KR101377743B1 - 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방전가공(Electric Discharge Machining ; EDM)방법을 이용하여 도전성 재질의 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하되, 방전가공 과정에서 구조체 표면에 자연스럽게 형성되는 나노 사이즈의 표면 거칠기를 이용하여 마이크로/나노 이중구조를 형성함으로써 간단한 공정제어와 비교적 적은 비용으로 다양한 형상의 구조체에 소수성(hydrophobic) 표면을 효과적으로 구현할 수 있는 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법은, 와이어를 이용한 방전가공(Electric discharge machining ; EDM)을 통하여 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하되, 상기 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 방전가공 과정에서 발생되는 스파크에 의해 상기 마이크로 사이즈의 패턴이 형성된 구조체의 표면에 나노 사이즈의 표면 거칠기를 형성함으로써 구조체의 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법{Method of fabricating micro/nano dual structure on the subject surface using electric discharge machining}

본 발명은 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방전가공(Electric Discharge Machining ; EDM)방법을 이용하여 도전성 재질의 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하되, 방전가공 과정에서 구조체 표면에 자연스럽게 형성되는 나노 사이즈의 표면 거칠기를 이용하여 마이크로/나노 이중구조를 형성함으로써 간단한 공정제어와 비교적 적은 비용으로 다양한 형상의 구조체에 소수성(hydrophobic) 표면을 효과적으로 구현할 수 있는 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 관한 것이다.

생체모사기술은 자연생명체의 구조를 모방하여 인간생활에 적용하려는 기술로서, 육식동물의 날카로운 발톱을 모방한 칼과 화살촉에서부터 잠자리의 날개를 모방한 헬리콥터까지 다양한 분야에서 보여지고 있다.

최근 들어, 나노 사이즈의 크기를 제작할 수 있는 MEMS, NEMS 기술이 발전함에 따라 그 동안 구현되지 못했던 자연생명체의 미세한 구조까지 모방할 수 있는 나노생체모사(Nano-Biomimetics)기술이 주목받고 있고 있으며, 그 중에서도 연잎 모사기술에 많은 관심이 집중되고 있다.

연잎 표면은 마이크로 크기의 구조물 위에 왁스성분으로 이루어진 나노 크기의 돌기가 형성되어 있는데, 이러한 구조적, 화학적 특징으로 인해 여러 가지 효과를 구현하게 된다.

이와 같은 구조적, 화학적 특징을 통해 연잎은, 통상 그 표면에 떨어진 물방울이 140° 이상의 접촉각을 갖게 되는 소위 '소수성(hydrophobic)'을 나타나게 되는데, 이로 인해 표면에 떨어진 물방울이 소수성 표면에서 구(救)형상으로 응집되어 표면 위를 구르면서 표면 위에 존재하던 이물질을 제거하는 자가세정(self cleaning)작용을 일으키는 연잎 효과(Lotus Effect)를 구현하게 된다. 이러한 연잎 효과는 기초연구로서의 가치뿐만 아니라, 다양한 산업 분야에 잠재적 활용 가치가 크기 때문에 이를 모방하려는 노력은 계속되고 있다.

종래에는 소수성 표면을 구현하는 방법으로, 구조체 표면의 화학적인 조성을 변화시키는 화학적 접근방법과, 구조체 표면에 마이크로/나노 구조물을 기하학적으로 변화시키는 구조적 접근방법으로 양분화되어 진행되어 왔다.

그 중, 화학적 접근 방법은 화학용액을 이용하여 구조체의 표면을 처리함으로써 표면의 고유에너지를 변화시켜 소수성 표면을 얻는 방법이다. 하지만, 이렇게 얻어진 소수성 표면은 통상 그 접촉각이 120°를 넘는 경우가 거의 없을뿐더러 그 지속성이 떨어지는 단점이 있다.

