KR100539664B1 - Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof - Google Patents

Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR100539664B1
KR100539664B1 KR1020030023341A KR20030023341A KR100539664B1 KR 100539664 B1 KR100539664 B1 KR 100539664B1 KR 1020030023341 A KR1020030023341 A KR 1020030023341A KR 20030023341 A KR20030023341 A KR 20030023341A KR 100539664 B1 KR100539664 B1 KR 100539664B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanotube
fluid
friction
micrometers
nanotube array
Prior art date
Application number
KR1020030023341A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20040088901A (en
Inventor
이규호
손영우
이상봉
Original Assignee
재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인서울대학교산학협력재단 filed Critical 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority to KR1020030023341A priority Critical patent/KR100539664B1/en
Publication of KR20040088901A publication Critical patent/KR20040088901A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100539664B1 publication Critical patent/KR100539664B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/32Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls
    • B63B1/34Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B2231/00Material used for some parts or elements, or for particular purposes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00Maritime or waterways transport
    • Y02T70/10Measures concerning design or construction of watercraft hulls

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

유체 마찰력 감소장치 및 방법이 개시된다. 개시된 유체 마찰력 감소장치는, 기판 상에 1 나노미터 내지 200 나노미터 직경(D)의 복수의 나노튜브 컬럼이 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터 간격(L)으로 배열된 나노튜브 어레이로 이루어진 나노구조 표면을 구비한다. 이와 튜브 어레이는 유체와의 마찰력을 50% 이하로 감소시켜 저에너지 고속의 최첨단, 친환경 운송수단을 실현할 수 있다. An apparatus and method for reducing fluid friction forces are disclosed. The disclosed fluid friction reducing device comprises a nanostructured surface consisting of a nanotube array in which a plurality of nanotube columns of 1 nanometer to 200 nanometers diameter (D) are arranged on a substrate at intervals of 0.1 micrometers to 20 micrometers (L). It is provided. In addition, the tube array reduces frictional force with the fluid to 50% or less, thereby realizing a low energy, high speed, state-of-the-art, eco-friendly vehicle.

Description

유체 마찰력 감소장치 및 방법{Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof}Apparatus of reducing fluid friction and method

도 1은 논문, "작은 물방울에 기초한 미세유체에서 유체 저항을 현저히 감소시키기 위한 나노구조의 표면(Nanostructured surfaces for dramatic reduction of flow resistance in droplet-based microfluids)(IEEE, 2002)"에 게재된 발수성 구조를 간략히 보인 단면도이다.1 is a water-repellent structure disclosed in the article, "Nanostructured surfaces for dramatic reduction of flow resistance in droplet-based microfluids (IEEE, 2002)". Is a simplified cross-sectional view.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노튜브 어레이 구조를 간략히 나타낸 사시도,2 is a perspective view briefly showing a nanotube array structure according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노튜브 어레이 구조를 간략히 나타낸 단면도.Figure 3 is a simplified cross-sectional view showing a nanotube array structure according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 유체 마찰력을 감소시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 배열을 이용한 유체 마찰력 감소 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for reducing fluid friction, and more particularly, to an apparatus and method for reducing fluid friction using carbon nanotube arrays.

바다를 항해하는 선박은 마찰 저항, 조파 저항, 와류 저항, 공기 저항 등의 여러 저항으로 인하여 고속으로 항해하기 위해 강한 파워의 엔진과 부수적인 기계들을 필요로 하고 특히 에너지 소비가 많아지게 된다. 특히 이중에서 마찰 저항이 선박의 속도를 저해하는 큰 원인으로 작용하는데, 선박의 외면이 매끄러운 면으로 형성된다고 하더라도 마찰력 저항은 저속선의 경우 전체 저항의 80-85% 고속선의 경우 전체 저항의 50%에 이르고 있다. 거친 표면일 경우 마찰력저항은 훨씬 더 크게 작용하고 선박 표면의 부식이나 이끼 등의 마찰력요인이 결합되면 마찰력저항은 더욱 커진다. 마찰력 저항은 선박에 영향을 미치는 가장 큰 단일 요인이며 이외의 운송 수단의 속력에도 많은 영향을 미치는 요인이므로 이를 감소시키기 위한 연구가 최근까지도 활발히 진행되고 있다. Ships sailing seas require strong power engines and ancillary machinery to navigate at high speeds, especially due to frictional resistances, sowing resistances, eddy current resistances, air resistances, etc., and particularly high energy consumption. In particular, friction resistance acts as a major cause of slowing down the ship's speed. Even if the outer surface of the ship is formed as a smooth surface, the frictional resistance is 80-85% of the total resistance in the low speed vessel and 50% of the total resistance in the high speed vessel. Is coming. In the case of rough surfaces, the frictional force acts much larger, and when friction factors such as corrosion and moss on the ship's surface are combined, the frictional force becomes even larger. Friction resistance is the single biggest factor affecting ships and a lot of factors affecting the speed of other means of transportation, and research to reduce it has been actively conducted until recently.

