Infrared(IR) heating has many advantages, such as energy efficiency, reduced heating time, cleanliness, equipment compactness, high drying rate and easy automation. These features of IR heating provide widely industrial applications, such as surface heat treatment in semiconductor fabrication, therm...
Infrared(IR) heating has many advantages, such as energy efficiency, reduced heating time, cleanliness, equipment compactness, high drying rate and easy automation. These features of IR heating provide widely industrial applications, such as surface heat treatment in semiconductor fabrication, thermoforming of polymers, drying and disinfection of food products, heating to metal forging, and drying of wet materials. In this study, the characteristics of a protected gold mirror were examined by spectrophotometer and the lifetime of the coating layers were evaluated by a cross-cutting method and salt spray test. The effects of manufacturing conditions on the protected gold mirror were seen and remedies for these effects were noted in order to improve the properties of the protected gold mirror in the drying process. The reflectance and lifetime of the protected gold mirror was influenced by manufacturing conditions, such as surface roughness and forming conditions of the anti-oxide layer, the adhesion layer, the reflecting layer and the protection layer. The results of this study showed that the protected gold mirror manufactured using a buffing method for pre-treatment resulted in the most effective reflectance. In addition, $Al_2O_3$ coating on an Al substrate as an anti-oxide layer was more effective than the anodizing process in the test of reflectance. Furthermore, the protected gold mirror manufactured by layers forming of various materials resulted in the most effective reflectance and lifetime when coated with $Al_2O_3$ as the anti-oxide layer, coated Cr as the adhesion layer, and coated $MgF_2$ as the protection layer.
Infrared(IR) heating has many advantages, such as energy efficiency, reduced heating time, cleanliness, equipment compactness, high drying rate and easy automation. These features of IR heating provide widely industrial applications, such as surface heat treatment in semiconductor fabrication, thermoforming of polymers, drying and disinfection of food products, heating to metal forging, and drying of wet materials. In this study, the characteristics of a protected gold mirror were examined by spectrophotometer and the lifetime of the coating layers were evaluated by a cross-cutting method and salt spray test. The effects of manufacturing conditions on the protected gold mirror were seen and remedies for these effects were noted in order to improve the properties of the protected gold mirror in the drying process. The reflectance and lifetime of the protected gold mirror was influenced by manufacturing conditions, such as surface roughness and forming conditions of the anti-oxide layer, the adhesion layer, the reflecting layer and the protection layer. The results of this study showed that the protected gold mirror manufactured using a buffing method for pre-treatment resulted in the most effective reflectance. In addition, $Al_2O_3$ coating on an Al substrate as an anti-oxide layer was more effective than the anodizing process in the test of reflectance. Furthermore, the protected gold mirror manufactured by layers forming of various materials resulted in the most effective reflectance and lifetime when coated with $Al_2O_3$ as the anti-oxide layer, coated Cr as the adhesion layer, and coated $MgF_2$ as the protection layer.
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문제 정의
본 연구는 다양한 제조공정 변수가 근적외선 반사판의 반사율과 수명에 미치는 영향을 평가한 것이다. 평가결과 버핑 방법을 사용하여 기판의 조도를 향상시킨 기판에 산화방지층(anti-oxide layer)으로 Al2O3를 증착하고, 중간층(adhesion layer)으로 Cr을 증착한 후 반사층(reflecting layer)으로 금(Au)을 증착하고, 보호층(protection layer)으로 MgF2를 증착한 반사판이 근적외선의 반사율이나 반사판의 수명 측면에서 가장 효과적인 공정인 것으로 확인되었다.
박막의 밀착력은 기판의 세정 정도, 기판물질계 및 코팅물질계, 증착률 및 증착 두께, 중간층(adhesion layer)의 형성여부, 기판 및 성막시의 온도, 응력 등 많은 변수에 영향을 받는다. 본 연구에서는 기판의 전처리, 기판의 산화방지 방법, 기판과 금 박막층과의 밀착력을 향상시키기 위한 중간층 물질계, 증착공정에서의 온도 등을 달리한 상태로 반사막을 제조하고 이에 대한 밀착력을 평가하였다.
