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문제 정의
- 본 연구에서는 리블렛 구조의 상어표피형상에 대한 젖음각 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 상어 표피 및 flat epoxy 그리고 상어 표피를 두 가지 방법으로 복제한 epoxy 재질의 shark skin replica를 제작하여 젖음각을 측정하였다.
제안 방법
- Hot embossing시 substrate 재료는 PMMA이며 PMMA 판을 진공상태에서 105°C로 10분간 가열한 후 shark skin template 위에 75°C로 250초동안 1.2 MPa의 압력으로 일정하게 가압한 후 demoulding 공정을 거쳐 제작하였다.
- 이를 위해 상어 표피 및 flat epoxy 그리고 상어 표피를 두 가지 방법으로 복제한 epoxy 재질의 shark skin replica를 제작하여 젖음각을 측정하였다. Shark skin replica는 micro molding을 적용한 기법과 hot-embossing을 적용한 기법을 이용하여 epoxy 재질의 상어 표피 복제 형상을 제작하였고 teflon 코팅 유무에 따른 효과도 아울러 평가하였다.
- 이상과 같이 형성된 shark skin template 및 shark skin replica들의 상어표피의 젖음성 평가는 2가지 방법으로 측정하였는데 첫 번째는 제작된 시편들을 그대로 측정하였고 두 번째는 제작된 시편들에 소수성 표면 처리를 한 후 측정하였다. Shark skin template 및 shark skin replica들의 소수성 표면 처리를 위해서 스핀 코팅법을 이용하여 Teflon 박막 코팅을 수행하였다. Teflon 박막은 6 wt% Teflon AF를 불화탄소 용매에 희석하여 제조하였으며 2000 rpm으로 스핀속도로 코팅 후 핫플레이트에서 200℃로 건조시켜 박막의 접착력을 강화시켰다.
- 1과 같이 shark skin template과 두 종류의 shark skin replica를 제작하였다. Shark skin template은 상어 표면을 샘플링한 후 세척 및 건조의 전처리과정을 통해 제작한 것이며 shark skin replica는 shark skin template를 이용하여 2가지 micro replication 방법을 수행하여 제작하였다. Shark skin의 전처리과정은 우선 상어 표피를 약 50 mm × 50 mm 크기로 체취하여 표피의 피하지방을 제거한 후 증류수로 세척하였다.
- Shark skin의 전처리과정은 우선 상어 표피를 약 50 mm × 50 mm 크기로 체취하여 표피의 피하지방을 제거한 후 증류수로 세척하였다. 건조과정시 표피의 변형을 방지하기 위해 고정 지그를 제작하여 시편을 고정시켜 동결건조기에서 -10℃에서 10 시간동안 건조시켜 비늘 형상이 그대로 유지된 shark skin template를 제작하였다.
- 상어표피 형상의 젖음성 평가를 위해 Fig. 1과 같이 shark skin template과 두 종류의 shark skin replica를 제작하였다. Shark skin template은 상어 표면을 샘플링한 후 세척 및 건조의 전처리과정을 통해 제작한 것이며 shark skin replica는 shark skin template를 이용하여 2가지 micro replication 방법을 수행하여 제작하였다.
- Shark skin replica 제작을 위한 첫 번째 마이크로 복제 기법은 상어표피의 음각형상인 replication mold 및 양각 형상의 shark skin replica 모두 micro molding 방법을 적용한 것으로 그 과정은 다음과 같다. 우선 PDMS(Sylgard 184)를 경화제와 10:1의 비율로 섞어 진공챔버에서 약 10분간 공기를 제거하고 이 PDMS 혼합물을 고정된 shark skin template 위에 부은 후 진공챔버에서 수차례 기포를 제거한 후 24시간 정도 건조시켜 replication mold를 제작하였다. Shark skin replica의 재료는 액상 epoxy resin과 경화제를 100:12의 비율로 섞은 혼합물이며 molding 방법은 replication mold를 제작할 때와 동일하다.
- 본 연구에서는 리블렛 구조의 상어표피형상에 대한 젖음각 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 사어 표피의 건조와 세척과정만을 거친 shark skin template 외에 micro molding 기법 및 hot-embossing 기법을 적용하여 두 종류의 shark skin replica를 제작하였다. 제작된 복제 시편의 표면 프로파일을 측정한 결과, micro molding을 적용한 복제 시편이 hot-embossing 기법에 의한 시편 보다 상어표피 형상의 복제 정밀도가 우수함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 리블렛 구조의 상어표피형상에 대한 젖음각 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 상어 표피 및 flat epoxy 그리고 상어 표피를 두 가지 방법으로 복제한 epoxy 재질의 shark skin replica를 제작하여 젖음각을 측정하였다. Shark skin replica는 micro molding을 적용한 기법과 hot-embossing을 적용한 기법을 이용하여 epoxy 재질의 상어 표피 복제 형상을 제작하였고 teflon 코팅 유무에 따른 효과도 아울러 평가하였다.
