KR100790384B1 - How to reduce surface frictional resistance of a moving object in a fluid - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 속에서 운동하는 물체의 표면에 미세돌기 어레이를 형성하여 상기 물체에 부하되는 마찰저항을 감소시키는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 유체에 의한 마찰저항을 감소시킬 수 있고, 이렇게 형성된 미세돌기 표면은 자정(自淨, self-cleaning) 효과를 가짐으로써 오염물질이 운동 물체나 미세돌기에 부착하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 미세돌기에 탄소 나노튜브를 강화재로서 이용함으로써 미세돌기의 내침식성 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.The present invention provides a method of reducing the frictional resistance loaded on the object by forming an array of microprojections on the surface of the object moving in the fluid. According to the present invention, the frictional resistance caused by the fluid can be reduced, and the thus formed microprotrusion surface has a self-cleaning effect, thereby preventing contaminants from adhering to the moving object or the microprotrusion. . In addition, by using carbon nanotubes as reinforcing materials in the micro-projections, the corrosion resistance and durability of the micro-projections can be further improved.
미세돌기, 마찰저항, 자정 효과Fine protrusion, frictional resistance, self-cleaning effect
Description
도 1은 선박 동체 및 수선면을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 1 is a schematic diagram schematically showing a ship body and a water surface.
도 2a는 본 발명에 의한 삼각형 형상을 갖는 미세돌기를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 2a is a view schematically showing a fine protrusion having a triangular shape according to the present invention.
도 2b는 본 발명에 의한 반구형 형상을 갖는 미세돌기를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 2b is a schematic view showing a fine protrusion having a hemispherical shape according to the present invention.
도 2c는 본 발명에 의한 송곳형 형상을 갖는 미세돌기를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 2c is a view schematically showing a fine protrusion having an awl shape according to the present invention.
도 2d는 본 발명에 의한 사각형 형상을 갖는 미세돌기를 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 2d is a view schematically showing a fine protrusion having a rectangular shape according to the present invention.
도 3은 로터스 나뭇잎 표면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram schematically showing the surface of the lotus leaf.
도 4a 내지 4e는 PDMS 재료를 사용하여 MEMS 기법으로 미세돌기를 제작하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.4A to 4E are schematic views illustrating a process of fabricating microprotrusions using a MEMS technique using PDMS materials.
도 5는 본 발명의 미세돌기 강화 재료로서 사용된 탄소 나노튜브(carbon nanotube)의 확대도이다.5 is an enlarged view of carbon nanotubes used as the microprojection reinforcing material of the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 미세돌기를 선박의 표면에 사용한 경우를 나타낸 예 시도이다.6 is an example attempt showing a case where the micro-projection according to the present invention is used on the surface of the ship.
<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
1 : 수선면 2 : 수선면 하부 선체1: water surface 2: water hull bottom hull
3 : 미세돌기의 돌출 높이 4 : 미세돌기 사이 간격3: protrusion height of fine protrusions 4: gap between fine protrusions
5 : 로터스 나뭇잎 표면 미세구조의 마루5: floor of the lotus leaf surface microstructure
6 : 로터스 나뭇잎 표면의 미세구조의 골6: valley of microstructure of lotus leaf surface
7 : 로터스 나뭇잎 표면의 미세왁스 결정층7: microwax crystal layer of lotus leaf surface
8 : 실리콘 웨이퍼 9 : SU-8 포토-레지스트8: silicon wafer 9: SU-8 photo-resist
10 : 이멀젼 마스크 11 : 자외선10: emulsion mask 11: ultraviolet rays
12 : 폴리디메틸실록산층(PDMS)12: polydimethylsiloxane layer (PDMS)
13 : 탄소 나노튜브의 직경 14 : 탄소 나노튜브의 길이13: diameter of carbon nanotube 14: length of carbon nanotube
15 : 선체 옆면 16 : 선수15: side of the hull 16: athlete
17 : 선저 18 : 선미17: bottom 18: stern
본 발명은 유체(기체 또는 액체) 속에서 움직이는 물체에 걸리는 마찰저항을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the frictional resistance of a moving object in a fluid (gas or liquid).
유체 속에서 움직이는 물체, 예를 들어 선박은 물과 공기의 경계면에서 항주하므로, 물과 공기의 양쪽으로부터 유체 저항을 받는다. 따라서, 선박이 소요의 속 력으로 항해하기 위해서는 물과 공기로부터의 양쪽 저항 모두를 극복해야 한다.An object moving in the fluid, for example a ship, hangs at the interface between water and air and therefore receives fluid resistance from both water and air. Thus, in order for a ship to sail at the required speed, it must overcome both resistance from water and air.
