KR20200002080A - The manufacturing method of nano-materials for materialization of super water-repellent function of lotus leaf - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 표면장력을 극대화하여 연잎효과를 구현하기 위한 나소소재의 제조방법에 관한 것으로서, 이를 통하여 초소수성(Superhydrophobic) 기능을 실현하고자 하는 데 주된 목적이 있다. 연잎의 초발수 기능을 구현하기 위한 나노소재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초소수성을 극대화하기 위한 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a nassau material for maximizing the surface tension to implement the lotus leaf effect, the main purpose is to realize a superhydrophobic function through this. The present invention relates to a manufacturing method of a nanomaterial for implementing a super water-repellent function of lotus leaf, and more particularly, to a manufacturing method for maximizing superhydrophobicity.
새벽안개가 걷힐 무렵 연못 위에 떠있는 연잎을 보면 마음이 청아해진다. 연잎 위에 작은 물방울들이 투명하게 빛나며 동글동글 맺혀 있다. 실바람이라도 불면 이들이 조금씩 굴러다니며 이내 큰 물방울을 만든다. 연잎 위에 묻어있는 미세한 먼지를 닦아내며 물방울이 연못으로 떨어진다.As dawn fog is lifted up, the lotus leaves floating on the pond are refreshing. Small drops of water shine on the lotus leaf and form a dongle. When the wind blows, they roll around little by little and make large drops. Water droplets fall into the pond, wiping off the fine dust on the lotus leaf.
과학자들은 연잎 표면에 어떤 비밀이 숨어있는지 알아내고, 그 결과를 실생활에 응용하기 시작했다. 흔히 물과 친하게 잘 섞이는 성질을 친수성, 반대로 물과 친하지 않은 성질을 소수성이라고 부른다. 연잎 표면은 자연계 어떤 물질보다 소수성이 강하기 때문에 초소수성을 지닌다. 전자현미경을 이용해 표면을 나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 수준으로 관찰한 결과 그 초소수성의 비밀이 드러났다.Scientists have learned what secrets are hiding on the surface of the lotus leaf and have begun to apply the results to real life. It is often called hydrophilic property to mix well with water, whereas hydrophilicity is not called water. Lotus leaf surface is superhydrophobic because it is more hydrophobic than any other material in nature. Observation of the surface at the nanometer level (nm, 1nm = 1 billionth of a meter) using an electron microscope revealed the secret of its ultrahydrophobicity.
보통 바닥면 위에 물방울이 놓여 있을 때 물방울의 측면과 바닥면이 접촉하는 각도가 60도보다 크면 소수성, 30도 이하이면 친수성을 띤다고 말한다. 그런데 연잎 바닥면이 물방울과 접촉하는 각도는 150도 이상이다. 그냥 소수성이 아닌 초소수성을 갖는다는 뜻이다. 그 이유는 무엇일까. 연잎 표면에 있는 무수한 미세 돌기 덕분이다. 먼저 바닥면의 미세 돌기는 물방울이 연잎 표면과 접촉하는 각도를 커지게 만든다. 또한 바닥면 위에 형성돼 있는 봉오리들에도 무수한 돌기가 있어 비슷한 효과를 일으킨다. 연잎 표면은 이와 같은 이중적인 소수성 덕분에 초소수성을 띠는 것이다. Usually, when water droplets are placed on the bottom surface, the contact angle between the sides of the water droplets and the bottom surface is said to be hydrophobic when the angle of contact is greater than 60 degrees and hydrophilicity when it is 30 degrees or less. By the way, the lotus leaf bottom surface in contact with the water droplets is more than 150 degrees. It just means superhydrophobic, not hydrophobic. What is the reason? Thanks to the myriad of fine projections on the lotus leaf surface. First, the fine protrusions on the bottom make the water droplets come into contact with the lotus leaf surface. In addition, there are countless bumps on the buds formed on the bottom surface, which produces a similar effect. The lotus leaf surface is superhydrophobic because of this double hydrophobicity.
나노 세계에서는 이처럼 표면이 거칠수록 소수성이 강해지는 특이한 현상이 벌어진다. 이른바 연잎 효과라고 부르는 특성이다. 우리가 접하는 일상에서 표면이 아무리 거칠어도 물에 잘 젖지 않는 대상을 찾기는 쉽지 않다. 그러나 실험실에서는 실리콘 같은 고체의 표면을 미세 가공하여 이중 돌기를 갖는 나노구조 표면을 만들 수 있다. 각 돌기의 길이와 폭은 대략 50nm 내외이다. 옆이나 위에서 보면 마치 꽃이 피어나는 모습 같다. 원리를 알았으면 다음은 모방 단계. 과학자들은 연잎 효과를 모방한 다양한 제품을 제작하고 있다. 비를 맞거나 물을 뿌리면 먼지가 깨끗하게 떨어지는 페인트, 콜라나 커피가 쏟아져도 툭툭 털어내면 깨끗해지는 기능성 의류 등 다양한 제품이 이미 판매되고 있다. In the nano world, this unusual phenomenon is observed that the rougher the surface, the stronger the hydrophobicity. This is called the lotus leaf effect. No matter how rough the surface in our daily lives, it is not easy to find an object that does not get wet well. However, in the laboratory, the surface of a solid such as silicon can be microfabricated to create a nanostructured surface with double projections. The length and width of each projection are about 50 nm. When viewed from the side or from above, it looks like a flower blooms. Once you know the principle, the next step is imitation. Scientists produce a variety of products that mimic the lotus leaf effect. A wide range of products are already on sale, including paint that drips dust in the rain or when it is sprayed with water, as well as functional clothing that cleans up when cola or coffee spills.
