[논문]레이저 클래딩 표면에 대한 젖음 특성에 관한 연구

장무연; 박영환; 김태완

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.11.035

레이저 클래딩 표면에 대한 젖음 특성에 관한 연구
Study on Wetting Characteristics of Laser Cladding Surfaces 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.11, 2019년, pp.35 - 40

장무연 (부경대학교 기계공학과 대학원) , 박영환 (부경대학교 기계공학과) , 김태완 (부경대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Laser processing has been used in various fields. In this study, the feasibility of a hydrophobic surface was investigated through the laser cladding technique. A diode laser was used, and the output was set to 600-800 W. Seven different specimens were prepared with different cladding widths and spacings, and the contact angles for water droplets were evaluated. As a result, the contact angle of water droplets measured in the direction parallel to the cladding line was higher than that in the vertical direction. The wider the cladding width and the cladding space, the higher the contact angle in the parallel direction. It is thought that when a higher contact angle is formed in the parallel direction, more air can be placed in the valley between the cladding lines. In addition, for the hydrophobic coating effect, the contact angle of the coated cladding surface was increased by about $5-15^{\circ}$ as a whole compared to the coated smooth surface. It was confirmed that the wetting characteristics were improved through the cladding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 산업적 적용 측면에서 현재의 방식은 매우 고비용, 비효율적인 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 고출력의 범용 다이오드레이저를 이용하여 소수성 표면을 구현하고자 하였다. 스테인리스강 표면에 대해 범용 다이오드에 클래딩 가공기술을 적용하여 소수성 표면의 제작 가능성을 살펴보았다.
본 연구에서는 고출력의 범용 다이오드레이저를 이용하여 제작한 클래딩 표면에 대한 젖음 특성을 평가하고자 하였다. 클래딩 폭과 간격을 달리하여 시편을 제작하였고 소수성 코팅여부에 따른 물방울에 대한 접촉각을 평가하였다.
클래딩가공만 되어 있는 시편 위에 발수코팅제를 입혀 접촉각을 향상시켜 코팅에 따른 특성을 분석하고자 하였다. 사용된 코팅은 시중에서 구할 수 있는 bullsone crystal coater를 이용했으며 초음파 세척기와 증류수를 이용하여 클래딩 표면을 깨끗이 세척하였다.

