KR102680530B1

KR102680530B1 - Water harvesting plate and manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR102680530B1
Application number: KR1020220185409A
Authority: KR
Inventors: 천두만; 도반따
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2024-07-04

Abstract

본 발명은, 베이스 기판과, 보호 기판 및, 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자가 혼합된 혼합액을 준비하는 단계, 베이스 기판에 혼합액으로 실리카 나노입자층을 형성하는 단계, 베이스 기판의 실리카 나노입자층에 표면적을 증대시키는 마이크로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 물 수확판의 제조방법을 제공한다.The present invention includes the steps of preparing a base substrate, a protective substrate, and a mixed solution of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles, forming a silica nanoparticle layer with the mixed solution on the base substrate, and forming a silica nanoparticle layer on the base substrate. A method of manufacturing a water harvesting plate is provided, including forming a micro-pattern that increases the surface area.

Description

Water harvesting plate and manufacturing method thereof}

본 발명은 표면에서 물 응축을 유도한 후 생성된 물방울의 이동성을 가지게 하는 물 수확판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water harvesting plate that induces water condensation on the surface and then gives the resulting water droplets mobility and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 물 수확 거동을 가진 기능적 표면의 개발은 지구의 심각한 담수 부족을 개선하기 위한 잠재적인 접근 방법 중 하나이다. 이러한, 표면의 물 수확 메커니즘은 표면에 포착된 작은 물 입자로 인해 특정 크기의 방울로 합쳐진 다음, 방울이 중력에 따라 굴러 떨어지게 된다.In general, the development of functional surfaces with water harvesting behavior is one of the potential approaches to ameliorate the Earth's severe freshwater shortage. This surface water harvesting mechanism causes small water particles captured on the surface to coalesce into droplets of a certain size, and then the droplets roll off under gravity.

따라서, 친수성/소수성 영역을 포함하는 습윤성 대조 표면이 개발되고 있다. 친수성 부위는 물 핵 생성을 쉽게 가속화할 수 있는 반면 소수성 부위는 수분 제거 효율을 보장하여 표면의 효율적인 물 수확 성능을 얻게 된다. 또한, 표면의 계층적 형태는 집수 효율 향상에 필수적인 요소로 작용한다.Accordingly, wettability control surfaces comprising hydrophilic/hydrophobic regions are being developed. The hydrophilic region can easily accelerate water nucleation, while the hydrophobic region ensures the water removal efficiency, resulting in efficient water harvesting performance of the surface. Additionally, the hierarchical form of the surface acts as an essential factor in improving water collection efficiency.

이러한, 습윤성 대조표면에 대한 기술로 Elisabeth Kostal et al.는 안개 수집용 안경에 높은 습윤성 대비 패턴을 제작하였는데, 먼저, 펨토초 레이저를 이용하여 유리 표면에 이중 계층 구조를 형성한 후, Teflon-like polymer(CF2)n을 플라즈마 공정으로 증착하여 초친수성 레이저 구조 표면을 초소수성 표면으로 전환시키고, 초친수성 상태를 국부적으로 회복시키기 위해 선택적 레이저 절제가 이루어지게 한다. 그러나, Elisabeth Kostal의 제조방법은 유연한 표면뿐만 아니라 대규모 제작이 어려운 특수 장치가 요구되는 한계가 있다.Using this technology for wettability contrast surfaces, Elisabeth Kostal et al. produced high wettability contrast patterns on fog-collecting glasses. First, a double hierarchical structure was formed on the glass surface using a femtosecond laser, and then a Teflon-like polymer was used to create a high-wetability contrast pattern. (CF2)n is deposited by a plasma process to convert the superhydrophilic laser-structured surface into a superhydrophobic surface, and selective laser ablation is performed to locally restore the superhydrophilic state. However, Elisabeth Kostal's manufacturing method has limitations as it requires not only a flexible surface but also special equipment that is difficult to manufacture on a large scale.

또 다른 예로 Jing Feng et al.는 수산화알루미늄 분말(Al(OH)³)과 인산(H₃PO₄)을 사용하여 인산알루미늄(AP) 바인더를 합성하고, AP 바인더, 산화제1구리(Cu₂O), 이산화지르코늄(ZrO₂)을 포함하는 용액을 스테인리스강 메쉬에 분무한 상태에서 경화 공정 후, 얻어진 생성물을 에탄올과 1-octadecanethiol(ODT) 용액에 침지하여 Cu₂O 입자를 개질하여 최종적으로 초소수성/초친수성 표면을 생성하게 된다. 그러나, Jing Feng 제조방법은 대규모 제조에 가능하지만 제조 공정에서 많은 독성 화학 물질이 사용되는 문제점이 있다.As another example, Jing Feng et al. synthesized aluminum phosphate (AP) binder using aluminum hydroxide powder (Al(OH) ³ ) and phosphoric acid (H ₃ PO ₄ ), and the AP binder and cuprous oxide (Cu ₂ O ), after a curing process in which a solution containing zirconium dioxide (ZrO ₂ ) was sprayed onto a stainless steel mesh, the obtained product was immersed in ethanol and 1-octadecanethiol (ODT) solution to modify the Cu ₂ O particles and finally This creates a hydrophobic/superhydrophilic surface. However, although the Jing Feng manufacturing method is possible for large-scale manufacturing, there is a problem in that many toxic chemicals are used in the manufacturing process.

마지막으로, Xikui Wang은 질산, 에탄올, 플루오로알킬 실란, 이산화티타늄(TiO₂) 및 이산화규소(SiO₂)를 포함하는 혼합 용액을 사용하여 유리 기판에 분무하고, 생성된 표면은 TiO₂ 표면 습윤성을 변형시키기 위해 서로 다른 기간에 자외선(UV)을 조사하여 초소수성/초친수성 특성을 갖는 습윤성 대비 표면이 구현되게 한다. 그러나, 200초 동안 UV 조사에 노출된 극도의 습윤성 대비 표면에서만 효율적인 물 수확이 수행되는데, 이때 UV 조사 시간을 600초 이상으로 연장하면 표면의 습윤 안정성이 심각하게 변화하여 집수 능력이 손실되어 UV 광의 파괴에 직면했을 때 표면의 실제 적용에 방해가 되는 문제점이 있다.Finally, Xikui Wang used a mixed solution containing nitric acid, ethanol, fluoroalkyl silane, titanium dioxide (TiO ₂ ) and silicon dioxide (SiO ₂ ) to spray a glass substrate, and the resulting surface was characterized by TiO ₂ surface wettability. In order to modify the surface, ultraviolet (UV) rays are irradiated at different periods to create a wettability-contrasting surface with superhydrophobic/superhydrophilic properties. However, efficient water harvesting is only performed on surfaces with extreme wettability exposed to UV irradiation for 200 seconds, where extending the UV irradiation time beyond 600 seconds seriously changes the wet stability of the surface, resulting in a loss of water collection capacity and increased absorption of UV light. There are problems that hinder the practical application of the surface when faced with failure.

이러한, 종래의 습윤성 표면의 제조방법에 대한 관련기술은, 대한민국등록특허 제10-1447531호(2014.09.29)에 제시된다.Related technology for this conventional manufacturing method of a wettable surface is presented in Republic of Korea Patent No. 10-1447531 (2014.09.29).

