[논문]UV 레이저를 이용한 폴리이미드 표면 개질에 관한 연구

오재용; 이정한; 박덕수; 신보성

UV 레이저를 이용한 폴리이미드 표면 개질에 관한 연구
Polyimide Surface Modification using UV Laser 원문보기

In this paper, polyimide (PI) surface was modified by UV Laser with a low laser fluence and investigated changes of surface geometry and chemical characteristics by SEM (scanning electron microscope), X-ray diffraction (XRD), XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) and the measurements of contact angle of water. PI surface was peeled off and modified with microstructure fabrications by photochemical ablation over the laser fluence of 50 mJ/cm2. As laser fluence increased, delamination of PI surface was occurred largely and strongly. In chemical characteristics, the O/C and N/C atomic ratios increased and contact angle decreased from $80^{\circ}$ to $40^{\circ}$.

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문제 정의

본 논문에서는 355nm UV 레이저를 이용하여 PI의 표면 개질을 수행하였으며 표면의 기하학적 형상 변화와 화학적 변화를 실험적으로 분석하였다. 레이저 플루언스 50mJ/cm² 이상에서 광화학적 분해에 의한 표면 박리 현상이 관찰되었으며 여러 층의 박리된 표면이 솟아올라 뭉쳐지기도 하였다.

제안 방법

UV 영역의 단파장을 사용할 경우 광화학적 반응이 지배적으로 나타나고 나노 스케일의 표면 요철이 생성되며, IR 영역의 장파장을 사용할 경우 광열적 현상에 의해 표면이 엉켜진 듯한 복잡한 형상이 나타난다.^{3, 6-9} 본 논문에서는 355nm DPSS(diode pumped solid state) 나노초펄스 레이저를 이용하여 PI 표면에 광화학적 어블레이션이 유도되기 시작하는 임계값 보다 낮은 에너지의 UV 레이저를 조사하여 표면을 개질하고자 하였으며 이를 실험적으로 분석하였다.
PI 표면 개질 현상의 화학적 변화를 분석하기 위하여 XRD, XPS 그리고 물에 대한 접촉각 측정을 하였다. Fig.
UV 레이저에 의해 개질된 PI의 표면을 SEM으로 관찰하였다. 선행 연구 결과 355nm 나노초 레이저에 의해 PI에 광화학적 어블레이션이 발생하는 임계값은 약 100mJ/cm² 로,¹¹ Fig.
빔직경(spot size)은 약 100μm 조정하여 10μm 간격으로 중첩하여 레이저를 조사하였으며, 실험은 대기 중 실온 상태에서 이루어졌다. 레이저 플루언스를 변화시키며 개질된 표면을 SEM, XRD 그리고 XPS를 이용하여 표면형상 및 화학적 변화를 측정하였다.
빔직경(spot size)은 약 100μm 조정하여 10μm 간격으로 중첩하여 레이저를 조사하였으며, 실험은 대기 중 실온 상태에서 이루어졌다.

대상 데이터

본 실험에서사용된 UV 레이저는 DPSS 타입으로 파장 355nm, 펄스폭 20ns 그리고 빔모드는 TEM₀₀이다. 시스템 구성은 Fig.

성능/효과

3과 같다. 400nm 이하의 UV 파장대에서 흡수율이 95%이상으로 매우 높게 나타났으며, 이는 본 연구에 사용된 355nm레이저가 PI 표면에 대부분 흡수되기 때문에 표면개질을 하기 위해 매우 적합함을 알 수 있다.
이러한 박리 현상은 PI의 분자 구조가 층상 배열이기 때문으로 유추된다. XRD 측정 결과 일부 결정화 영역의 감소가 나타났으며 XPS 측정 결과 O1s와 N1s 피크가 상대적으로 증가하고 C1s는 감소함을 알 수 있었다. 이러한 기하학적/화학적 변화로 인해 표면의 접촉각은 80°에서 40°로 약 50%정도 감소하였다.
개질되지 않은 PI 표면의 접촉각은 약 80°였으며 높은 레이저 플루언스에 의해 표면 개질이 많이 이루어질수록 접촉각은 줄어들어 40°까지 감소되었다.

후속연구

O1s와 N1s 피크가 상대적으로 증가하고 C1s는 감소하였으며, 이는 C-C, C-N, C=O 결합이 감소되고 C-O 결합이 증가되는 기존의 연구 결과들과 유사하다.^7-9 이러한 결합 사슬의 분해는 PI 고분자의 단위체 내부에서 일어나는 현상으로 본 실험에서 관측된 박리 현상을 규명하기 위해서는 추가로 PI의 분자구조에 대한 분석이 필요하다. 앞선 Fig.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

PI란 무엇인가?

PI는 이미드기(imide group)를 포함하고 있는 무정형(amorphous) 고분자로 분자 구조는 Fig. 2와 같다.

레이저에 의한 방법이 갖고 있는 환경적인 측면에서의 장점은 무엇인가?

이 중 레이저에 의한 방법은 분자와 광자간의 광화학적(photo-chemical) 분해를 이용한 것으로 표면의 거칠기를 증가시키고 폴리머 체인을 절단시키거나 새로운 화학 결합을 형성하여 친수성 기능기를 증가시킨다. 그리고 일반 대기 중에서 이루어지며 화학 용액을 쓰지 않고 세정 등의 별도의 추가 공정이 필요 없기 때문에 공정이 간단하고 친환경적이다.1-5

PI가 갖고 있는 문제점은?

PI(polyimide)는 열적, 화학적 안정성이 높고 기계적 특성이 우수하여 연성회로기판(flexible printed circuit board, FPCB), 플렉서블 디스플레이(flexible display) 등 전기, 전자 부품에 폭넓게 응용되고 있다. 그러나 PI의 우수한 특성에도 불구하고 소수성 표면이 금속과의 접착력을 약하게 하는 문제점이 있기 때문에 이온빔, 플라즈마, 레이저 혹은 화학적 습식 처리를 통한 표면처리 기술이 필수적으로 요구된다. 이 중 레이저에 의한 방법은 분자와 광자간의 광화학적(photo-chemical) 분해를 이용한 것으로 표면의 거칠기를 증가시키고 폴리머 체인을 절단시키거나 새로운 화학 결합을 형성하여 친수성 기능기를 증가시킨다.

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