구체적으로 설명하면, 실해역을 항해하는 선박이 받는 저항은 크게 선박의 수면 아래 부분이 받는 물에 의한 저항과 수면 위 부분이 받는 공기에 의한 저항으로 분류될 수 있는데, 선박이 물로부터 받는 저항은 선박이 받는 전체 저항의 대부분을 차지하며, 이것은 다시 선박이 점성이 없는 이상 유체(ideal fluid) 속에서 운동한다고 가정하였을 때 발생하는 파도로 인한 조파 저항과 이상 유체가 아닌 실제 유체 속에서 운동할 때 발생하는 실제 유체의 점성으로 인한 점성 저항으로 나누어진다. 점성저항은 다시 선박의 형상과는 관계 없이 발생하는 선박 표면에서의 마찰저항과 선박의 형상이 평면이 아닌 임의의 3차원 형상을 갖기 때문에 발생하는 형상저항으로 분류될 수 있다.Specifically, the resistance received by a ship sailing in a real sea area can be largely classified into resistance due to water received by the lower part of the ship and resistance caused by air received by the part above the water. It accounts for most of the total resistance the ship receives, which in turn is based on wave resistance caused by waves assuming that the ship is moving in an ideological fluid that is not viscous and when moving in a real fluid rather than an ideal fluid. It is divided by the viscous resistance due to the viscosity of the actual fluid occurring. Viscosity resistance may be further classified into frictional resistance on the surface of the vessel, which is independent of the shape of the vessel, and shape resistance, which occurs because the vessel has an arbitrary three-dimensional shape rather than a plane.
선박이 임의의 일정한 속도로 항주할 때, 선박의 표면에는 유체의 점성으로 인하여 접선방향으로 마찰력이 작용한다. 마찰저항은 선박이 받는 전체 저항 중에서 큰 비중을 차지하는데, 예를 들어 저속화물선의 경우는 전체 저항의 70~80% 정도에 이르고, 항주 속도가 증가하면 전체 저항에서 마찰저항이 차지하는 비율이 다소 감소하지만 최소한 40~50%를 차지하게 된다. 따라서, 선박이 받는 전체 저항을 감소시키기 위한 방안으로서 마찰저항을 저감시키기 위한 방법들이 시도되고 있으며, 이에는 수동적인 방법과 능동적인 방법이 있다. When the ship sails at any constant speed, frictional forces act on the surface of the ship due to the viscosity of the fluid. Friction resistance accounts for a large proportion of the total resistance received by ships. For example, low-speed cargo ships account for 70-80% of the total resistance, and as the speed of Hangzhou increases, the proportion of friction resistance in the overall resistance decreases slightly. But at least 40-50% of the total. Therefore, there are attempts to reduce the frictional resistance as a way to reduce the overall resistance received by the ship, and there are passive and active methods.
능동적인 방법은 마찰저항 저감장치가 유동에 직접 힘을 가하거나 유동을 직접 제어하는 방법으로서 하기와 같은 방법들이 있다.The active method is a method in which a frictional resistance reduction device directly applies a force to the flow or directly controls the flow.
대한민국 공개특허공보 제2002-77112호는 유연성있는 공기관을 내장한, 다수 의 슬릿이 형성되어 있는 파이프 하우징을 선체 표면의 내측 혹은 외측에 설치하여 상기 공기관을 펌프로서 수축, 팽창시켜 슬릿을 통한 유체의 흡입, 분출을 이루게 하여 선체 표면에 형성되는 난류의 유동장을 변화시켜 마찰저항을 감소시키는 방법 및 장치를 개시하고 있다.Korean Laid-Open Patent Publication No. 2002-77112 installs a pipe housing having a plurality of slits inside or outside of the hull surface by incorporating a flexible air tube, and contracts and expands the air tube as a pump to provide fluid through the slits. A method and apparatus for reducing frictional resistance by varying the flow field of turbulence formed on the hull surface by inhalation and ejection are disclosed.
