알루미늄 합금의 양극산화 기반 젖음성 제어와 기능성 표면 응용: 잉크젯 프린팅을 위한 표면 처리와 발수성 표면 제작 :Wettability control based on anodizing of aluminum alloy and applications into functional surface : surface treatment for inkj et printing and fabrication of water-repellent surface

김영윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김영윤 (한국공학대학교, 한국공학대학교 일반대학원)

지도교수: 김욱배

발행연도: 2023

저작권: 한국공학대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2023

알루미늄 합금의 양극산화 기반 젖음성 제어와 기능성 표면 응용: 잉크젯 프린팅을 위한 표면 처리와 발수성 표면 제작

김영윤 기계설계공학과 2023.01 학위논문

2022

알루미늄 양극산화 기반 SLIPS 표면 제작

김영윤 , 하유진 , 김욱배 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2022.05 학술대회자료

2021

알루미늄합금 기판의 양극산화 조건이 잉크젯 프린팅에 미치는 영향

김영윤 , 한택우 , 김욱배 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2021.11 학술대회자료

저비용 양극산화 표면처리공정에 의한 초양친성 알루미늄 표면의 구현

김영윤 , 김진규 , 김욱배 한국트라이볼로지학회 학술대회 2021.10 학술대회자료

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자연에 존재하는 다양한 생체 물질과 기본 구조, 기능은 획기적인 방식으로 기존의 문제점을 해결하거나 새로운 관점으로 바라볼 수 있게 하였다. 이와 같은 생체 모방(Biomimetics) 중 가장 널리 알려진 요소는 연꽃잎 효과(Lotus effect)로도 불리는 거친 표면과 소수성 왁스로 이루어진 초소수성 표면이다. 그러나 초소수성 표면은 고압, 충격, 한정된 반발 액체 등 특유의 제한점에 의해 산업에 활용되기 쉽지 않다. 이를 보안을 유지하기 위해 벌레잡이통풀에서 영감을 받은 SLIPS(Slippery Liquid Infused Porous Surface)를 제작하였다. SLIPS는 거칠기를 갖는 표면에 낮은 표면 에너지의 물질을 코팅하고 윤활유를 주입하는 것으로 제작된다.
본 연구에서는 알루미늄 양극산화를 통해 표면에 나노 기공 구조와 마이크로-나노 섬유 구조를 형성하였다. 이때 기존 산업에서 사용되는 저전압 황산법을 사용하여 2단으로 양극산화를 진행하여 1단 양극산화보다 넓은 범위로 젖음성을 제어하였다. 제작된 2단 양극산화 표면은 잉크젯 프린팅을 통해 피코 리터(pl) 수준의 작은 액적을 분사하여 기존 양극산화보다 작은 액적 반경을 가짐을 확인하였다.
표면에 초 젖음성을 구현하기 위해 2단 양극산화로 형성된 산화 피막을 과용융하여 마이크로-나노 섬유 구조의 표면을 제작하였다. 제작된 표면에 SAM 코팅을 통한 소수화를 진행하였고, 이후 윤활유를 주입하여 SLIPS를 제작하였다. 제작된 SLIPS는 초소수성 표면에 비해 넓은 액체 반발 범위를 가지며 낮은 얼음 접합력과 높은 지속성도 확인할 수 있었다. 또한, SLIPS의 표면 구조에 따라 마이크로-나노 번들 구조의 표면이 발액 성능이 우수하고 지속적인 액체와의 접촉 내구성을 가짐을 확인하였다.

Various biomaterials, basic structures, and functions existing in nature have been able to solve existing enginnering problems and show new perspective, which called biomimetics. The most widely known elements of biomimetics are Lotus effect, Super-hydrophobic surface, consist of rough surface and hydrophobic wax. However, superhydrophobic surfaces are not easy to be used in the industry due to weak durability at harsh condition such as high pressure, shock and limited repulsive liquid. To compensate for these weakness, SLIP (Slippery Liquid Infused Porous Surface), inspired by Nepenthes pitcher plants, was created. SLIPS is manufactured by coating a material with low surface energy on a surface with roughness and injecting lubricant.
This research formed the nanopore structure and the micro-nanofiber structure on the surface through aluminum anodization. Using sulfuric acid and low voltage conditions which are widely used in the existing industry. And forms highly alined pore structure by 2-step anodizing method. By this method wettability was controlled in a wider range than 1-step anodizing. Through inkjet printing, The surface fabricated by 2-step anodizing had a smaller droplet radius than the conventional anodizing at the level of pico-liter(pl) drop.
To created Super-wettability surface, over-melt the oxide film which formed by 2-step anodizing that makes micro scale roughness contained with nano fiber structure. Water hydrophobization was performed through SAM coating on the micro-nano fiber surface, and then a lubricant was injected to manufacture SLIPS. The manufactured SLIPS had a wider liquid repulsion range than the superhydrophobic surface, and low ice bonding strength and high durability were also confirmed. In addition, it was confirmed that the surface of the micro-nano fiber structure has excellent liquid repellent performance and continuous contact durability with the liquid depending on the surface structure of SLIPS.

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.1.1 생체 모방 1
1.1.2 양극산화 3
1.1.3 젖음성 응용 표면 5
1.2 연구 필요성 13
1.3 연구 목표 및 내용 14
제 2 장 이론적 배경 16
2.1. 젖음성 16
2.1.1 정적 접촉각 이론 16
2.1.2 동적 접촉각 이론 18
2.2 미끄럼 표면 21
2.2.1 정의와 특성 21
2.2.2 설계 원리 21
2.2.3 윤활제 선정 22
2.2.4 SLIPS 제작 동향 25
2.3 양극산화 이론 27
제 3 장 초친수 표면 31
3.1 양극산화와 젖음성 31
3.2. 실험 방법 31
3.2.1. 2단 양극산화 31
3.2.2. 계층적 구조 34
3.3. 실험 결과 34
3.3.1. 1단, 2단 양극산화 피막의 특성 34
3.3.2. 젖음성 분석 40
3.3.3. 잉크젯 프린팅 특성 44
제 4 장 초소수 및 미끄럼 표면 50
4.1 발액성 표면 50
4.2 실험 방법 51
4.2.1. SAM(Self Assembled Monolayer) 코팅 51
4.2.2. 초소수성 표면 제작 53
4.2.3. 윤활유 주입 54
4.3 실험 결과 55
4.3.1. 초소수 양극산화 피막의 특성 55
4.3.2. 액체주입 표면과 초소수 표면 58
4.3.3. 표면에 따른 액체 주입 표면의 젖음성 61
4.3.4. 방오성 시험 66
4.3.5. 내구성 시험 67
4.3.6. Drop test 68
4.3.7. 방빙성 시험 71
제 5 장 결론 75
참고문헌 78
ABSTRACT 83

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