KR100824712B1

KR100824712B1 - 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를이용한 극소수성 유체 이송관

Info

Publication number: KR100824712B1
Application number: KR1020060091771A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 이상민; 배일신; 김동섭; 최덕현; 이창우; 전지훈; 손성호; 문태철; 황운봉; 김준원; 박현철; 이건홍
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-04-24
Also published as: US20090260702A1; JP5149901B2; CN101553680B; WO2008035917A1; US8707999B2; KR20080026776A; EP2066946A1; JP2010504486A; CN101553680A

Abstract

본 발명은 금속기재의 표면처리와 음극복제 및 고분자 들러 붙음 현상을 이용한 표면 가공을 통해 형성된 극소수성 고체기재를 유체가 흐르는 관에 적용하여, 유체 흐름의 효율의 향상과 관 내부의 이물질 적층을 방지하도록 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를 이용한 극소수성 유체 이송관에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 유체의 이동을 가이드 하는 유체 가이더와, 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되며 마이크로 미터 단위의 굴곡과 나노 미터 단위 직경의 기둥을 갖는 고체 기재를 제공한다.

이를 위한 본 발명은, 금속 기재를 양극 산화 가공 처리하여 그 표면에 다수개의 미세 홀(hole)을 형성하는 단계와, 표면에 다수개의 미세 홀이 형성된 금속기재를 비젖음성 고분자 물질에 담가 응고시킴으로 음극 복제체를 형성하는 단계와, 음극 복제체로부터 상기 금속 기재와 양극 산화물을 제거하여 극소수성 표면 구조물이 형성된 고체기재를 형성하는 단계와, 고체기재를 유체가 이동하는 유체의 이송을 가이드하는 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착하는 단계를 제공한다.

소수성, 양극산화, 배관, 유체, 반데르 발스 힘

Description

극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를 이용한 극소수성 유체 이송관{METHOD FOR PROCESSING SOLID HAVING FABRICATING SUPERHYDROPHOBIC SURFACE AND SUPERHYDROPHOBIC TUBE BY THE SAME METHOD}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1실시예에 따른 극소수성 표면 가공을 통한 고체 기재의 가공을 도시한 도면이다.

도 3은 입자 분사기를 이용한 미세 요철의 가공을 도시한 도면이다.

도 4는 도 3의 미세 요철 가공된 표면의 요부 확대도면이다.

도 5는 양극 산화 처리 공정을 설명하기 위한 장치 구성도이다.

도 6은 도 5의 양극 산화 처리 공정 전과 후의 상태를 도시한 평면도 및 단면도이다.

도 7은 금속 기재의 미세요철 표면에 양극 산화를 적용한 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 양극 산화 공정 처리 후 미세 홀이 형성된 금속 기재 표면의 전자 현미경 사진이다.

도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 고체기재의 젖음성 실험을 도시한 도면이다.

도 10a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고체 기재가 적용된 배관의 유체 흐름을 도시한 도면이다.

도 10b는 종래 기술에 따른 배관의 유체 흐름을 도시한 도면이다.

도 11a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고체 기재가 적용된 배관의 이물질의 흐름을 도시한 도면이다.

도 11b는 종래 기술에 따른 배관의 이물질의 흐름을 도시한 도면이다.

도 12는 송유관 시스템을 도시한 도면이다.

도 13은 랩온어칩(lab-on-a-chip)을 도시한 도면이다.

도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 제2실시예에 따른 극소수성 표면 가공을 통한 고체기재의 가공을 도시한 도면이다.

도 15a와 도 15b는 반데르 발스 힘에 의한 들러붙음 현상을 이용한 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체 기재 표면의 전자 현미경 사진이다.