재언하면, 진흙 속에 뿌리를 박고 자라는 연꽃은 수려할 뿐만 아니라 청아한 초록빛 자태를 뽐낸다. 그런데 비가 오는 날, 연잎에 떨어진 물방울은 잎을 적시지 않고 주르르 흘러내린다. 연못 수면과 나란히 떠 있는 잎사귀에서는 커다란 물방울이 바람과 물결에 따라 이리저리 왔다가 잎에 묻은 먼지를 털어내며 떨어진다. 이처럼 잎이 물방울에 젖지 않고 더러워지지 않는 현상을 연잎 효과라고 부른다. 물방울이 물체의 표면을 적시느냐 그렇지 않느냐의 여부는 화학적 성질에 따라 정해진다. 표면장력이 크면 물과 접촉한 면적을 작게 하여 물이 표면을 덜 적시게 된다. 이러한 성질을 소수성이라고 하며, 반대로 표면장력이 작으면 물이 표면을 많이 적시게 되어 친수성이 된다. 그런데 연잎의 표면을 현미경으로 확대시키면 표면이 작은 돌기로 덮여 있는 것을 볼 수 있다. 이처럼 표면이 나노 돌기로 덮여 있으면, 표면장력이 크고 작음과 관계없이 물과 닿는 면적이 아주 작게 된다. 다시 말해 화학적인 표면장력이 아니라 물리적인 나노의 거칠기에 기인하기 때문에, 이러한 성질을 초소수성이라고 한다. In other words, the lotus, which is rooted and grows in the mud, is not only beautiful but also boasting a lush green appearance. However, on a rainy day, the water drops falling on the lotus leaves are dripping down without wetting the leaves. On the leaves floating side by side with the surface of the pond, large drops of water come and go as the wind and ripples shake off the dust on the leaves. The phenomenon that leaves do not get wet and dirty is called the lotus leaf effect. Whether water droplets wet an object's surface or not depends on its chemical nature. Large surface tensions result in a smaller surface area in contact with water, making water less wet. This property is called hydrophobicity. On the contrary, when the surface tension is small, water wets the surface a lot and becomes hydrophilic. However, if you enlarge the surface of the lotus leaf under a microscope, you can see that the surface is covered with a small projection. If the surface is covered with nano projections, the area of contact with water is very small, regardless of whether the surface tension is large or small. In other words, because of the roughness of the physical nanoparticles, not the chemical surface tension, these properties are called superhydrophobic.
연잎 효과를 모방한 나노기술은 이미 다양한 곳에 응용되고 있다. 대표적인 예로, 비를 맞거나 물을 뿌려주는 것만으로도 먼지가 깨끗하게 떨어지는 페인트가 있다. 또한 최근 독일의 한 회사가 세라믹 변기 표면에 나노 코팅기술을 적용하여 물이 잘 흐르게 만드는데 성공했다. 연잎 효과를 실생활에 이용한 또 다른 예로 첨단 기능성 의복이 있다. 즉 물에 젖지 않으며 잘 더러워지지 않는 옷이다. 때가 묻지 않는 섬유의 비밀은 섬유 표면에 아주 작은 보푸라기를 붙이는데 있다. Nanotechnology, which mimics the lotus leaf effect, has already been applied in various places. A typical example is paint that drops dirt cleanly in the rain or by spraying water. Recently, a German company succeeded in making water flow well by applying nano coating technology to the surface of a ceramic toilet. Another example of the use of lotus leaf effects in real life is high-tech functional clothing. That is, clothes that do not get wet and get dirty. The secret of an unspoiled fiber lies in attaching very small lint to the fiber's surface.
연잎효과를 통하여 초소수성을 구현하기 위한 기술로 생체모방적 표면을 갖도록 하는 기술들이 연구되어 지고 있다. 초소수성 폴리머 구조물의 제조 방법은 초소수성 구현을 위한 방법 중 하나이다. 초소수성 폴리머 제조란, 화학적 식각에 의해 주형의 표면에 마이크론 크기(micron-size)의 단층 구조(terrace structure) 및 상기 단층 구조 내의 나노 크기(nano-size)의 홈 구조(groove structure)를 형성하고, 상기 식각된 주형 상에 폴리머를 놓고 열과 압력을 가하여 상기 식각된 주형으로부터 폴리머 구조물을 전사하고(replicating), 상기 전사된 폴리머 구조물을 주형으로부터 떼어내는 것을 포함하여 구성되어 진다. 하지만 본 방안은 제조과정이 비교적 복잡하고, 대량 생산이 어려우며, 접촉각도가 낮은 문제점이 있다. As a technique for realizing super hydrophobicity through the lotus leaf effect, techniques for having a biomimetic surface have been studied. The manufacturing method of the superhydrophobic polymer structure is one of the methods for the superhydrophobic implementation. Superhydrophobic polymer fabrication refers to the formation of micron-sized terrestrial structures and nano-sized grooved structures within the monolayers by chemical etching. And placing the polymer on the etched mold and applying heat and pressure to transfer the polymer structure from the etched mold and to remove the transferred polymer structure from the mold. However, the present method has a problem that the manufacturing process is relatively complicated, mass production is difficult, and the contact angle is low.