적외선의 반사율은 기판의 표면이 경면에 가까울수록 그리고 색이 흰색에 가까울수록 향상된다. 본 연구에서는 기판의 전처리와 보호층(protection layer)의 두께가 적외선 반사율에 미치는 영향을 평가하였다. Fig.
연구는 할로겐 램프를 방사체(emitter)로 이용하는 건조 설비에서 에너지 절감을 위해 설치한 적외선 반사판(IR mirror)에 관한 것으로서 기판으로 알루미늄(Al6061)을 사용한 적외선 반사판의 제조공정 변수가 반사판의 특성에 미치는 영향에 관한 것이다. 구체적으로는 파장 0.
가설 설정
따라서 박막의 밀착력은 반사막을 제조함에 있어 가장 기본적으로 요구되는 특성이다. 박막의 밀착력은 기판의 세정 정도, 기판물질계 및 코팅물질계, 증착률 및 증착 두께, 중간층(adhesion layer)의 형성여부, 기판 및 성막시의 온도, 응력 등 많은 변수에 영향을 받는다. 본 연구에서는 기판의 전처리, 기판의 산화방지 방법, 기판과 금 박막층과의 밀착력을 향상시키기 위한 중간층 물질계, 증착공정에서의 온도 등을 달리한 상태로 반사막을 제조하고 이에 대한 밀착력을 평가하였다.
제안 방법
기판의 전처리와 반사율 및 밀착력과의 상관관계를 평가하기 위하여 기판의 전처리를 달리한 상기 4종의 기판을 준비하였다. Al 기판은 경면가공(mirror-like polishing)하는 것이 바람직하나 Al의 경면가공은 다이아몬드 터닝 머신(diamond turning machine)을 이용하여야 하는 문제가 있어 본 연구에서는 버핑 가공으로 조도를 향상시키는 방법을 사용하였다. 이렇게 준비된 기판에 대하여 아세톤 초음파 세척과 알코올 초음파 세척을 실시하여 기판을 세정한 후 E-beam을 이용하여 증착을 실시하였다.
연구는 할로겐 램프를 방사체(emitter)로 이용하는 건조 설비에서 에너지 절감을 위해 설치한 적외선 반사판(IR mirror)에 관한 것으로서 기판으로 알루미늄(Al6061)을 사용한 적외선 반사판의 제조공정 변수가 반사판의 특성에 미치는 영향에 관한 것이다. 구체적으로는 파장 0.76~2 µm의 근적외선을 방사하고, 중심파장이 1 µm인 할로겐 램프를 사용하는 건조 설비에서 방사된 적외선이 피건조물을 향해 반사되도록 하는 적외선 반사판을 제조함에 있어 알루미늄(Al 6061) 기판에 전자빔 증발법(electron beam evaporation; E-beam)으로 적외선 반사막을 성막하는 제반 공정 변수가 적외선 반사판의 반사율 및 수명에 미치는 영향을 평가하였다. 즉, 알루미늄을 기판으로 하고, E-beam 공정에 의한 적외선 박사막을 성막함에 있어 제반 공정 변수가 반사막의 적외선 반사율, 기판과 반사막간의 밀착력, 기판의 산화 및 부식 등에 미치는 영향을 평가하였다.
근적외선 반사를 위한 protected gold mirror를 제조함에 있어 제조공정 조건이 반사율 및 반사판의 수명에 어떠한 영향을 미치는지에 알아보기 위하여 기판에 대한 전처리 조건, 산화방지층(anti-oxide layer), 중간층(adhesion layer), 반사층(reflecting layer), 그리고 보호층(protection layer) 증착 조건을 달리한 반사판을 제작하고, 이들에 대한 밀착력, 반사율, 내구성 테스트를 실시한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 기판의 자연산화를 포함한 산화와 부식의 문제를 기판에 대한 아노다이징 처리와 기판의 산화방지층으로 Al2O3를 증착하는 방법을 선택하였다. Fig.
