KR101372032B1

KR101372032B1 - 미세 주름 제작방법

Info

Publication number: KR101372032B1
Application number: KR1020110139321A
Authority: KR
Inventors: 고종수; 서은비; 이승환
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2014-03-12
Also published as: KR20130071860A

Abstract

본 발명은 미세 주름이 형성된 금속층 제작방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 대면적화가 가능하고 제조공정이 간단한 미세 주름이 형성된 금속층 제작방법에 대한 것이다.
본 발명에 따른 미세 주름이 형성된 금속층 제작방법은 PDMS형성단계와, 금속증착단계와, PDMS냉각단계와, PDMS캐스팅단계와, PDMS부착단계와, 반복단계를 포함한다. PDMS형성단계는 평판의 상면에 고형화된 PDMS(polydimethylsiloxane)기판을 부착시켜 형성시킨다. 상기 금속증착단계는 상기 PDMS기판의 상면에 금속층이 형성되도록 금속을 증착시킨다. 상기 PDMS냉각단계는 상기 금속층이 형성된 상기 PDMS기판을 냉각시켜 상기 금속층을 변형시킨다. 상기 PDMS캐스팅단계는 상기 변형된 금속층의 상부에 다른 PDMS기판을 형성시킨다. 상기 PDMS부착단계는 상기 PDMS캐스팅단계에서 형성된 PDMS기판을 상기 변형된 금속층에서 분리시켜 평판의 상면에 부착시킨다. 상기 반복단계는 상기 금속증착단계 내지 상기 PDMS부착단계를 반복하여 미세 주름이 형성된 금속층을 형성한다.
본 발명에 의하면, 평판에 PDMS기판을 부착 후 금속층을 증착하고 이를 반복함으로써 금속층에 미세 주름을 형성할 수 있다. 이로 인하여 금속층의 대면적에 미세 주름을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 매우 저렴한 공정비로 금속층에 충분한 비율의 미세 주름의 종횡비를 구현할 수 있다.

Description

미세 주름 제작방법{The manufacturing method of microwrinkles}

본 발명은 미세 주름을 제작하기 위한 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 대면적화가 가능하고 제조공정이 간단한 미세 주름 제작방법에 대한 것이다.

마이크로 구조화된 표면의 개발은 넓은 응용 가능성 때문에 표면 과학 또는 표면 공학 분야에서 가장 큰 관심을 받는 연구 분야 중 하나이다. 마이크로 구조화된 표면은 매우 넓은 표면적과 매우 작은 상부 면적이라는 두 가지 독특한 지형상의(topographical) 특징을 가진다. 넓은 표면적은 반응 면적을 넓혀 주므로 바이오/화학 반응이 필요한 분야에 활용되며, 열전달 효율을 높일 수 있으므로 방열판이나 열교환기에 사용할 수 있다. 또한 작은 상부 면적(small top surface)은 상부에서의 접촉면적이 적으므로 저마찰, 표면 개질이 필요한 분야에 활용될 수 있다. 이 중 특히 초발수성으로의 표면개질은 발수성(water repellency)과 자정성(self cleaning) 등 다양한 응용성 때문에 최근 들어 큰 각광을 받고 있다.

기존의 마이크로 구조화된 표면을 제작하기 위해서 일반적으로 리소그래피와 실리콘 식각 공정 또는 마이크로 몰드를 이용한 폴리머 성형 공정을 사용한다.

기존의 리소그래피와 실리콘 식각 공정 또는 마이크로 몰드를 이용한 폴리머 성형공정의 경우 균일하고 정교한 마이크로 구조를 만들 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 이러한 가공 방법들은 제작 공정이 복잡하고, 고가의 장치가 필요하며, 대면적화가 어렵다는 문제점이 있다. 기존의 주름 제작방법 중 이종물질간의 열팽창계수 차이를 이용하여 주름을 형성하는 방법이 발표되었으나, 기존의 방법으로는 종횡비가 큰 구조물을 제작할 수 없었으므로 응용성에 있어서 매우 제한적이었다. 특히, 초발수성으로의 표면개질 용도로는 사용이 불가능하였다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 매우 저렴한 공정비로 대면적화가 가능하고, 충분한 종횡비를 갖는 미세 주름 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 미세 주름 제작방법은 폴리머형성단계와, 금속증착단계와, 폴리머냉각단계와, 폴리머캐스팅단계와, 폴리머부착단계와, 반복단계를 포함한다. 상기 폴리머형성단계는 평판의 상면에 고형화된 폴리머기판이 부착되도록 형성시킨다. 상기 금속증착단계는 상기 폴리머기판의 상면에 금속층이 형성되도록 금속을 증착시킨다. 상기 폴리머냉각단계는 상기 금속층이 형성된 상기 폴리머기판을 냉각시켜 상기 금속층을 변형시킨다. 상기 폴리머캐스팅단계는 상기 변형된 금속층의 상부에 다른 폴리머기판을 형성시킨다. 상기 폴리머부착단계는 상기 폴리머캐스팅단계에서 형성된 폴리머기판을 상기 변형된 금속층에서 분리시켜 평판의 상면에 부착시킨다. 상기 반복단계는 상기 금속증착단계 내지 상기 폴리머부착단계를 반복하여 미세 주름이 형성된 폴리머기판을 형성한다.

