KR20070044437A - 나노구조의 초소수성 복합재 - Google Patents

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KR20070044437A
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브라이언 알. 디'우르소
존 티. 심슨
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유티-배틀레, 엘엘씨
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Abstract

나노구조의 소수성 표면을 가지는 복합재로서, 이 복합재는 제1조성을 가지는 지지층과, 상기 지지층 상에 배치됨과 동시에 상기 지지층으로부터 돌출된 복수의 이격된 나노구조의 형상을 구비한다. 상기 나노구조의 형상은 소수성 재료로부터 형성되거나 소수성 코팅층에 의해 코팅된다. 상기 나노구조의 형상은 상기 제1조성과 다른 제2조성을 이용하여 성형한다. 상기 표면은 초소수성으로 형성할 수 있다.
초소수성, 복합재, 나노구조, 이중구조, 돌출상, 후퇴상, 에칭

Description

나노구조의 초소수성 복합재{COMPOSITE, NANOSTRUCTURED, SUPER-HYDROPHOBIC MATERIAL}
본 발명은 소수성 및 초소수성 복합재 및 차별적 에칭법을 이용한 상기 복합재의 성형방법에 관한 것이다.
소수성 표면은 물과의 결합력이 매우 약하다. 따라서, 소수성 표면상에서 물방울은 구슬 형상으로 뭉쳐진다. 소수성 표면은 일반적으로 그리고 본 명세서에서 물방울과의 접촉각도가 90°이상이 되는 것으로 정의된다. 소수성 재료에는 시판되는 공지의 폴리머가 다수 포함된다.
초소수성 표면(super-hydrophobic surface)은 일반적으로 그리고 본 명세서에서 물방울과의 접촉각도가 150°이상이 되는 것으로 정의된다. 예를 들면, 로토스 잎(lotus leaf)의 표면은 밀랍을 칠한 듯한 표면 조직에 의해 천연의 초소수성을 가지는 것으로 알려져 있다.
나노구조의 소수성 표면을 구비하는 복합재로서, 이 복합재는 제1조성을 가지는 지지층, 및 상기 지지층 상에 배치됨과 동시에 상기 지지층의 표면으로부터 돌출된 복수의 이격배치된 나노구조의 형상을 포함한다. 상기 나노구조의 형상은 소수성 재료로부터 성형되거나 소수성 코팅층에 의해 코팅된다. 상기 나노구조의 형상은 상기 제1조성과 다른 제2조성을 이용하여 형성된다. 상기 제1조성은 재1재료(예, 화합물) 및 이 제1재료와 조성이 상이한 적어도 하나의 제2재료(예, 화합물)을 포함하고, 상기 복수의 이격된 돌출상 나노구조의 형상은 본질적으로 상기 제2재료로 구성된다.
상기 지지층은 글래스, 금속, 세라믹, 폴리머 또는 수지를 포함할 수 있다. 소수성 코팅을 포함하는 실시예에 있어서, 상기 소수성 코팅은 적어도 하나의 불화탄소 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 나노구조의 형상은 뾰족한 표면 형상을 가질 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 복합재의 표면은 초소수성 표면으로 구성할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 복합재는 그 두께를 관통하여 연속적인 다공성을 제공한다.
소수성 표면을 형성하는 방법으로서, 이 방법은 사전에 선택된 에칭제 내에서 제2재료에 비해 실질적으로 더 높은 제거속도를 가지는 제1재료 및 상기 제1재료와 조성이 다른 적어도 하나의 제2재료를 포함하는 조성을 구비하는 표면을 제공하는 단계를 포함한다. 다음에, 상기 표면은 사전에 선택된 에칭제 내에서 에칭된다. 본질적으로 상기 제2재료로 구성된 복수의 이격된 돌출상 나노구조의 형상은 새로이 형성된 지지층으로부터 돌출상을 형성한다. 상기 제2재료는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅된다. 상기 방법은 혼합된 상태의 상기 제1 및 제2재료를 구비하는 전구체 재료를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 전구체 표면의 제1재료 및 제2재료는 분리단계 후에 상호관입될 수 있다. 상기 분리단계는 스피노이달 분해를 포함한다.