도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 고체기재의 표면과 액체와의 접촉각을 측정하여 나타낸 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...유체 가이더 20...고체기재

30...입자 분사기 31...분사노즐

33...금속기재 35...미세입자

37...미세요철 39...미세홀

40...양극 산화 장치 50...급수 배관

61...송유관 63...가압시설

70...랩 온어 칩

본 발명은 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를 이용한 극소수성 유체 이송관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속기재의 표면처리와 음극복제 및 고분자 들러 붙음 현상을 이용한 표면 가공을 통해 형성된 극소수성 고체기재를 유체가 흐르는 관에 적용하여, 유체 흐름의 효율의 향상과 관 내부의 이물질 적층을 방지하도록 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관에 관한 것이다.

일반적으로 금속이나 폴리머 등의 고체 기재의 표면은 고유의 표면 에너지를 가지고 있다. 이는 임의의 액체가 고체 기재에 접촉할 때 액체와 고체 간의 접촉각으로 나타나게 된다. 접촉각의 크기가 90도 보다 작은 경우 구 형상의 물방울은 고체 표면에서 그 형태를 잃고 표면을 적시는 친수성(親水性, hydrophilicity)을 나타낸다. 또한 접촉각의 크기가 90도보다 큰 경우 구형상의 물방울은 고체 표면에서 구의 형상을 유지하면서 표면을 적시지 않고 외부 힘에 따라 쉽게 흐르는 소수성(疎水性, hydrophobicity)을 나타낸다. 연꽃 잎 위에 물방울이 떨어졌을 경우 연꽃 잎을 적시지 않고 표면을 흐르는 현상이 이와 같다.

한편, 고체 기재의 표면이 갖는 고유의 접촉각은 그 표면을 미세한 요철형상 을 갖도록 가공하게 되면 그 값을 변화시킬 수 있다. 즉, 접촉각이 90도 보다 작은 친수성 표면은 표면 가공을 통해 친수성이 더욱 커질 수 있고, 접촉각이 90도 보다 큰 소수성 표면도 표면가공을 통해 소수성이 더욱 커질 수 있다. 이러한 고체 기재의 소수성 표면은 아래와 같은 다양한 응용이 가능하다. 즉, 소수성 표면은 공조 시스템의 응축기에 적용하여 응축 효율을 높일 수 있고, 다 마신 음료 캔 내부의 잔여량을 완벽히 제거하여 캔 용기 재활용 공정을 더욱 간단하게 줄일 수 있다. 또한 겨울철 차량 내부의 유리에 외부와의 온도차이에 의해 김이 서리는 현상을 방지할 수 있고 물과의 저항성이 매우 중요시되는 선박의 표면에 적용하면 동일한 동력으로 보다 높은 추진력을 보일 수 있다. 뿐만 아니라 겨울철 눈이 쌓여 문제가 되는 접시형 안테나 표면에 적용하면 수분이나 눈이 쌓이지 않게 할 수 있다. 또한 배관에 적용하면 유량과 유속을 증가시킬 수 있으며, 배관 내부에 이물질이 쌓이는 것을 줄일 수 있다. 이는 수도관 및 보일러 배관의 이물질 적층에 의한 관의 막힘방지와, 인공혈관의 콜레스트롤 적층 방지 효과와, 배관 내부에서의 부식을 방지함으로써 옥내 배관내의 수질오염을 줄일 수 있다. 이러한 특성을 송유관에 적용하면 일정 단면을 통과하는 유량이 증가하기 때문에 펌프의 효율이 증가한다. 뿐만 아니라 랩 온어 칩(lab-on-a-chip)의 마이크로 채널에 적용하면 채널 내의 유체 흐름을 원활하게 하여 효율을 증가시킬 수 있다.

그러나 고체 표면의 접촉각을 임의의 용도를 위해 변화시키는 기술은 현재까지는 반도체 제조기술을 응용한 MEMS(Microelectromechanical Systems) 공정에 의존하여 고체 표면의 마이크로 혹은 나노 단위의 미세한 요철을 형성하는 방법이 대 부분이었다. 이러한 MEMS 공정은 반도체 기술을 기계공학적으로 응용한 첨단의 기술이지만, 반도체 공정은 상당한 고가의 공정이다.

