[논문]와이어 방전가공을 이용한 상어 표피 모사 리블렛 표면 제작

박영환; 김태완

doi:10.9725/kstle.2016.32.6.201

와이어 방전가공을 이용한 상어 표피 모사 리블렛 표면 제작
Fabrication of a Micro-riblet Shark Skin-like Surface using a WEDM Process 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.32 no.6, 2016년, pp.201 - 206

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In this study, we attempt to produce a semi-elliptical riblet with a shark skin-like surface using wire electrical discharge machining (WEDM) and micro molding techniques. Our design for the production of the semi-elliptical mold includes an electrode, a winding roller, and a guide on the WEDM system. A replication mold with negative riblets is machined using WEDM, and a shark skin inspired surface with positive riblets is fabricated using a micro molding technique. For a comparison with the original shark skin, a shark skin replica is also produced using the micro molding technique directly from a shark skin template. Droplet contact angles on a flat surface, the shark skin replica, and the epoxy resin-based micro riblet shark skin-like surface are evaluated. The effect of a Teflon coating on the contact angles for the three different surfaces is also investigated. The results show the micro riblet with a shark skin-like surface has a similar contact angle as the shark skin replica, which means that the simplified riblet shark skin surface strongly influences the performance of wettability. This study confirms the effectiveness of using the WEDM method to prepare hydrophobic surfaces with diverse surface patterns.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상어 표피 형상과 유사한 반 타원형의 리블렛 구조를 제작하기 위해 와이어 방전가공을 이용하고자 하였다. 와이어를 가이드 하는 팁의 곡률과 와이어의 직경을 조합함으로서 반타원형상의 음각 패턴을 구현해 낼 수 있었다.
본 연구에서는 상어 표피를 모사한 리블렛 구조의 표면 형상을 제작하기 위해 와이어 방전가공 및 마이크로 몰딩 기법을 적용하고자 하였다. 이를 위해 방전가공의 전극부 및 와이어 롤러부의 설계를 통해 반타원형의 미세 패턴 표면을 제작하는데 성공하였다.
이러한 상어표피의 리브 형상을 타원형으로 단순화하여 미세표면을 제작하고자 하였다. Fig.

가설 설정

5는 상어 표피의 비늘 데이터를 근거로 본 연구에서 제작하고자 한 반타원형 리블렛 구조의 형상을 도시한 것이다. 하나의 비늘이 5개의 반타원형 리브로 이루어져 있으며 중앙에 존재하는 가장 큰 리브를 중심으로 대칭적인 패턴으로 구성되어 동일한 5개의 리브가 반복적으로 나열되어 있다고 가정하였다. 각 리브의 높이는 20 μm, 25 μm, 30 μm, 리브의 길이(Y축)는 200 μm, 250 μm, 300 μm, 리브간의 피치는 약 150 μm으로 단순화할 수 있다.