또한, 대한민국 등록실용신안공보 제1992-8336호는 엔진과 각각 연결되는 한 쌍의 수차와, 상기 수차의 외측부에 위치하며, 그 중앙부에는 구멍이 형성되는 토출 물결 유도판과, 상기 수차의 양측 외주연부에 위치되어 상기 토출 물결 유도판의 양측에 부착되는 다수 개의 흡입, 토출변향익편 및 상기 구멍의 외측부에 부착되는 흡입물결 유도판으로 구성되어 있으며, 운항시 선수부에 부닺치는 물결의 마찰저항을 감소시키는 동시에 상기 한 쌍의 수차의 회전속도와 회전방향으로 선박의 운항방향을 조정하는 선박의 선수추진장치를 개시하고 있다.In addition, the Republic of Korea Utility Model Publication No. 1992-8336 is a pair of aberrations respectively connected to the engine, the discharge wave guide plate which is located in the outer portion of the aberration, the center portion is formed with a hole, the outer periphery of both sides of the aberration It consists of a plurality of suction, discharge deflection blades attached to both sides of the discharge wave guide plate and the suction wave guide plate attached to the outer side of the hole, and reduces the frictional resistance of the wave struck on the bow during operation And a bow propulsion device for a ship which adjusts the ship's operating direction in the rotational speed and the rotational direction of the pair of aberrations.
그러나, 현재 개발된 능동적인 방법들은 별도의 마찰저항 저감장치를 제작 설계하여야 하는 부담 이외에도, 마찰저항 저감장치를 부착함으로써 파생되는 에너지 저감효과보다도 오히려 유동을 제어하기 위하여 이러한 마찰저항 저감장치를 가동하는데 필요한 에너지가 더 크다는 단점을 가지고 있다. However, in addition to the burden of designing and designing a separate frictional resistance reduction device, the currently developed active methods operate the frictional resistance reduction device to control the flow rather than the energy reduction effect derived from attaching the frictional resistance reduction device. The disadvantage is that the required energy is larger.
한편, 마찰저항을 저감시키기 위한 수동적인 방법들은 선체의 외형을 바꾸어 마찰저항을 감소시키거나 선박의 일부분, 즉 선박의 선수, 선미 또는 저면에 부가물(appendage)을 부착하여 선박 표면의 유체 흐름을 제어함으로써 추진효율을 높이는 방법들이 이용되어 왔으며, 유동제어를 위한 에너지 공급이 없다는 장점으로 인하여 종래에 널리 이용되어 왔다. Passive methods to reduce frictional resistance, on the other hand, change the hull's appearance to reduce frictional resistance or to attach fluid to the surface of the ship by attaching an appendage to the ship's bow, stern or bottom. Methods to increase propulsion efficiency by controlling has been used, and has been widely used in the past due to the advantage of no energy supply for flow control.
선체의 외형을 바꾸어 마찰저항을 감소시키기 위한 방법으로서, 대한민국 등록특허공보 제359,933호는 선수를 가능한 한 전방으로 뾰족하게 함으로써, 이 선수에서 전방으로의 파반사, 파의 붕괴현상을 완화하여 파랑중 저항증가를 저감할 수 있는 비대선을 개시하고 있다.As a method to reduce the frictional resistance by changing the hull's appearance, Korean Patent Publication No. 359,933 points the athlete forward as far as possible, thereby relieving the wave reflection and the collapse of the wave forward from the athlete. The hypertrophic line which can reduce resistance increase is disclosed.
한편, 선박의 선수, 선미 또는 저면에 부가물을 설치하여 추진효율을 높이는 방법으로서, 대한민국 등록실용신안공보 2002-6929호는 유속의 저항을 줄이는 회전 반달원반을 개시하고 있으며, 이에 따르면 선박 선수에 회전 반달 원반을 장착하기 위하여 캡 내부에 스러스트 베어링을 삽입하고 보올 베어링을 회전 반달 원반축에 끼워 회전 반달 원반축을 캡으로 덮은 다음 선수에 고정함으로써 선박이 진행할 때 선박의 선수부에 부딛치는 유속의 저항이 줄어든다.On the other hand, as a way to increase the propulsion efficiency by installing an additive on the bow, stern or bottom of the ship, the Republic of Korea Utility Model Publication No. 2002-6929 discloses a rotating half-moon disc to reduce the resistance of the flow rate, according to The thrust bearing is inserted inside the cap to mount the rotating half moon disc, and the ball bearing is fitted to the rotating half moon disc axle to cover the rotating half moon disc axle and then fixed to the bow so that the resistance of the flow rate against the bow of the ship as the ship proceeds Decreases.
