KR20020049895A - 시편액적의 접촉각 측정용 노체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내화물 또는 세라믹과 같은 재료의 기판위에서 금속, 유리, 유약 등과 같이 고온에서 용융하는 재료들을 용해시켜 시편액적을 제조하고, 진공 또는 분위기 조건하에서 기판상에 올려진 시편액적간의 접촉각(젖음각)을 용이하고 정밀하게 측정할수 있는 것으로, 바닥면에 지지고정되는 노체본체(16)의 내부공간에는 열원을 제공하는 발열체(14)의 외부를 감싸도록 단열재(15)를 갖추며, 상기 발열체(14)중앙에 돌출형성된 안착부(30)에는 상기 시편액적(S)이 올려지는 받침판(19)을 갖추고, 상기 받침판(19) 하부면에는 다수개소에서 상기 받침판(19)의 수평상태를 독립적으로 조절하는 수평조절부(20)를 갖추며, 상기 발열체(14)의 좌우양단에는 조명장치(L)의 광원을 상기 시편액적(S)으로 조명하도록 조명창(W)을 갖는 원통형 제 1세라믹튜브(13a)와, 화상기록장치(C)에서 상기 시편액적(S)의 상태를 관찰할 수 있도록 관찰창(V)을 갖는 원통형 제 2세라믹튜브(13b)를 갖추어 구성하는 시편액적 접촉각 측정용 노체를 제공한다.

Description

시편액적의 접촉각 측정용 노체{furnace for measuring contact angle of test piece}

본 발명은 시편액적의 접촉각을 측정하는데 사용되는 노체에 관한 것으로, 보다 상세히는 내화물 또는 세라믹과 같은 재료의 기판위에서 금속, 유리, 유약 등과 같이 고온에서 용융하는 재료들을 용해시켜 시편액적을 제조하고, 진공 또는 분위기 조건하에서 기판상에 올려진 시편액적간의 접촉각(젖음각)을 용이하고 정밀하게 측정할수 있는 시편액적 접촉각 측정용 노체에 관한 것이다.

일반적으로 고체에 대한 액체의 접촉각을 측정하는 것은 액상을 형성하는 재료의 용융거동, 젖음 및 피복특성, 반응성 등을 평가하는 것으로서, 금속, 유리, 도자기 유약, 내화물등의 특성평가에 널리 이용되며, 이들의 접촉각은 재료특성, 온도, 분위기가스등의 상태에 따라서 다양하게 변화된다.

고온에서 고체와 액체의 접촉계면에 대한 접촉각을 측정하는 노체는 통상적으로 고온현미경으로 불리우며, 문헌(Taikabutsu Oversea, Vol. 2, No.2, p80~84, 1982)에서 알려진 바와 같이 이들은 고온로에서 고체기판 위에 액상을 형성하는 재료를 놓고 가열하거나, 별도로 액상을 제조하여 고체기판 위에 시편액적을 낙하시킨 후에, 고온의 분위기에서 고체기판과 시편액적사이의 접촉상태를 별도의 화상기록장치로 기록하고, 이를 통하여 접촉각을 해석하는 방법들이 사용되어 왔다.

통상적으로 널리 사용되고 있는 종래의 시편액적 접촉각 측정노체는 도 1(a)(b)(c)에 나타낸 바와 같이 수평 관상로의 중심축에 있는 세라믹튜브(3)의 중앙에 기판(1)과 고체상의 시편(2a)으로 구성된 시편액적(S)을 시편홀더(H)위에 수평이 되도록 장착하고, 상기 세라믹 튜브(3)의 외부를 감싸고 있는 발열체(4)로서 소정의 온도로 상기 세라믹튜브(3)를 가열하여 상기 고체상의 시편(2a)을 용해시켜액적(2)을 만들고, 상기 기판(1)과 액적(2)간의 접촉각을 측정하도록 되어 있다.

상기 세라믹튜브(3)는 단열재(5)에 의해 보온되며, 철피로 된 노체외피(6)는 경우에 따라서 냉각수를 순환시킬 수도 있으며, 상기 세라믹 튜브(3)의 양쪽 끝은 개방되어 있으나, 진공 또는 특정한 분위기에서 실험이 필요한 경우에는 밀폐가 필요하므로 석영유리와 같이 내열성 조명창(W)과 관찰창(V)을 각각 설치하여 밀폐할 수도 있다.

