[논문]투명 발수 반사방지 코팅의 표면 형상 의존성

김기출

doi:10.5762/kais.2017.18.10.771

투명 발수 반사방지 코팅의 표면 형상 의존성
Dependence of Surface Morphology of Transparent Hydrophobic Anti-Reflective Coating 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.10, 2017년, pp.771 - 776

초록
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모바일 디스플레이 및 태양전지의 커버글라스에는 반사방지 코팅 및 셀프클리닝과 같은 기능성 코팅이 필요하다. 최근 들어 나방 눈 또는 연꽃 잎과 같은 자연의 기능성 표면을 모사하여 공학적으로 응용하고자하는 많은 연구가 수행되었다. 특히 실리카 나노입자를 이용한 반사방지 기능성 코팅은 빛의 투과를 증가시키며, $TiO_2$ 광촉매 코팅은 셀프클리닝 기능성 필름에 적용되어왔다. 본 연구에서는 $SiO_2/TiO_2$ 나노입자의 박막 코팅에 의한 투명 발수 반사방지 코팅을 sol-gel 공정과 dip-coating 공정으로 글라스 기판 위에 제조하였다. 기능성 코팅의 표면형상 의존성을 원자힘현미경, 접촉각 측정 및 UV-visible 분광광도계 분석으로 조사하였다. 그 결과 $TiO_2$ 나노입자의 코팅은 가시광선 영역에서 투과율을 저하시키지 않고 기판인 슬라이드 글라스와 비슷한 수준의 높은 평균 광 투과율을 나타내었다. 또한 7nm $SiO_2$/7nm $TiO_2$ 나노입자의 이중층 기능성 코팅은 접촉각 $110^{\circ}$의 투명 발수 표면 특성을 나타내었으며, 가시광선 영역에서 기판인 슬라이드 글라스 보다 2.3% 높은 평균 투과율의 향상을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cover glass of mobile displays and photovoltaic cells needs a functional coating, such as an anti-reflection and self-cleaning coating. Numerous studies have been conducted on the engineering application of biomimetic functional surfaces, such as moth eye and lotus leaf Anti-reflection coantings of silica nanoparticles could enhance the light transmittance. $TiO_2$ photocatalyst coatings have been applied to self-cleaning functional films. In this study, transparent hydrophobic anti-reflective coatings consisting of thin layers of $SiO_2/TiO_2$ nanoparticles were fabricated on a slide glass substrate by the sol-gel process and dip-coating process. The dependence of the surface morphology of the functional coatings was investigated by the atomic force microscopy (AFM), contact angle measurement, and UV-visible spectroscopy. It was found that the coating of $TiO_2$ nanoparticles exhibited a high average transmittance comparable to that of the bare slide glass substrate in the visible light range. The bi-layered functional coating of 7 nm $SiO_2$/7nm $TiO_2$ nanoparticles exhibits a transparent hydrophobic surface with a contact angle of $110^{\circ}$ and an improvement of the average transmittance of 2.3% compared to the bare slide glass substrate in the visible light range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

모바일 디스플레이의 커버글라스 또는 태양전지의 커버 글라스의 응용에 있어서 빛의 반사를 최소화시키는 반사방지 기능성과 커버글라스 표면이 쉽게 오염되지 않는 방오 기능 및 자기세정 기능의 동시 구현은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 실리카 나노입자 졸과 이산화티탄 나노입자 졸을 이용하여 우수한 반사방지 기능과 자기세정 기능의 동시 구현성과, 기능성 코팅의 표면형상이 발수 특성과 반사방지 특성에 미치는 영향을 조사하였다. UV-visible 분광광도계로 분석된 기능성 코팅의 광학적 특성을 Fig.
본 연구에서는 sol-gel 공정으로 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자 졸 및 7 nm 크기를 갖는 이산화티탄 나노입자 졸을 합성하고, 실리카 나노입자/이산화티탄 나노입자의 이중층 구조의 필름을 dip-coating 공정으로 제조하였다. 필름의 표면형상에 따른 기능성 코팅의 발수특성 및 반사방지 특성을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