이에 비하여, 구조적 접근 방법은 통상 반도체제조에 적용되는 리소그래피(lithography) 공정 등을 이용하여 구조체 표면에 마이크로/나노 구조물을 인위적으로 형성하여 표면의 구조적 특성을 통해 소수성 표면을 얻는 방법으로서, 표면에 형성되는 구조물의 형상을 원하는 대로 조절할 수 있어 그 재현성도 우수하고 화학적 접근 방법을 통해 얻어진 소수성 표면에 비하여 높은 접촉각을 얻을 수 있는 이점이 있다. 그러나 이러한 리소그래피 공정은 공정 과정이 매우 복잡하여 오랜 공정시간을 필요로 하고, 고가의 원료 및 장비가 사용되기 때문에 많은 제조 비용이 요구되며, 다단계의 공정으로 인한 잠재 불량요인의 내재 및 생산성의 저하 등과 같은 다양한 문제점을 발생시키는 동시에, 다량의 화학물질을 사용함으로써 환경을 오염시키는 문제점이 있다.

또한, 상술한 구조적 접근 방법은 주로 평판형 구조체 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성하는데 적용되는 방법으로서, 곡면을 갖는 등 다양한 형상의 구조체에 적용하기 어려운 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 통상 도전성 재질의 구조체를 가공하는데 적용되는 방전가공(Electric Discharge Machining, EDM)을 이용하여 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 과정에서 구조체 표면에 자연스럽게 형성되는 나노 사이즈의 표면 거칠기를 이용하여 마이크로/나노 이중구조를 형성함으로써 간단한 공정제어와 저비용으로 다양한 형상의 구조체에 소수성 표면을 효과적으로 구현할 수 있는 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법은, 와이어를 이용한 방전가공(Electric discharge machining ; EDM)을 통하여 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하되, 상기 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 방전가공 과정에서 발생되는 스파크에 의해 상기 마이크로 사이즈의 패턴이 형성된 구조체의 표면에 나노 사이즈의 표면 거칠기를 형성함으로써 구조체의 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법은, 주로 금속물질을 가공하는데 적용되던 방전가공을 이용하여 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 과정에서 자연스럽게 형성되는 표면 거칠기를 통해 마이크로/나노 이중구조를 갖는 구조체를 형성함으로써 고가의 설비와 고비용을 필요로 하던 종래기술에 비하여 간단한 공정제어와 적은 비용으로도 소수성 표면을 효율적으로 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법은, 제어수단의 제어를 통해 구동수단을 동작시켜 구조체가 장착되는 테이블을 미세 구동시키면서 패턴을 형성하기 때문에 평판형 구조체나 곡면을 갖는 등 다양한 형상의 구조체 표면에도 마이크로/나노 이중구조를 용이하게 형성할 수 있다는 이점도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 구조체 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성하기 위해 적용되는 방전가공장치의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 방전가공장치를 이용하여 가공된 구조체의 표면 거칠기 변화를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 의해 마이크로/나노 이중구조가 형성된 구조체의 표면 상태를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진.
도 4는 본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 의해 마이크로/나노 이중구조가 형성된 구조체의 형상을 개념적으로 보여주는 단면도.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

일반적으로 방전가공(Electric Discharge Machining, EDM)기술은 전극과 피가공물 사이에 가공액을 공급하면서, 전극과 피가공물 사이에서 발생하는 방전현상을 이용하여 피가공물을 가공하는 기술이다. 이러한 방전가공기술은 제어기술의 발달로 인해 평판형은 물론, 곡면을 갖는 다양한 형상의 피가공물을 수십 마이크로에서 수백 마이크로 크기로 정밀하게 가공할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이와 같은 방전가공기술을 통해 가공된 피가공물의 표면을 살펴보면, 매우 매끄럽게 가공된 것으로 볼 수 있으나, 보다 자세하게 살펴보면 나노 사이즈의 거칠기가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 방전가공이 전극과 피가공물 사이에서 발생하는 스파크(spark)의 열에너지에 의해 전극과 피가공물 사이의 가공액이 기화 팽창하여 폭발하면서 피가공물의 표면을 용융 또는 기화시켜 가공하는 방식으로 이루어지기 때문에, 가공후 피가공물의 표면이 용융 또는 기화되면서 발생되는 크레이터(crater) 형상의 표면 거칠기가 발생하게 되는 것이다. 이러한 표면 거칠기는 방전에 의한 스파크를 이용하여 피가공물을 국부적으로 용융시켜 가공하는 공정 특성에 의해 형성되는 것으로서, 방전가공에 적용되는 에너지의 크기 등과 같은 방전가공 조건에 따라 다양한 크기로 나타날 수 있다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 방전가공면에서 나타나는 표면 거칠기 특성을 활용하여, 소수성 표면을 구현하는데 방전가공을 적용함으로써 비교적 간단한 공정제어와 저비용으로 다양한 형상의 구조체에 소수성 표면을 효과적으로 구현하였다.

