KR20200127351A - 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 표면에 일정형상의 구조체가 형성된 PDMS 필름을 준비하는 단계; 및 상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성을 갖는 나노입자를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초소수성을 갖는 나노입자 형성방법{Method of forming nanoparticles having superhydrophobicity}

본 발명은 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 표면에 일정형상의 마이크로 구조체가 형성된 투명한 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성 및 소유성이 구현된 투명 나노입자를 간단하고 용이하게 생성할 수 있는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법에 관한 것이다.

초발수 표면은 물방울과 계면간의 접촉각이 150° 이상이고 roll off 각이 10° 이하를 말하며, 물방울에 젖지 않으면서 자가 세정이 된다.

대표적인 예는 연잎, 나비의 날개, 소금쟁이의 다리이다. 초발수 표면은 물방울이 쉽게 구를 수 있기 때문에 오염방지, 자가 세정, 액적 제어 등의 특성으로 생물학적, 산업적으로 얼음 방지, 안개 방지, 생물의 부착 방지, 세포 제어, 물방울 포집, 표면의 오염물질 제거 등 다양하게 응용 된다.

이러한 초발수 표면을 모방하기 위해 주로 낮은 표면 에너지를 갖는 재료를 사용해 액체가 가지는 표면 응집력이 고체의 표면 장력보다 큰 힘을 갖게 하거나 마이크로/나노 계층 구조를 형성하여 물방울과의 접촉을 최소화 한다.

한편, 표면에서의 물방울 상태는 낮은 표면 에너지, 표면의 거칠기가 중요한 요인으로 소수성 표면을 인위적으로 만들려는 연구들이 보고된 바 있다.

초발수 표면을 모방한 연구들은 실리콘을 포토리소그래피를 이용해 식각 후 마이크로 나노 구조를 제작하는 연구, 실리콘 표면에 레이저를 이용하여 초발수 표면으로 가공하는 연구, 그 외에도 금속을 사용하는 연구, 나노튜브 등을 이용한 연구들이 있다. 이 연구들은 투과도가 현저히 낮고 사용되는 기판에 신축성이 낮아 응용분야야가 좁다는 단점이 있다.

한편, 최근에는 신축성을 가지면서 표면에 실리카를 증착시키는 연구, nano composite을 spray하여 초발수 표면을 만드는 연구가 진행되었지만 투명하지 않다는 단점과 물에 대해서만 repellent하다는 단점이 있다.

특히, 여러 소수성 표면에서 마이크로 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 구조 사이의 지면과 물방울과의 중력으로 인해 물방울이 Cassie-Baxter 상태에서 Wenzel 상태로 시간이 흐름, 부피에 따라 trapped이 되어 wetting이 되는 현상이 있었다.

또한, 마이크로 구조의 경우 손상 시 소수성을 잃어버리게 되므로 마이크로 구조 위에 나노구조를 생성하여 내구성을 증가시킬 필요가 있다.

이에 소수성 표면에 나노 입자를 코팅하여 거칠기를 높여 접촉각을 최대화하는 연구가 진행되었지만 물리적으로 분사한 나노 입자는 작은 충격에도 쉽게 제거되며 분사된 나노 입자들이 응집하는 현상으로 인해 구조가 불균일해진다는 단점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 표면에 일정형상의 마이크로 구조체가 형성된 투명한 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성 및 소유성이 구현된 투명 나노입자를 간단하고 용이하게 생성할 수 있는 마이크로 구조 표면에 초소수성을 갖는 투명 나노입자 형성방법 제공을 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 상술한 목적을 달성하기 위하여 표면에 일정형상의 구조체가 형성된 PDMS 필름을 준비하는 단계 및 상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성을 갖는 나노입자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 확산화염은 파라핀 양초 또는 소이 양초의 확산연소시 발생하는 500℃ 이상의 화염일 수 있다.

바람직하게는 상기 나노입자를 생성하는 단계는, 상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염으로 40~50초 동안 연소시켜 생성될 수 있다.