제안 방법

세척된 슬라이드 기판 위에 코팅된 발수 및 반사방지 기능성 코팅 필름의 표면형상 (morphology) 특성은 전계방출 주사전자현미경 (FE-SEM, FEI, Sirion)과 원자 힘현미경(AFM, Park System, XE-100)으로 분석하였으며, 코팅된 필름의 광학적 특성은 UV-visible spectrophotometer로 분석하였다. 발수 특성은 Contact Angle Analyzer (SEO Co. Ltd, Phoenix 300 Plus)로 접촉각을 측정하여 평가하였다. 메탄올과 1H,1H,2H,2HPerfluorodecyltrimethoxysilane(Sigma-Aldrich, 98%)의 희석용액을 dip-coating 공정으로 코팅하여 발수기능을 부여하였다.
본 연구에서는 sol-gel 공정으로 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자 졸 및 7 nm 크기를 갖는 이산화티탄 나노입자 졸을 합성하고, 실리카 나노입자/이산화티탄 나노입자의 이중층 구조의 필름을 dip-coating 공정으로 제조하였다. 필름의 표면형상에 따른 기능성 코팅의 발수특성 및 반사방지 특성을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
본 연구에서는 초발수 특성을 갖는 연꽃 잎의 표면돌기 구조 및 완전 반사방지 특성을 갖는 나방 눈 표면돌기 모양을 모사하여 Fig. 1에 나타낸 것처럼 투명하면서 발수기능을 갖는 반사방지 코팅을 Sol-Gel 공정으로 구현하였다. (표면구조 및 나노입자의 모양을 다소 과장하여 표현하였다.
세척된 슬라이드 기판 위에 코팅된 발수 및 반사방지 기능성 코팅 필름의 표면형상 (morphology) 특성은 전계방출 주사전자현미경 (FE-SEM, FEI, Sirion)과 원자 힘현미경(AFM, Park System, XE-100)으로 분석하였으며, 코팅된 필름의 광학적 특성은 UV-visible spectrophotometer로 분석하였다. 발수 특성은 Contact Angle Analyzer (SEO Co.
따라서 이산화티탄 코팅 표면이 초발수성을 가질 때 광촉매효과가 장시간 유지될 수 있다 [14]. 크기가 다른 실리카 나노입자와 7 nm 크기를 갖는 이산화티탄 나노 입자의 이중층 기능성 코팅 7 nm, 30 nm, 100 nm, 150nm SiO₂/7 nm TiO₂ 필름의 접촉각 특성을 분석하였고,그 측정결과를 Fig. 4에 나타내었다. 접촉각은 각각 110.
자연에 존재하는 발수기능의 연꽃 잎의 표면 및 반사 방지 기능의 나방 눈에는 주기적인 나노구조물이 형성되어 있고, 나노구조물의 주기성과 크기 및 높이가 발수 및 반사방지 기능성에 매우 중요하게 작용한다 [1, 16]. 투명 발수 반사방지 기능성 코팅의 표면형상 의존성을 조사하기 위하여 다양한 조합의 기능성 코팅을 실시하였다. 세척된 슬라이드 글라스 위에 각각 다른 크기를 갖는 실리카 나노입자와 이산화티탄 나노입자의 SiO₂/TiO₂ 이중층(bi-layer)을 코팅하고, 발수기능을 부여한 후에 필름 표면의 거칠기를 AFM으로 분석한 결과를 Fig.
9g을 섞은 다음 27^oC에서 3시간 동안 교반하였다 [14, 15]. 합성된 SiO₂ 나노입자 졸과 TiO₂ 나노입자 졸을 24시간 동안 숙성한 다음, spin-coating 및 dip-coating 공정을 적용하여 세척된 슬라이드 기판 위에 SiO₂, TiO₂, SiO ₂/TiO₂의 구조를 갖는 시료를 코팅하 였다. dip-coating 공정에서 기판의 인상속도는 1mm/s이었다.

대상 데이터

이산화티탄(TiO₂)은 광화학적으로 안정하고 높은 산화력을 갖고 있으며, UV가 조사 되면 유기물질을 CO₂ 나 H₂O로 분해시키는 기능성을 가지고 있어서 환경정화용 촉매 및 셀프 클리닝 기능성 코팅에 널리 사용되고 있다. 본 연구에서 TiO₂ 나노입자 졸의 합성에 사용된 시약은 TTIP (Titanium Tetra IsoPropoxide, Sigma-Aldrich, 97%), 2-propanol(삼천, 99.5%), DEA (DiEthanolAmine, Sigma-Aldrich, 99%)와 정제된 증류수를 사용하였다. TiO₂ 나노입자 졸의 합성은 TTIP 14.
본 연구에서는 스토버(Stöber)법을 기반으로 지름이 약 7 nm, 30 nm, 100 nm, 150 nm 크기를 갖는 실리카 나노입자 졸을 합성하였는데, 실험에 사용된 시약은 TEOS(TetraEthylOrthoSilicate, 삼천, 95%), 에탄올(Ethyl Alcohol, 삼천, 94.5%), 암모니아수(ammonium hydroxide solution 28%, Sigma- Aldrich), 2-propanol(삼천, 99.5%)과 초순수 제조 장치로 얻은 정제된 증류수를 사용하였다.
2에 나타낸 것처럼 평균적으로 약 7 nm, 30 nm, 100 nm, 150 nm 크기를 나타내었다. 실리카 나노입자의 크기를 확인하기 위한 FE-SEM 분석의 시료는 세척된 슬라이드 글라스 위에 실리카 나노입자 졸을 4,000 rpm의 스핀코팅 공정으로 준비하였다.