초소수성(superhydrophobicity)은 물체의 표면이 극히 젖기 어려운 물리적 특성을 말한다. 예를 들어, 식물의 잎, 곤충의 날개 또는 새의 날개는 외부의 어떠한 오염물질이 특별한 제거 작업 없이 제거되거나 처음부터 오염이 되지 않게 하는 특성을 지니고 있다. 이것은 식물의 잎, 곤충의 날개, 새의 날개 등이 초소수성을 지니고 있기 때문이다. 초소수성 표면이 적용된 물체는 방수, 방오 등과 같은 특성을 나타낼 수 있다. 그러므로 초소수성 표면을 형성하는 기술은 다양한 산업 분야에서 유용하게 이용될 수 있다. 소수성 표면을 구현하는 방법은 크게 화학적인 방법과 구조적인 방법으로 나눌 수 있다. 소수성 표면을 구현하는 화학적인 방법은, 물질 표면에 소수성 화학 물질을 코팅하는 방법인데, 화학적 처리만으로 물체의 표면 에너지를 낮추는 데는 한계가 있다. 소수성 표면을 구현하는 구조적인 방법은, 물질 표면의 거칠기를 증가시켜 고체인 물질 표면과 액체간의 접촉각을 증가시키는 방법으로 알려져 있다. 물체 표면을 패터닝하여 물체 표면이 거칠어짐에 따라 소수성이 증가되는 성질을 이용하여 초소수성 표면을 구현한다. 그런데, 돌출 패터닝에 의해 접촉각을 높일 경우 복잡한 패턴이나 세장비가 높은 패턴이 필요하므로, 패턴이 쉽게 손상되어 실용성이 낮다. Superhydrophobicity is a physical property of which the surface of an object is extremely wet. For example, the leaves of plants, the wings of insects, or the wings of birds are characterized by no external contaminants being removed or contaminated from scratch. This is because the leaves of plants, the wings of insects, and the wings of birds are superhydrophobic. Objects to which the superhydrophobic surface is applied may exhibit properties such as waterproofing and antifouling. Therefore, the technique of forming the superhydrophobic surface can be usefully used in various industrial fields. The hydrophobic surface can be divided into chemical and structural methods. The chemical method of implementing a hydrophobic surface is a method of coating a hydrophobic chemical on the surface of the material, there is a limit to lower the surface energy of the object by chemical treatment alone. Structural methods for implementing hydrophobic surfaces are known to increase the roughness of the material surface to increase the contact angle between the solid material surface and the liquid. The surface of the object is patterned to realize the superhydrophobic surface by using the property of increasing hydrophobicity as the surface of the object becomes rough. However, when the contact angle is increased by protrusion patterning, a complex pattern or a pattern having high fineness is required, so that the pattern is easily damaged and its practicality is low.
이 외에도 다양한 초소수성을 구현하기 위한 기술들이 개발되고 있다. 하지만, 대다수가 테프론 수지를 이용한 방법 또는 유기용매에 나노소자를 용해하여 사용하는 방법을 활용하고 있다. 테프론 수지는 불소를 활용하기 때문에 환경 위해성으로 사용에 많은 제약을 받고 있으며, 유기용매를 이용한 방식도 2차 환경오염의 문제를 여전히 안고 있다. In addition, technologies for implementing various superhydrophobicity are being developed. However, most of them use a method using Teflon resin or a method of dissolving nanodevice in an organic solvent. Since Teflon resin uses fluorine, there are many restrictions on its use due to environmental risks, and methods using organic solvents still have problems of secondary environmental pollution.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 친환경 기술을 통한 표면장력을 극대화시키기 위한 신기술이 필요한 시점이다. Therefore, it is time to need a new technology to maximize the surface tension through environmentally friendly technology to solve these problems.
참고로, 표면장력(Surface tension)에 관하여 살펴보고자 한다. 표면장력이란 액체의 자유표면에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력을 말한다. 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크기 때문에 액체는 표면적에 비례하는 표면 에너지를 가지고, 이로 인해 표면장력이 생긴다. 액체를 구성하는 분자들 사이에는 서로 끌어당기는 인력이 있다. 만약 인력이 없다면 액체는 유한한 크기를 가질 수 없었을 것이다. 반대로 분자와 분자 간의 거리가 특정 거리보다 가까워지면 분자들끼리 서로 밀어내는 척력이 작용한다. 액체 분자간 인력의 균형이 액체의 표면 부근에서 깨지기 때문에 이곳에 있는 분자의 위치에너지는 액체 속의 분자보다 더 커지는데, 이로 인해 액체는 표면적에 비례하는 표면에너지를 가지게 되고, 이 에너지를 최소로 만들려는 작용이 바로 '표면장력'으로 나타나는 것이다. 표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만 아니라 섞이지 않는 액체의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등 표면의 변화에 대한 에너지가 존재할 때 보편적으로 생기는 현상으로, 계면장력(界面張力)이라고도 한다. 비눗방울이나 액체 속의 기포 물방울 등이 둥근 모양이 되는 것은 이 힘이 액면에 작용하기 때문이며, 용기의 가장자리에 액체가 넘쳐 올라간 모양이 되어 쏟아지지 않는 것도 액체 표면에 장력이 작용하기 때문이다. 수면에 떨어뜨린 기름방울이 금방 퍼지는 것은 물의 표면장력이 기름의 표면장력보다 커서 기름층이 물의 표면장력에 의해 잡아 늘여지기 때문이다. 일반적으로 표면장력은 액면의 작은 이물질에도 영향을 받기 때문에, 이물질이 있는 액체 표면에는 액체 내부와는 관계 없이 표면장력의 크기에 기인하는 독자적인 운동이 나타난다. 표면장력의 세기는 액면에 가정한 단위길이의 선의 양쪽에 작용하는 장력에 의해 표시한다. 그 값은 액체의 종류에 따라 결정되는 상수이지만 온도에 따라서도 변한다. 예를 들어, 20에서 알코올, 물, 비눗물, 글리세린, 수은의 표면장력은 각각 약 0.0223, 0.07275, 0.025, 0.063, 0.465 N/m(뉴턴 퍼 미터)이다. 한편, 이 값은 온도가 올라갈수록 감소한다. 예를 들어, 물의 표면장력은 10에서 0.07422, 20에서 0.07275, 30에서 0.07118, 40에서 0.06955 N/m로 달라진다. 또한 어떤 종류의 물질이 액체에 녹으면 그 액체의 표면장력이 작아질 수 있는데, 비누를 물에 녹였을 때가 대표적 예이며, 이런 종류의 물질을 표면활성물질이라고 한다. For reference, we will look at the surface tension (Surface tension). Surface tension refers to the tension acting to make the surface small on the free surface of the liquid. Because molecules near the liquid surface have a higher potential energy than molecules in the liquid, the liquid has surface energy proportional to the surface area, which results in surface tension. There are attractive forces that attract each other between the molecules that make up a liquid. Without attraction, the liquid would not have a finite size. On the contrary, when the distance between molecules is closer than a certain distance, the repulsive force acts to push the molecules together. Since the balance of intermolecular attraction between liquids is broken near the surface of the liquid, the potential energy of the molecules here is greater than the molecules in the liquid, which causes the liquid to have a surface energy proportional to the surface area and to minimize this energy. The action is represented by the 'surface tension'. Surface tension is a phenomenon commonly occurring when there is energy for surface changes such as not only the free surface of liquid but also the interface of non-mixed liquid, solid and gas, and the contact surface between solid and solid. It is also called interfacial tension. The reason why the bubbles or bubbles in the liquid are rounded is that this force acts on the liquid surface, and the liquid surface is overflowed to the edge of the container, and it is because the tension is applied to the liquid surface. The drop of oil dropped on the surface of the water spreads quickly because the surface tension of water is greater than that of oil, and the oil layer is stretched by the surface tension of water. In general, since the surface tension is also affected by small foreign matter on the liquid surface, independent movement due to the magnitude of the surface tension appears on the liquid surface with the foreign matter regardless of the inside of the liquid. The strength of the surface tension is expressed by the tension acting on both sides of the line of unit length assumed at the liquid level. The value is a constant that depends on the type of liquid, but also varies with temperature. For example, at 20, the surface tensions of alcohol, water, soapy water, glycerin, and mercury are about 0.0223, 0.07275, 0.025, 0.063, 0.465 N / m (Newton per meter), respectively. On the other hand, this value decreases as temperature increases. For example, the surface tension of water varies from 10 to 0.07422, from 20 to 0.07275, from 30 to 0.07118, and from 40 to 0.06955 N / m. In addition, when a substance is dissolved in a liquid, the surface tension of the liquid may be reduced. A typical example is when a soap is dissolved in water, and this kind of substance is called a surface active substance.
