KR20220109222A

KR20220109222A - 소수성 패턴 형성 방법

Info

Publication number: KR20220109222A
Application number: KR1020210012621A
Authority: KR
Inventors: 이민호; 이종훈; 김현덕; 황준호; 윤나래; 권성민
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-08-04
Also published as: KR102455619B1

Abstract

레이저를 이용하여 금속의 표면에 소수성 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 패턴 형성 방법이 개시된다. 이 때, 상기 레이저는 펨토초 레이저일 수 있다. 일 예시에 따르면, 상기 레이저는 UV 파장대역의 펨토초 레이저일 수 있다.

Description

소수성 패턴 형성 방법{A HYDROPHOBIC PATTERN FORMING METHOD}

본 발명은 소수성 패턴 형성 방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 금속의 표면에 소수성 패턴을 형성하는 방법에 관한 발명이다.

물을 차단하는 초소수성 표면은 새로운 마이크로나 나노 크기로 접근하여 생물학적 정량을 수행하는 마이크로 어레이 디바이스 등의 젖음(wetting) 성질 제어와 주위의 물이나 습기로부터 이롭지 못한 영향을 받는 초소형 전자소자의 보호뿐만 아니라 세포의 성장을 제어할 수 있는 표면처리방면 및 외부에 노출된 창이나 벽과 같은 표면의 자체정화(self-cleaning) 등에 활용되고 있다.

한편 초소수성 표면은 이미 자연계에서 진화에 의하여 다양하게 사용되고 있는데 특히 연꽃 잎과 같은 식물의 잎, 모기와 같은 습기분위기에서 살아가는 곤충 날개, 눈, 그리고 다리 및 소금쟁이(water strider)의 다리 표면에서 관찰된다. 특히 표면에 있는 물방울이 표면과 이루는 접선 방향의 각을 의미하는 높은 접촉각(보통 150°이상)과 표면에 존재하는 물방울이 구르기 시작하는 최소 기울어짐을 의미하는 미끄럼 각이 매우 작은 표면을 갖는 초소수성 표면 발생에 대한 요구가 증대하고 있다.

일반적으로 초소수성을 갖기 위하여 주로 생산현장에서 사용되는 방법은 테프론과 같은 화학적으로 소수성을 나타내는 고분자를 대상 고체 표면에 도포함으로써 이루어진다. 특히 바이오 메디칼 디바이스로 매우 활발하게 개발되고 있는 마이크로디바이스 어레이(array)의 표면을 처리하기 위하여 매우 다양한 방법의 표면 코팅 및 플라즈마 처리와 같은 방법이 시도되고 있다. 그러나 이러한 화학적인 표면 코팅 기술을 대상 표면과 코팅된 화합물과의 접착력이 시간적으로나 주위의 화학적인 환경과 마찰과 같은 물리적인 외부 환경에 의하여 단시간에 성질이 변형되어 그 사용상 매우 여러 가지의 문제점을 야기하고 있다.

집적화된 광자를 이용한 고에너지 광가공 기술에 있어서 가장 일반화되고 안정화된 공정이 레이저 가공법이다. 레이저를 이용한 미세가공은 레이저 빔이 렌즈나 거울과 같은 광학부품을 통하여 수 마이크로미터에서 수백 마이크로 미터의 크기로 집속할 수 있는 특성이 있기 때문에 적절한 렌즈의 선택을 통해 초점크기를 쉽게 전환할 수 있다.

기존의 경우, 금속에 레이저를 이용하여 초소수성 표면처리를 할 경우, 레이저 가공 후 발생한 응고층을 제거하기 위해 에칭 공정을 사용하거나, 용융풀에 의한 버(Burr) 혹은 부산물을 이용하여 소수 특성을 부여하는 공정을 이용하였다. 에칭 공정 이용하는 경우 에칭 용액에 따른 부식 및 공정 횟수가 추가되는 문제점이 있었고, 버(Burr) 혹은 부산물 침적 이용 시 지속적인 하중에 의해 구조가 붕괴되어 소수성이 사라지는 문제가 발생할 수 있었다.

한국공개특허 10-2020-0003463

본 발명은 레이저를 이용하여 금속의 표면에 초소수성 패턴을 형성하는 방법을 제안하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 예시에 따른 레이저를 이용하여 금속의 표면에 소수성 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 패턴 형성 방법이 개시된다.

