KR102132906B1 - Superhydrophobic surface structure to enhance condensation efficiency by promoting droplet jumping - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액적점핑 모드를 구현하는 초소수성 응축 열전달 표면 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판; 상기 기판의 표면에 형성된 마이크로 구조의 벽; 및 상기 기판 및 벽의 표면 전체에 형성된 나노구조를 포함하며, 상기 마이크로 구조는 기판의 표면의 위에서 봤을 때 V가 연속적으로 배열된 모양인 것을 특징으로 하고, 상기 기판 및 벽의 표면은 소수성 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 초소수성 응축 열전달 표면 구조에 관한 것이다. 본 발명의 초소수성 응축 열전달 표면 구조는, 응축액들이 성장하는 과정에서 응축액들을 표면에 수평한 방향으로 이동하게 만들어서 주변의 다른 응축액들과 더 빨리 접촉할 수 있도록 유도한다. 이에 따라, 본 발명의 초수성 응축 열전달 표면 구조는 보다 빠르게 점핑을 통해 응축액들을 표면 밖으로 제거시키고, 평균 액적이탈직경 및 표면 위의 평균 액적크기를 감소시켜 응축 열전달 성능을 증진시킨다.The present invention relates to a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure that implements a droplet jumping mode, more specifically a substrate; A microstructured wall formed on the surface of the substrate; And a nanostructure formed on the entire surface of the substrate and the wall, wherein the microstructure is characterized in that V is continuously arranged when viewed from above the surface of the substrate, and the surface of the substrate and the wall is made of a hydrophobic material. Superhydrophobic condensation heat transfer surface structure characterized by being coated. The superhydrophobic condensation heat transfer surface structure of the present invention allows the condensate to move in a horizontal direction to the surface in the process of growing, thereby leading to faster contact with other condensates around. Accordingly, the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure of the present invention more quickly removes condensates out of the surface through jumping, and reduces the average drop diameter and the average droplet size on the surface to improve condensation heat transfer performance.

Description

액적 점핑 촉진을 통해 응축 성능을 향상시킬 수 있는 초소수성 응축 열전달 표면 구조{Superhydrophobic surface structure to enhance condensation efficiency by promoting droplet jumping}Superhydrophobic surface structure to enhance condensation efficiency by promoting droplet jumping}

본 발명은 액적점핑 모드를 구현하는 초소수성 응축 열전달 표면 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로-나노 구조를 이용해서 응축액의 자발적인 이탈을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 초소수성 응축 열전달 표면 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure that implements a droplet jumping mode, and more particularly to a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure characterized by promoting spontaneous escape of condensate using a micro-nano structure. .

[과제고유번호] 2017048518[Task identification number] 2017048518

[부처명] 지방자치단체[Department name] Local government

[연구관리전문기관] 경북도청[Research Management Agency] Gyeongbuk Provincial Office

[연구사업명] 지방자치단체과제[Research project name] Local government project

[연구과제명] 원자력전문인력양성사업(3단계_2차년도)[Research Title] Nuclear Power Personnel Training Project (Phase 3_2)

[기여율] 100%[Contribution rate] 100%

[주관기관] 포항공과대학교 산학협력단[Host organization] Pohang University of Science and Technology

[연구기간] 2018.01.01 ~ 2018.12.31[Research Period] 2018.01.01 ~ 2018.12.31

표면의 온도가 이슬점보다 낮으면, 대기중의 수증기가 표면에 응축된다. 이 때 표면의 특성에 따라 응축 양상이 달라지는데, 표면에너지가 높은 친수성(hydrophilic) 표면에서는 응축 액막(liquid film)이 형성되는 막응축(filmwise condensation) 현상이 나타나고, 반대로 표면에너지가 낮은 소수성(hydrophobic) 표면에서는 반구형의 응축 액적(liquid droplet)들이 형성되는 적응축(dropwise condensation) 현상이 나타난다. 응축 열전달 과정에서 응축면 위의 응축액들은 증기가 응축되는 것을 방해하는 열저항 역할을 하며, 적응축의 경우 막응축보다 응축액의 제거가 원활하기 때문에 열전달 성능이 수배 이상 높게 나타난다.When the surface temperature is lower than the dew point, water vapor in the atmosphere condenses on the surface. At this time, the condensation pattern varies depending on the characteristics of the surface. On the hydrophilic surface with high surface energy, a filmwise condensation phenomenon in which a condensation film is formed appears, and conversely, the surface energy is low and hydrophobic (hydrophobic). On the surface, a dropwise condensation phenomenon in which hemispherical liquid droplets are formed appears. During the condensation heat transfer process, the condensate on the condensation surface acts as a heat resistance to prevent the condensation of steam, and in the case of the adaptive axis, the heat transfer performance is many times higher because the condensate is smoothly removed than the membrane condensation.