도 1은 본 발명에 따른 구조체 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성하기 위해 적용되는 방전가공장치의 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 방전가공장치를 이용하여 가공된 구조체의 표면 거칠기 변화를 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조를 형성하기 위해 적용되는 방전가공장치는 특별한 구성이 요구되는 것은 아니며, 일반적인 방전가공장치를 이용해서도 충분히 생산할 수 있다.

그 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 수평방향으로 이동하는 테이블(100)과, 테이블(100)에 연결되어 테이블(100)을 수평방향으로 이동시키는 구동수단(110)과, 구동수단(110)에 연결되어 매뉴얼에 따라 구동수단(110)의 동작을 제어하는 제어수단(160)과, 테이블(100) 상부에 구비되어 내부에 가공 대상 구조체(200)가 장착되는 용기(120)와, 전극으로 사용되는 와이어(142)와, 와이어(142)에 일정한 장력을 인가하면서 일방향으로 이송시키는 이송수단(140)과, 방전가공시, 구조체(200)와 와이어(142) 사이에 가공액을 공급하기 위한 가공액 공급수단(130) 및 와이어(142)와 구조체(200)에 전원을 공급하는 전원공급수단(150)을 포함하여 구성된다.

상기와 같은 구성을 갖는 방전가공장치는 용기(120) 내에 장착된 구조체(200)와 와이어(142)에 전원을 인가하여 와이어(142)와 구조체(200) 사이에서 발생하는 방전현상을 이용하여 구조체(200)를 가공하게 되며, 여기에서 적용되는 구조체(200)는 와이어(142)와 방전을 일으킬 수 있는 금속 등의 도전성 물질로 이루어진 구조체나 표면에 도전성 물질이 소정 두께 코팅된 구조체 등이 사용될 수 있다. 이때, 제어수단(160)의 제어를 통해 구동수단(110)을 동작시켜 테이블(100)을 미세 구동함에 따라 구조체(200)의 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하게 되며, 이러한 방법을 통해 평판형 구조체나 곡면 등을 갖는 다양한 형태의 구조체의 가공이 가능하게 된다.

이와 같이 방전가공하는 과정에서 와이어(142)는 구조체(200)와 서로 접촉하지 않은 상태로 구조체(200)를 가공하기 때문에, 와이어(142)와 구조체(200) 사이에서 발생하는 스파크에 의해 구조체(200) 표면에 나노 사이즈의 표면 거칠기가 형성되고, 이로 인하여 구조체(200) 표면에는 자연스럽게 마이크로/나노 이중구조가 형성되게 된다. 이때, 구조체(200) 표면에 형성되는 마이크로 사이즈의 패턴 크기에 따라 적절한 크기의 직경을 갖는 와이어(142)를 적용하여 사용할 수 있다.

또한, 구조체(200) 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 과정에서 1차 가공(황삭), 2차 가공(중삭), 3차 가공(1차 정삭), 4차 가공(2차 정삭) 등으로 이루어지는 반복적인 방전가공을 수행함으로써 마이크로 패턴이 형성된 구조체(200)의 표면 거칠기를 다양하게 변화시킬 수 있으며, 이와 같은 경우 통상 후속 가공으로 갈수록 낮은 에너지를 이용하게 된다. 이와 같은 방법으로 방전가공을 반복해서 수행하게 되면, 사용되는 에너지의 크기가 작아짐에 따라 와이어(142)와 구조체(200) 사이에 발생되는 스파크 에너지도 작아지게 되어, 결과적으로 구조체(200)의 표면에 형성되는 표면 거칠기의 정도, 즉 마이크로 패턴 상에 형성되는 나노구조의 크기도 상대적으로 작아지게 된다.

