[논문]양극산화 알루미늄막을 이용한 나노패턴 성형용 금형제작에 대한 연구

오정길; 김종선; 강정진; 김종덕; 윤경환; 황철진

doi:10.5228/kspp.2010.19.2.073

양극산화 알루미늄막을 이용한 나노패턴 성형용 금형제작에 대한 연구
A Study on the Fabrication of Nano-Pattern Mold Using Anodic Aluminum Oxide Membrane 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.2 = no.116, 2010년, pp.73 - 78

오정길 (한국생산기술연구원 융합생산기술연구부) , 김종선 (한국생산기술연구원 금형기술지원센터) , 강정진 (한국생산기술연구원 융합생산기술연구부) , 김종덕 (한국생산기술연구원 금형기술지원센터) , 윤경환 (단국대학교 기계공학과) , 황철진 ((주)마이크로몰드 부설연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many researches on the development of super-hydrophobic surface have been concentrated on the fabrication of nano-patterned products. Nano-patterned mold is a key to replicate nano-patterned products by mass production process such as injection molding and UV molding. The present paper proposes the new fabricating method of nano-patterned mold at low cost. The nano-patterned mold was fabricated by electroforming the anodic aluminum oxide membrane filled with UV curable resin in nano-hole by capillary phenomenon. As a result, the final mold with nano-patterns which have the holes with the diameter of 100~200 nm was fabricated. Furthermore, the UV-molded products with clear nano- patterns which have the pillars with the diameter of 100~200nm were achieved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 소수성표면에 적용할 수 있는 나노패턴 성형을 위해서 양극산화알루미늄(AAO)을 전주하여 니켈 금형으로 복제하였으며, 이를 통해 값싸고 대량생산기술 적용이 가능한 나노패턴 금형을 제작할 수 있음을 보였다.
본 연구에서는 초소수성표면 및 반사방지표면에 필요한 나노패턴 성형을 위해서 양극산화알루미늄을 전주하여 니켈 금형으로 복제하였으며, 이를 통해 값싼 나노패턴 금형을 제작하고 대량생산기술에 적용하고자 하였다.

제안 방법

SEM촬영 결과 Fig. 11과 같이 나노 패턴 평균직경이 100~200nm 인 나노 기둥이 성형되었음을 알 수 있었으며, Table 1은 전주에 사용한 마스터, 마스터를 복제한 스탬퍼와 UV 성형을 통해 제작된 성형품의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진을 정리하였다.
UV 성형을 통해 제작된 나노 기둥을 가진 성형품과 동일한 공정으로 제작된 나노 기둥이 없는 성형품을 비교하기 위해 물에 의한 접촉각을 측정 하였다. 측정 결과 Fig.
10과 같이 제작한 금형 위에 자외선 경화수지를 도포한 후 유리로 약 20kPa의 균일한 압력을 가했다. 그리고 150mJ/cm2의 UV 광량으로 노광을 한 후 금형과 성형품을 이형하였다.
따라서 제작된 스탬퍼를 이용하여 전주공정을 수행하였다. SEM 촬영 결과 Fig.
6 과 같이 나노패턴 복제가 되었으나, 앞에서 설명한 실패 원인과 같이 마스터 나노 구멍의 직경에 비해 깊이가 너무 커서, 패턴이 쓰러지거나 끊어지는 현상이 발생되었다. 따라서, 마스터 나노 구멍의 깊이를 줄이는 방법으로 Fig. 7 에 도시한 것과 같이 자외선 경화수지(UV curable resin)를 이용하여 모세관 현상(capillary phenomenon)에 의해 마스터의 나노 구멍을 채우는 방법을 이용하였다.
5 (e)와 같이 니켈전착이 마스터 윗면에 넘치게 된다. 이때 계속 진행이 되면 각 나노 기둥에 넘친 부분이 메워지게 되면서 파터 스탬퍼가 제작이 될 것이라 예상하고 전주공정을 실시하였다.
전주공정을 통해 제작된 금형을 이용하여 UV성형하였다. Fig.

대상 데이터

금형 제작을 위해 Fig. 2에 나타낸 Whatman사의 ANODISCTM를 마스터로 활용하였다. 양극산화법에 의해 제작된 산화알루미늄 막(membrane)이며, 나노구멍의 직경은 100~200nm, 구멍의 깊이 50μm, 마스터의 전체 직경은 47mm이다.
본 연구에서는 저가의 나노패턴 금형을 제작하고자 알루미늄을 양극산화법(anodizing)으로 산화시켜 제작된 양극산화알루미늄(AAO, Anodic Aluminum Oxide)을 마스터로 사용하였다. 일반적인 산화알루미늄은 특정한 배열을 가지지 않으나, 양극산화법으로 제작된 산화알루미늄은 Fig.
양극산화법에 의해 제작된 산화알루미늄 막(membrane)이며, 나노구멍의 직경은 100~200nm, 구멍의 깊이 50μm, 마스터의 전체 직경은 47mm이다.