바람직하게는 상기 나노입자는 실리카 입자와 탄소 입자로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 나노입자를 생성하는 단계는, 상기 구조체의 측벽에 균일한 나노입자를 생성하기 위하여 상기 PDMS 필름을 일정한 기울기로 기울인 상태에서 연소시킬 수 있다.

바람직하게는 상기 구조체는 버섯, 사각기둥 및 원기둥을 포함하는 형상에서 선택된 어느 하나로 마이크로 단위 크기를 갖는 구조체일 수 있다.

바람직하게는 소유성 구현을 위해 상기 나노입자가 생성된 PDMS 필름의 표면에 플루오린기 실란을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 플루오린기 실란을 코팅하는 단계는 n-hexane: Heptadecafluoro-1,1,2,2, -tetrahydrodecyltrichlorosilane = 1000 : 1로 혼합하여 나노 실리카가 생성된 PDMS를 24시간 동안 용액 안에 넣고, 24시간 후 PDMS 필름을 hexane에 cleaning 후 60℃ 오븐에 3시간 동안 건조할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 표면에 일정형상의 마이크로 구조체가 형성된 투명한 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성 및 소유성이 구현된 투명 나노입자를 간단하고 용이하게 생성할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 종래 Wenzel 상태의 마이크로 구조를 지닌 소수성 표면을 보여주는 도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 초발수성을 갖는 나노입자 형성방법의 전체 공정도다.
도 3은 투명한 PDMS 필름 표면에 마이크로 구조체를 형성하는 단계를 도시한 공정도다.
도 4는 도 3에 도시된 단계를 통해 형성된 마이크로 구조체의 형상을 나타내는 SEM(scanning electron microscope ) 이미지다.
도 5는 초소수성 나노입자가 생성된 PDMS를 이용한 초발수 표면의 마이크로 채널을 도시한 도다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 초발수성 나노 실리카 입자가 생성된 PDMS 필름(버섯구조) 이미지이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초발수성 나노 실리카 입자가 생성된 PDMS 필름(원기둥 구조) SEM 이미지다.
도 8은 표면 연소 전 접촉각(145°) 표면 연소 후 접촉각(161°)을 보여주는 이미지이며, 도 9는 HDFS 코팅 후 n-Hexadecane에 대한 접촉각(147도°)을 보여주는 이미지다.
도 10은 PR몰드를 통해 제작한 버섯 구조의 PDMS 필름에 확산화염을 이용한 연소 시 소수성 나노입자를 생성한 표면의 원소 함량 XPS 분석 결과를 도시한 그래프이며, 도 11은 HDFS 코팅 후 표면 XPS 분석 결과를 도시한 그래프다.
도 12는 평면(flat)의 PDMS에서 Scotch tape 부착 후 제거 시 접촉각 변화(각각 161°, 132°, 113°)를 나타내는 이미지, 도 13은 버섯 구조를 지닌 PDMS에서 Scotch tape 부착 후 제거 시 접촉각 변화를 나타내는 이미지이며, 도 14는 도 13에서 접촉각을 측정한 표면의 SEM 이미지이다.
도 15는 평균 1N의 힘을 가했을 때 Sand paper의 grit에 따른 접촉각 변화를 보여주는 그래프이며, 도 16은 1000grit로 sliding한 버섯 구조 표면 및 3000grit로 sliding한 버섯 구조 표면의 SEM 이미지다.
도 17은 초발수 PDMS 필름에 속력을 가진 모래의 충격 내구성 테스트 실험에 따른 모래 충격 후 접촉각을 나타내는 이미지다.
도 18은 Water drop 후 volume drop에 따른 접촉각 변화를 보여주는 이미지다.
도 19 내지 21은 플라즈마 실험결과를 보여주는 이미지 및 그래프다.
도 22는 본 발명의 실시 예들에 따라 제작된 PDMS 필름 인장 실험의 결과를 보여주는 이미지다.
도 23은 마이크로 구조 위에 나노 구조가 있을 경우 젖음이 발생하지 않는 Cassie-baxter 상태의 결과를 보여주는 도다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