성능/효과

1. 합성된 이산화티탄 나노입자 졸을 이용한 기능성 코팅의 경우, 광학적 특성의 열화를 유도하지 않았고, 광촉매 기능도 잘 구현하였다.
2. SiO2/TiO2 이중층 구조의 기능성 코팅의 경우, 접촉각 110° 이상으로 발수 표면특성을 나타내었으며, 기능성 코팅의 표면요철이 증가하면 발수특성도 향상되는 것으로 나타났다.
3. 발수 기능과 반사방지 기능의 동시 구현성을 검토한 결과 7 nm SiO2/7 nm TiO2 필름의 접촉각은 110.3°로 측정되어 우수한 발수 특성을 나타내었으며, 가시광선 영역에서의 평균 투과율은 92.3%로 슬라이드 글라스의 평균 투과율보도 2.3% 높게 분석되어, 효과적인 발수 기능 및 반사방지 코팅인 것으로 분석되었다.
Fig. 5에서 볼 수 있는 것처럼 본 연구에서 제조된 이산화티탄 필름의 경우, 가시광선 영역(400 nm ∼ 800 nm)에서의 평균 투과율은 89.6%로 분석되어 슬라이드 기판의 평균 투과율 90.0%와 거의 비슷하게 분석되었고, 광촉매 기능도 잘 구현되었다 [14].
Sol-Gel 공정으로 합성된 실리카 나노입자는 합성에 사용된 TEOS와 암모니아수의 혼합비율에 따라 다른 크기를 갖게 되는데, 본 연구에서 합성된 실리카 나노입자의 크기는 Fig. 2에 나타낸 것처럼 평균적으로 약 7 nm, 30 nm, 100 nm, 150 nm 크기를 나타내었다. 실리카 나노입자의 크기를 확인하기 위한 FE-SEM 분석의 시료는 세척된 슬라이드 글라스 위에 실리카 나노입자 졸을 4,000 rpm의 스핀코팅 공정으로 준비하였다.
크기가 다른 실리카 나노입자와 7 nm 크기를 갖는 이산화티탄 나노입자의 이중층 기능성 코팅 7 nm, 30 nm, 100 nm, 150 nm SiO 2/7 nm TiO2 필름의 가시광선 영역(400 nm ∼ 800 nm)에서 평균 투과율은 92.3%, 91.1%, 89.9%, 89.9%로 분석되었다.
3에 나타내었다. 크기가 다른 실리카 나노입자와 7 nm 크기를 갖는 이산화티탄 나노입자의 이중층 기능성 코팅 7nm, 30 nm, 100 nm, 150 nm SiO₂/7 nm TiO₂ 필름의 평균 표면 거칠기는 각각 1.00 nm, 2.13 nm, 14,76 nm, 21,77 nm로 분석되었다. 고체 표면의 젖음성(wetability)은 물방울이 고체표면에 놓여있을 때 고체-액체-기체 간에 작용하는 힘의 열역학적인 평형상태의 결과인 Young 의 공식으로 표현되며 [1], 접촉각의 측정으로 확인할 수있다.
2°로 분석되어 모든 시료가 발수특성을 나타내었다. 특히 원자힘현미경 분석에서 가장 큰 표면요철 특성을 나타내었던 150 nm SiO₂ /7 nm TiO₂ 시료의 발수특성이 가장 좋은 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전의 단점은?	E. Becquerel에 의해 발견된 광기전력 효과 (photovoltaic effect)를 이용하는 태양광 발전은 그동안 낮은 효율과 높은 생산단가로 인하여 그 잠재적인 가치를 인정받지 못하였으나, 최근 그리드패리티(grid parity) 에 근접하여 신재생에너지원으로서의 가능성을 주목받고 있다 [7]. 한화그룹에서 태양광 사업의 양대 축이었던 한화큐셀과 한화솔라원이 2015년 “한화큐셀”로 통합된 이후 2016년 말 기준으로 5.
	태양광 발전은 어떤 효과를 이용하는가?	E. Becquerel에 의해 발견된 광기전력 효과 (photovoltaic effect)를 이용하는 태양광 발전은 그동안 낮은 효율과 높은 생산단가로 인하여 그 잠재적인 가치를 인정받지 못하였으나, 최근 그리드패리티(grid parity) 에 근접하여 신재생에너지원으로서의 가능성을 주목받고 있다 [7]. 한화그룹에서 태양광 사업의 양대 축이었던 한화큐셀과 한화솔라원이 2015년 “한화큐셀”로 통합된 이후 2016년 말 기준으로 5.
	태양전지 커버글라스의 오염 변환효율에 어떤 영향을 미치는가?	이때 태양전지를 보호하기 위하여 커버글라스를 장착하게 되는데, 커버글라스 표면은 먼지, 새의 분뇨 등으로 오염되기 쉽다. 이러한 커버글라스의 오염은 태양전지에 입사하는 태양광을 차단하여 태양 전지의 에너지 변환효율을 저하시키는 원인이 되고 있다. 따라서 태양전지 커버글라스의 표면에 자기세정 기능과 반사방지 기능을 갖는 기능성 코팅을 구현하는 것이 필요하다 [8-10].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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