그리고, 상기 세라믹 튜브(3)의 한쪽에는 밝기가 조절되는 조명램프(L)가 설치되고, 다른 한쪽에는 정지화상을 기록하여 상기 시편액적(S)의 접촉계면의 접촉각을 측정할 수 있는 화상기록장치(C)가 설치되며, 이들은 레일(R)위에서 수평하게 이동될 수 있다. 또한 상기 조명램프(L)와 화상기록장치(C)는 별도의 장치들에 의해 상하 또는 좌우 그리고 회전하도록 할 수도 있다.

이와 같은 종래의 노체에 있어서 상기 기판(1)과 액적(2)의 접촉계면 상태를 정확히 관찰하고 해석하기 위해서는, 상기 화상기록장치(C), 예를 들어 카메라와 시편액적(S)의 접촉계면 간에 수평이 정확히 유지되어야 한다.

이에 따라, 접촉각 측정노체는 도 1에 도시한 바와같이, 시편액적(S)이 설치된 시편홀더(H)의 한쪽 끝을 고정하고 있는 시편홀더 조정장치(M)의 조작을 통해서 시편액적(S)을 상하, 좌우 및 각 방향에 대한 회전이 가능하도록 하여, 실험 준비시 또는 측정 중에 시편액적(S)의 수평상태를 조절할 수 있도록 되어 있다.

그러나 용융금속과 같이 불활성 분위기와 같은 특정한 분위기에서 실험이 필요한 경우에는 시편홀더(H)가 일측 조명창(W)을 관통해서 설치되고, 그 외부에서시편홀더 조정장치(M)로 미세한 위치조절이 되어야 하므로 분위기 제어를 위한 밀폐가 용이하지 못하다.

또한 상기 시편홀더(H)는 시편액적(S)을 노체의 중심부에 위치시키기 위해서 일반적으로 도 1(a)와 같이 외팔보 구조로 구성되며, 고온에서 사용되어야 하므로 일반적으로 알루미나와 같은 세라믹 재질의 것이 사용되는데, 실험초기는 도 1(b)에 도시한 바와같이, 수평상태을 유지하도록 조정되지만, 측정작업시의 고온상태에서는 상기 시편홀더(H)의 열팽창 및 열간변형이 발생되어 도 1(c)와 같이 시편홀더(H)의 선단이 휘어지는 문제가 발생된다.

이와 같이 시편홀더(H)의 변형이 매우 심하게 발생될 경우, 상기 액적(2)이 기판(1)에서 흘러내릴 위험성이 있으며, 변형이 비교적 적은 경우에도 시편홀더 조정장치(M)를 통한 위치교정이 곤란한 경우가 발생될 수 있다. 이에 따라, 시편홀더 조정장치(M)와 같이 시편액적(S)의 수평을 교정할 수 있는 기능이 없고, 상기 시편액적(S)이 노체내에 고정되도록 하는 경우에는 시편액적(S)의 설치가 어려울 뿐만 아니라 열간에서 시편액적(S)의 팽창 및 변형에 의한 수평위치의 변화에 대응할 수가 없는 문제점이 있었다.

또한, 상기 기판(1)과 액적(2)으로 구성된 시편액적(S)의 접촉계면 위치 및 상태가 열간에서 변화되어 화상기록장치(C)와 시편액적(S)의 수평상태가 변화될 경우, 이를 교정하기가 매우 곤란하여 정확한 접촉각을 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 그 목적은 열간에서 시편액적의 수평상태를 용이하게 제어할수 있고, 시편액적(S)의 설치가 용이하며, 노체내의 분위기제어가 용이하도록 하여 정확하게 액적의 접촉각을 측정할 수 있는 시편액적 접촉각 측정용 노체를 제공하고자 한다.

도 1은 종래기술에 따른 시편액적의 접촉각 측정용 노체를 도시한 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 시편액적 접촉각 측정용 노체를 도시한 종단면도,

도 3은 본 발명에 따른 시편액적 접촉각 측정용 노체를 도시한 횡단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 .... 기판2 .... 액적

