专利名称：超疏水性微结构的制作方法
技术领域：
本发明关于一种微结构,特别关于一种超疏水性微结构。
背景技术：
自然界中，植物总是暴露在各种污染源当中，例如灰尘、污泥、有机的细菌或真菌等。有些植物的叶片上具有复杂的奈米或微米级结构，除了有自我洁净的功能外，还可以防止受到细菌、病源体的感染。一旦叶片上遭受污染时，只要经过一场大雨的洗礼，就能恢复焕然一新。其中，最知名的就是莲叶的莲花效应(lotus effect) 莲花效应是在1997年由德国植物学家Barthlott与Neinhuis研究一莲叶表面现象时所创造出的词语。他们使用扫描式电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察一莲叶表面1，如图IA所示。他们发现莲叶表面I具有5 15微米(μ m)的突柱(pillar)的表皮细胞(epidermal cell),且表面上覆盖一层约100奈米(nm)的腊质结晶(wax crystal)。另外，如图IB所示,若水滴与一对象表面的接触角度Θ (contact angle,或称疏水角度)小于90度,则称所述表面具有亲水性(hydrophilic);若水滴与一对象表面的接触角度Θ大于90度，则称所述表面具有疏水性(hydrophobic);若水珠与一表面的接触角度Θ大于150度,则称所述表面具有超疏水性(super-hydrophobic)。如图IB所示,其接触角度Θ低于90度，故所述表面具有亲水性。请参照图IC所示，当水珠置在莲叶表面I上时，水珠在莲叶表面I上形成如球状的高接触角度，其中，莲叶表面I与水珠的接触角度Θ可达150度，因此，莲叶表面I具有超疏水性。只要将莲叶表面I稍微倾斜一角度，即可让水珠滚动，而滚动的水珠会顺便把一些灰尘及污泥等颗粒一起带走，以达到自我洁净的效果。目前，在对象表面上制作疏水性材料与结构的方法，一种公知技术是使用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加工方式来制作,其主要是利用仿生的概念来模仿与制造类似于莲叶表面上的突柱状结构。其中，微机电系统技术是增加表面粗糙度(surface roughness),以减少水滴与对象表面接触的面积，以提升水珠对对象表面的接触角度Θ。然而，目前以微机电加工方式制造与大自然莲叶上的突柱状微结构相类似的结构具有以下的缺点第一、突柱状结构制造不易，无法量产。目前利用微机电系统加工方法是直接在材料上加工成粗糙表面或突柱状的结构，但是，其只是适用于实验室内研究疏水效果而无法用以实际量产。要量产微结构最好的方法是采用微压印(micro imprinting)技术，如要以微转印技术来量产具粗糙表面或突柱状结构的产品，则需要有具此粗糙表面或突柱状结构的模具la，如图ID所示。其中，模具Ia除了不易制造外(因模具Ia需有极大量微米尺寸的孔洞)，必然含有互不相通的孔洞。由于模具Ia内不相通的孔洞内含有空气，在转印制造过程中将使材料无法充满模具Ia内的孔洞。因此，转印制造出来的成品将与设计不同。另外，大自然莲叶上的粗糙表面或突柱状结构不具一般模具的推拔角，在转印制造过程中也将使结构产生破坏。第二、突柱状结构的强度差，施工性不足。突柱状的结构只要受到轻微的横向力或纵向力，很容易就会遭到破坏而失去其超疏水性的效果。再者，当将此突柱状的超疏水性结构材料制成如贴纸般的薄膜，进而固定在物体表面时，亦需要在此超疏水性薄膜上施力。由于突柱状结构的强度差，其施工性必然不佳而容易遭受破坏。第三、突柱状结构在一些情况下将失去其疏水性。静态的水滴在粗糙或突柱状结构表面时，会因水滴与结构表面的接触面积大幅的减少而显示出具疏水性的特色。但由于突柱状结构是一开放性结构，使得突柱间的空气是可互相流通的。因此，如图IE所示，当水滴自一高度落在突柱状结构Ib时，水滴会将突柱间的空气挤出，进而使突柱状结构Ib润湿而失去其疏水性。因此，如何提供一种超疏水性微结构，可具有较高结构强度、制造简单及成本较低的优点，已成为重要课题之一。
发明内容