제안 방법

실험에 사용된 레이저는 2kW급 다이오드 레이저(diode laser)로써 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 이용하여 레이저 조사 위치를 제어하였다. 또한 파우더 피더(powder feeder)와 노즐을 이용하여 일정하게 WC분말 파우더를 공급하면서 제작하였다. 파우더의 flow rates는 100-150mg/s의 범위로 조정하였다.
따라서 본 연구에서는 고출력의 범용 다이오드레이저를 이용하여 소수성 표면을 구현하고자 하였다. 스테인리스강 표면에 대해 범용 다이오드에 클래딩 가공기술을 적용하여 소수성 표면의 제작 가능성을 살펴보았다. 클래딩 폭과 간격을 달리하여 시편을 제작하였고 물방울에 대한 접촉각을 평가하였다.
6은 딥 코팅을 통해 제작한 클래딩 시편에 대한 정적상태의 접촉각을 측정한 것이다. 실험에 앞서, 코팅의 효과를 확인하기 위해 클래딩 가공을 수행하지 않은 매끄러운 SUS304 표면에 대해 코팅 유무에 따른 접촉각을 측정해보았다. 코팅을 하지 않은 SUS304 표면의 접촉각이 59.
클래딩 폭과 간격을 달리하여 시편을 제작하였고 물방울에 대한 접촉각을 평가하였다. 아울러 소수성 코팅에 대한 영향도 분석하였다.
우선 50x50x10mm 로 절단한 스테인리스 시편에 레이저머신을 이용하여 간격(space)과 폭(width)의수치를 각각 다르게 두고 클래딩을 입혀 시편을 제작하였다. 실험에 사용된 스테인리스강은 SUS304 로 니켈이 함유되어 있어 내식성 내열성이 뛰어나고 저온강도를 가져 가장 널리 사용되는 강이다.
그 후 준비된 코팅제를 딥 코팅을 한 후 2000rpm의 스핀속도로 코팅하였다. 접촉각 측정은 코팅 후 실온에서 24시간 건조시킨 후 수행하였다.
제작된 시편을 Static 상태로 두고 클래딩형상과 측정 렌즈의 방향을 평행방향(parallel direction)과 수직방향(perpendicular)으로 각각 나누어 물방울의 접촉각(contact angle)을 측정하였다. 접촉각은 액체 –기체 경계면과 액체-고체 경계면의 사잇각을 액체 내부 쪽에서 잰 각도를 의미한다.
제작한 시편을 관찰하기 위해 광학현미경과 전자 주사현미경(SEM)을 이용하여 촬영하였다. Fig.
스테인리스강 표면에 대해 범용 다이오드에 클래딩 가공기술을 적용하여 소수성 표면의 제작 가능성을 살펴보았다. 클래딩 폭과 간격을 달리하여 시편을 제작하였고 물방울에 대한 접촉각을 평가하였다. 아울러 소수성 코팅에 대한 영향도 분석하였다.
본 연구에서는 고출력의 범용 다이오드레이저를 이용하여 제작한 클래딩 표면에 대한 젖음 특성을 평가하고자 하였다. 클래딩 폭과 간격을 달리하여 시편을 제작하였고 소수성 코팅여부에 따른 물방울에 대한 접촉각을 평가하였다. 클래딩 라인에 평행한 방향에서 측정한 물방울의 접촉각이 수직 방향의 접촉각에 비해 높게 나타났다.

대상 데이터

실험에 사용된 스테인리스강은 SUS304 로 니켈이 함유되어 있어 내식성 내열성이 뛰어나고 저온강도를 가져 가장 널리 사용되는 강이다. Table 1 은 SUS304의 본 실험에서 사용된 화학 성분 함유량을 나타낸 것이며, 클래딩에 사용한 분말(powder)은 WC 이다.
클래딩가공만 되어 있는 시편 위에 발수코팅제를 입혀 접촉각을 향상시켜 코팅에 따른 특성을 분석하고자 하였다. 사용된 코팅은 시중에서 구할 수 있는 bullsone crystal coater를 이용했으며 초음파 세척기와 증류수를 이용하여 클래딩 표면을 깨끗이 세척하였다. 그 후 준비된 코팅제를 딥 코팅을 한 후 2000rpm의 스핀속도로 코팅하였다.
2는 클래딩 가공을 위한 레이저 장비의 개략도와 가공장면을 도시한 것이다. 실험에 사용된 레이저는 2kW급 다이오드 레이저(diode laser)로써 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 이용하여 레이저 조사 위치를 제어하였다. 또한 파우더 피더(powder feeder)와 노즐을 이용하여 일정하게 WC분말 파우더를 공급하면서 제작하였다.
우선 50x50x10mm 로 절단한 스테인리스 시편에 레이저머신을 이용하여 간격(space)과 폭(width)의수치를 각각 다르게 두고 클래딩을 입혀 시편을 제작하였다. 실험에 사용된 스테인리스강은 SUS304 로 니켈이 함유되어 있어 내식성 내열성이 뛰어나고 저온강도를 가져 가장 널리 사용되는 강이다. Table 1 은 SUS304의 본 실험에서 사용된 화학 성분 함유량을 나타낸 것이며, 클래딩에 사용한 분말(powder)은 WC 이다.