도 2의 (a) ~ (d)는 상술한 바와 같이 구조체(200) 표면에 1차(a) ~ 4차(d)에 걸쳐 반복하여 방전가공을 수행하되, 방전가공에 적용되는 에너지를 순차적으로 낮추어가며 가공을 수행한 경우, 각 단계에서 구조체(200) 표면에 형성되는 표면 거칠기를 보여주고 있는 도면으로서, 도면에서도 나타나는 바와 같이, 방전가공의 차수가 증가할수록, 즉 방전가공에 적용되는 에너지의 크기가 작아질수록 구조체(200) 표면에 형성되는 표면 거칠기의 크기도 작아지고 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본원발명에 따른 방전가공을 이용한 마이크로/나노 이중구조 형성방법은, 방전가공의 공정 제어를 통해 구조체(200)의 표면에 원하는 형상의 마이크로 패턴을 형성함과 동시에, 방전가공에 적용되는 에너지의 크기를 조절함으로써 마이크로 패턴 상에 형성되는 나노구조의 크기를 조절할 수 있어, 필요에 따라 다양한 형태와 크기를 갖는 마이크로/나노 이중구조의 형성이 가능함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본원발명은, 방전가공을 이용하여 구조체(200)의 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 과정에서 구조체(200) 표면에 표면 거칠기가 자연스럽게 형성되는 점을 이용하여 평판형은 물론, 곡면을 갖는 다양한 형상의 구조체(200) 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성함으로써 간단한 공정제어와 적은 비용으로 소수성의 표면을 효율적으로 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 의해 마이크로/나노 이중구조가 형성된 구조체의 표면 상태를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고, 도 4는 본 발명에 의해 마이크로/나노 이중구조가 형성된 구조체의 단면 형상을 개념적으로 보여주는 단면도이다.

도 3을 살펴보면 구조체의 표면에 마이크로 사이즈의 물결패턴이 형성되어 있고, 물결패턴이 형성된 구조체의 표면에 아주 미세한 나노 사이즈의 표면 거칠기가 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 표면 거칠기는 종래기술에서 화학물질을 코팅하거나 별도의 구조체를 통해 인위적으로 형성된 것이 아니라, 방전가공을 이용하여 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 과정에서 구조체와 와이어 사이에 발생되는 스파크에 의해 자연스럽게 형성되는 것이다.

이와 같이 형성된 구조체는 도 4에 도시된 바와 같은 단면 형상을 갖게 되는데, 이때 구조체 표면에 형성되는 마이크로 사이즈의 물결패턴의 크기가 지나치게 작거나, 또는 지나치게 큰 경우에는 충분한 소수성을 구현할 수 없기 때문에 충분한 소수성을 구현할 수 있을 정도의 적절한 크기로 형성되는 것이 좋으며, 바람직하게는 10㎛ 내지 1000㎛의 폭(P)과 10㎛ 내지 200㎛의 높이(H)를 갖도록 형성되는 것이 좋다.

또한, 이미 앞에서도 설명한 바와 같이, 마이크로 패턴이 형성된 구조체의 표면에 형성되는 표면 거칠기, 즉 나노구조의 크기는 방전가공에 적용되는 에너지의 크기에 따라 달라질 수 있으나, 통상의 방전가공에 적용되는 에너지 범위 하에서는, 대략 100㎚ 내지 5000㎚ 정도의 평균 높이를 갖는 표면 거칠기가 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 방전가공을 이용한 마이크로/나노 이중구조를 형성하는 방법에 의해 형성된 마이크로/나노 이중구조를 갖는 구조체의 소수성을 확인하기 위한 실험 결과를 보여주고 있다.

본 실험에서는 방전가공을 통해 마이크로/나노 이중구조를 형성하기 위한 모재로서 알루미늄판을 이용하였고, 전극으로 250㎛의 직경을 갖는 와이어를 사용하여 모재 표면에 마이크로 사이즈의 물결패턴을 형성하여 샘플을 제작하였다. 이때, 물결패턴의 폭(P) 및 높이(H)를 200㎛/40㎛, 300㎛/40㎛, 400㎛/60㎛ 및 500㎛/60㎛로 변경해가면서 샘플을 제작하였으며, 각각의 샘플은 1차의 방전가공 또는 1차 방전가공 후, 다시 방전가공에 적용되는 에너지를 소정 범위 낮춘 상태에서 2차 가공하여 샘플 표면에 마이크로/나노 이중구조를 형성하였다.