11a 11b ... 가스공급구13a,13b .... 원통형 제 1,2세라믹튜브

14 .... 발열체15 .... 단열재

16 .... 노체본체17 .... 단열재덮개

18 .... 상부덮개19 .... 받침판

20 .... 수평조절부20a,20b,20c ... 조절봉

21 .... 조절손잡이S .... 시편액적

L ..... 조명장치C .... 화상기록장치

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로써, 본 발명은

기판상에 액적이 올려진 시편액적의 접촉각을 측정하는 노체에 있어서,

바닥면에 지지고정되는 노체본체의 내부공간에는 열원을 제공하는 발열체의 외부를 감싸도록 단열재를 갖추며, 상기 발열체중앙에 돌출형성된 안착부에는 상기 시편액적이 올려지는 받침판을 갖추고, 상기 받침판 하부면에는 다수개소에서 상기 받침판의 수평상태를 독립적으로 조절하는 수평조절부를 갖추며, 상기 발열체의 좌우양단에는 조명장치의 광원을 상기 시편액적으로 조명하도록 조명창을 갖는 원통형 제 1세라믹튜브와, 화상기록장치에서 상기 시편액적의 상태를 관찰할 수 있도록 관찰창을 갖는 원통형 제 2세라믹튜브를 갖추어 구성함을 특징으로 하는 시편액적 접촉각 측정용 노체를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명에 대해서 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 시편액적 접촉각 측정용 노체를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 시편액적 접촉각 측정용 노체를 도시한 횡단면도이다.

본 발명의 노체(100)는 도 1과 2에 도시한 바와같이, 시편액적(S)의 수평도 변화를 감소시키고, 미세한 수평도의 변화에 용이하게 대응할 수 있으며, 진공 및불활성 분위기조건을 용이하게 제어하여 보다 정밀하게 접촉각을 측정할 수 있는 것으로, 이러한 노체(100)는 노체본체(16), 단열재(15), 발열체(14), 받침판(19), 수평조절부(20) 및 원통형 제 1,2세라믹튜브(13a)(13b)로 구성된다.

즉, 상기 노체본체(16)는 바닥면에 지지고정되는 지지대(16a)상에 설치되며, 철제외피로 구성되고, 그 상부는 내부공간을 개폐할수 있도록 상부덮개(18)가 장착되며, 고온에서 사용하기 위해서 필요에 따라 냉각수를 순환시킬수 있는 냉각수공급라인이 내장될 수도 있다.

이러한 노체본체(16)의 내부공간에는 고온의 열원을 제공하는 발열체(14)의 외부를 일정간격을 두고 전체적으로 감싸는 단열재(15)를 갖추며, 상기 단열재(15)의 상부는 상기 발열체(14)의 내부공간을 확인할 수 있도록 단열재덮개(17)로서 여닫을수 있도록 한다.

여기서, 상기 발열체(14)는 시편을 균일하게 가열할 수 있도록 상기 시편액적(S)을 중심으로 하여 환형을 이루거나 대칭이 이루어도록 설치되며, 불활성분위기를 사용할 경우 흑연, 몰리브덴, 텅스텐 및 백금등으로 제작되며, 산소가 존재하는 분위기에서도 사용할 경우에는 이규화몰리브덴(MoSi₂)소재로도 제작될수 있으며, 상기 발열체(14)에 전원을 공급하는 전극(E)들은 관찰창(W),조명창(V)에 간섭되지 않도록 하며, 노체본체(16)의 외피를 통과할 경우 밀폐가 되도록 한다.

그리고, 상기 발열체(14)의 중앙에는 하부면으로부터 일정높이 상부로 돌출된 안착부(30)를 형성하고, 이에 상기 기판(1)과 액적(2)으로 구성된 시편액적(S)이 올려지는 받침판(19)을 갖추는바, 상기 받침판(19)의 하부면에는 이와 다수개소에서 접하여 상기 받침판(19)의 수평상태를 무게중심을 고려하면서 독립적으로 조절하는 수평조절부(20)를 갖추어 구성한다.

이러한 수평조절부(20)는 관찰창(V)측에 배치되는 하나의 조절봉(20a)과 조명창(W)측에 배치되는 두 개의 조절봉(20b)(20c)의 상단이 받침판(19)의 하부면과 접하는 3개의 꼭지점을 정삼각점 또는 이등변삼각점으로 형성하며, 외주면에 수나사부와 조절손잡이(21)가 각각 형성된 상기 각 조절봉(20a)(20b)(20c)은 상기 안착부(30)의 하부면에 장착된 지지브라켓(22)에 나사조립된 조절브라켓(23)의 암나사부와 상하이동가능하도록 나사결합되고, 상기 지지브라켓(22)과 조절브라켓(23)사이에는 실링부재(24)가 설치된다.