도 1은 김준원(Joonwon Kim)과 김창진(Chan-Jin "CJ" Kim)이 2002년 IEEE에 개재된 논문, "작은 물방울에 기초한 미세유체에서 유체 저항을 현저히 감소시키기 위한 나노구조의 표면(Nanostructured surfaces for dramatic reduction of flow resistance in droplet-based microfluids)"에 도시한 발수성 구조를 보이고 있다. 1 is a paper published in IEEE 2002 by Joonwon Kim and Chang-Jin "CJ" Kim, "Nanostructured surfaces to significantly reduce fluid resistance in microfluidics based on droplets. for dramatic reduction of flow resistance in droplet-based microfluids).

도 1을 참조하면, 유체 저항을 감소시키기 위한 나노구조에는, 요철구조를 가지는 투명한 기판(15) 상에 요철 구조(13)가 형성되고 요철 구조의 상면에는 소수성 물질(12)이 코팅되어 있다. 기판(15)은 투명한 보로플로우트 글라스(Borofloat glass) 또는 실리콘으로 형성된다. 기판(15)은 DRIE(Dry Reactive Ion Etching)기술로 식각하여 도시된 요철구조를 형성한다. 도면에서 피치(P)는 10μm, 요철의 폭(A)은 3μm, 요철 간의 간격(B)은 7μm, 요철의 높이(h)는 15μm정도이다. Referring to FIG. 1, in the nanostructure for reducing fluid resistance, an uneven structure 13 is formed on a transparent substrate 15 having an uneven structure, and a hydrophobic material 12 is coated on an upper surface of the uneven structure. The substrate 15 is made of transparent Borofloat glass or silicon. The substrate 15 is etched using a dry reactive ion etching (DRIE) technique to form the uneven structure shown. In the figure, pitch P is 10 micrometers, the width | variety A of unevenness | corrugation is 3 micrometers, the space | interval B between unevenness | corrugation is 7 micrometers, and the height h of uneven | corrugated is about 15 micrometers.

상기 논문에 도시된 나노구조 표면 상에서 작은 물방울과의 마찰력은 동일한 소재의 평평한 표면에서보다 1/100 정도로 감소되며 작은 관으로 형성하는 경우 마찰력은 1/20 정도로 감소하는 것으로 보고하고 있다.It is reported that the frictional force with the droplets on the surface of the nanostructure shown in the paper is reduced by about 1/100 than that of the flat surface of the same material, and when formed into a small tube, the frictional force is reduced by 1/20.

하지만, 상기 실험은 작은 물방울에 대한 중력효과, 즉 물방울과 물체 표면 사이에 작용하는 압력 효과를 무시할 수 있는 미세 유체의 경우에만 마찰력 감소 효과를 얻을 수 있는 한계가 있다. 중력의 효과가 중요해지는 좀 더 거시적인 물질계에 적용하려면 압력을 고려한 필수가 필수적이며 보다 미세하고 더 높은 집적도를 가지는 요철 구조가 요구된다. However, the experiment has a limitation in that the frictional force reduction effect can be obtained only in the case of microfluids that can ignore the gravity effect on the droplets, that is, the pressure effect acting between the droplets and the object surface. In order to apply to more macroscopic material systems where the effect of gravity is important, it is necessary to consider the pressure, and a finer and higher density uneven structure is required.

이러한 요철 구조를 가지는 나노구조는 제조공정이 복잡하고 요철의 폭(A)을 미세하게 형성하는데 기술적인 한계를 가지며 특히 이와 같은 요철 구조는 강도가 약하여 작은 마찰력에도 손상될 수 있는 단점이 있다. The nanostructure having such an uneven structure has a technical limitation in forming a complicated manufacturing process and forming an uneven width A. In particular, the uneven structure has a weak strength and can be damaged even with small frictional force.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 저마찰력 기술의 적용범위를 수십 기압까지 넓히고 내구성 및 마찰력 감소 효과를 향상시키며 유체와 고체간 마찰력을 획기적으로 감소시킬 수 있는 마찰력 감소 장치를 제공하는 것이다. Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to improve the problems of the prior art described above, to extend the range of low-friction force technology to several tens of atmospheric pressure, improve the durability and frictional force reduction effect and significantly reduce the friction between fluid and solid It is to provide a friction reducing device that can be made.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above technical problem,

기판 상에 1 나노미터 내지 200 나노미터 직경(D)의 복수의 나노튜브 컬럼이 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터 간격(L)으로 배열된 나노튜브 어레이로 이루어진 나노구조 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치를 제공한다.A plurality of nanotube columns having a diameter of 1 nanometer to 200 nanometers (D) on a substrate comprising nanostructured surfaces consisting of nanotube arrays arranged at intervals of 0.1 micrometers to 20 micrometers (L). Provides a friction reducing device.

