 외면에는 양극 산화층(120)으로서 알루미나가 형성된다. 이렇게 양극 산화를 실시한 후에는 금속 기재(110)를 전해질 용액(23)으로부터 꺼내어, 탈 이온수에서 세척한(일례로 약 15분간) 후 설정된 온도(일례로 60°C)의 오븐에서 일정 시간(일례로 약 1시간) 동안 건조시킨다.

그러면, 금속 기재(110)에는 미세 입자 분사 단계(S1)에 의해 미세 요철(113)이 형성되었을 뿐만 아니라, 도 6에 도시된 바와 같이 양극 산화 단계(S2)에 의해 미세 요철(113) 보다 더 미세한 나노미터 단위 직경을 갖는 미세 홀(121) 이 양극 산화층(120)에 형성된다.

도 7은 도 2c에 도시된 금속 기재의 표면에 대응하는 음극 형상을 복제하는 음극 복제 장치를 나타낸 개략도이고, 도 8은 도 7에 도시된 선 B-B를 따라 절단하여 나타낸 음극 복제 장치의 단면도이다.

도 1, 도 2d, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 금속 기재(110)의 외면에 고분자 물질을 코팅하여 고분자 물질이 금속 기재(110)의 미세 홀(121)에 대응하는 음극 복제 구조물(130)로 형성되는 음극 복제 단계를 수행한다(S3). 본 실시 단계에서는 입자 분사 단계(S1)과 양극 산화 단계(S2)에 의해서 그 외부 표면에 마이크로 스케일의 미세 요철(113)과 나노 스케일의 미세 홀(121)이 형성된 금속 기재(110)를 복제용 틀(template)로 구비한다.

그리고, 본 실시 단계에서는 도 7 및 도 8에 도시된 음극 복제 장치(30)를 이용한다. 음극 복제 장치(30)는 몸체(31)와, 몸체(31) 내에 일정한 수용 공간을 갖는 수용부(32), 수용부(32)에 수용되는 고분자 용액(33), 및 몸체(31)의 측면을 따라 마련되어 수용부(32)의 고분자 용액(33)이 고체화되도록 응고시키는 냉각부(34)를 구비한다.

음극 복제 장치(30)는 금속 기재(110)가 복제용 틀로서 고분자 용액(33)에 담겨지고, 이런 금속 기재(110)의 외면에 고분자 물질을 코팅시킨다. 즉, 고분자 용액(33)은 금속 기재(110)의 미세 홀(121)에 주입되어, 음극 복제 장치(30)의 냉각부(34)에 의해서 금속 기재(110)의 주위에 고분자 물질이 응고된다. 이와 같이 본 실시예는 금속 기재(110)의 외면에 고분자 물질을 코팅시킴으로써, 고분자 물질이 미세 홀(121)의 형상에 대응하는 음극의 형상 표면을 갖는 음극 복제 구조물(130)을 형성시킨다. 즉, 음극 복제 구조물(130)은 미세 홀(121)에 대응하는 음극의 형상 표면이므로 기둥 형상을 가지며, 미세 홀(121)들에 각각 대응하여 다수 개의 기둥들을 구비하게 된다.

다만, 고분자 용액(33)으로는 소수성 고분자 용액이 적용될 수 있으며, 일예로, PTFE(Polytetrahluorethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene copoymer), PFA(Perfluoroalkoxy) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

다음 단계로서, 본 실시예는 도 2e에 도시된 바와 같이 음극 복제 구조물(130)의 외면을 외부 형성 물질(140)로 감싸는 외부 구조물 형성 단계를 수행한다(S4). 외부 형성 물질(140)은 점착성을 갖는 소재로서, 음극 복제 구조물(130)의 굴곡된 외면에 부착되게 유연한(flexible) 특성을 갖는다. 특히, 본 실시예는 소수성 내부 표면을 갖는 배관 구조물의 제작방법을 예시적으로 기술하고 있으므로, 배관 재료로 사용할 아크릴 필름을 원기둥 형상의 금속 기재(110)의 원주면에 감싼다. 본 실시예에 사용되는 외부 형성 물질(140)은 아크릴 필름 뿐만 아니라 여러 다른 소재가 사용될 수 있다.

