친수성능 평가를 위한 물방울 접촉각 자동 측정 시스템 개발 = Development of automatic contact angle measuring system for hydrophilic performance evaluation

국문 초록 (Abstract)

물질의 표면에너지와 친수성과 발수성 간의 관계는 잘 알려져 있다. 표면에너지가 높을수록 친수성질을 가지며, 반대로 낮은 표면에너지는 발수성을 나타낸다. 접촉각이란 액체가 고체와 같은 서로 섞이지 않는 물질과 접할 경우 고체의 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 형성되는 경계면의 각을 의미한다. 접촉각은 어떤 재료의 표면에너지 측정, 표면의 코팅 성능 평가, 그리고 젖음성 측정 등에 널리 사용되어져왔다. 그러나 현재 국내외에서 개발된 상용 접촉각 측정기들은 기능적으로 많이 복잡하며, 또한 고가이기 때문에 사용하는데 많은 시간과 비용이 요구된다. 더욱이 접촉각 10°미만의 초친수성 측정에서는 증발이나 바닥면의 고르기 상태 등의 환경변수가 그 결과에 많은 영향을 끼치기 때문에 재현성이 낮은 좋지 않은 성능을 나타낸다. 본 연구에서 친수성에서 강인한 자동 접촉각 측정 알고리즘을 제안하였고, 저가의 흑백카메라와 영상처리 기술을 이용하여 상대적으로 간단하고 저비용의 접촉각 측정 시스템을 개발하였다.
먼저 일정량의 액적을 시편 상에 투하하고, 흑백 CCD카메라를 이용하여 액적의 형상을 획득하여 매인 프로세서로 보낸다. 획득된 영상을 이진화를 처리하고, 라벨링으로 잡음을 제거한 후, 얻어진 형상 영상에서 주요 세 점(최상, 최좌, 최우 지점)을 검출한다. 이때 초친수 경우에서는 특히 액적의 형상이 액적 표면의 불균형 증발이나 시편 표면의 고르기 상태에 영향을 많이 받기 때문에, 1차로 검출된 형상정보의 보정이 필요하다. 본 연구에서 제안된 알고리즘에 의하여 1차로 검출된 세 점을 이용하여 최상점을 보정하게 되고, 최종적으로 간단한 선형수학과 삼각함수를 사용하여 접촉각을 계산한다. 개발된 시스템으로 측정한 접촉각들을 한국건자재시험연구원 신뢰성평가센터에서 사용하고 있는 상용 접촉각 측정기의 결과와 비교하였고, 실험결과는 낮은 표준편차와 상대표준편차를 보이며 높은 재현성과 정확성을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Surface energy is the principal factor of anti-condensation. High surface energy appears hydrophilic itself and low surface energy represents hydrophobic itself. The contact angle is widely being used for measurement of surface energy of materials, evaluation of coating performances, measurement of wettability, and so on. However, the existing contact angle measuring system is so expensive for purchasing and functionally complicated, so it takes a lot of time and money to use. Also, the existing system is not good at measuring super-hydrophilicity at which the contact angle is lower than 10°. It shows low standard deviation and deviation ratio at super-hydrophilicity. This study was conducted to develop the algorithm for evaluating hydrophilic performance through measuring the contact angle of water droplet automatically, and fabricate relatively simple measuring system using a low-cost black and white camera and image processing, and to suggest the contact angle measuring algorithm which is robust to measuring super-hydrophilic contact angle. A constant amount of water was firstly allocated on the slide by the water droplet dropping unit of the system developed in this research, and then the image of water droplet was captured by B/W CCD camera and sent to the main processor. The image was binarized and then reduced noises by labeling. Finally, the contact angle of water droplet was computed by using three points (left, right, and top coordinates), simple linear mathematics, and trigonometric function, and then the top point was modified by the algorithm suggested in this research. The experimental results were compared with those of the existing system used in Reliability Evaluation Center at Korea Institute of Construction Material. Also, the experimental results demonstrated the accuracy and repeatability of the developed system showing less deviations and relative deviation.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구목적 3
• 제2장 문헌개요 4
• 1. 연구현황 4
• 2. 이론적 배경 5
• 제3장 접촉각 측정 시스템의 구성 및 사양 8
• 1. 전체구성 8
• 2. 영상 획득부 10
• 가. 영상 수신 장치 10
• 나. 프레임 그래버 12
• 3. 액적 투하부 14
• 가. 주사기 14
• 나. 마이크로미터 헤드 15
• 다. 마이크로 스테이지 16
• 4. 광원부 16
• 제4장 접촉각 측정 알고리즘 18
• 1. 액적의 부피 결정 20
• 2. 이진화 22
• 3. 노이즈 제거 22
• 4. 액적의 형상 검출과 접촉각의 계산 24
• 제5장 실험 방법 31
• 제6장 결과 및 고찰 33
• 1. 액적의 형상검출 알고리즘 33
• 2. 신뢰성과 재현성 35
• 가. 정확성과 오차율 검증 및 분석 36
• 나. 재현성 검증 41
• 제7장 요약 및 결론 44
• 참고문헌 46
• ABSTRACT 49