성능/효과

Fig. 6에서 보는 바와 같이 코팅된 클래딩 표면의 접촉각은 코팅된 매끄러운 표면에 비해 전체적으로 약 5°~15° 정도 증가 되었고 코팅을 하지 않은 클래딩 표면에 비해서는 평행방향으로는 약 10°~15° 정도, 수직방향으로는 약 30°~40° 정도 증가함을 알 수 있었다.
따라서, 코팅을 통해 화학적인 방법으로 접촉각을 증가시킬 수 있으며 아울러 클래딩공정을 통해 추가적으로 표면의 젖음 특성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 다만 화학적 코팅은 외부환경에 따라 비영구적일수 있음에 비해 클래딩 공정을 통해 영구적이면서도 화학적 코팅에 근접하는 효과를 낼 수 있음을 본 연구를 통해 알 수 있다.
이는 평행 방향에서는 웨이브 모양의 그루브 형상으로 인해 Cassie 상태를 유지하여 상대적으로 높은 접촉각이 형성되는 것으로 판단된다. 또한 클래딩 폭이 넓을수록, 클래딩 간격이 높을수록 평행방향의 접촉각이 높게 나타났는데, 이는 클래딩 라인 사이의골 부위의 공기층이 많이 게재될 수 있는 구조 일수록 높은 평행방향의 접촉각이 형성되는 것으로 생각된다. 아울러 소수성 코팅 효과에 대해서 코팅된 클래딩 표면의 접촉각은 코팅된 매끄러운 표면에 비해 전체적으로 약 5°~15° 정도 증가 되었고 클래딩을 통한 젖음 특성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
또한 클래딩 폭이 넓을수록, 클래딩 간격이 높을수록 평행방향의 접촉각이 높게 나타났는데, 이는 클래딩 라인 사이의골 부위의 공기층이 많이 게재될 수 있는 구조 일수록 높은 평행방향의 접촉각이 형성되는 것으로 생각된다. 아울러 소수성 코팅 효과에 대해서 코팅된 클래딩 표면의 접촉각은 코팅된 매끄러운 표면에 비해 전체적으로 약 5°~15° 정도 증가 되었고 클래딩을 통한 젖음 특성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
5는 클래딩 형상이 있는 각각의 시편의 정적 상태를 측정한 것이다. 전체적으로 평행방향일 때의 물방울의 접촉각(contact angle)이 수직방향의 접촉각에 비해 높게 나타났는데, 이는 수직방향에 서는 연속된 클래딩 라인으로 인해 물방울과 고체 면의 접촉이 많이 발생함에 비해 평행 방향에서는 웨이브 모양의 그루브 형상으로 인해 골부위의 공기층으로 인해 물방울과 고체면과의 접촉면적이 상대적으로 적기 때문에 Cassie 상태를 유지하여 높은 접촉각이 형성되는 것으로 사료된다. 클래딩 간격을 일정하게 두고 클래딩 폭을 변화시킨 시편No.
코팅을 하지 않은 SUS304 표면의 접촉각이 59.9°로 측정되었고 코팅한 표면에 대한 접촉각은 92.9° 로 증가해 약 33°가량 증가되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 클래딩이 활용되고 있는 부분은?	레이저를 이용한 가공은 산업현장에 뿐만 아니라 의료산업, 미용, 측정분야 등 다방면의 여러 분야에 활용되고 있으며 레이저는 용접, 열처리, 커팅, 미세가공, 마킹(조각), 클래딩, 납땜 등에 활용되고 있다. 이중 실험에 이용되는 레이저 클래딩은 오버레이 용접법(Overlay welding)의한 종류로 표면 개질의 형태로 분류되며 이 기술은 PTA(Plasma Transferred Arc)공법이나 아크 용접에 비해 입열량이 적어 냉각 및 응고속도가 빨라 모재와의 희석률이 낮고 결정립이 미세한 특징이 있어 편석이 없는 균일한 조직을 만드는데 적합하여 금형에 보수나 자동차, 조선, 항공 분야, 유압실린더와 같이 내마모성 및 내열성이 요구되는 부품에 적합하여 활용되고 있다 [3].
	레이저 클래딩의 특징은?	레이저를 이용한 가공은 산업현장에 뿐만 아니라 의료산업, 미용, 측정분야 등 다방면의 여러 분야에 활용되고 있으며 레이저는 용접, 열처리, 커팅, 미세가공, 마킹(조각), 클래딩, 납땜 등에 활용되고 있다. 이중 실험에 이용되는 레이저 클래딩은 오버레이 용접법(Overlay welding)의한 종류로 표면 개질의 형태로 분류되며 이 기술은 PTA(Plasma Transferred Arc)공법이나 아크 용접에 비해 입열량이 적어 냉각 및 응고속도가 빨라 모재와의 희석률이 낮고 결정립이 미세한 특징이 있어 편석이 없는 균일한 조직을 만드는데 적합하여 금형에 보수나 자동차, 조선, 항공 분야, 유압실린더와 같이 내마모성 및 내열성이 요구되는 부품에 적합하여 활용되고 있다 [3].
	레이저 공정의 장점은?	레이저 공정은 다양한 재료에 대해 소수성 표면을 직접 얻을 수 있는 기술로 많이 활용되고 있다. 특히 정밀한 제어를 통해 내구성이 우수한 소수성 표면을 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다[4~5]. Rung 등[6]은 femotosecond laser를 이용하여 주기성을 가진 표면을 제작하여 시간이 접촉각 히스테리시스가 유지되는 것을 보이기도 하였다.