상기 나노튜브는 탄소나노튜브일 수 있다.The nanotubes may be carbon nanotubes.

상기 나노튜브 어레이에 표면 장력(σ)을 가지는 유체가 접촉각(θ)으로 접촉할 때 마찰력 감소 효과를 유지할 수 있는 최대 유압(P)은 수학식 1을 만족한다.The maximum hydraulic pressure P that can maintain the frictional force reducing effect when the fluid having the surface tension σ contacts the nanotube array at the contact angle θ satisfies Equation 1.

삭제delete

Figure 112003013079298-pat00001
Figure 112003013079298-pat00001

상기 나노튜브 어레이는 10기압 정도의 유압 임계치를 가진다.The nanotube array has a hydraulic threshold of about 10 atm.

상기 나노구조 표면은 평평한 표면에 비해 50% 이하로 마찰력을 감소시키는 것이 바람직하다.The nanostructured surface preferably reduces friction by 50% or less compared to flat surfaces.

상기 나노튜브는 그 표면에 테프론이 코팅될 수 있다.The nanotubes may be coated with Teflon on the surface.

상기 기판 상에 산화막이 더 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that an oxide film is further formed on the substrate.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한,The present invention also to achieve the above technical problem,

기판 상에 1 나노미터 내지 200 나노미터 직경(D)의 복수의 나노튜브 컬럼을 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터 간격(L)으로 배열시켜 나노튜브 어레이를 형성하는 단계; 및Arranging a plurality of nanotube columns of 1 nanometer to 200 nanometer diameter (D) on the substrate at intervals of 0.1 micrometers to 20 micrometers (L) to form a nanotube array; And

상기 나노튜브 어레이 상에 소정 표면장력(σ)을 가지는 유체를 접촉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법을 제공한다.And contacting a fluid having a predetermined surface tension (σ) on the nanotube array.

상기 나노튜브는 탄소나노튜브이다.The nanotubes are carbon nanotubes.

상기 탄소나노튜브는 플라즈마 화학 기상 증착법으로 형성하는 것이 바람직하다.The carbon nanotubes are preferably formed by plasma chemical vapor deposition.

상기 제1단계에서, 상기 기판 상에 산화막을 더 형성시킬 수 있다.In the first step, an oxide film may be further formed on the substrate.

상기 나노튜브 어레이에 표면 장력(σ)을 가지는 유체가 접촉각(θ)으로 접촉하면 유압(P)은 수학식 1을 만족한다.When a fluid having a surface tension σ contacts the nanotube array at a contact angle θ, the hydraulic pressure P satisfies Equation 1.

상기 나노튜브 어레이는 10기압 정도의 유압 임계치를 가지는 것이 바람직하며, 상기 나노구조 표면은 평평한 표면에 비해 50% 이하로 마찰력을 감소시키는 것이 바람직하다.The nanotube array preferably has a hydraulic pressure threshold of about 10 atm, and the nanostructure surface preferably reduces frictional force by 50% or less than a flat surface.

상기 나노튜브의 표면에 테프론을 더 코팅할 수 있다.Teflon may be further coated on the surface of the nanotubes.

본 발명은 소정 크기의 나노튜브 컬럼을 소정 간격으로 배열시키는 나노튜브 어레이 구조를 채택하여 유체와 고체간 마찰력을 획기적으로 감소시킨다. The present invention adopts a nanotube array structure in which nanotube columns of a predetermined size are arranged at predetermined intervals, thereby dramatically reducing the friction force between the fluid and the solid.

이하 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 감소장치 및 그 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a friction force reducing device and a method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 감소장치를 간략히 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view briefly showing a frictional force reducing device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 감소장치는, 기판(31) 상에 1nm 내지 200nm 직경의 지름(D)을 가지는 복수개의 탄소나노튜브(33a, 33b) 컬럼이 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터의 간격(L)으로 배열된 탄소나노튜브 어레이를 구비한다. 여기서, 플라즈마 화학기상증착(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)공정을 이용하여 수직으로 정렬된 탄소나노튜브 컬럼을 제조할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the friction reducing apparatus according to the embodiment of the present invention, a column of a plurality of carbon nanotubes 33a and 33b having a diameter D having a diameter of 1 nm to 200 nm on the substrate 31 is 0.1 micrometer. And carbon nanotube arrays arranged at intervals of 20 to 20 micrometers. Herein, vertically aligned carbon nanotube columns may be manufactured using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process.

