[논문 리뷰] Multiscale ultrafast laser texturing of marble for reduced surface wetting

Rocío Ariza, Miguel Álvarez-Alegría외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 19.

Laser Material Processing Techniques참고 문헌 52인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 크레마-마르피르 코토 마르블에 초고속 레이저 다층 텍스처링을 적용함으로써 장기적으로 수성성(수소화)을 유도하며, 다중 척도의 마이크로 및 나노 거칠기와 점진적인 표면 수산화화 작용으로 인해 11개월 후 약 140°의 안정된 접촉각을 달성한다. 이 효과는 레이저 유도 표면 구조화와 시간에 따라 변화하는 화학적 진화(수산기 및 탄화수소 종류)에 기인하며, 미적 특성을 해치지 않는 채로 내구성 있고 자가 복구 가능한 습윤성 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The modification of the wetting properties of marble surfaces upon multi-scale texturing induced by ultrafast laser processing (340 fs pulse duration, 1030 nm wavelength) has been investigated with the aim of evaluating its potential for surface protection. The contact angle (CA) of a water drop placed on the surface was used to assess the wettability of the processed areas. Although the surfaces are initially hydrophilic upon laser treatment, after a few days they develop a strong hydrophobic behavior. Marble surfaces have been irradiated with different scan line separations to elucidate the relative roles of multi-scale roughness (nano- and micro-texture) and chemical changes at the surface. The time evolution of the contact angle has been then monitored up to 11 months after treatment. A short and a long-term evolution, associated to the combined effect of multi-scale roughness and the attachment of chemical species at the surface over the time, have been observed. XPS and ATR measurements are consistent with the progressive hydroxylation of the laser treated surfaces although the additional contribution of hydrocarbon adsorbates to the wettability evolution cannot be ruled-out. The robustness of the results has been tested by CA measurements after cleaning in different conditions with very positive results.

연구 동기 및 목표

• 초고속 레이저 가공 후 마르블 표면의 장기적 습윤성 변화를 조사하는 것.
• 다중 척도의 표면 형상(마이크로 및 나노 거칠기)과 표면 화학적 변화가 수성성에 기여하는 비율을 분리하여 분석하는 것.
• 세정 조건 하에서 레이저 유도 수성성의 내구성과 강건성을 평가하는 것.
• 코팅 없이 비침습적인 방법으로 마르블을 수용성 오염물질과 산에 의한 공격으로부터 보호하는 방법을 개발하는 것.

제안 방법

• 다양한 스캔 선 간격(2–30 µm)을 사용한 340 fs, 1030 nm 펄스를 이용한 초고속 레이저 가공을 통해 마르블 표면에 다중 척도 텍스처를 형성하는 것.
• 표면 형태 및 원소 조성 분석을 위한 스캐닝 전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 X선 분석(EDX)의 수행.
• 표면 화학 상태 및 기능기 분석을 위한 X선 광전자 분광법(XPS) 및 전반내반사형 적외선 분광법(ATR-IR)의 수행.
• 습윤성 변화 평가를 위해 11개월 동안 접촉각(CA) 측정을 모니터링하는 것.
• 내구성과 자가 복구 능력을 시험하기 위해 정밀한 세정 절차(-distilled water 린싱 및 soapy cloth 문질림)를 시행하는 것.
• 재료의 무결성과 레이저 유도 구조적 변화를 확인하기 위한 페트로그래픽 및 카타드룸 라미네이션 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 척도 레이저 텍스처링은 마르블 표면의 장기적 습윤성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 마이크로/나노 거칠기와 표면 화학적 진화 중 어느 것이 수성성 발현에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ3 표면 화학 변화—특히 수산화화 및 탄화수소 흡착—은 시간에 따라 변화하는 습윤성 변화에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 기계적 및 화학적 세정 조건에서 레이저 유도 수성성은 얼마나 강건한가?
• RQ5 표면 손상 후 수성 효과는 자가 복구 가능한가?

주요 결과

• 접촉각은 첫 10일 이내에 급격히 증가하여 8–11개월의 노화 기간 후 약 140°의 안정된 값에 도달한다.
• 최초 수성성이 가장 높은 경우는 스캔 간격 20 µm에서 관찰되었으며, 이는 주로 마이크로 거칠기 효과에 기인한다.
• 장기적으로 가장 우수한 성능은 스캔 간격 30 µm에서 달성되었으며, 이는 최대 효율적 표면적을 통해 화학 반응성과 수산화화가 증가했기 때문이다.
• XPS 및 ATR-IR 데이터는 표면 수산화화와 함께 탄화수소 흡착 증가를 확인하였으며, 이 두 요소가 모두 수성성에 기여하였다.
• -distilled water 린싱은 접촉각 감소가 미미했고, soapy cloth 세정은 심한 감소를 유도했지만 일시적이었으며, 수일 내로 복구되었다.
• 수성 효과는 자가 복구 능력과 강건성을 보였으며, 수용성 오염물질에 대한 내구성 있는 보호 기능을 제공함을 시사한다.