다음 단계로서, 본 실시예는 음극 복제 구조물(130)과 외부 형성 물질(140)로부터 양극 산화층(120)을 포함한 금속 기재(110)를 제거시키기 위해 양극 산화층(120)을 포함한 금속 기재(110)를 식각시키는 식각 단계를 수행한다(S5). 이와 같은 식각 단계는 습식 식각에 의해 양극 산화층(120)을 포함한 금속 기재(110)를 식각시키는 것이 바람직하다. 이로 인해 본 실시예는 도 2f에 도시된 바와 같이 음극 복제 구조물(130)과 외부 형성 물질(140)이 남게 된다. 상기 언급된 바와 같이 음극 복제 구조물(130)은 그 내부 표면에 다수 개의 미세한 기둥들이 형성되어, 마이크로 스케일과 나노 스케일의 구조를 함께 갖는 소수성 표면을 형성한다. 즉, 음극 복제 구조물(130)은 내부 표면이 연꽃 잎과 같은 단면 구조로 이루어짐으로써, 젖음성이 최소화된 소수성 표면 성질을 갖게 되고, 이로 인해 액체와의 접촉각이 160°이상으로 극도로 높아질 수 있다.

그리고, 다수 개의 기둥들은 종횡비(직경에 대한 길이의 비)가 크게 되면(예를 들어, 종횡비가 100 내지 1900의 범위 내) 부분적으로 들러붙는 현상이 발생되면서 다수의 군락으로 형성하여 마이크로 스케일의 굴곡을 형성할 수도 있다. 따라서, 음극 복제 구조물(130)은 마이크로 스케일의 굴곡에 나노 스케일의 기둥들이 형성됨으로써 극소수성의 내부 표면으로 형성될 수 있다.

한편, 본 실시예는 금속기재의 표면에 미세 입자를 분사하는 단계(S1)를 생략하고서, 양극 산화 가공 단계(S2)를 수행할 수 있다. 이런 경우에는 양극 산화를 통해 형성되는 미세홀의 종횡비(예를 들어 100 내지 1900의 범위 내)를 크게 형성함으로써, 이 미세홀로부터 복제된 나노 스케일의 기둥들이 서로 들러붙는 현상에 의해 다수의 군락을 이루며 마이크로 스케일의 굴곡을 형성한다. 이로 인해, 본 실시예는 미세 입자 분사 단계(S1)을 생략하더라도, 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물을 제작할 수 있다.

[ 실험예 ]

아래에서는 본 실시예의 제조방법에 준하여 각각 제조된 실시예 1, 실시예 2, 및 그 비교예를 각각 동일한 유동 실험조건에서 실험하여, 내부 표면의 소수 특성을 살펴보았다. 상기 실시예 1은 입자 분사 표면 가공을 생략하고서, 금속 기재를 양극 산화 처리하여 제조한 배관 구조물이고, 상기 실시예 2는 입자 분사 표면 가공 및 양극 산화 처리하여 제조한 배관 구조물이며, 비교예는 내부 표면 가공이 실시되지 않은 배관 구조물인 것이다.

금속 기재로는 지름이 2 mm 이고 길이가 7 cm 인 알루미늄 시편을 이용하였다. 금속 기재는 과염소산(perchloric acid)과 에탄올(ethanol)을 1:4 부피비로 혼합한 용액에서 전해연마가 실시되었다. 그리고, 입자 분사 단계에서는 샌드 블라스터를 이용하여 평균 500 mesh(28 ㎛)의 모래 입자를 금속 기재에 분사시켰고, 양극 산화 단계에서는 금속 기재를 0.3 M 옥살산 용액에서 담그고서 양극 산화를 수행하였다. 이때, 양극 산화 장치는 음극에서의 카운터 전극으로 백금이 사용되었고, 카운터 전극과 양극에서의 금속 기재와의 거리를 50 mm로 유지하였다. 그리고, 양극 산화 장치는 두 전극간에 60 V의 정전압을 공급하면서, 전해질 용액을 15°C의 일정 온도로 유지하면서 교반시켰다. 양극 산화 처리를 한 후에는 금속 기재를 전해질 용액으로부터 꺼내어 탈 이온수에서 약 15분간 세척한 후 60°C 의 오븐에서 약 1시간 동안 건조시켰다. 그리고, 음극 복제 단계는 6% PTFE(Polytetrafluoroethylene, DuPont Teflon AF: Amor-phous Fluoroplymer Solution)과 솔벤트(solvent, ACROS FC-75)를 섞은 고분자 용액에 복제용 틀인 금속 기재를 담그고서 상온에서 양생시켰다. 그러면, 음극 복제 단계에서는 양생하는 동안 솔벤트 성분이 증발되고 PTFE 성분의 얇은 고분자 물질이 남게 된다. 그리고, 외부 구조물 형성 단계에서는 아크릴 필름을 이용하였다.

