[논문]나노템플레이트 표면처리를 통한 나노패턴이 형성된 PDMS 탄성 스탬프 몰드 제작

박용민; 서상현; 서영호; 김병희

doi:10.7735/ksmte.2015.24.1.038

나노템플레이트 표면처리를 통한 나노패턴이 형성된 PDMS 탄성 스탬프 몰드 제작
Fabrication of Nanopatterned PDMS Elastic Stamp Mold Using Surface Treatment of Nanotemplate 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.1, 2015년, pp.38 - 42

박용민 (Department of Conversion System Engineering, Kangwon National University) , 서상현 (Department of Conversion System Engineering, Kangwon National University) , 서영호 (Department of Conversion System Engineering, Kangwon National University) , 김병희 (Department of Conversion System Engineering, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Polydimethylsiloxane (PDMS) is a widely used material for replicating micro-structures because of its transparency, deformability, and easy fabrication. At the nanoscale, however, it is hard to fill a nanohole template with uncured PDMS. This paper introduces several simple methods by changing the surface energy of a nanohole template and PDMS elastomer for replicating 100nm-scale structures. In the case of template, pristine anodic aluminum oxide (AAO), hydrophobically treated AAO, and hydrophillically treated AAO are used. For the surface energy change of the PDMS elastomer, a hydrophilic additive and dilution solvent are added in the PDMS prepolymer. During the molding process, a simple casting method is used for all combinations of the treated template and modified PDMS. The nanostructured PDMS surface was investigated with a scanning electron microscope after the molding process for verification.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PDMS 고분자를 이용한 100 nm급 구조물의 성형특성을 검증하기 위하여, 본 연구에서는 일반적으로 알려진 알루미늄 양극산화공정을 통해 다공성 나노구조를 가진 나노템플레이트를 제작하였다^[15,16]. 알루미늄 양극사화공정은 전압과 시간 그리고 전해액과 같은 간단한 공정변수조절을 통해 전기화학반응에 의한 다양한 크기의 나노구조물을 제작하는 공정 기술로써, Fig.
따라서 본 연구에서는 PDMS 고유의 탄성을 유지한 나노구조를 가진 탄성 스탬프를 제작하기 위하여 Table 1에 나타낸 것 같이 크게 나노템플레이트의 표면처리와 첨가제를 통한 PDMS 고분자 처리를 하고, 처리된 나노템플레이트와 PDMS를 이용하여 단순히 붓고 경화시키는 성형방법을 수행하여 그 복제특성을 분석하였다.
본 논문에서는 PDMS의 나노패턴에 대한 성형성을 향상시키기 위하여 나노템플레이트의 표면처리와 첨가제를 통한 PDMS의 물성변화에 대한 연구를 수행하였다. PDMS를 이용하여 나노패턴성 형을 수행할 경우, 나노템플레이트의 표면에너지가 낮을수록, PDMS 고분자의 표면에너지가 높을수록 성형성이 향상됨을 실험적으로 확인하였다.
세 번째 실험에서는 표면처리를 통하여 나노템플레이트의 표면에너지를 원래 고유의 알루미나 표면에너지보다 높게 유지할 경우, PDMS 고분자의 표면에너지가 나노패턴성형에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 나노템플레이트의 표면에너지를 높이기 위하여 Silwet L-77을 이용하여 표면처리를 수행한 결과, 물에 대한 나노 템플레이트의 접촉각이 19.

제안 방법

) 처리를 수행하였고, 친수성 표면처리를 위해 1 wt% Silwet L-77(Momentive Performance Materials Inc.)을 스핀코팅 후 80°C에 건조시켜 처리하였다.
PDMS를 이용한 나노성형공정에 있어 나노템플레이트의 표면개질 효과와 더불어 첨가제를 통한 PDMS 고분자의 물성 변화가 성형에 미치는 영향을 분석하기 위하여 Table 1과 같이 PDMS 주재와 PDMS 경화제 비율이 10:1인 일반적으로 사용되는 PDMS와 이에 1 wt% 노말헥산(n-Hexane, Daejung chemicals & metals Co., Ltd )으로 희석된 PDMS를 구성하여 나노성형시 점성이 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
Table 1과 같이 나노템플레이트의 표면특성이 성형에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 100 nm급 나노홀이 형성된 나노템플레이트를 소수성 및 친수성 처리를 수행하였으며, 처리된 표면의 젖음특성을 접촉각 측정을 확인하였다. 소수성 표면처리를 위해 기상증착법 으로 3염화 실란(Trichlro (1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) silane, Sigma-Aldrich Inc.
일반적 PDMS를 이용한 100 nm급 구조의 성형특성을 평가하기 위해 표면처리를 통해 3개의 서로 다른 나노템플레이트와 첨가제를 통하여 3개의 서로 다른 특성의 PDMS 를 준비하였다. 나노성형방법은 준비된 나노템플레이트에 PDMS를 붓고 경화시키는 단순한 성형공정을 통해 복제공정을 진행하였다. 먼저 처리되지 않은 나노템플레이트를 이용하여 성형실험을 수행하였다.
두 번째 실험으로 물에 대한 높은 접촉각(119.7°, 낮은 표면에너지)를 가진 나노템플레이트에 대해 PDMS 고분자의 표면에너지가 나노패턴성형에 미치는 영향을 분석하였다.
, Ltd )으로 희석된 PDMS를 구성하여 나노성형시 점성이 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 또한 1 wt% Silwet L-77을 첨가하여 소수성을 띈 PDMS를 친수성으로 개질하여 그 영향을 분석하였다. PDMS 점성변화를 주기 위해서 첨가된 노말헥산은 혼합물의 용제(solvent)로 사용되는 휘발성 물질로써 PDMS와 혼합 시 점성을 낮추게 된다^[20].
또한 불균일하게 성장한 알루미나 층을 제거하기 위하여 1.8 wt% 크롬산 (H2CrO4)과 6 wt% 인산(H3PO4)의 혼합액에 65°C의 분위기에서 2시간동안 식각공정을 수행하였다.
나노성형방법은 준비된 나노템플레이트에 PDMS를 붓고 경화시키는 단순한 성형공정을 통해 복제공정을 진행하였다. 먼저 처리되지 않은 나노템플레이트를 이용하여 성형실험을 수행하였다.
포토리소그래피 공정의 경우 구조물의 균일함과 정확성이 우수한 특성을 나타내는 반면 감광에 사용되는 광 소스의 물리적 한계로 인해 구현할 수 있는 구조물 크기의 한계와 곡면과 같은 고차원적 표면상의 구현 한계를 갖고 있으며, 적용되는 광 소스에 따라 높은 공정비용이 요구되는 등의 문제점이 제기되고 있다^[10]. 이러한 문제점을 보정하기 위하여 제안된 소프트 리소그래피공정은 나노-임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography)와 모세관력 리소그래피(capillary lithography)와 같은 공정기술로써 소개되었으며, 앞서 언급 되었던 공정방법으로 제작된 몰드 상에 탄성고분자물질을 이용한 복제공정을 통해 미세구조물을 갖는 탄성 스탬프(elastic stamp)를 제작하고, 이를 이용한 복제공정을 통해 고가의 제작비용으로 제작된 몰드의 손상 없이 미세구조를 복제하여 구현할 수 있는 특성을 갖는다^[11,12]. 소프트 리소그래피공정에서 주로 사용되는 탄성 스탬프의 재료로는 간단한 제조방법과 투명성 그리고 저렴한 가격의 무독성을 갖는 탄성 고분자 물질인 Polydimethylsiloxane(PDMS, Sylgard-184, Dow-corning Co.
일반적 PDMS를 이용한 100 nm급 구조의 성형특성을 평가하기 위해 표면처리를 통해 3개의 서로 다른 나노템플레이트와 첨가제를 통하여 3개의 서로 다른 특성의 PDMS 를 준비하였다.
첫 번째 실험에서는 물에 대한 낮은 접촉각(19.4°, 높은 표면에너지)를 가진 나노템플레이트에 대해 PDMS 고분자의 표면에너지가 나노패턴성형에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

Fig. 1(a-b)는 1차 양극산화공정을 통해 불균일하게 성장된 알루미나 층을 제작 후 제거하여 균일한 나노 구조물을 제작하기 위한 알루미늄 베이스구조 형성 과정으로써, 100 nm급 구조물을 제작하기 위해 본 연구에서는 1 μm의 알루미늄이 증착된 웨이퍼와 0.04 M 옥살산(C2H2O4) 용액을 사용하였으며, -10°C에서 120 V를 인가하여 제작하였다.

성능/효과

(a)와같이 첨가제가 함유되지 않은 PDMS의 접촉각은 약 108°로 측정 되었으며 PDMS가 가지고 있는 고유의 상대적으로 낮은 표면에너지 상태인 소수성 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
그러나 Fig. 4(c)를 보면 Silwet L-77을 첨가한 PDMS는 나노패턴형성이 가능함을 확인할 수 있다. 이는 Silwet L-77을 통해 표면 장력이 높아진 PDMS는 부착일(work of adhesion)이 높아지므로 나노템플레이트와의 부착에너지가 증가해 나노패턴성형이 이루어졌을 것으로 판단된다.
4°인 고유의 나노템플 레이트보다 약 26% 가량 낮은 표면에너지를 가지게 된다. Fig. 4 와 Fig. 5를 비교해 보면 같은 표면장력을 가진 PDMS에 대해 낮은 표면에너지를 가진 나노템플레이트에서 보다 향상된 성형율을 나타내는 것으로 확인되었다.
이는 Silwet L-77을 통해 표면 장력이 높아진 PDMS는 부착일(work of adhesion)이 높아지므로 나노템플레이트와의 부착에너지가 증가해 나노패턴성형이 이루어졌을 것으로 판단된다. Fig. 4의 결과로부터 나노템플레이트와 PDMS를 이용하여 나노패턴을 성형할 경우에는 PDMS의 점성을 낮추는 방법으로는 성형이 되지 않으므로 PDMS의 표면장력을 높이는 방법이 유리하다는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 PDMS의 나노패턴에 대한 성형성을 향상시키기 위하여 나노템플레이트의 표면처리와 첨가제를 통한 PDMS의 물성변화에 대한 연구를 수행하였다. PDMS를 이용하여 나노패턴성 형을 수행할 경우, 나노템플레이트의 표면에너지가 낮을수록, PDMS 고분자의 표면에너지가 높을수록 성형성이 향상됨을 실험적으로 확인하였다. 분자량과 점성이 높은 고분자를 이용하여 나노 패턴을 성형하는 공정은 점성이 아주 낮은 액체가 모세관력으로 나노채널을 채울 때 나노채널의 표면에너지가 높을수록, 액체의 표면에너지가 낮을수록 모세관력이 높아지는 것과는 상이한 결과를 나타냄을 확인하였다.
Silwet L-77이 함유된 PDMS는 다른 기판과는 달리 시간에 따라 접촉각이 변화되어 특정한 값으로 수렴하게 되는데, 본 실험에서 준비한 1 wt% Silwet L-77이 첨가된 PDMS는 초기 접촉각 78° 에서 100초 뒤에 39°로 수렴하는 특성을 보였다.
나노템플레이트의 표면에너지를 높이기 위하여 Silwet L-77을 이용하여 표면처리를 수행한 결과, 물에 대한 나노 템플레이트의 접촉각이 19.4°에서 12.2°로 소폭 감속하는데 그쳤으며 이는 대략 1.8%의 부착일의 증가에 해당한다.
PDMS를 이용하여 나노패턴성 형을 수행할 경우, 나노템플레이트의 표면에너지가 낮을수록, PDMS 고분자의 표면에너지가 높을수록 성형성이 향상됨을 실험적으로 확인하였다. 분자량과 점성이 높은 고분자를 이용하여 나노 패턴을 성형하는 공정은 점성이 아주 낮은 액체가 모세관력으로 나노채널을 채울 때 나노채널의 표면에너지가 높을수록, 액체의 표면에너지가 낮을수록 모세관력이 높아지는 것과는 상이한 결과를 나타냄을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 PDMS를 이용하여 나노패턴이 형성된 탄성 스탬프를 제작하는 기초결과로 사용될 수 있을 것으로 보인다.

후속연구

분자량과 점성이 높은 고분자를 이용하여 나노 패턴을 성형하는 공정은 점성이 아주 낮은 액체가 모세관력으로 나노채널을 채울 때 나노채널의 표면에너지가 높을수록, 액체의 표면에너지가 낮을수록 모세관력이 높아지는 것과는 상이한 결과를 나타냄을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 PDMS를 이용하여 나노패턴이 형성된 탄성 스탬프를 제작하는 기초결과로 사용될 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포토리소그래피 공정의 장단점은?	이와 같은 미세구조물을 제작하기 위한 공정기술로는 대표적으로 광 소스를 이용한 포토리소그래피(photo lithography)공정과 유연기판을 이용한 소프트 리소그래피(soft lithography)공정으로 구분되어 소개되고 있다[8,9]. 포토리소그래피 공정의 경우 구조물의 균일함과 정확성이 우수한 특성을 나타내는 반면 감광에 사용되는 광 소스의 물리적 한계로 인해 구현할 수 있는 구조물 크기의 한계와 곡면과 같은 고차원적 표면상의 구현 한계를 갖고 있으며, 적용되는 광 소스에 따라 높은 공정비용이 요구되는 등의 문제점이 제기되고 있다[10]. 이러한 문제점을 보정하기 위하여 제안된 소프트 리소그래피공정은 나노-임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography)와 모세관력 리소그래피(capillary lithography)와 같은 공정기술로써 소개되었으며, 앞서 언급 되었던 공정방법으로 제작된 몰드 상에 탄성고분자물질을 이용한 복제공정을 통해 미세구조물을 갖는 탄성 스탬프(elastic stamp)를 제작하고, 이를 이용한 복제공정을 통해 고가의 제작비용으로 제작된 몰드의 손상 없이 미세구조를 복제하여 구현할 수 있는 특성을 갖는다[11,12].
	마이크로/나노급 형상제조기술이 핵심 기반기술로써 주목받는 이유는?	마이크로/나노급 형상제조기술은 미소영역에서 발현되는 다양한 특성으로 인하여 전기·전자, 광학 및 바이오와 같은 다양한 산업분야에 파급효과를 줄 수 있는 핵심기반기술로써 주목 받고 있다[1-3]. 특히, 자연현상으로부터 모티브를 제공받아 소개된 생체모방기술(biomimetics)은 마이크로/나노 스케일의 구조체를 표면상에 구현함으로써 무반사표면(anti-reflection), 구조색(structural coloring), 오염방지 표면(anti-dust)을 비롯한 비접착성 패치 (anti-glue patch)와 같은 다양한 기능성표면을 구현함으로써 기존의 전자산업에서 주를 이루었던 공정적용 범위를 점차 넓히게 되는 계기를 제공하였다[4-7].
	기존의 포토리소그래피 공정의 문제점을 보완하기 위해 제안된 방법 및 특징은?	포토리소그래피 공정의 경우 구조물의 균일함과 정확성이 우수한 특성을 나타내는 반면 감광에 사용되는 광 소스의 물리적 한계로 인해 구현할 수 있는 구조물 크기의 한계와 곡면과 같은 고차원적 표면상의 구현 한계를 갖고 있으며, 적용되는 광 소스에 따라 높은 공정비용이 요구되는 등의 문제점이 제기되고 있다[10]. 이러한 문제점을 보정하기 위하여 제안된 소프트 리소그래피공정은 나노-임프린트 리소그래피(nano-imprint lithography)와 모세관력 리소그래피(capillary lithography)와 같은 공정기술로써 소개되었으며, 앞서 언급 되었던 공정방법으로 제작된 몰드 상에 탄성고분자물질을 이용한 복제공정을 통해 미세구조물을 갖는 탄성 스탬프(elastic stamp)를 제작하고, 이를 이용한 복제공정을 통해 고가의 제작비용으로 제작된 몰드의 손상 없이 미세구조를 복제하여 구현할 수 있는 특성을 갖는다[11,12]. 소프트 리소그래피공정에서 주로 사용되는 탄성 스탬프의 재료로는 간단한 제조방법과 투명성 그리고 저렴한 가격의 무독성을 갖는 탄성 고분자 물질인 Polydimethylsiloxane(PDMS, Sylgard-184, Dow-corning Co.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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