本发明的目的为提供一种具有较高结构强度、制造简单及成本较低的优点的超疏水性微结构。本发明可采用以下技术方案来实现的。本发明的一种超疏水性微结构包括一基体，其上形成多个高度不同的凸部，且所述不同高度的凸部在俯视时至少形成一个封闭曲线。在本发明的一实施例中，所述凸部具有至少一个第一凸部及至少一个第二凸部， 第一凸部具有一第一高度,第二凸部具有一第二高度,第一高度大于第二高度。在本发明的一实施例中，所述凸部分别为长条形并彼此连接。在本发明的一实施例中，所述凸部的至少其中之一部分断开。在本发明的一实施例中，所述凸部的至少其中之一为直线、折线或曲线。在本发明的一实施例中，封闭曲线为一多边形、弧形、圆形或不规则形。在本发明的一实施例中，基体以奈米微压印技术制造。在本发明的一实施例中，基体具有可挠曲性。另外，当一水滴设置在本发明的一种超疏水性微结构上时，超疏水性微结构表现出超疏水性，超疏水性微结构包括一基体，其一表面上形成多个高度不同的凸部，当水滴接触到所述凸部但未接触到表面时，水滴及所述凸部形成一个封闭空间。承上所述，因依据本发明的一种超疏水性微结构的基体上形成多个高度不同的凸部，且所述凸部在俯视时至少形成一个封闭曲线。借此，当水滴从一高度掉落在超疏水性微结构上时，通过水滴与所述凸部形成的封闭空间所产生的空气弹簧效应可使水滴弹开，使基体表面不沾黏任何水滴，因此本发明的超疏水性微结构具有超疏水性的效果。另外，不同高度的凸部亦可分散水滴的冲击力，进而提升超疏水效果。另外，超疏水性微结构在基体上形成多个高度不同的凸部，且凸部间相互连结，使得压印用的模具内不会有不相通的孔洞，因此，以奈米微压印技术制造时，可将模具孔洞内含有的空气排出，因而制造出精准的超疏水微结构，并且适合大量生产，并可使制造成本较低。另外，由于本发明的不同高度的凸部相连而形成封闭曲线，故可提升超疏水性微结构的结构强度。此外，通过不同高度的凸部可形成多层的封闭空间，进而达到多层空气弹簧效应，因此可提升超疏水效果。
图IA为电子显微镜观察一莲叶表面的照片；
图IB为水滴在一对象表面上的接触角度示意图IC为水滴在莲叶表面上所呈现的照片；
图ID为一突柱状结构模具的示意图IE为水滴接触突柱状结构的示意图2为本发明优选实施例的一种超疏水性微结构的示意图3A为图2的超疏水性微结构的上视图3B至图3D为不同态样的超疏水性微结构的上视图4为一水滴掉落至超疏水性微结构2的示意图；以及
图5A至图5C分别为本发明不同态样的超疏水性微结构的示意图。
主要元件符号说明
I :莲叶表面
Ia :丰旲具
Ib :突柱状结构
2、2a、2b、2c :超疏水性微结构
21、21a、21b、21c :基体
221 :第一凸部
222,222c :第二凸部
223a、223b、223c :第三凸部
3 :水滴
A-A :直线
C :封闭空间
D :间距
G :表面
H1、H2、H3 :高度
S、Sa、Sb、Sc :封闭曲线
Θ :角度具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明优选实施例的一种超疏水性微结构，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。
请参照图2所示，其为本发明优选实施例的一种超疏水性微结构2的示意图。本
发明的超疏水性微结构2可应用在建筑物、生活用品、医疗用品或电子产品的疏水、防水或防尘等使用。例如可应用在建筑物墙壁的防水、疏水、或尿斗的疏水(使尿液不易沾黏在尿斗)、或汽车挡风玻璃的拨水、或手机屏幕的防水等。在此，并不限制其使用场所及可使用的对象。另外，本发明亦不限制以何种方式将超疏水性微结构2设置在上述物件的表面，例如可将超疏水性微结构2以贴附或黏附等方式设置在上述物件的表面，以使对象具有疏水、 防水或防尘等目的。超疏水性微结构2包括一基体21。基体21可以奈米微压印技术制造，并为一体成形，因此，可适用在大量生产。其中，基体21的材质例如包含聚二甲基硅氧烷 (poly-dimethyl si loxane, PDMS)、或聚甲基丙烯酸甲酯(poly-methy lmethacry late, PMMA)、或聚氯乙烯(PVC)、或聚乙烯(Polyethylene，PE)。在此，以聚二甲基硅氧烷为例。 特别一提的是，基体21具有可挠曲性。因此，除了可设置在平面的对象外，亦可将超疏水性微结构2设置在非平面的曲面上，使具曲面的对象具有疏水、防水或防尘的目的。请再参照图2所示，基体21上可形成多个高度不同的凸部，且所述凸部分别为长条形并彼此连接。其中，凸部的至少其中之一为直线、折线或曲线，且凸部的至少其中之一部分断开。换言之，俯视超疏水性微结构时，凸部可形成直线、折线或曲线。而且，两条凸部的间隙可为不相交的直线或曲线，或是偶尔相交的直线或曲线，而且，直线或曲线可为截断而不连续。再者，基体21不一定要为周期性且均匀的结构，也可是非周期性的结构。