[논문]355nm 펄스 레이저를 이용한 구리 표면의 소수성 개질에 관한 연구

윤단희; 강보석; 박준한; 곽청렬; 신보성

doi:10.6117/kmeps.2016.23.4.101

초록
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최근 자연모방을 이용한 소수성 표면 가공이 많은 관심을 끌고 있다. 대표적인 가공 방법으로 기계적 가공, 포토리소그래피 가공, 레이저를 이용한 공정이 있다. 본 논문에서는 구리필름에 UV 펄스 레이저를 직접 조사해 마이크로 그루브를 형성하고 상온에서의 산화를 통해 표면의 거칠기를 증가시켜 소수성 표면을 제작하였다. 패턴 생성 뒤 일정 시간 산화를 시킨 후에 측정된 접촉각은 산화를 시키기 전보다 약 $30{\sim}70^{\circ}$까지 증가함을 보인다. 본 연구 결과를 통해서 화학적인 처리과정 없이 보다 안정한 소수성 표면을 제조할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the hydrophobic surface has been attracted because of the excellent opto-physical properties. Various processing methods such as chemical, mechanical, photolithographic and laser processing are competitively introduced for fabrication of hydrophobic surface of polymer, metal and ceramics. ...

Recently, the hydrophobic surface has been attracted because of the excellent opto-physical properties. Various processing methods such as chemical, mechanical, photolithographic and laser processing are competitively introduced for fabrication of hydrophobic surface of polymer, metal and ceramics. In this paper, we fabricated the hydrophobic surface of copper metal by simple method which irradiated 355 nm UV-pulsed laser in order to shape microgrooves and increased surface roughness through oxidation process at room temperature. Finally the contact angle is dramatically increased by maximum $45^{\circ}$, as a result of oxidation which simply created nanostructures on the microstructures without expensive chemical process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 레이저를 통해 마이크로 그루브를 선택적으로 형성하고 선행 연구를 따라 상온에서의 산화를 통해 표면상에 나노 구조의 거칠기를 증가시켜 원하는 부분만 소수성 표면을 가질 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

레이저로 구리 필름을 가공하였을 경우 빔의 가우시안 분포에 따라 굴곡이 진 패턴이 생성될 것이라 예상을 하였다. 그리고 표면의 소수성 특성을 형성하기 위하여 Fig.

제안 방법

40 µm 두께의 구리 필름 위에 레이저를 조사하여 마이크로 그루브를 제작하였다.
40 µm 두께의 구리 필름 위에 레이저를 조사하여 마이크로 그루브를 제작하였다. CW 레이저의 펄스 반복율(20 kHz), 레이저 파워(12 W), 스캔 속도(0.7 m/s)는 고정을 시키고 다양한 마이크로 구조물을 형성하기 위해 마이크로 그루브의 거리를 조절하였다. Fig.
레이저로 구리 필름을 가공하였을 경우 빔의 가우시안 분포에 따라 굴곡이 진 패턴이 생성될 것이라 예상을 하였다. 그리고 표면의 소수성 특성을 형성하기 위하여 Fig. 5(b)와 같이 그루브 가공한 부위를 상온에 2주간 방치하여 천천히 산화가 되도록 하였다. 연잎의 초소수성 표면과 같이 나노구조의 멀티스케일 표면거칠기가 생성되어 소수성 표면에 영향을 주게 된다.
⁷⁾ Wenzel 공식을 이용해서 접촉각을 계산할 경우 거칠기를 구할 때 식 (3)과 같이 패턴의 간격과 높이가 중요한 변수가 된다. 따라서 본 실험에서는 레이저가 조사되는 넓이 b와 가공깊이 c는 고정 값으로 사용하고 변수 a만 변화시키며 가공하였다.
또한 Fig. 7에서와 같이 광학현미경의 3D 캡처를 통해 50 µm 패턴 간격을 가지는 시편을 관찰하였다.
마지막으로 구리에 생성된 거칠기의 정도를 측정하기 위해 SEM을 찍었다. Fig.
본 연구에서는 구리 필름에 레이저로 라인 패턴 간격을 변화하면서 마이크로 그루브를 형성해 원하는 부분만 표면 개질이 일어나게 하였고, 또한 추가적인 산화공정을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
표면장력은 온도에도 영향을 받게 되는데 본 연구에서는 상온(20°C)를 기준으로 진행하였다.

대상 데이터

사용하는 레이저는 흡수율 100% 기준 초점거리에서 220 µm의 가공 너비가 나온다.