표면의 거칠기를 증가시키고 표면에너지를 낮게 만들면, 액적과 표면 사이의 접착에너지(adhesion energy)가 극단적으로 감소한다. 이러한 초소수성(superhydrophobic) 표면에서는 응축액들이 자발적으로 점프하여 제거되는 액적 점핑(droplet jumping) 현상이 나타난다. 이 현상은 응축액의 표면장력에 의해 발생하며, 모세관 길이(capillary length, ~2.7 mm)보다 훨씬 작은 100㎛ 이하의 작은 응축액들이 표면 밖으로 제거된다. 따라서 액적 점핑 모드일 때 적응축에 비해 응축액들이 더 빨리 제거되며, 열전달 성능이 2배 이상 더 높아진다.If the surface roughness is increased and the surface energy is made low, the adhesion energy between the droplet and the surface is extremely reduced. On this superhydrophobic surface, droplet jumping occurs in which condensates spontaneously jump and are removed. This phenomenon is caused by the surface tension of the condensate, and small condensates below 100 μm, much smaller than the capillary length (~2.7 mm), are removed off the surface. Therefore, in the droplet jumping mode, condensate is removed faster than the adaptive axis, and heat transfer performance is more than doubled.

응축 열전달 성능은 응축기를 활용하는 담수화 및 발전 시스템의 효율과 밀접한 관련이 있다. 따라서 액적 점핑 응축 열전달을 통해 담수화 및 발전 시스템의 효율 증진을 기대할 수 있다.Condensation heat transfer performance is closely related to the efficiency of desalination and power generation systems utilizing condensers. Therefore, it is expected to improve the efficiency of desalination and power generation systems through droplet jumping condensation heat transfer.

또한 최근 연구에서 액적 점핑 현상이 에너지 하베스팅 시스템과 평면형 히트파이프(plat heat pipe)에 적용될 수 있다는 것이 알려졌다. 두 시스템은 마주보고 있는 두 판 사이를 응축액이 점프하여 이동하면서 열(heat) 및 전하(charge)를 전달하는 방식으로 작동된다. 시스템의 성능은 단위 시간당 전달되는 응축액의 양과 관계가 있으며, 액적 점핑 응축 열전달 성능 증진을 통해 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 액적 점핑 응축 열전달의 성능을 증진시키면, 기존의 담수화 및 발전 산업뿐만 아니라 액적 점핑을 활용한 새로운 시스템을 활용한 산업에도 긍정적인 효과를 줄 수 있을 것으로 기대된다.In addition, a recent study revealed that the droplet jumping phenomenon can be applied to energy harvesting systems and plat heat pipes. The two systems operate by transferring heat and charge as condensate jumps and moves between two opposing plates. The performance of the system is related to the amount of condensate delivered per unit time, and the efficiency of the system can be improved by improving the performance of droplet jumping condensation heat transfer. Therefore, if the performance of droplet jumping condensation heat transfer is improved, it is expected to have a positive effect not only on the existing desalination and power generation industries, but also on industries using new systems utilizing droplet jumping.

선행 연구에서 응축 열전달 성능을 증진시키기 위해, 초소수성 표면에 친수성 영역을 추가하여 응축액의 성장 속도를 향상시키는 일명 하이브리드 표면(hybrid surface)이 제안되었다. 친수성 영역에서는 응축핵 형성을 위한 에너지 장벽(nucleation energy barrier)이 초소수성 영역에 비해 낮기 때문에 같은 조건에서 더 많은 응축 핵이 생긴다. 따라서 친수성 영역에서는 조밀하게 밀집한 응축핵들이 서로 뭉치면서 빠르게 성장할 수 있다.In a previous study, in order to improve the condensation heat transfer performance, a hybrid surface, which improves the growth rate of the condensate by adding a hydrophilic region to the superhydrophobic surface, has been proposed. In the hydrophilic region, the nucleation energy barrier for condensation nucleation is lower than in the superhydrophobic region, so more condensation nuclei are generated under the same conditions. Therefore, in the hydrophilic region, densely packed condensation nuclei can rapidly grow as they clump together.

Y. Hou는 초소수성 표면에 직경 6㎛인 친수성 영역을 24㎛ 간격으로 패터닝하여 하이브리드 표면을 제작하였고, 빠른 응축액 성장을 통한 액적 점핑 응축 열전달 성능 증진을 달성하였다 (Hou, Youmin, et al. "Recurrent filmwise and dropwise condensation on a beetle mimetic surface." ACS nano 9.1 (2014): 71-81.).Y. Hou produced a hybrid surface by patterning a hydrophilic region with a diameter of 6 μm on a superhydrophobic surface at intervals of 24 μm, and achieved a droplet jumping condensation heat transfer performance enhancement through rapid condensate growth (Hou, Youmin, et al.” Recurrent filmwise and dropwise condensation on a beetle mimetic surface." ACS nano 9.1 (2014): 71-81.).

그 밖에도 유사한 원리의 하이브리드 표면을 통해 응축액의 성장속도를 증가시켜서 응축 열전달 성능을 증진시킨 사례들이 보고되었다(He, Min, et al. "Hierarchical Porous Surface for Efficiently Controlling Microdroplets' Self-Removal." Advanced Materials 25.16 (2013): 2291-2295.)(Chen, Xuemei, et al. "Nanograssed micropyramidal architectures for continuous dropwise condensation." Advanced functional materials 21.24 (2011): 4617-4623.)In addition, cases have been reported in which the growth rate of condensate is increased through a hybrid surface of a similar principle to improve condensation heat transfer performance (He, Min, et al. "Hierarchical Porous Surface for Efficiently Controlling Microdroplets' Self-Removal." Advanced Materials 25.16 (2013): 2291-2295.) (Chen, Xuemei, et al. "Nanograssed micropyramidal architectures for continuous dropwise condensation." Advanced functional materials 21.24 (2011): 4617-4623.)