또한, 상기의 미세 주름 제작방법에 있어서, 상기 반복단계시 금속증착의 조건을 달리하여 2중 주름 구조를 가진 폴리머기판을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기의 미세 주름 제작방법에 있어서, 상기 폴리머형성단계는 표면에 요철이 형성된 고형화된 폴리머기판을 평판의 상면에 부착되도록 형성시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기의 미세 주름 제작방법은 금속몰드형성단계와, 폴리머복제단계를 더 포함할 수 있다. 상기 금속몰드형성단계는 상기 반복단계 후에 형성된 미세 주름을 구비한 폴리머기판에 금속몰드를 만든다. 상기 폴리머복제단계는 상기 금속몰드를 사용하여 미세 주름을 구비한 폴리머기판을 복제한다.

또한, 상기의 미세 주름 제작방법에 있어서, 상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane), Oligosiloxane 등의 실리콘 고무 종류와 PTFE(Polytetrafluoroethylene), ETFE(Ethylene Tetrafluoroethylene) 등의 테플론 종류와 PE(Polyethylene), PMMA(Polymethyl methacrylate), PA(Polyamide), SU-8(감광저항제), PR(감광성 막), 나일론, 폴리에스테르, 폴리비닐, Kapton 등을 포함하는 캐스팅 및 UV 경화, 열경화가 가능한 모든 폴리머를 사용할 수 있다.

또한, 상기의 미세 주름 제작방법에 있어서, 상기 금속증착단계는 Al, Ag, Au, Cr, Cu, Ni, Ru 등의 금속과 NiCo, NiFe 등의 금속합금 등을 용도에 따라 단층 혹은 복층으로 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 금속 이외에 유리, 실리콘 등과 같은 각종 세라믹 재료를 사용할 수 있다.

또한, 상기의 미세 주름 제작방법에 있어서, 상기 금속증착단계는 실온보다 높은 온도에서 금속을 증착시키며, 상기 폴리머냉각단계는 실온 이하의 온도로 냉각시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 평판에 폴리머기판을 부착 후 금속층을 증착하고 이를 반복함으로써 미세 주름의 종횡비를 계속 증가시킬 수 있다. 본 발명에 의하면 매우 저렴한 공정비로 충분한 종횡비의 미세 주름을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 미세 주름 제작방법의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 미세 주름 제작방법의 순서도,
도 3은 금속증착단계를 1회 수행한 알루미늄층의 표면의 이미지,
도 4는 금속증착단계를 3회 수행한 알루미늄층의 표면의 이미지,
도 5는 금속증착단계를 5회 수행한 알루미늄층의 표면의 이미지,
도 6은 금속증착단계 수행횟수와 접촉각의 관계도이다.

본 발명에 따른 미세 주름 제작방법은 폴리머형성단계(S11)와, 금속증착단계(S13)와, 폴리머냉각단계(S15)와, 폴리머캐스팅단계(S17)와, 폴리머부착단계(S19)와, 반복단계(S21)를 포함한다.

폴리머형성단계(S11)는 평판의 상면에 고형화된 폴리머 기판이 부착되도록 형성시키는 단계이다.

