KR20040044317A - 펄스 레이저 유기 충격파를 이용한 금속표면 세정방법 및세정장치 - Google Patents

펄스 레이저 유기 충격파를 이용한 금속표면 세정방법 및세정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 레이저를 금속이 잠긴 세정액 표면에 집속시켜 세정액이 절연파괴 되는 과정에서 유기된 충격파를 이용하여 금속표면의 불순물을 제거하거나 화학적 세정공정을 단축시키는 금속표면 세정방법을 제공한다.
세정액 내에서 절연파괴가 일어나면 고온고압의 플라즈마가 발생하는데, 이 때 플라즈마 팽창이 유도되면서 강한 충격파가 발생된다. 발생된 충격파는 금속 위의 입자 또는 막 형태의 불순물을 표면으로부터 제거하거나 화학물질의 세정작용을 촉진하게 된다.
본 발명에 따른 세정방법은 제거하고자 하는 불순물의 종류에 따라 세정액의 종류와 농도를 바꿀 수 있어 다양한 불순물 제거에 적용될 수 있으며, 또한 입자상 불순물과 유기 불순물을 동시에 제거할 수도 있고, 습식공정이므로 대기 중 습기에 의해 발생하는 입자와 표면간 모세관력을 원천적으로 배제하여 입자제거를 용이하게 할 수 있는 장점을 가진다.
특히 본 발명은 철강제조 공정에서 금속표면에 생성되는 불순물을 제거하는 산세공정을 단축시키는 데 효과적으로 활용될 수 있다.

Description

펄스 레이저 유기 충격파를 이용한 금속표면 세정방법 및 세정장치{METHOD AND APPARATUS OF DESCALING METAL USING PULSE LASER-INDUCED SHOCK WAVE}
본 발명은 금속표면 세정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 금속표면에 존재하는 산화막이나 입자형태의 불순물을 제거하여 금속표면을 세정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 물체의 표면에 존재하는 산화막이나 입자형태의 불순물을 제거하는 방법 중에는 크게 화학적인 방법과 레이저를 이용하는 방법이 있다.
화학적인 방법 중 대표적인 것은 습식 화학 세정공정이다. 이 공정에서는 염산과 같은 산성용액을 이용하여 물체 표면의 불순물들을 제거한다.
그러나 습식 화학 세정공정은 공정에 많은 용수를 필요로 하고 폐수로 인한 환경오염을 유발시킬 수도 있다. 또한 공정 중에 사용되는 산에 의해 제품의 품질이 저하될 수 있으며 세척시간이 길다는 등의 단점을 가지고 있다.
레이저를 이용한 방법으로는 직접 레이저 조사(照射)법, 건식 레이저 충격파 이용법, 습식 방법 등 다양한 방법들이 있다.
건식 레이저 충격파 이용법은 건조상태에서 레이저빔에 의한 공기의 절연파괴(breakdown)효과를 이용하여 충격파를 발생시킨 뒤 물체의 표면에 존재하는 미세입자 등의 불순물을 제거하는 방법이다.
그리고 액막 보조 레이저 세척법은 얇은 액막이 도포된 물체에 레이저빔을 직접 조사해서 표면을 세척하는 방법으로, 물체와 불순물의 계면에서 레이저에 의한 기포발생을 이용하는 방법이다.
현재까지 레이저 세정기술을 철강산업 분야에 적용한 연구개발 사례가 없으나 레이저 세정기술은 저가의 산업용 레이저 장비 보급과 더불어 최근 급속도로 발전하여 대단위 산업분야에 확대 이용되고 있고 친환경적이라는 이유로 화학세정 공정을 대체해 나아가고 있다.
특히 제철소에서 생산되는 열연강판은 800℃ 이상의 고온에서 마무리 압연되어 그 표면이 다량의 스케일(scale)로 덮여 있다. 이러한 열연강판의 스케일은 표층으로부터 Hematite(Fe2O3), Magnetite(Fe3O4), Wustite(FeO)가 층상을 이루고 있고 냉간압연 시 제품표면 손상은 물론 도금성, 도장성을 저해하는 요인으로 압연 전에 제거되어야 한다.
