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문제 정의
- 따라서 본 실험에서는 보통의 고주파 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 슬라이드 유리기판위에 PTFE 박막을 제작하고 이들의 발수 특성을 조사하기 위하여 인가 전력 (rf-power), 활성화 가스로서 Ar 가스의 유입량, 그리고 증착시간과 같은 다양한 공정 조건에서 PTFE 박막들을 제작하고, 이들의 광학적 특성과 표면 미세구조 (surface microsturcture)를 분석하여 PTFE 박막의 발수 특성을 최대화 할 수 있는 최적의 공정 조건을 제시하였다. 또한 이를 토대로 적절한 조건에서 제작된 PTFE 박막이 각종 디스플레이, 휴대폰, 스마트 폰 그리고 터치 패드와 같은 소자의 스크린 (screen)에 코팅되어있는 기능성 코팅 층 예를 들면, 무반사 코팅 층 (AR coating layer)의 보호막 또는 스크린에 지문과 먼지를 방지하기 위한 방오 코팅 (anti-fouling coating)층으로 응용할 수 있음을 보고한다.
제안 방법
- PTFE 박막 증착을 위한 기판으로는 25 × 70 mm2의 크기와 두께 2 mm의 직사각형 슬라이드 유리 (slide glass)를 증류수, 알코올 그리고 아세톤을 이용하여 연속적으로 초음파 세척하여 표면의 잔류 먼지 또는 유기물들을 제거하였다.
- PTFE 박막을 제작하기 위한 스퍼터링 타겟을 제작하기 위하여 F7 타입의 Solvay 사의 PTFE 분말을 볼밀 (Ball Mill)을 사용하여 2시간 동안 잘 저은 후, 다시 300℃의 공기 중에서 2시간 동안 소결시켰다. 소결된 분말은 11 N/m2의 압력에 의해 지름 2인치 두께 5 mm의 원판 형태의 펠렛 (pellet)으로 압착하였으며, 이 펠렛을 스퍼터링 타겟으로 사용하였다.
- )를 이용하였으며, 화학적 성분은 ULVAC-PHi사의 X-선 광전자 분광기 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 사용하여 각각 분석하였다. PTFE 박막의 표면 미세구조는 접촉각은 상온에서 측정하였으며, 매우 표준적이고 일반적으로 사용되는 실험 절차를 따랐다. 특히 발수 표면의 접촉각을 측정하기 위해서 5 μl양의 물방울을 박막위에 접촉시켰다.
- )과 FE-SEM 을 사용하였다. 그리고 PTFE 박막의 광학적 특성으로는 UV-Vis spectrophotometer (UV-Vis, Shimadzu Co.)를 사용하여 200 nm와 900 nm의 파장영역에서 광 투과도를 측정하였다.
- 그리고 PTFE 박막의 표면 형상 (surface morphology)은 Jeol 사의 전계방사형 주사전자현미경 (field emission scanning electron microscopy, FE-SEM)를 사용하여 분석하였으며, 증착된 PTFE 박막의 두께 측정은 α-step (Veeco Co.)과 FE-SEM 을 사용하였다.
- 선행실험으로 30～100 W의 인가전력에 따른 접촉각을 측정한 결과, 50 W일 때 가장 높게 나타났다. 따라서 본 실험에서 PTFE 박막의 발수 특성을 나타내기 위한 최적의 공정 조건을 찾기 위해, 스퍼터링시에 인가전력은 50 W로 고정하고 Ar 가스 분압 (10～50 sccm) 또는 증착시간 (10～40분)과 같은 다양한 공정 변수들을 적용하여 PTFE 박막들을 증착하였다. 증착된 박막의 발수 특성은 contact angle analyzer (Kruss Co.
- 따라서 PTFE 박막들의 표면에 형성되는 미세구조들은 증착률 아니면 박막 두께에 의존하는 것으로 사료된다. 본 실험에서는 이를 확실하게 규명하기 위하여, 인가전력과 Ar 가스 분압을 일정하게 고정시킨 후, 증착시간을 달리하여 PTFE 박막들의 두께를 다르게 제작하여 이들의 접촉각을 측정하였으며, 그 결과를 그림 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 유리 기판 위에 PTFE 박막을 제작하였다. 제작된 PTFE 박막들의 발수 특성은 인가전력 및 증착 시 Ar 가스 분압, 그리고 증착시간과 같은 공정 변수에 크게 의존하는 것이 확인 되었으며, 특히 증착된 PTFE 박막들의 발수 특성을 나타내는 접촉각은 증착된 PTFE 박막의 표면에 형성된 기하학적 미세구조 (geometrical microstructure)에 크게 의존하는 것을 알 수 있었다.
- 특히 발수 표면의 접촉각을 측정하기 위해서 5 μl양의 물방울을 박막위에 접촉시켰다.
대상 데이터
- PTFE 박막을 제작하기 위한 스퍼터링 타겟을 제작하기 위하여 F7 타입의 Solvay 사의 PTFE 분말을 볼밀 (Ball Mill)을 사용하여 2시간 동안 잘 저은 후, 다시 300℃의 공기 중에서 2시간 동안 소결시켰다. 소결된 분말은 11 N/m2의 압력에 의해 지름 2인치 두께 5 mm의 원판 형태의 펠렛 (pellet)으로 압착하였으며, 이 펠렛을 스퍼터링 타겟으로 사용하였다. PTFE 박막 증착을 위한 기판으로는 25 × 70 mm2의 크기와 두께 2 mm의 직사각형 슬라이드 유리 (slide glass)를 증류수, 알코올 그리고 아세톤을 이용하여 연속적으로 초음파 세척하여 표면의 잔류 먼지 또는 유기물들을 제거하였다.