여기서, 탄소나노튜브 대신 다른 물질로 형성된 나노튜브로 대치할 수 있다. 다만, 탄소나노튜브는 역학적으로 매우 유연하고 강하므로 외력에 의해 쉽게 부러지거나 파손되지 않아 외부의 긁힘에 대해 매우 높은 내구성을 가지므로 마찰력 감소장치에 가장 적합하다. 기판(31) 상에는 산화물막을 형성하여 탄소나노튜브 컬럼(33a, 33b)의 기판(31)에 대한 부착력을 강화시킬 수 있다. Here, it can be replaced by nanotubes formed of other materials instead of carbon nanotubes. However, since carbon nanotubes are very flexible and strong mechanically, they are not easily broken or broken by external force, so they have a very high durability against external scratches. An oxide film may be formed on the substrate 31 to enhance adhesion of the carbon nanotube columns 33a and 33b to the substrate 31.

선박이 일정한 속도로 진행할 때 선체 표면 가까이에 있는 물은 선박을 따라 진행하며 선박의 속도를 감소시키는 마찰력 저항의 원인이 되는 유체층을 형성한다. 이 유체층을 경계층이라 하는데, 선체로부터 경계층 속의 유체에 공급되는 운동량은 마찰력 저항의 척도가 된다. 선체는 같은 방향으로 움직이는 마찰력 항적을 뒤로 하고 계속 전진하면서 물을 가속하여 경계층을 형성하기 때문에 에너지의 유실은 계속적으로 일어난다. 유체-고체 사이의 안미끄러짐 경계 조건은 이와 같은 항력의 미시적 원인이 된다. 물과 고체의 접촉면을 줄이면 안미끄러짐 경계 조건이 적용되는 면적이 줄어 고체-유체 사이의 마찰력을 감소시킬 수 있다.As the vessel progresses at a constant speed, water near the hull surface travels along the vessel and forms a fluid layer that causes frictional resistance that reduces the vessel's speed. This fluid layer is called the boundary layer, and the momentum supplied from the hull to the fluid in the boundary layer is a measure of the frictional resistance. Loss of energy continues because the hull moves forward, leaving behind frictional force tracks moving in the same direction, accelerating water to form a boundary layer. Slip boundary conditions between fluids and solids are the microscopic cause of this drag. Reducing the contact surface of water and solids reduces the area under which slip slip boundary conditions are applied, thereby reducing friction between the solids and the fluids.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 감소장치에서 물과 접촉하고 있는 탄소나노튜브 어레이를 간략이 보인 개념도이다.3 is a schematic view showing a carbon nanotube array in contact with water in the friction reducing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 탄소나노튜브 어레이(33)를 이루는 복수의 탄소나노튜브 컬럼들(33a, 33b) 상에는 유체가 표면 장력에 의해 지지되고 있고 탄소나노튜브 컬럼들(33a, 33b) 사이에 공기층이 트랩된다. 탄소나노튜브 컬럼들(33a, 33b)과 유체 사이에는 접촉각(θ)이 유지된다. 유압(P)이 높아지면 공기층을 밀어내고 물이 침투할 수 있다. 최대 유압은 나노 기둥의 직경(D)과 기둥 사이의 간격(L)에 따라 달라진다. 또한 유체의 표면 장력(σ)과 접촉각(θ)에 따라서 달라진다. Referring to FIG. 3, a fluid is supported by surface tension on a plurality of carbon nanotube columns 33a and 33b constituting the carbon nanotube array 33 and an air layer between the carbon nanotube columns 33a and 33b. It is trapped. The contact angle θ is maintained between the carbon nanotube columns 33a and 33b and the fluid. Higher hydraulic pressures (P) can push the air layer out and allow water to penetrate. The maximum hydraulic pressure depends on the diameter (D) of the nanopillars and the spacing (L) between the pillars. It also depends on the surface tension σ and the contact angle θ of the fluid.

이와 같이 유체와 접촉하고 있는 고체의 면적을 감소시킨 직경(D) 나노미터의 나노튜브를 평균 L 나노미터의 간격으로 배열하는 경우 어느 정도 유압(P)까지 공기층을 유지할 수 있는지는 임의의 유체 표면 장력(σ)과 특정 액체와 탄소나노튜브의 접촉각(θ)으로부터 다음 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.When arranging nanotubes of diameter (D) nanometers with reduced area of solids in contact with the fluid at intervals of average L nanometers, it is important to know how much fluid surface tension can hold the air layer up to hydraulic pressure (P). From (σ) and the contact angle (θ) of the specific liquid and the carbon nanotubes can be calculated as shown in Equation 1 below.