도 9는 본 발명의 비교예로서 내부 표면 가공이 실시되지 않은 구조물 시편의 현미경 확대 사진이다. 비교예의 배관 구조물은 본 실시예의 구조물 제조방법 중에서 입자 분사 표면 가공 또는 양극 산화 처리를 어느 것도 실시하지 않고서, 금속 기재를 표면 평탄화시킨 후에 음극 복제 단계와 식각 단계를 통해 제조된 것이다. 그러면, 비교예의 구조물은 도 9에 도시된 바와 같이 액체와의 접촉각이 낮아져 소수 특성이 부여되기 어렵다.

도 10은 본 발명의 실시예 1로서 양극 산화 처리된 구조물 시편의 현미경 확대 사진이다. 실시예 1의 구조물은 도 1에 도시된 단계 중에서 입자 분사 표면 가공을 생략하고서, 금속 기재를 양극 산화 처리를 실시한 후에 음극 복제 단계와 식각 단계를 통해 제조된 것이다. 그러면, 실시예 1의 구조물은 도 10에 도시된 바와 같이 다수 개의 기둥들로 이루어진 소수성 표면을 갖는다.

도 11은 본 발명의 실시예 2로서 입자 분사 표면 가공 및 양극 산화 처리된 구조물 시편의 현미경 확대 사진이다. 실시예 2의 구조물은 도 1에 도시된 단계별로 입자 분사 표면 가공 뿐만 아니라, 양극 산화 처리도 실시하여 제조된 것이다. 그러면, 실시예 2의 구조물은 도 11에 도시된 바와 같이 마이크로 스케일의 요철 표면이면서 나노 스케일의 기둥들로 이루어진 극소수성 표면을 갖는다.

도 12는 도 9 내지 도 11에 도시된 구조물 시편들의 유동 성능을 실험하기 위한 유동성 실험 장치의 사진이다.

도 9 내지 도 11에 각각 도시된 배관 구조물은 유체가 빠져 나오는 주사기의 끝부분인 C 영역에 설치되며, 도 12에 도시된 유동성 실험 장치에 의해 그 유동성 실험이 수행되었다. 이때, 유동성 실험 장치는 무사시 엔지니어링 회사(Musashi Engineering, inc.)의 ML-500XII를 이용하여, 배관 구조물을 빠져 나오는 유체의 무게를 약 30초 동안 측정하여 비교하였다. 유체의 양이 많을수록 배관의 단위면적당 흐르는 유체의 양이 많다고 볼 수 있으므로, 각 배관에 대한 유체 운송 시간의 비교가 가능하다.

도 13은 도 12에 도시된 유동성 실험 장치에서 작동 유체로 물을 이용하여 실험한 유동성 실험결과 도표로서, 물의 송출 압력을 6 kPa로 설정하였다. 실시예 1 및 실시예 2에 의한 배관 구조물들은 비교예의 배관 구조물에 비해 소요된 시간이 짧으므로, 그 유동성도 좋음을 알 수 있다. 더욱이 실시예 2의 배관 구조물은 입자 분사 단계를 실시하지 않은 실시예 1에 비해 소요 시간이 더 짧아서, 그 유동성이 더 좋아짐을 알 수 있다. 이와 같이 실시예 1 및 실시예 2의 배관 구조물들은 그 내부 표면에 소수 특성이 각각 부여되어 있더라도, 입자 분사 단계를 실시한 실시예 2가 입자 분사 단계를 실시하지 않은 실시예 1에 비해 그 유동성이 더 향상될 수 있다.

도 14는 도 12에 도시된 유동성 실험 장치에서 작동 유체로 세정제를 이용하여 실험한 유동성 실험결과 도표로서, 세정제의 송출 압력을 35 kPa로 설정하였다. 실시예 1과 실시예 2에 의한 배관 구조물들은 비교예의 배관 구조물에 비해 그 소요 시간이 짧아서, 그 유동성이 더 좋음을 알 수 있다. 다만, 세정제는 물에 비해 유체 점성이 낮아서 유동성의 차이가 적었지만, 실시예 1과 실시예 2는 여전히 비 교예에 비해 유동성이 좋음을 알 수 있다.

도 13 및 도 14에 도시된 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 실시예 1과 실시예 2의 배관 구조물들은 내부 표면에 소수 특성이 부여됨으로써, 소수 특성이 부여되지 않은 비교예에 비해 그 유동성이 보다 향상된다.