또한, 대한민국 공개특허공보 제1997-69724호는 선체의 하면에 오목부를 형성시키고, 특히 선체의 전면부에 공기가 흡입되는 공기 흡입부를 형성하고, 상기 공기 흡입부를 통해 유입된 공기가 오목부에 잠시 머문 후 선체 후면부의 후면 공기 배출부와 측면부의 측면 공기 배출부로 빠져나가게 함으로써, 상기 선체의 하면에 형성된 오목부에 공기가 지체되어 압력이 발생하게 되고, 이 압력에 의해 선체가 상승력을 받아 물과의 접촉 부위가 최대한 감소되어 마찰저항을 감소시킬 수 있는 고속선박의 구조를 개시하고 있다.In addition, Korean Unexamined Patent Publication No. 1997-69724 forms a concave portion on the lower surface of the hull, in particular, an air intake portion through which the air is sucked into the front surface of the hull, and the air introduced through the air intake portion temporarily After staying, the air is delayed to the recess formed in the lower surface of the hull, and the pressure is generated by the evacuation of the rear air exhaust portion and the side air exhaust portion of the side portion of the hull. Disclosed is a structure of a high-speed ship that can reduce the frictional resistance as much as possible.
상기 수동적 방법들은 선박의 마찰저항을 감소시키기 위한 방법으로서 능동적 방법들에 비하여 상대적으로 에너지 절감 효율이 높다는 장점을 가지지만, 선박의 외형 자체를 변형시켜야 하는 관계로 선박의 제조공정을 복잡하게 하고 제조원 가를 상승시키는 요인이 된다. The passive methods have the advantage of relatively high energy saving efficiency compared to the active methods as a method for reducing the frictional resistance of the ship, but complicates the manufacturing process of the ship as it must modify the ship's appearance itself. It is a factor that raises the price.
이에, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 유체 속에서 운동하는 물체의 외형 자체를 변화시키거나 별도의 부가물을 설치함이 없이, 간단한 공정 및 저렴한 비용으로 물체 표면에 작용하는 마찰저항을 감소시킴으로써 연료비를 현저하게 절감할 수 있는, 유체 속에서 운동하는 물체의 마찰저항을 감소시키는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention is a method for solving the above problems, frictional resistance acting on the surface of the object in a simple process and low cost, without changing the appearance of the object moving in the fluid itself or installing a separate additive It provides a method of reducing the frictional resistance of a moving object in the fluid, which can significantly reduce the fuel cost by reducing the.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 유체 속에서 운동하는 물체의 표면에 미세돌기 어레이를 형성하여 상기 물체에 부하되는 마찰저항을 감소시키는 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method of reducing the frictional resistance to the object by forming an array of fine protrusions on the surface of the object moving in the fluid.
상기 미세돌기의 형상은 특별히 제한되지 않으나, 반구형(hemisphere), 삼각형, U자형 및 송곳형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.The shape of the fine protrusions is not particularly limited, but is preferably selected from the group consisting of hemispheres, triangles, U-shapes, and awls.
바람직하게는, 상기 미세돌기의 돌출 높이는 5㎛ 내지 50㎛이고, 미세돌기 사이의 간격은 8㎛ 내지 80㎛이다.Preferably, the protrusion height of the fine protrusions is 5㎛ to 50㎛, the interval between the fine protrusions is 8㎛ to 80㎛.
상기 미세돌기는 소수성 물질로 형성되며, 이러한 소수성 물질은 테프론, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리머인 것이 바람직하다.The microprojections are formed of a hydrophobic material, and the hydrophobic material is preferably a polymer selected from the group consisting of Teflon, polydimethylsiloxane, polyethylene, and polypropylene.
상기 미세돌기는 강화재를 더 포함할 수 있으며, 상기 강화재는 탄소나노튜브인 것이 바람직하다. The fine protrusion may further include a reinforcing material, and the reinforcing material is preferably carbon nanotubes.
상기 유체 속에서 운동하는 물체의 표면은 선박의 수선면 하부 선체 표면인 것이 바람직하다.The surface of the object moving in the fluid is preferably the surface of the hull below the waterline of the vessel.
또한, 본 발명은, 유체 속에서 운동하는 물체에 부하되는 마찰저항을 감소시키는 방법에 있어서, 표면에 미세돌기 어레이를 가진 폴리머 필름을 형성하는 단계 및 상기 폴리머 필름을 상기 물체의 표면에 부착시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for reducing the frictional resistance that is loaded on an object moving in a fluid, forming a polymer film having an array of micro-projections on the surface and attaching the polymer film to the surface of the object It provides a method comprising a.