제안 방법

와이어 직경은 70 μm를 사용하였으며 시편의 재료로는 SUS304H를 사용하였다. 가공 시 시편과 바이트 팁 끝단에 위치하는 와이어간에 접촉이 시작되는 위치를 기준점으로 설정하고 와이어의 직경을 고려하여 가공 깊이인 절입량을 결정하였다. 절입량에 따라 가공 폭과 길이가 달라지므로 절입량에 따른 가공된 반 타원형 미세 음각 패턴 형상의 상관관계를 고려하였다.
건조 과정 시 표피의 변형을 방지하기 위해 고정 지그를 제작하여 시편을 고정시켜 동결건조기에서 -10°C에서 10 시간동안 건조시켜 비늘 형상이 그대로 유지된 상어 표피 템플릿을 제작하였다.
와이어를 감는 쪽은 와이어의 감김 속도를 일정하게 유지하기 위해서 스텝 모터(step motor)를 사용하였고 풀어주는 쪽은 일정한 와이어 장력 유지를 위해 DC 모터를 사용하였다. 모터의 속도와 와이어를 당기는 장력의 크기는 스텝 모터 컨트롤러에 의해서 제어되도록 하였으며 와이어의 두께에 따라서 모터가 감는 속도를 증가 및 감소를 시킬 수 있도록 하였다. 스텝 모터 축 롤러로부터 나온 와이어는 롤러형태의 가이드를 통과하고 모터 하단의 바이트 팁 외주면에 감겨 다시 DC모터 축 롤러에 수용되도록 설계하였다.
반타원형 미세 패턴 표면 형성용 와이어 방전 가공 장치를 제작하였다. Fig.
이상과 같이 제작된 상어 복제 표면 및 반타원형의 리블렛 표면에 대한 젖음성 평가를 수행하였다. 비교를 위해 표면에 형상이 없는 평평한 에폭시 레진 시편에 대한 젖음성 평가도 같이 수행하였다. 세 가지 각시편에 대하여 젖음성 평가는 2가지 방법으로 측정하였는데 첫 번째는 제작된 시편들을 코팅 처리 없이 그대로 측정하였고 두 번째는 제작된 시편들에 소수성 표면 처리를 한 후 측정하였다.
건조 과정 시 표피의 변형을 방지하기 위해 고정 지그를 제작하여 시편을 고정시켜 동결건조기에서 -10°C에서 10 시간동안 건조시켜 비늘 형상이 그대로 유지된 상어 표피 템플릿을 제작하였다. 상어 표피의 복제를 위해 상어 표피의 음각 몰드(negative mold) 및 양각의 상어 복제 표면 모두 마이크로 몰딩 방법을 적용하여 제작하였다. 이를 위해 우선 PDMS(Sylgard 184)를 경화제와 10:1의 비율로 섞어 진공 챔버에서 약 10분간 공기를 제거하고 이 PDMS 혼합물을 고정된 템플릿 위에 부은 후 진공 챔버에서 수차례 기포를 제거한 후 24시간 정도 건조시켜 음각 몰드를 제작하였다.
상어 표피의 형상을 반 타원체의 배열로 이루어진 리블렛 구조로 단순화하여 제작하고자 하였다. 이를 위해 와이어 방전 가공을 통해 음각 몰드를 제작하고 마이크로 몰딩기법을 이용하여 상어 표피 모사 리블렛 표면을 제작하였다.
상어표피 형상의 젖음성 평가를 위해 상어 복제 표면(shark skin replica)을 제작하였으며 Fig. 1에 제작과정을 도시하였다. 우선 상어 표면을 샘플링한 후 세척 및 건조의 전처리과정을 통해 상어 표피 템플릿(template)을 제작하였으며 이 템플릿을 이용하여 상어 복제 표면을 마이크로 몰딩 방법으로 제작하였다.
선형 스테이지(linear stage) 위에 반타원형 미세 패턴 표면 형성용 와이어 방전 가공 지그 장치를 부착시켜 수직 방향으로 이동할 수 있도록 하였고 XY 스테이지 위에 시편을 고정시켜 X축과 Y축 방향으로 이동을 할 수 있도록 제작하였다. 와이어를 감는 쪽은 와이어의 감김 속도를 일정하게 유지하기 위해서 스텝 모터(step motor)를 사용하였고 풀어주는 쪽은 일정한 와이어 장력 유지를 위해 DC 모터를 사용하였다.
비교를 위해 표면에 형상이 없는 평평한 에폭시 레진 시편에 대한 젖음성 평가도 같이 수행하였다. 세 가지 각시편에 대하여 젖음성 평가는 2가지 방법으로 측정하였는데 첫 번째는 제작된 시편들을 코팅 처리 없이 그대로 측정하였고 두 번째는 제작된 시편들에 소수성 표면 처리를 한 후 측정하였다. 소수성 표면 처리를 위해서는 스핀 코팅법을 이용하여 테프론(teflon) 박막 코팅을 수행하였다.
모터의 속도와 와이어를 당기는 장력의 크기는 스텝 모터 컨트롤러에 의해서 제어되도록 하였으며 와이어의 두께에 따라서 모터가 감는 속도를 증가 및 감소를 시킬 수 있도록 하였다. 스텝 모터 축 롤러로부터 나온 와이어는 롤러형태의 가이드를 통과하고 모터 하단의 바이트 팁 외주면에 감겨 다시 DC모터 축 롤러에 수용되도록 설계하였다. 따라서 반 타원형 미세 패턴은 바이트 팁의 곡률 반경과 와이어 두께, 그리고 바이트 팁의 절입 깊이에 의해 결정된다.