그러나 직접 조사법은 레이저 삭마(削磨)(ablation)과정에서 물체의 표면에 산화가 일어나므로 공기 중에서는 산화막 제거가 어렵고, 건식 레이저 충격파 이용법은 압력파가 생성되는 지점과 물체 사이의 적절한 간격을 유지해야 높은 효율을 보일 수 있으며, 물체와 높은 접착력을 지니고 있는 산화막은 산화막의 강한 접착성으로 인해 깨끗하게 제거가 되지 않는 등의 문제점을 가지고 있다.
제철소에서 생산되는 열연강판의 스케일은 대략 8~10㎛의 두께를 갖고 강하게 모재에 부착되어 있을 뿐만 아니라 공기 중에서는 레이저 가열에 의한 산화가 진행되므로 상기 방법으로는 스케일을 완전히 제거하기 어렵다.
한편, 액막 보조 레이저 세척법은 입자상 불순물의 제거에 효과적이지만 산화막과 같이 물체에 막 형태로 강하게 부착되어 있는 경우에는 효과가 크지 않다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 레이저 펄스를 액체의 표면에 집속시켜 그 액체의 내부에서 발생하는 충격파를 이용하여 액체 속에 담겨진 금속의 표면 불순물을 제거함으로써 금속표면을 세정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 금속표면 세정방법을 실시하기 위한 세정장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2a는 80℃, 18% 염산 수용액 내에서 시편을 15초 동안 화학적으로 식각하였을 때 표면의 스케일 상태를 나타내는 사진이고, 도2b는 18%, 80℃ 염산 수용액 표면에서 1㎜ 깊이에 시편을 놓고 15초 동안 레이저 충격파를 1㎠ 면적에 20회 고르게 가했을 때의 표면의 스케일 상태를 나타내는 사진이다.
도 3은 18%, 80℃ 염산 수용액으로만 스케일을 제거한 종래기술에 따른 결과와 18%, 80℃ 염산 수용액 내에서 레이저에 의해 유도된 충격파를 이용한 본 발명에 따른 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 80℃ 염산 수용액의 농도를 5%, 10%, 18%로 각각 변화시키고 레이저 충격파를 가했을 때 스케일 층의 변화를 나타내는 사진이다.
도 5는 18% 염산 수용액을 이용한 종래기술에 따른 산세공정과 10% 염산 수용액을 이용한 본 발명에 따른 병합 스케일 제거공정의 스케일 제거효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 레이저12: 레이저 펄스
14: 거울(빔 전달수단)16: 빔 균일화수단
18: 빔 확대수단20: 볼록렌즈
21: 용기23: 세정액
24: 산화막25: 시편
27: 히터29: 높이조절 마이크로 스테이지
W: 충격파
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속표면 세정방법은, 레이저 펄스를 방출할 수 있는 레이저를 제공하는 단계와; 세정액을 제공하는 단계와; 상기 세정액 내에 세정할 금속을 담그는 단계와; 상기 레이저로부터 방출되는 레이저 펄스가 적어도 하나 이상의 광학소자를 지나게 하는 단계; 및 상기 광학소자를 지난 레이저 펄스를 상기 세정액의 표면에서 초점이 맺히도록 집속시켜 상기 세정액 내에서 고온고압의 플라즈마를 발생시키고 이로 인하여 발생되는 충격파로 상기금속표면의 불순물을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 세정방법은 세정액을 소정의 온도로 가열하는 단계를 더욱 포함할 수 있으며, 이 때 세정액으로는 산성용액을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 세정액을 담은 용기는 상하로 이동되면서 상기 세정액의 표면에서 레이저 펄스의 초점이 맺히도록 조절할 수 있다.
상기 금속표면 세정방법에는 Nd:YAG 레이저, 엑시머 레이저, 펄스형 기체레이저(CO2레이저 등), 고출력 다이오드레이저, 펄스형 고상레이저(Er:YAG 등), 구리 증기레이저(copper vapor laser) 등의 레이저가 사용될 수 있다.