이 때, 상기 레이저는 펨토초 레이저일 수 있다.

일 예시에 따르면, 상기 레이저는 UV 파장대역의 펨토초 레이저일 수 있다.

일 예시에 따르면, 레이저를 이용하여 금속 표면에 소수성 패턴을 형성하는 단계;는, 상기 레이저를 이용하여 형성하는 패턴 간의 간격인 피치를 20 내지 600um 범위에서 형성할 수 있다.

일 예시에 따르면, 상기 레이저를 이용하여 형성하는 패턴의 너비와 상기 피치의 비율이 1:1 내지 1:20을 만족하는 범위에서 형성할 수 있다.

일 예시에 따르면, 상기 너비와 상기 레이저를 이용하여 형성하는 패턴의 종횡비는 1:1 내지 1:3을 만족하는 범위에서 형성할 수 있다.

일 예시에 따르면, 상기 소수성 패턴이 형성된 금속 표면 상에 세척 및 열처리를 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 금형 혹은 이송장치와 같이 지속적으로 하중을 받을 수 있는 금속 평판에 소수성 패턴가공을 진행하였을 때, 공정을 단축시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 지속성 및 안정성을 확보할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 소수성 패턴 형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 기존의 발명에 따른 소수성 패턴 형성 방법에 따른 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 소수성 패턴 형성 방법에 따른 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 파장대역에 따른 레이저 인가 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 레이저를 인가하는 패턴 형성 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 패턴 형성 조건에 따라 실험한 소수성 패턴 실험 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따르면, UV 파장대의 팸토초 레이저를 활용하여 공정 단계의 단축 및 지속성과 안정성이 향상된 금속 소수성 표면처리 기술을 제안한다.

도 1은 본 발명에 따른 소수성 패턴 형성 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명에 따르면, 레이저를 이용하여 금속의 표면에 소수성 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 소수성 패턴이 형성된 금속 표면 상에 세척 및 열처리를 수행하는 단계;를 거쳐서 금속의 표면에 소수성 패턴을 형성할 수 있다.

이 때, 레이저는 펨토초(10^-15) 레이저일 수 있다. 일 예시에 따르면, 레이저는 280 ~ 400nm의 UV 파장대역의 펨토초 레이저일 수 있다.

본 발명에서와 같이, UV 파장대역을 가지는 팸토초 레이저를 이용하여 금속 표면의 가공을 진행하면 깨끗한 형태의 홀을 얻을 수 있고, 그리드 패턴 가공시 후공정 없이 소수성 효과를 얻을 수 있다. 금속 표면에 레이저를 이용한 패턴 가공을 수행하는 경우 기존에는 버(Burr)가 발생하나, UV 팸토초 레이저의 경우 버(Burr)를 최소화할 수 있다. 또한 패턴 간격을 일정 수준으로 넓혀 격면 구간을 확보할 수 있다. 따라서 지속적인 하중에 의해서도 구조가 붕괴되지 않으며 소수성을 지속할 수 있다.

이하에서 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 금속 표면에 레이저를 이용하여 소수성 패턴을 형성하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 2는 기존의 발명에 따른 소수성 패턴 형성 방법에 따른 결과를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 이는 피코초(10^-12) 레이저 또는 나노초(10^-9) 레이저를 이용하여 금속 표면(10)을 가공하는 경우를 설명하는 도면이다. 피코초(10^-12) 레이저 또는 나노초(10^-9) 레이저의 경우 펄스폭이 길고 에너지가 남아있어서 용융(melting)의 우려가 있다. 기존과 같이 피코초 레이저 또는 나노초 레이저를 이용한 표면 가공의 경우, 패턴 가공시 버(Burr)가 발생하여 최초 등고를 형성하는 측면에서는 유리하나, 추후 버(Burr)의 내구성 문제로 결함이 발생하는 문제점이 있었다. 즉, 기존의 레이저를 이용한 금속 표면 가공의 경우 탄화물이 부각되어 내구성과 관련된 문제가 발생할 우려가 존재하고, 부각된 탄화물을 제거하기 위해 후처리가 필수적인 문제점이 있었다.