성능/효과

이에 Fig. 9(a)와 (b)처럼 레이저로 형성한 그루브 사이에서 산화가 촉진이 되어 나노구조 산화물이 생성되는데 레이저 간격이 좁은 패턴을 가질 경우와 넓은 패턴을 가질 경우에서의 산화물 형성으로 인한 거칠기 차이가 거의 없다는 결론을 얻을 수 있었다.
이러한 구조를 만들기 위한 대표적인 가공 방법으로는 기계적 가공, 포토리소그래피(photolithography) 가공, 레이저를 이용한 공정이 있다.²⁾ 기계적 가공은 마이크로 형상의 크기를 줄이는 데에 한계가 있으며 포토리소그래피 공정은 많은 과정을 통해 제작되기에 시간적으로 한계를 가진다. 이에 비해 레이저 가공은 단일 공정이며 마이크로 그루브 제작에 용이하다.
레이저 가공 중에서도 금형 금속 표면에 레이저를 조사하여 마이크로 패턴을 가공을 하고 PDMS나 다른 폴리머로 사출하는 방법^2,3)과 레이저를 표면 개질시킬 재료에 직접 조사하여 거칠기를 증가시켜 소수성을 만드는 방법이 있다.⁴⁾ 특히 M. Tang 등의 레이저 어블레이션을 이용한 금속재료의 초소수성 효과는 레이저 가공 후 상온에서의 산화 후 멀티스케일 표면거칠기를 이용해 접촉각 결과값을 더욱 극대화시켰다.
라인 패턴을 가공한 후 상온에서 산화공정을 거치고 나서 접촉각 측정시 패턴가공만 진행하였을 경우보다 27~38°까지의 증가를 보였고 소수성 표면의 특징을 가지는 접촉각이 측정되었다.
라인 패턴을 생성하고 접촉각을 측정하였을 때 40~70µm에서 패턴 간격이 증가할수록 접촉각이 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

추후 구리의 표면 나노구조 거칠기를 더 증가시키기 위하여 보다 산화가 잘 되는 최적조건을 추가하고, 더 많은 나노구조 거칠기가 신속하게 생성하여 구리표면의 초소 수성으로 증가시키는 연구를 추가할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소수성 표면 가공 방법으로 무엇이 있는가?	최근 자연모방을 이용한 소수성 표면 가공이 많은 관심을 끌고 있다. 대표적인 가공 방법으로 기계적 가공, 포토리소그래피 가공, 레이저를 이용한 공정이 있다. 본 논문에서는 구리필름에 UV 펄스 레이저를 직접 조사해 마이크로 그루브를 형성하고 상온에서의 산화를 통해 표면의 거칠기를 증가시켜 소수성 표면을 제작하였다.
	레이저 가공에는 어떤 방법이 있는가?	이에 비해 레이저 가공은 단일 공정이며 마이크로 그루브 제작에 용이하다. 레이저 가공 중에서도 금형 금속 표면에 레이저를 조사하여 마이크로 패턴을 가공을 하고 PDMS나 다른 폴리머로 사출하는 방법2,3)과 레이저를 표면 개질시킬 재료에 직접 조사하여 거칠기를 증가시켜 소수성을 만드는 방법이 있다.4) 특히 M.
	액체에서 표면장력이 나타나는 이유는 무엇인가?	액체의 표면은 항상 팽팽하게 당겨져 있는 긴장상태를 유지하고 있다. 액체의 아래 부분은 사방으로 끌어당기는 힘을 받고 있기 때문에 아무런 변화가 없지만 액체의 표면 위쪽에서는 다른 분자들이 없어 인력이 존재하지 않는다. 따라서 표면에서는 최소한의 표면적을 유지하려는 힘이 표면장력이다.

참고문헌 (9)

R. Jagdheesh, B. Pathiraj, E. Karatay, G. R. B. E. Romert and A. J. Juis, "Laser-Induced Nanoscale Superhydrophobic Structures on Metal Surfaces", Langmuir, 27(13), 8464 (2011).

상세보기
I. H. Cho, J. H. Lee, J. W. Noh and S. W. Lee, "A Study on Surface Fabrication of Super Hydrophobic using Pico Second Laser", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 29(2), 161 (2012).

원문보기 상세보기
J. Bekesi, J. J. J. Kaakkunen, W. Michaeli, F. Klaiber, M. Schoengart, J. Ihlemann and P. Simon, "Fast fabrication of super-hydrophobic surfaces on polypropylene by replication of short-pulse laser structured molds", Appl. Phys. A., 99(4), 691 (2010).

상세보기
M. Tang, V. Shim and M. H. Hong, "Laser Ablation of Metal Substrates for Super-hydrophobic Effect", Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 6(1), 6 (2011).

상세보기
E. M. Petrie, "Determining Critical Surface Tension of Solid Substrates", SpicialChem, (Jan 24, 2007) from http://adhesives.specialchem.com/
M. H. Majeed, "Static Contact Angle and Large Water Droplet Thickness Measurements with the Change of Water Temperature", Nahrain University, College of Engineering Journal, 17(1), 114 (2014).
H. E. Lim, J. S. Park and W. D. Kim, "Micro/nanostructured Superhydrophobic Surface", Elastomers and Composites, 44(3), 244 (2009).
J. S. Kim, H. S. Sim, S. H. Lee and Y. E. Shin, "Femto-second Laser Ablation Process for Si Wafer Through-hole", J. Microelectron. Packag. Soc., 14(3), 29 (2007).
J. S. Kim, N. G. Cha, K. K. Lee, J. G. Park and H. J Shin, "Characterization of Fluorocarbon Thin Films by Contact Angle Measurements and AFM/LFM", J. Microelectron. Packag. Soc., 7(1), 35 (2000).

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