표 1은 도 2 및 도 3의 유체가 물인 경우 탄소나노튜브 컬럼의 직경(D)과 간격(L)에 따른 압력 임계치 및 매끈한 표면에 대한 상대적 마찰 저항(FRrel)의 예측치이다. 매끈한 표면에 대한 상대적 마찰 저항(FRrel)이 (D/L)2에 비례하여 감소하는 것으로 예상되므로 예측치는 표 1과 같다.Table 1 is a prediction of the relative pressure resistance (FR rel ) for the smooth surface and the pressure threshold according to the diameter (D) and spacing (L) of the carbon nanotube column when the fluid of FIGS. Estimates are shown in Table 1 because the relative frictional resistance (FR rel ) for smooth surfaces is expected to decrease in proportion to (D / L) 2 .

Plimit D(nm) (kg중/m2)P limit D (nm) (kg / m 2 ) 22 55 1010 2020 3030 5050 100100 200200 1One L(nm)L (nm) 67826782 1072410724 1516615166 2144821448 2626826268 3391233912 4795847958 6782367823 FRrel FR rel 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 1010 L(nm)L (nm) 21452145 33913391 47964796 67826782 83078307 1072410724 1516615166 2144821448 FRrel FR rel 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.01%0.01% 100100 L(nm)L (nm) 678678 10721072 15171517 21452145 26272627 33913391 47964796 67826782 FRrel FR rel 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.00%0.00% 0.01%0.01% 0.01%0.01% 0.02%0.02% 0.04%0.04% 0.09%0.09% 1,0001,000 L(nm)L (nm) 214214 339339 480480 678678 831831 10721072 15171517 21452145 FRrel FR rel 0.01%0.01% 0.02%0.02% 0.04%0.04% 0.09%0.09% 0.13%0.13% 0.22%0.22% 0.43%0.43% 0.87%0.87% 10,00010,000 L(nm)L (nm) 6868 107107 152152 214214 263263 339339 480480 678678 FRrel FR rel 0.09%0.09% 0.22%0.22% 0.43%0.43% 0.87%0.87% 1.30%1.30% 2.17%2.17% 4.35%4.35% 8.70%8.70% 100,000100,000 L(nm)L (nm) 2121 3434 4848 6868 8383 107107 152152 214214 FRrel FR rel 0.87%0.87% 2.17%2.17% 4.35%4.35% 8.70%8.70% 13.04%13.04% 21.74%21.74% 43.48%43.48% 86.96%86.96%

표 1의 예측치는 수학식 1에서 접촉각(θ)을 180도로 가정하고 상온(25℃)에 서 물의 표면 장력(σ)을 0.072N/m 으로 가정한 결과이다. 아직까지 실험적으로 탄소나노튜브와 물이 이루는 접촉각(θ)이 정확히 알려져 있지 않다. 다만 탄소나노튜브가 물에 분산되지 않고 거의 모두 가라않는 실험 사실로부터 소수성을 지니는 것으로 추측하여, 접촉각(θ)을 90도 이상으로 가정한다.The predicted values in Table 1 are the results of assuming that the contact angle (θ) in Equation 1 is 180 degrees and the surface tension (σ) of water is 0.072 N / m at room temperature (25 ℃). Experimentally, the contact angle (θ) between carbon nanotubes and water is not known exactly. However, it is assumed that the carbon nanotubes are hydrophobic from the fact that the carbon nanotubes are not dispersed in water and almost disappear. Therefore, the contact angle θ is assumed to be 90 degrees or more.

탄소나노튜브와 물이 접촉각 90.6도로 극히 미약한 소수성을 가지는 경우 압력 임계치는 1/100 정도로 감소하고, 접촉각 95.7도 정도로 약간의 소수성만 가져도 1/10 정도로 압력 임계치가 감소한다. 접촉각이 감소함에 따라 압력 임계치만 감소할 뿐 마찰력 감소효과는 변함이 없다. 따라서, 접촉각이 90도에 가까운 약한 소수성을 지녀도 여전히 매우 큰 마찰력 감소 효과를 얻을 수 있다. 또한 나노튜브 말단에 소수성 물질, 예를 들어 테프론 코팅을 하여 접촉각을 크게 함으로써 압력 임계치를 높일 수 있다. 즉, 더 높은 압력하에서도 공기층을 유지할 수 있고 마찰력 감소 효과의 적용 범위를 더욱 넓힐 수 있다.When the carbon nanotubes and water have extremely weak hydrophobicity at the contact angle of 90.6 degrees, the pressure threshold is reduced to about 1/100, and the pressure threshold is reduced to about 1/10 with only slight hydrophobicity at the contact angle of 95.7 degrees. As the contact angle decreases, only the pressure threshold decreases but the frictional force reduction effect remains the same. Therefore, even if the contact angle has a weak hydrophobicity close to 90 degrees can still obtain a very large friction force reduction effect. In addition, by applying a hydrophobic material, for example, Teflon coating at the end of the nanotube to increase the contact angle can increase the pressure threshold. That is, it is possible to maintain the air layer even under a higher pressure and to broaden the application range of the frictional force reducing effect.