폴리머는 상대적으로 열팽창계수가 큰 합성고무재질을 이용하면 유리하다. 폴리머형성단계(S11)를 더욱 상세하게 설명하면, 액상의 실리콘 고무를 페트리 디쉬(3)와 같은 용기에 담은 후, 고상으로 경화시켜 폴리머기판(1)을 만든다(도 1의 a). 경화된 폴리머기판(1)을 실리콘, 유리 또는 금속과 같은 딱딱한 고정기판(5)에 부착시킨다(도 1의 b). 그러면 폴리머형성단계(S11)가 완성된다. 본 실시예의 경우 폴리머로 PDMS를 사용한다. PDMS재질의 폴리머기판(1)을 제작하기 위하여 먼저 PDMS에 경화제를 10:1의 비율로 혼합한 후 경화제가 혼합된 PDMS를 페트리 디쉬(3)에 담은 후, 진공분위기에서 기포를 제거한 후 60~100℃에서 1~2시간 동안 PDMS를 경화시킨다. 본 실시예에서 폴리머로 PDMS를 사용하였지만 Oligosiloxane 등의 실리콘 고무 종류와 PTFE(Polytetrafluoroethylene), ETFE(Ethylene Tetrafluoroethylene) 등의 테플론 종류와 PE(Polyethylene), PMMA(Polymethyl methacrylate), PA(Polyamide), SU-8(감광저항제), PR(감광성 막), 나일론, 폴리에스테르, 폴리비닐, Kapton 등을 포함하는 캐스팅 및 UV 경화, 열경화가 가능한 모든 폴리머를 사용할 수 있다.

금속증착단계(S13)는 폴리머기판(1)의 상면에 금속층이 형성되도록 금속을 증착시킨다. 본 실시예의 경우 알루미늄을 증착시켜 알루미늄층(7)을 형성시킨다. 이 경우 열증발증착(thermal evaporator)을 이용하여 알루미늄을 증착한다(도 1의 c). 고진공상태이고 실온보다 높은 온도인 증착 챔버 내에서 금속 증착이 이루어진다. 챔버 내의 온도가 실온보다 높으므로 폴리머 또한 팽창하게 된다.

본 실시예에서 알루미늄을 증착하였지만, Ag, Au, Cr, Cu, Ni, Ru 등의 금속과 NiCo, NiFe 등의 금속합금 등을 용도에 따라 단층 혹은 복층으로 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 금속 이외에 유리, 실리콘 등과 같은 각종 세라믹 재료를 사용할 수 있다.

폴리머냉각단계(S15)는 금속층이 형성된 폴리머기판(1)을 냉각시켜 금속층을 변형시킨다. 실온으로 폴리머기판(1)을 냉각시킨다. 즉 알루미늄층(7)이 형성된 폴리머기판(1)을 고정기판(5)으로부터 분리시킨 후 페트리디쉬(3)에 부착시키면, 폴리머기판(1)이 실온으로 냉각된다. 알루미늄 증착 시 실온보다 높은 챔버 온도가 공정 후 실온으로 떨어지면 온도차가 발생한다. 폴리머기판(1)으로 사용한 PDMS의 열팽창계수는 310㎛·m/℃인 반면 알루미늄의 열팽창계수는 24㎛·m/℃이므로 폴리머기판(1)의 열팽창계수가 알루미늄의 그것보다 약 13배 더 크다. 그러므로 알루미늄 증착 시 팽창한 폴리머기판(1)이 증착 후 실온에서 알루미늄층(7)보다 더 크게 수축하면서 알루미늄층(7)에 압축응력을 가하게 된다. 그 결과 압축응력에 의한 크랙이 발생하며, 두 박편이 엇갈리며 만나는 크랙 지점에서 박편이 위로 살짝 들리게 되어 알루미늄층(7)은 도 1의 (d)와 같이 산맥형태의 마이크로 융기가 형성된다.

폴리머캐스팅단계(S17)는 변형된 금속층의 상부에 다른 폴리머기판을 형성시키는 단계이다. 즉 알루미늄층(7)이 형성된 폴리머기판(1) 위에 폴리머 캐스팅공정을 수행하여 폴리머기판(1)의 표면에 형성된 알루미늄층(7)과 반대형상을 가지는 폴리머기판(9)을 형성한다(도 1의 e).

폴리머부착단계(S19)는 폴리머캐스팅단계(S17)에서 형성된 폴리머기판(9)을 변형된 금속층에서 분리시켜 평판의 상면에 부착시키는 단계이다. 즉 폴리머기판(9)을 알루미늄층(7)에서 분리시켜 고정기판(5)의 상면에 부착시킨다(도 1의 f).