상기 방법은 상기 돌출상 나노구조의 형상에 소수성 코팅을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 에칭단계 이전에 상기 복합재를 기판에 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 세장형의 차별적 에칭된 표면을 구비하는 복합재 글래스의 주사전자현미경사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 조악한 상태의 스파이크를 구비한 스파이크가 형성된 표면의 주사전자현미경사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 조악한 상태의 기초재료를 구비한 스파이크가 형성된 표면의 주사전자현미경사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 조악한 스파이크 및 기초재료를 구비한 스파이크가 형성된 주사전자현미경사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 형성된 차별적 에칭 표면을 구비한 복합 글래스의 주사전자현미경사진이다.
나노구조의 소수성 표면을 구비하는 복합재는 제1조성을 구비한 지지층, 및 상기 지지층 상에 배치됨과 동시에 상기 지지층의 표면으로부터 돌출하는 상호 이격된 복수의 나노구조의 형상을 구비하고 있다. 상기 나노구조의 형상은 소수성 재료로 성형되거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되어 있다. 상기 나노구조의 형상은 제 1조성과 다른 제2조성을 이용하여 성형된다. 상기 제1조성은 일반적으로 제1재료(예, 화합물) 및 이 제1재료에 비해 조성이 상이한 제2재료(예, 화합물)을 포함하고, 상기 상호 이격 및 돌출된 복수의 나노구조의 형상은 일반적으로 제2재료로 구성되어 있다.
바람직한 일실시예에 있어서, 제1재료(이하, 후퇴상 재료(recessive phase material)라 함) 및 상기 제1재료와 다른 제2재료(이하, 돌출상 재료(protrusive phase material)라 함)을 포함하는 전구체가 준비된다. 각 재료는 차별적 에칭성/용해성을 나타낸다. 후퇴상 재료는 돌출상 재료에 비해 에칭성/용해성이 더 크다. 상기 돌출상 재료에 비해 후퇴상 재료를 더 많이 제거하는 에칭제/용매에 상기 전구체의 표면을 노출시키면, 상기 돌출상 재료는 복수의 스파이크 및/또는 융선(ridges) 및/또는 거칠기(roughness)와 같은 복수의 돌출상 표면 형상으로 구성된 나노구조의 표면을 형성한다.
상기 돌출상 재료는 에칭공정 중에 약간 에칭되기는 하지만 후퇴상 재료에 비해 에칭속도가 느리므로 뾰족한 형상이 되는 경우가 많다. 상기 "뾰족한 표면 형상(sharp surface feature)"이라는 용어는 대체로 선단부로 갈수록 가늘어지는(tapered) 돌출 구조물을 의미하는 것으로서, 바람직하게는 선단부가 뾰족한 구조인 것, 이상적으로는 선단부가 미소한 뾰족점 또는 융선(ridge)인 것을 의미한다. 따라서, "뾰족한 표면 형상"은 제1의 단면적을 가지는 기부(base portion) 및 상기 기부의 대향측의 축소된 단면적을 가지는 선단부(tip portion)를 가지는 형상을 의미하는 것으로서, 상기 선단부의 단면적은 제1의 단면적의 30% 미만(예를 들 면, 25%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6 %, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 또는 1% 미만)이다. 상기 단면적은 기부로부터 선단부를 향해 단조 감소하는 것이 바람직하다.
상이한 에칭성/용해성을 가지는 후퇴물질 및 돌출물질의 소망의 효과를 생성하기 위한 모든 조합비는 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 또, 상기 뾰족한 표면 형상의 치수 및 형태는 제한 없이 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 지지표면으로부터 측정된 나노구조의 표면 형상의 높이는 100 내지 900 nm와 같은 수백 나노미터 또는 1 내지 40㎛와 같은 마이크로 규모로 할 수 있다. 상기 나노구조의 표면 형상의 배열은 규칙배열 또는 불규칙배열로 할 수 있다. 상기 복합재 기초재료는 공지의 에칭법 또는 복수의 에칭법에 의해 차별적 에칭성을 가지는 모든 재료로 구성할 수 있다.
상기 복합재 기초재료는 적절한 에칭 특성 및 전술한 상분리 특성(phase separation characteristics)을 구비하는 모든 재료로 구성할 수 있다. 적절한 재료의 예로는 글래스, 금속(합금 포함), 세라믹, 폴리머, 수지 등과 같은 것을 들 수 있다. 어떤 재료는 예를 들면 제품의 내화학성, 코팅의 경감 및/또는 필요, 강도, 인성, 가요성, 탄성, 소성 등과 같은 제품의 특성에 영향을 준다.
