클린 레이저 실험을 통해 레이저 출력, 펄스 폭, 레이저 스캔 폭, 레이저 스캔 속도에 의해 도막 및 녹의 제거 효율을 검토하기 위해 도막 두께 측정기를 사용하여 측정하였다. 레이저 도막 두께는 실험 진행에 따라 측정되었으며, 표면처리한 실험편의 총 5부분의 도막 두께를 측정하여 평균값을 실험결과 값으로 하였다.

강재 표면처리에서 표면조도는 재도장시에 주요 변수로서 강구조공사 표준시방서^[7](p.136)에 의하면 표면처리 된 강판의 표면조도는 25 μm – 75 μm를 만족해야 한다. 이 연구에서는 클린 레이저 시스템을 이용한 도막 및 녹 제거 후 표면 조도 측정기를 사용하여 측정기의 감지기 부분을 통해 실험편의 총 5부분의 표면조도 값을 측정하여 평균값을 실험 결과 값으로 하였다.

클린 레이저 시스템을 이용한 도막 및 녹 제거 실험편의 마이크로스코프를 이용한 표면 관찰을 실시하였다. 마이크로스코프를 이용한 표면 관찰을 통해 도막 및 녹 제거의 성능 및 모재 손상 여부 등을 조사할 수 있다. 실험편의 표면은 10배 및 50배의 배율로 관찰하였다.

클린 레이저 시스템을 이용한 도막 및 녹 제거 실험편의 재도장 효율을 조사하기 위해 부착력 실험을 실시하였다. 부착력 실험은 강교량의 부식방지를 위한 유지관리 매뉴얼^[8] 및 ASTM D3359-97을 참고하여 바둑판 시험(cross-cut tape test)을 적용하였다.

아연말 중방식 방청도료를 사용하여 도막 두께는 샾 프라이머 두께인 약 20 μm - 25 μm 정도로 하였다. 부착력 실험의 순서는 다음과 같이 실시하였다.

• (1) 실험할 도막 위치를 선택한 후 흠집이 없는지, 완전 건조되었는지 확인(일반적으로 도장 후 7일이 경과)
• (2) 정해진 규격의 나이프로 +자 형태로 Fig. 3처럼 절단. 절단 도막 제거 속도시 나이프에 균일하게 힘을 주면서 나이프가 코팅 아래 소재까지 닿을 수 있도록 강하게 절단
• (3) 절단면을 솔이나 붓으로 정리한 후 크로스 컷 위치에 부착력 실험용 테이프를 부착
• (4) 90+/-30초 이내에 테이프 끝을 잡고 180°의 각도에 가깝게 잡아당겨 테이프를 제거
• (5) 확대경으로 관찰하여 등급을 결정

Fig. 3. 
Example of cross cut cutting

특수환경용 중방식 도장실험편에서 레이저 폭이 35 mm일 때, 레이저 출력(500 W, 1,000 W) 및 레이저 펄스 폭(5 kHz, 10 kHz)의 변화에 따른 도막 두께 변화와의 관계를 Fig. 4에 나타내었다. 그래프를 보면 레이저 출력과 펄스 폭의 증가함에 따라 도막 두께 감소량이 커지는 것을 알 수 있으며, 레이저 출력에 의한 감소량의 기울기보다 레이저 펄스 폭에 대한 감소량의 기울기가 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 실험편 B-500-5-5-35에서는 10회 이상 진행하였으나, 도막 제거는 하도도막까지 도달하지 못하였다.

Fig. 4. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system I (special environments coating)

레이저 폭이 35 mm, 레이저 펄스 폭이 10 kHz에서의 레이저 출력(500 W, 1,000 W, 1,500 W 및 2,000 W)과 도막두께 변화와의 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 레이저 스캔 1회에서 레이저 출력 1,500 W에 의한 도막두께 감소가 비교적 적은 결과가 나타났으나, 2회 이상 진행되면서 레이저 출력에 의한 도막두께 감소량의 기울기가 증가하는 경향을 나타내었다. 그리고 레이저 출력 2,000 W(B-2000-10-5-35실험편)에서는 레이저 스캔 1회에 도막 두께가 모두 제거되었으나 실험편에서 열에 의한 변형이 확인되었다.