이와 관련하여 먼저 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 초발수성을 갖는 나노입자 형성방법의 전체 공정도, 도 3은 투명한 PDMS 필름 표면에 마이크로 구조체를 형성하는 단계를 도시한 공정도, 도 4는 도 3에 도시된 단계를 통해 형성된 마이크로 구조체의 형상을 나타내는 SEM(scanning electron microscope ) 이미지,도 5는 초소수성 나노입자가 생성된 PDMS를 이용한 초발수 표면의 마이크로 채널을 도시한 도, 도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 초발수성 나노 실리카 입자가 생성된 PDMS 필름(버섯구조) 이미지이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초발수성 나노 실리카 입자가 생성된 PDMS 필름(원기둥 구조) SEM 이미지다.

상기 도 2 내지 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 표면에 일정형상의 구조체가 형성된 PDMS 필름을 준비하는 단계(S100)를 포함한다.

이때, 상기 PDMS 필름은 polydimethylsiloane을 의미하며, 상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 표면에 일정형상의 구조체가 형성된 PDMS 필름을 준비하는 단계는 포토리소그래피 방법을 이용해 감광제(photoresist) 몰드를 제작하여 PDMS를 curing하여 마이크로 단위의 구조체를 제작한다.

이때, 사용된 PR은 AZ4620이며, PDMS는 base: curing agent=10:1로 사용한다.

한편, 몰드를 제작하는 방법에선 PR을 일반적인 포토리소그래피 공정과 다르게 soft baking과정에서 underbaking하여 solvent가 완전히 날아가지 않은 상태로 만들어 underexposure시 solvent가 빛을 흡수하여 버섯 모양의 수직 마이크로 구조의 PR몰드를 제작한다.

제작된 몰드에 PDMS를 curing 후 몰드를 제거하여 상기 도 4의 SEM 이미지 구조를 얻는다.

이때, 상기 도 4의 (a)는 본 발명의 일실시 예에 따라 PDMS의 표면에 형성된 버섯형상의 마이크로 구조체이며, (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 PDMS의 표면에 원기둥 형상의 마이크로 구조체이다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 있어서는 상기 마이크로 구조체의 형상에 대해 버섯 또는 원기둥 형상을 예로 들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니라 할 것이며 사각기둥과 같은 다양한 형상으로 형성될 수도 있다.

한편, 상기 도 3과 같은 포토리소그래피 공정을 이용하여 PDMS 필름을 제작하고 추가적인 초소수성 나노 입자 생성 후 micro contact printing을 통해서 초발수 표면의 마이크로 채널을 제작 할 수도 있다.

보다 상세하게는 상기 마이크로 채널은 제작된 빈공간을 가지는 PDMS 필름과 다른 빈 공간을 가지는 PDMS 필름을 micro contact printing으로 붙여서 도 5에 도시된 바와 같은 빈공간의 채널을 제작할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성을 갖는 나노입자를 생성하는 단계(S200)를 포함한다.

이때, 상기 확산화염이라 함은 확산연소 시 발생되는 화염을 의미하며, 확산연소는 연료와 공기를 혼합시키지 않고 연료만 분출시켜 연소에 필요한 공기는 모두 화염의 주변에서 확산에 의해 공기와 연료를 서서히 혼합시키면서 연소시키는 방식을 의미한다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 있어서, 확산화염은 파라핀 양초 또는 소이 양초의 확산연소 시 발생하는 500℃ 이상의 화염을 이용하며, 이때 상기 소이양초는 소이빈(soybean)과 양초(candle)의 합성어로, 석유로 만든 파라핀 양초와는 달리 콩에서 추출한 재료로 만든 양초를 의미한다.

