The adhesion power between carbon steel and epoxy composite is significantly enhanced by fabricating surface pattern on the carbon steel. The micro-patterns with several tens of features over large-areas were fabricated using photolithography and wet chemical etching on the surface of carbon steel, in which the micro-patterns are accomplished by precisely controlling etching time and concentration of the etchant. The results of adhesion power test show that the adhesion power is strongly influenced by the shape and size of the patterns. We found that square dot patterns on the carbon steel enhanced the adhesion power by 39.6%, compared to conventional methods for example, surface grinding physically with sand paper or fully chemical etching without any regular structure in immersion by acid.
To measure adhesion power between the patterned surface of carbon steel and a polymer composite adhered with epoxy adhesive, ENF(End Notched Flexure) test was applied, which can measure the shear stress occurring between two interfaces as a function of displacement. We have applied several micro-patterns having a variety of sizes and morphologies for ENF test. Square dot patterns of them generated the highest enhanced adhesion performance as mentioned above.
두 물질의 계면간의 접착력 향상에 대한 연구내용은 많은 산업분야에서 대두되어왔다. 가령 조선이나 선박, 자동차 공업 등의 실제 산업 분야에서 접합부분에 쓰이는 볼트, 너트를 강력한 접착력을 가진 물질로 대체함으로써 제품의 경량화를 유도하거나 더욱 저렴한 공정단가를 맞출 수 있기 때문이다. 또한 페인트 산업 같은 각종 필름 산업에서도 도포된 도료의 내구성을 위해 접착력향상 문제는 오랜 기간 동안 연구 돼 왔다. 그 중에서도 특히 금속과 폴리머 접착제간의 연구가 대두되어왔는데 그 동안의 연구들은 단순 샌드페이퍼의 연마에 의한 비규칙적인 패턴을 표면에 적용하여 접착력을 늘리는 수준이었다. 그러나 우리는 본 연구를 통하여 기존의 보편적인 포토리소그래피나 습식 에칭 방법들을 이용하여 규칙적인 패턴을 제조하였다. 그러한 기존의 방법과는 차별화된 패턴 디자인을 통해 접착력을 높이는 좀 더 정확한 요인을 파악하고자 하였다.
우리는 본 연구에서 수십 마이크로 수준의 여러 가지 모양을 가진 규칙적인 패턴을 탄소강 시편 위의 5×5mm 표면에 제작하였다. 본 연구의 결과를 통해 우리는 마이크로 패턴의 크기나 모양에 따라 접착력이 크게 변하는 것을 발견할 수 있었다. 특히 여러 패턴 디자인 중에서도 정사각형의 닷 패턴이 다른 라인 패턴이나 샌드페이퍼에 의한 비 규칙 패턴 그리고 산성용액에 의한 완전 에칭 방법들에 비해 가장 크게 접착력을 향상시켰다(39.6%). 본 연구에서는 접착력을 실험하기 위해 Mode II(shear stress에 의한 crack 관찰)에서 ENF test를 적용하였다. 본 연구의 결과로 표면 몰폴로지와 접착력에 관련 된 요소들을 더욱 자세하게 확립하였다.
