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
- 3(a)와 같이 편평한 PET (Polyethylene Terephthalate) 필름과 Fig. 3(b)와 같이 렌즈 모양의 마이크로 패턴이 삽입된 필름의 기판을 선정하여 기판의 표면에 광학 다층 박막 코팅을 진행함으로써 마이크로 패턴의 영향에 의한 색 변화의 차이를 비교하고자 하였다.
- 또한 마이크로 패턴을 가진 필름의 육안이미지 사진과 광학 현미경 관찰을 통해 평면 필름과의 구분 가능성을 확인해 보았다. Fig.
- 이와 같이 제작된 박막은 Konica Minolta사의 CM-3600A 분광기를 통해 360 nm에서 740 nm까지의 광원을 적용한 가시 광선 대역에서 5 nm 파장 간격으로 반사율 스펙트럼(Reflectance Spectrum)과 색 좌표(Color Coordinate)를 측정함으로써 패턴에 따른 변화 경향성을 비교 확인하고, 결과의 유의성을 판별하였다. 본 연구에서는 4개의 필름(평면필름, 마이크로 패턴 3종)과 2가지 광학 박막 디자인을 대상으로 마이크로 패턴 삽입을 통한 필름의색 변화에 미치는 효과를 확인하였다.
제안 방법
- 8(b)와 9(b)는 Fig. 9(a)에서 측정한 필름을 90도 회전하여 수평 방향으로 측정함으로써 패턴의 방향 변화에 따른 스펙트럼 변화를 확인하였다. Figs.
- 7(a)표면과 Fig. 7(b)단면을 검사하여 기판의 변형 없이 마이크로 패턴의 렌즈 모양 만곡을 따라 균일한 두께로 등각 증착 (Conformal Deposition)이 되었는지를 검증하였다. Fig.
- Figs. 8(c)과 9(c)는 16층의 박막을 증착하여 수직방향으로 측정하여 각기 다른 다층 박막 디자인에서 마이크로 패턴이 가질 수 있는 영향을 비교 검증하였다. Fig.
- 각 필름은 0°에서 60°까지 각도를 변경하며 반사되는 양방향 반사도 분포 함수 (Bi-Directional Reflectance Distribution Function, BRDF)를 측정하였다.
- 다층 박막 증착 공정에 앞서 마스터 몰드와 UV 임프린트 공정으로 전사된 필름의 실제 피치와 깊이, 수직 입사에 대한 평균 및 최대 반사 각도를 확인하기 위해 마이크로 패턴 필름을 원자력간 힘 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)인 Parks System사의 XE-100 모델로 탄성이 있는 고분자 물질15-17의 특징으로 인해 비접촉 모드로 진행 하여 Table 1과 같이 측정하여 비교하였다.
- 렌즈 모양의 단면을 가진 패턴의 표층 경계에서 산란 현상을 측정하기 위하여 Radiant Zemax사의 삼차원 배광 분포, 시야각 (Angle of Field) 그리고 반사, 투과, 산란 특성이 측정 가능한 산란 특성 분석기를 이용하였다. 광원은 할로겐 램프(Halogen Lamp) 조명을 사용하였다.
- 마이크로 패턴의 제작을 위해 선 제작되어야 하는 마스터 몰드 (Master Mold)는 엔드밀 (End Mill)을 이용한 마이크로 밀링 가공이 수행되었다. 이렇게 제작된 마스터 몰드 위에 점도 400cps 이하의 물성을 갖는 아크릴 계열의 UV Resin을 공급하고, PET Film을 덮은 후 2.
- 본 실험에서는 광학다층박막의 하부에 마이크로패턴을 배치하여 광학적 변화를 관찰하고자 아래와 같은 여러 종류의 패턴을 삽입하였다. 수직 입사 기준으로 최대 접선 각도가 20°이상 30°이하의 렌즈 모양 단면을 가진 마이크로 패턴 3종, 7512 (Pitch 75㎛, Depth 12㎛, Master Mold Base), 6008 (Pitch 60㎛, Depth 8㎛), 5707 (Pitch 57㎛, Depth 7㎛)을 실험을 위한 모델로 선정하였다.
- 본 연구에서 언급하는 코팅은 여러 종류 중 광학적 응용을 위한 다층 박막 코팅, 즉 광학 다층 박막 (Optical Multilayer Thin Film)으로 한정하고, 색구현과 직접적으로 연관이 있는 가시광선 대역에 서의 반사율 스펙트럼에 대해 박막 디자인 프로그램 (Essential Macleod SW)을 이용하여 설계하고, 코팅 공정은 진공 상태에서 진행되었다.