금속표면에 나노 단위의 요철을 형성한다고 할 때, 금속 표면의 산화, 일정 온도와 일정 전압의 인가, 특수한 용액에서의 산화 및 에칭 등 일반적인 작업환경에서는 불가능한 작업들을 수행하여야 한다. 이러한 공정을 수행하기 위해서는 기본적으로 특별히 고안된 청정실에서 작업을 해야 하며, 상기 작업들을 위해서는 전용의 기계들이 필요하고, 이들 기계들 또한 고가의 장비이다.

나아가 반도체 공정의 특성상 넓은 표면을 한 번에 처리하지 못하는 점 또한 단점으로 작용한다. 이렇게 기존의 기술은 공정이 매우 복잡하고 대량생산이 어려우며, 높은 제작비용으로 그 적용 자체가 쉽지 않은 것이 현실이다.

본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 그 목적은 극소수성 표면 가공을 통해 미세 홀을 갖는 금속 기재로부터 음극 복제하여 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체 기재를 제작하며, 이 고체 기재를 유체가 이동하는 관 내부에 적용함으로써, 적용 대상의 기능 및 효율을 향상시키도록 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를 이용한 극소수성 유체 이송관을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관은, 유체의 이동을 가이드 하는 유체 가이더 및 상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되며 마이크로 미터 단위의 굴곡과 나노 미터 단위 직경의 기둥을 갖는 고체 기재를 구비한다.

본 발명에 있어서, 상기 고체 기재는, 상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되는 베이스와, 상기 베이스 상에 나노 미터 단위 직경으로 구비된 다수개의 기둥이 마련되며, 인접한 복수의 기둥들이 다수의 군락을 이루어 마이크로 미터 단위의 굴곡을 갖도록 돌출된다.

본 발명에 있어서, 상기 인접한 복수의 기둥들이 부분적으로 서로 들러붙음으로 다수의 군락을 이루어 마이크로 미터 단위의 굴곡이 형성된다.

본 발명에 있어서, 상기 고체 기재는, 상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되며 표면의 적어도 일부에 미세 요철이 형성된 베이스와, 상기 베이스 상에 미세 요철을 따라 구비된 나노 미터 단위 직경을 갖는 다수개의 기둥을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 베이스에 마련되는 기둥들은 비젖음성 고분자 물질로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 비젖음성 고분자 물질은 PTFE(Polytetrahluorethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene copoymer) 및 PFA(Perfluoroalkoxy) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 유체 가이더는 중공된 유체 이동부가 마련된 관으로 구비된다.

상기 목적을 달성하기 위한 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방 법은, 금속 기재를 양극 산화 가공 처리하여 그 표면에 다수개의 미세 홀(hole)을 형성하는 단계와, 표면에 다수개의 미세 홀이 형성된 금속기재를 비젖음성 고분자 물질에 담가 응고시킴으로 음극 복제체를 형성하는 단계와, 상기 음극 복제체로부터 상기 금속 기재와 양극 산화물을 제거하여 극소수성 표면 구조물이 형성된 고체기재를 형성하는 단계와, 상기 고체기재를 유체가 이동하는 유체의 이송을 가이드하는 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 음극 복제체는, 상기 금속 기재에 형성된 다수개의 미세 홀에 비젖음성 고분자 물질이 주입되어 음극 복제된 다수개의 기둥을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 음극 복제체의 기둥들은, 인접된 복수의 기둥들이 부분적으로 들러붙음으로 다수의 군락을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 고체기재는 상기 유체 가이더의 굴곡된 표면에 장착 가능한 유연한(flexible) 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를 이용한 극소수성 유체 이송관을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아 니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 극소수성 표면 구조물을 갖는 관(100)은, 유체의 이동을 가이드 하는 유체 가이더(10)와, 유체 가이더(10)의 유체 접촉면에 장착되며 마이크로 미터 단위의 굴곡과 나노 미터 단위 직경의 기둥을 갖는 고체 기재(20)를 구비한다.