상기 미세돌기 어레이는 MEMS 또는 LIGA 미세공정을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.The microprojection array is preferably formed using a MEMS or LIGA microprocess.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
유체 속에서 운동하는 물체의 표면에 발생하는 마찰저항은 유체가 가지는 끈적끈적한 성질인 점성에 의한 저항으로서, 이러한 마찰저항은 유체와 맞닿는 물체의 표면에서 주로 발생된다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 실해역을 항해하는 선박의 경우에는 선박 표면이 물과 접하는 부분인 수선면 하부 선체(2)에서 대부분의 마찰저항이 발생된다. 이러한 표면 마찰저항은 물체의 표면상태, 즉 물체 표면의 조도, 물체 표면의 형상 등에 따라 그 크기가 크게 달라진다. The frictional resistance generated on the surface of an object moving in a fluid is a resistance due to viscosity, which is a sticky property of the fluid, and this frictional resistance is mainly generated on the surface of the object in contact with the fluid. For example, referring to FIG. 1, in the case of a ship sailing in a real sea area, most frictional resistance is generated in the water hull
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 다양한 형상을 갖는 미세돌기를 개략적으로 나타낸 모식도로서, 이러한 미세돌기는 반구형, 삼각형, U자형, 송곳형 또는 사각형의 형상을 가질 수 있으며, 돌출 높이(3)는 5㎛ 내지 50㎛이고, 미세돌기 사이의 간격(4)은 8㎛ 내지 80㎛이다. Figure 2a to 2d is a schematic diagram showing the micro-projections having a variety of shapes of the present invention, these micro-projections may have a shape of hemispherical, triangular, U-shaped, awl or square, the protrusion height (3) It is 5 micrometers-50 micrometers, and the space |
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 유체 속에서 운동하는 물체의 표면에 물체의 주 유동 방향으로 형성된 미세한 돌기는 물체 주위에서 유체의 흐름을 원활하게 하여 주 유동 방향에 수직인 측면 방향으로 빠져 나가는 유동을 잡아주게 되어 표면 마찰저항을 감소시킨다. 즉, 미세돌기(micro riblet)는 물체 표면의 형상을 변화시킴으로써, 하기와 같은 2가지 원리에 의하여 물체 표면의 마찰저항을 감소시키게 된다.2A to 2D, the minute protrusions formed on the surface of the object moving in the fluid in the main flow direction of the object smooth the flow of the fluid around the object and exit in the lateral direction perpendicular to the main flow direction. To reduce surface frictional resistance. That is, the micro riblets change the shape of the object surface, thereby reducing the frictional resistance of the object surface by the following two principles.
첫째, 미세돌기 사이의 간격을 적절히 조절하면 물체 표면의 난류경계층에 있는 유동방향 소용돌이(streamwise vortex)들이 미세돌기 사이로 들어오지 못하게 되거나, 미세돌기들이 유동방향 소용돌이들의 횡방향(spanwise)운동을 막아 물체 표면의 마찰저항을 감소시키게 되는 원리이다. 실제로, 표면에 미세돌기가 존재하지 않는 평판의 경우, 유동방향 소용돌이들이 평판 표면에 접근하게 되면 마찰저항이 증가하게 된다.First, proper spacing between the microprojections prevents streamwise vortices in the turbulent boundary layer of the object surface from entering between the microprojections or prevents the microprojections from spanning the flowwise vortices in the object surface. This is to reduce the frictional resistance of the. In fact, in the case of a plate having no micro projections on the surface, the frictional resistance increases as the flow vortices approach the surface of the plate.
둘째로, 끝단(tip)이 뾰족하게(sharp) 제작된 미세돌기는, 난류경계층 내에 존재하는 큰 에디(eddy) 또는 큰 소용돌이들을 깨뜨려서 작은 에디로 분산시킴으로써, 물체 표면의 마찰저항을 감소시키게 된다.Secondly, the micro-projections with sharp tips reduce the frictional resistance of the surface of the object by breaking large eddys or large vortices present in the turbulent boundary layer and dispersing them into small eddys. .
따라서, 본 발명에 의한 미세돌기의 형상으로는 반구형, 삼각형, U자형, 송곳형 등 여러 가지가 사용될 수 있으나, 상기 설명한 바와 같이, 물체 표면의 난류경계층에 있는 유동방향 소용돌이(streamwise vortex)들이 미세돌기 사이로 들어오지 못하게 하거나 유동방향 소용돌이들의 횡방향(spanwise)운동을 막아 물체 표면의 마찰저항을 감소시키고, 난류경계층 내에 존재하는 큰 에디 또는 큰 소용돌이들을 깨뜨려 작은 에디로 분산시키는 데에 더욱 효과적으로 작용하기 위하여 삼각형 또는 반구형인 것이 바람직하다.Therefore, as the shape of the micro-projections according to the present invention, a variety of hemispherical, triangular, U-shaped, awl, etc. can be used, but as described above, the flowwise vortices in the turbulent boundary layer of the object surface are fine. In order to reduce the frictional resistance of the surface of the object by preventing it from entering between projections or to prevent the spanwise movement of flow vortices, and to act more effectively to break up large eddies or large eddies present in the turbulent boundary layer and disperse them into smaller eddies. It is preferred that it is triangular or hemispherical.