본 발명에 따른 복합재의 제조방법은 제1온도에서 혼합성이 높지만 제2온도에서 비혼합성이 낮은 적어도 2종의 상이한 재료(예, 화합물)을 포함하는 전구체(precursor) 재료를 이용하여 개시된다. 이 경우, 상기 전구체 재료는 고온(예, 각 재료가 혼합되는 온도) 하에서 균일하게 혼합된 재료(통상 용융된 형태)로서 생성될 수 있다. 다음에, 상기 전구체 재료는 예로써 에칭공정에 의해 2 이상의 재료 로 분리된다. 상기 분리는 전구체 재료의 연성이 높아짐과 동시에 각 재료의 비혼합성이 유지되는 온도까지 상기 전구체 재료를 냉각하거나 가열하는 도중에 발생한다. 분리는 스피노이달 분해에 의해 유발될 수 있다. 스피노이달 분해는 2성분 균질 혼합물 상에서 발생하는 것으로서, 이 혼합물을 저온으로 급냉하면 급격한 상분리를 일으키는 것이다. 즉, 혼합물은 비균질 상태가 되고, 2성분이 대체로 교호배열(alternating)은 이루는 구조를 형성한다. 재료의 분리 후, 각 재료는 연속상(contiguous) 및 상호관입(interpenetrating)을 이룬다.
상기 기초 복합재료는 차별적 에칭이 가능한 적어도 2종의 입자를 소결(sintering) 또는 융합시킴으로써 제조할 수도 있다. 에칭공정시 돌출상 재료가 지지층을 포함하는 재료로부터 발현되도록 상기 양 재료는 차별적 에칭이 가능해야 한다.
상기 복합재 표면을 에칭하면 일반적으로 복합재의 표면에서 돌출상 재료의 돌출상 나노구조가 형성된다. 이 실시예에 있어서, 복합재 표면은 돌출상 재료에 비해 후퇴상 재료를 더 빨리 에칭하는 에칭제에 접촉된다. 상기 에칭공정은 후퇴상 재료가 소정의 깊이까지 에칭되고, 재료의 표면으로부터 돌출상 재료가 돌출된 상태가 될 때까지 계속한다. 상기 돌출상 재료는 뾰족한 형상 및/또는 거친 형상을 형성하는 공정시에 에칭시킬 수도 있다. 상기 뾰족한 형상 및 거친 형상의 어스펙트비는 돌출상 재료의 에칭속도 및 후퇴상 재료의 에칭속도의 비에 따라 달라진다.
상기 에칭제는 복합재 표면에 가해졌을 때 차별적 에칭 콘트라스트 비(different etch contrast ratios)를 부여하는 복수의 에칭제의 혼합물로 구성된 "혼합된 에칭제계(mixed etchant system)"로 구성할 수 있다. 예를 들면, 특정 에 칭제는 특정의 상(phase)을 우선적으로 에칭시킬 수 있고, 다른 특정의 에칭제는 다른 특정의 상을 우선적으로 에칭시킬 수 있다. 혼합된 에칭제계는 복수의 에칭제의 조성 및/또는 상대농도를 변경함에 의해 에칭공정의 콘트라스트 비를 변경시킬 수 있으므로 특히 유용하다. 혼합 에칭제계의 일례는 HF 및 HCl의 혼합물이다. 적절한 혼합 에칭제계의 가능한 조성은 사실상 제한이 없다.
또, 2 이상의 연속적인 에칭 단계에서 복수의 에칭제를 사용할 수 있다. 예를 들면, 제1 에칭단계에서 복합재 표면에 HF를 가하고, 린싱(rinsed away) 후, 제2 에칭단계에서 복합재 표면에 HCl을 가한다. 적절한 에칭제 및 에칭단계의 조합은 사실상 제한이 없다.
본 발명에 있어서 소정의 표면 형상을 달성할 수 있는 한 에칭기법은 중요한 사항이 아니다. 예를 들면, 플라즈마 에칭기법 또는 다른 등방성 에칭기법과 같은 다른 비용액 에칭기법을 사용할 수 있다.