상기 유체 가이더(10)는 유체의 이동을 안내하도록 마련된다. 유체 가이더(10)의 적용으로는 급수 배관, 옥내 배관, 인공 혈관 또는 송유관 등의 유체가 흐를 수 있는 소정의 관에 다양하게 적용가능하다. 유체 가이더(10)의 유체 접촉면에는 극소수성의 고체 기재(20)가 장착된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 고체 기재(20)의 제작공정을 이하에서 설명한다.

먼저, 입자 분사기(30)의 분사노즐(31)을 금속 기재(33)의 표면(33a)과 대향하도록 위치시킨다.

이어서, 입자 분사기(30)를 구동하여 미세입자(35)를 금속 기재(33)의 표면 에 분사하도록 한다. 상기 입자 분사기(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 미세입자(35)를 미리 설정된 속도와 압력으로 분사되도록 하여, 금속 기재(33)의 표면(33a)에 충돌되도록 한다. 금속 기재(33)의 표면(33a)과 미세입자(35)의 충돌 과정에서 금속 기재(33)의 표면(33a)은 충격 에너지를 받게 되며, 이로 인하여 도 2b에 도시된 바와 같이, 금속 기재(33)의 표면(33a)은 변형을 일으킨다. 입자 분사기(30)는, 일례로 모래 입자를 분사하는 샌드 블라스터가 적용될 수 있으며, 모래 입자 대신 금속구등의 미세 입자를 분사하여 가공할 수도 있다. 적용될 수 있는 금속 기재에는 알루미늄, 강철, 구리 등의 금속 판재가 포함된다. 이러한 입자 분사기(30)의 작동을 통해 금속 기재(33)의 표면에는 마이크로(micro) 단위의 요철 표면의 형성이 가능하다.

도 4는 미세요철을 갖는 금속 기재를 도시한 사시도이며, 그 일부를 확대하여 단면으로 도시하였다. 도시된 바와 같이, 표면에 미세요철(37)을 갖는 금속 기재(33)에서, 상기 미세요철(37)의 크기, 즉 철(凸)부(37a)의 높이나 요(凹)부(37b)의 깊이 또는 철부(37a) 사이의 간격 등은 상기 입자 분사기(33)의 입자 분사속도, 분사압력 및 미세 입자(35)의 크기에 따라 달라질 수 있으며, 이들 값을 미리 설정하여 적용함으로써 조절할 수 있다.

비젖음성 물질을 제외하고, 일반적인 고체, 즉 금속이나 폴리머(polymer)의 접촉각은 90도 보다 작은 젖음성 물질이다. 이러한 금속 기재의 표면을 본 실시예에 따른 표면 가공방법에 따라 미세요철(37)을 갖도록 가공하면 접촉각은 더욱 작아지게 되어, 젖음성이 더욱 강해지는 현상을 나타낸다.

다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 마이크로(micro) 미터 단위의 미세요철(37)이 생성된 금속 기재(33)의 표면에 양극 산화 가공처리를 한다. 이러한 공정으로 금속 기재(33)의 표면에 나노(nano) 미터 단위의 미세 홀(39)이 형성되도록 함으로써, 금속 기재(33)의 표면에는 마이크로 미터 단위의 요철(37)과 나노 미터 단위 직경의 미세 홀(39)이 함께 형성된다. 보다 구체적으로 양극 산화 가공(anodizing)을 설명하면, 금속 기재(33)를 전해액(43)에 담그고, 어느 하나의 금속 기재(33b)에는 양극을 인가하며, 다른 하나의 금속 기재(33c)에는 음극을 인가하도록 한다. 그러면, 금속 기재(33)의 표면에는 산화막인 알루미나가 형성됨으로써, 금속 기재(33)의 표면에 양극 산화부분(34)이 형성된다. 이러한 양극 산화가공으로 금속 기재(33)의 표면에는 도 7에 도시된 바와 같이, 입자 분사기(30)의 가공을 통한 마이크로(micro) 미터 단위의 요철(37)과 나노(nano) 단위의 미세 홀(39)이 함께 형성되도록 함으로써, 미세 요철 표면의 형성이 가능하다. 참고적으로 도 8a와 도 8b는 양극산화 공정 후 미세 홀(39)이 형성된 금속 기재(33) 표면의 전자 현미경 사진이다.