하지만, 하이브리드 표면은 응축액 성장속도 증진을 위해 접착성이 상대적으로 높은 소수성 또는 친수성 영역을 사용하기 때문에 점프한 액적의 속도 감소가 불가피하다. 액적 점핑을 활용한 에너지 하베스팅과 히트파이프 시스템은 일정한 간격으로 설치된 두 판 사이를 응축액이 점프하여 이동하면서 열 및 전하를 전달하는 방식이기 때문에 점프한 액적은 두 판 사이를 이동할 수 있을 만큼 충분한 운동 에너지를 가지고 있어야 한다.However, since the hybrid surface uses a hydrophobic or hydrophilic region having a relatively high adhesion to increase the growth rate of the condensate, it is inevitable to reduce the speed of the jumped droplet. The energy harvesting and heat pipe system using droplet jumping is a method that transfers heat and electric charges as condensate jumps and moves between two plates installed at regular intervals, so the jumped droplets have enough motion to move between the two plates. You must have energy.

따라서, 하이브리드 표면을 에너지 하베스팅 시스템과 평면형 히트파이프(plat heat pipe)에 적용하면 응축액이 제대로 전달되지 않아서 성능 저하가 발생할 수 있다. 즉, 기존의 하이브리드 표면을 사용하여 응축액의 성장속도를 향상시키는 방법은 액적 점핑을 활용한 시스템에는 적용될 수 없는 문제가 있다.Therefore, when the hybrid surface is applied to an energy harvesting system and a flat heat pipe, performance may be deteriorated because condensate is not properly transmitted. That is, the method of improving the growth rate of the condensate using the existing hybrid surface has a problem that cannot be applied to a system using droplet jumping.

액적 점핑 응축 열전달 성능을 증진시킬 수 있는 또 다른 방법은 응축액의 표면 이탈을 촉진시키는 것이다. 표면 위의 응축액은 응축 과정에서 열저항 역할을 하며, 그 크기가 커질수록 열저항이 커진다. 따라서 표면위의 응축액들을 빠르게 제거하여 응축면 위에 존재하는 평균 액적 크기를 가능한 작게 유지하는 것이 열전달 성능 측면에서 유리하다(Graham, Clark, and Peter Griffith. "Drop size distributions and heat transfer in dropwise condensation." International Journal of Heat and Mass Transfer 16.2 (1973): 337-346.).Another way to improve droplet jumping condensation heat transfer performance is to promote surface escape of the condensate. The condensate on the surface acts as a heat resistance during the condensation process, and as the size increases, the heat resistance increases. Therefore, it is advantageous in terms of heat transfer performance to quickly remove condensation on the surface and keep the average droplet size present on the condensation surface as small as possible (Graham, Clark, and Peter Griffith. "Drop size distributions and heat transfer in dropwise condensation." International Journal of Heat and Mass Transfer 16.2 (1973): 337-346.).

액적 점핑은 여분의 표면에너지가 점성소산(viscous dissipation)과 접착에너지를 극복하고 운동에너지로 전환될 때 발생하며, 액적의 크기가 특정 범위 내에 있을 때 점핑이 가능하다(Wang, Feng-Chao, Fuqian Yang, and Ya-Pu Zhao. "Size effect on the coalescence-induced self-propelled droplet." Applied Physics Letters 98.5 (2011): 053112.).Droplet jumping occurs when excess surface energy overcomes viscous dissipation and adhesion energy and is converted into kinetic energy, and jumping is possible when the size of the droplet is within a certain range (Wang, Feng-Chao, Fuqian) Yang, and Ya-Pu Zhao. "Size effect on the coalescence-induced self-propelled droplet." Applied Physics Letters 98.5 (2011): 053112.).

선행 연구에서 보고된 점핑 가능한 최소 액적크기는 약 1~10㎛임에도 불구하고, 실제 이탈하는 액적들의 평균직경은 약 15~30㎛로 최소 액적이탈직경보다 수배 더 크다. 이는 점성소산과 접착에너지 외에 액적이탈직경을 증가시키는 요소가 있음을 의미하며, 적절한 방법을 이용하면 평균 액적이탈직경을 감소시킬 수 있다.Although the minimum jumpable droplet size reported in the previous study was about 1 to 10 µm, the average diameter of the droplets actually deviating was about 15 to 30 µm, which was several times larger than the minimum droplet separation diameter. This means that in addition to viscous dissipation and adhesive energy, there are factors that increase the drop-off diameter, and by using an appropriate method, the average drop-off diameter can be reduced.

Hou, Youmin, et al. "Recurrent filmwise and dropwise condensation on a beetle mimetic surface." ACS nano 9.1 (2014): 71-81. Hou, Youmin, et al. "Recurrent filmwise and dropwise condensation on a beetle mimetic surface." ACS nano 9.1 (2014): 71-81. Graham, Clark, and Peter Griffith. "Drop size distributions and heat transfer in dropwise condensation." International Journal of Heat and Mass Transfer 16.2 (1973): 337-346. Graham, Clark, and Peter Griffith. "Drop size distributions and heat transfer in dropwise condensation." International Journal of Heat and Mass Transfer 16.2 (1973): 337-346. Wang, Feng-Chao, Fuqian Yang, and Ya-Pu Zhao. "Size effect on the coalescence-induced self-propelled droplet." Applied Physics Letters 98.5 (2011): 053112. Wang, Feng-Chao, Fuqian Yang, and Ya-Pu Zhao. "Size effect on the coalescence-induced self-propelled droplet." Applied Physics Letters 98.5 (2011): 053112.