- 본 연구에서 코팅 공정 전후에는 마이크로 패턴이 삽입된 필름의 표면 거칠기와 단면 측정을 위해 원자력간 힘 현미경 (Atomic Force Microscope, AFM)과 주사형 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 균일한 두께로 코팅되었는지 형태 분석을 수행하였으며, 분광기 (Spectrometer)와 타원 분광기 (Ellipsometer), 그리고 산란 특성 분석기 (Imaging Sphere for Scatter and Appearance, IS-SA)로 반사율 스펙트럼과 색 좌표, 산란 영역과 세기와 같은 광학 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 마이크로 패턴을 광학 다층 박막의 기저막으로 삽입하여 기존 다층 박막 디자인을 변경하지 않고 반사율 스펙트럼의 폭을 좁게 하거나 단파장 영역으로 이동시켜 더 선명하고 깊은 색을 만들어 내고, 보는 각도에 따른 색의 변화가 적게 발생하는 (Angle-Independency) 현상을 이용하여 색 조정과 보정을 할 수 있는 방안을 수행하게 되었다.
- 앞서 코팅 공정이전의 마이크로 패턴의 표면을 원자력 현미경 (AFM) 측정을 통해 기판의 표면 상태를 측정하였으며, 전자빔 증착 공정을 통해 다른 굴절률을 가진 2개의 물질 (SiO2, TiO2)을 교차로 반복하여 다층의 박막을 형성시켰었다.
- 이는 통상적인 공정 대비하여 1/2 (50%) 이하 수준으로 감소하여 진행함으로써 두께의 편차를 줄여 스퍼터링 (Sputtering) 공정과 유사한 수준의 박막 두께 균일도를 확보할 수 있도록 하고, 각 물질간 교차 증착 시 대기 시간을 2배로 함으로써 두 물질의 혼입 가능성을 배제하여 증착공정을 진행하였다.
- 마이크로 패턴의 제작을 위해 선 제작되어야 하는 마스터 몰드 (Master Mold)는 엔드밀 (End Mill)을 이용한 마이크로 밀링 가공이 수행되었다. 이렇게 제작된 마스터 몰드 위에 점도 400cps 이하의 물성을 갖는 아크릴 계열의 UV Resin을 공급하고, PET Film을 덮은 후 2.0 kgf/㎠의 압력으로 5초간 롤압착 공정으로 균일하게 밀착시킨 후, UV Lamp를 이용하여 750 mJ/㎠ 이하의 광경화 공정을 거쳐 패턴을 가진 필름을 제작한다. 이때 UV Resin 선정을 위한 주 요소는 몰드의 수명과 작업 효율을 위한 이형성과 패턴 모양을 따라 빠른 재생산 능력을 가진 성형성 (Replication Quality)이다.
- 이와 같이 제작된 박막은 Konica Minolta사의 CM-3600A 분광기를 통해 360 nm에서 740 nm까지의 광원을 적용한 가시 광선 대역에서 5 nm 파장 간격으로 반사율 스펙트럼(Reflectance Spectrum)과 색 좌표(Color Coordinate)를 측정함으로써 패턴에 따른 변화 경향성을 비교 확인하고, 결과의 유의성을 판별하였다. 본 연구에서는 4개의 필름(평면필름, 마이크로 패턴 3종)과 2가지 광학 박막 디자인을 대상으로 마이크로 패턴 삽입을 통한 필름의색 변화에 미치는 효과를 확인하였다.
대상 데이터
- 따라서 산란성이 가장 균일하고 넓은 영역의 패턴으로 7512 모델을 중심으로 연구하였다.
- 렌즈 모양의 단면을 가진 패턴의 표층 경계에서 산란 현상을 측정하기 위하여 Radiant Zemax사의 삼차원 배광 분포, 시야각 (Angle of Field) 그리고 반사, 투과, 산란 특성이 측정 가능한 산란 특성 분석기를 이용하였다. 광원은 할로겐 램프(Halogen Lamp) 조명을 사용하였다. 각 필름은 0°에서 60°까지 각도를 변경하며 반사되는 양방향 반사도 분포 함수 (Bi-Directional Reflectance Distribution Function, BRDF)를 측정하였다.
- 수직 입사 기준으로 최대 접선 각도가 20°이상 30°이하의 렌즈 모양 단면을 가진 마이크로 패턴 3종, 7512 (Pitch 75㎛, Depth 12㎛, Master Mold Base), 6008 (Pitch 60㎛, Depth 8㎛), 5707 (Pitch 57㎛, Depth 7㎛)을 실험을 위한 모델로 선정하였다.