본 발명은, 제조공정이 간단하여 제조 비용이 적게 소요되면서 대량 생산도 가능하며, 제조시 환경오염도 최소화할 수 있는 물 수확판 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to provide a water harvesting plate and a manufacturing method thereof that can be mass-produced with a simple manufacturing process, requiring low manufacturing costs, and minimizing environmental pollution during manufacturing.

본 발명은, 베이스 기판과, 보호 기판 및, 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자가 혼합된 혼합액을 준비하는 단계, 상기 베이스 기판에 혼합액으로 실리카 나노입자층을 형성하는 단계, 상기 베이스 기판의 실리카 나노입자층에 표면적을 증대시키는 마이크로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 물 수확판의 제조방법을 제공한다.The present invention includes the steps of preparing a base substrate, a protective substrate, and a mixed solution of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles, forming a silica nanoparticle layer on the base substrate with the mixed solution, and silica nanoparticles of the base substrate. A method of manufacturing a water harvesting plate is provided, including forming a micro-pattern to increase the surface area in a particle layer.

또한, 상기 베이스 기판은 베이스부재와, 베이스부재의 일면에 구비되는 바인더층을 포함할 수 있다.Additionally, the base substrate may include a base member and a binder layer provided on one surface of the base member.

또한, 상기 혼합액은 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자가 5~50:50~95 중량비로 구성될 수 있다.Additionally, the mixed solution may be composed of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles in a weight ratio of 5 to 50:50 to 95.

또한, 상기 베이스 기판에 혼합액으로 실리카 나노입자층을 형성하는 단계는, 스프레이, 딥코팅, 스핀코팅 중 어느 하나의 방법으로 실리카 나노입자층을 형성할 수 있다.In addition, in the step of forming a silica nanoparticle layer on the base substrate using a mixed solution, the silica nanoparticle layer can be formed by any one of spraying, dip coating, and spin coating.

또한, 상기 베이스 기판의 실리카 나노입자층에 표면적을 증대시키는 마이크로 패턴을 형성하는 단계는, 상기 실리카 나노입자층을 감싸도록 베이스 기판 상에 보호 기판을 배치시키는 단계, 가압부가 마련된 가압수단으로 상기 보호 기판이 배치된 베이스 기판을 가열상태로 가압하면서 실리카 나노입자층에 마이크로 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, forming a micro-pattern to increase the surface area on the silica nanoparticle layer of the base substrate includes placing a protective substrate on the base substrate to surround the silica nanoparticle layer, and pressing the protective substrate with a pressing means provided with a pressing portion. It may include forming a micro pattern on the silica nanoparticle layer while pressing the placed base substrate in a heated state.

또한, 상기 가압수단은 열간압연기 또는 압축성형기 일 수 있다.Additionally, the pressurizing means may be a hot rolling mill or compression molding machine.

또한, 상기 실리카 나노입자층과 접하는 보호 기판의 표면은 마이크로 패턴의 요철을 가질 수 있다.Additionally, the surface of the protection substrate in contact with the silica nanoparticle layer may have micro-pattern irregularities.

또한, 상기 가압부의 표면에 마이크로 패턴의 요철이 구비될 수 있다.Additionally, micro-patterned irregularities may be provided on the surface of the pressing portion.

또한, 상기 베이스 기판에 혼합액으로 실리카 나노입자층을 형성하는 단계에서 상기 실리카 나노입자층은 10㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.Additionally, in the step of forming a silica nanoparticle layer on the base substrate using a mixed solution, the silica nanoparticle layer may have a thickness of 10 μm or more.

본 발명에 따른 물 수확판 및 이의 제조방법은, 베이스 기판에 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자가 혼합된 실리카 나노입자층이 형성되고, 보호 기판으로 실리카 나노입자층을 가열상태로 가압하면서 마이크로 패턴이 마련되게 하는 바, 제조 공정이 간단하여 쉽게 제조할 수 있음과 더불어 습윤성 대조표면을 제공함과 더불어 표면적을 증대시켜 물방울의 응축량 증대와 응축된 물방물의 제거가 안정적으로 이루어지게 하여 물 수확효율을 증대되게 한다.In the water harvesting plate and its manufacturing method according to the present invention, a silica nanoparticle layer containing a mixture of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles is formed on a base substrate, and the silica nanoparticle layer is heated and pressed with a protective substrate to form a micro pattern. The manufacturing process is simple, making it easy to manufacture, providing a wettable surface, and increasing the surface area to increase the amount of condensation of water droplets and ensure stable removal of condensed water droplets, thereby increasing water harvesting efficiency. Let it happen.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1에 표시된 S110단계를 나타낸 상태도이다.
도 3은 도 1에 표시된 S120단계를 나타낸 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법으로 제조된 물 수확판의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 단면 및 상부표면의 SEM이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 사용되는 보호기판 및 물 수확판의 표면 프로파일을 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 사용되는 베이스 기판과 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자 및 제작된 물 수확판 표면의 FTIR스펙트럼을 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판 표면의 습윤성에 대한 혼합비율의 영향을 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판 표면의 습윤성 거동을 나타낸 표면의 이미지 및 염료물에 담근 후 습윤 면적 범위값을 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판의 시간경과에 따른 물방울의 광학이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판의 물수확률 및 수집된 물의 질량변화결과를 나타낸 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판의 시간경과에 따른 물방물별 표면커버리지값 결과를 나타낸 이미지이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판의 시간에 따른 표면커버리지분포 및 액적직경 분포의 변화를 나타낸 이미지이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법에 의해 제조된 물 수확판의 손상시험이 최적면의 젖음성 및 수확능에 미치는 영향을 나타낸 이미지이다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a state diagram showing step S110 shown in Figure 1.
Figure 3 is a state diagram showing step S120 shown in Figure 1.
Figure 4 is a schematic cross-sectional view of a water harvesting plate manufactured by a method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is an SEM image of the cross section and upper surface of a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is an image showing the surface profile of the protective substrate and the water harvesting plate used in the manufacturing method of the water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is an image showing the FTIR spectrum of the base substrate, hydrophobic silica nanoparticles, hydrophilic silica nanoparticles used in the manufacturing method of the water harvesting plate according to an embodiment of the present invention, and the surface of the manufactured water harvesting plate.
Figure 8 is an image showing the effect of mixing ratio on the wettability of the surface of the water harvesting plate manufactured by the method of manufacturing the water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is an image showing the wettability behavior of the surface of a water harvesting plate manufactured by the method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention and an image showing the wetted area range value after immersion in dye water.
Figure 10 is an optical image of water droplets over time of a water harvesting plate manufactured by a method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is an image showing the results of water harvesting rate and mass change of collected water of a water harvesting plate manufactured by a method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 is an image showing the results of the surface coverage value for each water droplet over time of the water harvesting plate manufactured by the method of manufacturing the water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is an image showing changes in surface coverage distribution and droplet diameter distribution over time of a water harvesting plate manufactured by the method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention.
Figure 14 is an image showing the effect of a damage test on a water harvesting plate manufactured by the method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention on the wettability and harvesting performance of the optimal surface.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle of definability.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 물 수확판의 제조방법은, 베이스 기판(100)과, 보호 기판(200) 및, 혼합액을 준비하는 단계(S100), 베이스 기판(100)에 실리카 나노입자층(300)을 형성하는 단계(S110), 실리카 나노입자층(300)에 마이크로 패턴(310)을 형성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the method of manufacturing a water harvesting plate according to an embodiment of the present invention includes preparing a base substrate 100, a protective substrate 200, and a mixed solution (S100), base substrate 100 It may include forming a silica nanoparticle layer 300 (S110) and forming a micro pattern 310 on the silica nanoparticle layer 300 (S120).

