KR20090061380A - 초발수 제품 성형 방법 - Google Patents

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정대환
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김완두
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Abstract

본 발명에 따르면, 제품을 성형하기 위한 금형을 제조하는 금형제조단계와 이 제조된 금형의 내측면에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 이용하여 미세요철을 형성하는 금형가공단계 및 미세요철이 형성된 금형을 이용하여 제품을 성형하는 제품성형단계를 포함하고, 레이저 어블레이션 방법은 원형의 레이저를 이용하여 금형의 내측면을 격자모양으로 반복하여 조사하는 것을 특징으로 하는 초발수 제품 성형 방법이 제공된다.
개시된 초발수 제품 성형 방법에 의하면, 레이저 어블레이션 방법을 사용하여 레이저의 스팟 사이즈보다 작은 형태의 미세요철을 금형의 내측면에 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 미세요철구조가 형성된 금형을 이용하여 표면에 미세요철 구조가 형성된 초발수 제품을 대량으로 생산하는 것이 가능하여 초발수 제품의 생산단가를 현저하게 낮출 수 있다는 장점이 있다. 또한, 미세요철이 형성된 제품의 표면에 불소화합물을 코팅함으로써, 다양한 재질의 제품에 초발수성을 부여할 수 있다는 장점이 있다.
초발수, 초소수, 금형, 레이저어블레이션, 미세요철

Description

초발수 제품 성형 방법{Forming method for super water-repellent product}
본 발명은 제품의 성형 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초발수성 표면을 가진 제품을 금형을 이용하여 성형하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발수성이란 물에 젖기 어려운 성질을 뜻한다. 초발수 표면기술은 표면의 젖음(wetting)현상을 조절하기 위한 표면개질(surface modification) 기술의 한 분야로, 고체의 표면을 물리적 또는 화학적으로 표면개질하여 고체의 표면에 액체가 접촉할 때 접촉각이 150ㅀ이상이 되도록 하는 기술을 말한다.
초발수성 표면의 대표적인 모델로서 연꽃잎을 들 수 있는데, 연꽃잎의 경우 표면에 수많은 마이크로 크기의 섬모돌기가 존재하며 동시에 왁스성분이 코팅되어 있다.
코팅된 왁스 또한 일정한 나노 구조를 이루고 있음이 확인되었으며, 이러한 마이크로/나노 병합구조로 인하여 초발수 표면을 형성하므로 물에 젖지 않는 자기 세정 현상을 가지고 있음을 알 수 있다.
최근에는 단순히 마이크로 구조 또는 나노 구조의 제조를 넘어서서 자연계에 존재하는 마이크로/나노 계층 구조물을 모사함으로써 발수성이 보다 향상된 초발수 표면을 제조하고자 하는 연구가 많은 관심을 끌고 있다.
이와 같은 초발수성에 대한 연구는 학술적인 표면 과학 분야뿐만 아니라 건축 자재, 화장품, 섬유 처리, 전기전자용 부품재료 등 다양한 산업분야에서도 주목을 끌고 있다.
일반적으로 자동차 유리 또는 건축용 창유리의 표면은 물에 대한 접촉각이 20°에서 40° 정도로 낮은 값을 가지므로 우천시 물이 불균질한 수막의 형태로 흘러내린다.
이러한 불균질한 수막은 자동차 유리의 경우 빛의 산란을 가져와 특히 우천시나 야간운전시 운전자의 시야를 방해하며, 건축용 유리창의 경우 먼지, 황사 등과 더불어 표면을 쉽게 오염시킨다.
만일 유리 표면의 표면 에너지를 현저하게 낮출 수 있다면 물방울의 부착 형태를 둥글게 하여줄 수 있고, 이러한 물방울이 구형의 형태로 굴러 떨어지게 하여 대부분의 유리에서 물에 대한 젖음을 용이하지 않게 할 수 있다.
이와 같이 물에 대한 젖음을 방지할 수 있는 유리를 초발수 유리라고 하는데 자동차에 초발수 유리를 적용하면 불균질한 수막으로부터 오는 시야의 왜곡을 막아 선명한 시야를 확보할 수 있어 사고를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 세정작업이 어려운 높고 면적이 큰 고층건물인 경우 이물질이 부착되어도 낮은 표면에너지로 인해 물방울이 구형 형태로 굴러 떨어지면서 이물질들을 쉽게 제거할 수 있는 자기 세정(self-cleaning) 기능을 가진 유리 제작이 가능하며 건물 유지보수 면에서 상당한 장점이 있다.
고체 표면상에서 이루어지는 물방울의 접촉각이 발수성의 지표가 되는데, 일반적으로는 접촉각이 90°이상인 경우를 발수성(소수성) 표면이라 하고, 110°내지 150°이면 고발수성 표면, 150°이상이면 초발수성 표면이라 칭한다.