- 측정 영역은 마이크로 패턴의 피치 (Pitch) 1/2이상인 40㎛를 측정하였다. AFM 측정 결과, Fig.
데이터처리
- 5(b) 6008, Fig. 5(c) 7512 모델에 대해 이방성 반사율 분포 함수 (BRDF)를 측정 평가하였다. Figs.
성능/효과
- 6(a) 13층의 다층 박막 코팅은 Fig. 6(b) 16층은 물론 코팅 공정 이전의 마이크로 패턴의 산란보다도 영역의 감소 없이 산란 세기는 BRDF 4이하 수준으로 더욱 균일하게 조정 개선된 것을 확인할 수 있었다.
- (b) 6008 모델에 비해 산란 범위가 약 10° 넓음과 동시에 경사 입사 각도에 따른 산란 범위와 세기의 변화도 상대적으로 적음을 확인할 수 있었다.
- 즉 Fig. 11(b)마이크로 패턴이 삽입된 필름이 각도에 따른 색 변화가 적게 일어나는 것이 육안으로도 확인 가능함을 확인하였다.
- 2(b) 동일한 방향 0°로 2장이 배열되어 겹쳐진 필름에서는 패턴의 표층 경계 면에서 일어나는 반사와 패턴의 렌즈 형태에 따른 산란 효과로 인해 패턴의 존재를 어렵지 않게 확인할 수 있었고, Fig. 2(c) 광학현미경 50배율 측정에서는 마이크로 스케일인 50-100㎛ 수준의 피치를 갖는 패턴은 심도조정과 무관하게 동일한 피치가 주기적인 띠로 선명하게 확인되었다.
- Fig. 7(c)는 박막이 패턴에서 분리 된 부분을 통해서 코팅된 단면부의 적층 두께가 초기 설계되었던 디자인과 같이 13층, 두께 740nm를 확인할 수 있었으며, 비교 모델인 16층, 두께 860nm 역시 동일한 조건과 속도로 진행하여 편차가 없도록 제작되었음을 확인하였다.
- AFM 측정 결과, Fig. 1과 같이 모든 패턴은 수직 입사 (Normal Incidence) 기준으로 패턴의 접선 각도는 평균 각도가 10°에서 15° 사이이고 대부분의 기울기는 20° 이내이며 최대 기준으로도 30° 미만의 수준을 유지하고 있으므로, 다층 박막의 경사 입사에서 편차의 변화가 적은 범위의 곡률 반경을 가진 렌즈 모양의 패턴 구조임을 확인할 수 있었다.
- 결과적으로 S파의 변화가 적은 입사각 범위 내에서 곡률반경과 깊이가 조금 더 크게 설계되어 있는 모델 (최대접촉각: 5707 ≤ 6008 < 7512)일수록 더 선명하고 짙은 푸른 색을 가질 수 있는 방향으로 a와 b 값 모두 개선이 더 크게 이루어짐을 확인하였다.
- 광학 다층 박막에서 보는 각도7에 따라 색이 변하는 현상은 경우에 따라 독특하고 매력적인 색으로 의미가 있을 수 있지만, 대상으로 삼은 색과는 달라지는 문제가 있어서, 필요에 의해 변화량을 조절하고자 하는 경우에, 본 연구에서 수행된 마이크로 패턴의 효과를 통해 기본 디자인에 반사율 피크 파장 폭의 조정, 피크 파장 폭 중에서도 장파장 영역을 감소시켜 좁은 폭의 피크를 갖게끔하여 휘도가 높으며 선명하고 깊은 색을 만들어 내고, 상대적으로 각도에 따른 변화가 적은 색을 제작하는데 매우 유용하다.
- 렌즈 모양의 선형 마이크로 패턴의 효과는 반사율 스펙트럼 기준으로는 기존에 가장 높은 반사율을 갖는 파장 영역과 대비하여 20 nm에서 40 nm 가 단파장 영역으로 이동이 발생함과 동시에 반사율 정점 영역의 우측 혹은 우상단 폭을 감소시켰다. 또한 단파장 영역 이외에도 피크를 가진 16층 다층 박막으로 디자인된 푸른 색의 경우에는 500 nm이상의 장파장 영역의 피크들을 완만하게 하는 2차 효과까지 야기시키는 것으로 사료되었다. 이는 색 좌표에서도 상대적으로 선명하고 짙은 푸른 색을 만들도록 a, b 의 값을 개선하는 효과를 가져왔다.