참고문헌 (9)

Kang, H. S., Hong, S. J., Choi, J. Y., Hong, S. K., Jun, T. O., "A Study of Laser Repair for Thin Film Pattern" Journal of Korean Soceity of Laser Processing, Vol. 1, No. 1, pp. 39-44, 1998.
Chung, W. Y., Kim, S. H., Han, H. W., Min, J. W., Jeung, W. Y., Rhee, M. H., “Study on Friction Characteristics according to Lubrication Condition of Metal Surface by Laser Dotted Line Pattern Processing,” Journal of Korean Society of Laser Processing, Vol. 13, No. 2, pp. 1-5, 2010.
Kwon, M. H., Shin H. S., Chu, C. N., "Fabrication of a Super-hydrophobic Surface on Metal using Laser Ablation and Electrodeposition," Applied Surface Science, Vol. 288, pp. 222-228, 2014

상세보기
Yan, H. P., Rashid, M. R., Khew, S. Y., Li, F. P., Hong, M.,H., "Wettability Transition of Laser Textured Brass Surfaces inside Different Mediums," Applied Surface Science, Vol. 427, pp. 369-375, 2018.

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Sun, C., Zhao, X. W., Han, Y. H., Ze, Z., "Control of Water Droplet Motion by Alteration of Roughness Gradient on Silicon Wafer by Laser Surface Treatment," Thin Solid Films, Vol. 516, pp. 4059-4063, 2008.

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Rung, S., Schwarz, S., Zettl, J., Gotzendorfer, B., Esen, C., Hellmann, R., "Static and Dynamic Contact Angle of Water Influenced by Femtosecond Laser based Ripple Structures on Metals," Journal of Laser Micro / Nanoengineering, Vol. 12, pp. 100-104, 2018.
Bizi-Bandoki, P., Benayoun, S., Valette, S., Beaugiraud, B., Audouard, E., "Modifications of Roughness and Wettability Properties of Metals Induced by Femtosecond Laser Treatment," Applied Surface Science, Vol. 257, pp. 5213-5218, 2011.

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Ta, D. V., Dunn, A., Wasley, T. J,. Kay, R. W., Stringer, J., Smith, P. J., Connaughton, C., Shephard, J. D., "Nanosecond Laser Textured Superhydrophobic Metallic Surfaces and Their Chemical Sensing Applications," Applied Surface Science, Vol. 357, pp. 248-254, 2015.

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Vorobyev, A. Y., Guo, C., "Multifunctional Surfaces Produced by Femtosecond Laser Pulses," Journal of Applied Physics, Vol. 117, p. 033103, 2015

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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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