표면장력, 접촉각, 젖음성, 표면에너지의 차이점에 대하여 살펴보고자 한다. We will examine the differences in surface tension, contact angle, wettability and surface energy.
표면장력이란, 표면적을 최소로 하려는 힘으로 수치가 클수록 발수기능이 우수하다. 다시말해, 표면장력이 클 경우에는 표면에 물을 뿌리면 물방울이 잘 젖지 않고 떨어지게 된다. Surface tension is a force to minimize the surface area, the larger the value, the better the water repellent function. In other words, when the surface tension is large, water is sprayed on the surface so that the water droplets do not wet well.
접촉각이란 고체와 액체의 접촉 경계부의 각도로 물방울의 경우, 물방울과 표면이 닿는 각도를 의미한다. 연잎이 150도 정도이고 수치가 클수록 연잎처럼 발수기능이 우수해 진다. 수치가 높을수록 물방울이 잘 묻지 않고 떨어지게 된다. 보통 접촉각이 150도 이상인 경우를 초소수성, 60도-150도 사이를 소수성, 30도 이하를 친수성이라고 한다. The contact angle is the angle between the contact boundary between the solid and the liquid, and, in the case of water droplets, means the angle between the water droplets and the surface. The lotus leaf is about 150 degrees and the higher the value, the better the water repellent function like the lotus leaf. The higher the value, the less water drops fall off. Usually, the contact angle is 150 degrees or more, the superhydrophobic, 60-150 degrees hydrophobic, 30 degrees or less is called hydrophilic.
젖음성이란 용어가 있는데, 글자 그대로 잘 젖는 특성을 의미한다. 표면장력과 반대되는 개념으로 젖음성이 크면 잘 젖지 때문에 표면장력이 작고 접촉각도 아주 작다. 다시말해, 젖음성이 크면 잘 젖기 때문에 발수 기능이 없다고 볼 수 있다. There is the term wettability, which literally means wettability. As opposed to the surface tension, the wettability is good because it gets wet, so the surface tension is small and the contact angle is very small. In other words, if the wettability is large, it is well wetted, so there is no water repellency.
표면에너지는 다양한 관점에서 설명할 수 있지만, 간략히 설명하자면, 표면장력의 반대 의미라고 보면 된다. 표면장력의 반대이므로 젖음성과 유사하게 보아도 무관하다. 물론, 자세하게 언급하자면 물리학적으로 다소 설명 방식이 상이하지만 간략히 설명하자면, 표면에너지를 젖음성과 유사하게 판단하여도 무관하겠다. 표면에너지는 표면을 확장시키는데 필요한 일량을 의미하므로 표면의 자유에너지를 가리키게 된다. 간단히 설명하자면, 표면에너지는 표면장력에 반대되게 표면에너지를 증가시키는데 필요한 에너지를 의미한다고 보면 된다. Surface energy can be explained from various perspectives, but in brief, it can be regarded as the opposite of surface tension. Since it is the opposite of the surface tension, it is irrelevant to the wettability. Of course, in detail, the physical method is somewhat different, but to explain briefly, the surface energy may be similar to the wettability. Surface energy refers to the amount of work needed to expand the surface, which indicates the free energy of the surface. In simple terms, surface energy refers to the energy required to increase surface energy as opposed to surface tension.
결론적으로, 표면에너지는 표면장력과 반대, 젖음성과 유사한 의미로 보면 간단히 이해할 수 있다. 표면장력이 클수록 물방울은 둥글게 되어 접촉각이 커지고 잘 젖지 않으므로 젖음성이 떨어지게 되고, 결과적으로 초발수(초소수성) 기능을 지니게 된다. 표면장력이 작을수록 물방울은 퍼지게 되어 접촉각이 작아지고 잘 젖게 되어 젖음성이 높아지고, 결과적으로 발수기능이 사라져 물에 잘 젖게 된다. In conclusion, the surface energy can be easily understood in the sense similar to the surface tension and the wettability. As the surface tension increases, the water droplets become rounder, the contact angle becomes large, and the wettability is poor, so that the wettability decreases. As a result, the water-repellent (superhydrophobic) function is obtained. The smaller the surface tension, the smaller the water droplets spread, the smaller the contact angle and the better the wettability, the higher the wettability.
