1. 서 론

레이저기술은 꾸준히 발전되어오고 있으며 의료, 미용, 측정, 가공 등 각종 분야에 다양하게 활용되고 있다. 특히 산업현장에서는 레이저를 이용한 용접이나 절단, 가공,마킹 등에 활용되는 것으로 알려져 있으며 많은 연구자들이 다양한 분야에 활용한 레이저 연구를 꾸준히 해오고 있다[1-3]. 그중 레이저를 이용한 미세표면가공은 전자 및 반도체 산업의 초고속 발전과 초정밀을 요구하는 산업의 발달로 인해 기계 가공으로 맞추지 못할 표면에 정밀한 치수가공을 표현할 수 있어 미세한 표면 가공에 많이 활용 되고 있다. 레이저 미세가공은 UV 또는 Excimer레이저의 매우 짧은 파장이나 매우 짧은 펄스폭을 가지는 피코초 또는 펨토초 레이저를 이용하여 정밀 미세 가공에 이용되고 있다[4-5].

최근에는 레이저를 이용한 발수표면의 구현에 관한 연구들도 많이 이루어지고 있다[6-11]. 레이저 공정을 다양한 재료에 대해 소수성 표면을 직접 얻을 수 있는 기술로 많이 활용되고 있는데, 특히 정밀한 제어를 통해 내구성이 우수한 소수성 표면을 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다. Rung 등[7]은 femotosecond laser를 이용하여 주기성을 가진 표면을 제작하여 시간이 접촉각 히스테리시스가 유지되는 것을 보이기도 하였다. 현재 대부분의 레이저를 이용한 발수 표면에 관한 연구는 피코초 또는 펨토초 레이저의 사용에 의존하고 있다. 그러나 산업적 적용 측면에서 현재의 방식은 매우 고비용, 비효율적인 단점이 있다. 본 연구에서는 고출력의 범용 다이오드 레이저를 이용하여 소수성 표면을 구현하고자 하였다. 레이저 그루브 가공기술을 이용하여 미세표면을 제작하고 간격(space)과 폭(width)에 따른 젖음특성에 대한 상관관계를 제시하고자 한다. 금속 소재는 스테인리스강(SUS 304)을 이용하였으며 레이저 가공시 그루브 높이는 30 µm로일정하게 두고 다양한 그루브의 간격과 폭에 따른 젖음성을 평가하고자 한다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시편 제작

실험에 사용된 소재는 가공이 용이하며 부식저항성이 좋은 특성이 있는 SUS304로 선정하였다. 레이저를 이용하여 50 mm x 50 mm 사이즈로 절단된 스테인레스강 시편에 레이저 그루브 가공을 간격 a과 폭 b, 높이 h로 두어 가공을 진행하였다. 실험에 사용된 레이저는 2 kW High Power Diode Laser 이다. 가공 방법은 피드속도는 2000 mm/s로 일정하게 두고 시편이 형상에 따라 레이저 출력 및 주파수, 루프 수를 달리하여 가공하였다. Fig 1은 레이저 그루브 가공을 위한 시편 형상의 개략도를 도시한 것이다.

Table 1에 제작한 레이저 그루브 시편들의 치수 및 각 가공조건을 제시하였다. 그루브 높이는 30 µm로 일정하게 두고 간격과 폭의 치수를 다르게 제작하기 위해 시행착오적인 예비 실험을 통해 각각의 시편을 제작하였다. 총 7개의 그루브 형상이 다른 시편을 제작하였고 비교를 위해 그루브 가공을 하지 않고 표면 연마처리만 한 시편을 포함하여 총 8개의 시편에 대해 젖음 특성을 분석하였다. 다양한 치수로 제작된 7가지의 시편의 표면 형상을 관찰하기 위해서 광학현미경(Optical microscope)과 전자주사현미경 (SEM)을 이용하여 표면 형상을 촬영한 결과를 Fig. 2에 도시하였다. 광학현미경으로는 100배의 배율로 상면에서, 전자주사현미경으로는 측면에서 50배(scale bar 500 µm), 100배(scale bar 100 µm) 배율로 측정하였다.

Fig. 1. Laser groove dimensions.

Table 1. Specifications of groove process

Fig. 2. Optical micrographs and SEM images on laser grooved specimen.