먼저, 베이스 기판(100)과, 보호 기판(200) 및, 혼합액을 준비하는 단계(S100)를 살펴보면, 베이스 기판(100)은 혼합액으로 형성된 실리카 나노입자층(300)을 부착상태로 지지하는 부재이다. 이러한, 베이스 기판(100)은 베이스부재(110), 바인더층(120)을 포함할 수 있다.First, looking at the step (S100) of preparing the base substrate 100, the protective substrate 200, and the mixed solution, the base substrate 100 is a member that supports the silica nanoparticle layer 300 formed from the mixed solution in an attached state. . The base substrate 100 may include a base member 110 and a binder layer 120.

여기서, 상기 베이스부재(110)는 이후 설명될 실리카 나노입자층(300)을 지지하도록 부재로써, 판 형태로 이루어질 수 있으나 이에 한정하지 않음은 물론이다. 이때, 베이스부재(110)는 금속, 세라믹, 폴리머 재질 중 하나의 재질로 적용될 수 있는데, 일 실시예에서는 PET를 선택 적용하여 실시된다.Here, the base member 110 is a member to support the silica nanoparticle layer 300, which will be described later, and may be in the form of a plate, but of course, it is not limited thereto. At this time, the base member 110 may be made of one of metal, ceramic, and polymer materials. In one embodiment, PET is selected and applied.

상기 바인더층(120)은 베이스부재(110)의 표면에 실리카 나노입자층(300)을 부착상태로 유지되게 한다. 여기서, 바인더층(120)은 일정 가열온도에서 쉽게 용융되면서 압착이 쉽게 이루어지는 EVA 재질로 선택 적용될 수 있으나, 이에 한정하지 않음은 물론이다.The binder layer 120 maintains the silica nanoparticle layer 300 attached to the surface of the base member 110. Here, the binder layer 120 can be selected and applied as an EVA material that is easily melted at a certain heating temperature and is easily compressed, but is of course not limited thereto.

상기 보호 기판(200)은 이후 실리카 나노입자층(300)에 마이크로 패턴(310)을 형성하기 위한 가압시 가압력을 베이스 기판(100)으로 전달하는 부재이다. 이러한, 보호 기판(200)은 실리카 나노입자층(300)을 완전히 덮을 수 있을 정도의 크기를 가지도록 구비될 수 있다. 그리고, 보호 기판(200)은 실리카 나노입자층(300)과 접하는 면에 마이크로 패턴의 요철이 마련되거나 실리카 나노입자층(300)과 접하는 면이 매끈하게 마련될 수 있다.The protective substrate 200 is a member that transfers the pressing force to the base substrate 100 when pressing to form the micro pattern 310 on the silica nanoparticle layer 300. This protective substrate 200 may be provided to have a size large enough to completely cover the silica nanoparticle layer 300. Additionally, the protection substrate 200 may be provided with micro-patterned irregularities on the surface in contact with the silica nanoparticle layer 300 or may be provided with a smooth surface on the surface in contact with the silica nanoparticle layer 300.

상기 혼합액은 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자를 혼합하여 구비될 수 있다. 보다 상세하게는 혼합액은 이후 베이스 기판(100)의 바인더층(120)에 도포가 이루어질 수 있도록 용매를 통해 액상으로 구비될 수 있다. 여기서, 용매는 독성이 적고 무극성이며 휘발성이 좋은 용매를 선택 사용할 수 있는데, 구체적으로 이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol)이나 에탄올(Ethanol)을 사용할 수 있다. 이때, 친수성 실리카 나노입자는 보다 구체적으로 친수성 흄드 실리카 나노입자로 적용될 수 있으며, 소수성 실리카 나노입자는 소수성 흄드 실리카 나노입자로 적용될 수 있다. 여기서, 혼합액은 교반기를 통해 교반속도 300rpm으로 상온에서 30분간 교반될 수 있다.The mixed solution may be prepared by mixing hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles. More specifically, the mixed solution may be provided in a liquid form through a solvent so that it can be later applied to the binder layer 120 of the base substrate 100. Here, the solvent may be selected as a solvent that is low in toxicity, nonpolar, and has good volatility. Specifically, isopropyl alcohol or ethanol can be used. At this time, the hydrophilic silica nanoparticles can be more specifically applied as hydrophilic fumed silica nanoparticles, and the hydrophobic silica nanoparticles can be applied as hydrophobic fumed silica nanoparticles. Here, the mixed solution can be stirred for 30 minutes at room temperature at a stirring speed of 300 rpm using a stirrer.

그리고, 상기 혼합액은 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자를 5~50:50~95 중량비를 가지도록 혼합 구성될 수 있다. 이때, 친수성 실리카 나노입자가 5 중량비보다 낮을 경우에는 물방울의 응축이 안정적으로 이루어지지 못하고, 친수성 실리카 나노입자가 50 중량비를 초과할 경우에는 응축된 물방물이 적절하게 제거되기 어렵게 된다.In addition, the mixed solution may be composed of mixing hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles in a weight ratio of 5 to 50:50 to 95. At this time, if the hydrophilic silica nanoparticles are lower than 5 weight ratio, the condensation of water droplets cannot be stably achieved, and if the hydrophilic silica nanoparticles exceed 50 weight ratio, it becomes difficult to properly remove the condensed water droplets.

이같이, 상기 베이스 기판(100)과, 보호 기판(200) 및, 혼합액이 준비된 후에는 베이스 기판(100)에 혼합액을 도포하여 실리카 나노입자층(300)을 형성하는 단계(S110)를 수행한다.In this way, after the base substrate 100, the protective substrate 200, and the mixed solution are prepared, a step (S110) of forming the silica nanoparticle layer 300 by applying the mixed solution to the base substrate 100 is performed.

도 2를 참조하면, 상기 베이스 기판(100)의 바인더층(120)에 혼합액이 도포되면서 실리카 나노입자층(300)이 구비되는데, 이때, 혼합액은 스프레이공법, 딥코팅(Dip coating)공법, 스핀코팅(Spin coating)공법 중 하나의 공법을 통해 바인더층(120)의 표면에 도포될 수 있다. 여기서, 혼합액이 스프레이공법을 통해 실리카 나노입자층(300)을 형성시 0.2MPa의 압축 공기 하에서 스프레이 건을 통해 분무되면서 베이스 기판(100)의 바인더층(120)에 도포될 수 있다.Referring to FIG. 2, the mixed solution is applied to the binder layer 120 of the base substrate 100 to form a silica nanoparticle layer 300. At this time, the mixed solution is applied by spraying, dip coating, or spin coating. It can be applied to the surface of the binder layer 120 through one of the spin coating methods. Here, when the mixed solution forms the silica nanoparticle layer 300 through a spray method, it can be applied to the binder layer 120 of the base substrate 100 while being sprayed through a spray gun under compressed air of 0.2 MPa.