이때, 상기 소이양초와 같이 천연성분의 왁스를 사용하는 양초의 경우, 그을음을 줄일 수 있어 투과도 개선에 도움을 줄 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 상기 나노입자를 생성하는 단계(S200)는, 상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염으로 40~50초, 보다 상세하게는 45초 동안 연소시켜 생성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 온도 및 시간 조건의 확산화염에 PDMS 필름 표면을 노출시킴으로써 소수성 PDMS 필름을 발화점 이상의 온도로 가열시 표면에 나노 입자가 생성되고, 개질된 나노입자의 표면은 초소수성 성질을 가지게 된다.

이때, 상기 나노입자는 실리카 입자와 탄소 입자로 이루어진다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 상기 마이크로 구조체의 측벽에 균일한 나노 입자의 형성을 위해 파라핀 양초 또는 소이 양초에서 가열할 때 PDMS 필름에 일정한 기울기를 인가하여 PDMS 필름 전면에 고르게 나노입자를 형성한다.

이때, 인가되는 기울기는 필요에 따라 다양한 값의 기울기를 인가할 수 있으므로 이에 대한 특별한 한정은 두지 아니한다.

결과적으로 본 발명의 실시 예들에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 상술한 기술적 구성들을 통해 상기 도 6 및 7에 나타난 바와 같이 마이크로 구조 표면에 초소수성을 갖는 투명 나노입자를 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법은 소유성 구현을 위해 상기 나노 입자가 생성된 PDMS 필름의 표면에 플루오린기 실란을 코팅하는 단계(S300)를 더 포함한다.

이때, 플루오린기 실란을 코팅하는 단계(S300)는 n-hexane: Heptadecafluoro-1,1,2,2, -tetrahydrodecyltrichlorosilane(HDFS) = 1000 : 1로 혼합하여 나노 실리카가 생성된 PDMS를 24시간 동안 용액 안에 넣고, 24시간 후 PDMS필름을 hexane에 cleaning 후 60℃ 오븐에 3시간동안 건조한다.

본 발명의 실시 예들은 상술한 확산 화염을 이용한 연소를 통해 PDMS 위에 나노 입자가 생성되어 플루오린 기 실란을 표면에 dip-coating시, Si와 F가 붙어 표면에너지를 낮출 수 있어 소유성을 가진다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들에 따른 초소수성을 갖는 나노입자가 형성된 마이크로 구조 PDMS 표면의 효과에 대해 상세하게 설명한다.

1. Contact angle

이와 관련하여 먼저, 도 8은 표면 연소 전 접촉각(145°) 표면 연소 후 접촉각(161°)을 보여주는 이미지이며, 도 9는 HDFS 코팅 후 n-Hexadecane에 대한 접촉각(147도°)을 보여주는 이미지다.

이때, 버섯 구조 생성 시 PDMS 필름의 접촉각은 145°로 평면(flat)의 PDMS 보다 높지만 낮은 roll off 각도와 물을 dynamic하게 drop할 시 wetting이 된다는 단점이 있어 열처리를 통해 나노입자를 생성하면 구조 사이에 생성된 air pocket에 이점으로 wetting없이 Cassie-Baxter 상태를 유지하며 161°의 높은 발수각을 보인다.

또한, 추가로 HDFS 코팅을 진행하면 표면에너지가 낮아져 기름에 대해서도 높은 발유각을 보이는데 상기 도 9에서와 같이 147°의 발유각을 보여 oleophobic을 갖는다.

2. XPS result

이와 관련하여 도 10은 PR몰드를 통해 제작한 버섯 구조의 PDMS 필름에 확산화염을 이용한 연소 시 소수성 나노입자를 생성한 표면의 원소 함량 XPS 분석 결과를 도시한 그래프이며, 도 11은 HDFS 코팅 후 표면 XPS 분석 결과를 도시한 그래프다.

상기 도 10 및 11을 참조하면, 측정으로 관찰된 4개의 피크는 산소 원자 O1s 스펙트럼과 탄소원자 C1s, 실리콘 원자의 Si2P와 Si2S 스펙트럼을 각각 나타낸다.