이론/모형
- 따라서 본 실험에서 PTFE 박막의 발수 특성을 나타내기 위한 최적의 공정 조건을 찾기 위해, 스퍼터링시에 인가전력은 50 W로 고정하고 Ar 가스 분압 (10～50 sccm) 또는 증착시간 (10～40분)과 같은 다양한 공정 변수들을 적용하여 PTFE 박막들을 증착하였다. 증착된 박막의 발수 특성은 contact angle analyzer (Kruss Co.)를 이용하였으며, 화학적 성분은 ULVAC-PHi사의 X-선 광전자 분광기 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 사용하여 각각 분석하였다. PTFE 박막의 표면 미세구조는 접촉각은 상온에서 측정하였으며, 매우 표준적이고 일반적으로 사용되는 실험 절차를 따랐다.
성능/효과
- 30분 동안 증착된 PTFE 박막의 두께를 측정하기 위해 α-step과 FE-SEM으로 분석한 결과 1,950 nm로 측정되었다.
- Ar 양에 따른 PTFE 박막들의 광투과도 들은 그림 1(b)에 나타내었다. 400 nm 근처의 파장영역에서 Ar 양이 증가함에 따라 투과도 손실이나 자외선 영역에서 흡수단의 이동 (광학적 밴드갭의 변화)은 전혀 관측되지 않으며, 모든 박막들은 가시광 영역에서 평균 투과율 90% 이상의 매우 우수한 투명성을 나타낸다. 일반적으로 스퍼터링 증착 과정에서 인가전력이나 Ar 가스 분압과 같은 공정 변수들이 PTFE 박막 증착에 영향을 줄 수 있는 것은 증착률과 박막 두께를 들 수 있다.
- 제작된 PTFE 박막들의 발수 특성은 인가전력 및 증착 시 Ar 가스 분압, 그리고 증착시간과 같은 공정 변수에 크게 의존하는 것이 확인 되었으며, 특히 증착된 PTFE 박막들의 발수 특성을 나타내는 접촉각은 증착된 PTFE 박막의 표면에 형성된 기하학적 미세구조 (geometrical microstructure)에 크게 의존하는 것을 알 수 있었다. 또한 이 미세구조에 의한 최대 접촉각은 123o 로써 우수한 발수 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 뿐만 아니라 가시광 영역에서 평균 90% 이상의 높은 광투과율을 보여 줌으로써, 스퍼터링에 의해 성막된 PTFE 박막의 발수성과 높은 투과도을 이용하면, 다양한 터치 스크린의 지문 또는 먼지 방지를 위한 방오 코팅 층 (anti-fouling coating layer)으로 적용할 수 있음을 제안한다.
- 본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 유리 기판 위에 PTFE 박막을 제작하였다. 제작된 PTFE 박막들의 발수 특성은 인가전력 및 증착 시 Ar 가스 분압, 그리고 증착시간과 같은 공정 변수에 크게 의존하는 것이 확인 되었으며, 특히 증착된 PTFE 박막들의 발수 특성을 나타내는 접촉각은 증착된 PTFE 박막의 표면에 형성된 기하학적 미세구조 (geometrical microstructure)에 크게 의존하는 것을 알 수 있었다. 또한 이 미세구조에 의한 최대 접촉각은 123o 로써 우수한 발수 특성을 나타내는 것으로 확인되었다.
- 그림 2(a)는 유리기판 위에 20 sccm의 Ar 가스량과 50 W의 인가전력을 유지하면서 증착 시간의 변화에 따라 제작된 PTFE 박막들의 접촉각을 나타낸 것이다. 증착시간이 10분에서 30분으로 증가함에 따라 즉, 박막 두께가 두꺼워 질수록 PTFE 박막들의 접촉각은 크게 증가하며, 증착 시간이 40분일 경우에는 30분 일때와 거의 유사한 값을 가졌다. 30분 동안 증착된 PTFE 박막의 두께를 측정하기 위해 α-step과 FE-SEM으로 분석한 결과 1,950 nm로 측정되었다.
- 그림 3은 그림 2의 PTFE 박막들에 대해서 증착시간이 각각 (a) 10분, (b) 20분, (c) 30분 그리고 (d) 40분인 박막들의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 증착시간이 30분 이상인 PTFE 박막들의 표면에서 뚜렷한 미세 구조들이 관측되었으며, 접촉각은 120o 이상을 나타내었는데 증착 시간이 길어질수록 유사한 접촉각의 값을 나타내었다. 이는 일정한 사이즈의 미세구조들이 형성 되었다면 증착시간에는 차이가 없는 것으로 사료된다.
후속연구
- 또한 이 미세구조에 의한 최대 접촉각은 123o 로써 우수한 발수 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 뿐만 아니라 가시광 영역에서 평균 90% 이상의 높은 광투과율을 보여 줌으로써, 스퍼터링에 의해 성막된 PTFE 박막의 발수성과 높은 투과도을 이용하면, 다양한 터치 스크린의 지문 또는 먼지 방지를 위한 방오 코팅 층 (anti-fouling coating layer)으로 적용할 수 있음을 제안한다.
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