이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 금속 기재(33)를 비젖음성 물질(35)에 담근 후, 비젖음성 물질(35)을 응고시키도록 한다. 이에 따라. 비젖음성 물질(35)은 도 2e에 도시된 바와 같이, 응고되어 비젖음성 고분자 음극복제체(36)로 형성된다. 즉, 금속 기재(33)의 외측면을 감싸도록 비젖음성 고분자 물질이 충진된 상태에서 비젖음성 고분자 물질(35)이 응고되도록 하면, 금속 기재(33)의 표면 형상에 대등된 음극의 형상의 표면을 갖는 비젖음성 고분자 음극복제체(36)의 생성이 가능 하다. 상기 비젖음성 물질(35)은 PTFE(Polytetrahluorethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene copoymer), PFA(Perfluoroalkoxy) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

다음, 도 2f에 도시된 바와 같이, 비젖음성 고분자 음극복제체(36)의 표면에 밀착된 금속 기재(33) 및 양극 산화물(34)을 제거한다. 알루미늄(Al)을 금속 기재로 사용하여 양극 산화물로 알루미나가 형성된 경우에 습식 식각을 통해 이들을 제거할 수 있다. 이에 따라, 비젖음성 고분자 음극복제체(36)의 표면에는 금속 기재(33)의 표면 형상의 음극 복제가 이루어짐으로써, 젖음성이 극도로 작아지는 극소수성의 표면 구조물을 갖는 고분자 고체 기재(36)의 형성이 가능하다.

이러한 고분자 고체 기재(36)의 표면은, 금속 기재(33)의 표면의 마이크로 미터 단위의 요철과 나노 미터 단위의 미세 홀의 직경과 같은 크기의 직경을 갖는 다수개의 돌출 기둥(36a)이 형성된다. 보다 상세하게는, 고체 기재(36)는 도 2f에 도시된 바와 같이, 표면의 적어도 일부에 미세 요철이 형성된 베이스(36b)와, 베이스(36b) 상에 미세 요철을 따라 구비된 나노 미터 단위 직경을 갖는 다수개의 기둥(36a)을 포함하여 형성됨을 알 수 있다. 이러한 기둥(36a) 들은 비젖음성 고분자 물질로 형성된다. 참고적으로 도 8a와 도 8b는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재(36)의 전자 현미경 사진을 말한다.

도 9는 전술한 비젖음성 고분자 용액을 이용한 비젖음성 음극복제체의 젖음성 실험을 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 고체 기재(36)의 표면은 마이크로 미터 단위의 요철과 나노 미터 단위의 직경의 돌출 기둥이 형성됨에 따라 접촉각은 165도 이상으로 높아짐을 알 수 있다. 아무런 가공을 하지 않은 고체의 표면에서의 유체의 접촉각은 대략 83도 임에 비해 접촉각이 높아짐으로써, 젖음성이 극도로 작아지는 극소수성을 갖게 됨을 알 수 있다.

도 10a는 전술한 공정으로 제작된 고체 기재(20)를 급수 배관(50)에 적용을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 고체 기재(20)는 필름 형태로 급수 배관(50) 내부의 유체 접촉면에 장착된다. 고체 기재(20)는 극소수성의 성질을 갖음으로, 도 10a에 도시된 바와 같이, 급수 배관(50)의 내벽면은 극소수성의 미끄러짐 상태가 되어 유체(51)가 일정한 속도로 흐르게 된다. 그러나, 기존 배관은 도 10b에 도시된 바와 같이, 급수 배관(50a)의 내벽면은 저항력이 발생함으로 유체(51a)가 흐르지 않고 중앙 부분에서만 유체가 흐른다. 즉, 기존 급수 배관(50a)과 본 발명의 고체 기재(20 적용된 급수 배관(50)을 비교해 보면, 본원 발명의 급수 배관(50)은 유체 접촉면이 극소수성의 성질을 갖도록 함으로써, 배관 내부 표면에서도 유체가 일정한 속도로 흐르게 된다. 따라서, 본 발명의 급수 배관은 단면적당 흐르는 유량이 증가하기 때문에 해관의 효율이 증가한다. 이러한 고체기재(20)는 유체가 흐르는 급수배관 등에 적용가능하도록 유연한 특성으로 이루어짐이 바람직하다.