본 발명은 초소수성 응축 열전달 표면 구조에 관한 것으로, 응축 열전달 성능을 향상시킴과 동시에 액적 점핑을 활용한 시스템에도 적용 가능하도록, 평균 액적이탈직경을 감소시켜서 응축면의 열전달 계수를 증진시킬 수 있을 뿐만 아니라, 접착에너지를 최소화시킬 수 있는 초소수성 응축 열전달 표면 구조를 제공하고자 한다.The present invention relates to a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure, and it is possible to improve the heat transfer coefficient of the condensation surface by reducing the average droplet detachment diameter so as to improve the condensation heat transfer performance and be applicable to a system utilizing droplet jumping. Rather, it is intended to provide a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure that can minimize adhesive energy.

본 발명의 일 실시 형태로는, 기판; 상기 기판의 표면에 형성된 마이크로 구조의 벽; 및 상기 기판 및 벽의 표면 전체에 형성된 나노구조를 포함하며, 상기 마이크로 구조는 기판의 표면의 위에서 봤을 때 V가 연속적으로 배열된 모양인 것을 특징으로 하고, 상기 기판 및 벽의 표면은 소수성 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는, 초소수성 응축 열전달 표면 구조를 들 수 있다.In one embodiment of the present invention, a substrate; A microstructured wall formed on the surface of the substrate; And a nanostructure formed on the entire surface of the substrate and the wall, wherein the microstructure is characterized in that V is continuously arranged when viewed from above the surface of the substrate, and the surface of the substrate and the wall is made of a hydrophobic material. And superhydrophobic condensation heat transfer surface structures, characterized by being coated.

상기 벽의 폭은 10㎛ 이하인 것이 바람직하다.It is preferable that the width of the wall is 10 µm or less.

또한, 상기 마이크로 구조는 V 모양의 열려있는 부분의 폭이 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.In addition, the microstructure preferably has a V-shaped open portion having a width of 30 µm or less.

또한, 상기 마이크로 구조는 마주보고 있는 V 모양 구조의 간격이 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the spacing of the V-shaped structures facing the microstructure is 30 μm or less.

상기 나노구조의 크기는 5㎛ 이하일 수 있으며, 나노구조는 기판 및 벽의 표면 전체에 균일하게 형성될 수 있다.The size of the nanostructure may be 5 μm or less, and the nanostructure may be uniformly formed on the entire surface of the substrate and the wall.

상기 소수성 물질은 본질적 접촉각(intrinsic contact angle)이 90도 이상인 것이 바람직하다.The hydrophobic material preferably has an intrinsic contact angle of 90 degrees or more.

초소수성 표면에서 나타나는 액적 점핑 현상은 2개 이상의 응축액들이 서로 접촉하여 하나로 뭉치면서 발생한다. 본 발명의 초소수성 응축 열전달 표면 구조는, 응축액들이 성장하는 과정에서 응축액들을 표면에 수평한 방향으로 이동하게 만들어서 주변의 다른 응축액들과 더 빨리 접촉할 수 있도록 유도한다. 이에 따라, 본 발명의 초수성 응축 열전달 표면 구조는 보다 빠르게 점핑을 통해 응축액들을 표면 밖으로 제거시키고, 평균 액적이탈직경 및 표면 위의 평균 액적크기를 감소시켜 응축 열전달 성능을 증진시킨다.The droplet jumping phenomenon on the superhydrophobic surface occurs when two or more condensates come into contact with one another and agglomerate into one. The superhydrophobic condensation heat transfer surface structure of the present invention allows the condensate to move in a horizontal direction to the surface in the process of growing, thereby leading to faster contact with other condensates around. Accordingly, the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure of the present invention more quickly removes condensates out of the surface through jumping, and reduces the average drop diameter and the average droplet size on the surface to improve condensation heat transfer performance.

또한, 본 발명의 초소수성 응축 열전달 표면 구조는 접착에너지를 증가시킬 수 있는 소수성 및 친수성 영역을 사용하지 않고, 표면 전체가 초소수성을 띄기 때문에, 에너지 하베스팅 및 히트파이프 시스템과 같이 응축액의 비행 능력을 활용한 액적 점핑 응용 시스템에 적용되어 효율을 증진시킬 수 있다.In addition, the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure of the present invention does not use the hydrophobic and hydrophilic regions that can increase the adhesion energy, and the entire surface is superhydrophobic, so the ability to fly condensate, such as energy harvesting and heat pipe systems It can be applied to the droplet jumping application system using to improve efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 초소수성 응축 열전달 표면 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조에 소수성 물질을 코팅했을 때 접촉각을 측정한 결과이다.
도 4는 V 모양의 초소수성 구조물에서 액적의 체적 성장에 따른 거동을 보여주는 도면이다.
도 5는 응축현상 가시화를 위한 실험 장치를 보여주는 사진이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 응축 열전달 표면 구조와 기존 초소수성 표면에서의 응축 현상을 비교한 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 응축 열전달 표면 구조와 기존 초소수성 표면에서 이탈하는 응축액의 크기 분포를 비교한 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 응축 열전달 표면 구조와 기존 초소수성 표면에서 이탈하는 응축액의 크기를 비교한 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 응축 열전달 표면 구조와 기존 초소수성 표면에서 응축된 응축수의 양을 비교한 결과이다.1 is a schematic diagram of a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
3 is a result of measuring a contact angle when a hydrophobic material is coated on a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing the behavior according to the volume growth of the droplet in the V-shaped superhydrophobic structure.
5 is a photograph showing an experimental device for visualization of the condensation phenomenon.
6 is a result of comparing the condensation phenomenon on the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure and the existing superhydrophobic surface according to an embodiment of the present invention.
7 is a result of comparing the size distribution of the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure according to an embodiment of the present invention and the condensate deviating from the existing superhydrophobic surface.
8 is a result of comparing the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure according to an embodiment of the present invention and the size of the condensate leaving the existing superhydrophobic surface.
9 is a result of comparing the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure and the amount of condensate condensed on the existing superhydrophobic surface according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.Before describing in detail through preferred embodiments of the present invention, terms or words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to conventional or dictionary meanings, and meanings consistent with the technical spirit of the present invention. And should be interpreted as a concept.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 초소수성 응축 열전달 표면 구조에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