- 이상과 같이 형성된 shark skin template 및 shark skin replica들의 상어표피의 젖음성 평가는 2가지 방법으로 측정하였는데 첫 번째는 제작된 시편들을 그대로 측정하였고 두 번째는 제작된 시편들에 소수성 표면 처리를 한 후 측정하였다. Shark skin template 및 shark skin replica들의 소수성 표면 처리를 위해서 스핀 코팅법을 이용하여 Teflon 박막 코팅을 수행하였다.
- 접촉각 측정은 제작된 3가지 상어표피 형상과 비교를 위해 flat epoxy 시편을 추가하여 4가지 표면에 대해 solid-air-water interface 조건에서 수행하였으며 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다. Fig.
- 제작한 shark skin replica들의 형상을 보다 정량적으로 평가하기 위해 surface profiler를 이용해 비늘부위의 2D profile을 비교하였다. Fig.
- Teflon 박막은 6 wt% Teflon AF를 불화탄소 용매에 희석하여 제조하였으며 2000 rpm으로 스핀속도로 코팅 후 핫플레이트에서 200℃로 건조시켜 박막의 접착력을 강화시켰다. 효율적인 스핀 코팅조건을 도출하기 위해 농도가 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 wt%인 Teflon 용액을 제조하여 평평한 epoxy resin 판에 각각 코팅한 후 박막 두께에 대한 그 접촉각의 변화를 살펴보았다. Fig.
이론/모형
- 두 번째로 적용된 마이크로 복제 방법은 상어표피의 replication mold 제작시에는 hot embossing 기법을 적용하고 양각의 shark skin replica는 micro-molding 기법을 적용한 것이다. Hot embossing시 substrate 재료는 PMMA이며 PMMA 판을 진공상태에서 105°C로 10분간 가열한 후 shark skin template 위에 75°C로 250초동안 1.
성능/효과
- 2의 원 상어표피의 형상과 비교해 볼 때, micro-molding mold에 의한 시편은 원 상어표피와 유사한 분포 및 등고 높이가 측정되었으나 hot embossing mold를 통해 제작된 시편은 전체적인 단면의 높이가 원 형상에 비해 등고 높이가 1/2정도 낮게 복제되었음을 알 수 있다. 따라서 Micro replication method I에 의해 제작된 시편의 프로파일이 micro replication method II로 제작된 시편의 프로파일보다 매우 우수한 것으로 나타났다. 리브와 수직한 방향의 단면을 비교한 그림에서 micro replication method I에 의해 제작된 시편의 가운데 존재하는 3개의 리브 최대높이가 원 상어표피 대비 최대 7%정도 높이가 감소되었음에 비해 micro replication method II로 제작된 시편의 경우 원 상어표피 대비 최대 44%정도 차이가 나타남을 확인 할 수 있다.
- 5에서 보는 바와 같이 flat epoxy 표면에 비해 상어표피를 모사한 리블렛 구조를 가진 shark skin replica 표면들이 높은 접촉각을 보임을 확인할 수 있으며 micro replication method I에 의해 제작된 표면이 micro replication method II에 의해 제작된 표면보다 높은 접촉각을 유지하면서 실제 상어표피에 대한 측정값에 근접함을 알 수 있다. 따라서 replication mold 제작시 micro molding을 적용한 기법이 상어표피 형상의 복제에 보다 유용함을 확인하였다.
- 리브와 수직한 방향의 단면을 비교한 그림에서 micro replication method I에 의해 제작된 시편의 가운데 존재하는 3개의 리브 최대높이가 원 상어표피 대비 최대 7%정도 높이가 감소되었음에 비해 micro replication method II로 제작된 시편의 경우 원 상어표피 대비 최대 44%정도 차이가 나타남을 확인 할 수 있다. 또한 가운데 리브의 길이방향 단면 비교에서도 micro replication method I에 의해 제작된 시편이 micro replication method II에 의해 제작된 시편보다 프로파일 높이차가 훨씬 낮음을 확인할 수 있다. 이는 hot-embossing으로 제작된 음각몰드는 micro-molding으로 제작된 것에 비해 상어 비늘의 끝단 형상은 비교적 잘 형성되지만 hot-embossing 시 부가된 압력으로 인해 상어표피가 눌려져 리블렛에 해당되는 골부위가 원래의 형상에 비해 좁게 형성된 것을 알 수 있다.