이때, 상기 실리카 나노입자층(300)은 베이스 기판(100)의 바인더층(120) 표면에 10㎛ 이상의 두께를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.At this time, the silica nanoparticle layer 300 is preferably formed on the surface of the binder layer 120 of the base substrate 100 to have a thickness of 10 μm or more.

상기 베이스 기판(100)에 실리카 나노입자층(300)이 형성된 후에는, 일정시간 상온에서 건조시킨 후 실리카 나노입자층(300)에 마이크로 패턴(310)을 형성하는 단계(S120)를 수행한다. 이러한, 실리카 나노입자층(300)에 마이크로 패턴(310)이 형성될 경우, 실리카 나노입자층(300)의 표면적을 증대시켜 물방울의 응축량이 증대될 수 있다.After the silica nanoparticle layer 300 is formed on the base substrate 100, it is dried at room temperature for a certain period of time and then a step (S120) of forming a micro pattern 310 on the silica nanoparticle layer 300 is performed. When the micro pattern 310 is formed on the silica nanoparticle layer 300, the surface area of the silica nanoparticle layer 300 can be increased, thereby increasing the amount of condensation of water droplets.

도 3을 참조하면, 상기 실리카 나노입자층(300)에 마이크로 패턴(310)을 형성하는 단계(S120)에 대해 상세하게 설명하면, 실리카 나노입자층(300)을 감싸도록 베이스 기판(100) 상부에 보호 기판(200)을 배치시킨다. 이후, 가압부(11)가 마련된 가압수단(10)으로 상기 보호 기판(200)이 상부에 안착 배치된 베이스 기판(200)을 가열상태로 가압하면서 실리카 나노입자층(300)에 마이크로 패턴(310)을 형성한다. 여기서 열간압연기(10)는 80~150℃로 가열이 이루어진다. 여기서, 가압수단(10)은 열간압연기 또는 압축성형기를 사용할 수 있다.Referring to FIG. 3, if the step (S120) of forming the micro pattern 310 on the silica nanoparticle layer 300 is described in detail, the silica nanoparticle layer 300 is protected on the upper part of the base substrate 100 to surround the silica nanoparticle layer 300. The substrate 200 is placed. Thereafter, the base substrate 200 on which the protection substrate 200 is seated is pressed in a heated state using the pressing means 10 provided with the pressing portion 11 to form a micro pattern 310 on the silica nanoparticle layer 300. forms. Here, the hot rolling mill 10 is heated to 80 to 150°C. Here, the pressurizing means 10 may use a hot rolling mill or compression molding machine.

이때, 실리카 나노입자층(300)을 가압하는 상기 가압수단(10)의 가압부(11) 표면이 매끈하게 구비된 경우, 상기 실리카 나노입자층(300)과 접하는 보호 기판(200)은 실리카 나노입자층(300)에 접하는 표면에 마이크로 패턴의 요철이 마련된 보호 기판(200)을 선택 사용하게 된다. 여기서, 가압수단(10)의 가압부(11)는 롤러 인 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 프레스 일 수 있다.At this time, when the surface of the pressing part 11 of the pressing means 10 for pressing the silica nanoparticle layer 300 is provided with a smooth surface, the protective substrate 200 in contact with the silica nanoparticle layer 300 has a silica nanoparticle layer ( A protection substrate 200 having micro-patterned irregularities on the surface in contact with 300 is selected and used. Here, the pressing portion 11 of the pressing means 10 is shown as a roller, but is not limited to this and may be a press.

만약, 상기 가압수단(10)의 가압부(11) 표면에 마이크로 패턴의 요철이 구비된 경우에는, 상기 실리카 나노입자층(300)과 접하는 보호 기판(200)은 실리카 나노입자층(300)에 접하는 표면이 매끈한 면으로 마련된 보호 기판(200)을 선택 사용하게 된다.If the surface of the pressing unit 11 of the pressing means 10 is provided with micro-pattern irregularities, the protective substrate 200 in contact with the silica nanoparticle layer 300 has a surface in contact with the silica nanoparticle layer 300. The protection substrate 200 provided with this smooth surface is selected and used.

이같이, 상기 보호 기판(200) 또는 가압수단(10)의 가압부(11) 표면에 마련된 마이크로 패턴의 요철은 베이스 기판(100)을 가열상태로 가압시 바인더층(120)을 통해 부착된 실리카 나노입자층(300)에 동일한 마이크로 패턴(310)이 형성되게 한다.In this way, the irregularities of the micro pattern provided on the surface of the protection substrate 200 or the pressing part 11 of the pressing means 10 are silica nano attached through the binder layer 120 when the base substrate 100 is pressed in a heated state. The same micro pattern 310 is formed on the particle layer 300.

그리고, 상기 가압수단(10)의 가압부(11)에 의해 가열상태로 가압시 실리카 나노입자층(300)은 10㎛ 이상의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 여기서, 실리카 나노입자층(300)이 10㎛보다 얇을 경우 쉽게 파손이 발생될 수 있다.In addition, when pressed in a heated state by the pressing unit 11 of the pressing means 10, the silica nanoparticle layer 300 preferably has a thickness of 10 μm or more. Here, if the silica nanoparticle layer 300 is thinner than 10㎛, damage may easily occur.

이렇게, 상기 실리카 나노입자층(300)에 보호 기판(200)을 이용하여 마이크로 패턴(310)이 형성된 후에는, 실리카 나노입자층(300) 상부에 배치된 보호 기판(200)을 떼어내는 단계를 수행한다. 그리고, 상기 베이스 기판(100)에 마이크로 패턴을 가지는 실리카 나노입자층(300)에 대해 압축공기를 분사하여 세척함으로써 물 수확판의 제조가 완료된다.In this way, after the micro pattern 310 is formed on the silica nanoparticle layer 300 using the protective substrate 200, a step is performed to remove the protective substrate 200 disposed on the silica nanoparticle layer 300. . Then, the manufacturing of the water harvesting plate is completed by cleaning the silica nanoparticle layer 300 having a micro pattern on the base substrate 100 by spraying compressed air.

이와 같은 제조공정을 통해 완성된 물 수확판(100a)은 도 4와 같이, 베이스 기판(100) 상에 친수성 실리카 나노입자와 소수성 실리카 나노입자로 구성된 실리카 나노입자층(300)이 구비되고, 실리카 나노입자층(300)은 마이크로 패턴을 가짐으로써 극도의 습윤성 대조표면을 제공함과 더불어 표면적을 증대시켜 물방울의 응축량 증대와 응축된 물방물의 제거가 안정적으로 이루어지게 하여 물 수확효율을 증대되게 한다.As shown in FIG. 4, the water harvesting plate 100a completed through this manufacturing process is provided with a silica nanoparticle layer 300 composed of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles on the base substrate 100, and silica nano particles. By having a micro-pattern, the particle layer 300 not only provides an extremely wettable surface, but also increases the surface area, thereby increasing the amount of condensation of water droplets and stably removing the condensed water droplets, thereby increasing water harvesting efficiency.

