d-PMMA(deuterated poly(methyl methacrylate)) 박막 표면의 친수성을 향상시키기 위해 산소 플라즈마에 노출시켰다. 이 때 모든 조건은 동일하며, 플라즈마에 대한 노출 시간만을 0초에서 180초까지 변화를 주어 노출 시간에 대한 영향을 접촉각과 X-ray 반사율 장치, 중성자 반사율 장치, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용해 조사하였다. 노출 시간이 증가할수록 물 접촉각은 작아지며, 산소의 조성은 커짐을 확인함으로써 산소의 조성이 친수성 향상에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 또한, X-ray 반사율 장치를 이용해 얻은 에칭률을 통해서 d-PMMA 박막에 대한 산소 플라즈마의 노출 시간에 따른 물리적 특성을 연구하였으며, X-ray 반사율과 중성자 반사율, 그리고 XPS 측정 결과로부터 산소와 탄소의 조성뿐만 아니라 수소의 조성까지도 얻음으로써 플라즈마 처리된 박막의 화학적 성질을 보다 자세히 연구할 수 있었다.
d-PMMA(deuterated poly(methyl methacrylate)) 박막 표면의 친수성을 향상시키기 위해 산소 플라즈마에 노출시켰다. 이 때 모든 조건은 동일하며, 플라즈마에 대한 노출 시간만을 0초에서 180초까지 변화를 주어 노출 시간에 대한 영향을 접촉각과 X-ray 반사율 장치, 중성자 반사율 장치, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용해 조사하였다. 노출 시간이 증가할수록 물 접촉각은 작아지며, 산소의 조성은 커짐을 확인함으로써 산소의 조성이 친수성 향상에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 또한, X-ray 반사율 장치를 이용해 얻은 에칭률을 통해서 d-PMMA 박막에 대한 산소 플라즈마의 노출 시간에 따른 물리적 특성을 연구하였으며, X-ray 반사율과 중성자 반사율, 그리고 XPS 측정 결과로부터 산소와 탄소의 조성뿐만 아니라 수소의 조성까지도 얻음으로써 플라즈마 처리된 박막의 화학적 성질을 보다 자세히 연구할 수 있었다.
In order to improve the hydrophilic property on the surface of d-PMMA(deuterated poly-(methyl methacrylate)) film, it was exposed to oxygen plasma, All experimental conditions were same except to plasma exposure time that was varied from 0 to 180 s, The effects according to the exposure time were id...
In order to improve the hydrophilic property on the surface of d-PMMA(deuterated poly-(methyl methacrylate)) film, it was exposed to oxygen plasma, All experimental conditions were same except to plasma exposure time that was varied from 0 to 180 s, The effects according to the exposure time were identified using contact angles, X-ray reflectometer(XRR), neutron reflectometer(NR), and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). By confirming that as the exposure time increases, water contact angle decreases while the composition of oxygen increases, it was confirmed that the composition of oxygen has a huge influence on improving the hydrophilic property. The physical characters as a function of the exposure time were investigated by the XRR. By analyzing complementally the results of the XRR, NR, and XPS, more detailed chemical bonding conditions were studied by obtaining not only composition of the carbon and oxygen but that of the hydrogen.
In order to improve the hydrophilic property on the surface of d-PMMA(deuterated poly-(methyl methacrylate)) film, it was exposed to oxygen plasma, All experimental conditions were same except to plasma exposure time that was varied from 0 to 180 s, The effects according to the exposure time were identified using contact angles, X-ray reflectometer(XRR), neutron reflectometer(NR), and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). By confirming that as the exposure time increases, water contact angle decreases while the composition of oxygen increases, it was confirmed that the composition of oxygen has a huge influence on improving the hydrophilic property. The physical characters as a function of the exposure time were investigated by the XRR. By analyzing complementally the results of the XRR, NR, and XPS, more detailed chemical bonding conditions were studied by obtaining not only composition of the carbon and oxygen but that of the hydrogen.
