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문제 정의
- 그러나 현재까지 발표된 주름 제작기술은 대부분 평면에 주름구조를 제작하는 방법에 국한이 되어 있어 임의의 곡면에 제작장법을 적용하기는 적합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 3차원 표면에 주름 제작하는 방법을 제안하고자 한다. 3차원 프린팅 공정 (3D Additive Layer Manufacturing)을 이용하여 제작된 곡면 형상에 주름을 제작할 수 있는 방법을 제안하고자 하며, 제안된 방법이 단순하여 대면적 및 곡면 주름제작에 활용될 수 있을 것을 사료된다.
제안 방법
- 11 Francesco등은 표면에 금속박막으로 코팅한 다음 열경화성 고분자 재료에 열수축을 가해 주름 제작방법을 제안하였다.12 또한 표면에 기계적 물성치가 다른 재료를 도포하여 주름의 폭을 조절하는 주름제작법을 제안하였다.13 주름에 관한 이론적인 연구로 Yang 등은 주름구조의 형상을 열역학적 에너지를 최소화하는 형태로 해석적으로 풀었으며,14 Li 등은 나노, 마이크로 스케일의 주름으로 초소수성 표면을 제작하여 물방울의 접촉각을 측정하는 방법을 제시하였다.
- , USA)를 이용하였다. Fig. 1(a)와 같이 반경 15 mm를 가진 오목한 면과 볼록한 면으로 두 개로 구성된 면을 부드럽게 연결하는 형태로 곡면 마스터 형상을 모델링하였다. 두 개의 곡면 연결로 인해 안장 (Saddle) 형상이 추가되어 총 4개의 곡면을 가지도록 하였다.
- 1(a)와 같이 반경 15 mm를 가진 오목한 면과 볼록한 면으로 두 개로 구성된 면을 부드럽게 연결하는 형태로 곡면 마스터 형상을 모델링하였다. 두 개의 곡면 연결로 인해 안장 (Saddle) 형상이 추가되어 총 4개의 곡면을 가지도록 하였다. 제작된 형상은 거의 불투명하며 3D 프린팅 공정에서 적층 간격을 20 μm로 두었고, 표면 거칠기는 Ra값으로 약 80 μm 수준이다.
- 제작과정으로는 Fig. 1(b)에 나타낸 것처럼 주름 제작을 위한 표면층의 가장자리에 테이프를 이용하여 일정 두께로 경계 (Barrier)를 만들어서 레진 도포가 특정두께를 가지도록 하였다. 본 연구에서는 0.
- 도포된 레진은 PDMS 판을 이용하여 곡면을 따라 일정두께를 유지할 수 있도록 끌어내는 작업을 실시한다. 이때 곡면부의 형상이 복잡하거나 단차가 큰 경우에는 일정한 두께 도포를 위한 지그를 제작하거나 레진 분사방식 (Spraying)으로 해결할 수 있다.
- 본 연구에서는 25 × 25 mm 크기로 레진을 곡면에 0.18 mm 두께로 도포하고 약한 광중합 (Weak Polymerization)을 표면층에 생성시키기 위해서 UV광을 조사시간을 각각 5, 15, 25 sec로 달리하였다.
- Fig. 3에 나타낸 것처럼, 임의의 곡면에 UV광 노출시간에 따라 주름을 생성한 뒤 주름 선 폭을 현미경 이미지를 이용하여 측정하였다. 같은 제작조건에서도 주름의 형태와 구조가 불규칙하기에 정확한 값을 찾아내는 것은 거의 불가능하다.
- 같은 제작조건에서도 주름의 형태와 구조가 불규칙하기에 정확한 값을 찾아내는 것은 거의 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 5군데를 측정하여 평균값으로 주름 선 폭을 정하였다. 동일 시편에서 측정된 주름 선 폭의 편차량은 약 35 μm 수준이며, UV 조사시간이 다른 시편 간의 편차량 증감은 거의 없었다.