미세돌기를 이용한 마찰저항 감소에는 돌기의 높이와 돌기 사이의 간격이 매우 중요하다. 실험 결과, 가장 적절한 미세돌기의 높이와 돌기 사이의 간격에 대한 값은 하기와 같은 식으로 표현될 수 있었다.In order to reduce the frictional resistance using the fine protrusions, the height of the protrusions and the distance between the protrusions are very important. As a result of the experiment, the value of the most appropriate height of the protrusions and the distance between the protrusions could be expressed as follows.
h+ = (h Uτ)/υ= 13, s+ = (s Uτ)/υ= 20h + = (h Uτ) / υ = 13, s + = (s Uτ) / υ = 20
상기 식에서, h는 미세 돌기의 높이이고, s는 돌기 사이의 간격이며, h+ 및 s+는 각각, 미세돌기의 높이 및 돌기 사이의 간격을 마찰 속도로 무차원화한 값이다. 또한, Uτ= 마찰 속도 (friction velocity), υ= 동점성계수 (kinematic viscosity)로서, Uτ는 완전발달된 난류경계층의 속도구배로부터 계산할 수 있고, υ는 작동유체의 고유한 점성을 나타낸다.In the above formula, h is the height of the fine protrusions, s is the interval between the protrusions, and h + and s + are values obtained by dimensioning the height of the fine protrusions and the interval between the protrusions without frictional speed, respectively. In addition, Uτ = friction velocity, ν = kinematic viscosity, U τ can be calculated from the velocity gradient of the fully developed turbulent boundary layer, ν represents the inherent viscosity of the working fluid.
이러한 본 발명에 의한 미세돌기의 미세구조는 로터스 나뭇잎의 생물학적 표면과 유사하다. 도 3을 참조하면, 로터스 나뭇잎은 특별한 미세구조 및 소수성(hydrophobic) 표면을 가지고 있는데, 로터스 나뭇잎에 먼지 등의 이물질이 흡착될 경우, 나뭇잎 위로 물을 흘려주면 물방울이 이러한 이물질을 제거하는 자정기능을 가지고 있다. 즉, 나뭇잎 위의 이물질 입자들은 로터스 나뭇잎 표면이 마루(5)와 골(6)을 갖는 특수한 구조로 되어 있어 미세구조를 갖는 표면과의 접촉 면적이 작아지게 되고, 이러한 미세구조는 나뭇잎 표면으로부터 먼지 입자들을 떼어 놓는데 필요한 에너지를 최소화시키는 기능을 하게 된다.The microstructure of the microprojections according to the present invention is similar to the biological surface of the lotus leaf. Referring to FIG. 3, the lotus leaf has a special microstructure and a hydrophobic surface. When foreign matter such as dust is adsorbed on the lotus leaf, water flows through the leaf to remove the foreign matter. Have. That is, the foreign matter particles on the leaves have a special structure in which the lotus leaf surface has the
더욱이, 로터스 나뭇잎의 가장 바깥 외피에는 비결정(amorphous) 피막으로서 미세왁스결정층(microscopic wax crystal)(7)이 존재하며, 이러한 피막은 나뭇잎의 표면을 소수성으로 만들어 물방울의 나뭇잎 표면에 대한 점성을 약화시키는 기능을 하게 된다.Moreover, the outermost outer shell of the lotus leaf contains a
따라서, 본 발명에서는 로터스 나뭇잎의 생물학적 표면 형태에 착안하여, 유체 속을 운동하는 물체의 표면 마찰저항을 감소시키기 위한 방법에 있어서, 물체 주위의 흐름을 원활하게 해주는 동시에 오염을 자체 제거하기 위한 자정(自淨, self-cleaning) 효과를 가지는 미세돌기를 사용하는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention focuses on the biological surface shape of the lotus leaf, and in the method for reducing the surface frictional resistance of the object moving in the fluid, it is possible to smooth the flow around the object and at the same time, It provides a method of using fine protrusions with self-cleaning effects.
미세돌기의 재질로는, 로터스 나뭇잎의 미세왁스 결정층과 유사한 작용을 할 수 있도록 미세돌기의 표면에서의 물과의 접촉각이 140도 이상이 되는 소수성 폴리머 계열 재료인 테프론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 물질들을 사용할 수 있다.As the material of the microprojections, Teflon, polyethylene, polypropylene, and poly are hydrophobic polymer-based materials that have a contact angle with water of 140 degrees or more on the surface of the microprojections so that they can function similar to the microwax crystal layer of lotus leaves. Materials such as dimethylsiloxane (polydimethylsiloxane, PDMS) can be used.