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제안 방법
PMMA는 중성자 반사율 측정을 염두하여 중성자와의 반응성이 보다 좋은 수소를 중수소로 치환한 deuterated poly (methyl methacrylate) (d-PMMA) 를 이용하였다 d-PMMA를 chloroform에 각각 0.5%의 농도로 제조하여 0.45 pm 여과기를 이용하여 여과한 후 2X2 cm의 실리콘 웨이퍼 위에 1000 rpm의 속도로 1분간 스핀 코팅하였고 중성자 반사율 측정용 샘플을 위해서 특별히 3 인치의 실리콘 웨이퍼를 이용해 같은 방법으로 cZ-PMMA 박막을 제작하였다. 스핀 코팅 전에 웨이퍼 위의 유기물을 제거하기 위해 불산과 증류수를 각각 1:3으로 섞은 용액에 10분간 담근 후 3분 동안 DI water를 흘려준 후, 질소 가스를 이용해 웨이퍼에 존재할 잔류 액체를 제거하는 세척 과정을 수행하였다.
d-PMMA를 산소 플라즈마에0초부터 180초까지의 노출 시간에 따라 노출시켜 변화되는 물성을 접촉각과 XPS, X-ray 반사율 장치, 중성자 반사율 장치 등을 이용해 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
개질된 표면의 원소 조합와 화학 결합 상태를알아보기 위해 XFS를 측정하였다. Table 2는 노출 시간에 따라 탄소, 산소 그리고 규소의 원소 조성비를 보여주고 있다.
반사율 측정을 위해 X-ray와 중성자 빔을 각각 이용하였다. X-ray 반사율 측정은 포항 방사광 가속기연구소의 3C2 빔라인Q=1.
3,4 물리적인표면 개질의 대표적인 방법으로는 플라즈마 처리, 5-7 이온 주입, * 코로나 처리, UV 처리12 등의 기술을 이용한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 플라즈마 처리 방식을 이용하여 표면 개질하였으며, 이때 쓰이는 플라즈마원으로는 라디오 주파수를 이용하였다. 라디오주파수는 전하를 띠고 있는 입자의 농도가 높으며 균일한 플라즈마를 생성하기 때문에 표면 개질을 위해 가장 많이 쓰이고 있다.
45 pm 여과기를 이용하여 여과한 후 2X2 cm의 실리콘 웨이퍼 위에 1000 rpm의 속도로 1분간 스핀 코팅하였고 중성자 반사율 측정용 샘플을 위해서 특별히 3 인치의 실리콘 웨이퍼를 이용해 같은 방법으로 cZ-PMMA 박막을 제작하였다. 스핀 코팅 전에 웨이퍼 위의 유기물을 제거하기 위해 불산과 증류수를 각각 1:3으로 섞은 용액에 10분간 담근 후 3분 동안 DI water를 흘려준 후, 질소 가스를 이용해 웨이퍼에 존재할 잔류 액체를 제거하는 세척 과정을 수행하였다. 스핀 코팅 후에는 박막 내에 존재하는 chloroform을 제거하고 생성된 박막의 아닐링을 위해서 오븐에서 140도로 1시간동안 건조하였다 이렇게 해서 제작된 d-PMMA 박막을 X-ray 반사율 장치를 이용해 측정된 두께는 약 600 A이다.
보여주고 있다. 에칭률은 X-ray 반사율 측정 장치를 통해 측정된 박막의 두께를 이용하여 계산하였다. 20초를 정점으로 20초까지는 에칭률이 증가를 하다가 이 후에는 노출 시간이 증가할수록 감소함을 볼 수 있다.
접촉각은 샘플을 플라즈마에 처리한 후 바로 측정하였으며 static sessile drop 방법에 의해 증류수 5 μL를 한 샘플에 대해 각각 세 번 떨어뜨린 값의 평균을 내어 측정 비교하였다.
플라즈마 처리되어 개질된 박막 표면의 화학적인 조성을 알아보기 위해 XPSCESCALAB 250 XPS Spectrometer, VG ScientificsX 이용해 측정하였다. 측정시 take-off anglee 90º이며, 150 W의 단색화된 A1-&를 이용하였다 이때 spot size는 500 呻이다
이용하였다. 플라즈마에 노출된 시간에 따라 X-ray 반사율장치, 중넝자 반사율 장치, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 등을 이용하여 에칭률과 원소 조성비, 그리고 화학결합상태 등을 조사하였다.
대상 데이터
빔을 각각 이용하였다. X-ray 반사율 측정은 포항 방사광 가속기연구소의 3C2 빔라인Q=1.54 A) 에서 수행하였고 중성자 반사율 측정은 한국원자력연구원의 연구용 원자로인 '하나로, 에 설치되어 있는 REF-VQ=2.459 A) 에서 수행하였다.