이때, 상기 받침판(19)의 하부면과 접하는 조절봉(20a)(20b)(20c)의 선단부위는 접촉면적을 최소화시키고, 열간손상을 방지하도록 뾰족한 세라믹팁으로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 받침판(19)에는 시편액적(S)의 온도를 정밀하게 측정할수있도록 상부면에 천공된 관통공(19a)을 통하여 상기 안착부의 하부에 고정배치된 온도계(25)의 프로브(25a)가 돌출되며, 상기 프로브(25a)도 상기 작동봉(20a)(20b)(20c)과 동일하게 상하이동가능하게 조립된다.

여기서, 상기 받침판(19)은 고온에서 내구성이 있는 알루미나, 세라믹 또는 뮬라이트등과 같은 소재로 이루어진 원판형으로 구성되며, 열간에서 팽창이 적도록 얇은 것이 바람직하나 휨변형이나 재료의 내구성을 고려하여 약 4 내지 8mm 정도가 적합하다. 상기 받침판(19)이 너무 두꺼울 경우에는 상기 받침판(19)자체가 열간에서 팽창하게 되어 온도상승에 따라 상기 시편액적(S)의 위치가 점차 높아지게 되기 때문이다.

또한, 전극(E)에 연결된 발열체(14)의 좌우양단에는 조명장치(L)의 광원을 상기 받침판(19)상에 올려진 시편액적(S)으로 비추어 조명할수있도록 외측단에 조명창(W)을 장착한 원통형 제 1세라믹튜브(13a)와, 화상기록장치(C)로서 상기 시편액적(S)의 상태를 관찰할수 있도록 관찰창(V)을 외측단에 장착한 원통형 제 2세라믹튜브(13b)를 갖추어 구성한다.

여기서, 상기 조명창(W)과 관찰창(V)에는 고열이 전달되지 않고, 상기 시편액적(S)상에 이물질이 부착되는 것을 방지하도록 상기 원통형 제 1,2세라믹튜브(13a)(13b)를 통하여 상기 시편액적(S)으로 불활성가스를 공급하는 가스공급구(11a)(11b)를 각각 장착한다.

상술한 바와같은 본 발명의 작용 및 효과에 대해서 설명한다.

먼저, 레일(R)상에 올려진 조명장치(L)와 화상기록장치(C)와의 사이에 배치된 노체본체(16)의 상부덮개(18)를 열고, 그 내부의 단열재(15)의 단열재덮개(17)를 열어 상기 단열재(15)내에 배치된 발열체(14)를 외부로 노출시킨다.

이러한 상태에서, 상기 발열체(14)의 중앙에 형성된 안착부(30)에 설치된 수평조절부(20)의 조절봉(20a)(20b)(20c)단부상에 받침판(19)을 올려놓고, 접촉각을 측정하고자 하는 고체상 시편이 올려진 기판(1)을 상기 받침판(19)의 중앙 상부면에 올려놓은 다음, 개방되었던 상기 단열재덮개(17)와 상부덮개(18)를 차례대로 닫음으로서, 상기 노체본체(16)와 단열재(15)의 내부공간을 밀폐시킨다.

연속하여, 상기 발열체(14)에 연결된 전극(E)을 통하여 전원을 공급하여 상기 발열체(14)를 통하여 상기 단열재(15)의 내부공간으로 열원을 제공하면, 상기 기판(1)상에 올려진 시편은 액상의 액적상태로 변환시킨다. 그리고, 상기 시편액적(S)근방의 온도는 상기 받침판(19)의 관통공(19a)을 통하여 노출되는 온도계(25)의 프로브(25a)에 의해서 수시로 측정된다.

이때, 상기 노체본체(16)의 좌우양단에는 조명장치(L)와 화상기록장치(C)가 설치되어 있기 때문에, 상기 조명장치(L)의 광원은 조명창(W), 원통형 제 1세라믹튜브(13a)를 통하여 상기 받침판(19)상의 시편액적(S)을 정확하게 비추고 있으며, 후방조명을 받고 있는 상기 시편액적(S)은 원통형 제 2세라믹튜브(13b), 관찰창(V)을 통하여 화상기록장치(C)내의 카메라와 동일한 수평선상에 배치되기 때문에 그 상태를 관찰할수 있는 것이다.

이러한 화상기록장치(C)를 이용한 시편액적(S)의 관찰도중 상기 수평조절부(20)의 각 조절봉(20a)(20b)(20c)의 단부에 올려진 상기 받침판(19)의 수평상태가 불량하여 관찰이 정밀하게 이루어지지 않는 경우, 상기 조절봉(20a)(20b)(20c)에 일체로 장착된 조절손잡이(21)를 정방향 또는 역방향으로 돌리면, 그 외부면에 형성된 마이크로미터와 같은 금속제 정밀나사산구조의 수나사부가 조절브라켓(23)의 암나사부와 나사결합되어 있기 때문에, 상기 받침판(19)의 하부면과 접하는 조절봉(20a)(20b)(20c)의 각 단부를 상하로 수직이동시켜 상기 받침판(19), 시편액적(S)의 높이 및 수평상태를 정밀하게 조절할 수 있는 것이다.