이하에서는 여러 실시예를 통해 제조된 물 수확판(100a)의 특성에 대해 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the characteristics of the water harvesting plate 100a manufactured through various examples will be looked at as follows.

이때, 상기 물 수확판(100a)의 표면에 형성되는 실리카 나노입자층(300)은 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자를 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100의 중량비로 각각 변화시킨 상태로 실험을 진행한다.At this time, the silica nanoparticle layer 300 formed on the surface of the water harvesting plate 100a contains hydrophobic silica nanoparticles and hydrophilic silica nanoparticles in ratios of 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100. The experiment is conducted with each weight ratio changed.

상기 물 수확판(100a)의 접촉각(CA)과 슬라이딩각(SA)을 통해 나타난 극도의 젖음성 대조면의 젖음성은 접촉각 측정기로 측정된다. 표면 거칠기와 표면 프로파일은 3D 레이저 스캐닝 공초점 현미경을 사용하여 분석될 수 있다. 표면 형태는 전계방출 주사전자현미경으로 관찰된다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR, Varian 670-IR을 사용하여 표면의 화학적 조성이 결정된다. 액적 성장과 점프를 관찰하고 분석하기 위해 깊은 줌 렌즈(SMTOUCHSCOPE)가 있는 디지털 현미경이 사용된다.The wettability of the extreme wettability control surface shown through the contact angle (CA) and sliding angle (SA) of the water harvesting plate 100a is measured with a contact angle meter. Surface roughness and surface profile can be analyzed using 3D laser scanning confocal microscopy. Surface morphology is observed using field emission scanning electron microscopy. The chemical composition of the surface is determined using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR, Varian 670-IR). A digital microscope with a deep zoom lens (SMTOUCHSCOPE) is used to observe and analyze droplet growth and jumping.

그리고, 상기 물 수확판(100a)의 물 수확 측정은, 상업용 가습기를 사용하여 실온에서 60cm/sec의 속도로 일정한 안개 흐름을 방출하고, 4x4 cm² 크기의 물 수확판(100a) 샘플 시료를 홀더에 수직으로 고정하고 안개 배출구에서 약 10cm 떨어진 곳에 유지한다. 안개류는 물 수확판(100a) 샘플 시료 표면에 수직으로 불어넣고 용기를 물 수확판(100a) 시료 아래에 놓아 표면에서 배수된 물을 수집한다. 수집된 물의 질량은 8시간 동안 1시간마다 정밀 저울로 측정된다. 서로 다른 표면의 물 수확 효율은 다음 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.In addition, to measure the water harvest of the water harvesting plate (100a), a constant mist flow is emitted at a speed of 60 cm/sec at room temperature using a commercial humidifier, and a sample of the water harvesting plate (100a) of 4x4 cm ² is placed in a holder. Fix it vertically and keep it about 10cm away from the fog outlet. The fog stream is blown vertically onto the sample surface of the water harvesting plate (100a) and a container is placed under the water harvesting plate (100a) sample to collect the water drained from the surface. The mass of collected water is measured with a precision balance every hour for 8 hours. The water harvesting efficiency of different surfaces can be calculated according to Equation 1:

(여기서, Wc는 집수 효율(mg.cm^-2.h^-1), W는 집수된 물의 총 중량(mg), S 및 T는 집수 면적(cm²) 및 집수 시간(h)이다.)(Where, Wc is the water collection efficiency (mg.cm ^-2 .h ^-1 ), W is the total weight of collected water (mg), S and T are the water catchment area (cm ² ) and water catchment time (h).)

또한, 상기 물 수확판(100a)의 물 수확 안정성에 대한 평가는 UV조사, 접착 손상 등과 같은 주변 환경의 일부 손상에 의해 부여되는 바, UV 조사의 영향을 받은 후의 집수 효율 변화와 접착 손상을 통해 표면의 집수 안정성을 평가한다. UV 테스트는 준비된 물 수확판(100a) 표면에 UV 광(TUV PL-L, 18W-60V)을 2시간 동안 조사한 후 표면의 습윤성과 집수량을 구현하여 기록한다. 테이프 시험은 준비된 물 수확판(100a) 면에 접착테이프를 깔고 200g의 무게를 가지는 추를 접착테이프를 따라 이동시켜 접착테이프와 물 수확판(100a)의 표면이 충분히 접촉되도록 한 후, 접착테이프를 물 수확판(100a)의 표면에서 떼어내고 CA 값과 SA 값을 통해 젖음성을 측정한다. 접착테이프 테스트를 마친 후 채취수 처리를 하였으며, 집수 효율도 함께 계산한다.In addition, the evaluation of the water harvesting stability of the water harvesting plate 100a is given by some damage in the surrounding environment such as UV irradiation, adhesion damage, etc., through changes in water collection efficiency and adhesion damage after being affected by UV irradiation. Assess surface catchment stability. The UV test irradiates UV light (TUV PL-L, 18W-60V) on the surface of the prepared water harvesting plate (100a) for 2 hours, then implements and records the surface wettability and water collection amount. The tape test involves laying an adhesive tape on the prepared surface of the water harvesting plate (100a), moving a weight weighing 200 g along the adhesive tape to ensure sufficient contact between the adhesive tape and the surface of the water harvesting plate (100a), and then applying the adhesive tape. It is removed from the surface of the water harvesting plate (100a) and wettability is measured through CA values and SA values. After completing the adhesive tape test, the collected water was treated, and the water collection efficiency was also calculated.

도 5를 참조하면, 물 수확판(100a)의 SEM 전체 단면이미지(a,a1,a2)와, 물 수확판(100a)의 실리카 나노입자층(310)의 확대 이미지(b,b1,b2)이다. 이같이, 실리카 나노입자층(310)의 실리카 나노입자가 바인더층(120)을 관통하여 나노 구조가 형성되고, 베이스부재(110)에서는 나노 구조가 관찰되지 않음을 알 수 있다. 또한, 실리카 나노입자층(310)의 상단 표면에서도 나노구조가 명확하게 관찰됨을 알 수 있다.Referring to Figure 5, the full SEM cross-sectional image (a, a1, a2) of the water harvesting plate (100a) and the enlarged image (b, b1, b2) of the silica nanoparticle layer 310 of the water harvesting plate (100a) are shown. . In this way, it can be seen that the silica nanoparticles of the silica nanoparticle layer 310 penetrate the binder layer 120 to form a nanostructure, and the nanostructure is not observed in the base member 110. In addition, it can be seen that the nanostructure is clearly observed on the top surface of the silica nanoparticle layer 310.

도 6을 참조하면, 보호 기판(200)에 복사된 가공된 표면의 무작위 미세 구조는 표면 프로파일을 통해 표시된다. 제작된 물 수확판(100a)의 나노 구조 및 마이크로 패턴 표면 구조(b)는 주로 실리카 나노 입자와 보호기판(200)의 표면의 마이크로 패턴 구조(a) 사본에 의해 주로 형성됨을 알 수 있다.Referring to Figure 6, the random microstructure of the machined surface copied to the protective substrate 200 is displayed through the surface profile. It can be seen that the nanostructure and micro-pattern surface structure (b) of the manufactured water harvesting plate (100a) are mainly formed by silica nanoparticles and a copy of the micro-pattern structure (a) on the surface of the protective substrate (200).