所述凸部具有至少一个第一凸部221及至少一个第二凸部222。在本实施例中，以基体21上具有多个第一凸部221及多个第二凸部222为例。其中，第一凸部221具有一第一高度H1，第二凸部222具有一第二高度H2，且第一高度Hl大于第二高度H2。其中，第一凸部221为基体21上最高的凸部，本实施例的第一凸部221的高度至少为10微米，在此， 以20微米为例。另外，本实施例的两个第一凸部221的间距D介于20微米至100微米之间，在此，两个第一凸部221的间距D以35微米为例，但是本发明并不以此为限。此外，为了易于生产并增加第一凸部221及第二凸部222的结构强度，第一凸部221及第二凸部222 的断面形状可为梯形、正方形、长方形、三角形或曲形，在此，以梯形为例，当然，亦不以此为限。请同时参照图2及图3A所示，其中图3A为图2的超疏水性微结构2的上视图。在本实施例中，第一凸部221及第二凸部222分别为直线且彼此相连接，另外，第二凸部222被第一凸部221所截断而断开(不连续)。当然，在其它实施例中，第一凸部221 亦可断开。其中，不同高度的凸部221、222在俯视时至少形成一个封闭曲线S。封闭曲线S 可为一多边形、或弧形、或圆形、或不规则形。而多边形例如可为正方形、或长方形、或蜂巢形(正六角形)。在本实施例中，如图3A所示，第一凸部221及第二凸部222形成一个封闭曲线S，且封闭曲线S为长方形。另外，请参照图3B所示，第一凸部221及第二凸部222所形成的封闭曲线S为正方形。再者，请参照图3C所示，第一凸部221及第二凸部222所形成的封闭曲线S为长方形。 其中，图3C与图3A的封闭曲线S虽然均为长方形，但是，图3C第二凸部222的左右两侧均被第一凸部221截断且第二凸部222位在第一凸部221对应的另一侧并没有第二凸部222。 接着，请参照图3D所示，第一凸部221及第二凸部222所形成封闭曲线S为蜂巢形。因此， 本发明并不限制不同高度的凸部所形成的封闭曲线的形状，只要所述凸部在俯视时可形成一个封闭曲线即可。特别说明的是，对图3A至图3D的周期性结构图形而言，封闭曲线的虚线所包围的区域代表单一结构的面积，而将封闭曲线的虚线与实线间所包围出的面积(如图标以点标示的区域)除以单一结构的面积，即为一固体分率SF(solid fraction),而本发明的固体分率SF是介在O与O. 2之间。请同时参照图2及图4所示，其中，图4为一水滴3掉落至超疏水性微结构2时， 图2的直线A-A的剖视图。由图4中可看出，由于不同高度的第一凸部221及第二凸部222在俯视时形成封闭曲线S，因此，第一凸部221与第二凸部222围成一凹槽，且凹槽内的空气不可相互流通。 当水滴3自一高度落下而接触到超疏水性微结构2的凸部221、222但未接触到表面G时，水滴先罩住封闭曲线S所围成的凹槽，进而压缩凹槽内被封闭的空气，使得水滴及凸部221、 222形成一封闭空间C。当水滴3落到最低点时，封闭空间C内被封闭的空气将有如弹簧般的将水滴弹出，在此称为空气弹簧效应(air spring effect)。因此,当水滴3自一高度落下，超疏水性微结构2会通过封闭空间C内的空气弹簧效应将水滴3弹出，使得超疏水性微结构2的表面并无沾黏任何水滴。经由实验证明，本发明的超疏水性微结构2的疏水角度超过150度(可达到160 度)，因此，已达到超疏水性的效果。另外，超疏水性微结构2的滚动角度约为4度，因此，只将超疏水性微结构2稍微倾斜，即可让水珠滚动，而滚动的水珠会顺便把一些灰尘或污泥等颗粒一起带走，以达到自我洁净的效果。请参照图5A所示，其为本发明优选实施例的另一个态样的超疏水性微结构2a的示意图。超疏水性微结构2a与超疏水性微结构2主要的不同点在于,超疏水性微结构2a 的基体21a上更可形成至少一个第三凸部223a，在此，其形成多个第三凸部223a，且第三凸部223a分别位在两个第二凸部222之间，其两端并分别与第一凸部221连接。其中，第三凸部223a具有一第三高度H3，且第三高度H3小于第二凸部222的第二高度H2。在本实施例中，第三凸部223a位在两个第二凸部222之间而与第一凸部221连结，且在俯视时，两第一凸部221与一第二凸部222及一第三凸部223a形成另一个封闭曲线Sa。在其它的实施例中，所述第一凸部221可与所述第三凸部223a形成另一个封闭曲线、或所述第二凸部222可与所述第三凸部223a形成另一个封闭曲线、或至少一个第一凸部221与至少一个第二凸部222及至少一个第三凸部223a形成另一个封闭曲线。