기존의 발수 기술개발은 1950년대부터 재료표면의 화학적 구조에 따른 표면물성인 표면에너지가 낮은 소재를 개발하고 활용하기 위한 연구에 집중되었다. 그러나 1980년대부터 초발수성을 좌우하는 변수는 표면의 화학적 물성뿐만 아니라, 표면의 기하학적 공간 구조도 매우 중요한 인자라는 것이 밝혀졌다.
각종 불소계 재료를 코팅한 발수막은 표면에너지가 낮은 재료를 이용한 예인데, 낮은 표면에너지만으로는 150°이상의 접촉각을 얻을 수 없기 때문에, 150°이상의 초발수성 재료를 얻으려면 표면 미세 구조의 제어가 필요하다.
현재, 나노 구(球) 리쏘그래피(nanosphere lithography)와 산소 플라즈마를 이용한 드라이 에칭을 통해 물의 접촉각이 132°~ 170°인 표면을 제작한 예가 보고 되어있다(Peilin Chen et al. Chem. Mater., vol. 16, no. 4, 561, 2004).
그런데, 상기와 같이 표면에 미세요철을 형성한 초발수 제품은 그 제조에 있어서 매우 세밀한 공정을 요하므로 대량 생산이 불가능하며 생산 단가가 매우 비싸므로 대중화가 용이하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 공정이 간단하고 대량생산이 가능하며, 생산단가를 현저하게 낮춘 초발수 제품 성형 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초발수 제품 성형 방법은 제품을 성형하기 위한 금형을 제조하는 금형제조단계; 상기 제조된 금형의 내측면에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 이용하여 미세요철을 형성하는 금형가공단계; 및 상기 미세요철이 형성된 금형을 이용하여 제품을 성형하는 제품성형단계;를 포함하고, 상기 레이저 어블레이션 방법은, 원형의 레이저를 이용하여 상기 금형의 내측면을 격자모양으로 반복하여 조사한다.
또한, 상기 미세요철이 형성된 금형을 이용하여 성형된 제품의 표면에 불소화합물을 코팅하여 상기 제품의 표면에너지를 낮추는 불소화합물코팅단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 불소화합물코팅단계는, 딥코팅, 스핀코팅, 스프레이, 불소 실란계 화합물의 셀프 어셈블드 모노레이어(Self-assembled monolayer) 처리방법, 불소계 단량체의 아톰 트랜스퍼 래디칼 폴리머리제이션(Atom transfer radical polymerization) 방법을 이용한 표면중합법, 불소계 단량체의 그라프팅-프럼(grafting-from) 표면중합법, 불소계 화합물의 그라프팅-투(grafting-to) 표면중 합법, 플라즈마를 이용한 불소계화합물의 표면중합법 및 플라즈마를 이용한 불소화합물의 표면개질 중 어느 하나 이상의 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 초발수 제품 성형 방법에 따르면, 레이저 어블레이션 방법을 사용하여 레이저의 스팟 사이즈보다 작은 형태의 미세요철을 금형의 내측면에 형성하는 것이 가능하다.
따라서, 상기 미세요철구조가 형성된 금형을 이용하여 표면에 미세요철 구조가 형성된 초발수 제품을 대량으로 생산하는 것이 가능하여 초발수 제품의 생산단가를 현저하게 낮출 수 있다는 장점이 있다.
또한, 미세요철이 형성된 제품의 표면에 불소화합물을 코팅함으로써, 다양한 재질의 제품에 초발수성을 부여할 수 있다는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초발수 제품 성형 방법을 나타낸 순서도이며, 도 2는 도 1에 도시된 금형가공단계에서 레이저가 조사되는 모양을 나타낸 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 A부분을 확대한 부분확대도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초발수 제품 성형 방법은 금형제조단계(S100), 금형가공단계(S110) 및 제품성형단계(S120)를 포함한다.
상기 금형제조단계(S100)는 제품을 성형하기 위한 금형(100)을 제조하는 단계로 일반적으로 널리 사용되고 있는 주조 등의 방법을 사용하여 만들고자 하는 제품의 금형(100)을 제조하는 단계이다.
다음으로 상기 금형가공단계(S110)는 상기 금형제조단계(S100)에서 제조된 금형(100)의 내측면에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 이용하여 미세요철을 형성하는 단계이다.
레이저는 대부분의 매질에서 매우 높은 에너지 강도를 가지며 입사하게 되는데 이때, 매질의 반사율에 따라 매질 표면에서 레이저의 일부는 반사되고 나머지는 매질에 흡수된다. 매질에 흡수된 레이저는 열 에너지로 변환되면서 매질의 온도를 증가시키게 되는데 레이저 스팟에서 가까운 영역에는 급속한 온도 상승과 함께 매질의 증발이 일어나면서 매질의 절단, 삭제 등의 가공이 가능하게 된다.