반복단계(S21)는 금속증착단계(S13) 내지 폴리머부착단계(S19)를 반복하여 미세 주름을 형성하는 단계이다. 반복단계(S21)에 의하여 미세 주름이 형성된 폴리머기판이 완성된다. 즉 금속증착단계(S13)는 고정기판(5)의 상면에 부착된 폴리머기판(9)에 알루미늄을 증착하는 단계(도 1의 g)이다. 반복단계(S21)는 도 1의 (d) 내지 도 1의 (g)의 공정을 반복해서 수행한다. 이러한 공정이 반복될 때마다 압축응력이 중첩되어 미세 주름의 산은 높아지고 골은 깊어지며, 주름의 폭이 감소한다. 이는 도 3 내지 도 5의 전자주사현미경(SEM, scanning electron microscopy) 이미지 사진에서 명확히 알 수 있다.

도 3은 도 1의 (c)의 단계를 거친 공정이다. 즉 금속증착단계(S13)을 1번 수행한 공정이다. 이 경우 알루미늄층(7)에는 마이크로 주름이 거의 형성되어 있지 아니하다.

도 4는 반복단계(S21)를 두 번 시행하여 금속증착단계(S13)를 3번 수행한 공정이다. 도 5는 반복단계(S21)를 네 번 시행하여 금속증착단계(S13)를 5번 수행한 공정이다. 3회째 금속증착단계(S13)에서 형성되는 알루미늄층(7)은 마이크로 주름의 폭은 3.0~4.5㎛이고 마이크로 주름의 높이는 1.0~1.5㎛ 반면, 5회째 금속증착단계(S13)에서 형성되는 알루미늄층(7)은 마이크로 주름은 폭은 1.5~3.5㎛이고 마이크로 주름의 높이는 1.0~2.0㎛이다. 이후 공정에서는 주름의 폭이 1㎛ 이하 수준으로 작아졌으며, 주름의 높이 또한 계속 증가하여 주름의 종횡비가 1:1에 근접하였다. 이러한 결과로 보아 증착온도와 반복공정횟수 등에 따라서 나노 주름의 형성도 가능하다.

반복단계(S21)의 증가에 따라 마이크로 주름의 선폭이 좁아지므로 매우 작은 상부 표면적(top surface area)을 가지고 주름의 높이도 증가하므로, 이러한 마이크로 주름이 형성된 기판은 초소수성 기판으로 응용될 수 있다. 도 6은 금속증착단계(S13)가 끝난 후 측정된 접촉각을 보여준다. 접촉각은 10회 측정한 평균값을 사용하였으며, 측정에 사용된 물방울의 체적은 6㎕이었다. 첫 번째 금속증착단계(S13)에서 생성된 알루미늄층(7)의 경우 접촉각은 117°이며, 다섯 번째 금속증착단계(S13)에서 생성된 알루미늄층(7)의 경우 접촉각은 145°로서 접촉각이 크게 증가하였다. 즉 첫 번째 금속증착단계(S13)에서 생성된 알루미늄층(7)은 마이크로 주름의 폭이 넓고 주름의 높이가 충분하지 못하여 물방울이 마이크로 주름 전면을 적시기 때문에 접촉각이 낮았다. 반면 다섯 번째 금속증착단계(S13)에서 생성된 알루미늄층(7)은 마이크로 주름의 폭이 좁기 때문에 물방울과 주름의 상부 표면적 사이의 접촉 면적이 작을 뿐만 아니라 마이크로 주름의 높이가 충분하기 때문에 물방울이 마이크로 주름의 측면과 하부를 적시기 못하여 물방울이 주름의 상부에 떠받쳐지게 된다. 이에 따라 주름의 표면 에너지가 감소하게 되며, 결과적으로 접촉각이 증가한다. 7회 째의 금속증착단계(S13)에 생성되는 알루미늄층(7)의 접촉각은 148°이었다. 이러한 접촉각의 크기는 마이크로 주름을 가진 표면이 초소수성으로 개질되었다는 것을 나타내며, 측정된 접촉각의 크기는 자연 연잎의 표면에서 측정된 접촉각과 유사하다.

반복단계(S21)에 의하여 금속증착단계(S13)의 횟수가 증가할수록 크게 증가하던 접촉각은 5회째 이후에는 증가폭이 크게 둔화되었다. 5회째를 전후로 접촉각 증가폭이 큰 차이를 보이는 이유는 각 회에서 측정된 마이크로 주름의 폭과 깊이에 직접적인 연관성이 있다. 5회째 이전까지는 마이크로 주름의 감소 폭과 높이의 증가 폭이 컸던 반면, 그 이후에는 그 변화폭이 미미하였기 때문이다.