선행 연구에서 보고된 점핑 가능한 최소 액적크기는 약 1~10㎛임에도 불구하고, 실제 이탈하는 액적들의 평균직경은 약 15~30㎛로 최소 액적이탈직경보다 수배 더 크다.Although the minimum jumpable droplet size reported in the previous study was about 1 to 10 µm, the average diameter of the droplets actually deviating was about 15 to 30 µm, which was several times larger than the minimum droplet separation diameter.

초소수성 표면에서 액적 점핑 현상은 응축면 위의 2개 이상의 응축액들이 서로 접촉하여 하나로 뭉치는 과정에서 여분의 표면에너지가 운동에너지로 전환되어 발생한다. 따라서 액적 점핑 현상이 나타나려면 표면 위의 응축액들이 서로 뭉쳐야 한다. 하지만 기존의 초소수성 표면에서는 응축액들이 제자리에 정지된 체로 성장하기 때문에 점핑을 통해 제거되기 위해서는 주변의 다른 응축액과 접촉할 때까지 계속 성장하는 수밖에 없다.The droplet jumping phenomenon on the superhydrophobic surface is caused by the conversion of extra surface energy into kinetic energy in the process of two or more condensate on the condensation surface coming into contact with each other to agglomerate into one. Therefore, in order for the droplet jumping phenomenon to occur, the condensate on the surface must stick together. However, on the existing superhydrophobic surface, since the condensate grows in a stationary sieve in place, it has no choice but to continue growing until it comes into contact with other condensates around it in order to be removed by jumping.

본 발명의 발명자들은 액적 점핑의 평균 액적이탈직경이 최소 액적이탈직경보다 몇 배 더 큰 이유를 응축액들이 다른 응축액과 만날 때까지 제자리에서 성장하기 때문이라고 판단하여, 응축액들이 성장하는 과정에서 응축액들을 표면에 수평한 방향으로 이동하게 만들어서 주변의 다른 응축액들과 더 빨리 접촉할 수 있도록 유도할 수 있는 초소수성 응축 열전달 표면구조를 발명하였다.The inventors of the present invention judge that the reason why the average droplet separation diameter of droplet jumping is several times larger than the minimum droplet separation diameter is because the condensate grows in place until it meets other condensates, so that the condensate surface during the growth of the condensate Invented a superhydrophobic condensation heat transfer surface structure that can be made to move in a horizontal direction so that it can be brought into contact with other condensing liquids more quickly.

본 발명의 일 실시예에 따른 초소수성 응축 열전달 표면구조는, 도 1에 도시된 것과 같이, 기판; 상기 기판의 표면에 형성된 마이크로 구조의 벽; 및 상기 기판 및 벽의 표면 전체에 형성된 나노구조를 포함하고, 상기 마이크로 구조는 기판의 표면의 위에서 봤을 때 V가 연속적으로 배열된 모양인 것을 특징으로 하며, 상기 기판 및 벽의 표면은 소수성 물질로 코팅된 것을 특징으로 한다.Superhydrophobic condensation heat transfer surface structure according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 1, the substrate; A microstructured wall formed on the surface of the substrate; And a nanostructure formed on the entire surface of the substrate and the wall, wherein the microstructure is characterized in that V is continuously arranged when viewed from above the surface of the substrate, and the surface of the substrate and the wall is made of a hydrophobic material. It is characterized by being coated.

V 모양의 마이크로 구조의 벽(구조물)은 응축액이 성장하면서 표면에 수평한 방향으로 자발적으로 이동하게 하여, 비슷한 크기의 다른 응축액과 뭉쳐서 점프하도록 유도한다.The V-shaped micro-structured wall (structure) allows the condensate to spontaneously move in a horizontal direction to the surface as it grows, causing it to clump with other condensate of similar size to jump.

도 1에 도시된 것과 같이, 이러한 벽의 폭은 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, V 모양의 구조 내에서 응축액의 자발적인 이동을 원활하게 하고, V 모양 구조 밖으로 나온 응축액의 최대 크기가 30㎛를 넘지 않도록, V 모양의 열려있는 부분의 폭의 길이와 V 모양의 벽간의 간격은 30㎛ 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20㎛ 이하일 수 있다.As shown in Fig. 1, the width of this wall is preferably 10 µm or less. In addition, it facilitates the spontaneous movement of the condensate within the V-shaped structure, and the maximum length of the condensate out of the V-shaped structure does not exceed 30 μm, the length of the width of the open portion of the V shape and the gap between the walls of the V shape. Silver is preferably 30 μm or less, and more preferably 20 μm or less.