물체의 표면에 미세돌기를 형성하는 방법으로는, 미세돌기를 물체의 표면에 직접 형성하는 방법과 미세돌기를 가진 필름을 물체의 표면에 부착시키는 방법이 있다.As a method of forming fine protrusions on the surface of an object, there are a method of directly forming fine protrusions on the surface of an object and a method of attaching a film having fine protrusions to the surface of an object.
구체적으로는, 예를 들어 물체의 표면에 미세돌기 어레이 패턴이 배열되어 있는 마스크를 설치하고, 소수성 폴리머 물질 조성물을 코팅한 다음, 마스크를 제거함으로써 물체의 표면에 미세돌기 어레이를 직접 형성하는 방법을 이용할 수 있다.Specifically, a method of directly forming the microprotrusion array on the surface of an object by, for example, installing a mask having the microprotrusion array pattern arranged on the surface of the object, coating the hydrophobic polymer material composition, and then removing the mask. It is available.
또한, 표면에 미세돌기를 가진 폴리머 필름을 형성한 다음 물체의 표면 부분에 그 필름을 부착하는 방법을 이용할 수 있다. 필름을 부착시키는데 있어서는 이 형성 접착제층을 이용하는 등, 통상의 공지된 방법을 이용할 수 있다. 필름에 미세돌기를 형성함에 있어서는 통상의 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)나 방사광 가속기의 LIGA(Lithographie Galvano-formung Abformung) 미세가공 기술을 이용할 수 있다.In addition, a method of forming a polymer film having fine protrusions on the surface and then attaching the film to the surface portion of the object may be used. When attaching a film, a conventionally well-known method, such as using this formation adhesive layer, can be used. In forming fine projections on the film, conventional MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) or LIGA (Lithographie Galvano-formung Abformung) microfabrication technology of an emission accelerator can be used.
도 4a 내지 도 4e는, 예를 들어 PDMS 재료를 사용하여 MEMS 기법으로 필름에 미세돌기를 형성하는 경우를 도시하고 있다. 이를 참조하면, 우선 실리콘 웨이퍼(Si wafer)(8) 위에 SU-8 포토-레지스트(photo-resist, PR)(9)를 코팅한 후(도 4a), 미세돌기의 형상이 미리 디자인된 이멀전(emulsion) 마스크(10)를 덮고, 자외선(UV, ultra violet)(11) 노광(exposure)을 한다(도 4b). SU-8은 네가티브 포토-레지스트이기 때문에 현상(development)을 하고 나면, 자외선에 노광된 부분만 남게 된다. 이렇게 실리콘 웨이퍼 위에 포토-레지스트가 설계되어 올려진 것을 마스터(master)라 한다(도 4c).4A-4E illustrate the formation of microprojections in a film by MEMS techniques, for example using PDMS materials. Referring to this, first, a SU-8 photo-resist (PR) 9 is coated on a Si wafer 8 (FIG. 4A), and then an emulsion having a pre-designed microprojection shape is designed. The mask 10 is covered, and an ultraviolet (UV) ultra violet (11) exposure is performed (FIG. 4B). Since SU-8 is a negative photo-resist, after development, only the part exposed to ultraviolet light remains. The photo-resist designed and mounted on the silicon wafer is called a master (FIG. 4C).
다음은 PDMS를 몰딩(molding)하는 과정으로, 상기 설명한 바와 같이 제조된 마스터 위에 PDMS(12)를 붓고(도 4d), PDMS를 굳힌 후, PDMS를 마스터로부터 분리해 내면 표면에 미세돌기가 형성된 PDMS 필름을 제조할 수 있다(도 4e).Next is a process of molding the PDMS, by pouring the
한편, 미세돌기의 강도 강화를 위하여 상기 폴리머에 강도 강화재를 첨가할 수 있다. 이러한 강도 강화재로는 강도 강화의 목적으로 사용될 수 있는 것이라면 제한이 없으며, 탄소나노튜브를 이용하는 것이 바람직하다.On the other hand, to enhance the strength of the fine protrusions may be added to the strength enhancer to the polymer. The strength reinforcing material is not limited as long as it can be used for the purpose of strength reinforcement, it is preferable to use carbon nanotubes.