이때 반복단계(S21)에서 금속 증착 시 증착 온도를 높여서 실온도와 온도 차이를 더욱 크게 하면 폴리머기판과 금속층 사이에 작용하는 압축응력이 더욱 크게 되어, 수회 이하의 반복공정에서도 미세 주름 형성이 가능하다. 증착온도와 실온도 차이를 매우 적게 하여 주름의 폭이 수십 마이크로미터 수준인 1단계 주름을 형성하는 반복공정을 수행하고 난 뒤, 증착온도와 실온도 차이를 크게 하여 주름의 폭을 수 마이크로미터 수준인 2단계 주름을 형성하는 반복공정을 수행하면, 수십 마이크로미터 크기의 1단계 주름의 표면에 수 마이크로미터 수준의 2단계 주름이 형성되어 있는 2중 주름 구조를 제작할 수 있다.

한편, 상기의 실시예의 경우 폴리머형성단계(S11)에서 고정기판(5)에 평평한 평면 상태의 고형화된 폴리머기판(1)을 부착시켰지만, 평평한 평면 상태의 폴리머가 아니라 여타 미세 가공방법으로 표면에 미세 요철이 형성되어 있는 폴리머기판을 부착시킬 수 있다. 그러면 미세 요철 위에 미세 주름이 형성되어 있는 복합 구조를 제작할 수 있다.

또한, 상기의 실시예의 경우 반복단계(S21)에 의하여 미세 주름이 형성된 폴리머기판을 제조하였지만, 반복단계(S21)에서 형성된 폴리머기판을 이용하여 금속몰드를 제조한 후 상기 금속몰드를 사용하여 폴리머기판을 복제할 수 있다. 이 경우 본 실시예는 금속몰드형성단계(S23)와, 폴리머복제단계(S25)를 더 포함한다.

금속몰드형성단계(S23)는 반복단계 후에 형성된 미세 주름을 구비한 폴리머기판에 금속몰드를 만드는 단계이다. 금속몰드는 미세 주름이 형성된 폴리머 기판 위에 도금을 수행하는 등의 방법으로 금속몰드를 제작할 수 있다. 폴리머복제단계(S25)는 상기 금속몰드를 사용하여 미세 주름을 구비한 폴리머기판을 복제하는 단계이다. 폴리머복제는 금속몰드형성단계(S23)에서 제작된 금속몰드로 사출성형, 엠보싱, 캐스팅 등과 같은 폴리머 복제 기술을 이용하여 복제할 수 있다.

상기에서와 같은 방법으로 미세 주름이 형성된 폴리머기판이 만들어진 경우 폴리머 기판은 유연하므로 임의의 3차원 형상으로 구부린 상태로 사용할 수 있으며, 임의의 3차원 형태로 도금을 실시하여 3차원 금속 제품 또는 몰드를 제작할 수 있다.

1 : 폴리머기판 3 : 페트리디쉬
5 : 고정기판 7 : 알루미늄층
9 : 폴리머기판

Claims

평판의 상면에 고형화된 폴리머기판이 부착되도록 형성시키는 폴리머형성단계와,
상기 폴리머기판의 상면에 금속층이 형성되도록 금속을 증착시키는 금속증착단계와,
상기 금속층이 형성된 상기 폴리머기판을 냉각시켜 상기 금속층을 변형시키는 폴리머냉각단계와,
상기 변형된 금속층의 상부에 다른 폴리머기판을 형성시키는 폴리머캐스팅단계와,
상기 폴리머캐스팅단계에서 형성된 폴리머기판을 상기 변형된 금속층에서 분리시켜 평판의 상면에 부착시키는 폴리머부착단계와,
상기 금속증착단계 내지 상기 폴리머부착단계를 반복하여 미세 주름이 형성된 폴리머기판을 형성하는 반복단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 주름 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 금속증착단계는
알루미늄을 증착시키는 것을 특징으로 하는 미세 주름 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 반복단계시 금속증착의 조건을 달리하여 2중 주름 구조를 가진 폴리머기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 주름 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 폴리머형성단계는 표면에 요철이 형성된 고형화된 폴리머기판을 평판의 상면에 부착되도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 미세 주름 제작방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반복단계 후에 형성된 미세 주름을 구비한 폴리머기판에 금속몰드를 만드는 금속몰드형성단계와,
상기 금속몰드를 사용하여 미세 주름을 구비한 폴리머기판을 복제하는 폴리머복제단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 주름 제작방법.