이러한 현상을 레이저 어블레이션이라 하는데 본 발명에서는 원형의 레이저를 이용하여 상기 금형(100)의 내측면을 격자모양으로 반복하여 조사하여 상기 금 형(100)의 내측면에 미세요철을 형성하게 된다.
도 2에는 금형(100)의 내측면에 레이저가 조사되는 격자선(110)을 나타낸 개략도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2에 도시된 A부분을 확대한 부분확대도와 레이저가 조사되는 모습을 나타낸 개략도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하여 레이저 어블레이션 방법에 대하여 상세하게 설명하면, 먼저 금형(100)의 A부분에 제1레이저(140)를 조사하면 상기 제1레이저의 밀도(145)는 조사중심부에서 높고, 조사중심부에서 멀어질수록 밀도가 낮아지게 된다.
따라서, 조사중심부에는 어블레이션이 많이 일어나므로 미세요철의 골(120)이 형성되고, 조사중심부의 외곽에서는 어블레이션이 적게 일어나므로 미세요철의 산(130)이 형성되는 것이다.
그리고, 상기 제1레이저(140)가 조사된 부분과 인접하여 제2레이저(150)를 조사하면 다시 미세요철의 골이 형성되고, 이와 같이 상기 금형(100)의 내측면을 격자모양으로 반복하여 조사하는 과정을 반복함으로써 다수의 미세요철을 형성하게 되는 것이다.
도 4 및 도 5는 레이저를 반복하여 조사한 후 금형의 내측면을 나타낸 전자현미경 사진이다.
제품성형단계(S120)는 상기와 같이 내측면에 미세요철이 형성된 금형(100)을 이용하여 제품을 성형하는 단계이다. 제품을 성형하는 방법으로는 압축성형이나 사출성형 또는 고분자 중합법을 이용할 수 있다. 따라서, 이러한 방법으로 상기 금형(100)을 이용하여 성형된 제품의 표면에는 미세요철이 형성되어 초발수성을 가지 게 되는 것이다.
도 6과 도 7은 상기 금형에 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxan;PDMS)을 부어 60℃ 에서 1시간 경화시켜 얻은 초발수 제품 표면의 전자현미경 사진이다. PDMS를 만드는 방법은 다우코닝(Dow Corning)사의 실가드(sylgard) 184 A와 B를 10:1의 비율로 섞어 준비하였으며 이때 A는 실란레진이고, B는 경화제이다.
도 8은 상기과정을 통하여 제작된 미세요철구조를 가지는 PDMS표면의 접촉각 사진으로 180°에 근접한 접촉각을 보임을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 초발수 제품 성형 방법에 의하여 제작된 금형(100)은 레이저 어블레이션 방법을 사용하여 레이저의 스팟 사이즈보다 작은 형태의 미세요철을 내측면에 형성하는 것이 가능하므로 상기 미세요철구조가 형성된 금형(100)을 이용하여 표면에 미세요철 구조가 형성된 초발수 제품을 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 미세요철이 형성된 금형(100)을 이용하여 성형된 제품의 표면에 불소화합물을 코팅하여 상기 제품의 표면에너지를 낮추는 불소화합물코팅단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 성형되는 제품의 재질이 실리콘고분자 또는 불소고분자일 경우에는 제품의 표면에 화학적인 처리를 하지 않아도 초발수성을 가지게 되므로 상기 불소화합물코팅단계(S130)를 실행하지 않는다.
불소화합물은 제품에 코팅되어 표면에너지를 낮추어 발수성이 나타나도록 하는 성질을 가지며, 현재 발수를 위한 코팅제로 널리 사용되고 있는 물질이다.
상기 불소화합물이 코팅된 제품의 표면은 (CF3-), (-(CF2-CF2)n-, -(O(CF2)m)n-, -((CF2)mO)n-, -(OC(CF3)FCF2)n- 및 -(C(CF3)FCF2O)n- 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 m은 1이상 25이하이고 상기 n은 1이상 100이하이다.
또한, 상기 불소화합물을 제품의 표면에 코팅하는 방법으로는 (CF3-), -(CF2-CF2)n-, -(O(CF2)m)n-, -((CF2)mO)n-, -(OC(CF3)FCF2)n- 및 -(C(CF3)FCF2O)n- 중 하나 이상을 포함하는 불소화합물(300)을 준비하고, 상기 불소화합물(300)을 녹인 용액에 기재(100)를 담근 후 10mm/min의 속도로 꺼내는 딥코팅이나, 상기 용액을 기재(100)에 떨어뜨린 후 상기 기재(100)를 3000rpm의 회전속도로 1분간 회전시키는 스핀코팅 등의 방법이 사용될 수 있다.