상기 광학소자는 상기 레이저로부터 방출된 펄스 레이저의 경로를 변경시키는 거울 및 상기 거울에서 반사된 펄스 레이저를 통과시키면서 집광하는 볼록렌즈를 포함하여 구성될 수 있으며, 펄스 레이저를 균일화하기 위한 빔 균일화수단과 펄스 레이저를 확대하기 위한 빔 확대수단을 더욱 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 레이저를 이용하여 금속표면의 불순물을 제거하는 장치에 있어서, 레이저 펄스를 방출할 수 있는 레이저와; 세정액이 저장되는 세정액 용기와; 상기 레이저로부터 방출된 레이저 펄스를 반사시켜 그 경로를 변경시키는 빔 전달수단과; 상기 거울에서 반사된 펄스 레이저를 통과시키면서 상기 세정액 표면으로 상기 펄스 레이저를 집광하는 볼록렌즈와; 상기 세정액 용기에 부착되어 저장되는 세정액을 소정의 온도로 가열할 수 있는 히터; 및 상기 세정액 용기와 연결되어 세정액 표면에서 상기 펄스 레이저의 초점이 맺히도록 높낮이를 조절할 수 있는높이 조절수단을 포함하는 금속표면 세정장치를 제공한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 금속표면 세정방법은 기본적으로 레이저로부터 레이저 펄스를 방출하여 이를 세정액의 표면에 집속시키고, 이 때 세정액 내부에서 발생되는 충격파로 세정액에 담겨진 금속의 표면 불순물을 제거하는 것이다.
이를 위하여 먼저 레이저 펄스를 방출할 수 있는 레이저와 세정액을 각각 제공하고, 세정액 내에 세정할 금속을 담근다.
레이저 펄스를 방출할 수 있는 레이저로는 Nd:YAG 레이저, 엑시머(excimer) 레이저, 펄스형 기체레이저(CO2레이저 등), 고출력 다이오드레이저, 펄스형 고상레이저(Er:YAG 등), 구리 증기레이저(copper vapor laser) 등이 사용될 수 있다.
금속을 담글 세정액으로는 산성용액을 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 산성용액으로는 염산 수용액 또는 황산 수용액 등이 사용될 수 있다.
또한 상기 산성용액은 소정의 온도로 가열하여 사용할 수 있으며, 이 때 끓는점 온도를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.
다음 단계로, 레이저로부터 방출되는 레이저 펄스를 거울에서 반사되도록 하여 경로를 적당히 변경시킨 다음, 이 레이저 펄스가 볼록렌즈를 통과하도록 한다.
상기 볼록렌즈는 통과하는 레이저 펄스를 집광시켜 세정액으로 조사되도록 하며, 선택적으로 볼록렌즈 대신에 곡면 거울이 사용될 수 있다.
또한 레이저 펄스를 균일화하거나 확대하기 위하여 빔 균일화수단이나 빔 확대수단을 지나게 할 수 있다. 이러한 빔 균일화수단과 빔 확대수단은 상기 거울과 볼록렌즈의 사이에 순차적으로 배열되는 것이 바람직하다.
다음 단계로, 상기 볼록렌즈를 통과한 레이저 펄스를 세정액의 표면에서 초점이 맺히도록 집속시킨다. 이 때 세정액 내에서는 절연파괴(breakdown)가 일어나 고온고압의 플라즈마가 생기고 강한 충격파가 발생한다.
LIB(laser-induced breakdown)에 의해 생성된 플라즈마는 10,000K 이상의 온도까지 가열될 수 있으며, 가시적광을 발산하면서 이온과 플라즈마 압력을 10,000 ~ 100,000 bar까지 높인다. 따라서 이로 인해 발생되는 충격파와 유체 중에 생성된 캐비테이션(cavitation) 압력이 스케일 브레이커(scale breaker) 역할을 하여 금속 표면의 불순물을 제거하게 된다. 이러한 방법으로 입자형태의 불순물뿐만 아니라 산화막, 유기물 등 막형태(film-type)의 불순물도 제거할 수 있다.