아울러 표면의 소수성 효과를 증대시키기 위해서는 마이크로 표면 구조위에 미세한 거칠기가 존재하는 다층 구조(hierarchical structure)의 표면 구조가 유리한데 와이어 방전가공은 방전 시 발생하는 크레이터에 의해 미세한 표면 거칠기를 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 와이어 방전가공을 통해 음각 몰드를 제작하고 마이크로 몰딩 기법을 이용하여 양각의 마이크로 리블렛 표면을 제작하였으며 제작된 시편에 대한 젖음성(wettablility)를 평가하고자 하였다.
와이어를 감고 있는 팁의 절입 깊이가 커질수록 반 타원형의 리브 형상이 커지는 것을 확인하였고 따라서 본 연구에서는 팁의 절입깊이를 20 μm, 30 μm, 40 μm, 30 μm, 20 μm으로 가공한 5개의 리브를 한 세트로 하여 반복적으로 가공하였으며 리블렛간 피치는 각각 120 μm으로 하여 와이어 두께에 의한 영향을 받지 않도록 하였다.
선형 스테이지(linear stage) 위에 반타원형 미세 패턴 표면 형성용 와이어 방전 가공 지그 장치를 부착시켜 수직 방향으로 이동할 수 있도록 하였고 XY 스테이지 위에 시편을 고정시켜 X축과 Y축 방향으로 이동을 할 수 있도록 제작하였다. 와이어를 감는 쪽은 와이어의 감김 속도를 일정하게 유지하기 위해서 스텝 모터(step motor)를 사용하였고 풀어주는 쪽은 일정한 와이어 장력 유지를 위해 DC 모터를 사용하였다. 모터의 속도와 와이어를 당기는 장력의 크기는 스텝 모터 컨트롤러에 의해서 제어되도록 하였으며 와이어의 두께에 따라서 모터가 감는 속도를 증가 및 감소를 시킬 수 있도록 하였다.
1에 제작과정을 도시하였다. 우선 상어 표면을 샘플링한 후 세척 및 건조의 전처리과정을 통해 상어 표피 템플릿(template)을 제작하였으며 이 템플릿을 이용하여 상어 복제 표면을 마이크로 몰딩 방법으로 제작하였다. 상어 표피의 전처리과정은 우선 상어 표피를 약 50 mm × 50 mm 크기로 채취하여 표피의 피하지방을 제거한 후 증류수로 세척하였다.
이를 위해 방전가공의 전극부 및 와이어 롤러부의 설계를 통해 반타원형의 미세 패턴 표면을 제작하는데 성공하였다. 이렇게 제작한 음각 몰드 위에 마이크로 몰딩 기법을 이용하여 양각의 마이크로 리블렛 표면을 제작하여 젖음성 평가를 수행 하였다. 반타원형의 리블렛 표면에 대한 물방울의 접촉각은 상어 복제 표면에 대한 접촉각과 거의 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었고 이는 상어 표피의 형상을 반 타원체의 리블렛 구조로 단순화하여도 충분히 상어 표피 형상의 젖음 특성이 나타나는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 상어 표피를 모사한 리블렛 구조의 표면 형상을 제작하기 위해 와이어 방전가공 및 마이크로 몰딩 기법을 적용하고자 하였다. 이를 위해 방전가공의 전극부 및 와이어 롤러부의 설계를 통해 반타원형의 미세 패턴 표면을 제작하는데 성공하였다. 이렇게 제작한 음각 몰드 위에 마이크로 몰딩 기법을 이용하여 양각의 마이크로 리블렛 표면을 제작하여 젖음성 평가를 수행 하였다.
상어 표피의 형상을 반 타원체의 배열로 이루어진 리블렛 구조로 단순화하여 제작하고자 하였다. 이를 위해 와이어 방전 가공을 통해 음각 몰드를 제작하고 마이크로 몰딩기법을 이용하여 상어 표피 모사 리블렛 표면을 제작하였다.
상어 표피의 복제를 위해 상어 표피의 음각 몰드(negative mold) 및 양각의 상어 복제 표면 모두 마이크로 몰딩 방법을 적용하여 제작하였다. 이를 위해 우선 PDMS(Sylgard 184)를 경화제와 10:1의 비율로 섞어 진공 챔버에서 약 10분간 공기를 제거하고 이 PDMS 혼합물을 고정된 템플릿 위에 부은 후 진공 챔버에서 수차례 기포를 제거한 후 24시간 정도 건조시켜 음각 몰드를 제작하였다. 양각인 상어 복제 표면의 재료는 액상 에폭시 레진(epoxy resin)과 경화제를 100:12의 비율로 섞은 혼합물이며 몰딩 방법은 음각 몰드를 제작할 때와 동일하다.
이상과 같이 제작된 상어 복제 표면 및 반타원형의 리블렛 표면에 대한 젖음성 평가를 수행하였다. 비교를 위해 표면에 형상이 없는 평평한 에폭시 레진 시편에 대한 젖음성 평가도 같이 수행하였다.
가공 시 시편과 바이트 팁 끝단에 위치하는 와이어간에 접촉이 시작되는 위치를 기준점으로 설정하고 와이어의 직경을 고려하여 가공 깊이인 절입량을 결정하였다. 절입량에 따라 가공 폭과 길이가 달라지므로 절입량에 따른 가공된 반 타원형 미세 음각 패턴 형상의 상관관계를 고려하였다.
테프론 박막은 6 wt% 비결정질 테프론(Tefron AF, Dupon사)을 불화탄소 용매에 희석 하여 제조하였으며 2000 rpm으로 스핀속도로 코팅 후 핫플레이트에서 200°C로 건조시켜 박막의 접착력을 강화시켰다.

