KR101404127B1 - 금속 기재의 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 가공된 표면을 가지는 금속 기재 - Google Patents

Abstract

금속 기재의 표면을 극친수성 또는 극소수성 표면으로 빠르고 쉽게 가공할 수 있는 금속 기재의 표면 가공 방법을 제공한다. 금속 기재의 표면 가공 방법은, 금속 기재를 준비하는 단계와, 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계와, 미세 요철의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하는 단계를 포함한다. 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 나노층 위로 소수성 고분자층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

금속 기재의 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 가공된 표면을 가지는 금속 기재{SURFACE FABRICATING METHOD OF METAL SUBSTRATE AND METAL SUBSTRATE WITH THE SURFACE FABRICATED BY THE METHOD}

본 발명은 금속 기재의 표면 가공 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 기재의 표면을 극친수성 또는 극소수성 표면으로 빠르고 쉽게 가공할 수 있는 금속 기재의 표면 가공 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고체의 표면은 고유한 표면 에너지를 갖고 있으며, 이 표면 에너지는 임의의 액체가 고체와 접촉할 때 고체에 대한 액체의 접촉각으로 나타난다. 접촉각이 90°보다 작으면 물방울은 그 형태를 잃고 고체 표면을 적시는 친수성을 나타낸다. 반면, 접촉각이 90°보다 크면 물방울은 구의 형상을 유지하면서 고체의 표면을 적시지 않고 흐르는 소수성을 나타낸다.

특히 접촉각이 10°보다 작은 경우를 극친수성 표면이라 하고, 접촉각이 150°보다 큰 경우를 극소수성 표면이라 한다.

고체 표면의 접촉각을 변화시키기 위해서는 고체의 표면에 마이크로미터 또는 나노미터 크기의 요철 구조가 형성되어야 한다. 이러한 표면 구조는 미세 전자기계 시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical System), 코팅, 양극산화 공정 등을 이용하여 형성할 수 있다.

그러나 미세 전자기계 시스템 공정의 경우 대면적 처리가 어렵고, 작업 환경과 제작 기계에 대한 제약이 크며, 제작 비용이 높은 한계가 있다. 코팅 공정은 상대적으로 대면적 처리가 용이하지만, 고체 표면에 대한 코팅층의 결합력 및 코팅층의 내구성이 약한 단점이 있다. 또한, 양극산화 공정은 전기를 많이 소비하며, 공정 공정이 일정하게 유지되지 않을 경우 고체 표면에 결함이 발생할 수 있다.

본 발명은 제작 공정을 단순화하고 제작 비용을 낮추며, 대량 및 대면적의 금속 기재를 빠르고 용이하게 극친수성 또는 극소수성 표면으로 가공할 수 있는 금속 기재의 표면 가공 방법 및 이 방법에 의해 가공된 표면을 가지는 금속 기재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재를 준비하는 단계와, 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계와, 미세 요철의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하여 극친수성 표면을 만드는 단계를 포함한다.

미세 요철은 샌드 블라스트, 샌드 페이퍼 작업, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 레이저 처리, 산 또는 염기 에칭 중 어느 하나의 공정으로 형성될 수 있다.

금속 나노층은 금속 기재를 산 처리 또는 염기 처리하여 형성될 수 있다. 산 처리는 염산, 황산, 질산, 불산, 인산 및 아세트산으로부터 선택되는 적어도 하나의 산 용액에서 수행되고, 염기 처리는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철 및 암모니아로부터 선택되는 적어도 하나의 염기 용액에서 수행될 수 있다.

금속 나노층은 금속 기재를 산 처리 또는 염기 처리한 후, 끓는 물에 30분 내지 24시간 동안 담금으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 기재는 전술한 방법으로 가공되며, 미세 요철의 표면에 금속 나노층이 형성되어 극친수성 표면을 구현한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재를 준비하는 단계와, 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계와, 미세 요철의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하는 단계와, 금속 나노층 위로 소수성 고분자층을 형성하여 극소수성 표면을 만드는 단계를 포함한다.

소수성 고분자층은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칸티올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함할 수 있다.

소수성 고분자층은 금속 나노층 위에 소수성 물질이 코팅되어 형성되거나, 금속 나노층과 소수성 물질이 화학적 결합을 이루어 형성될 수 있다. 소수성 고분자층은 1Å 이상 5nm 이하의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 금속 기재는 전술한 방법으로 가공되며, 미세 요철의 표면에 금속 나노층과 소수성 고분자층이 순서대로 적층되어 극소수성 표면을 구현한다.