예를 들면, 100kg중/m2의 압력 이하에서 마찰력 감소 효과를 얻기 위해서 직경(D)이 50nm의 탄소나노튜브를 사용하면 나노튜브 간 간격(L)은 대략 3μm 정도로 하면 된다. 이때 고체-유체 마찰력은 (D/L)2+δ에 비례하여 감소하는 것으로 예상되며, 이로부터 마찰력 감소 폭의 상한과 하한을 예측할 수 있다. 정확한 δ값은 실험을 통해 결정해야 한다. 단, δ 값은 -1 과 0 사이의 값을 가질 것으로 예측할 수 있다. 상기 예의 경우 고체-유체 마찰력은 매끈한 표면에 비해 최대 1/5000에서 최소 1/70 정도로 현저히 감소할 것으로 예상된다.For example, when carbon nanotubes having a diameter D of 50 nm are used to obtain a frictional force reducing effect at a pressure of 100 kg / m 2 or less, the distance L between nanotubes may be about 3 μm. At this time, the solid-fluid friction force is expected to decrease in proportion to (D / L) 2 + δ , from which the upper and lower limits of the friction reduction range can be predicted. The exact value of δ should be determined by experiment. However, it can be expected that the value δ will have a value between -1 and 0. For this example, solid-fluid friction is expected to decrease significantly from a maximum of 1/5000 to a minimum of 1/70 compared to a smooth surface.

유체와의 접촉 마찰력을 감소시키기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마찰력 감소 방법은 기판 상에 1 나노미터 내지 200 나노미터 직경(D)의 복수의 나노튜브 컬럼을 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터 간격(L)으로 배열시켜 나노튜브 어레이를 형성한 다음, 그 상면에 유체를 접촉시키는 단계로 이루어진다. 이 때 유체의 유압(P)은 표면장력이 σ인 유체를 나노튜브 어레이 상에 접촉시키는 경우 수학식 1에서 제시된 바와 같은 값을 가진다. 나노튜브 컬럼 사이의 간격(L)의 기술적인 한계를 100nm정도라고 할 때, 유압(P)의 임계치는 10기압 정도이다.A frictional force reduction method according to an embodiment of the present invention for reducing contact frictional force with a fluid comprises a plurality of nanotube columns of 1 nanometer to 200 nanometer diameter (D) on a substrate at 0.1 micrometer to 20 micrometer spacing ( L) to form a nanotube array, and then contacting the fluid on the upper surface. At this time, the hydraulic pressure (P) of the fluid has a value as shown in Equation 1 when contacting a fluid having a surface tension of σ on the nanotube array. When the technical limit of the interval L between nanotube columns is about 100 nm, the threshold of the hydraulic pressure P is about 10 atm.

특히 여기서, 나노튜브는 탄소나노튜브로 형성하는 것이 바람직하며, 탄소나노튜브는 단일벽(single wall) 또는 다중벽(multi wall) 탄소나노튜브를 모두 이용할 수 있으며 금속성 또는 반도체성의 탄소나노튜브를 모두 이용할 수 있다. 나노튜브의 소수성을 증가시키기 위해 나노튜브 표면에 테프론(teflon) 코팅과 같은 소수성 물질을 더 코팅할 수 있다.In particular, the nanotubes are preferably formed of carbon nanotubes, and carbon nanotubes may use both single-walled or multi-walled carbon nanotubes, and both metallic or semiconducting carbon nanotubes. It is available. In order to increase the hydrophobicity of the nanotubes, hydrophobic materials such as teflon coatings may be further coated on the nanotube surfaces.

본 발명의 마찰력 감소 장치 및 방법은 소정 직경과 간격을 가지는 나노튜브 어레이를 제안하여 유체와 나노튜브 어레이 간의 마찰력을 50% 이하로 감소시킨 나노 구조 표면을 구현할 수 있다. 이와 같은 저마찰력 표면은 선박 등의 운송수단에 이용되는 경우 운송수단에 소모되는 에너지를 대폭적으로 감소시켜 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 동시에 이와 같은 표면은 각종 초발수성 및 항오염성의 성질을 가질 수 있으므로 표면의 오염물질을 용이하게 제거할 수 있다. 선박의 경우 해양생물의 서식으로 인한 표면의 마찰력증가를 방지하기 위해 사용하는 독성 페이트의 사용을 대체하는 환경친화적인 효과도 가질 수 있다. The friction reducing apparatus and method of the present invention can propose a nanotube array having a predetermined diameter and spacing to implement a nanostructured surface having reduced frictional force between a fluid and the nanotube array to 50% or less. Such a low friction surface can significantly improve the speed by greatly reducing the energy consumed in the vehicle when used in a vehicle such as a ship. At the same time, such a surface can have various super water-repellent and anti-pollution properties, so that contaminants on the surface can be easily removed. Vessels may also have an environmentally friendly effect, replacing the use of toxic pate, which is used to prevent surface friction increase due to marine life.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰력 감소 장치 및 방법의 장점은, 고체와 유체간 마찰력을 50%이하로 감소시킬 수 있는 나노튜브 어레이를 구비하여 초발수성 또는 항오염 장치를 실현할 수 있으며 선박 등과 같은 운송수단의 표면에 적용되어 마찰력저항을 획기적으로 감소시켜 고속 저에너지의 친환경 운송수단을 구현할 수 있다는 것이다.As described above, an advantage of the frictional force reducing device and method according to the present invention is to provide a super water-repellent or anti-pollution device having a nanotube array that can reduce the frictional force between the solid and the fluid to 50% or less, and can be used in ships, etc. It is applied to the surface of the same vehicle to significantly reduce the frictional resistance can realize a high-speed, low-energy eco-friendly vehicle.