도 11a는 본 발명의 제1실시예에 따른 고체 기재가 적용된 배관의 이물질의 흐름을 도시한 도면이고, 도 11b는 종래 기술에 따른 배관의 이물질의 흐름을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 일반적인 급수 배관이나 옥내배관 그리고 인공혈관 등의 내부에는 유체 뿐만 아니라 다른 이물질(53)도 같이 운송된다. 즉, 유체에 섞인 이물질(53)과 배관 자체의 부식으로 인해 생성된 이물질(53)이 유체와 같이 운송되는데, 도 11b에 도시된 바와 같이 종래 배관(50a)에서는 내부 표면의 저항력으로 인해 이물질(53)이 운송 중에 쌓이게 됨으로써, 유체의 운송 효율이 더욱 악화된다. 그러나 도 11a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고체 기재(20)가 적용된 배관에는 내부 표면이 극소수성을 갖음으로 이물질이 쌓이지 않고 원활하게 운송된다. 또한, 본 발명의 고체 기재(20)는 내식성이 우수하여 배관 자체의 부식을 방지하도록 함으로써, 추가적인 이물질의 생성을 방지하여, 환경 친화적인 위생 배관을 유지하도록 한다.

도 12는 전술한 고체 기재를 송유관 시스템에 적용을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 송유관(61) 내의 유체의 운송은 일정 구간 마다 설치된 가압시설(63)을 이용하여 다음 가압시설까지 운송한다. 가압 시설간 거리는 숭유관 내부 표면의 마찰에 의한 압력 손실을 고려한다. 즉, 송유관 내부 표면과 유체와의 마찰이 적을수록 가압시설간 거리가 늘어나가 때문에 필요한 가압설비가 줄게 된다. 종래 송유관 내부 표면은 극소수성의 미끄러짐 상태가 아니기 때문에 유체 운송시 마찰로 인한 압력 손실이 과다하게 발생한다. 그러나, 본 발명의 고체 기재(20)를 적용한 송유관은 내부 표면이 극소수성의 미끄러짐 상태임으로, 마찰로 인한 압력 손실을 줄일 수 있음으로 단위 시간당 운송 유량의 증가됨이 가능하다.

도 13은 본 발명의 고체 기재가 적용된 랩 온어 칩(lab-on-a-chip)을 도시한 도면이다. 랩 온어 칩(70)은 일정 크기의 칩(chip) 위에 분석에 필요한 여러 가지 장치들을 집적시킨 화학 마이크로 프로세서로서 유체를 분석하는 장비를 말한다. 이러한 랩 온어 칩(70)은 그 안에 마이크로 크기의 채널을 제작하여 그 안에서 유체의 흐름을 제어하는 기술을 통해 구형된다. 여기서 마이크로 채널(71) 내부 벽면을 본 발명의 고체기재를 적용하면, 채널 내의 유체 흐름을 보다 원활하게 하여 유체의 분석 효율을 높일 수 있도록 한다.

도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 제2실시예에 따른 극소수성 표면 가공을 통한 고체기재의 가공을 도시한 도면이다. 도 1 내지 13과 동일 참조번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 고체 기재(80)는, 유체 가이더(10)의 유체 접촉면에 장착되는 베이스(81)와, 베이스(81) 상에 나도 미터 단위 직경으로 구비된 다수개의 기둥(83)이 마련되며, 인접한 복수의 기둥(83)들이 다수의 군락을 이루어 마이크로 미터 단위의 굴곡을 갖도록 돌출된다.