제조 공정이 단순하고, 제조 비용이 저렴하며, 대량 및 대면적의 금속 기재를 빠르고 용이하게 극친수성 또는 극소수성 표면으로 가공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 3은 샌드 블라스트 가공으로 미세 요철이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다.
도 4는 미세 요철과 금속 나노층이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다.
도 5는 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시한 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 8은 소수성 고분자층이 형성된 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 제1 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재(10)를 준비하는 제1 단계(S1)와, 금속 기재(10)의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성하는 제2 단계(S2)와, 미세 요철(20)의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층(30)을 형성하는 제3 단계(S3)를 포함한다.

금속 나노층(30)은 미세 요철(20)의 표면에서 미세 요철(20)의 굴곡을 따라 형성되므로 금속 기재(10)의 표면에는 마이크로미터 스케일과 나노미터 스케일이 혼합된 듀얼 스케일(dual scale)의 요철 구조가 형성된다. 이러한 요철 구조로 인해 금속 기재(10)의 표면은 접촉각이 10°보다 작은 극친수성 표면을 구현한다.

여기서, 마이크로미터 스케일은 1㎛ 이상 1000㎛ 미만의 범위에 속하는 크기를 의미하고, 나노미터 스케일은 1nm 이상 1000nm 미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다.

제1 단계(S10)에서 금속 기재(10)는 알루미늄, 아연, 주석, 납 및 티타늄으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제2 단계(S20)에서 미세 요철(20)은 샌드 블라스트, 샌드 페이퍼 작업, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 레이저 처리, 산 또는 염기 에칭 중 어느 하나의 방법으로 형성된다.

샌드 블라스트는 미세한 모래 입자를 압축 공기로 분사시켜 금속 기재(10)의 표면에 물리적인 충돌을 가함으로써 미세 요철(20)을 형성하는 방법이다. 샌드 페이퍼 작업은 금속 기재(10)의 표면을 샌드 페이퍼로 문지르는 것이고, 숏 블라스트는 숏(shot) 또는 그릿(grit)이라고 하는 금속 또는 비금속의 미세 입자를 분사하는 공정이다. 샌드 페이퍼 작업과 숏 블라스트 역시 샌드 블라스트와 마찬가지로 금속 기재(10)의 표면에 물리적인 충돌을 가하여 미세 요철(20)을 형성한다.

플라즈마 에칭은 에칭액 대신 기체 플라즈마를 이용하는 드라이 에칭이고, 산 또는 염기 에칭은 산 용액 또는 염기 용액을 에칭액으로 사용하는 습식 에칭이다. 에칭액은 불산 희석액, 질산 희석액, 인산 희석액, 아세트산 희석액, 염산 희석액, 황산 희석액, 또는 이들의 혼합액일 수 있다. 화학적 처리의 일종인 에칭 공정을 이용하여 금속 기재(10)의 표면을 부식시킴으로써 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성한다.

방전 처리는 전기 방전에 의해 발생하는 고열로 금속 기재(10)의 표면을 용융시킨 후 재응고시키는 처리법으로서, 방전 처리된 금속 기재(10)의 표면에는 불규칙적인 균열 및 기포로 이루어진 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)이 형성된다. 레이저 처리는 고출력의 레이저 펄스를 금속 기재(10)에 입사시켜 그 표면을 삭마시킴으로써 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성한다.

도 3은 샌드 블라스트 가공으로 미세 요철이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다. 도 3의 (a)는 5,000배 확대 사진, (b)는 10,000배 확대 사진, (c)는 20,000배 확대 사진이며, 실험에 사용된 금속 기재는 알루미늄 기재이다.

도 3을 참고하면, 샌드 블라스트 가공에 의해 금속 기재의 표면에는 물리적 충돌에 의한 마이크로미터 스케일의 미세 요철이 형성되었음을 확인할 수 있다. 금속 기재는 미세 요철 형성에 의해 친수성 표면을 구현한다.

다시 도 1과 도 2를 참고하면, 제3 단계(S30)에서 금속 나노층(30)은 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 산 처리 또는 염기 처리하여 형성된다.

산 처리는 염산, 황산, 질산, 불산, 인산 및 아세트산으로부터 선택되는 적어도 하나의 산 용액에 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 담금으로써 수행될 수 있다. 염기 처리는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철 및 암모니아로부터 선택되는 적어도 하나의 염기 용액에 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 담금으로써 수행될 수 있다.

이때 산 용액과 염기 용액은 0.001 내지 1 몰 농도를 가질 수 있으며, 50 내지 100℃의 온도에서 가열된 것을 사용할 수 있다.