나노구조와 소수성 물질의 코팅은 기판과 벽의 표면이 초소수성을 띄게 하여 액적 점핑을 구현하게 한다. 액적의 자발적인 움직임은 V 모양의 벽(구조물)의 표면 젖음성과 밀접한 관련이 있으며, 액적과 접촉하는 V 모양 구조물 안쪽 면이 접촉각 이력(contact angle hysteresis)이 낮은 초소수성을 띄는 경우에 액적의 체적 증가에 따른 자발적인 움직임이 나타나게 된다.The coating of nanostructures and hydrophobic materials allows the surface of the substrate and the wall to be superhydrophobic to realize droplet jumping. The spontaneous movement of the droplet is closely related to the surface wettability of the V-shaped wall (structure), and the volume of the droplet increases when the inner surface of the V-shaped structure in contact with the droplet has superhydrophobicity with low contact angle hysteresis. The spontaneous movement according to the will appear.

응축액이 성장하면서 자발적으로 이동하기 위해서는, 도 2(a)에 도시된 것과 같이, 나노구조는 기판 및 벽의 표면 전체에 균일하게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 나노구조의 형태는 도 2(b)에 도시된 것과 같이 돌기가 반복되는 형태일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 기판 및 벽의 표면이 초소수성을 띄게 하는 형태이면 무관하다. 이러한 나노구조의 크기는 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.In order to spontaneously move as the condensate grows, as shown in FIG. 2(a), it is preferable that the nanostructure is uniformly formed on the entire surface of the substrate and the wall. In addition, the shape of the nanostructure may be a shape in which the protrusions are repeated as shown in FIG. 2(b), but is not limited thereto, and may be used as long as the surfaces of the substrate and the wall exhibit superhydrophobicity. The size of the nanostructure is preferably 5 μm or less.

상기 소수성 물질은 본질적 접촉각(intrinsic contact angle)이 90도 이상인 것이 바람직하다. 이러한 소수성 물질로는 Polytetrafluoroethylene(PTFE) film, trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)-silane, fluorinated polymer 등을 사용할 수 있으나 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.The hydrophobic material preferably has an intrinsic contact angle of 90 degrees or more. Polytetrafluoroethylene (PTFE) film, trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)-silane, fluorinated polymer, etc. may be used as the hydrophobic material, but is not limited thereto.

이하에서는 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 살펴보기 위해 실시예와 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이며 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, with reference to examples and drawings to describe the technical features of the present invention in detail. However, since this is only a preferred embodiment of the present invention and does not represent all of the technical spirit of the present invention, it should be understood that there may be various equivalents and modifications that can replace them at the time of filing the present invention. .

실시예Example 1: One: 초소수성Superhydrophobic 응축 열전달 표면을 갖는 구조물 제조 Fabrication of structures with condensation heat transfer surfaces

응축면에서 응축액이 성장하면서 표면에 수평한 방향으로 자발적으로 이동하게 만들기 위해, 도 1과 같이 V 모양의 마이크로 구조의 벽을 포함하는 초소수성 응축 열전달 표면를 갖는 구조물을 만들었다. 각각의 V 모양 벽 안에서 응축액이 성장하여 V 모양 벽 밖으로 이동시키고, 주변의 비슷한 크기의 다른 응축액들과 접촉하도록 설계하였다. V 모양 구조 내에서 응축액의 자발적인 이동을 원활하게 하고, V 모양 구조 밖으로 나온 응축액들의 최대 크기가 20㎛를 넘지 않도록, V 모양 구조의 크기와 배열간의 간격은 20㎛으로 하였다.In order to cause the condensate to grow spontaneously in the horizontal direction while growing on the condensation surface, a structure having a superhydrophobic condensation heat transfer surface including a V-shaped microstructured wall as shown in FIG. 1 was made. Inside each V-shaped wall, condensate grows and moves out of the V-shaped wall and is designed to contact other condensates of similar size around it. The spacing between the size and arrangement of the V-shaped structure was set to 20 µm so that the spontaneous movement of the condensate within the V-shaped structure was facilitated, and that the maximum size of the condensates out of the V-shaped structure did not exceed 20 µm.

또한, 구조물의 표면 전체에 나노구조를 형성하였다. 나노구조가 형성된 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며 이러한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 통해, 구조물 표면 전체에 돌기가 반복되는 형태의 나노구조가 형성되었으며, 이러한 나노구조의 크기는 5㎛ 이하인 것을 확인할 수 있었다.In addition, nanostructures were formed on the entire surface of the structure. The nanostructured surface was observed with a scanning electron microscope (SEM), and these results are shown in FIG. 2. Through FIG. 2, it was confirmed that nanostructures in which protrusions were repeated on the entire surface of the structure were formed, and the size of the nanostructures was 5 μm or less.

이러한 구조물의 표면 전체가 초소수성을 띄도록, 나노구조가 형성된 표면 전체를 소수성 물질(Polytetrafluoroethylene film)로 코팅하였으며, 소수성 물질로 코팅한 표면 위에 액적을 올려 놓고 접촉각을 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 결과를 살펴보면, 구조물의 표면이 초소수성을 띄는 것을 확인할 수 있다. The entire surface of the structure was superhydrophobic, and the entire surface on which the nanostructure was formed was coated with a hydrophobic material (Polytetrafluoroethylene film), droplets were placed on the surface coated with the hydrophobic material, the contact angle was measured, and the results are shown in FIG. 3. Shown. Looking at the results of Figure 3, it can be seen that the surface of the structure is superhydrophobic.