Claims (16)

기판 상에 1 나노미터 내지 200 나노미터 직경(D)의 복수의 나노튜브 컬럼이 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터 간격(L)으로 배열된 나노튜브 어레이로 이루어진 나노구조 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.A plurality of nanotube columns having a diameter of 1 nanometer to 200 nanometers (D) on a substrate comprising nanostructured surfaces consisting of nanotube arrays arranged at intervals of 0.1 micrometers to 20 micrometers (L). Friction reduction device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노튜브는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.The nanotube is a friction force reducing device, characterized in that the carbon nanotubes. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노튜브 어레이에 표면 장력(σ)을 가지는 유체가 접촉각(θ)으로 접촉할 때 마찰력 감소 효과를 유지할 수 있는 최대 유압(P)은 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.And a maximum hydraulic pressure (P) capable of maintaining a frictional force reducing effect when a fluid having a surface tension (σ) contacts the nanotube array at a contact angle (θ).
Figure 112003013079298-pat00002
Figure 112003013079298-pat00002
제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 나노튜브 어레이는 10기압 정도의 유압 임계치를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.The nanotube array has a hydraulic pressure threshold of about 10 atm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노구조 표면은 평평한 표면에 비해 50%이하로 유체와의 마찰력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.And the nanostructured surface reduces friction with the fluid by 50% or less compared to the flat surface. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노튜브는 그 표면에 테프론이 코팅된 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.The nanotube is a friction force reducing device, characterized in that the surface is coated with Teflon. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판 상에 산화막이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 장치.And an oxide film is further formed on the substrate. 기판 상에 1 나노미터 내지 200 나노미터 직경(D)의 복수의 나노튜브 컬럼을 0.1 마이크로미터 내지 20 마이크로미터 간격(L)으로 배열시켜 나노튜브 어레이를 형성하는 단계; 및Arranging a plurality of nanotube columns of 1 nanometer to 200 nanometer diameter (D) on the substrate at intervals of 0.1 micrometers to 20 micrometers (L) to form a nanotube array; And 상기 나노튜브 어레이 상에 소정 표면장력(σ)을 가지는 유체를 접촉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.Contacting a fluid having a predetermined surface tension (σ) on the nanotube array. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 나노튜브는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.Friction reduction method characterized in that the nanotubes are carbon nanotubes. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 탄소나노튜브는 플라즈마 화학 기상 증착법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.The carbon nanotubes are formed by a plasma chemical vapor deposition method. 제 9 항에 있어서, 제1단계에서,The method of claim 9, wherein in the first step: 상기 기판 상에 산화막을 더 형성시키는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방 법.Friction force reduction method characterized in that the oxide film is further formed on the substrate. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 나노튜브 어레이에 표면 장력(σ)을 가지는 유체가 접촉각(θ)으로 접촉할 때 마찰력감소효과를 유지할 수 있는 최대 유압(P)은 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.The maximum hydraulic pressure (P) that can maintain the frictional force reduction effect when the fluid having a surface tension (σ) in contact with the nanotube array at the contact angle (θ) satisfies the following equation.
Figure 112003013079298-pat00003
Figure 112003013079298-pat00003
제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 나노튜브 어레이는 10기압 정도의 유압 임계치를 가지는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.The nanotube array has a hydraulic pressure threshold of about 10 atm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노구조 표면은 평평한 표면에 비해 50%이하로 유체와의 마찰력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.And the nanostructured surface reduces friction with the fluid by 50% or less compared to the flat surface. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 나노튜브의 표면에 테프론을 더 코팅하는 것을 특징으로 하는 마찰력 감소 방법.Friction reduction method characterized in that the coating of the Teflon further on the surface of the nanotube.
KR1020030023341A 2003-04-14 2003-04-14 Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof KR100539664B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030023341A KR100539664B1 (en) 2003-04-14 2003-04-14 Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030023341A KR100539664B1 (en) 2003-04-14 2003-04-14 Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040088901A KR20040088901A (en) 2004-10-20
KR100539664B1 true KR100539664B1 (en) 2006-01-11