잎의 경우 초소수성을 지니므로 당연히 표면장력이 크고, 접촉각이 크고, 표면에너지는 작고 젖음성도 작다. 일반 비닐의 경우 친수성을 지니므로 당연히 표면장력이 작고, 접촉각이 작고, 표면에너지는 크고 젖음성도 높다.Leaves have super hydrophobicity, so they have a high surface tension, a large contact angle, small surface energy, and low wettability. Since general vinyl has hydrophilicity, of course, the surface tension is small, the contact angle is small, the surface energy is large, and the wettability is high.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점으로부터 착안된 것으로, 본 발명의 목적은, 표면장력 극대화를 통하여 연잎의 초소수성 효과를 구현하되, 초소수성의 성능을 개선하고, 친환경 소재로 2차 환경오염을 예방하고, 유지관리가 편리한 초소수성 나노 신소재를 제조하기 위한 제조방법에 관한 것이다.The present invention has been conceived from the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to implement the superhydrophobic effect of the lotus leaf through maximizing the surface tension, to improve the performance of the superhydrophobicity, and the secondary environmental pollution as an environmentally friendly material The present invention relates to a manufacturing method for manufacturing a superhydrophobic nanomaterial that is easy to prevent and maintain.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 근청석, 육세나이트, 보러사이트, 경석고를 40-80nm 사이즈의 나노 크기로 제조한 다음, 이를 일정한 비율로 혼합하여 혼합조성물을 구성하도록 한다. 그런 다음, 이 혼합조성물에 일정한 주파수의 레이저를 조사하여 돌기 구조를 형성하여 초소수성을 구현하도록 하는 과정을 통하여 이루어 진다. 다시말해, 나노사이즈의 혼합조성물에 레이저를 조사하여 돌기 구조를 형성하고 이를 바탕으로 초소수성 효과를 극대화할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention prepares cordierite, hexite, borageite, and pumice gypsum at a nano size of 40-80 nm, and then mixes them in a constant ratio to form a mixed composition. Then, the mixture is irradiated with a laser of a constant frequency to form a projection structure is made through the process to implement the superhydrophobicity. In other words, by irradiating the laser mixture to the nano-size mixed composition to form a projection structure based on this can maximize the hydrophobic effect.
본 발명은 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법에 관한 것으로서 나노소재를 통하여 나노사이즈의 돌기구조(연잎의 돌기구조와 유사)를 형성하고 이를 통하여, 표면장력을 극대화하여 초소수성을 구현할 수 있다. 또한 친환경소재로 구성되어 2차 환경피해가 발생하지 않으며, 유지관리가 간편하고 장기적인 수명 확보가 가능한 잇점을 아울러 지니고 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a nanomaterial for the super water-repellent function of the lotus leaf as a nano-sized projection structure (similar to the projection structure of the lotus leaf) through the nanomaterial, and through this, to maximize the surface tension, Can be implemented. In addition, it is composed of eco-friendly materials, which does not cause secondary environmental damage, and has the advantage of easy maintenance and long-term life.
본 발명에 따른 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법은 다음의 과정을 통하여 이루어 진다. Nanomaterial manufacturing method for the super water-repellent function of the lotus leaf according to the present invention is made through the following process.
첫 번째, 나노 사이즈의 근청석, 육세나이트, 보러사이트, 경석고로 구성되어진 혼합조성물을 제조하도록 한다. First, to prepare a mixed composition consisting of nano-size cordierite, hexiteite, borageite, and pumice gypsum.
본 발명에 의한 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법을 구현하기 위한 혼합조성물의 구체적인 내용을 살펴보면 다음과 같다. Looking at the specific content of the mixed composition for implementing the method of manufacturing a nanomaterial for the super water-repellent function of the lotus leaf according to the present invention.
근청석(Cordierite)은 담청, 녹청, 회청, 자주색을 띠는 사방정계에 속하는 규산염광물이다. 화학성분은 Mg2Al4Si5O18. 굳기 7.5, 비중 2.52.78이다. 짧은 주상결정을 나타내는데, 괴상 또는 입상을 이루는 것도 많으며, 투입쌍정의 결과로 의육방정계를 나타내는 것도 많다. 저온에서 생성된 함수근청석과 고온에서 생성된 무수근청석이 있다. Cordierite is a silicate mineral belonging to the tetragonal system of light blue, cyan, bluish blue and purple. The chemical composition is Mg2Al4Si5O18. Hardness 7.5, specific gravity 2.52.78. Short columnar crystals are present, often in the form of masses or granules, and often in the form of a hexagonal crystal as a result of input twins. There are hydrous cordierite produced at low temperature and anhydrous cordierite produced at high temperature.
담청색녹청색회청색자주색 등이며, 투명 또는 반투명이다. 유리광택 또는 지방광택이 있다. 현미경으로 관찰하면 다색성이 강하며, 아름다운 것은 장식용이 된다. 접촉변성작용 또는 비교적 압력이 낮은 광역변성작용을 받은 이질암 속에서 널리 산출되며, 흑운모 규석류석 직섬석 등과 공존한다. 화산암이나 페그마타이트에서도 발견되며, 드물게는 안산암에서 반정상 결정으로서 산출된다. Light blue green blue gray blue purple, etc., transparent or translucent. Glass gloss or local gloss. When viewed under a microscope, the polychromatic is strong, and the beautiful one is decorative. It is widely produced in heterogeneous rocks undergoing contact metamorphism or relatively low pressure regional metamorphism, and coexists with biotite wollastonite ortholite. It is also found in volcanic rock and pegmatite, rarely produced as semi-normal crystals in andesite.
육세나이트(Euxenite)는 사방정계에 속하며, 복잡한 화학조성의 방사성이 강한 광물이다. 굳기는 5.5~6.5, 비중은 5, 갈흑색을 띠며, 조흔색은 회황색 또는 적갈색이다. 페그마타이트나 사석에서 산출된다. Hexenite belongs to the tetragonal system and is a highly radioactive mineral of complex chemical composition. Hardness is 5.5 ~ 6.5, specific gravity is 5, brownish black and streaks are grayish yellow or reddish brown. It is produced from pegmatite or sandstone.