또한, 도 7을 참조하면, 베이스 기판(100)의 표면과 제작된 물 수확판(100a)의 적층 표면의 FTIR 스펙트럼을 살펴보면, 실리카 나노입자를 베이스 기판(100)의 바인더층(120)에 열압착할 때 형성된 결합임을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 7, looking at the FTIR spectrum of the surface of the base substrate 100 and the laminated surface of the manufactured water harvesting plate 100a, silica nanoparticles are heated to the binder layer 120 of the base substrate 100. It can be confirmed that the bond was formed when compressed.

이때, 전형적인 흡수 밴드는 1739, 1243, 1018 cm^-1에서 에스테르 그룹에 기인하고 2915, 2850, 1463, 1367, 720 cm^-1에서 바인더층(120)의 에틸렌 그룹에 할당된 것으로 나타난다. 실리카 나노입자층(300)을 바인더층(120)에 열압착한 후 바인더층(120)의 일부 전형적인 밴드가 유지되고, 새로운 Si-O-Si 결합이 1089 및 809 cm^-1의 피크에서 제조된 표면의 존재로 인해 제조된 표면에서 나타남을 알 수 있다. 또한, 소수성 실리카의 3000-2850 cm^-1 범위의 두 피크는 비습윤 거동을 이끄는 C-H 신축진동의 소수성 그룹에 기인한 반면, 3570-3200 cm^-1은 친수성 실리카에서 관찰되어 습윤성을 초래한다.At this time, typical absorption bands are attributed to the ester group at 1739, 1243, and 1018 cm ^-1 and appear to be assigned to the ethylene group of the binder layer 120 at 2915, 2850, 1463, 1367, and 720 cm ^-1 . After thermocompression of the silica nanoparticle layer 300 to the binder layer 120, some typical bands of the binder layer 120 are maintained, and new Si-O-Si bonds are produced at the peaks of 1089 and 809 cm ^-1. It can be seen that it appears on the manufactured surface due to the presence of . Additionally, the two peaks in the range of 3000-2850 cm ^-1 for hydrophobic silica are attributed to the hydrophobic group of the CH stretching vibration, which leads to non-wetting behavior, while the peak at 3570-3200 cm ^-1 is observed for hydrophilic silica, resulting in wettability.

따라서, 도 8을 참조하면, 혼합액의 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자의 혼합비의 변화는 다른 습윤성을 갖는 제조면이 생성됨을 알 수 있다. 여기서, 혼합액 내 친수성 실리카 나노입자의 농도가 증가되면 CA 값은 감소하는 경향을 보이며, SA 값은 현저하게 증가된다. 이때, 물 수확판(100a)의 일부 가공된 표면은 100/0의 경우 172.3°의 CA 및 2.5°의 SA, 75/25의 경우 172.6°의 CA 및 5.6°의 SA로 초소수성을 가지게 된다.Therefore, referring to FIG. 8, it can be seen that a change in the mixing ratio of hydrophobic silica nanoparticles and hydrophilic silica nanoparticles in the mixed solution produces a manufactured surface with different wettability. Here, as the concentration of hydrophilic silica nanoparticles in the mixed solution increases, the CA value tends to decrease and the SA value significantly increases. At this time, the partially processed surface of the water harvesting plate 100a has superhydrophobicity with CA of 172.3° and SA of 2.5° for 100/0, and CA of 172.6° and SA of 5.6° for 75/25.

또한, 도 9를 참조하면, 혼합액의 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자의 혼합비가 100/0(a,a₁), 75/25(b,b₁), 50/50(c,c₁), 25/75(d,d₁), 0/100(e,e₁)에 대한 각각 광학이미지와 처리이미지이다. 이를 참조하면, 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자의 혼합비가 75/25(b₁) 및 50/50(c₁)의 경우 염색수에 침지한 후 비습윤 영역(백색 영역)과 습윤 영역(흑색 영역)에서 물 수확판(100a) 표면의 극도의 습윤성 대비 거동도 명확하게 관찰됨을 알 수 있다.In addition, referring to Figure 9, the mixing ratio of hydrophobic silica nanoparticles and hydrophilic silica nanoparticles in the mixed solution is 100/0(a,a ₁ ), 75/25(b,b ₁ ), 50/50(c,c ₁₎ ), 25/75(d,d ₁ ), and 0/100(e,e ₁ ) are optical images and processed images, respectively. Referring to this, in the case of a mixing ratio of hydrophobic silica nanoparticles and hydrophilic silica nanoparticles of 75/25 (b ₁ ) and 50/50 (c ₁ ), the non-wet area (white area) and the wet area (black area) were immersed in dyeing water. It can be seen that the extreme wettability contrast behavior of the surface of the water harvesting plate 100a in the area) is also clearly observed.

그리고, 상기 혼합액(200)의 친수성 실리카 나노입자 함량이 증가함에 따라 물 수확판(100a) 표면의 염료수의 젖음 영역 커버리지가 커짐을 알 수 있다. 따라서, 혼합액의 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자의 혼합비가 75/25 및 50/50의 경우 수백 마이크로미터 미만의 고립된 무작위 친수성 패턴을 보여 핵형성, 유착 및 액적 제거와 같은 물 수확의 전 과정에 적합할 수 있다.In addition, it can be seen that as the hydrophilic silica nanoparticle content of the mixed solution 200 increases, the coverage of the wetted area of the dye water on the surface of the water harvesting plate 100a increases. Therefore, when the mixing ratio of hydrophobic silica nanoparticles and hydrophilic silica nanoparticles in the mixture was 75/25 and 50/50, isolated random hydrophilic patterns less than several hundred micrometers were exhibited, which was used for water harvesting processes such as nucleation, coalescence, and droplet removal. It may be suitable for the course.

도 10을 참조하면, 친수성 실리카가 지배적인 표면을 가지는 물 수확판(100a)의 열악한 물 수확 능력은 높은 물 흡수 능력과 강한 물 접착 성능에 기인할 수 있는데, 이는 액적의 이동과 수송을 방해한다. 도 10의 (d, e)와 같이 작은 물방울이 응결되어 즉시 퍼지면서 표면에 수막을 형성된다. 수집 시간이 길어질수록 응축된 물방울의 축적이 증가하여 중력 효과에 따라 표면에 물줄기를 생성하는 수막 두께가 증가한다. 바인더층(120) 표면과 비교할 때, 가까운 물방울의 합체로 인해 크기가 점차 증가하는 가시적 구형 물방울이 도 10의 (f)에서 관찰될 수 있다. 그러나 액적 이탈은 중력이 표면 유지력을 압도함에 따라 표면에서 미끄러지는 거대한 크기의 액적에서만 발생되며, 이는 수분 제거를 제한하여 낮은 수확률을 초래한다.Referring to Figure 10, the poor water harvesting ability of the water harvesting plate 100a with a surface dominated by hydrophilic silica can be attributed to its high water absorption ability and strong water adhesion performance, which hinders the movement and transport of droplets. . As shown in Figure 10 (d, e), small water droplets condense and immediately spread to form a water film on the surface. As the collection time increases, the accumulation of condensed water droplets increases, increasing the water film thickness that creates water streams on the surface under the effect of gravity. Compared to the surface of the binder layer 120, visible spherical water droplets whose size gradually increases due to coalescence of nearby water droplets can be observed in (f) of FIG. 10. However, droplet detachment only occurs in large-sized droplets that slide off the surface as gravity overwhelms surface holding forces, which limits moisture removal and results in low harvest rates.