실험예Experimental Example 1: One: 액적의Droplet 자발적 이동 Voluntary movement

액적(droplet)의 자발적인 이동을 확인하기 위해, V 모양의 구조물 안쪽을 초소수성으로 처리한 후, 초소수성으로 처리된 구조물 안쪽에 주사기로 물을 주입하였다. 주사기로 물을 주입하는 방식으로 액적의 체적을 증가시키며 액적의 거동을 촬영하여 도 4에 나타내었다. 도 4의 각각의 사진 위에는 물 주입시간을 나타내었다.To confirm the spontaneous movement of droplets, the inside of the V-shaped structure was treated with superhydrophobicity, and then water was injected with a syringe inside the superhydrophobic structure. It is shown in FIG. 4 by photographing the behavior of the droplet while increasing the volume of the droplet by injecting water with a syringe. Water injection time is indicated on each picture in FIG. 4.

도 4에 나타난 것과 같이, 물이 주입되어 액적의 체적이 증가하면 액적이 자발적으로 V 모양의 구조물 밖으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 액적의 자발적인 움직임은 V 모양 구조물의 표면 젖음성과 밀접한 관련이 있으며, 액적과 접촉하는 V 모양 구조물 안쪽 면이 접촉각 이력(contact angle hysteresis)이 낮은 초소수성을 띄는 경우에 액적의 체적 증가에 따른 자발적인 움직임이 나타나게 되는 것을 알 수 있었다.As shown in Figure 4, it was confirmed that when water is injected and the volume of the droplet increases, the droplet spontaneously moves out of the V-shaped structure. Through this, the spontaneous movement of the droplet is closely related to the wettability of the surface of the V-shaped structure, and when the inner surface of the V-shaped structure in contact with the droplet has superhydrophobicity with low contact angle hysteresis, it increases the volume of the droplet. It was found that the spontaneous movements followed.

실험예Experimental Example 2: 응축액의 거동을 확인하기 위한 가시화 실험 2: Visualization experiment to confirm the behavior of condensate

초소수성 응축 열전달 표면 구조에서의 응축액의 거동을 확인하기 위해, 도 5에 도시된 실험장치를 이용하여 가시화 실험을 하였다. 실시예 1의 표면 및 기존 초소수성 표면(비교예)에 응축 현상을 유도하였으며, 응축 현상을 유도하기 위해 냉각판에 냉각수를 순환시켜서 응축면의 온도를 낮추는 방법을 사용하였다. 냉각판 위에 응축면을 올린 상태에서 냉각판의 온도를 이슬점 이하로 낮춰서 응축을 진행시키고, 그 결과를 도 6 내지 9에 나타내었다.In order to confirm the behavior of the condensate in the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure, a visualization experiment was conducted using the experimental apparatus shown in FIG. 5. Condensation was induced on the surface of Example 1 and the existing superhydrophobic surface (comparative example), and a method of lowering the temperature of the condensation surface by circulating the cooling water on the cooling plate was used to induce the condensation. When the condensation surface is raised on the cooling plate, the temperature of the cooling plate is lowered to below the dew point, and condensation proceeds, and the results are shown in FIGS. 6 to 9.

도 6은 실시예 1의 표면과 기존 초소수성 표면(비교예)에서의 응축 현상을 현미경을 이용해서 top view 영상을 촬영해 비교한 사진으로, 응축 시간 순서대로 배열되어 있다. 도 6의 각 사진의 왼쪽 영역은 초소수성 응축 열전달 표면 구조를 포함하는 실시예 1의 표면에서의 응축 현상을 나타내고, 오른쪽 영역은 기존 초소수성 표면(비교예)에서의 응축 현상을 나타낸다. 도 6에 붉은색 점선으로 표시된 부분은 V 모양의 마이크로 구조의 벽을 나타낸다.6 is a photograph comparing the surface of Example 1 and the existing superhydrophobic surface (comparative example) by taking a top view image using a microscope and arranged in order of condensation time. The left region of each photograph in FIG. 6 represents the condensation phenomenon on the surface of Example 1 including the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure, and the right region represents the condensation phenomenon on the existing superhydrophobic surface (comparative example). The part indicated by the red dotted line in FIG. 6 represents a V-shaped microstructured wall.

도 6을 살펴보면, 기존 초소수성 표면(비교예)에서는 응축액들이 다른 응축액들과 접촉할 때까지 제자리에서 성장하는 반면에 실시예 1에서는 응축액들이 성장하면서 V 모양 구조물에 의해 자발적으로 다른 응축액을 향해 이동한다. 그 결과 실시예 1에서는 기존 초소수성 표면(비교예)에 비해 응축액들의 크기가 눈에 띄게 작게 유지되는 것이 확인된다.Referring to FIG. 6, in the existing superhydrophobic surface (comparative example), while the condensate grows in place until it comes into contact with other condensates, in Example 1, as the condensate grows, the V-shaped structure spontaneously moves toward another condensate. do. As a result, in Example 1, it was confirmed that the size of the condensates remained remarkably small compared to the existing superhydrophobic surface (comparative example).