화학성분은 (Y,Ce,U,Pb,Ca)(NB,Ta,Ti)(O,OH)6이다. 복잡한 조성을 가진 방사성 광물로 다른 여러 가지 원소를 함유하기도 한다. 판상 또는 주상결정을 이루지만 입상 소괴상인 경우가 많다. 굳기 5.56.5, 비중 약 5이다. 쪼개짐은 없고, 패각상단구를 나타낸다. 갈흑색이며 불투명하다. 신선한 파면은 아금속광택이 있는데, 때로 유리광택이나 수지광택이 난다. 조흔색은 회황색 또는 적갈색이다. 방사성이 강하다. 페그마타이트 또는 사석 중에서 산출된다. The chemical component is (Y, Ce, U, Pb, Ca) (NB, Ta, Ti) (O, OH) 6. A radioactive mineral with a complex composition that may contain many other elements. It forms a plate or columnar crystal, but is often in the form of granular nodules. Hardness 5.56.5, specific gravity about 5. There is no cleavage and it shows a shell upper end. Brownish black and opaque. Fresh wavefronts have a submetallic luster, sometimes glassy or resinous. Streak color is grayish yellow or reddish brown. Strong radioactivity It is produced in pegmatite or sandstone.
보러사이트(Boracite)는 상온에서는 감람석과 같은 결정계인 사방정계에 속하는 광물로 방붕석이라고도 한다. 색은 백색 또는 무색이지만 다른 광물을 함유하여 회색, 녹색 등을 띄기도 한다. 얌산에 녹으며 압전성과 초전성이 있다. Boracite (Boracite) is a mineral belonging to the tetragonal system, which is a crystal system such as olivine at room temperature. The color is white or colorless, but it may contain other minerals, giving it a gray or green color. Dissolves in yam acid and has piezoelectric and pyroelectric properties.
방붕석이라고도 한다. 화학성분은 Mg3B7O13Cl로, 대개 사면체 입방체 면체 등의 결정형을 가지나 섬유상의 것도 있다. 굳기 7, 비중 2.9, 굴절률은 방향에 따라 1.6621.673이다. 쪼개짐은 없고, 단구는 패각상이다. 염산에 녹으며, 강한 압전성과 초전성이 있다. 백색 또는 무색이지만, 다른 광물을 함유하여 회색 녹색 황색 등을 띠기도 한다. 유리광택 또는 수지광택이 있다. 265 이상에서는 등축정계의 고온형으로 전이한다. 경석고 암염과 함께 광층을 이룬다. It is also called as a mangorite. The chemical component is Mg3B7O13Cl, which usually has a crystalline form such as tetrahedral cube or the like but has a fibrous one. Hardness 7, specific gravity 2.9, refractive index is 1.6621.673 depending on the direction. There is no splitting, and the monocytes are shell-shaped. Soluble in hydrochloric acid, strong piezoelectric and pyroelectric. White or colorless, but with other minerals, greyish green yellow, etc. Glass gloss or resin gloss. Above 265, it transitions to the high temperature type of equiaxed crystal system. Laminates with pumice rock salt.
경석고(Anhydrite)는 무수석고라고도 부르는 사방정계의 광물이다. 굳기는 3~3.5, 비중은 2.9이며 백색 또는 회색을 띠거나 청색, 자주색, 분홍색을 띠기도 한다. 염산에 녹으며 물을 흡수하여 석고가 된다. 무수석고라고도 한다. 화학성분은 CaSO4이고, 보통 괴상 섬유상 입상 등을 이룬다. 쪼개짐은 서로 직각으로 교차하여 3방향으로 완전하다. 결정은 적지만, 결정질인 것은 정육면체의 쪼개짐조각을 이룬다. 굳기 33.5, 비중 2.9이다. 백색, 때로 회색을 띠거나 청색 자주색 분홍색을 띤다. 투명 또는 반투명이고, 조흔색은 백색, 유리광택 또는 진주광택이 난다. 염산에 녹으며, 물을 흡수하면 석고가 된다. 또 가열하면 1,450 에서 녹는다. 염수호가 증발함으로써 생성된 암염광상이나 석고광상에서 대규모로 산출된다. Anhydrite is an orthogonal mineral, also called anhydrous gypsum. Hardness is 3 ~ 3.5, specific gravity is 2.9, and it may be white or gray or blue, purple or pink. It dissolves in hydrochloric acid and absorbs water to become gypsum. Also known as anhydrous gypsum. The chemical component is CaSO4, and usually forms a bulky fibrous grain or the like. The cleavage crosses at right angles to each other and is complete in three directions. The crystals are small, but the crystalline forms a fragment of the cube. Hardness 33.5, specific gravity 2.9. White, sometimes greyish, blue purple pink. Transparent or translucent, streaky colors white, glassy or pearlescent. Soluble in hydrochloric acid and absorb water to make gypsum. It also melts at 1,450 when heated. It is produced on a large scale in rock salt or gypsum deposits produced by evaporation of brine lakes.
위에서 언급한 물질들로 구성된 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법을 구현하기 위한 혼합조성물의 구성비를 살펴보면 [표 1] 과 같다. Looking at the composition ratio of the mixed composition for implementing the method of manufacturing a nano-material for the super water-repellent function of the lotus leaf consisting of the above-mentioned materials are shown in Table 1.
상기한 구성비는 반복 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다. The above composition ratio is the result of finding the most suitable golden ratio through repeated experiments.
두 번째, 위의 제조방법으로 제조한 나노 사이즈의 혼합조성물에 레이저 조사 공정을 거치도록 한다. 이에 대하여 보다 상세히 살펴보면 하기와 같다. Second, the laser irradiation process to the nano-size mixed composition prepared by the above manufacturing method. Looking at it in more detail as follows.