도 14a 내지 도 14d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 고체 기재(80)의 제작공정을 이하에서 설명한다.

먼저, 도 14a에 도시된 바와 같이, 박판 형상의 금속 기재(85)를 준비하여, 양극 산화 장치(40)의 수용공간에 금속 기재(85)를 수용한다. 이러한 금속 기재(85)는 양극 산화장치(40)의 전해액(43)에 담금으로 수용된다.

다음으로, 양극 산화 장치(40)를 구동하여, 도 14b에 도시된 바와 같이, 금속 기재(85)의 표면에 양극 산화 가공(anodizing)을 실시한다.

이어서, 양극 산화 가공된 금속 기재(85)를 비젖음성 고분자 용액(35)에 담 근다. 이러한 과정을 거친 다음 상기 비젖음성 고분자 용액이 금속 기재(85)를 감싼 상태에서 응고되도록 하면, 도 14c에 도시된 바와 같이, 비젖음성 고분자 음극 복제체(86)가 형성된다.

다음으로, 도 14d에 도시된 바와 같이, 비젖음성 고분자 음극복제체(86)와 밀착된 금속 기재(85) 및 양극 산화물(82)을 제거 한다. 알루미늄(Al)을 금속 기재로 사용하여 양극 산화물로 알루미나가 형성된 경우에 습식 식각을 통해 이들을 제거할 수 있다. 이에 따라, 비젖음성 고분자 음극복제체(86)의 표면 형상의 음극복제가 이루어짐으로써, 젖음성이 극도로 작아지는 극 소수성의 표면 구조물을 갖는 고분자 고체 기재(80)의 형성이 가능하다.

이러한 고분자 고체 기재(80)에는 미세 홀(84)의 직경과 같은 크기의 직경을 갖는 다수개의 기둥(83)이 형성된다. 상기 기둥(83)은 나노 미터 단위의 직경으로 돌출 형성됨으로써, 서로 간에 끌어 당기는 인력이 작용한다. 즉, 극히 근거리에서만 작용하는 인력인 반데르 발스 힘(van der Walls's force)에 의하여 인접한 돌출 기둥(83) 간에는 서로 들러붙게 되는 현상이 발생한다. 이러한 들러붙음(sticking) 현상으로 인하여, 고체 기재(80)의 복제된 돌출 기둥(83)은 전체적으로 주저 않은 군락을 형성하게 된다. 이로 인하여 나노 스케일의 돌출 기둥으로 형성된 마이크로 스케일의 표면을 갖는 고체 기재(80)가 얻어지게 된다.

도 15a와 도 15b는 반데르 발스 힘에 의한 들러붙음 현상을 이용한 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체 기재 표면의 전자 현미경 사진이다. 도시된 바와 같이, 고체기재(80)의 표면에 기둥(83)이 서로간 들러 붙어 불규칙하게 주저 앉은 현상의 확인이 가능하다.

이와 같이 형성되는 표면 구조물을 갖는 고체 기재(80)는 화학적 코팅에 의한 표면 처리가 아니라 구조적 표면 처리를 통해 젖음성이 최소화 되어 극 소수성의 성질을 갖게 된다. 상기 고체 기재(80)의 표면에 물방울을 떨어뜨려 접촉각을 측정하면, 도 16에 나타낸 바와 같이, 표면의 접촉각은 160도 이상으로 극도로 높아짐을 알 수 있다. 아무런 가공을 하지 않은 고체의 표면에서의 유체의 접촉각은 대략 83도 임에 비해 접촉각이 높아짐으로써, 젖음성이 극도로 작아지는 극소수성을 갖게 됨을 알 수 있다.