기판으로 Al plate를 사용하는 경우에는 앞서 살펴본 바와 같이 기판의 산화 방지 대책이 필요하다. 본 연구에서는 산화방지층으로 기판을 아노다이징 처리하는 방법과 Al2O3를 증착하는 방법 및 비교샘플로서 산화방지층을 형성하지 아니한 샘플에 대하여 protected gold mirror를 제작하고, 이에 대한 염수분무시험을 실시하였다. Fig.
적외선 반사판을 제조함에 있어 제조공정 변수가 적외선 반사율 및 반사판의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 기판에 대한 별다른 가공을 하지 않은 기판(bare plate), 버핑 가공한 기판(buffed plate), 버핑 가공 후 아노다이징(anodizing) 처리를 한 기판(anodized plate after buffed), 그리고 버핑 가공 후 산화방지막으로 Al2O3를 코팅한 기판(Al2O3 coated plate after buffed)을 준비하였다. 이렇게 준비된 기판에 대하여 중간층(adhesion layer)으로 Cr 또는 Ni을 증착하고, 반사막(reflecting layer)으로 금(Au)을 증착한 후 보호막(protection layer)으로 MgF2 또는 SiO2를 증착한 적외선 반사판을 제조하였다.
76~2 µm의 근적외선을 방사하고, 중심파장이 1 µm인 할로겐 램프를 사용하는 건조 설비에서 방사된 적외선이 피건조물을 향해 반사되도록 하는 적외선 반사판을 제조함에 있어 알루미늄(Al 6061) 기판에 전자빔 증발법(electron beam evaporation; E-beam)으로 적외선 반사막을 성막하는 제반 공정 변수가 적외선 반사판의 반사율 및 수명에 미치는 영향을 평가하였다. 즉, 알루미늄을 기판으로 하고, E-beam 공정에 의한 적외선 박사막을 성막함에 있어 제반 공정 변수가 반사막의 적외선 반사율, 기판과 반사막간의 밀착력, 기판의 산화 및 부식 등에 미치는 영향을 평가하였다.
이렇게 준비된 기판에 대하여 아세톤 초음파 세척과 알코올 초음파 세척을 실시하여 기판을 세정한 후 E-beam을 이용하여 증착을 실시하였다. 증착공정은 초기진공도가 1.0 × 10−5 torr에 도달한 시점에서 증착을 실시하였으며, 증착 설비내 분위기 온도를 조절하지 않거나(room temperature), 150oC 및 300oC로 유지한 상태에서 증착 공정을 진행하였다.
대상 데이터
Al 기판의 산화방지를 위해 Al2O3(99.99 %, 태원과학)를 1,000 Å 두께로 증착하거나 기판을 아노다이징 처리하는 방법을 사용하였으며, 중간층(adhesion layer)은 Cr(99.99 %, 태원과학)을 사용한 것과 Ni(99.97 %, 태원과학)을 사용한 것으로 2가지를 준비하였으며, 증착 두께는 500 Å으로 하였다. 적외선 반사층(reflecting layer)은 Au(99.
기판의 전처리와 반사율 및 밀착력과의 상관관계를 평가하기 위하여 기판의 전처리를 달리한 상기 4종의 기판을 준비하였다. Al 기판은 경면가공(mirror-like polishing)하는 것이 바람직하나 Al의 경면가공은 다이아몬드 터닝 머신(diamond turning machine)을 이용하여야 하는 문제가 있어 본 연구에서는 버핑 가공으로 조도를 향상시키는 방법을 사용하였다.
실험대상 적외선 반사판은 알루미늄(Al 6061)을 기판으로 하고, E-beam 방법으로 제조한 반사판을 사용하였다. 적외선 반사판을 제조함에 있어 제조공정 변수가 적외선 반사율 및 반사판의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 기판에 대한 별다른 가공을 하지 않은 기판(bare plate), 버핑 가공한 기판(buffed plate), 버핑 가공 후 아노다이징(anodizing) 처리를 한 기판(anodized plate after buffed), 그리고 버핑 가공 후 산화방지막으로 Al2O3를 코팅한 기판(Al2O3 coated plate after buffed)을 준비하였다.