또한, 상기 노체본체(16)가 밀폐구조로 되어 있고, 상기 조명창(W)과관찰창(V)에 인접하게 설치되어 가스공급구(11a)(11b)는 시편액적(S)의 접촉각 측정작업중 원통형 제 1,2세라믹튜브(13a)(13b)를 통하여 상기 시편액적(S)주위로 불활성가스를 공급함으로서 고온에 노출되는 조명창(W)과 관찰창(V)을 보호하고, 이물질이 상기 시편액적(S)에 부착되는 것을 방지한다. 또한, 상기 가스공급구(11a)(11b)를 통한 가스공급을 중단하고, 상기 노체본체(16)의 내부공간을 진공상태로 하여 시편액적의 접촉각을 측정할수도 있다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 고상재료로 된 기판과 고온분위기에서 액상으로 전환되는 시편의 액적(2)간의 접촉각을 측정함에 있어서 시편액적의 설치가 용이하고 열간에서 시편액적의 수평상태 변화를 용이하고, 정밀하게 교정할 수 있을 뿐만 아니라, 진공 및 각종 분위기의 사용이 가능하여 접촉각을 보다 다양하고 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 얻어진다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (5)

1. 기판(1)상에 액적(2)이 올려진 시편액적(S)의 접촉각을 측정하는 노체에 있어서,

   바닥면에 지지고정되는 노체본체(16)의 내부공간에는 열원을 제공하는 발열체(14)의 외부를 감싸도록 단열재(15)를 갖추며, 상기 발열체(14)중앙에 돌출형성된 안착부(30)에는 상기 시편액적(S)이 올려지는 받침판(19)을 갖추고, 상기 받침판(19) 하부면에는 다수개소에서 상기 받침판(19)의 수평상태를 독립적으로 조절하는 수평조절부(20)를 갖추며, 상기 발열체(14)의 좌우양단에는 조명장치(L)의 광원을 상기 시편액적(S)으로 조명하도록 조명창(W)을 갖는 원통형 제 1세라믹튜브(13a)와, 화상기록장치(C)에서 상기 시편액적(S)의 상태를 관찰할 수 있도록 관찰창(V)을 갖는 원통형 제 2세라믹튜브(13b)를 갖추어 구성함을 특징으로 하는 시편액적 접촉각 측정용 노체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수평조절부(20)는 관찰창(V)측에 배치되는 하나의 조절봉(20a)과 조명창(W)측에 배치되는 두 개의 조절봉(20b)(20c)의 상단이 받침판(19)의 하부면과 접하는 3개의 꼭지점을 정삼각점 또는 이등변삼각점으로 형성하며, 외주면에 수나사부와 조절손잡이(21)가 각각 형성된 상기 각 조절봉(20a)(20b)(20c)은 상기 안착부(30)의 하부면에 장착된 지지브라켓(22)에 나사조립된 조절브라켓(23)의 암나사부와 상하이동가능하도록 나사결합되고, 상기 지지브라켓(22)과 조절브라켓(23)사이에는 실링부재(24)가 설치됨을 특징으로 하는 시편액적 접촉각 측정용 노체.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 조절봉(20a)(20b)(20c)의 선단부위는 접촉면적을 최소화시키고, 열간손상을 방지하도록 뾰족한 세라믹팁으로 구성됨을 특징으로 하는 시편액적 접촉각 측정용 노체.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 받침판(19)에는 시편액적(S)의 온도를 정밀하게 측정할 수 있도록 상부면에 천공된 관통공(19a)을 통하여 상기 안착부(30)의 하부에 고정배치된 온도계(25)의 프로브(25a)가 상하이동가능하게 돌출됨을 특징으로 하는 시편액적 접촉각 측정용 노체.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 조명창(W)과 관찰창(V)에는 상기 원통형 제 1,2세라믹튜브(13a)(13b)를 통하여 상기 시편액적(S)으로 불활성가스를 공급하는 가스공급구(11a)(11b)를 각각 장착함을 특징으로 하는 시편액적 접촉각 측정용 노체.