[논문]IPL 처리를 통한 고분자 나노구조의 기계적 특성 향상 연구

김도아; 김두인; 정명영

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.113

IPL 처리를 통한 고분자 나노구조의 기계적 특성 향상 연구
A Study of Mechanical Property Enhancement of Polymer Nanostructure using IPL Treatment 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.113 - 117

김도아 (부산대학교 광메카트로닉스공학과) , 김두인 (부산대학교 광메카트로닉스연구소) , 정명영 (부산대학교 광메카트로닉스공학과)

초록
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논문에서는 고분자 나노구조 필름의 기계적 물성을 향상하기 위하여 광열효과를 이용한 열처리 공정을 응용하여 나노임프린트로 제작된 고분자 나노구조 필름의 기계적 물성에 미치는 영향을 규명하였다. Hybrid resin과 UV 나노임프린트을 이용하여 저반사 나노구조를 성형하고 IPL (intense pulsed light)를 이용하여 열처리를 수행한 뒤, 제작된 나노구조 필름의 투과율과 내스크래치성을 평가하여 나노구조의 성형성과 기계적 물성의 변화를 관찰하였다. 나노패턴의 특성에 의해서 나노구조의 투과율은 550 nm 파장에서 97.6%로 고투과율의 기능을 확인하였으며, IPL을 이용한 열처리를 진행한 경우 Hotplate를 이용한 열처리보다 경도는 0.51 GPa로, 0.27 GPa로 열처리한 시편에 비해 1.8배 향상하였으며, 동일 실험 조건에서 탄성율은 Hotplate 이용 시 4 GPa에서 IPL 이용 시 5.9 GPa로 1.4배 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, We investigated the effect of heat treatment process using photo-thermal effect in order to improve mechanical properties of nanostructure on polymer films made by nanoimprint process with hybrid resin. Nanostructures which have a low refractive characteristic were fabricated by UV nanoimprint and after that heat treatment was performed using IPL (intense pulsed light) under process condition of 550 V voltage, pulse width 5 ms, frequency 0.5 Hz. The transmittance and mechanical property of fabricated nanostructure films were evaluated to observe changes in the pattern transfer rate and mechanical properties of nanostructures. The transmittance of the nanostructure was measured at 97.6% at 550 nm wavelength. Nanoindentation was performed to identify improved anti-scatch properties. Result was compared by the heat source. In case of post treatment with IPL, hardness was 0.51 GPa and in the case of hotplate was 0.27 GPa, resulting the increase of hardness of 1.8 times. Elastic modulus of IPL treated sample was 5.9GPa and Hotplate treated one was 4GPa, showing the 1.4 time increase.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Overall process for fabricating high-hardness nanostructure using organic/inorganic hybrid resin contained nanosilica particle.
그림 Fig. 2. Waveform of pulse generated by IPL system
그림 Fig. 3. SEM (Scanning electron microscopy) image of nanopatterned surface fabricated without prebaking. Image shows poor tranfer rate due to the exposure of silica nanoparticle which should be imbedded.
그림 Fig. 4. SEM image of sample heat-treated with IPL after UV-NIL. (a) Surface image with moth-eye pattern (b) Sample scratched with 3H hardness pencil.
그림 Fig. 5. (a) Schematic of samples measured, (b) Transmittance of sample measured.
그림 Fig. 6. OM(Optical microscopy) image of pencil-traced sample depending on pencil hardness (a), (c) : 3H and (b), (d) : 4H. (a), (b) is a sample only took up to the UV curing stage. (c) and (d) is a sample which was treated thermal curing.
그림 Fig. 7. OM image of pencil-traced sample which is heat-treated using IPL system for 10 times ((a), (c)) and 25 times ((b), (d)) of pulse. Scraped with pencil with pencil hardness (a), (b) : 4H and (c), (d) : 5H.
그림 Fig. 8. Comparison of (a) Elastic modulus (GPa) and (b) Hardness (GPa) value between samples thermally treated with IPL and Hotplate.