도 7은 가시화 실험 결과로부터 이탈하는 응축액의 크기 분포를 정량화하여 나타낸 것이다. x축은 이탈하는 응축액의 크기 범위를 나타내고, y축은 단위 면적당 이탈하는 응축액의 개수를 나타낸다. 도 7의 결과를 살펴보면, 기존 초소수성 표면(비교예)에 비해 본 발명의 실시예 1에서 작은 응축액들이 더 많이 이탈하는 것을 확인할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예 1에서는 전체 액적 이탈 빈도가 약 1,600% 증진되었다. Figure 7 shows the quantitative distribution of the size of the condensate that deviates from the results of the visualization experiment. The x-axis represents the size range of the escaped condensate, and the y-axis represents the number of escaped condensate per unit area. Looking at the results of Figure 7, compared to the existing superhydrophobic surface (Comparative Example), it can be seen that in the first embodiment of the present invention, small condensate is more released. In addition, in Example 1 of the present invention, the total dropping frequency was improved by about 1,600%.

도 8은 가시화 실험 결과로부터 이탈하는 응축액의 평균, 최대, 최소 크기를 측정하여 그 결과를 나타낸 것이다. 도 8의 결과로부터 기존 초소수성 표면(비교예)에 비해 본 발명의 실시예 1에서 이탈 응축액 크기가 훨씬 더 작은 것을 확인할 수 있다.Figure 8 shows the results by measuring the average, maximum, minimum size of the condensate deviating from the results of the visualization experiment. It can be seen from the results of FIG. 8 that the size of the leaving condensate was much smaller in Example 1 of the present invention compared to the existing superhydrophobic surface (Comparative Example).

도 9는 가시화 실험을 통해 누적 응축수량을 측정하여 그 결과를 나타낸 것이다. 응축 과정을 top view로 촬영하여 응축면에서 사라지는 액적들이 체적을 측정하는 방법으로 누적 응축수량을 측정하였다. x축은 응축이 진행된 시간을 나타내고, y축은 단위 면적당 누적 응축수량을 나타낸다. 도 9에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1과 기존 초소수성 표면(비교예)의 누적 응축수량을 비교해보면, 실시예 1에서 응축 열전달 계수가 약 80% 증진된 것을 확인할 수 있다. 같은 조건에서 응축수량을 비교하였기 때문에 비교 결과를 통해서 본 발명의 실시예 1에서 응축 열전달 계수가 증진되었음을 알 수 있다.Figure 9 shows the results by measuring the cumulative condensate through the visualization experiment. The cumulative amount of condensate was measured by measuring the volume of the droplets disappearing from the condensation surface by photographing the condensation process in a top view. The x-axis represents the time at which condensation proceeds, and the y-axis represents the cumulative amount of condensate per unit area. As can be seen in Figure 9, comparing the cumulative amount of condensate of Example 1 of the present invention and the existing superhydrophobic surface (comparative example), it can be seen that in Example 1, the condensation heat transfer coefficient was improved by about 80%. Since the amount of condensate was compared under the same conditions, it can be seen that the condensation heat transfer coefficient was improved in Example 1 of the present invention through the comparison result.

Claims (7)

기판; 상기 기판의 표면 위로 기판에 접하도록 수평방향으로 연속적으로 형성된 마이크로 구조의 벽; 및 상기 기판 및 벽의 표면 전체에 형성된 나노구조를 포함하며,
상기 마이크로 구조는 기판의 표면의 위에서 봤을 때 V 형태의 벽이 좌우로 연속적으로 연결되어 배열된 모양이 복수 개 존재하는 형태이고,
상기 벽의 폭은 10㎛ 이하이고, 상기 마이크로 구조는 V모양의 열려있는 부분의 폭이 30㎛ 이하이며,
상기 나노구조의 크기는 5㎛ 이하이고, 상기 마이크로 구조의 크기보다 작으며,
연속적으로 연결되어 배열되는 복수 개의 마이크로 구조는, 연결된 V모양의 구조가 30㎛ 이하의 간격으로 이격되어 서로 마주보도록 배치되고,
상기 기판 및 벽의 표면은 소수성 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는, 초소수성 응축 열전달 표면 구조.
Board; A microstructured wall continuously formed in a horizontal direction to contact the substrate over the surface of the substrate; And a nanostructure formed on the entire surface of the substrate and the wall,
In the microstructure, when viewed from above the surface of the substrate, the V-shaped walls are continuously connected from side to side, and a plurality of arranged shapes are present.
The width of the wall is 10 µm or less, and the microstructure has a V-shaped open portion having a width of 30 µm or less,
The size of the nanostructure is less than 5㎛, smaller than the size of the microstructure,
A plurality of micro-structures that are continuously connected and arranged are arranged such that the connected V-shaped structures are spaced apart at intervals of 30 µm or less to face each other,
The surface of the substrate and the wall is characterized in that coated with a hydrophobic material, superhydrophobic condensation heat transfer surface structure.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노구조는, 기판 및 벽의 표면 전체에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는, 초소수성 응축 열전달 표면 구조.
According to claim 1,
The nanostructure, characterized in that formed over the entire surface of the substrate and the wall, superhydrophobic condensation heat transfer surface structure.
제1항에 있어서,
상기 소수성 물질은 본질적 접촉각(intrinsic contact angle)이 90도 이상인 것을 특징으로 하는, 초소수성 응축 열전달 표면 구조.
According to claim 1,
The hydrophobic material has an intrinsic contact angle of 90 degrees or more, characterized in that the superhydrophobic condensation heat transfer surface structure.
삭제delete
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