금속 나노층(30)은 미세 요철(20)이 표면에 형성된 금속 기재(10)를 산 처리 또는 염기 처리한 후, 끓는 물에 30분 내지 24시간 동안, 구체적으로는 30분 내지 3시간 동안 담금으로써 형성될 수도 있다. 이러한 과정을 더 거침으로써 금속 나노층(30)을 안정화시킬 수 있다.

전술한 제3 단계(S30) 가공에 의해 금속 기재(10)의 표면에는 1000nm보다 작은 플레이크(flake) 형태의 금속 나노층(30)이 형성된다.

금속 나노층(30)은 안정화 처리에 의해 금속 기재(10)의 표면에 단단하게 부착되므로 금속 기재(10) 표면의 내구성을 높인다. 또한, 금속 나노층(30)은 미세 요철(20)의 굴곡을 따라 그 표면에 형성되므로 금속 기재(10)의 표면에는 마이크로미터 스케일과 나노미터 스케일이 혼합된 듀얼 스케일의 요철 구조가 형성된다.

도 4는 미세 요철과 금속 나노층이 형성된 금속 기재의 표면을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다. 도 4의 (a)는 600배 확대 사진, (b)는 5,000배 확대 사진, (c)는 10,000배 확대 사진, (d)는 20,000배 확대 사진이다.

도 4의 실험에 사용된 금속 기재는 다음과 같은 방법으로 표면 가공되었다.

알루미늄 기재의 표면을 샌드 블라스트 공정을 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하였다. 이후, 80℃에서 가열한 0.05몰 농도의 수산화나트륨 용액에 미세 요철이 표면에 형성된 알루미늄 기재를 담금으로써 알루미늄 나노층을 형성하였다.

도 4를 참고하면, 미세 요철의 굴곡을 따라 미세 요철의 표면에 플레이크 형태의 수산화알루미늄층이 1000nm(1㎛)보다 작은 크기로, 즉 나노미터 스케일의 크기로 형성되어 무수히 작은 요철 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.

나노미터 스케일의 금속 나노층(30)은 제2 단계(S20)의 처리에 의해 친수성이 강화된 금속 기재(10)의 표면에서 접촉각을 더욱 작게 하여 친수성을 극대화시키는 기능을 한다. 따라서 본 실시예의 금속 기재(10)는 마이크로미터 스케일과 나노미터 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조에 의해 친수성 증대 효과를 얻을 수 있으며, 극친수성 표면을 구현한다.

도 5는 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.

도 5의 (a)는 제1 단계와 제2 단계를 거쳐 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성한 금속 기재의 경우를 나타내고, (b)는 제1 단계와 제2 단계 및 제3 단계를 거쳐 듀얼 스케일의 미세 요철을 형성한 금속 기재의 경우를 나타낸다. 도 5의 (a)와 (b)에서 사진 상부에 위치한 검은 막대는 물방울을 떨어뜨리는 기구이다.

도 5의 (a)에서 관출되는 액체의 접촉각은 33°로서 물방울이 그 형태를 잃고 금속 기재의 표면을 적시는 친수성을 나타낸다. (b)에서 관찰되는 액체의 접촉각은 9°로서 액체가 금속 기재의 표면을 완전히 적시는 극친수성을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 7은 도 6에 도시한 각 단계별 금속 기재의 표면 상태를 나타낸 개략 단면도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 제2 실시예에 따른 금속 기재의 표면 가공 방법은 금속 기재(10)를 준비하는 제1 단계(S10)와, 금속 기재(10)의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철(20)을 형성하는 제2 단계(S20)와, 미세 요철(20)의 표면에 나노미터 스케일의 금속 나노층(30)을 형성하는 제3 단계와, 금속 나노층(30)의 표면에 소수성 고분자층(40)을 형성하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

제1 단계(S10) 내지 제3 단계(S30)는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

제4 단계(S40)에서 소수성 고분자층(40)은 불소 수지, 불소계 실란 커플링제, 불소계 이소시안산염 화합물, 알칸티올, 유기실란 화합물, 지방산, 방향족 아지드 화합물, 이들의 혼합물, 이들의 중합체로부터 선택되는 적어도 하나의 소수성 물질을 포함한다.

소수성 고분자층(40)은 소수성 물질을 금속 나노층(30) 위에 코팅하는 방법으로 형성할 수 있다. 이때 코팅은 코팅 용액에 침지시키거나 저압스프레이를 이용하여 표면에 코팅 용액을 도포한 다음, 핵산과 증류수를 통해 세척한 후, 고온의 오븐에서 건조하는 방법으로 수행될 수 있다.