열처리 후 Si의 피크가 Binding energy 103 eV에서 보이는 것으로 생성 된 나노 입자 중 상당 수가 나노 실리카가 생성됨을 확인한다.

한편, 버섯 구조 위에 생성된 나노 실리카가 air pocket의 역할을 하며 물방울이 표면에 닿을 때 wetting이 되지 않고 튕겨지며 접촉각은 160° 이상을 보이며, 표면을 HDFS로 코팅 후 XPS를 확인 시 Si와 F가 결합되어 F의 피크가 높아진다.

3. 초발수의 지속성 실험

- 3M tape

여러 연구에서 표면을 소수성 코팅을 하여 접촉각을 높인다.

그러나, 코팅은 재료와 표면에 균일하게 분사해야하는 점, 스프레이의 경우 환경오염이 생기는 점, 표면과 코팅 된 재료의 결합력이 약해 시간이 지나면 지워진다는 단점을 보완하여 표면에 화학 반응을 통해 나노 실리카를 생성하거나 특정 구조를 자라게 하는 방법을 이용하기도 한다.

하지만 평면(flat)의 PDMS표면에 나노 실리카를 형성 시 작은 손상에도 나노 실리카가 제거되어 쉽게 초소수성을 잃는다.

이러한 모든 단점을 극복할 마이크로 구조 생성으로 소수성 표면을 제작 후 나노 입자의 화학적 결합으로 표면에 손상을 입을 시 버섯 구조의 윗부분만 나노 입자가 제거되고 바닥 부분은 제거되지 않아 접촉각을 유지하는 것을 보이는 내구성 실험을 진행한다.

이와 관련하여 도 12는 평면(flat)의 PDMS에서 Scotch tape 부착 후 제거 시 접촉각 변화(각각 161°, 132°, 113°)를 나타내는 이미지, 도 13은 버섯 구조를 지닌 PDMS에서 Scotch tape 부착 후 제거 시 접촉각 변화(각각 161°, 150°, 146°)를 나타내는 이미지이며, 도 14는 도 13에서 접촉각을 측정한 표면의 SEM 이미지이다.

상기 도 12 내지 14를 참조하면, 먼저 제작된 초발수 필름의 표면에 Scotch tape 부착 후 일정 힘을 가하고 제거하여 버섯 구조 위의 실리카 형성의 우수성과 평면(flat)의 PDMS 나노 실리카의 내구성을 보인다.

평면(Flat)의 PDMS 필름의 경우 44.59mN의 힘으로 Scotch tape 부착 후 제거 시 접촉각이 161°에서 132°로 줄어들며 89.18mN의 힘을 가할 시 113°의 접촉각을 보이며 연소 전 평면(flat)의 PDMS의 필름과 같아지는 수준으로 떨어지게 된다.

그러나, 본 발명의 실시 예들에 따른 버섯 구조 위의 나노 실리카 PDMS 필름의 경우, 나노 실리카 형성 시 161°의 접촉각을 보여주며 10N의 힘으로 Scotch tape 부착 후 제거 시 150°의 접촉각을 보이고 10N의 힘을 두 번 가할 시 146°로 비슷한 접촉각을 보인다.

이는, 반복적인 손상에도 높은 접촉각을 유지함을 보인다.

- Sand paper 실험

이와 관련하며 먼저 도 15는 평균 1N의 힘을 가했을 때 Sand paper의 grit에 따른 접촉각 변화를 보여주는 그래프이며, 도 16은 1000grit로 sliding한 버섯 구조 표면 및 3000grit로 sliding한 버섯 구조 표면의 SEM 이미지다.

상기 도 15 및 16을 참조하면, 마이크로 구조 위에 나노입자 생성 시 상승하는 내구성을 측정하기 위해 grit이 각각 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000인 sand paper을 이용한다.