此外，超疏水性微结构2a的其它技术特征可参照超疏水性微结构2，在此不再赘述。请参照图5B所示，其为本发明优选实施例的又一个态样的超疏水性微结构2b的示意图。超疏水性微结构2b与超疏水性微结构2a主要的不同点在于，第三凸部223b分别位在两第一凸部221之间，且其两端分别与第二凸部222连接。另外，如图所示，一第三凸部223b与一第一凸部221及二第二凸部222形成另一个封闭曲线Sb。此外，超疏水性微结构2b的其它技术特征可参照超疏水性微结构2、2a，在此不再赘述。请参照图5C所示，其为本发明优选实施例的再一个态样的超疏水性微结构2c的示意图。超疏水性微结构2c与超疏水性微结构2b主要的不同在于，两个相邻第一凸部 221之间具有二第二凸部222c，且一第三凸部223c的两端分别与第一凸部221及第二凸部 222c连接，且另一个第三凸部223c的两端分别与两个第二凸部222c连接。另外，在俯视时，两个第二凸部222c及两个第三凸部223c形成另一个封闭曲线Sc，而一第一凸部221、 一第二凸部222c及两个第三凸部223c形成另一个封闭曲线Sc。此外，超疏水性微结构2c的其它技术特征可参照超疏水性微结构2、2a、2b，在此不再赘述。综上所述，因依据本发明的一种超疏水性微结构的基体上形成多个高度不同的凸部，且所述凸部在俯视时至少形成一个封闭曲线。借此，当水滴从一高度掉落在超疏水性微结构上时，通过水滴与所述凸部形成的封闭空间所产生的空气弹簧效应可使水滴弹开，使基体表面不沾黏任何水滴，因此本发明的超疏水性微结构具有超疏水性的效果。另外，不同高度的凸部亦可分散水滴的冲击力，进而提升超疏水效果。另外，超疏水性微结构在基体上形成多个高度不同的凸部，且凸部间相互连结，使得压印用的模具内不会有不相通的孔洞，因此，以奈米微压印技术制造时，可将模具孔洞内含有的空气排出，因而制造出精准的超疏水微结构，并且适合大量生产，并可使制造成本较低。另外，由于本发明的不同高度的凸部相连而形成封闭曲线，故可提升超疏水性微结构的结构强度。此外，通过不同高度的凸部可形成多层的封闭空间，进而达到多层空气弹簧效应，因此可提升超疏水效果。以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种超疏水性微结构，其特征在于，包括一基体，其上形成多个高度不同的凸部，且所述不同高度的凸部在俯视时至少形成一个封闭曲线。
2.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述凸部具有至少一个第一凸部及至少一个第二凸部，所述第一凸部具有一第一高度，所述第二凸部具有一第二高度， 所述第一高度大于所述第二高度。
3.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述凸部分别为长条形并彼此连接。
4.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述凸部的至少其中之一部分断开。
5.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述凸部的至少其中之一为直线、折线或曲线。
6.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述封闭曲线为多边形、弧形、圆形或不规则形。
7.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述基体以奈米微压印技术制造。
8.根据权利要求I所述的超疏水性微结构，其特征在于，所述基体具有可挠曲性。
9.一种超疏水性微结构，其特征在于，当一水滴设置在所述超疏水性微结构上时，所述超疏水性微结构表现出超疏水性，所述超疏水性微结构包括一基体，其一表面上形成多个高度不同的凸部，当所述水滴接触到所述凸部但未接触到所述表面时，所述水滴及所述凸部形成一个封闭空间。
全文摘要
一种超疏水性微结构包括一基体，其上形成多个高度不同的凸部，且所述不同高度的凸部在俯视时至少形成一个封闭曲线。本发明的超疏水性微结构具有结构强度高、制造简单及成本较低的优点。
文档编号B81B1/00GK102583214SQ201110369348
公开日2012年7月18日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年1月11日
发明者廖士贵, 李森墉, 陈彦君 申请人:成功大学