도 15는 본 발명의 비교예로서 내부 표면 가공이 실시되지 않은 배관 구조물에서의 유체 속도 분포를 개념적으로 나타낸 단면도이고, 도 16은 본 발명의 실시예 1 또는 실시예 2로서 소수성 내부 표면을 갖는 배관 구조물에서의 유체의 속도 분포를 개념적으로 나타낸 단면도이다.

도 15에 도시된 배관 구조물은 내부 중심에서의 전단응력이 0에 가깝고, 배관 내부 표면에서의 전단응력이 가장 최대가 된다. 이로 인해, 도 15에 도시된 배관 구조물의 내부 유동 흐름을 살펴보면, 배관 내부 중심에서의 유체 속도가 가장 빠르고, 배관 내부 표면에서의 유체 속도가 0에 근접할 정도로 느려진다.

반면, 도 16에 도시된 배관 구조물은 내부 표면에 소수 특성이 부여됨으로써, 내부 표면에서 유체와의 마찰이 감소되면서 내부 표면에서의 전단응력이 도 15에 도시된 배관 구조물에 비해 상대적으로 감소된다. 즉, 도 16에 도시된 배관 구조물은 내부 표면에서의 전단응력이 감소되면서, 미끄럼 길이(Slip length ; L1)에 준하여 유체 속도 분포 길이(L2)가 길어진다. 이와 같이 도 16에 도시된 배관 구조물은 도 15에 도시된 배관 구조물에 비해 유동성이 보다 향상될 수 있다.

본 실시예는 원기둥 형상의 금속 기재(110)를 이용하여, 원형 단면을 갖는 배관 구조물의 내부 표면에 소수 특성을 부여하는 제조방법을 설명했다. 하지만, 본 실시예는 복제용 틀인 금속 기재(110)의 형상을 달리하고, 외부 형성 물질(140)을 부착하는 단계를 수행함으로써, 테이퍼(taper)진 배관 구조물(도 17 참조)도 가능하다.

뿐만 아니라, 본 실시예는 도 18에 도시된 바와 같이 중공형 단면을 갖는 튜브형 금속 기재(210)를 사용할 수도 있다. 즉, 본 실시예는 튜브형 금속 기재(210)의 외부 표면에 양극 산화층(220)과 음극 복제 구조물(230)을 순차적으로 형성하고서, 음극 복제 구조물(230)의 외면에 외부 형성 물질(240)을 감싼다. 그리고, 본 실시예는 금속 기재(210)와 양극 산화층(220)을 식각함으로써, 음료저장용 캔과 같은 구조물의 내부 표면에도 소수 특성을 부여할 수 있다. 다만, 본 실시예는 제작 공정 중에서 튜브형 금속 기재(210)의 내부 공간에 임의의 물질로 채움으로써, 제작 공정 중 형상 변형을 방지하는 것이 바람직하다.

본 실시예는 도 19에 도시된 바와 같이 3차원 형상에 준하는 금속 기재(310)를 사용하더라도, 그에 따른 제작 단계이 동일하게 적용된다. 즉, 본 실시예는 3차원 형상의 금속 기재(310)의 외부 표면에 양극 산화층(320)과 음극 복제 구조물(330)을 순차적으로 형성하고서, 음극 복제 구조물(330)의 외면에 외부 형성 물질(340)을 감싼다. 그리고, 본 실시예는 금속 기재(310)와 양극 산화층(320)을 식각함으로써, 여러 3차원의 복잡한 형상의 내부 표면에도 소수 특성을 부여할 수 있다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안 에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2a는 본 실시예에 사용되는 금속 기재의 개략도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 금속 기재의 외면에 미세 요철이 형성된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 2c는 도 2b에 도시된 금속 기재의 외면에 양극 산화층이 형성된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 2d는 도 2c에 도시된 금속 기재의 외면에 대응하는 음극 복제 구조물이 형성된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 2e는 도 2d에 도시된 음극 복제 구조물의 외면에 외부 형성 물질이 부착된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 2f는 도 2e에 도시된 금속 기재와 양극 산화층이 식각 공정에 의해 제거되어 음극 복제 구조물과 외부 형성 물질로 형성된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 3은 도 2a에 도시된 금속 기재에 미세 요철을 형성시키는 입자 분사기를 나타낸 개략도이다.

도 4는 도 3에 도시된 A 영역을 확대한 것으로서 금속 기재의 표면에 형성된 미세 요철을 나타낸 확대 도면이다.

도 5는 도 2b에 도시된 금속 기재를 양극 산화시키는 양극 산화 장치를 나타낸 개략도이다.

도 6은 도 5에 도시된 금속 기재를 양극 산화 처리한 후에 미세 요철의 표면에 미세 홀이 형성된 상태를 나타낸 확대 도면이다.