성능/효과

접촉각 측정 결과 양극산화알루미늄을 복제한 금형을 이용해 UV 성형한 성형품이 패턴이 없는 성형품 보다 약 25.6°증가되었음을 확인할 수 있었다.
측정 결과 Fig. 12와 같이 패턴이 없는 성형품의 경우 접촉각이 70.6°가 나왔으며, 제작한 금형으로 UV 성형되어 나노패턴이 있는 표면의 경우 접촉각이 96.2°로 증가되었다.
특히, 자외선 경화수지로 모세관 현상을 이용하여 나노 구멍의 깊이를 줄인 후 전주공정을 한 결과 최종적으로 나노 구멍의 직경이 100~200nm인 나노패턴을 가진 금형제작이 가능하였으며, UV 성형 결과 나노기둥의 직경이 100~200nm인 나노 패턴 성형품을 제작하였다.

후속연구

추후 소수성 기능 향상을 위해 본 논문에서 제작한 나노패턴 금형으로 마이크로 패턴 가공을 통해 나노-마이크로 패턴 금형제작에 대한 연구 및 성형성 향상을 위한 성형공정 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초소수성 표면을 갖기 위해서는 무엇이 필요한가?	이러한 기능 중에 최근 초소수성(super-hydrophobic) 기능을 가지는 표면 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 초소수성 표면을 가지기 위해서는 낮은 표면에너지를 갖는 물질과 높은 형상비의 나노 패턴 혹은 마이크로와 나노 크기가 혼합된 패턴이 필요하다[1,2].
	나노패턴 금형을 제작하는 대표적 기술은 무엇인가?	초소수성 기능을 갖는 제품을 사출성형(injection molding), UV 성형(UV-molding)으로 대량생산하기 위해서는 나노패턴 금형이 필요하며, 나노패턴 금형을 제작하는 대표적인 기술이 전주공정(electroforming)이다[3]. 전주공정으로 금형을 제작하기 위해서는 피전착체인 나노패턴 마스터(master)가 필요하며, 마스터를 제작하는 방식은 주로 전자빔리소그래피(E-beam lithography)를 사용하고 있으나 공정시간이 길고 고가의 공정비용 및 장비 유지비용의 문제점을 가지고 있다[4].
	양극산화알루미늄은 어떤 특정의 배열을 가지는가?	일반적인 산화알루미늄은 특정한 배열을 가지지 않으나, 양극산화법으로 제작된 산화알루미늄은 Fig. 1과 같이 벌집모양의 일정한 나노 크기의 구멍(nano-hole)들을 갖는다. 이러한 양극산화알루미늄은 제작공정이 쉽고 비용이 저렴하며 단일 패턴으로 패턴의 직경과 깊이의 조절이 가능하다[5].

참고문헌 (9)

A. Tuteja, W. Choi, M. Ma, J. A. Mabry, S. A. Mazzella, G. C. Rutledge, G. H. Mckinley, R. E. Cohen, 2007, Designing Superoleophobic Surfaces, Science, Vol. 318, pp. 1618-1622.

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X. Feng, L. Jang, 2006, Design and Creation of Superwetting/Antiwetting Surfaces, Adv. Mater., Vol. 18, pp. 3063-3078.

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T. Hart, A. Watson, 2007, Electroforming, Metal Finishing, Vol. 105, pp. 331-341.

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W. Menz, J. Mohr, O. Paul, 2004, Microsystem Technology, Germany : WILEY-VCH.
D. N. Lee, J. H. Lee, I. K. Kang, 1973, The Structure of Porous Anodic Oxide Films on Aluminum, Korea Institute of Science and Technology, pp. 348-354.
T. H. Kim, Y. E. Yoo, Y. H. Seo, H. J. Lee and Y. W. Park, A study on high aspect ratio of plastic nano hire molding, Journal of Korean Society of
A. YIN, M. Tzolov, D. Cardimona, L. Guo, J. Xu, 2007, Fabrication of highly ordered anodic aluminum oxide template on silicon substrates, IET Circuits Devices Syst., Vol. 1, pp. 205-209.

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S. H. Hong, J. H. Lee, H. Lee, 2007, Fabrication of 50nm patterned nickel stamp with hot embossing and electroforming process, Microelectronic Eng., Vol. 84, pp. 977-979

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H. S. Lee, D. S. Kim, T. H. Kwon, 2007, UV nano embossing for polymer nano structures with nontranspatent mold insert, Microsyst. Tech., Vol. 13, pp. 593-599.

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