또한 소수성 고분자층(40)은 소수성 물질이 금속 나노층(30)과 화학적 결합을 이루어 형성될 수도 있다. 구체적으로, 소수성 물질은 금속 나노층(30)의 표면과 공유 결합을 통하여 단분자층 또는 다분자층의 형태로 형성될 수 있다.

소수성 고분자층(40)은 재료 자체로 소수성을 나타내며, 금속 나노층(30) 위에 극히 얇은 두께로 형성됨에 따라 금속 나노층(30)과 동일한 패턴을 나타낸다. 즉 소수성 고분자층(40)에도 미세 요철(20) 및 금속 나노층(30)에 대응하는 요철 구조가 형성된다. 소수성 고분자층(40)은 단분자층으로서 1 내지 5nm의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있다.

미세 요철(20)에 대응하여 소수성 고분자층(40)에 형성된 요철 구조는 봉우리에 해당하는 높은 부분과 골짜기에 해당하는 낮은 부분을 가지며, 봉우리에 해당하는 높은 부분이 소수성 구현을 위한 마이크로 돌기로 기능한다. 그리고 플레이크 형태의 금속 나노층(30)에 대응하여 소수성 고분자층(40)에 형성된 나노미터 스케일의 돌기 구조가 극소수성 구현을 위한 나노 돌기로 기능한다.

이러한 소수성 고분자층(40)은 마이크로 돌기들 사이 및 나노 돌기들 사이로 공기를 함유하여 물과의 접촉 면적을 최소화함으로써 접촉각이 150°보다 큰 극소수성을 발휘한다.

도 8은 소수성 고분자층이 형성된 금속 기재에 대한 액체의 접촉각 실험 결과를 나타낸 확대 사진이다.

도 8의 실험에 사용된 금속 기재는 다음과 같은 방법으로 표면 가공되었다.

알루미늄 기재의 표면을 샌드 블라스트 공정을 통해 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하였다. 이후, 80℃에서 가열한 0.05몰 농도의 수산화나트륨 용액에 미세 요철이 표면에 형성된 알루미늄 기재를 담금으로써 알루미늄 나노층을 형성하였다. 이후, 알루미늄 나노층 위로 불소계 실란 커플링제를 코팅하여 소수성 고분자층을 형성하였다.

도 8을 참고하면, 소수성 고분자층이 형성된 금속 기재는 160.6°의 접촉각을 나타내며 극소수성 표면을 구현한다.

극소수성 표면을 가지는 금속 기재는 공조 기계의 응축기에 적용되어 응축 효율을 높일 수 있으며, 선박의 표면에 적용되어 같은 동력으로 보다 높은 추진력을 얻도록 할 수 있다. 또한, 극소수성 표면을 가지는 금속 기재는 급수 배관에 적용되어 급수 배관을 흐르는 유체의 유량과 유속을 증가시킬 수 있고, 접시형 안테나의 표면에 적용되어 안테나에 수분이나 눈이 쌓이지 않도록 할 수 있다.

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

10: 금속 기재 20: 미세 요철
30: 금속 나노층 40: 소수성 고분자층

Claims (15)

1. 금속 기재를 준비하는 단계;
   상기 금속 기재의 표면에 물리적 또는 화학적 처리를 통해 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속하는 마이크로미터 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계;
   상기 금속 기재를 산 처리 또는 염기 처리하여 상기 미세 요철의 표면에 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하는 나노미터 스케일의 금속 나노층을 형성하는 단계; 및
   끓는 물을 이용하여 상기 금속 나노층을 안정화시키는 단계
   를 포함하는 금속 기재의 표면 가공 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미세 요철은 샌드 블라스트, 샌드 페이퍼 작업, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 레이저 처리, 산 또는 염기 에칭 중 어느 하나의 공정으로 형성되는 금속 기재의 표면 가공 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 산 처리는 염산, 황산, 질산, 불산, 인산 및 아세트산으로부터 선택되는 적어도 하나의 산 용액에서 수행되고,
   상기 염기 처리는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화암모늄, 수산화철 및 암모니아로부터 선택되는 적어도 하나의 염기 용액에서 수행되는 금속 기재의 표면 가공 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속 나노층을 안정화시키는 단계는 상기 금속 기재를 끊는 물에 30분 내지 24시간 담그는 것으로 이루어지는 금속 기재의 표면 가공 방법.
6. 제1항, 제2항, 제4항, 및 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 가공되어 상기 미세 요철과 상기 금속 나노층에 의해 극친수성 표면을 구현하는 금속 기재.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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