3. 실험 결과

3-1. 접촉각 측정 결과

7가지의 레이저 그루브 표면 및 그루브 가공을 하지 않은 매끄러운 표면에 대해 물방울 접촉각(Contact angle)을 측정하였다. Fig. 1에서 보인바와 같이 그루브 방향에 대해 평행한 방향과 수직한 방향으로 나누어 측정하였다. Fig. 3은 각 시편에서 측정한 접촉각 결과를 도시한 것이다. Non-patterned surface에 대한 액적의 접촉각이 60o정도임에 비해 그루브 표면의 접촉각은 100o이상의 소수성 표면 특성을 보이는데 이는 미세한 그루브 형상에 의해 물방울이 공극(cavity)를 채우지 않고 떠있는 Cassie 상태로 유지되어 높은 접촉각을 가지는 것으로 판단된다.

Fig. 3. Contact angle image of water droplets in static state.

Fig. 4는 레이저 가공된 그루브의 폭(b)을 80µm로 일정하게 두고 그루브간의 간격(a)을 변화함에 따른 parallel 방향 및 perpendicular 방향의 접촉각을 측정한 결과이다. perpendicular 방향의 접촉각에 비해 parallel 방향의 접촉각이 전체적으로 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 그루브간의 간격이 증가할수록 perpendicular 방향의 접촉각은 감소함을 알 수 있다. 특히 No.1 시편의 경우 perpendicular 방향의 접촉각이 약 102°정도로 상대적으로 낮게 나타났는데 이는 액적과 접촉하는 고체면의 면적이 그루브 사이의 공기층과 접하는 면적에 비해 매우 크기 때문에 낮은접촉각을 형성하는 것으로 판단된다. 따라서 본 실험에서 그루브 간의 간격은 그루브 폭의 1.5배 이하가 되어야 120°이상의 접촉각이 형성될 수 있음을 보여준다.

Fig. 4. Static contact angle for laser grooved surfaces with different groove space and constant groove width.

Fig. 5는 그루브 간의 간격(a)을 80 µm로 일정하게 두고 레이저 가공된 그루브의 폭(b)을 달리함에 따른 접촉각을 변화를 도시한 것이다. 그루브 간의 간격과 폭의 크기가 같은 시편 No. 3의 접촉각에 비해 그루브 간의 간격 대비 그루브 폭이 넓은 No. 5, No. 6, No. 7 시편들의 접촉각이 전체적으로 높게 나타남을 알 수 있다. 이는 그루브 폭이 증가할수록 물과 그루브 사이의 공기층과 접하는 면적이 넓어져 접촉각이 증가되는 것으로 판단된다. 그루브 폭이 250 µm, 그루브간 간격 80 µm인 No. 7 시편까지도 140° 정도의 접촉각을 유지하는 것으로 보아 그루브 간격 대비 그루브 폭의 비율이 약 3배 정도까지는 Cassie 상태로 유지된 것으로 사료된다.

Fig. 5. Static contact angle for laser grooved surfaces with different groove width and constant groove space.

3-2. 접촉각 이력 측정 결과

제작한 시편들에 대한 접촉각 이력(Contact angle hysteresis)를 측정하였다. 접촉각 이력이란 액적의 advancing angle에서 receding angle을 차이를 의미한다. 각각의 시편을 10°, 20°, 30o로 경사시켜 접촉각 이력을 측정하였으며 Fig. 6은 20o의 경사각에서 측정된 액적의 이미지를 도시한 것이다. 레이저 패터닝을 하지 않은 경우에 비해 레이저를 통해 그루브 패터닝을 한 시편의 액적의 형태가 흐름에 유리함을 확인 할 수 있다.

Fig. 6. Contact angle images of water droplets at the inclined angle of 20°for laser grooved surfaces.

Fig. 7은 레이저 가공된 그루브의 폭(b)을 80 µm로 일정하게 두고 그루브간의 간격(a)의 변화에 따른 접촉각이력을 측정한 결과이다. 모든 시편에서 경사각이 증가할수록 접촉각이력은 증가하였으며 경사각 30o에 이르기까지 roll off는 발생하지 않았다. 그루브의 간격이 감소할수록 접촉각 이력은 다소 감소하는 경향을 알 수 있는데 이는 그루브 간격의 감소는 물방울과 고체면의 접촉율이 줄어드는 영향으로 생각된다. Fig. 8은 그루브의 간격(a)을 80 µm로 일정하게 하고 그루브 간의 폭(b)을 변화함에 따른 접촉각 이력을 측정한 결과이다. 시편 No. 5와 No. 6의 경우 20o를 초과하여 30o에 도달하기 전에roll off가 발생하였다. 그루브의 폭이 간격에 3배 이상 차이나는 No. 7의 경우 다시 접촉각 이력이 증가하고 rolloff 현상은 발생하지 않음을 알 수 있다. 이를 통해 물방울과 고체면이 접촉되는 면적과 물방울과 공기층이 접촉되는 면적의 비율이 액적의 젖음 특성과 일정한 상관관계가 있음을 유추 할 수 있다. 또한 그루브 간 간격의 변화에 대한 접촉각 이력결과를 도시한 Fig. 7에 비해 Fig. 8의 그루브 폭의 변화에 대한 접촉각 이력이 전체적으로 낮게 나타나 그루브 폭의 조절이 접촉각 이력에더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 7. Contact angle hysteresis for laser grooved surfaces with different groove space and constant groove width.