97 %, 태원과학)을 사용한 것으로 2가지를 준비하였으며, 증착 두께는 500 Å으로 하였다. 적외선 반사층(reflecting layer)은 Au(99.99 %, 정공사)를 2,000 Å 두께로 증착하였다. 보호층(protection layer)은 MgF2 또는 SiO2를 사용하고, 보호층의 증착 두께는 1,300 Å과 3,000 Å으로 하여 모두 4종류의 보호층 증착을 실시하였다.
실험대상 적외선 반사판은 알루미늄(Al 6061)을 기판으로 하고, E-beam 방법으로 제조한 반사판을 사용하였다. 적외선 반사판을 제조함에 있어 제조공정 변수가 적외선 반사율 및 반사판의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 기판에 대한 별다른 가공을 하지 않은 기판(bare plate), 버핑 가공한 기판(buffed plate), 버핑 가공 후 아노다이징(anodizing) 처리를 한 기판(anodized plate after buffed), 그리고 버핑 가공 후 산화방지막으로 Al2O3를 코팅한 기판(Al2O3 coated plate after buffed)을 준비하였다. 이렇게 준비된 기판에 대하여 중간층(adhesion layer)으로 Cr 또는 Ni을 증착하고, 반사막(reflecting layer)으로 금(Au)을 증착한 후 보호막(protection layer)으로 MgF2 또는 SiO2를 증착한 적외선 반사판을 제조하였다.
이론/모형
반사판의 수명평가는 우선 증착된 박막을 1 mm 간격으로 cutting한 후 테이프를 이용하여 밀착력을 시험하는 방법(cross-cutting method, ASTM D3359)을 사용하여 기판과 박막의 밀착력을 평가하고, 2차적으로 crosscutting method에 의해 박리가 발생하지 않은 반사판 제조공정 조건으로 제조된 반사판을 대상으로 복합 염수분무 시험기(Q-FOG, Corrosion Tester, 나노텍)를 사용하여 염수분무 시험법(salt spray test, ASTM B117, 5% NaCl, 35oC)으로 평가하였다.
반사판의 적외선 반사율에 대한 평가는 spectrophotometer (UV-1601, SHIMADZU)를 이용하여 측정하였으며, 비교시편으로서 반사율이 우수한 것으로 알려진 Al mirror(MIRO8, MIRO27, ALANOD)에 대해서도 함께 평가하였다.
성능/효과
1) Al을 기판으로 하는 경우에는 기판의 산화방지 대책이 마련되어야 하며, 산화방지층으로 Al2O3를 증착하는 것이 유효한 방법임을 확인하였다.
2) 증착공정을 진행함에 있어 공정 챔버의 분위기 온도는 300oC이상을 유지하여야 박리가 발생하지 않음을 확인하였다.
3) 기판표면의 조도가 경면(mirror-like)에 가까울수록 반사율이 향상되었다.
5) 본 연구에서 제조된 protected gold mirror는 경면 가공된 Al mirror(ALANOD mirror)의 적외선 영역에서의 반사율 85 %에 비하여 반사율이 113 % 향상된 96 %의 반사율을 보이는 것으로 확인되었다.
이와 같은 결과는 아노다이징 처리로 인해 표면조도가 나빠졌고, 그 두께도 매우 두꺼워서 산란(scattering)과 흡수(absorption) 및 난반사(diffuse reflection)가 발생한 것에 기인한 것으로 판단된다. 결론적으로 살펴보면 기판에 대한 전처리 및 보호층과 반사율과의 상관관계는 기판의 표면조도에 가장 큰 영향을 받는다는 것으로서 이는 선행연구 결과와 일치하는 것이며,19) 보호층이나 산화방지층은 두께가 두꺼워지면 산란과 흡수의 영향으로 반사율이 감소한다고 판단된다.