- 주름 높이도 중요한 형상정보 중 하나이다. Fig. 4에 나타낸 것처럼 표면단차 측정기 (Surface Profiler, ET-4000AK)를 이용하여 주름의 높이를 측정하였다. 측정 편의성을 위하여 평면에 주름을 생성하고 끝단부 (α점, Fig.
- 앞의 3.1절 실험결과에서 오목 면과 볼록 면의 레진 두께에 따른 주름 선 폭의 달라짐에 대하여 명확한 분석을 위해서 간단히 Fig. 5(a)와 같이 평면에 인위적으로 경사면을 두어서 도포되는 레진 층의 두께가 연속적으로 변화하도록 하였다. 최대 높이 1.
- 5(a)와 같이 평면에 인위적으로 경사면을 두어서 도포되는 레진 층의 두께가 연속적으로 변화하도록 하였다. 최대 높이 1.0 mm가 되도록 경사지게 평판을 설치하여 NOA-68T 레진을 도포하고 UV광 25 sec 조사 후 30℃ 분위기 온도에서 24 hr 두어 열경화를 시킨 후 표면주름 형태를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 오목과 볼록 면을 가진 곡면 구조물을3D 프린팅으로 제작하고 그 위에 레진을 도포하여 마이크로 크기의 표면주름을 제작하는 공정을 제안하였다. 공정변수 조정을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 제작된 형상은 거의 불투명하며 3D 프린팅 공정에서 적층 간격을 20 μm로 두었고, 표면 거칠기는 Ra값으로 약 80 μm 수준이다.
- 본 연구에서 주름제작에 사용된 고분자 재료는 자외선(UV)에 광경화되는 NOA-68T (Norland Co., Germany) 레진을 사용하였다.11 점성은 상온의 조건에서 약 20000 - 25000 cps 이다.
- 1(b)에 나타낸 것처럼 주름 제작을 위한 표면층의 가장자리에 테이프를 이용하여 일정 두께로 경계 (Barrier)를 만들어서 레진 도포가 특정두께를 가지도록 하였다. 본 연구에서는 0.18 mm로 레진 도포 두께를 정하였다. 기존 연구에 따르면 도포 두께에 따라 제작되는 주름의 선폭 (Line Width)과 형상이 달라지기에 원하는 형태의 주름을 어느 정도 조절할 수 있다.
성능/효과
- UV광을 5 sec 동안 조사할 때 오목 면과 볼록 면에 생성된 주름의 평균 선 폭은 각각 평균적으로 230, 260 μm로 측정되었다.
- 측정 편의성을 위하여 평면에 주름을 생성하고 끝단부 (α점, Fig. 4)부터 측정해 보면, 대략적으로 주름의 높이가 10 - 20 μm 수준으로 나타났으며, 주름 간격이 250 - 500 μm으로 생성된 것에 비하여 높이는 주름 간격에 비하여 매우 낮은 편이다.
- 동일 시편에서 측정된 주름 선 폭의 편차량은 약 35 μm 수준이며, UV 조사시간이 다른 시편 간의 편차량 증감은 거의 없었다. 또한 전반적으로 UV 조사시간을 5, 15, 25 sec로 등간격으로 달리할 경우 선 폭의 변화가 선형에 가깝게 증가됨을 알 수 있으며, UV 조사시간이 상대적으로 긴 25 sec인 경우는 강성이 높은 표피층의 두께 증가로 인해 주름 선 폭 증가량이 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있다. 주름 높이도 중요한 형상정보 중 하나이다.
- 앞서 기술한 식(1)에 나타낸 것처럼 레진의 도포 두께와 주름간격의 상관관계에 따른 결과로 분석된다. 평균적으로 오목 면의 선 폭 두께가 12% 더 증가되었다. 향후 레진 도포방식을 개선하여 오목 면과 볼록 면에 상관없이 일정한 형태의 주름 선 폭을 확보하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 향후 레진 도포방식을 개선하여 오목 면과 볼록 면에 상관없이 일정한 형태의 주름 선 폭을 확보하는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 제안한 방법으로 간단히 3차원 곡면에 주름생성이 가능함을 보였다.