본 실험은 앞선 테이프를 이용한 접촉 식 손상과 다르게 슬라이딩을 이용하여 손상을 입히는 방법이며 평균 1N의 힘을 가하여 sand paper을 각각의 grit로 초발수 PDMS필름 표면 위를 1회 지나갔을 때의 접촉각을 측정한다.

나노입자 생성 한 평면(flat)의 PDMS 필름은 800grit일 때 130도, 1000grit일 때 120도, 1500grit이상의 입자를 지닌 sand paper로 손상을 가할 시 연소 전 평면(flat)의 PDMS 필름 수준의 접촉각이 120° 이하로 떨어지게 된다.

또한, 버섯 구조 위에 나노입자를 확산화염을 통한 연소로 형성한 경우 처음 150°이상으로 1500grit이상의 입자의 sand paper로 손상 시 140°로 접촉각이 낮아지나 이후로 grit가 3000까지 접촉각이 거의 차이가 없다.

- 모래 실험

이와 관련하여 도 17은 초발수 PDMS 필름에 속력을 가진 모래의 충격 내구성 테스트 실험에 따른 모래 충격 후 접촉각을 나타내는 이미지다.

상기 도 17을 참조하면, 본 실험은 버섯 구조 위에 나노입자가 생성된 초발수 PDMS필름으로부터 높이 각각 50cm, 80cm를 설정하여 모래를 필름 표면 위에 20g을 떨어뜨렸으며 필름은 45°의 기울기를 주었다.

본 실험결과 모래가 필름에 충격을 준 후 접촉각을 측정 시 160°이상의 각도를 보여 필름의 내구성이 우수함을 확인할 수 있었다.

- 물 실험

이와 관련하여 도 18은 Water drop 후 volume drop에 따른 접촉각 변화를 보여주는 이미지다.

본 실험은 제작한 초발수 필름을 비와 같은 외부환경에 노출 시 초소수성을 유지하는지 확인하기 위한 실험으로, 수도꼭지를 사용하여 30ml/s의 유량을 물줄기로 초발수 PDMS필름에 분사하였다.

필름은 30°의 각도에 위치하며 2cm×2cm의 크기이고 물줄기의 속도는 일반 빗방울보다 빠르게 떨어진다.

실험결과 대한민국 평균 강수량에 해당하는 200ml~1,500ml를 drop하였으나, 접촉각은 150°이상으로 여전히 높았으며, 물줄기에 3시간 30분동안 노출시켜 378ℓ의 유량을 떨어뜨렸으나 146°의 높은 접촉각을 유지하였다.

- 플라즈마 실험

본 실험은 평면(flat)의 PDMS 필름과 초소수성 나노입자가 생성된 PDMS 필름 2개를 이용하여 실험을 진행하였으며, Pressure 8.00e^-2 torr에서 플라즈마 처리를 시작하고 Power 100W에 산소는 20sccm, 플라즈마 처리 시간은 1분 이다.

도 19를 참조하면 실험결과 2개의 PDMS 필름 모두 플라즈마 처리 시 표면에 물방울이 젖음이 발생하였으며, 일반적으로 플라즈마 처리 시 일시적으로 표면에 물방울이 젖음이 생기나 하루 이상 지나면 기존의 접촉각으로 돌아오게 된다.

그러나, 도 20 및 21을 참조하면 초소수성 나노 입자 PDMS필름의 경우 표면의 나노 입자가 수분을 trapped하여 하루가 지나도 표면에 물방울에 대한 젖음이 발생하였으며 이는 추가적인 열처리를 통해 24간 이내로 초발수 표면으로 복원함을 실험으로 알 수 있다.

정리하면 초소수성 나노 입자가 생성 된 표면에 플리즈마 처리 시 접촉각이 낮아져 젖음이 발생하며, 표면의 나노 입자가 수분을 trapped하여 초발수 표면을 회복하기 위해 상대적으로 긴 시간이 필요하였으나 이를 열처리를 통해 24이내에 초발수 표면이 회복됨을 확인 하였다.