이와 같이 제작된 각각의 샘플 표면에 물방울을 떨어뜨린 후, 샘플 표면에서의 물방울 접촉각을 측정하였으며, 각각의 샘플에서 측정된 접촉각의 크기는 하기의 [표 1]과 같다.

	패턴 폭(㎛)	패턴 높이(㎛)	방전가공 차수	접촉각(°)
샘플1	200	40	2	152.3
샘플2	300	40	2	154.2
샘플3	400	60	1	152.8
샘플4	500	60	1	149.6

[표 1]에 나타난 바와 같이, 샘플1 내지 샘플 4에서는 대부분 150°에 가깝거나 150° 이상의 물방울 접촉각이 측정되었다.

통상 물체의 표면에서 물방울의 접촉각이 80°~ 120°인 경우 해당 물체가 소수성 표면을 갖는 것으로 판단을 하고, 물방울의 접촉각이 120°이상인 경우에는 해당 물체가 초소수성(super hydrophobic) 표면을 갖는 것으로 판단한다.

이와 같이 본원발명에 따라 방전가공을 이용하여 마이크로/나노 이중구조가 형성된 샘플들에서는 대부분 150°에 가깝거나 150° 이상의 물방울 접촉각이 측정되었으며, 이를 통해 본원발명에 따른 방전가공을 이용한 마이크로/나노 이중구조 형성방법에 따르면, 구조체 표면에 상당히 우수한 소수성 표면을 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 테이블 110 : 구동수단
120 : 용기 130 : 가공액 공급수단
140 : 이송수단 142 : 와이어
150 : 전원공급수단 160 : 제어수단
200 : 구조체

Claims (8)

1. 와이어를 이용한 방전가공(Electric discharge machining ; EDM)을 통하여 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하되, 상기 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 방전가공 과정에서 발생되는 스파크에 의해 상기 마이크로 사이즈의 패턴이 형성된 구조체의 표면에 나노 사이즈의 표면 거칠기를 형성함으로써 구조체의 표면에 소수성(hydrophobic)을 갖는 마이크로/나노 이중구조를 형성하는 방법에 있어서,
   상기 구조체 표면에 마이크로 사이즈의 패턴을 형성하는 방전가공은,
   구조체를 테이블에 장착하고, 구동수단을 이용하여 구조체가 장착된 테이블을 미세 구동시켜가며 상기 구조체와 와이어 사이에서 발생하는 방전현상을 이용하여 구조체의 표면을 가공하는 공정으로 수행되며,
   구조체의 표면에 1차 황삭 가공, 2차 중삭 가공, 3차 정삭 가공 및 4차 정삭 가공이 순차적으로 이루어지는 반복적인 방전가공을 통해 이루어지되, 방전가공 공정의 차수가 증가할수록 방전가공에 적용되는 에너지의 크기를 감소시켜 가면서 수행하여,
   상기 방전가공 공정의 차수에 따라 차별적으로 적용되는 방전가공 에너지의 크기 조절을 통해,
   상기 구조체의 표면에 형성되는 마이크로 사이즈 패턴을 10㎛ 내지 1000㎛의 폭과 10㎛ 내지 200㎛의 높이를 갖는 물결 형상의 패턴이 반복되도록 형성함과 동시에,
   상기 마이크로 사이즈 패턴 상에 형성되는 나노 사이즈의 표면 거칠기 정도를 100㎚ 내지 5000㎚의 평균 높이를 갖도록 형성함으로써,
   150°이상의 물방울 접촉각을 갖는 소수성 표면을 구현하는 것을 특징으로 하는 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 구조체는,
   도전성 물질로 이루어진 구조체이거나, 또는 표면에 소정 두께의 도전성 물질이 코팅되어 있는 구조체인 것을 특징으로 하는 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 구조체의 표면은,
   평면 또는 곡면을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 방전가공을 이용한 구조체 표면의 마이크로/나노 이중구조 형성방법.

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