Fig. 5. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system II (special environments coating)

레이저 출력이 1,000 W일 때, 펄스 폭(5 kHz, 10 kHz) 및 레이저 폭(35 mm, 70 mm)과 도막두께 변화와의 관계를 Fig. 6에 나타내었다. 먼저, 레이저 폭이 증가함에 따라 도막 제거 감소량이 작아지는 것을 알 수 있으며, 이는 레이저 스캔 폭이 커짐에 따라 에너지가 분산되기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 6. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system III (special environments coating)

또한, 레이저 폭이 35 mm에서는 펄스 폭의 증가할수록 도막 두께 제거의 감소량은 큰 경향이 나타났지만, 레이저 폭이 70 mm에서는 레이저 폭과 도막두께의 감소는 큰 변화를 나타내지 않았다.

레이저 폭이 70 mm일 때, 레이저 펄스 폭(5 kHz, 10 kHz)및 레이저 스캔속도(5 mm/s, 10 mm/s)와 도막두께 변화와의 관계를 Fig. 7에 나타내었다. 앞에서의 결과와 같이, 레이저 폭이 70 mm에서는 레이저 펄스 폭이 변화는 도막두께 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 레이저 스캔속도의 영향에서는 5 mm/s에서의 도막 두께 감소량이 10 mm/s의 도막 두께 감소량에 비해서 기울기가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 레이저 스캔속도가 천천히 진행될수록 도막 두께 감소량이 커지는 경향을 나타내는 것이다.

Fig. 7. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system IV (special environments coating)

일반환경용 중방식 도장실험편에서 레이저 폭이 35 mm일 때, 레이저 출력(500 W, 1,000 W) 및 레이저 펄스 폭(5 kHz, 10 kHz)의 변화에 따른 도막 두께 변화와의 관계를 Fig. 8에 나타내었다. 특수환경 중방식 도장 실험결과와 같이 레이저 출력이 증가할수록 도막두께 감소량은 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 펄스 폭이 증가할수록 오히려 도막두께 감소가 둔화되는 경향이 나타났으며, 이는 도장기준에 따라 펄스 폭의 영향은 차이가 나는 것을 나타내는 것이다.

Fig. 8. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system I (general environments coating)

레이저 출력이 1,000 W일 때, 펄스 폭(5 kHz, 10 kHz) 및 레이저 스캔 폭(35 mm, 70 mm)과 도막두께 변화와의 관계를 Fig. 9에 나타내었다. 레이저 스캔 폭과 도막두께 변화와의 관계는 특수환경 중방식 도장 실험편과 결과가 동일하게, 레이저 스캔 폭이 증가함에 따라 도막 제거는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 그러나 펄스 폭에 대한 영향은 크게 나타나지 않았다.

Fig. 9. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system II (general environments coating)

마지막으로 레이저 폭이 70 mm일 때, 레이저 펄스 폭(5 kHz, 10 kHz)및 레이저 스캔속도(5 mm/s, 10 mm/s)와 도막두께 변화와의 관계를 Fig. 10에 나타내었다. 레이저 스캔속도와 도막 두께 감소는 특수환경 중방식 도장과 같은 결과로, 레이저 스캔속도가 천천히 진행될수록 도막 두께 감소량이 커지는 경향을 나타내었다. 레이저 펄스에 대한 레이저 스캔 속도에 비해 그 영향은 미비한 것으로 판단된다.

Fig. 10. 
Residual coating thickness distribution by using clean laser system III (general environments coating)

특수환경 중방식 도장 실험편에서 레이저 폭을 35 mm에 대한 결과와 레이저 스캔 반복회수를 Fig. 11에 나타내었다. B-500-5-5-35 실험편에서는 레이저 스캔 반복을 30회 진행하였으나, 도막의 중도층에서 더 이상 도막 제거가 이루어지지 않았다. 그 밖의 실험편에서는 Fig. 11(b), 11(c), 11(d)는 스캔 반복 5~8회 정도에서 하도까지 도막 제거가 이루어진 것을 알 수 있었다. 표면조도 측정값과 비교하면, Fig. 11의 4가지 모두가 재도장 기준범위 이내에 만족하였다.

Fig. 11. 
Surface observation from microscope in special environments coating I (× 50)

Fig. 12에는 레이저 출력 1,500 W, 2,000 W에서의 마이크로스코프를 통한 표면관찰을 나타내었다. 레이저 출력 1,500 W은 레이저 스캔 반복회수 4회, 레이저 출력 2,000 W에서는 1회에 도막이 전부 제거되어 모재까지 노출되었으며, 모재의 변형 및 용융현상이 발견되었다. 이 경우에서는 Table 6에 나타낸 바와 같이, 표면조도 측정 결과값에서도 재도장 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.