도 3은 본 발명에 따른 소수성 패턴 형성 방법에 따른 결과를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명과 같이 UV 파장대역을 가지는 펨토초 레이저를 이용하여 금속의 표면(10)을 가공하는 경우, 버(Burr)의 형성 없이 음각 패턴으로 가공되어 결함 발생을 최소화할 수 있으며, 내구성 문제가 발생하지 않는 장점이 존재한다. 펨토초 레이저의 경우 시간이 다른 레이저에 비해 짧아서 열전달을 거의 하지 않으면서 가공하는 것이 가능하고, 고에너지로 날카롭게 가공하는 것이 가능하며, 버(burr) 현상을 억제할 수 있다.

도 4a 내지 도 4b는 파장대역에 따른 레이저 인가 결과를 설명하기 위한 도면이다.

일반적으로, 파장대가 낮을수록 높은 에너지가 전달되는 경향이 있다. IR 파장대역을 가지는 펨토초의 경우 짧은 펄스폭을 가지지만 에너지가 낮아 일부 용융풀(melting pool)이 발생하는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 UV 파장대역을 가지는 팸토초를 이용하여 금속의 표면패턴을 가공함으로써, 짧은 시간 동안 높은 에너지가 조사되어 표면에서 소재의 제거(ablation)가 일어나게 되어, 보다 효과적으로 소수성 패턴 가공을 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따라 레이저를 인가하는 패턴 형성 조건을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서는, 패턴 형성을 위한 조건으로 3가지 조건을 만족하도록 레이저를 가공하여 소수성 패턴을 가공할 수 있다.

도 5를 참조하면, 레이저를 통해 형성된 패턴 간의 간격을 피치(Pitch), 레이저를 통해 형성된 패턴의 길이(Width)를 너비, 레이저를 통해 형성된 패턴의 깊이(Depth) 간의 상관관계를 조절함으로써 소수성 패턴을 가공할 수 있다.

본 발명에서는, 패턴의 길이(Witdh)와 깊이(Depth)의 종횡비(Aspect ratio)가 1:1 내지 1:3의 범위를 만족하도록 레이저 가공을 수행할 수 있다. 본 발명에서는, 패턴의 길이(Witdh)와 피치(Pitch)의 비율이 1:1 내지 1:20의 범위를 만족하도록 레이저 가공을 수행할 수 있다. 본 발명에서는, 패턴 간의 간격인 피치(Pitch)의 범위가 20 내지 600um의 범위로 제공될 수 있다.

이와 같은 조건을 이용하여 금속의 표면에 소수성 패턴 처리를 수행할 수 있다. 즉 이와 같이 특정한 패턴 간격 및 종횡비를 가지도록 패턴 가공을 수행함으로써, 소수성 효과를 얻을 수 있으며, 공정 단축 효과 및 단일 공정으로 소수성 패턴 가공을 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 패턴 형성 조건에 따라 실험한 소수성 패턴 실험 결과를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 레이저를 이용하여 형성한 패턴 간격인 피치가 각각 60um, 80um, 100um, 120um인 조건으로 레이저 가공을 수행한 결과를 나타낸다.

도 6에 따르면, 피치가 100um인 경우 접촉각이 현저하게 높게 제공되는 것을 확인할 수 있다.

즉 본 발명에서는 버(Burr)를 억제함으로써 지속성을 향상시킬 수 있으며, 피치 간격을 넓혀 격면 구간을 가짐으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 금속

Claims

레이저를 이용하여 금속의 표면에 소수성 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 소수성 패턴 형성 방법에 있어서,
상기 레이저는 펨토초 레이저인 소수성 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 레이저는 UV 파장대역의 펨토초 레이저인 소수성 패턴 형성 방법.
제2항에 있어서,
레이저를 이용하여 금속 표면에 소수성 패턴을 형성하는 단계;는,
상기 레이저를 이용하여 형성하는 패턴 간의 간격인 피치를 20 내지 600um 범위에서 형성하는 소수성 패턴 형성 방법.
제3항에 있어서,
상기 레이저를 이용하여 형성하는 패턴의 너비와 상기 피치의 비율이 1:1 내지 1:20을 만족하는 범위에서 형성하는 소수성 패턴 형성 방법.
제4항에 있어서,
상기 너비와 상기 레이저를 이용하여 형성하는 패턴의 종횡비는 1:1 내지 1:3을 만족하는 범위에서 형성하는 소수성 패턴 형성 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소수성 패턴이 형성된 금속 표면 상에 세척 및 열처리를 수행하는 단계;를 더 포함하는 소수성 패턴 형성 방법.