본 발명의 일부의 실시예에 있어서, 상기 복합재는 어떤 표면을 코팅하기 위한 타일로서 제조하는 것이 바람직하다. 타일은 복합재의 얇은 절단편(thin slices)으로서 제조할 수 있다. 타일은 예를 들면 워터크래프트(watercraft)의 선체의 표면과 같은 다양한 표면상에 접착할 수 있다. 상기 타일을 불규칙한 표면상에 부착하기 위해, 에칭되기 전의 타일을 매우 얇은 두께로 절단하거나 상기 불규칙한 형상의 표면에 충분히 밀착되는 가요성을 가지도록 상기 타일을 가열하거나, 이들 양자를 모두 실행할 수 있다. 상기 타일은 일단 적절한 형상이 되면, 소정의 대상 표면상에 부착한 다음 가공처리(에칭 및 필요에 따라 코팅)할 수 있다. 또는 타일을 먼저 가공처리한 다음, 소정의 대상 표면상에 부착할 수도 있다.
상기 복합재는 특정의 표면상에 코팅된 후 차별적 에칭이 가능한 복수의 재료의 상으로 분해할 수도 있다. 상기 재료의 표면상에 증착, 스퍼터링 부착, 분말의 융착, 플라즈마 스프레이 부착, 접착제에 의한 분말의 부착 등을 실행할 수 있다. 일부의 실시예에 있어서는 재료의 표면을 복합재의 분리된 재료성분으로 코팅하여 복합재의 막을 형성하는 것이 바람직하다. 어느 경우든, 상기 복합재는 열처리, 에칭처리, 및 초소수성 표면을 형성하는 코팅처리된다.
적어도 돌출상 재료는 소수성이 되도록 하거나 예를 들면 코팅에 의해 소수성 표면을 형성하도록 처리된다. 상기 후퇴상 재료도 마찬가지로 소수성을 가지는 것이 바람직하지만, 필수사항은 아니다. 초소수성 복합재의 표면은 재료의 입체구조 및 소수성 재료의 조합에 의해 형성할 수 있다.
상기 돌출상 재료 또는 돌출상 재료와 후퇴상 재료의 양자가 본질적으로 소수성인 경우, 코팅은 불필요하다. 특히, 상기 돌출상 재료 또는 돌출상 재료와 후퇴상 재료의 양자가 소수성이 커서 소수성 코팅이 불필요한 불소화 폴리머인 경우, 초소수성 표면을 형성하는데 유리한다.
초소수성 표면을 형성하기 위해, 상기 나노구조의 표면상에 불화수소와 같은 소수성 재료를 코팅할 수 있다. 상기 소수성 코팅은 예를 들면 PTFE나 유사한 폴리머로 이루어진 코팅이 포함된다; 폴리머로서는 CF3 말단기를 구비한 폴리머가 특히 적합하다. 상기 코팅은 균일한 두께를 얻기 위해, 예를 들면 PTFE 용액 도포법과 같은 회전도포법(재료를 회전시키면서 액체를 도포하는 방법)을 이용할 수 있다. 또한 진공증착법을 이용하여 코팅을 도포할 수도 있다. 예를 들면, 스퍼터링법이나 고온 필라멘트 화학증착법(HFCVD)에 의해 PTFE나 다른 불화탄소를 도포할 수 있다. 자기조직화 단분자막(self-assembled monolayer)은 재료를 적절한 용액 내에 침지시키거나 예를 들면 표면상에 용액을 포어링(pouring) 또는 스프레잉(spraying)함으로써 도포할 수 있으므로 특히 단순하고, 글래스를 포함하는 다양한 재료의 유효한 소수성 코팅이다. 폴리머의 표면은 소수성을 더욱 향상시키기 위해 불소화 처리할 수 있다. 복합재의 재료에 따라 그 밖의 코팅을 사용하여 재료의 소수성을 형성할 수 있다. 그 결과 물(다양한 수성 유체를 포함)에 반발하는 나노구조의 초소수성 코팅 표면을 얻는다.
상기 복합재의 기초재료의 미세조직은 2개의 상의 분리 또는 융합중 또는 후에 인발 또는 압출에 의해 신장시킬 수 있다. 상기 재료의 신장은 재료가 상분리 상태를 유지하면서 일방향으로 소성변형되도록 수행하는 것이 바람직하다. 다음에 상기 재료를 인발방향에 대해 수직한 방향으로 절단하고, 그 절단면을 에칭 및 전과 동일하게 코팅한다. 재료를 신장시키면 표면 형상의 예리함이 증대되거나 어스펙트비가 증대됨으로써 재료의 초소수성이 향상된다. 도 1은 컴퓨터 처리된 예시적인 복합재의 단면도이다. 재료의 신장이 필요한 경우, 복합재의 선정은 특히 중요하다. 2개의 재료의 상이 과도한 혼합성을 가지는 것일 경우, 양 재료는 신장공정 중에 혼합되어 균일한 혼합체를 형성할 수 있다. 양 재료의 상의 혼합성이 불충분한 것일 경우, 하나의 상은 마치 수중에 오일이 분산되는 것과 마찬가지로 다른 상 내에서 복수개의 소구(small spheres)로서 분산되는 경향이 있다. 적합한 재료계는 소디움 리튬 보로실리케이트 글래스로서, 여기서 소디움과 리튬의 비를 조절하여 두 상의 혼합성을 조정할 수 있다.