Fig. 12. 
Melting phenomenon in base metal after clean laser (special environments coating)

레이저 스캔 폭을 70 mm, 반복회수 6회에서의 결과를 Fig. 13에 나타내었다. 레이저 스캔 속도 10 mm/s에서는 도막두께 제거가 하도까지 도달하지 못하였으며, 레이저 스캔 속도 5 mm/s에서는 도막두께 제거가 하도까지 도달하였다. Fig. 13의 4가지 모두 재도장 기준범위 이내에 만족하였다.

Fig. 13. 
Surface observation from microscope in special environments coating II (× 50)

일반환경 중방식 도장 실험편에서 레이저 폭을 35 mm에 대한 결과와 레이저 스캔 반복회수를 Fig. 14에 나타내었다. 레이저 출력 500 W에서는 레이저 스캔 반복회수 6회에 하도 도막까지 도달하였으며, 표면조도 측정값과 비교하면 재도장 기준범위 이내에 만족하였다. 레이저 출력 1,000 W에서는 레이저 스캔 반복회수 3회 정도에서 모재까지 도막 제거가 이루어졌으며, 모재까지 도막이 제거되었으나, 표면조도 측정값은 재도장 기준범위 이내를 만족하였다.

Fig. 14. 
Surface observation from microscope in general environments coating I (× 50)

Fig. 15에는 레이저 출력 1,500 W에서의 마이크로스코프를 통한 표면관찰을 나타내었다. 레이저 출력 1,500 W은 레이저 스캔 반복회수 2회에 도막이 전부 제거되었으며, 모재까지 노출되는 것을 알 수 있으며, 일부 모재의 용융현상이 발생하는 것이 확인되었다. 특수환경 중방식 도장의 1,500 W, 2,000 W 실험편과 동일한 현상으로 Table 5의 표면조도 측정결과와 비교하면, 표면조도 측정값은 재도장 기준범위를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.

Fig. 15. 
Melting phenomenon in base metal after clean laser (general environments coating)

레이저 폭을 70 mm, 레이저 스캔 반복회수 5회에서의 결과를 Fig. 16에 나타내었다. 특수환경 중방식 도장 실험편과 같이, 레이저 스캔속도 10 mm/s에서는 도막두께 제거가 하도까지 도달하지 못하였으며, 표면조도 측정값도 재도장 기준범위 이내에 만족하지 못하였다. 그러나, 레이저 스캔속도 5 mm/s에서는 도막두께 제거가 하도까지 도달하였으며, 표면조도 측정값도 재도장 기준범위 이내를 만족하였다.

Fig. 16. 
Surface observation from microscope in general environments coating II (× 50)

일반환경 중방식 도장 실험편과 특수환경 중방식 도장 실험편을 X컷하여 한 달간의 염수분무실험을 통해 부식 실험편을 제작하였으며, 부식 실험편에 대해 클린 레이저 시스템을 통해 도막 및 녹 제거 실험을 실시하였다. 실험조건은 일반환경 중방식 도장 실험에서 레이저 스캔 폭을 70 mm인 경우 가장 최적의 효율로 사료되는 레이저 출력 1,000 W, 펄스 폭 5 Hz, 레이저 스캔 속도 5 mm/s의 조건으로 도막 및 녹 제거 실험을 실시하였다.

레이저 스캔 반복회수는 일반환경 실험편 5회, 특수환경 실험편 6회를 실시하였으며, Figs. 17-20에 그 결과를 나타내었다. 레이저 스캔 1회 만에 녹이 순간적으로 기화하여 제거되었지만, 일부 표면에 그을음이 남았으며 실험 전과 실험 후의 마이크로스코프를 통한 표면관찰에서 클린 레이저를 통한 녹 제거가 가능한 것으로 나타났다.

Fig. 17. 
Changes in rust removal with repeated laser irradiation (heavy-duty coating specimens in general environments)

Fig. 18. 
Surface observation from microscope (× 50, heavy-duty coating specimens in general environments)

Fig. 19. 
Changes in rust removal with repeated laser irradiation (heavy-duty coating specimens in special environments)

Fig. 20. 
Surface observation from microscope (× 50, heavy-duty coating specimens in special environments)