그리고, 혼합액의 소수성 실리카 나노입자와 친수성 실리카 나노입자의 혼합비가 25/75 및 0/100의 경우와 달리 다른 경우의 표면인 도 10의 (a, b, c)에서는 물 수확 과정에서 핵 성장, 유착 및 액적 제거 현상이 분명히 나타난다. 그러나, 100/0의 경우 표면은 친수성 실리카가 전혀 없는 초소수성 표면이어서 핵 형성 액적 형성 및 응축에 어려움이 있다. 한편, 75/25 및 50/50의 표면은 앞서 살펴본 도 9의 (b₁,c₁)에서와 같이 핵 형성 액적 및 성장이 강화된 습윤 영역(강한 친수성 표면)이 있는 현저한 극도의 습윤성 대비 표면을 나타내어 더 큰 액적이 형성된다.In addition, unlike the case where the mixing ratio of hydrophobic silica nanoparticles and hydrophilic silica nanoparticles in the mixed solution was 25/75 and 0/100, in the other cases (a, b, c) of Figure 10, nuclei grew during the water harvesting process, The phenomena of coalescence and droplet removal are clearly visible. However, in the case of 100/0, the surface is a superhydrophobic surface without any hydrophilic silica, making it difficult to form and condense nucleation droplets. On the other hand, the 75/25 and 50/50 surfaces show remarkable extreme wettability contrast surfaces with nucleated droplets and wetted regions with enhanced growth (strongly hydrophilic surfaces), as shown in (b ₁ , c ₁ ) in Figure 9 previously discussed. , resulting in the formation of larger droplets.

도 11의 (a)를 참조하면, 소수성/친수성 실리카 혼합 비율이 75/25인 물 수확판(100a)의 표면은 466.7 mg/cm²/h의 가장 높은 집수율을 보였고, 가공된 물수확판(100a) 표면의 소수성/친수성 실리카 혼합 비율이 100/0, 50/50, 25/75 및 0/100일 경우 각각 386.9, 420.7, 273.7 및 246.4 mg/cm²/h 의 집수율을 보임을 알 수 있다. 비교를 위해 바인더층(120)의 표면도 테스트했으며 271.5 mg/cm²/h의 물 수확 속도를 보여줌을 알 수 있다. 결과는 100/0, 75/25, 50/50의 경우와 같이 소수성/친수성 실리카의 적절한 비율에서만 물 수확 능력의 향상이 달성되었음을 의미한다. 대조적으로, 25/75, 0/100의 경우 물 집수율은 원래 바인더층(120) 표면에서 거의 변하지 않음을 알 수 있다. 도 11의 (b)와 같이 수집된 물의 무게는 모든 표면에서 물 수확 시간의 선형 증가 추세와 함께 일관된 물 수확 속도를 나타냄을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 11, the surface of the water harvesting plate (100a) with a hydrophobic/hydrophilic silica mixing ratio of 75/25 showed the highest water collection rate of 466.7 mg/cm ² /h, and the processed water harvesting plate (100a) When the surface hydrophobic/hydrophilic silica mixing ratio is 100/0, 50/50, 25/75, and 0/100, the water collection rates are 386.9, 420.7, 273.7, and 246.4 mg/cm ² /h, respectively. You can. For comparison, the surface of the binder layer 120 was also tested, and it can be seen that it shows a water harvesting rate of 271.5 mg/cm ² /h. The results indicate that improvement in water harvesting capacity was achieved only at appropriate ratios of hydrophobic/hydrophilic silica, such as in the case of 100/0, 75/25, and 50/50. In contrast, in the case of 25/75 and 0/100, it can be seen that the water collection rate hardly changes from the surface of the original binder layer 120. As shown in Figure 11 (b), it can be seen that the weight of collected water shows a consistent water harvesting rate with a linear increasing trend of water harvesting time on all surfaces.

도 12를 참조하면, 소수성/친수성 실리카의 비율이 75/25, 50/50일 경우 물 수확판(100a)의 표면에서 더 큰 액적이 형성됨은 물방울의 표면 커버리지 값에 의해 입증될 수 있다. 수확 초기에 100/0의 표면은 75/25보다 낮은 표면 적용 범위 값을 보이고 가장 높은 표면 적용 값은 50/50의 표면임을 알 수 있다. 수확 시간을 연장할 때 액적의 응결 및 롤링 거동으로 인해 표면 피복 값이 증가하고 변동된다. 그러나 100/0 및 75/25 표면의 액적은 50/50의 경우와 비교하여 표면 커버리지 값의 상대적으로 작은 변동으로 이어지는 짧은 기간 동안 액적의 유착 및 이동을 모두 수행하여 다음과 같이 해석될 수 있다. 즉 50/50 표면의 큰 습윤 영역과 접착은 액적 제거를 방지하고 임계 크기까지 액적 직경을 계속 증가시키게 된다.Referring to Figure 12, when the ratio of hydrophobic/hydrophilic silica is 75/25 and 50/50, larger droplets are formed on the surface of the water harvesting plate 100a, which can be proven by the surface coverage value of the water droplets. It can be seen that at the beginning of harvest, a surface of 100/0 shows lower surface coverage values than 75/25 and the highest surface coverage value is a surface of 50/50. When extending the harvest time, the surface coverage values increase and fluctuate due to the condensation and rolling behavior of the droplets. However, droplets on the 100/0 and 75/25 surfaces undergo both coalescence and migration of droplets over a short period of time, leading to relatively small fluctuations in surface coverage values compared to the 50/50 case, which can be interpreted as follows. That is, the large wetting area and adhesion of the 50/50 surface prevent droplet removal and continue to increase the droplet diameter until it reaches a critical size.