세정액의 표면에 레이저 펄스의 초점이 맺히도록 하기 위하여 상기 세정액을 담은 용기를 상하로 이동시켜 조절할 수 있으며, 이 때 상기 용기를 떠받치고 있는 하단에 높이조절 마이크로 스테이지를 설치하여 보다 정확한 높낮이를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 금속표면 세정방법에서는 제거하고자 하는 불순물의 종류에 따라 세정액의 종류와 농도를 달리하여 적용함으로써 다양한 불순물을 효과적으로 제거할 수 있으며, 세정액 내의 불순물의 양이 많을수록 절연파괴가 쉽게 일어나므로 적절한 양의 불순물을 세정액 내에 넣어 에너지 효율을 높일 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 금속표면 세정방법은 제철소에서 열간압연 공정을 거친열연강에 적용될 경우 냉연공정의 전처리 과정인 산세공정에서 저탄소강 표면의 스케일(scale)을 효율적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속표면 세정방법을 실시하기 위한 세정장치의 일실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속표면 세정장치는 기본적으로 레이저 펄스(12)를 방출할 수 있는 레이저(10)와 이 레이저 펄스(12)를 집속하는 볼록렌즈(20) 및 세정액이 저장되는 세정액 용기(21)를 포함하여 구성된다.
레이저(10)와 볼록렌즈(20) 사이에는 거울(빔 전달수단)(14)이 설치되어 레이저(10)로부터 방출되는 레이저 펄스(12)를 반사시켜 그 경로를 적당히 변경시켜 볼록렌즈(20)로 전달한다.
상기 거울(14)과 볼록렌즈(20) 사이의 레이저 펄스(12) 경로 상에는 빔 균일화수단(16)과 빔 확대수단(18)이 선택적으로 추가 설치될 수 있다.
또한 세정액 용기(21)의 하단에는 히터(27)가 설치되어 저장된 세정액(23)을 소정의 온도로 가열할 수 있으며, 그 하단에는 높이조절 마이크로 스테이지(29)가 설치되어 세정액 용기(21)의 높이를 조절하면서 레이저 펄스(12)의 초점이 세정액 표면에서 맺히도록 한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 금속표면 세정방법과 종래의 세정방법에 의한 세정효과를 비교하였다.
[실험예 1]
실험에서는 레이저 파장 1064㎚에서 반치전폭(FWMH) 5㎱인 펄스를 발진하는Q-switched Nd:YAG 레이저(제조사: Continuum, 모델: Surelite II-10)를 이용하였으며, 일정 농도의 염산 수용액을 고온으로 가열한 후 레이저 펄스를 염산 수용액 표면에 집속시켜 절연파괴를 일으켰다.
먼저, 기존 제철소의 산세공정과 동일하게 80℃, 18% 염산 수용액에 담그는 종래의 방식(비교예)과 레이저 펄스 충격파 효과를 추가한 본 발명에 따른 방식(실시예)을 비교하였다.
도 2a는 세정과정중 시편의 1㎠의 면적을 36배 확대하여 찍은 것으로, 80℃, 18% 염산 수용액 내에서 시편을 15초 동안 화학적으로 식각하였을 때 표면의 스케일 상태를 보여준다. 도2b는 18%, 80℃ 염산 수용액 표면에서 1㎜ 깊이에 시편을 놓고 15초 동안 레이저 충격파를 1㎠ 면적에 20회 고르게 가했을 때의 표면을 보여준다.
도 2a와 도2b를 비교하여 보면, 충격파의 영향으로 검은 스케일이 많이 제거되었음을 볼 수 있다.
도 3은 18%, 80℃ 염산 수용액으로만 스케일을 제거한 결과(비교예)와 18%, 80℃ 염산 수용액 내에서 레이저에 의해 유도된 충격파를 이용한 공정(실시예)을 비교한 그래프로서, 레이저를 이용한 복합공정에서 산소 원소의 함량이 더욱 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 세정방법에 의할 경우 종래의 산세공정에 비해 훨씬 높은 스케일 제거 효율을 얻을 수 있다.
[실험예 2]
다음으로 세정액으로 사용되는 염산 수용액 농도변화에 따른 레이저 절연파괴 효과의 영향을 비교해 보았다.