Family

ID=37370557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020030023341A KR100539664B1 (en) 2003-04-14 2003-04-14 Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100539664B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101549948B1 (en) 2015-04-06 2015-09-03 (주)렉스다이아몬드 A conclusion device for jewelry

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012054039A1 (en) * 2010-10-21 2012-04-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Article with controlled wettability
KR101447531B1 (en) * 2012-09-05 2014-10-08 한국과학기술원 Method of tuning wettability of titanium dioxide layers against water
KR102100500B1 (en) * 2019-02-11 2020-04-13 단국대학교 산학협력단 Rheological rotator

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS51146088A (en) * 1975-06-06 1976-12-15 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Means for reducing fluid resistance
JPS61278500A (en) * 1985-05-31 1986-12-09 ミネソタ マイニング アンド マニュファクチュアリング コンパニ− Method of reducing drag resistance and drag resistance reducing article
JPH08268377A (en) * 1995-03-31 1996-10-15 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Surface construction of structure in contact with liquid
KR100188358B1 (en) * 1992-09-29 1999-06-01 호시노 지로 Method for forming air layer on submerged surface of structure having submerged part and film structure on submerged surface
JP2000055014A (en) * 1998-08-05 2000-02-22 Koichi Nagahisa Fluid resistance reducing device
KR20040046262A (en) * 2002-11-26 2004-06-05 학교법인 포항공과대학교 Method for reducing a skin friction resistance of an object moving in fluid

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS51146088A (en) * 1975-06-06 1976-12-15 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Means for reducing fluid resistance
JPS61278500A (en) * 1985-05-31 1986-12-09 ミネソタ マイニング アンド マニュファクチュアリング コンパニ− Method of reducing drag resistance and drag resistance reducing article
KR100188358B1 (en) * 1992-09-29 1999-06-01 호시노 지로 Method for forming air layer on submerged surface of structure having submerged part and film structure on submerged surface
JPH08268377A (en) * 1995-03-31 1996-10-15 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Surface construction of structure in contact with liquid
JP2000055014A (en) * 1998-08-05 2000-02-22 Koichi Nagahisa Fluid resistance reducing device
KR20040046262A (en) * 2002-11-26 2004-06-05 학교법인 포항공과대학교 Method for reducing a skin friction resistance of an object moving in fluid

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101549948B1 (en) 2015-04-06 2015-09-03 (주)렉스다이아몬드 A conclusion device for jewelry

Also Published As

Publication number Publication date
KR20040088901A (en) 2004-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6852390B2 (en) Ultraphobic surface for high pressure liquids
US6845788B2 (en) Fluid handling component with ultraphobic surfaces
JP4871726B2 (en) Super lyophobic surface, its preparation and use
CA2743474C (en) Hydrophobic surface coating systems and methods for metals
CN105188967B (en) Apparatus and method for impregnating a surface with a liquid
US7156032B2 (en) Method and apparatus for controlling friction between a fluid and a body
Sen et al. Scaling laws in directional spreading of droplets on wettability-confined diverging tracks
CN101553680B (en) Method for fabricating solid body having superhydrophobic surface structure and superhydrophobic tube using the same method
US10661304B2 (en) Microfluidic control surfaces using ordered nanotube fabrics
US20060078724A1 (en) Hydrophobic surface with geometric roughness pattern
WO2006121909A2 (en) Friction drag-reducing surface
US20040256311A1 (en) Ultralyophobic membrane
US20040209139A1 (en) Fuel cell with ultraphobic surfaces
US11845517B2 (en) Viscous-drag-reducing cladding
KR20160118213A (en) Manufactured article with a nanostructured surface
KR100539664B1 (en) Apparatus of reducing fluid friction and Method thereof
Lu et al. Droplet directional movement on the homogeneously structured superhydrophobic surface with the gradient non-wettability
CN113479287A (en) Drag reduction film for ship
Yao et al. Self-propulsion of droplets by spatially-varying surface topography
KR20060003001A (en) Microfluidic device with ultraphobic surfaces
US7455021B2 (en) Method and apparatus for controlling friction between a fluid and a body
CN113200119B (en) Drag reduction surface structure of underwater vehicle shell
Tanaka et al. Selective deposition of polystyrene nanoparticles in a nanoetchpit array on a silicon substrate
Devasahayam ◾ Bespoke Superhydrophobic Materials: Role of Polymers and Polymer Nanocomposites
Bhushan et al. Effects of surface structure on wetting of patterned superhydrophobic surfaces

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
N231 Notification of change of applicant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121224

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131218

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141210

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee