선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 이방성 젖음을 소유성 표면에서도 가질 수 있도록 하기 위하여 그루브 형상 위에 버섯 형상의 상단층(Top layer)을 가지는 구조물을 제작하였고, 이는 실리콘 웨이퍼 위에 일반적인 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 공정을 이용하여 제작하였다. 상단층의 간격과 상단층의 두께 및 기둥의 높이가 접촉각에 미치는 영향을 파악하기 위해서 다섯 가지의 상단층의 간격, 두 가지의 상단층 두께, 두 가지의 기둥의 높이를 가지는 시편들을 제작한 후, 그루브 구조물의 길이 방향과 평행 및 수직한 방향에서 접촉각을 측정하였다.
제안 방법
- 2에 도시하였으며, 다음과 같은 공정을 진행하였다.(110) 4인치 단결정 실리콘 웨이퍼에 두께가 다른 두 종류의 버섯 구조물 상단층 형성을 위하여, 한 웨이퍼는 열산화(Thermal oxidation) 공정을 통해 900 nm 두께의 산화막을 성장시켰고, 다른 한 웨이퍼는 감압 화학기상 증착(LPCVD; Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 100 nm 두께의 질화막을 증착하였다. 각각의 웨이퍼에 포토리소그라피 공정을 진행하였는데, HMDS(Hexamethyldisilazane) 용액을 스핀 코팅한 후산화막이 성장된 웨이퍼는 양성 감광제인 AZ 4330 PR을, 질화막 웨이퍼의 경우 AZ gxr 601 PR을 스핀 코팅하였다.
- Fig. 5에서 볼 수 있듯이 실리콘 산화막과 질화막의 평탄 표면에 화학적 처리방법과 기하학적 구조물을 형성하는 방법이 접촉각에 미치는 영향을 확인하였다. 산화막과 질화막의 평탄 표면에서의 접촉각은 각각 39°, 15°로 차이가 있었지만 표면에 실레인을 이용한 화학적 처리를 진행한 결과 두 표면 모두 약 100° 정도의 같은 접촉각을 나타내었다.
- (110) 4인치 단결정 실리콘 웨이퍼에 두께가 다른 두 종류의 버섯 구조물 상단층 형성을 위하여, 한 웨이퍼는 열산화(Thermal oxidation) 공정을 통해 900 nm 두께의 산화막을 성장시켰고, 다른 한 웨이퍼는 감압 화학기상 증착(LPCVD; Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 100 nm 두께의 질화막을 증착하였다. 각각의 웨이퍼에 포토리소그라피 공정을 진행하였는데, HMDS(Hexamethyldisilazane) 용액을 스핀 코팅한 후산화막이 성장된 웨이퍼는 양성 감광제인 AZ 4330 PR을, 질화막 웨이퍼의 경우 AZ gxr 601 PR을 스핀 코팅하였다. 웨이퍼의 초벌구이(Soft bake)는 각각 100°C에서 2분 45초와 50초간 진행한 후 노광 공정과 현상공정을 진행하였다.
- 본 연구에서 hexadecane 액적은 버섯 형상의 그루브 구조물의 방향에 따라 이방성 젖음 특성을 보이기 때문에 그루브 구조물의 길이 방향과 평행 및 수직한 방향에 대해 각각 접촉각을 측정하였다. 또한 액적 형상의 이방성 젖음을 확인하기 위하여 hexadecane 액적의 위쪽에서 측정한 광학현미경 사진을 통해 각 type의 시편의 액적 형상을 비교하였다. Fig.
- 마이크로 피펫을 이용하여 hexadecane 액적의 용량을 5 μl로 고정하여 시편 위에 떨어뜨린 후 측면에서 측정한 광학현미경 사진을 측정 프로그램을 이용하여 접촉각 측정을 진행하였다.
- 버섯 형상에 관여하는 변수인 상단층의 간격, 기둥의 폭, 상단층의 두께, 기둥의 높이가 유기성 용매인 hexadecane 액적의 접촉각에 미치는 영향을 파악하기 위하여 type별 시편의 접촉각 결과를 비교 분석하였다. 각 결과는 동일조건의 시편 위에서 임의의 3지점에 대한 접촉각을 측정한 평균값으로 하였다.
- 본 연구에서 hexadecane 액적은 버섯 형상의 그루브 구조물의 방향에 따라 이방성 젖음 특성을 보이기 때문에 그루브 구조물의 길이 방향과 평행 및 수직한 방향에 대해 각각 접촉각을 측정하였다. 또한 액적 형상의 이방성 젖음을 확인하기 위하여 hexadecane 액적의 위쪽에서 측정한 광학현미경 사진을 통해 각 type의 시편의 액적 형상을 비교하였다.
- 본 연구에서는 이방성 젖음을 소유성 표면에서도 가질 수 있도록 하기 위하여 그루브 형상 위에 버섯 형상의 상단층(Top layer)을 가지는 구조물을 제작하였고, 이는 실리콘 웨이퍼 위에 일반적인 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 공정을 이용하여 제작하였다. 상단층의 간격과 상단층의 두께 및 기둥의 높이가 접촉각에 미치는 영향을 파악하기 위해서 다섯 가지의 상단층의 간격, 두 가지의 상단층 두께, 두 가지의 기둥의 높이를 가지는 시편들을 제작한 후, 그루브 구조물의 길이 방향과 평행 및 수직한 방향에서 접촉각을 측정하였다.
- 실리콘 웨이퍼 위에 버섯 형상을 가지는 마이크로 구조물을 제작하기 위하여 포토리소그라피(Photolithography), 반응성 이온 식각(RIE; Reactive Ion Etching), 이방성 습식 식각 공정을 순차적으로 진행하였다. 본 연구에서 제안하는 제작과정은 Fig.
- 이방성 습식 식각 과정에서 사용된 TMAH 용액의 온도는 85°C로 고정하였다. 완성된 구조물의 표면이 화학적으로 소유성 성질을 가지도록 하기 위해 실레인(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrichlorosilane) 코팅을 진행하였다. 5 μl의 실레인을 시편과 함께 진공 챔버에 넣은 후 로터리 펌프를 이용하여 5분간 진공을 유지시키며 코팅을 하였다.
- 웨이퍼의 초벌구이(Soft bake)는 각각 100°C에서 2분 45초와 50초간 진행한 후 노광 공정과 현상공정을 진행하였다.
- 웨이퍼의 초벌구이(Soft bake)는 각각 100°C에서 2분 45초와 50초간 진행한 후 노광 공정과 현상공정을 진행하였다. 전사된 감광제 패턴 이외의 산화막층 및 질화막층은 반응성 이온 식각공정을 통해 식각한 후 아세톤 용액을 이용하여 남아있는 감광제를 제거하였다.
대상 데이터
- 상단층의 폭은 산화막과 질화막 시편 모두에 대해 11 μm로 고정하였다. 구조물의 기하학적 변수의 변화가 접촉각에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다양한 치수를 가지는 4가지 type의 시편들을 제작하였다. Table 1에 각각의 type의 시편이 가지는 값들을 나타내었다.
- 본 연구에서는 산화막과 질화막의 버섯 형상 상단층을 가지는 그루브 구조물을 일반적인 MEMS 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 제작하였다. 기둥의 폭이 hexadecane의 접촉각에 미치는 영향은 크지 않았다.
- 실리콘 웨이퍼의 이방성 습식 식각(Anisotropic wet etching) 공정은 TMAH(Tetramethyl ammounium hydroxide) 용액을 이용하였다. 이때 IPA(Isopropyl alcohol) 용액의 첨가 비율을 변화시킴으로써 실리콘 웨이퍼의 결정 방향에 따른 식각비 (110)/(111)를 조절할 수 있었다.
- 제작된 버섯 형상을 가지는 그루브 구조물의 접촉각 측정은 측각기(KSV CAM-200)를 사용하였고, 측정 시 사용된 유기성 용매는 hexadecane을 사용하였다. 마이크로 피펫을 이용하여 hexadecane 액적의 용량을 5 μl로 고정하여 시편 위에 떨어뜨린 후 측면에서 측정한 광학현미경 사진을 측정 프로그램을 이용하여 접촉각 측정을 진행하였다.
데이터처리
- 버섯 형상에 관여하는 변수인 상단층의 간격, 기둥의 폭, 상단층의 두께, 기둥의 높이가 유기성 용매인 hexadecane 액적의 접촉각에 미치는 영향을 파악하기 위하여 type별 시편의 접촉각 결과를 비교 분석하였다. 각 결과는 동일조건의 시편 위에서 임의의 3지점에 대한 접촉각을 측정한 평균값으로 하였다.
성능/효과
- 그러나, 버섯 형상의 상단층 간격이 넓어질수록 고체와 액체간의 접촉 면적이 줄어들어 소수성 패턴의 연구결과와 마찬가지로 Cassie 상태에 있는 hexadecane의 접촉각은 크게 증가 하여 최대 161.7°의 초소유성을 보여주었으며, 액적 형상의 이방성 젖음 특성이 줄어들었다.
- 기둥의 폭 (a)이 5.5 μm인 경우 9 μm인 경우보다 수직한 방향 및 평행한 방향에서 측정한 접촉각이 각각 평균 2.88°, 2.32° 상승한 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 버섯 형상을 가지는 구조물을 형성하였을 때 0.9 μm 두께의 산화막 상단층을 가지는 시편의 경우 최대 161.7°의 접촉각을 나타냈으며 0.1 μm 두께의 질화막 상단층을 가지는 시편의 경우 역시 최대 150° 이상의 접촉각의 나타내어 초소유성 성질이 나타났다.
- 위 논문들은 상단층의 형상이 유기성 용매가 준평형 상태로 존재하게 하는 인자로 작용하며 pinning되는 정도를 결정한다고 보고하였다. 본 연구에서의 결과에 따르면 상단층의 간격이 넓어질 경우 유기성 용매가 중력의 영향으로 처지는 힘이 상승하게 되고, 이때 상단층의 두께가 100 nm 이하일 경우 상단층과 유기성 용매 사이에서 준평형 상태가 유지되지 못하고 접촉각이 급격하게 낮아지는 현상을 보였다. 즉, 유기성 용매는 고체면을 따라서 pinning이 발생하고, 구조물의 내부로 침투하여 접촉각이 크게 낮아지는 현상이 발생한 것으로 판단된다.
- 산화막과 질화막의 평탄 표면에서의 접촉각은 각각 39°, 15°로 차이가 있었지만 표면에 실레인을 이용한 화학적 처리를 진행한 결과 두 표면 모두 약 100° 정도의 같은 접촉각을 나타내었다.
- 상단층의 간격이 증가할수록 액체의 형상 이방성 젖음 특성은 사라지며 접촉각이 향상되었지만 형상 이방성 특성이 가장 작게 나타나는 초소유성 구조물 위에 hexadecane 액적을 떨어뜨린 후기울였을 때 액적의 흐름 특성은 여전히 그루브 구조물의 길이 방향에 따라 차이를 나타내었다. 이와 관련하여 동일 시편들에 대해 동적 접촉각의 측정을 통해서 이방성 흐름의 특성을 비교 분석하고, 방향성을 가지는 자가 세정효과를 가진 표면을 구현할 수 있는 연구를 계속 진행할 예정이다.
- 이는 물방울보다 낮은 표면 장력을 가진 유기성 용매인 hexadecane의 경우, 버섯 형상의 구조물이 있음에도 불구하고 더 좁은 구조물의 간격에 서도 내부로 쉽게 젖어들게 되기 때문인 것으로 보인다. 유기성 용매의 초소유성을 유지하기 위해서는 버섯 구조물의 두꺼운 상단층 두께와 충분한 기둥의 높이를 가지는 경우에만 상단층의 간격을 넓혔을 때 접촉각을 향상시킬 수 있다는 것을 본 연구 결과로 확인할 수 있었다.
후속연구
- 상단층의 간격이 증가할수록 액체의 형상 이방성 젖음 특성은 사라지며 접촉각이 향상되었지만 형상 이방성 특성이 가장 작게 나타나는 초소유성 구조물 위에 hexadecane 액적을 떨어뜨린 후기울였을 때 액적의 흐름 특성은 여전히 그루브 구조물의 길이 방향에 따라 차이를 나타내었다. 이와 관련하여 동일 시편들에 대해 동적 접촉각의 측정을 통해서 이방성 흐름의 특성을 비교 분석하고, 방향성을 가지는 자가 세정효과를 가진 표면을 구현할 수 있는 연구를 계속 진행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.