도 4a 내지 도 4c는 80℃ 염산 수용액의 농도를 5%, 10%, 18%로 각각 변화시키고 레이저 충격파를 가했을 때 스케일 층의 변화를 보여준다.
도 5는 18% 염산 수용액을 이용한 종래기술에 따른 산세공정과 10% 염산 수용액을 이용한 본 발명에 따른 병합 스케일 제거공정의 스케일 제거효율을 비교하여 나타낸 그래프이다. 염산 수용액 18% 만으로 스케일을 제거하는 종래의 공정보다 레이저에 의해 유도된 충격파를 이용한 병합 산세공정에서 산소원소량이 더 낮은 값을 보인다. 따라서 본 발명에 따른 레이저 충격파를 이용한 병합 산세공정이 종래의 공정보다 더 높은 스케일 제거효율을 보임을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 펄스 레이저 충격파를 이용한 금속표면 세정방법에 의하면, 세정액의 표면에 레이저 펄스를 집속시켜 세정액 내부에서 충격파를 발생시킴으로써 금속표면에 부착된 입자형태의 불순물뿐만 아니라 산화막, 유기물 등 막 형태의 불순물을 효율적으로 제거할 수 있다.
그리고 레이저 세정방법과 화학적 세정방법을 병합함으로써 공정시간을 단축할 수 있고, 저농도의 세정액(산성용액)에서도 세정이 가능하게 하여 환경오염을줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 입자상 불순물과 유기 불순물을 동시에 제거할 수도 있고, 습식공정이므로 대기 중 습기에 의해 발생하는 입자와 표면간 모세관력을 원천적으로 배제하여 입자제거를 용이하게 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 레이저를 이용하여 금속표면을 세정하는 방법에 있어서,
    레이저 펄스를 방출할 수 있는 레이저를 제공하는 단계;
    세정액을 제공하는 단계;
    상기 세정액 내에 세정할 금속을 담그는 단계;
    상기 레이저로부터 방출되는 레이저 펄스가 적어도 하나 이상의 광학소자를 지나게 하는 단계; 및
    상기 광학소자를 지난 레이저 펄스를 상기 세정액의 표면에서 초점이 맺히도록 집속시켜 상기 세정액 내에서 고온고압의 플라즈마를 발생시키고 이로 인하여 발생되는 충격파로 상기 금속표면의 불순물을 제거하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정액을 소정의 온도로 가열하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정액은 산성용액인 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 산성용액을 담은 용기를 상하로 이동시켜 상기 산성용액의 표면에서 레이저 펄스의 초점이 맺히도록 하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 Nd:YAG 레이저, 엑시머 레이저, 펄스형 기체레이저, 고출력 다이오드레이저, 펄스형 고상레이저, 구리 증기레이저 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 열간압연 공정을 거친 열연강인 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광학소자는
    상기 레이저로부터 방출된 펄스 레이저의 경로를 변경시키는 거울; 및
    상기 거울에서 반사된 펄스 레이저를 통과시키면서 집광하는 볼록렌즈
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학소자는 펄스 레이저를 균일화하기 위한 빔 균일화수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 광학소자는 펄스 레이저를 확대하기 위한 빔 확대수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 금속표면 세정방법.
  10. 레이저를 이용하여 금속표면의 불순물을 제거하는 장치에 있어서,
    레이저 펄스를 방출할 수 있는 레이저;
    세정액이 저장되는 세정액 용기;
    상기 레이저로부터 방출된 레이저 펄스를 반사시켜 그 경로를 변경시키는 빔 전달수단;
    상기 거울에서 반사된 펄스 레이저를 통과시키면서 상기 세정액 표면으로 상기 펄스 레이저를 집광하는 볼록렌즈;
    상기 세정액 용기에 부착되어 저장되는 세정액을 소정의 온도로 가열할 수 있는 히터; 및
    상기 세정액 용기와 연결되어 세정액 표면에서 상기 레이저 펄스의 초점이 맺히도록 높낮이를 조절할 수 있는 높이 조절수단
    을 포함하는 금속표면 세정장치.
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