(가). 실리콘 웨이퍼(siliconwafer)를 준비한다. 실리콘 웨이퍼는 순도 99.9999999%의 단결정 규소를 얇게 잘라 표면을 매끈하게 다듬은 것을 구입하여 사용하도록 한다. 웨이퍼의 표면은 결함이나 오염이 없어야 함은 물론, 고도의 평탄도를 유지하도록 한다. 두께 0.2, 지름 2030의 원판 모양의 것을 사용할 것을 권장한다. (end). A silicon wafer is prepared. Silicon wafers are purchased by using a thin slice of single crystal silicon having a purity of 99.9999999% and having a smooth surface. The surface of the wafer must be free of defects or contamination, as well as to maintain a high degree of flatness. It is recommended to use discs with a thickness of 0.230 and a diameter of 2030.
(나). 실리콘 웨이퍼(siliconwafer) 위의 상술한 방법으로 제조한 나노 사이즈의 혼합조성물을 일정량 골고루 분산시키도록 한다. 단, 도포 두께는 0.2mm 이하가 되도록 구성한다. (I). The nano-size mixed composition prepared by the above-described method on a silicon wafer is uniformly dispersed in a predetermined amount. However, the coating thickness is configured to be 0.2 mm or less.
(다). 실리콘 웨이퍼(siliconwafer) 위에 상술한 내용대로 0.2mm 이하로 도포한 다음, 여기에 레이저를 조사하도록 한다. (All). It is coated on a silicon wafer (siliconwafer) to 0.2mm or less as described above, and then irradiated with a laser.
(라). 레이저 펄스의 파장은 1086nm, 주파수는 4.85.2Hz, 평균 출력 광전력은 7080W의 레이저를 10분간 조사하도록 한다. (la). The laser pulse has a wavelength of 1086 nm, a frequency of 4.85.2 Hz, and an average output optical power of 7080 W for 10 minutes.
상술한 첫 번째와 두 번째 공정을 거치면 혼합조성물로 구성된 나소소재는 돌기구조를 형성하고자 하는 특성을 지니게 된다. 이렇게 제조한 나노 크기의 혼합조성물을 활용하여 평판을 제조할 경우, 나노입자들이 돌기구조를 형성하게 되어 표면장력을 극대화할 수 있게 된다. Through the first and second processes described above, the Nassau material composed of the mixed composition has a characteristic of forming a protrusion structure. When a flat plate is manufactured using the nano-sized mixed composition thus prepared, the nanoparticles form protrusion structures to maximize surface tension.
(실시예)(Example)
1. 혼합조성물의 혼합과정1. Mixing process of mixing composition
평균입경이 약 40nm인 근청석(Cordierite)25 중량부, 평균입경이 약 80nm인 육세나이트(Euxenite)25 중량부, 평균입경이 약 40nm인 보러사이트(Boracite)30 중량부, 평균입경이 약 80nm인 경석고(Anhydrite)20 중량부를 골고루 혼합하였다.25 parts by weight of cordierite with an average particle diameter of about 40 nm, 25 parts by weight of eugenite with an average particle diameter of about 80 nm, 30 parts by weight of boracite with an average particle diameter of about 40 nm, and an average particle size of about 80 nm 20 parts by weight of phosphorus anhydrite was evenly mixed.
2. 레이저 조사과정2. Laser irradiation process
1번 과정에서 제조한 혼합조성물을 다음의 공정으로 레이저 조사(照射) 처리하였다.The mixed composition prepared in step 1 was subjected to laser irradiation in the following process.
(가). 실리콘 웨이퍼(siliconwafer)를 준비하였다. 실리콘 웨이퍼는 순도 99.9999999%의 단결정 규소를 얇게 잘라 표면을 매끈하게 다듬은 것을 구입하여 사용하였다. 웨이퍼의 표면은 결함이나 오염이 발생하지 않도록 주의를 기울였으며, 고도의 평탄도를 유지하도록 노력하였다. 두께 0.2, 지름 30의 원판 모양의 것을 사용하였다. (end). A silicon wafer was prepared. The silicon wafer was purchased by using a thin slice of single crystal silicon having a purity of 99.9999999% and smoothing the surface thereof. Care has been taken to ensure that the surface of the wafer is free from defects and contamination, and efforts have been made to maintain a high degree of flatness. The disk-shaped thing of thickness 0.2 and diameter 30 was used.
(나). 실리콘 웨이퍼(siliconwafer) 위에 상술한 방법(1. 혼합조성물의 혼합과정)으로 제조한 나노 사이즈의 혼합조성물을 도포 두께가 0.2mm가 되도록 골고루 분산시켰다. (I). The nano-size mixed composition prepared by the method described above (1. mixing process of the mixed composition) on the silicon wafer (siliconwafer) was evenly dispersed so that the coating thickness is 0.2mm.
(다). 실리콘 웨이퍼(siliconwafer) 위에 상술한 내용대로 0.2mm로 도포한 다음, 여기에 레이저를 조사하였다. (All). 0.2 mm was coated on the silicon wafer as described above, and then irradiated with a laser.
(라). 조사한 레이저 펄스의 파장은 1086nm, 주파수는 4.8Hz, 평균 출력 광전력은 75W이며, 레이저는 10분간 조사하였다. (la). The wavelength of the irradiated laser pulse was 1086 nm, the frequency was 4.8 Hz, the average output optical power was 75 W, and the laser was irradiated for 10 minutes.
3. 무기질 바인더의 제조3. Preparation of inorganic binder
칼슘실리케이트(Calcium Silicate) 용액과 소르빈산칼륨(Potassium sorbate) 용액을 부피비 2 : 1로 혼합하여 얻은 무기질 바인더를 상기 혼합조성물에 0.3 중량부 추가하여 혼합물을 얻었다.0.3 parts by weight of an inorganic binder obtained by mixing a calcium silicate solution and a potassium sorbate solution in a volume ratio of 2: 1 was added to the mixed composition to obtain a mixture.