아울러, 플루오로알킬 실란(fluoroalkyl-silane)을 이용한 셀프 어셈블드 모노레이어(Self-assembled monolayer) 처리방법을 들 수 있는데, 바람직하게는 상기 제품의 표면을(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trichlorosilane, (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)trimethoxysilane, (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)triethoxysilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trimethoxysilane 및 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)triethoxysilane 등으로 기상증착법 또는 액상증착법으로 처리하여 불소화합물을 코팅하는 방법을 들 수 있다.
아울러, 아톰 트랜스퍼 래디칼 폴리머리제이션(Atom transfer radical polymerization) 표면중합법을 적용하여 제품의 표면에 불소화합물을 코팅할 수 있는데, 이때 전이금속을 매개체로 한 할로겐 원소 전달 반응이 적용되며 불소단량체로는 퍼플루오로알킬 아크릴산염(perfluoroalkyl acrylate)이 사용되며, 보다 바람직하게는 퍼플루오로헥실레틸 아크릴산염(perfluorohexylethyl acrylate)이 사용될 수 있다.
한편, 그라프팅-프럼(grafting-from) 표면중합법을 적용하여 기재(100) 표면에 불소화합물(300)을 코팅할 수 있는데, 이때 개시제로서 열을 이용한 아조계 화합물과 빛을 이용한 광개시제를 이용할 수 있으며, 불소단량체는 퍼플루오로알킬 아크릴산염(perfluoroalkyl acrylate)이 사용되며, 보다 바람직하게는 퍼플루오로헥실레틸 아크릴산염(perfluorohexylethyl acrylate)이 사용될 수 있다.
또한, 제품에 노출된 화학적 작용기와 공유결합 할 수 있는 작용기를 지닌 불소계 화합물에 그라프팅-투(grafting-to) 표면중합법을 적용하여 제품의 표면에 불소화합물을 코팅할 수 있다.
게다가, (CF3-), -(CF2-CF2)n-, -(O(CF2)m)n-, -((CF2)mO)n-, -(OC(CF3)FCF2)n- 및 -(C(CF3)FCF2O)n- 중 하나 이상을 포함하는 불소화합물을 기화시켜 플라즈마 챔버안에서 플라즈마 상태로 만들고, 상기 불소화합물 표면에 형성된 자유 라디칼을 플라즈마에 노출된 제품에 그래프트 중합하여 코팅할 수 있다.
상기와 같이, 미세요철이 형성된 제품의 표면에 불소화합물을 코팅함으로써, 다양한 재질의 제품에 초발수성을 부여할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 초발수 제품 성형 방법을 타나낸 순서도,
도 2는 도 1에 도시된 금형가공단계에서 레이저가 조사되는 모양을 나타낸 개략도,
도 3은 도 2에 도시된 A부분을 확대한 부분확대도,
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 금형가공단계에서 레이저를 반복하여 조사한 후 금형의 내측면을 나타낸 전자현미경 사진,
도 6 및 도 7은 상기 금형을 이용하여 미세요철구조를 전사한 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxan;PDMS)표면의 전자현미경 사진,
도 8은 미세요철구조를 가지는 PDMS 표면의 접촉각을 나타낸 사진이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...금형 110...격자선
120...미세요철의 산 130...미세요철의 골
140...제1레이저 145...제1레이저 밀도선
150...제2레이저 155...제2레이저 밀도선

Claims (3)

  1. 제품을 성형하기 위한 금형을 제조하는 금형제조단계;
    상기 제조된 금형의 내측면에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 이용하여 미세요철을 형성하는 금형가공단계; 및
    상기 미세요철이 형성된 금형을 이용하여 제품을 성형하는 제품성형단계;를 포함하고,
    상기 레이저 어블레이션 방법은, 원형의 레이저를 이용하여 상기 금형의 내측면을 격자모양으로 반복하여 조사하는 것을 특징으로 하는 초발수 제품 성형 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미세요철이 형성된 금형을 이용하여 성형된 제품의 표면에 불소화합물을 코팅하여 상기 제품의 표면에너지를 낮추는 불소화합물코팅단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초발수 제품 성형 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 불소화합물코팅단계는,
    딥코팅, 스핀코팅, 스프레이, 불소 실란계 화합물의 셀프 어셈블드 모노레이어(Self-assembled monolayer) 처리방법, 불소계 단량체의 아톰 트랜스퍼 래디칼 폴리머리제이션(Atom transfer radical polymerization) 방법을 이용한 표면중합 법, 불소계 단량체의 그라프팅-프럼(grafting-from) 표면중합법, 불소계 화합물의 그라프팅-투(grafting-to) 표면중합법, 플라즈마를 이용한 불소계화합물의 표면중합법 및 플라즈마를 이용한 불소화합물의 표면개질 중 어느 하나 이상의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 초발수 제품 성형 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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