본 연구는 다양한 제조공정 변수가 근적외선 반사판의 반사율과 수명에 미치는 영향을 평가한 것이다. 평가결과 버핑 방법을 사용하여 기판의 조도를 향상시킨 기판에 산화방지층(anti-oxide layer)으로 Al2O3를 증착하고, 중간층(adhesion layer)으로 Cr을 증착한 후 반사층(reflecting layer)으로 금(Au)을 증착하고, 보호층(protection layer)으로 MgF2를 증착한 반사판이 근적외선의 반사율이나 반사판의 수명 측면에서 가장 효과적인 공정인 것으로 확인되었다.
후속연구
Fig. 1에서 보듯이 Ni을 중간층으로 사용하였을 경우 매우 미세한 박리가 관찰되었는데 그 이유에 대하여는 추가적인 연구가 필요하다.
이와 같은 결과는 Al2O3를 증착한 경우에는 그 두께가 1,000 Å에 불과하고, E-beam 방법으로 증착한 것이기 때문에 아노다이징으로 형성된 알루미늄 산화층에 비하여 박막이 치밀하지 못한 것에 기인한 것으로 판단된다. 다만, 산화방지층으로서 Al2O3를 증착함에 있어 반사율과 수명측면을 모두 고려한 적정 증착 두께에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. 한편 Fig.
선행연구에서는 보호층으로 SiOx를 증착하면 Al(선행연구에서는 반사막으로 증착된 Al)의 자연산화 문제가 해결된다는 보고가 있으나,14) 본 연구의 실험에서는 보호층으로 SiO2를 증착한 경우에도 기판의 산화문제가 발생하였다. 이와 같은 결과는 보호층의 물질계로서 선행연구에서는 SiOx(1 < x < 2)를 사용하였다는 점에 기인하는 것으로 판단되나 이에 대하여는 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적외선의 활용 분야는?
또한 적외선을 이용하면 급속가열 및 균일가열이 가능하다는 장점이 있다.1,2) 이러한 특성으로 인하여 적외선은 반도체 생산 공정과 같은 표면열처리 분야, 식품의 건조 및 살균 분야, 제빵제과 분야, 도장라인 및 고분자 제조라인의 건조, 성형(forming)분야 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있다.3-6) 적외선은 파장이 0.
적외선이란?
1,2) 이러한 특성으로 인하여 적외선은 반도체 생산 공정과 같은 표면열처리 분야, 식품의 건조 및 살균 분야, 제빵제과 분야, 도장라인 및 고분자 제조라인의 건조, 성형(forming)분야 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있다.3-6) 적외선은 파장이 0.76~1,000 µm 범위의 전자기파로서 연구자들마다 광 대역(optical bands)에 대하여는 다소간의 차이는 있으나 근적외선(NIR, near-infrared, 0.76~2 µm), 중적외선(MIR, mid-infrared, 2~4 µm), 원적외선(FIR, farinfrared, 4~1,000 µm)으로 구분한다.
피사체에 대한 가열 또는 건조할 때 적외선 사용으로 얻는 장점은?
피사체에 대한 가열 또는 건조에 있어 적외선(IR, infrared)을 이용하는 것은 매우 효과적인 방법이다. 적외선은 매질이 없어도 에너지 전달이 가능하며, 에너지 효율과 열전달율이 높고, 친환경적이며, 가열 또는 건조설비의 소형화 및 자동화가 용이하다. 또한 적외선을 이용하면 급속가열 및 균일가열이 가능하다는 장점이 있다.1,2) 이러한 특성으로 인하여 적외선은 반도체 생산 공정과 같은 표면열처리 분야, 식품의 건조 및 살균 분야, 제빵제과 분야, 도장라인 및 고분자 제조라인의 건조, 성형(forming)분야 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있다.
참고문헌 (20)
C. Ding, R. Khir, Z. Pan, J. Zhang, K. Tu and El-Mashad, Cereal Chem., 92, 441 (2005).
R. Khir, Z. Pan, Z. F. Thompson, A. S. El-Sayed, B. R. Hartsough and M. S. El-Amir, J. Food Process. Preserv., 38, 430 (2014).
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