- 제작된 복제 시편의 표면 프로파일을 측정한 결과, micro molding을 적용한 복제 시편이 hot-embossing 기법에 의한 시편 보다 상어표피 형상의 복제 정밀도가 우수함을 확인하였다. 또한 접촉각 측정한 결과에서는 평평한 표면에 비해 상어표피를 모사한 리블렛 구조를 가진 shark skin replica 표면들이 높은 접촉각을 보였고 teflon 코팅에 의해 그 효과가 더욱 증가함을 확인할 수 있었다. 이상의 상어표피형상의 젖음성 특성 평가를 통해 접촉기계요소 및 MEMS구조의 표면 오염 방지 및 자가세정 성능향상을 위한 적용가능성을 확인할 수 있으며, 향후 최적 패턴 설계 및 제작 기술을 통해 상어표피 모사기술을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 Micro replication method I에 의해 제작된 시편의 프로파일이 micro replication method II로 제작된 시편의 프로파일보다 매우 우수한 것으로 나타났다. 리브와 수직한 방향의 단면을 비교한 그림에서 micro replication method I에 의해 제작된 시편의 가운데 존재하는 3개의 리브 최대높이가 원 상어표피 대비 최대 7%정도 높이가 감소되었음에 비해 micro replication method II로 제작된 시편의 경우 원 상어표피 대비 최대 44%정도 차이가 나타남을 확인 할 수 있다. 또한 가운데 리브의 길이방향 단면 비교에서도 micro replication method I에 의해 제작된 시편이 micro replication method II에 의해 제작된 시편보다 프로파일 높이차가 훨씬 낮음을 확인할 수 있다.
- 이를 위해 사어 표피의 건조와 세척과정만을 거친 shark skin template 외에 micro molding 기법 및 hot-embossing 기법을 적용하여 두 종류의 shark skin replica를 제작하였다. 제작된 복제 시편의 표면 프로파일을 측정한 결과, micro molding을 적용한 복제 시편이 hot-embossing 기법에 의한 시편 보다 상어표피 형상의 복제 정밀도가 우수함을 확인하였다. 또한 접촉각 측정한 결과에서는 평평한 표면에 비해 상어표피를 모사한 리블렛 구조를 가진 shark skin replica 표면들이 높은 접촉각을 보였고 teflon 코팅에 의해 그 효과가 더욱 증가함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구는 상어 표피를 복제한 시편에 대한 젖음성에 대한 평가를 수행한 것으로 향후 상어 표피의 리블렛 구조의 최적화를 위해 단일 리블렛 돌기의 형상 및 리블렛들의 공간적 분포에 대한 연구가 추가되어야 할 것으로 사료된다. 이를 통해 리블렛 구조의 마찰 저항감소 능력 및 연료전지 분리판에 존재하는 마이크로/나노 유체 채널시스템의 개발과 같은 추가연구가 가능할 것이다.
- 따라서 양각형상을 몰딩할 때에도 이러한 결과가 영향을 미쳐 micro replication method II로 제작된 shark skin replica는 micro replication method I의 결과에 비해 복제 정밀도가 다소 낮은 것으로 생각된다. 본 연구에서 사용된 시편들은 한 개의 shark skin template당 한 개의 shark skin replica를 복제하여 적용한 것으로 몰드의 내구성에 대해서는 고려하지 않았으며 향후 산업적 응용 측면에서 몰드의 내구성에 관한 연구가 다루어져야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구는 상어 표피를 복제한 시편에 대한 젖음성에 대한 평가를 수행한 것으로 향후 상어 표피의 리블렛 구조의 최적화를 위해 단일 리블렛 돌기의 형상 및 리블렛들의 공간적 분포에 대한 연구가 추가되어야 할 것으로 사료된다. 이를 통해 리블렛 구조의 마찰 저항감소 능력 및 연료전지 분리판에 존재하는 마이크로/나노 유체 채널시스템의 개발과 같은 추가연구가 가능할 것이다. 현재 사용되고 있는 미소유체 기술은 채널 내부에서 벌크 유체가 흐르는 데 반해, 상어 표피 리블렛 구조의 소수성 패터닝에 의한 방울 기반 미소 유체시스템을 제작함으로써 세척이 쉽고 모세관이 막힐 가능성을 원천적으로 제거할 수 있다는 점에서 향후 추가 연구가 기대된다.
- 또한 접촉각 측정한 결과에서는 평평한 표면에 비해 상어표피를 모사한 리블렛 구조를 가진 shark skin replica 표면들이 높은 접촉각을 보였고 teflon 코팅에 의해 그 효과가 더욱 증가함을 확인할 수 있었다. 이상의 상어표피형상의 젖음성 특성 평가를 통해 접촉기계요소 및 MEMS구조의 표면 오염 방지 및 자가세정 성능향상을 위한 적용가능성을 확인할 수 있으며, 향후 최적 패턴 설계 및 제작 기술을 통해 상어표피 모사기술을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이를 통해 리블렛 구조의 마찰 저항감소 능력 및 연료전지 분리판에 존재하는 마이크로/나노 유체 채널시스템의 개발과 같은 추가연구가 가능할 것이다. 현재 사용되고 있는 미소유체 기술은 채널 내부에서 벌크 유체가 흐르는 데 반해, 상어 표피 리블렛 구조의 소수성 패터닝에 의한 방울 기반 미소 유체시스템을 제작함으로써 세척이 쉽고 모세관이 막힐 가능성을 원천적으로 제거할 수 있다는 점에서 향후 추가 연구가 기대된다.
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