도 5는 본 발명의 미세돌기 강화 재료로서 사용되기에 바람직한 물질로서 탄소 나노튜브(carbon nanotube)를 도시하고 있으며, 도 5에 따르면, 상기 탄소 나노 튜브는 직경(13)이 보통 수 nm 정도로 작고, 길이(14)가 수 ㎛ 정도인 속이 빈 튜브(혹은 실린더)와 같은 모양을 갖고 있으며, 탄소 원자는 3개의 다른 탄소 원자와 결합되어 육각형 벌집 무늬를 형성한다. FIG. 5 illustrates carbon nanotubes as a preferred material for use as the microprojection reinforcing material of the present invention. According to FIG. 5, the carbon nanotubes have a
이러한 탄소 나노튜브의 강도는 튜브 축에 평행한 방향에서는 이상적인 탄소 섬유에 가까운 수치를 나타내고, 튜브 축에 수직한 방향에서는 굽힘각이 110 까지 완전히 굽어질 수 있을 정도로 유연성이 좋다. 탄소 나노튜브의 인장 탄성계수는 종래의 알려진 재료 중에서 가장 높은 수치인 1 TPa에 이르고, 장력 강도는 ~200GPa에 이른다. 탄소 나노튜브의 이러한 기계적인 특성을 이용하게 되면 미세돌기의 내구성 및 내식성을 크게 강화할 수 있다.The strength of the carbon nanotubes is close to ideal carbon fiber in the direction parallel to the tube axis, and flexible enough to bend the angle completely to 110 in the direction perpendicular to the tube axis. The tensile modulus of the carbon nanotubes reaches the highest value of 1 TPa, and the tensile strength reaches ~ 200 GPa. Using these mechanical properties of carbon nanotubes can greatly enhance the durability and corrosion resistance of the microprojections.
본 발명에 의한 미세돌기는 유체, 즉 기체 또는 액체 속에서 운동하는 다양한 물체의 표면에 적용될 수 있으며, 예를 들어 선박, 자동차, 항공기 등의 다양한 운송 수단에 적용될 수 있고, 각 운송 수단의 특성을 고려하여 미세돌기의 돌출 높이를 달리할 수가 있다. 예를 들어, 본 발명에 의한 미세돌기가 선박의 표면에 사용되는 경우에는, 미세돌기의 돌출 높이는 10 내지 40㎛가 바람직하고, 자동차의 표면에 사용되는 경우에는, 미세돌기의 돌출 높이를 1 내지 20㎛로 하는 것이 바람직하다.The micro-projections according to the present invention can be applied to the surface of a fluid, that is, a gas or a variety of objects moving in the liquid, for example, can be applied to a variety of transportation means such as ships, cars, aircraft, etc. In consideration of this, the protrusion height of the fine protrusions may be changed. For example, when the micro-projections according to the present invention are used on the surface of the ship, the projection height of the micro-projections is preferably 10 to 40 µm, and when used on the surface of the automobile, the projection height of the micro-projections is 1 to 1. It is preferable to set it as 20 micrometers.
도 6은 본 발명에 의한 미세돌기를 선박의 표면에 사용한 경우를 나타낸 예시도이다. 도 6에 따르면, 선박의 경우, 유체에 의한 마찰 저항은 주로 물과 접하는 선박 표면에서 발생되므로, 선박의 수선면 하부 선체 중 선체 옆면(15), 선수(16), 선저(17) 및 선미(18)에 미세돌기를 가진 필름이 코팅되어 있다. 물체의 진행방향과 미세돌기 홈의 방향이 45도 이상 벗어나면 마찰저항의 감소 효과가 작아지므로, 상기 미세돌기를 방향 변화량이 작은 곳에 설치하는 것이 바람직하다.6 is an exemplary view showing a case where the micro-projection according to the present invention is used on the surface of the ship. According to Figure 6, in the case of a ship, the frictional resistance caused by the fluid is mainly generated on the surface of the ship in contact with the water, so that the
본 발명에 따르면, 유체에 의한 마찰저항을 감소시킬 수 있고, 이렇게 형성된 미세돌기 표면은 자정(自淨, self-cleaning) 효과를 가짐으로써 오염물질이 운동 물체나 미세돌기에 부착하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 미세돌기에 탄소 나노튜브를 강화재로서 이용함으로써 미세돌기의 내침식성 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the frictional resistance caused by the fluid can be reduced, and the thus formed microprotrusion surface has a self-cleaning effect, thereby preventing contaminants from adhering to the moving object or the microprotrusion. . In addition, by using carbon nanotubes as reinforcing materials in the fine protrusions, the corrosion resistance and durability of the fine protrusions can be further improved.
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