- 또한, 푸른 색으로 설계된 2개의 디자인 13층과 16층의 각기 다른 다층 박막은 패턴이 없는 평면 필름의 반사율 스펙트럼 측정을 통해 초기 설계된 스펙트럼의 원형을 가지고 있음이 확인되었고, 마이크로 패턴이 삽입된 필름은 광학 다층 박막의 종류와 무관하게 동일한 효과가 있음을 재확인할 수 있었으며, 13층의 다층 박막이 16층의 박막보다 더 적은 층의 막과 두께로 선명한 푸른 색을 가짐을 색 좌표 값에서도 확인할 수 있었다.
- 특이 사항은 수직과 수평 방향의 영향력은 다를 것으로 예상하였지만, 패턴 측정 방향과 무관하게 단파장 영역인 푸른 색으로 조정되는 개선은 공통적으로 이루어진 것이다. 수직 패턴 방향으로 측정하였을 때는 색 좌표의 b 값의 개선이 도드라지고, 수평 패턴 방향 측정에서는 색 좌표 a 값의 개선이 이루어짐으로써 패턴의 방향과는 무관하게 단파장 영역으로 이동하는 경향을 공통적으로 보였다. 참고로 색 좌표 L, a, b 중에서 a는 큰 값을 가질수록 보라 색과 붉은 색 (Violet/Red) 방향으로 이동하며, b는 작은 값을 가질수록 푸른 색 (Blue) 방향으로 이동한다.
- 본 연구에서 푸른 색으로 설계한 Bragg Stack, 즉 광학 다층 박막에 마이크로 스케일의 렌즈 모양 패턴을 삽입하는 색 제작 방식은 나비 날개에 기저막 역할을 하는 마이크로 스케일의 구조 위에 나노 스케일을 가진 좌우 비대칭의 얇은 판이 다층으로 뻗으며 융기한 형상과 개념적으로 유사한 특징을 가지고 있다. 이는 이전 자연 모사 제작 방법과 견주어 보면, 마이크로-나노 스케일의 복잡한 구조를 가진 색을 상대적으로 용이한 방법으로 유사하게 구현할 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 이러한 패턴의 측정 결과를 통해 Fig. 5(c) 7512 모델의 산란 특성이 다른 2종의 패턴 필름에 비해 측정 각도에 따른 색 편차 (Color Deviation) 및 변화 (Color Change)가 적게 일어나는 현상을 가져옴으로써 상대적으로 균일한 색 제작 및 조정에 유리한 영향을 가져올 수 있을 것으로 예측하였다. 따라서 산란성이 가장 균일하고 넓은 영역의 패턴으로 7512 모델을 중심으로 연구하였다.
- 이전 실험을 통해 표면 코팅층에 마이크로 패턴이 삽입된 필름은 더 선명한 색을 제작하는데 도움이 될 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 나온 결과들을 토대로 다층 박막에서 자주 언급되는 보는 각도에 따라 색이 변하는 현상이 조금 더 넓은 시야각에서 적게 변화시킬 수 있는 하나의 방안이 될 수 있을 것으로 사료되었다.
후속연구
- 이전 실험을 통해 표면 코팅층에 마이크로 패턴이 삽입된 필름은 더 선명한 색을 제작하는데 도움이 될 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 나온 결과들을 토대로 다층 박막에서 자주 언급되는 보는 각도에 따라 색이 변하는 현상이 조금 더 넓은 시야각에서 적게 변화시킬 수 있는 하나의 방안이 될 수 있을 것으로 사료되었다.4
- 10(c)는 13층의 푸른 색으로 설계된 박막에 수직 입사가 이루어졌을 경우로 0°부터 30°까지 이동한 단파장의 스펙트럼이 더해지게 되는데 0° 이상의 반사율 스펙트럼은 피크 파장 영역 중에서 장파장 대역 부분을 감소시키는 효과를 일으키게 되고 피크 파장 영역의 폭이 줄어든 스펙트럼을 보게 되는 것과 동일한 현상을 만들게 된다. 즉, 분광기 측정을 통해 표면 코팅층에 마이크로 패턴이 삽입된 필름은 패턴이 없는 필름에 비해 상대적으로 단파장 대역으로 이동하거나 피크 파장 영역의 폭을 좁게 만들어 동일한 광학 다층 박막 디자인을 이용하여 더 선명한 색을 제작하는데 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.