그리고, 상기 방법으로 제조한 나노 크기의 혼합조성물과 상기 방법으로 제조한 무기질 바인더를 함께 교반기에 넣고 5,000rpm으로 15분간 혼합 교반하여 반응시키고, 압착가공하여 밀도가 142kg/m3인 인 정사각형 보드를 제조하였다.Then, the nano-size mixed composition prepared by the above method and the inorganic binder prepared by the above method were put together in a stirrer and reacted by mixing and stirring at 5,000 rpm for 15 minutes, and pressed to form a square board having a density of 142 kg / m 3 . Prepared.
실시예에 따라 제조된 조성물의 함량을 하기 [표 2]에 정리하였다.The content of the composition prepared according to the example is summarized in the following [Table 2].
<물성측정><Measurement of properties>
하기에 나타낸 각 방법으로 상기 실시예에 따라 제조된 정사각형 보드의 물성을 측정하여, 그 결과는 다음 [표 3]에 나타내었다.The physical properties of the square boards prepared according to the above Examples were measured by the methods shown below, and the results are shown in the following [Table 3].
1. 열전도율1. Thermal conductivity
열전도율은 KS L 9016에 의한 20 시험조건에서 측정하였다.Thermal conductivity was measured under 20 test conditions by KS L 9016.
2. 밀도2. Density
밀도는 KS M 3808에 의거하여 측정하였으며, 다음 [식 1]을 통하여 계산하였다.Density was measured according to KS M 3808, it was calculated through the following [Equation 1].
[식 1][Equation 1]
밀도(kg/m3)=W(건조중량)/V(부피)Density (kg / m 3 ) = W (dry weight) / V (volume)
3. 투습계수3. Water vapor transmission coefficient
투습계수는 두께 25mm당 투습계수로 계산하였다.The moisture permeability coefficient was calculated as the moisture permeability coefficient per thickness of 25mm.
4. 접촉각도(Contact Angle)4. Contact Angle
접촉각도는 물방울을 실시예에 따라 제조된 정사각형 보드 위에 떨어뜨리고, 해당 물방울과 정사각형 보드 표면이 이루는 각을 측정하였다.The contact angle was dropped onto the square board manufactured according to the embodiment, and the angle formed by the droplet and the surface of the square board was measured.
5. 연소 측정온도5. Combustion measurement temperature
연소 측정온도는 약 1,200 기준으로 측정한 온도이다.The combustion temperature is measured at about 1,200 standards.
상기에서는 본 발명에 따른 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법을 설명하기 위해, 구체적인 실시 예를 들어 설명하였지만, 이러한 구체적인 실시 예로부터 본 발명의 기술사상이 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 충분히 변경 또는 변형 가능한 정도는 본 발명의 범주로 이해하여야 할 것이다.In the above, in order to explain a method for manufacturing a nanomaterial for realizing a super water-repellent function of lotus leaf according to the present invention, the present invention has been described with reference to specific embodiments. From the detailed description of the invention to the extent that those skilled in the art to which the present invention pertains can be sufficiently modified or modified will be understood as the scope of the present invention.
Claims (3)
The super water-repellent function of lotus leaf is composed of cordierite 24wt% 26wt%, eugenite 24wt% 26wt%, Boracite 28wt% 32wt%, Anhydrite 1921wt% Mixed composition for the implementation of the manufacturing method of the nanomaterial for.
실리콘 웨이퍼(siliconwafer)를 준비하며, 실리콘 웨이퍼는 순도 99.9999999%의 단결정 규소를 얇게 잘라 표면을 매끈하게 다듬은 것을 사용하도록 하며, 웨이퍼의 표면은 결함이나 오염이 없어야 함은 물론, 고도의 평탄도를 유지하도록 하며, 두께 0.2, 지름 20~30의 원판 모양의 것을 사용하도록 하며;
실리콘 웨이퍼(siliconwafer) 위에 제 1 항의 방법으로 제조한 나노 사이즈의 혼합조성물을 일정량 골고루 분산시키도록 하며, 이때 도포 두께는 0.2mm 이하가 되도록 구성하도록 하며;
실리콘 웨이퍼(siliconwafer) 위에 상술한 내용대로 0.2mm 이하로 도포한 다음, 레이저를 조사하도록 하며;
조사하는 레이저 펄스의 파장은 1086nm, 주파수는 4.85.2Hz, 평균 출력 광전력은 7080W의 레이저를 10분간 조사하도록 하는 것을 특징으로 하는 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법.
The method of claim 1,
The silicon wafer is prepared, and the silicon wafer is made by thinly cutting a single crystal silicon having a purity of 99.9999999% and smoothing the surface. It should be used in the shape of a disk of thickness 0.2, diameter 20-30;
The nano-size mixed composition prepared by the method of claim 1 is uniformly dispersed on a silicon wafer, wherein the coating thickness is configured to be 0.2 mm or less;
Coated on a silicon wafer (siliconwafer) to 0.2mm or less as described above, and then irradiated with a laser;
The wavelength of the laser pulse to be irradiated 1086nm, the frequency is 4.85.2Hz, the average output optical power is a method of manufacturing a nano-material for the super water-repellent function of the lotus leaf, characterized in that for 10 minutes to irradiate a laser of 7080W.
근청석(Cordierite)은 입자의 평균크기가 40nm, 육세나이트(Euxenite)는 입자의 평균크기가 80nm, 보러사이트(Boracite)는 입자의 평균크기가 40nm, 경석고(Anhydrite)는 입자의 평균크기가 80nm로 구성되어진 것을 특징으로 하는 연잎의 초발수 기능 구현을 위한 나노소재의 제조방법.The method of claim 1,
Cordierite has an average particle size of 40 nm, Eugeneite has an average particle size of 80 nm, Boraxite has an average particle size of 40 nm, and Anhydrite has an average particle size of 80 nm. Nanomaterial manufacturing method for the super water-repellent function of the lotus leaf, characterized in that consisting of.
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