다단계 열처리에 의해 상기 복합재를 포함하는 하나 이상의 재료가 소형치수로 분리됨으로써 더욱 미소한 형상을 구비하는 복잡한 나노구조를 얻을 수 있다.
상기 복합재는 예를 들면 파쇄에 의해 표면 코팅용 및/또는 적층용의 소립(particles)으로 만들 수 있다. 소수성 코팅의 에칭공정 및/또는 도포공정은 예를 들면 워터크래프트의 선체 표면이나 수중익선의 표면과 같은 특정의 표면상에 상기 소립들을 도포하기 전 또는 후에 실행할 수 있다.
본 발명의 복합재 기초재료, 특히 스피노이달 분해에 의해 제조된 복합재 기초재료는 일반적으로 대형 구조의 일부분으로서 조합되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 전구체 복합재는 전술한 관련 발명에 따른 스파이크가 형성된 복합재와 같은 규칙계(ordered system) 내의 적어도 하나의 상으로서 이용될 수 있다. 각 재료의 상분리는 일반적으로 인발공정의 전이나 후에 그러나 에칭공정 전에 실행되고, 그 결과 후퇴상 재료 및/또는 돌출상 재료 내에 하부 후퇴상(sub-recessive material phase) 및/또는 하부 돌출상을 포함하는 하부구조가 구비되는 이중 구조(double-scaled structure)가 형성된다.
상기 이중 구조는 전술한 관련발명에 따른 뾰족한 표면 형상과 조합된 본 발명의 나노구조를 포함하는 표면 하부 형상을 특징으로 한다. 이와 같은 조합에 의해 극초소수성 재료를 얻을 수 있다. 특히, 상기 형상의 거칠기(roughness)는 초소수성 재료의 고압수에 의한 웨팅을 방지하는데 도움이 된다.
도 2를 참조하면, 이중 구조는 규칙계 내에서 돌출상 재료로서 사용할 수 있고, 그 결과 돌출 표면의 하부형상(스파이크의 거칠기) 및 대체로 매끈한 후퇴상 재료(34)를 구비하는 복수의 뾰족한 표면 형상(스파이크)(32)을 얻을 수 있다. 이 구조는 가공되지 않았다. 치수는 임의의 치수로 할 수 있으나 매끈한 스파이크의 치수와 동일하게 할 수 있다.
또, 이중 구조는 규칙계 내에서 후퇴상 재료로서 사용할 수 있다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같은 매끈한 표면을 가지는 뾰족한 표면 형상(스파이크)(42) 및 돌출상의 하부형상(거칠기)를 가지는 후퇴상(44)을 얻을 수 있다.
또, 차별적 에칭이 가능한 이중 구조는 규칙계 내에서 돌출상 및 후퇴상으로서 사용할 수 있다. 그 결과, 도 4에 도시된 바와 같은 돌출된 표면 하부형상(스파이크의 거칠기)를 가지는 거친 표면의 뾰족한 표면 형상(스파이크)(52) 및 역시 돌출된 표면 하부형상(스파이크의 거칠기)를 가지는 후퇴상(54)을 얻을 수 있다. 이 구조는 가공되지 않았다. 치수는 임의의 치수로 할 수 있으나 매끈한 스파이크의 치수와 동일하게 할 수 있다.
경우에 따라, 예를 들면, 여러가지 액체 내에 용해된 기체를 제거하고, 여러가지 액체 내의 표면기체층을 가압하기 위한 필터로서 사용하기 위해, 복합재의 두께를 관통하는 다공구조를 형성하기 위해 후퇴상 재료의 대부분 또는 전체를 에칭 제거하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 복합재의 나노구조 표면은 손상시 용이하게 재생시킬 수 있다. 이를 위해, 필요시 노후한 소수성 코팅을 박리제거하고, 뾰족한 형상 또는 거 친 형상을 재생하도록 표면을 다시 에칭하고, 필요시 소수성 코팅을 다시 피복시키면 된다. 상기 기초 재료는 두께 방향을 따라 복합 패턴을 구비하고, 이 기초 재료(복합재)가 완전히 에칭제거되지 않는 한 교체할 필요가 없다. 미세한 뾰족 형상은 긁히면 손상되므로 상기한 재생이 가능한 구성은 매우 큰 장점이다.