대상 데이터

와이어 직경은 70 μm를 사용하였으며 시편의 재료로는 SUS304H를 사용하였다.

이론/모형

세 가지 각시편에 대하여 젖음성 평가는 2가지 방법으로 측정하였는데 첫 번째는 제작된 시편들을 코팅 처리 없이 그대로 측정하였고 두 번째는 제작된 시편들에 소수성 표면 처리를 한 후 측정하였다. 소수성 표면 처리를 위해서는 스핀 코팅법을 이용하여 테프론(teflon) 박막 코팅을 수행하였다. 테프론 박막은 6 wt% 비결정질 테프론(Tefron AF, Dupon사)을 불화탄소 용매에 희석 하여 제조하였으며 2000 rpm으로 스핀속도로 코팅 후 핫플레이트에서 200°C로 건조시켜 박막의 접착력을 강화시켰다.
테프론 박막은 6 wt% 비결정질 테프론(Tefron AF, Dupon사)을 불화탄소 용매에 희석 하여 제조하였으며 2000 rpm으로 스핀속도로 코팅 후 핫플레이트에서 200°C로 건조시켜 박막의 접착력을 강화시켰다. 희석 조건은 Kong과 Kim[11]의 연구로 부터 최적 스핀 코팅조건으로 도출된 0.2 wt%의 조건을 설정하여 각 시편들의 소수성 코팅 제작에 적용하였다.

성능/효과

이렇게 제작한 음각 몰드 위에 마이크로 몰딩 기법을 이용하여 양각의 마이크로 리블렛 표면을 제작하여 젖음성 평가를 수행 하였다. 반타원형의 리블렛 표면에 대한 물방울의 접촉각은 상어 복제 표면에 대한 접촉각과 거의 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었고 이는 상어 표피의 형상을 반 타원체의 리블렛 구조로 단순화하여도 충분히 상어 표피 형상의 젖음 특성이 나타나는 것으로 판단된다. 리블렛 패턴의 높이나 폭, 피치 등에 따라 젖음 특성이 달라질 것으로 예상되며 이에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

반타원형의 리블렛 표면에 대한 물방울의 접촉각은 상어 복제 표면에 대한 접촉각과 거의 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었고 이는 상어 표피의 형상을 반 타원체의 리블렛 구조로 단순화하여도 충분히 상어 표피 형상의 젖음 특성이 나타나는 것으로 판단된다. 리블렛 패턴의 높이나 폭, 피치 등에 따라 젖음 특성이 달라질 것으로 예상되며 이에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기능성 초발수 표면이 적용되고 있는 분야는?	연꽃(lotus) 표면의 경우 가장 잘 알려진 초발수 표면구조로서 다양한 산업 분야에 응용할 수 있는 가능성을 제공하여 왔다. 수십 나노 크기의 마이크로 돌기 구조와 표면의 화학 구조를 조합하여 물에 대한 젖음성을 효과적으로 제어할 수 있는 이러한 기능성 초발수 표면은 건설, 자동차, 전자 산업 등에 적용되고 있다. 최근에는 첨단 스마트 디스플레이, 마이크로 유체 채널, 기능성 광학 필름, 전자칩의 냉각 시스템, 바이오 메디칼 센서 등에 기능성 초 발수 효과를 구현하기 위해 미세 구조를 적용하려는 노력이 계속 되고 있다.
	기능성 초 발수 효과를 구현하기 위해 자연모사되는 대상은 무엇인가?	최근에는 첨단 스마트 디스플레이, 마이크로 유체 채널, 기능성 광학 필름, 전자칩의 냉각 시스템, 바이오 메디칼 센서 등에 기능성 초 발수 효과를 구현하기 위해 미세 구조를 적용하려는 노력이 계속 되고 있다. 주로 연꽃 표면이나 상어 표피(shark skin)에 관한 연구가 주로 수행되어 왔으며 최근에는 장미꽃잎(rose petal), 벼 잎(rice leaf), 나비 날개(butterfly wing) 등으로 모사하려는 대상이 확대되고 있다[1-4].
	와이어 방전 가공이란?	최근 마이크로 부품의 제작을 위해 와이어를 사용하여 초경합금강과 같은 기계적 성질이 우수한 난삭성 소재를 정밀하고 복잡한 형상의 제품으로 가공하는 와이어 방전 가공(WEDM, Wire electrical discharge machining) 방법이 많이 활용되고 있다. 와이어 방전 가공은 와이어를 음극으로 하고 가공물을 양극으로 하여 이를 접근시켜 방전 스파크를 유도해 이 방전 스파크가 가공물의 표면을 용융시키는 가공방법으로 가공물을 절단하거나 필요에 따라 표면에 격자 모양 등 간단한 미세 패턴을 형성할 수 있다. 방전가공을 이용하여 마이크로패턴의 음각 몰드를 제작한 연구가 보고된 적이 있다[13,14].

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

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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