Fig. 8. Contact angle hysteresis for laser grooved surfaces with different groove width and constant groove space.

3-3. 소수성 코팅의 영향

제작한 레이저 그루브 패턴의 표면에 발수 코팅제을입혀 젖음 특성을 확인하였다. 코팅제는 시중에 발수 코팅제로 판매되는 bullsone crystal coater이며 2000 rpm의 스핀속도로 코팅 후 24시간 건조시켜 측정하였다. Fig. 9는 패터닝을 하지 않은 표면에 대한 발수 코팅 효과를 보인 것으로 코팅 전 물방울의 접촉각은 약 60°정도 측정되었고 코팅 후의 접촉각은 100°정도로 나타났다. Fig. 10은 레이저 그루브 코팅한 시편의 parallel 방향 및 perpendicular 방향의 접촉각을 측정한 결과를 도시한 것이다. Perpendicular 방향에 비해 Parallel 방향의 접촉이 높음을 알 수 있다. 또한 Perpendicular 방향의 접촉각은 그루브의 간격 및 폭에 관계없이 거의 100 °정도를 유지하고 있으나 Parallel 방향의 접촉각은 대해서는 그루브의 간격 및 폭에 따라 변화함을 알 수 있다. 이는 코팅을 통해 표면이 화학적으로 안정한 상태로 유지되어 Perpendicular 방향의 접촉각은 거의 일정한 반면, Parallel 방향은 그루브의 형상이 접촉각에 여전히 영향을 미치고 있기 때문인 것으로 사료된다. 그리고 코팅된 표면에서도 그루브 간의 간격보다는 그루브의 폭을 증가시킨 경우 접촉각이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 아울러 코팅 시편에 대해 접촉각 이력을 측정하였는데모든 시편이 접촉각 10°이내에서 roll off가 발생하였고 이는 액적의 roll off는 표면의 화학적 안정화 유무가 중요한 요소인 것으로 판단된다.

Fig. 9. Contact Angle of non-patterned specimen before and after coating.

Fig. 10. Static contact angle for laser grooved surfaces with coating.

Fig. 11. Contact angle image of water droplets for laser grooved surfaces with coating.

4. 결 론

본 연구에서는 스테인리스강(SUS 304) 소재에 대해레이저 그루브 가공을 통해 미세표면을 제작하고 그루브간의 간격(space)과 그루브의 폭(width)에 따른 젖음 특성을 평가하였다. 그 결과, 그루브 형상을 가진 표면이패터닝을 하지 않은 표면에 비해 접촉각이 40°이상 증가됨을 알 수 있었고 perpendicular 방향의 접촉각에 비해 parallel 방향의 접촉각이 전체적으로 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 그루브간의 간격 대비 그루브 폭의 비율이 약 3배정도까지는 Cassie 상태로 유지되어 높은 접촉각의 형상할 수 있는 것으로 판단된다. 접촉각 이력 측정 실험에서는 그루브간의 간격보다는 그루브의 폭이 접촉각 이력에 미치는 영향이 큰 것으로 보였고 이를 통해 물방울이 고체면과 공기층에 접촉되는 면적의 비율이 액적의 젖음 특성에 영향을 주는 것으로 판단된다. 또한 표면의 화학적 안정성을 부가한 코팅 실험을 통해 표면의 형상의 변화가 거의 없는 Perpendicular 방향의 접촉각은 거의 일정한 반면, 표면 형상의 높낮이의 차이가 있는 Parallel 방향의 접촉각은 차이 있는 것을 통해 그루브의 형상이 젖음 특성에 영향을 미친다는 것을 확인 할수 있었다.

Acknowledgements

이 논문은 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(2016R1DA1B03936153).