상기 본 발명의 실시예의 장점은 다음과 같다.
1. 표면을 구성하는 재료는 대부분 불활성 재료 또는 적어도 비반응성 재료로 구성할 수 있다.
2. 에칭공정에 단순 산 및/또는 용매를 사용할 수 있다.
3. 대부분의 경우 복합재의 대량생산이 단순하다.
4. 나노구조의 표면 형상은 원위치에서 필요시 신속하게 저렴하게 재생이 가능하다.
본 발명, 특히 본 발명의 초소수성 실시예는 다음과 같은 분야에 적용할 수 있다. 그러나, 이들 분야에 한정되지 않는다.
전술한 초소수성의 다공질 구조는 용해 기체 추출기/모니터로서 사용할 수 있다.
상기 재료는 물의 침투에 대해 또는 심지어 물의 습윤 현상에 대해 강한 저항력을 가진다. 압력이나 진공을 이용하여 상기 재료에 대해 물을 가압하면(일반적으로 실온 하에서), 물에 가해진 높은 에너지에 의해 물은 국부적으로 미세하게 비등(증발)한다. 용해 기체는 모두 상기 구조를 관통하지만 물은 관통할 수 없다. 따라서, 본 발명은 용해기체는 침투가 가능하고 물은 침투가 불가능한 필터로서 작용 함으로써, 물에 용해된 유해 기체(예, 독성의 화학 및/또는 생물학 제제)를 제거하는 수단 및/또는 표본채취(sampling) 수단을 제공한다. 본 발명은 특히 본토방위 및 테러에 대비한 지속적인 노력에 이용할 수 있다.
본 발명을 워터크래프트의 선체, 수중익선 등과 같은 곳에 이용하면 마찰력을 감소시킴으로써 고속 및/또는 동일한 동력으로 장거리 여행이 가능하다. 상기 코팅/적층을 사용하면 워터크래프트에 의해 물에 형성되는 외란 또는 흔적이 감소된다. 상기 코팅/적층을 사용하면 선체에 만각류(barnacles), 오물 등이 덜 부착되거나 전혀 부착되지 않는다. 상기 코팅/적층을 사용하면 염수의 부식효과를 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 코팅/적층은 소형 선박, 수상함, 잠수함, 어뢰, 무인 수상함이나 무인 잠수함 및 해상 비행기를 포함하는 사실상 모든 선박이나 장치에 대해 장점을 가진다.
본 발명은 항공기의 프로펠러, 터어빈, 조타장치, 스티어링과 같은 가동부 및 고정부에 사용하면 드래그 및 캐비테이션을 감소시킴으로써 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 유해한 액체 및/또는 고가의 액체를 취급하기 위한 글래스 기구를 제조하는데 이용할 수 있다. 상기 재료로 제조되거나 코팅된 글래스 기구로부터 물이나 물을 주성분으로 하는 용액을 쏟아 내면 글래스 기구 내에는 잔류물이 전혀 남지 않고 완전히 제거된다. 장점은 실험에 의한 오염이 제거되는 것에 있다.
본 발명은 자동 세정 글래스 기구, 창문, 렌즈 등의 제조에 사용할 수 있다. 상기 초소수성 재료는 잔류물을 전혀 남기지 않고, 물 및 많은 수용액은 재료의 표 면에서 롤링오프(rolling off; 굴러떨어져 나감)되고, 이 과정에서 만나는 먼지나 오물을 적셔서 쓸어버림으로써 재료를 자동 세정한다.