도 7은 도 2c에 도시된 금속 기재의 표면에 대응하는 음극 형상을 복제하는 음극 복제 장치를 나타낸 개략도이다.

도 8은 도 7에 도시된 선 B-B를 따라 절단하여 나타낸 음극 복제 장치의 단면도이다.

도 9는 본 발명의 비교예로서 내부 표면 가공이 실시되지 않은 구조물 시편의 현미경 확대 사진이다.

도 10은 본 발명의 실시예 1로서 양극 산화 처리된 구조물 시편의 현미경 확대 사진이다.

도 11은 본 발명의 실시예 2로서 입자 분사 표면 가공 및 양극 산화 처리된 구조물 시편의 현미경 확대 사진이다.

도 12는 도 9 내지 도 11에 도시된 구조물 시편들의 유동 성능을 실험하기 위한 유동성 실험 장치의 사진이다.

도 13은 도 12에 도시된 유동성 실험 장치에서 작동 유체로 물을 이용하여 실험한 유동성 실험결과 도표이다.

도 14는 도 12에 도시된 유동성 실험 장치에서 작동 유체로 세정제를 이용하여 실험한 유동성 실험결과 도표이다.

도 15는 본 발명의 비교예로서 내부 표면 가공이 실시되지 않은 배관 구조물에서의 유체 속도 분포를 개념적으로 나타낸 단면도이다.

도 16은 본 발명의 실시예 1 또는 실시예 2로서 소수성 내부 표면을 갖는 배관 구조물에서의 유체 속도 분포를 개념적으로 나타낸 단면도이다.

도 17은 본 발명의 실시예들에 의해 제조될 수 있는 테이퍼진 배관 구조물의 단면도이다.

도 18은 본 발명의 한 실시예에 따라 튜브형 금속 기재를 이용하여 각각의 제조단계를 나타낸 단면도들이다.

도 19는 본 발명의 한 실시예에 따라 3차원 형상의 제품을 이용하여 각각의 제조단계를 나타낸 단면도들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 입자 분사기 11 : 미세 입자

20 : 양극 산화 장치 21 : 본체

23 : 전해질 용액 25 : 전원 공급부

30 : 음극 복제 장치 33 : 고분자 용액

110 : 금속 기재 113 : 미세 요철

120 : 양극 산화층 121 : 미세 홀

130 : 음극 복제 구조물 140 : 외부 형성 물질

Claims (12)

1. 3차원 형상의 금속 기재를 양극 산화 가공하여 상기 금속 기재의 외면에 미세 홀을 형성하는 양극 산화 단계;

   상기 금속 기재의 외면에 고분자 물질을 코팅하여 상기 고분자 물질을 상기 금속 기재의 미세 홀에 대응하는 음극 복제 구조물로 형성하는 음극 복제 단계;

   상기 음극 복제 구조물의 외면을 외부 형성 물질로 감싸는 외부 구조물 형성 단계; 및

   상기 금속 기재를 식각시켜서 상기 음극 복제 구조물과 상기 외부 형성 물질로부터 상기 금속 기재를 제거하는 식각 단계;

   를 포함하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 물질은 소수성(疏水性) 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 외부 형성 물질은 상기 음극 복제 구조물과 접하는 면에 점착성이 부여된 소재인 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 외부 형성 물질은 상기 음극 복제 구조물의 굴곡된 외면에 부착되게 유연한(flexible) 특성을 갖는 소재인 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 외부 형성 물질은 아크릴 필름인 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 양극 산화 단계 이전에 미세 입자를 분사시켜 상기 금속 기재의 외면에 미세 요철을 형성시키는 입자 분사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 입자 분사 단계에서 상기 금속 기재는 원기둥 형상이고, 상기 미세 입자는 상기 금속 기재의 원주면에 분사되는 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 외부 형성 물질은 상기 금속 기재의 원주면에 해당하는 영역에 부착되는 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 음극 복제 단계는 고분자 물질이 상기 금속 기재의 미세 홀에 주입되어, 상기 음극 복제 구조물이 상기 미세 홀에 대응하는 다수 개의 기둥들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 음극 복제 단계는 인접하는 상기 다수 개의 기둥들이 부분적으로 들러붙음으로 다수의 군락을 형성하는 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 식각 단계는 습식 식각에 의해 상기 금속 기재를 식각시키는 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 금속 기재는 알루미늄 소재인 것을 특징으로 하는 소수성 내부 표면을 갖는 3차원 형상 구조물의 제조방법.

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