- (1) UV광 조사시간이 증가할수록 표피층 강성 증대로 인해 주름 선 폭이 증가하였다. UV광의 노출시간을 10 sec 증가시킬수록 평균적으로 26 % 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- (1) UV광 조사시간이 증가할수록 표피층 강성 증대로 인해 주름 선 폭이 증가하였다. UV광의 노출시간을 10 sec 증가시킬수록 평균적으로 26 % 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 조사시간 증가로 인해 레진 표피층에 광중합효과가 강해지고 표피층과 내부의 물리적 성질의 차이로 인해 주름의 두께가 더 두꺼워지는 것으로 판단된다.
- 이러한 현상은 조사시간 증가로 인해 레진 표피층에 광중합효과가 강해지고 표피층과 내부의 물리적 성질의 차이로 인해 주름의 두께가 더 두꺼워지는 것으로 판단된다. 따라서 조사시간 조절로 주름형태를 어느 정도 조절 가능함을 알 수 있었다.
- (2) 레진 층의 두께차이로 인하여 주름 형태가 달라지며, 레진 두께가 얇을수록 미세한 주름을 만들 수 있었다. 따라서 오목 면과 볼록 면을 비교해 보면, 레진 도포 후 점성에 의해 오목 면으로 흘러내리는 효과에 의해 오목 면에 생성된 주름의 선 폭이 약 12% 증가됨을 알 수 있었다.
- (2) 레진 층의 두께차이로 인하여 주름 형태가 달라지며, 레진 두께가 얇을수록 미세한 주름을 만들 수 있었다. 따라서 오목 면과 볼록 면을 비교해 보면, 레진 도포 후 점성에 의해 오목 면으로 흘러내리는 효과에 의해 오목 면에 생성된 주름의 선 폭이 약 12% 증가됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 3차원 표면에 주름 제작하는 방법을 제안하고자 한다. 3차원 프린팅 공정 (3D Additive Layer Manufacturing)을 이용하여 제작된 곡면 형상에 주름을 제작할 수 있는 방법을 제안하고자 하며, 제안된 방법이 단순하여 대면적 및 곡면 주름제작에 활용될 수 있을 것을 사료된다.
- 평균적으로 오목 면의 선 폭 두께가 12% 더 증가되었다. 향후 레진 도포방식을 개선하여 오목 면과 볼록 면에 상관없이 일정한 형태의 주름 선 폭을 확보하는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 제안한 방법으로 간단히 3차원 곡면에 주름생성이 가능함을 보였다.
- 따라서 곡면의 주름생성에서도 도포하는 레진의 두께에 따라 주름 선 폭을 달리할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 평면과 달리 곡면에 레진을 동일한 두께로 얇게 도포하는 것은 본 연구에서 제안한 도포방식과 다른 새로운 접근이 필요할 것으로 사료된다.
- (3) 레진 두께에 따른 주름형상 효과를 검증하기 위한 연속적인 레진 도포두께를 변화시키는 실험을 통해 주름 선 폭 변화를 관찰할 수 있었고, 이것을 통해 향후 다양한 형태의 주름구조 제작이 가능함을 알 수 있었다. 또한 제작된 주름에 대한 다양한 응용이 중요한데 그 중 하나로 표면적이 증가에 따른 열전달 촉진기술 응용과 촉매 등 반응속도 조절, 그리고 소수성 표면특성 구현에 활용 가능할 것으로 사료된다.
- (3) 레진 두께에 따른 주름형상 효과를 검증하기 위한 연속적인 레진 도포두께를 변화시키는 실험을 통해 주름 선 폭 변화를 관찰할 수 있었고, 이것을 통해 향후 다양한 형태의 주름구조 제작이 가능함을 알 수 있었다. 또한 제작된 주름에 대한 다양한 응용이 중요한데 그 중 하나로 표면적이 증가에 따른 열전달 촉진기술 응용과 촉매 등 반응속도 조절, 그리고 소수성 표면특성 구현에 활용 가능할 것으로 사료된다.15
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