본 발명은 응축방지 기구로서 사용할 수 있다. 재료의 표면에서 증기의 응축에 의해 생성된 미세 물방울은 원추형 스파이크의 선단으로 이동하고 재료의 표면상에서 극히 용이하게 롤링오프된다. 이와 같은 롤링오프는 마이크론 수준 내지 서브마이크론 수준 하에서 발생하고, 그 후 재료의 표면에 안개나 서리로서 육안으로 볼 수 있게 된다. 습기나 얼음의 집적되는 현상이 제거된다. 적용분야는 안경, 안전 안경, 마스크, 윈드실드, 창문 등과 같은 투명기구 등이 있으나, 이 분야에 한정되지 않는다. 상기와 같이 구성된 재료의 투명 성능은 광학적 회절법칙의 지배를 받는다. 나노구조의 치수가 광학적 파장 보다 작으면, 상기 재료는 투명하게 보인다. 또 본 발명은 다른 적용분야로서 예를 들면 냉장고, 히이트펌프, 제습기의 냉각 코일 등과 같은 열교환기에 사용되어 열효율을 증대시키고, 해동 사이클을 감소시키거나 심지어 완전히 제거할 수 있다. 그러나, 본 발명의 적용분야가 이것에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 항공기의 날개, 프로펠러 등에 강우가 얼어붙는 것을 방지하기 위한 코팅에 사용할 수 있다. 상기 코팅은 물방울이 얼기 전에 코팅 표면으로부터 낙하시키므로 동결을 방지한다.
본 발명은 결정화 매체로서 사용할 수 있다. 물을 주성분으로 하는 용액을 상기 재료의 표면상에 올려놓으면 구형상의 물방울이 된다. 이 물방울을 증발시키면 물방울은 재료의 표면상에 고착됨이 없이 균일하게 수축된다(대부분의 다른 재 료는 표면상의 고착에 의해 환상의 커피 얼룩이 생긴다). 특히, 이것은 미세중력 환경하에서 수행되는 초고순도의 단백질의 결정화와 유사한 단백질의 결정화가 가능하다.
본 발명은 예를 들면 관, 배관, 호스 등과 같은 도관의 코팅에 사용할 수 있다. 점성저항의 감소에 의해 도관의 층류 및 난류에 관련된 전단력이 크게 감소되거나 완전히 제거된다. 그 결과, 난류가 거의 없거나 전혀 없는 상태로 일단의 물을 유동시키므로 물의 유동에 필요한 에너지량을 대폭 감소시킨다. 특히 구동력이 약한 대류 순환계에 있어서 이와 같은 현상이 발생한다. 또 상기 표면의 특성에 의해 난류발생 조건이 변화할 수 있다. 물과 상기 표면의 접촉면적은 최소가 되므로 열적 접촉도 감소되어 가열되거나 냉각된 유체의 열손실을 감소시킬 수 있고, 관 내의 코팅부의 위치를 조절함으로써 열손실을 관리할 수 있다.
본 발명은 예를 들면 물 및 오일과 같이 혼합이 불가한 분리된 액체에도 사용할 수 있다. 상기 초소수성 재료는 오일 및 기타 유기성 액체를 흡인한다.
본 발명은 예를 들면 물 및 오일과 같이 혼합이 불가한 분리된 액체에도 사용할 수 있다. 상기 초소수성 재료는 오일 및 기타 유기성 액체를 흡인한다. 상기 뾰족한 표면 형상 및 표면 특성을 선택함으로써, 본 발명은 혈액의 항응고 표면으로서 사용할 수 있다. 따라서, 상기 재료는 혈액의 응고를 방지하고, 스텐트, 심장밸브, 인공심장의 표면, 수술기구 및 혈액순환에 사용되는 외부장치와 같은 인공 임플란트를 위한 코팅으로서 사용할 수 있다. 상기 표면상에서의 점성의 감소에 의해 혈액의 전단력이 감소되고, 그 결과 혈액의 손상이 감소된다.
도전성 기판의 외면에 본 발명에 따른 초소수성 코팅을 코팅시킬 수 있다. 예를 들면, 유전체 상의 전기습윤현상(electro-wetting on dielectric; EWOD)이나 전기적 절환이 가능한 표면 코팅에 의해, 상기 초소수성 특성은 전기적으로 온오프 절환시킬 수 있다.
[실시예]
하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 제공된 것으로서, 이 것에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다.
[실시예 I]
본 발명에 따라 65 몰%의 SiO2, 25 몰%의 B2O3, 및 10 몰%의 Na2O를 함유하는 소디움 보로실리케이트 글래스를 700℃에서 6시간 열처리하여 스피노달 분해에 의해 상을 분리하였다. 다음에 재료의 표면을 HF수용액으로 에칭하여 돌출상 재료로서 SiO2를 얻었고, 후퇴상 재료로서 B2O3, 및 Na2O를 얻었다. 다음에 재료를 (트리데카플루오로-1,1,2,2 테트라하이드로옥틸) 트리클로로실란을 함유하는 헥산용액에 침지함으로써 재료의 표면상에 소수성 자기조직화 단분자막(self-assembled monolayer)을 코팅하였다. 그 결과, 도 5에 도시된 바와 같은 초소수성의 나노구조의 복합재 표면을 얻었다.