더욱이, 도 13과 같이 모든 경우에 대해 표면 피복 분포 값과 방울 직경 분포 값의 변동을 유발하는 응축 시간에서 서로 다른 범위의 물방울 직경의 비율이 지속적으로 변경된다. 즉 유착 과정 동안 더 큰 습윤 영역을 가진 50/50의 표면은 더 작은 습윤 영역을 가진 75/25 및 100/0의 표면에 비해 더 큰 크기 범위에서 액적 직경의 출현을 가능하게 한다. 50/50의 경우 최대 직경은 d ≥ 1000㎛ 범위인 반면 75/25 및 100/0의 최대 직경은 800㎛ ≤ d <1000㎛ 범위에 도달된다. 수확된 물방울의 양이 많을수록 수집 시작 시간이 지연된다. 효율적인 물 수집을 위해 75/25의 경우 습윤/비습윤 영역(강한 친수성/초소수성 표면)의 최적 비율은 향상된 물 핵 생성 및 유착뿐만 아니라 효율적인 물방울 제거를 보장한다.Moreover, as shown in Figure 13, the ratio of droplet diameters in different ranges changes continuously at the condensation time, which causes fluctuations in the surface coverage distribution values and droplet diameter distribution values for all cases, as shown in Figure 13. That is, during the coalescence process, the 50/50 surface with a larger wetting area allows the emergence of droplet diameters in a larger size range compared to the 75/25 and 100/0 surfaces with a smaller wetting area. For 50/50, the maximum diameter is in the range d ≥ 1000 μm, while for 75/25 and 100/0 the maximum diameter is reached in the range 800 μm ≤ d <1000 μm. The larger the amount of water droplets harvested, the longer the collection start time is. For efficient water collection, the optimal ratio of wetting/non-wetting regions (strongly hydrophilic/superhydrophobic surface) in the case of 75/25 ensures efficient water droplet removal as well as improved water nucleation and coalescence.

도 14를 참조하면, 최적표면 75/25에서 접착손상과 자외선 조사가 물 수확효율에 미치는 영향을 조사한 결과이다. 즉, 도 14의 (a)는 접착테이프의 박리를 통한 접착손상시험 결과이고, 도 14의 (b)는 UV조사 결과, 도 14의 (c)는 집수율을 나타낸 결과이다. 이를 참조하면, 표면의 젖음성은 테이프 박리 횟수가 증가함에 따라 CA 값이 감소하고, SA 값이 크게 증가함에 따라 변화하여 테이프 박리 30회 후 물 수확 성능의 효율성이 약간 감소함을 알 수 있다. 그리고 2시간 동안 UV 조사를 하여도 젖음성과 집수 효율이 안정적으로 유지됨을 확인알 수 있다.Referring to Figure 14, this is the result of investigating the effects of adhesion damage and ultraviolet irradiation on water harvesting efficiency at the optimal surface of 75/25. That is, Figure 14 (a) is the result of an adhesive damage test through peeling of the adhesive tape, Figure 14 (b) is the result of UV irradiation, and Figure 14 (c) is the result of the water collection rate. Referring to this, it can be seen that the wettability of the surface changes as the CA value decreases as the number of tape peels increases and the SA value increases significantly, resulting in a slight decrease in the efficiency of water harvesting performance after 30 tape peels. And it can be seen that wettability and water collection efficiency remain stable even after UV irradiation for 2 hours.

결과적으로, 물 수확판(100a)은 독성 화학 물질이 없는 상업적으로 이용 가능한 친수성 및 소수성 실리카 나노입자를 사용하여 무작위로 분리된 강한 친수성 영역과 초소수성 배경 영역을 갖는 극한 습윤성 대비 고분자 복합재 표면이 손쉽게 제조 가능하게 된다.As a result, the water harvesting plate 100a was designed using commercially available hydrophilic and hydrophobic silica nanoparticles free of toxic chemicals, allowing the polymer composite surface to be readily wetted against extreme wettability with randomly separated strong hydrophilic regions and superhydrophobic background regions. Manufacturing becomes possible.

이같이 얻어진 물 수확판(100a)의 표면은 소수성/친수성 비율이 75/25 중량비에서 약 446.7 mg/cm²/h인 향상된 물 수확 효율을 달성하는데, 이는 강한 친수성 영역으로 인한 효율적인 핵 생성 및 유착과 효율적인 수분 제거 결과이다. 그리고, 물 수확판(100a) 표면의 집수 효율은 UV 조사 면에서도 거의 변하지 않았으며 접착테이프 테스트 후에도 약간 감소됨을 알 수 있다.The surface of the water harvesting plate 100a obtained in this way achieves improved water harvesting efficiency with a hydrophobic/hydrophilic ratio of about 446.7 mg/cm ² /h at a weight ratio of 75/25, which is achieved by efficient nucleation and adhesion due to the strong hydrophilic region. This is the result of efficient moisture removal. In addition, it can be seen that the water collection efficiency of the surface of the water harvesting plate 100a hardly changed in terms of UV irradiation and slightly decreased even after the adhesive tape test.

이러한, 물 수확판의 제조 방법은 소수성 또는 친수성 실리카 나노입자만을 사용하여 초소수성 표면 또는 거의 초친수성 표면을 제조할 수 있는 바, 대규모 및 저렴한 비용으로 유연한 습윤성 대조 표면을 만들 수 있고, 환경 친화적이며 대량 생산에 유리하게 된다. 또한 제조된 물 수확판의 경우 자체 세척, 바이오 파울링 방지, 결빙 방지 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.This method of manufacturing a water harvesting plate can produce a superhydrophobic surface or a nearly superhydrophilic surface using only hydrophobic or hydrophilic silica nanoparticles, can create a flexible wettability control surface on a large scale and at low cost, and is environmentally friendly. It is advantageous for mass production. Additionally, the manufactured water harvesting plate can be applied to various application fields such as self-cleaning, bio-fouling prevention, and freezing prevention.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached claims.

10: 가압수단 11: 가압부
100: 베이스 기판 110: 베이스부재
120: 바인더층 200: 보호 기판
300: 실리카 나노입자층 310: 마이크로 패턴10: pressurizing means 11: pressurizing part
100: base substrate 110: base member
120: binder layer 200: protective substrate
300: Silica nanoparticle layer 310: Micro pattern

Claims

Preparing a base substrate, a protective substrate, and a mixture of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles;
Forming a silica nanoparticle layer on the base substrate using a mixed solution;
It includes forming a micro-pattern to increase the surface area on the silica nanoparticle layer of the base substrate,
The mixed solution is composed of hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles in a weight ratio of 5 to 50:50 to 95, and the mixing ratio of the hydrophilic silica nanoparticles and hydrophobic silica nanoparticles is 25:75. Method for producing a water harvesting plate.

In claim 1,
The base substrate is
base member,
A method of manufacturing a water harvesting plate including a binder layer provided on one side of a base member.

In claim 1,
The step of forming a silica nanoparticle layer with a mixed solution on the base substrate is a method of manufacturing a water harvesting plate in which the silica nanoparticle layer is formed by any one of spraying, dip coating, and spin coating.

In claim 1,
The step of forming a micro-pattern to increase the surface area on the silica nanoparticle layer of the base substrate,
Placing a protective substrate on the base substrate to surround the silica nanoparticle layer,
A method of manufacturing a water harvesting plate comprising the step of forming a micro pattern on a silica nanoparticle layer while pressing the base substrate on which the protective substrate is disposed in a heated state using a pressing means provided with a pressing portion.

In claim 4,
A method of manufacturing a water harvesting plate wherein the pressurizing means is a hot rolling mill or compression molding machine.

In claim 4,
A method of manufacturing a water harvesting plate where the surface of the protective substrate in contact with the silica nanoparticle layer has micro-patterned irregularities.

In claim 4,
A method of manufacturing a water harvesting plate in which micro-patterned irregularities are provided on the surface of the pressing part.

In claim 1,
In the step of forming a silica nanoparticle layer with a mixed solution on the base substrate, the silica nanoparticle layer has a thickness of 10㎛ or more.

A water harvesting plate manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 8.

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