이러한 제2실시예에 따른 고체기재(80)는 전술한 제1실시예의 고체기재(20)의 적용과 동일한 적용을 통하여, 급수배관, 옥내 배관, 인공 혈관 또는 송유관 등의 유체가 흐를 수 있는 소정의 관에 다양하게 적용가능함은 물론이다. 이와 관련된 자세한 설명은 전술한 바와 동일함으로 생략한다.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법 및 이를 이용한 극소수성 유체 이송관은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 양극산화 공정을 거쳐 표면에 미세 홀을 구비한 금속기재를 비젖음성 물질에 담구었다가 응고 시켜 음극복제 공정을 수행함으로써 간편하고 용이하게 음극 복제체의 생산이 가능하도록 하며, 이러한 음극 복제체를 통하여 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체 기재를 간단한 공정으로 생산이 가능하도록 하여 생산원가의 절감이 가능하다.

둘째, 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체 기재를 유체가 이동되는 관의 내벽면에 장착하여, 관의 단위 면적당 유체 이송 효율을 증가시키고, 이물질이 관 내부에 쌓이지 않도록 하며, 관 내부 표면의 부식을 방지함으로써, 관의 유체 운송 효율의 향상이 가능하다.

Claims

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유체의 이동을 가이드 하는 유체 가이더; 및

상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되며 마이크로 미터 단위의 굴곡과 나노 미터 단위 직경의 기둥을 갖는 고체 기재;를 포함하며,

상기 고체 기재는,

상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되는 베이스와, 상기 베이스 상에 나노 미터 단위 직경으로 구비된 다수개의 기둥이 마련되며, 인접한 복수의 기둥들이 다수의 군락을 이루어 마이크로 미터 단위의 굴곡을 갖도록 돌출되는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관.
제2항에 있어서,

상기 인접한 복수의 기둥들이 부분적으로 서로 들러붙음으로 다수의 군락을 이루어 마이크로 미터 단위의 굴곡이 형성되는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관.
유체의 이동을 가이드 하는 유체 가이더; 및

상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되며 마이크로 미터 단위의 굴곡과 나노 미터 단위 직경의 기둥을 갖는 고체 기재;를 포함하고,

상기 고체 기재는,

상기 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착되며 표면의 적어도 일부에 미세 요철이 형성된 베이스와, 상기 베이스 상에 미세 요철을 따라 구비된 나노 미터 단위 직경을 갖는 다수개의 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관.
제2항 또는 제4항에 있어서,

상기 베이스에 마련되는 기둥들은 비젖음성 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관.
제5항에 있어서,

상기 비젖음성 고분자 물질은 PTFE(Polytetrahluorethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene copoymer) 및 PFA(Perfluoroalkoxy) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관.
제2항 또는 제4항에 있어서,

상기 유체 가이더는 중공된 유체 이동부가 마련된 관으로 구비되는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 극소수성 유체 이송관.
금속 기재를 양극 산화 가공 처리하여 그 표면에 다수개의 미세 홀(hole)을 형성하는 단계;

표면에 다수개의 미세 홀이 형성된 금속기재를 비젖음성 고분자 물질에 담가 응고시킴으로 음극 복제체를 형성하는 단계;

상기 음극 복제체로부터 상기 금속 기재와 양극 산화물을 제거하여 극소수성 표면 구조물이 형성된 고체기재를 형성하는 단계; 및

상기 고체기재를 유체가 이동하는 유체의 이송을 가이드하는 유체 가이더의 유체 접촉면에 장착하는 단계;를 포함하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법.
제8항에 있어서,

상기 음극 복제체는,

상기 금속 기재에 형성된 다수개의 미세 홀에 비젖음성 고분자 물질이 주입되어 음극 복제된 다수개의 기둥을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법.
제9항에 있어서,

상기 음극 복제체의 기둥들은, 인접된 복수의 기둥들이 부분적으로 들러붙음으로 다수의 군락을 형성하는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법.
제8항에 있어서,

상기 비젖음성 고분자 물질은 PTFE(Polytetrahluorethylene), FEP(Fluorinated ethylene propylene copoymer) 및 PFA(Perfluoroalkoxy) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법.
제8항에 있어서,

상기 고체기재는 상기 유체 가이더의 굴곡된 표면에 장착 가능한 유연한(flexible) 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 극소수성 표면 구조물을 갖는 고체기재의 가공방법.