[실시예 II]
돌출상 재료인 재료상(material phase) A 및 재료상 B 및 후퇴상 재료인 재료상 C 및 재료상 D를 포함하는 코어 글래스 복합재를 구비한 복수의 글래스 로드를 집속하고, 상기 로드를 충분히 연화시킬 수 있는 온도로 가열하고, 상기 로드의 직경을 축소시키도록 인발하였다. 얻어진 로드를 절단하여 복수의 집속체를 얻고, 이것을 재집속 및 재인발하였다. 상기 코어 글래스의 직경이 5 ㎛가 되고, 이간 거리가 약 7 ㎛가 될 때까지 상기 공정을 반복하여 실시하였다. 상기 로드를 복수의 분절로 절단하고, 재집속하고, 융합하여 직경이 약 1.5 cm인 짧고 두꺼운 로드를 형성하였다. 상기 로드를 700℃에서 6시간 열처리하여 스피노달 분해에 의해 재료상 A 및 재료상 B, 및 재료상 C 및 재료상 D를 분리하였다. 상기 로드의 말단부에서 횡방향으로 얇은 플레이트를 절단하고, 이 것을 연마하고, 실온에서 HF로 에칭하여 도 4에 도시된 바와 같은 이중구조의 나노구조의 스파이크가 형성된 거친 표면을 얻었다. 상기 나노구조의 스파이크의 높이는 약 12 ㎛이다.
실시예 II에 있어서, 재료상 A 및 재료상 B로 구성된 복합재의 에칭성은 재료상 C 및 재료상 D로 구성된 복합재의 에칭성에 비해 낮고, 재료상 A의 에칭성은 재료상 B의 에칭성에 비해 낮고, 재료상 C의 에칭성은 재료상 D의 에칭성에 비해 낮다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시 및 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자는 첨부한 청구범위에 정의된 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변경 및 개조할 수 있음은 당연하다.

Claims (14)

  1. 나노구조의 소수성 표면을 구비하는 복합재로서, 이 복합재는
    제1조성을 가지는 지지층, 및
    상기 지지층 상에 배치됨과 동시에 상기 지지층의 표면으로부터 돌출된 복수의 이격배치된 나노구조의 형상을 포함하고,
    상기 나노구조의 형상은 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되고, 상기 나노구조의 형상은 상기 제1조성과 다른 제2조성을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1조성은 제1재료 및 상기 제1재료와 조성이 다른 적어도 하나의 제2재료를 포함하고, 상기 복수의 이격된 돌출된 나노구조의 형상은 본질적으로 상기 제2재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지층은 글래스, 금속, 세라믹, 폴리머, 및 수지로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 소수성 코팅은 적어도 하나의 불화탄소 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노구조의 형상은 뾰족한 표면 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면은 초소수성 표면인 것을 특징으로 하는 복합재.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복합재는 그 두께를 관통하는 연속적인 다공성을 제공하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  8. 소수성 표면을 형성하는 방법으로서, 이 방법은
    사전에 선택된 에칭제 내에서 제2재료에 비해 실질적으로 더 높은 제거속도를 가지는 제1재료 및 상기 제1재료와 조성이 다른 적어도 하나의 제2재료를 포함하는 조성을 구비하는 표면을 제공하는 단계; 및
    상기 사전에 선택된 에칭제 내에서 상기 표면을 에칭하는 단계를 포함하고,
    본질적으로 상기 제2재료로 구성된 복수의 이격된 돌출상 나노구조의 형상은 새로이 형성된 지지층으로부터 돌출상을 형성하고, 상기 제2재료는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
  9. 제8항에 있어서, 혼합된 상태의 상기 제1 및 제2재료를 구비하는 전구체 재료를 제공하는 단계, 및 상기 제2재료로부터 제1재료를 분리하는 단계를 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전구체 표면 내의 상기 제1 및 제2 재료는 상기 분리공정 후 상호관입되는 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 분리단계는 스피노이달 분해를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 돌출상 나노구조의 형상에 소수성 코팅을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 표면은 초소수성 표면인 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 에칭공정 이전에 기판 상에 상기 표면을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수성 표면 형성방법.
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