4. 유연 및 신축성 실험

PDMS의 유연하다는 장점을 통해 바이오, wearable 기반 장치 등으로 사용 가능하다.

이와 관련하여 본 발명의 실시 예들에 따라 제작된 PDMS 필름 인장 실험의 결과를 보여주는 이미지인 도 22를 참조하면 제작 된 PDMS는 일정한 힘으로 인장되었을 때도 초발수의 특성을 가지며, 실험에서 샘플의 길이는 28mm, 두께는 2mm이다.

이때, 인장률은 5%, 10%, 15%, 20%, 25%이며, 인장 된 상태에서 물방울을 떨어뜨릴 시 작은 바람에도 물방울이 쉽게 굴러가는 것을 확인하였다.

결과적으로, 본 발명의 실시 예들에 따라 제작된 PDMS 필름은 photolithography 공정을 이용해 유니크한 마이크로 크기의 버섯 구조 PDMS을 제작하고, dynamic한 물방울의 wetting을 방지하기 위해 확산 화염을 이용한 연소로 표면에 나노입자를 생성하여 마이크로/나노 복합 구조의 초발수 PDMS 필름을 제작하였다.

한편, 확산 화염을 이용한 연소 방법은 기존의 스프레이 방법에 비해 간단하고, 마이크로/나노 구조가 화학적인 결합을 갖게 되어 시간이 흐름, 외부의 오염에 의해 나노입자가 손상되지 않으며, 다양한 내구성 테스트를 통해 그 우수함을 보여주었다.

뿐만 아니라 HDFS 코팅을 통해 소유성도 함께 구현하였으며, hexadecane에 대해서 147°의 우수한 접촉각을 보이는 초소수성/소유성 PDMS 필름을 제작 완성 하였으며, 제작 된 필름은 stretchable 하고 transparent한 장점으로 태양전지, 카메라 필름 등으로 활용될 가능성을 갖는다.

아울러 마이크로 구조로 이루어진 발수 표면의 경우 물방울의 부피가 크거나, 물방울이 표면에 닿은 후 시간이 흐르면 물방울이 Wenzel 상태에서 Cassie-baxter 상태로 바뀌어 젖음이 발생하는 단점이 있었으나, 마이크로 구조 위에 나노 구조가 있을 경우 도 23에 도시된 바와 같이 젖음이 발생하지 않는 효과가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (8)

1. 표면에 일정형상의 구조체가 형성된 PDMS 필름을 준비하는 단계; 및
   상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염을 이용하여 연소시켜 상기 PDMS 필름의 표면에 초소수성을 갖는 나노입자를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 확산화염은 파라핀 양초 또는 소이 양초의 확산연소 시 발생하는 500℃ 이상의 화염인 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 나노입자를 생성하는 단계는, 상기 PDMS 필름의 표면을 확산화염으로 40~50초 동안 연소시켜 생성되는 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 나노입자는 실리카 입자와 탄소 입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 나노입자를 생성하는 단계는, 상기 구조체의 측벽에 균일한 나노입자를 생성하기 위하여 상기 PDMS 필름을 일정한 기울기로 기울인 상태에서 연소시키는 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 구조체는 버섯, 사각기둥 및 원기둥을 포함하는 형상에서 선택된 어느 하나로 마이크로 단위 크기를 갖는 구조체인 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   소유성 구현을 위해 상기 나노입자가 생성된 PDMS 필름의 표면에 플루오린기 실란을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 플루오린기 실란을 코팅하는 단계는 n-hexane: Heptadecafluoro-1,1,2,2, -tetrahydrodecyltrichlorosilane = 1000 : 1로 혼합하여 나노 실리카가 생성된 PDMS를 24시간 동안 용액 안에 넣고, 24시간 후 PDMS 필름을 hexane에 cleaning 후 60℃ 오븐에 3시간 동안 건조하는 것을 특징으로 하는 초소수성을 갖는 나노입자 형성방법.
   

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