보여주고 있다. 플라즈마 발생에 필요한 라디오 주파수는 13.56MHz의 주파수를 갖는 플라즈마 제너레이터 (YOUNGSIN ENG, YSE-06s)를 이용해 공급하였으며, 이때 플라즈마 파워는 20 W로 고정하여 인가하였다. 챔버 내의 진공을 유지하기 위해서 로타리 펌프를 이용하였고 기본 압력은 8 mtorr로 하였다.
이론/모형
Figure 4. Depth profile of the modified thin film obtained using the neutron reflectometry.
본 연구에서는 시료의 표면 개질을 위해 플라즈마 방식 중에 CCP (capacitively coupled plasma) 방식을 이용하였고 방전 기체로서는산소를 이용하였다. 플라즈마에 노출된 시간에 따라 X-ray 반사율장치, 중넝자 반사율 장치, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 등을 이용하여 에칭률과 원소 조성비, 그리고 화학결합상태 등을 조사하였다.
성능/효과
1) 접촉각과 XPS 분석 결과, 산소 플라즈마 노출 시간이 증가함에 따라 접촉각은 감소하고 산소의 조성은 증가함으로써 산소가 친수성에 기여함을 확인하였다.
2) 노줄 초기에는 에칭 반응이 우세하게 일어나고, 특정 노줄 시간 이후에는 박막 표면에서는 가교 반응이, 벌크에서는 분해가 우세하게 일어남을 확인하였다.
3) 산소 플라즈마에 100초 노출시에 개질된 박막 표면의 조성을 XPS와 X-ray 반사율 장치 그리고 중성자 반사율 장치를 상호 보완하여 분석한 결과 화학 조성이 CQo.5Di.38Sitm임을 확인하였다. 감사의 글: 본 연구는 교육과학기술부에 의해 지원되는 원자력 연구개발사업 및 POSTECH와 교육과학기술부에 의해 지원되는 포항가속기연구소의 방사광 실험 시설에서 수행되었다.
하지만 중^자의 경우에는 X-ray와는 달리 재료의 핵과 싱호작용을 함으로써 탄소 수소 산소 등의 가벼운 원소로 구성된 고분자에 대해 X-ray보다 민감하게 반응할 뿐만 아니라, 수소를 중수소로 치환한 재료의 경우 중성자에 대해 수소보다 중수소의 반응 단면적이 커서 보다 더 민감해진다. 따라서, 본 연구에서 이용한 PMMA의 수소를 중수소화시킨 샘플에 대해 보다 민감한 중성자는 박막 내부에서 일어나는 변화를 X-ray보다 민감하게 감지함으로써 그러한 결과가 나타난다고 할 수 있다. Table 1을 보면 계면의 거칠기가 상대적으로 큰 값을 보이고 있다.
9, 7, 13%로 증가함을 볼 수 있다. 이를 통해 산소가 증가하면할수록 #PMMA 박막 표면의 케톤기와 알데히드기 등의 산소를 포함하는 극성기들이 증가를 함으로써 물성이 친수성으로 변함을 확인할 수 있다. Figure 6은 각 노출시간에 따른 Cis 피크를 chemical shift에 따라 피크 분리한 것으로 이를 통해서 노출 시간이 증가할수록 케톤기와 알데히드기 등의 피크 강도가 세짐을 확인할 수 있다.
6°, 60 초에서 14°, 180초에서 8°로 서서히 감소함을 볼 수 있다. 이를 통해산소 플라즈마에 대한 노출 시간이 길어짐에 따라 cFPMMA 박막표면이 소수성에서 친수성의 표면으로 개질됨을 확인할 수 있다.
Table 2는 노출 시간에 따라 탄소, 산소 그리고 규소의 원소 조성비를 보여주고 있다. 표를 보게 되면탄소의 경우에는 30초 노출시 69.2%, 100초 노출시 62.2%, 150초노출시 55%로 노출 시간이 길어질수록 탄소가 감소함을 볼 수 있으며, 산소와 규소의 경우에는 노출 시간에 따라 각각 25.9, 30.8, 32 와 4.9, 7, 13%로 증가함을 볼 수 있다. 이를 통해 산소가 증가하면할수록 #PMMA 박막 표면의 케톤기와 알데히드기 등의 산소를 포함하는 극성기들이 증가를 함으로써 물성이 친수성으로 변함을 확인할 수 있다.
참고문헌 (14)
M. C. Coen, R. Lehmann, P. Groening, and L. Schlabach, Appl. Surf. Sci., 207, 276 (2003)
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