AI 본문요약
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제안 방법

UV 경화는 UV imprinter (UV light source at 375-395nm wavelength, main wavelength: 365 nm, Mercury lamp, Lab made)로 진행하였다. 열경화로 인한 나노구조의 경도 향상을 확인하기 위해서 (i) UV 경화 최적 시간 판별, (ii) Hotplate로 열 경화 온도 및 최적 시간 판별, (ⅲ) IPL(HI-PULSE, PSTEK, Korea)로의 열처리 세 단계의 실험을 진행하였으며, IPL을 이용한 열처리로 UV 경화까지 진행한 시편의 경도가 UV 경화만 진행한 시편보다 향상되었고, Hotplate를 이용한 열경화에 준하는 효과를 가졌음을 검증하고자 하였다.
IPL 조사 조건을 달리하여 열처리를 수행하였으며, 성형된 나노구조의 저반사 특성과 내 스크래치 성을 평가하였다.
IPL을 이용한 열처리의 경우 Fig. 2와 같이 550V 전압, Pulse width 5 ms, 2 s 간격으로 10회, 15회, 20회 조사 후, 4 H와 5 H의 연필로 경도 테스트를 진행하였다.
4와 같이 표면에 형성되었다. Moth-eye like pattern 형성 시 나타나는 현상인 광투과율의 향상을 확인하기 위하여 Thin film analyzer (F20-EXR, Filmetrics, USA)을 이용하여 투과율을 측정하였다. Fig.
1와 같은 공정을 통해 나노임프린팅을 진행하여 저반사 구조를 형성한 샘플을 제작하였다. UV 경화는 UV imprinter (UV light source at 375-395nm wavelength, main wavelength: 365 nm, Mercury lamp, Lab made)로 진행하였다. 열경화로 인한 나노구조의 경도 향상을 확인하기 위해서 (i) UV 경화 최적 시간 판별, (ii) Hotplate로 열 경화 온도 및 최적 시간 판별, (ⅲ) IPL(HI-PULSE, PSTEK, Korea)로의 열처리 세 단계의 실험을 진행하였으며, IPL을 이용한 열처리로 UV 경화까지 진행한 시편의 경도가 UV 경화만 진행한 시편보다 향상되었고, Hotplate를 이용한 열경화에 준하는 효과를 가졌음을 검증하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 나노실리카를 함유한 유무기 이브리드 레진을 이용하여 UV-NIL 공정으로 기능성 필름을 제작하고, 이후 IPL의 광열효과로 열처 리를 진행하였다. UV-NIL로 제작한 시편에 서로 다른 열원인 Hotplate와 IPL로 경화 처리를 실시한 뒤 경도변화를 검토하였다. IPL실시한 시편에서 0.
UV-NIL을 진행한 나노구조 필름 제작 후 기존의 열처리 방식인 Hotplate을 이용한 모재 하부로부터의 열전달로 열처리를 진행한 샘플을 연필경도테스트기(SB-196, SB science, Korea)를 이용하여 경도측정하였다. UV 경화 3 분, PMMA의 열변형이 일어나지 않는 최대 온도인 85^oC에서 30분의 공정에서 가장 높은 경도를 보였으며, Fig.
그러므로 기능성 나노패턴 필름 제작공정에 UV NIL 사용은 모재의 선택 및 제작공정에 상당한 제한을 야기할 뿐 아니라 레진의 기계적 물성을 정확히 구현하지 못한다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 나노실리카를 함유한 유무기 이브리드 레진을 이용하여 UV-NIL 공정으로 기능성 필름을 제작하고, 이후 IPL의 광열효과로 열처 리를 진행하였다. UV-NIL로 제작한 시편에 서로 다른 열원인 Hotplate와 IPL로 경화 처리를 실시한 뒤 경도변화를 검토하였다.
저반사 나노구조의 니켈몰드를 이용하여 UV 임프린트 공정으로 나노패턴이 표면에 형성된 필름을 제작하였다. 니켈몰드는 moth-eye 패턴을 모방한 구조이며 높이 330 nm, 지름 280 nm, 패턴 간 간격 300 nm의 parabolic 한 구조이다.
패턴이 제대로 전사 되었음을 관찰하기 위해 SEM과 투과율을 측정하였다. Moth-eye 나노패턴은 Fig.

대상 데이터

니켈몰드는 moth-eye 패턴을 모방한 구조이며 높이 330 nm, 지름 280 nm, 패턴 간 간격 300 nm의 parabolic 한 구조이다. 니켈몰드는 실리콘 기판에 반도체 공정을 통해 형성한 나노패턴의 전주 도금 공정으로 제작한 몰드를 이용하였다.²³⁾
모재로써 98^oC의 Tg를 가지는 250 µm 두께의 PMMA 필름 (C₂₁0A, Sejin tech, Korea)을 선택하였으며, Moth- eye like pattern을 가진 몰드로 Fig. 1와 같은 공정을 통해 나노임프린팅을 진행하여 저반사 구조를 형성한 샘플을 제작하였다. UV 경화는 UV imprinter (UV light source at 375-395nm wavelength, main wavelength: 365 nm, Mercury lamp, Lab made)로 진행하였다.
본 연구에서는, 나노실리카 입자가 10% 포함된 UV 경화 하이브리드 레진을 이용하였으며, PMMA (poly(methyl- methacrylate)) 필름을 모재로 하여 저반사 나노구조를 성형하였다. IPL 조사 조건을 달리하여 열처리를 수행하였으며, 성형된 나노구조의 저반사 특성과 내 스크래치 성을 평가하였다.

성능/효과

1) 나노임프린트 리소그래피(Nano imprint Lithography, NIL)는 수 나노급의 몰드를 열 혹은 빛을 이용하여 몰딩함으로서 몰드의 형상을 직접적으로 전사해 낼 수 있는 공정이므로 대면적의 나노 패턴을 저비용으로 생산하는 것이 가능하다.²⁾ 나 노임프린트 리소그래피는 크게 UV 나노임프린트(UV- NIL)와 열 나노임프린트(Thermal- NIL)로 구분할 수 있으며, UV 나노임프린트는 UV 경화 레진을 모재 위에 도포하고 패턴이 형성되어있는 몰드를 위치시킨 후 UV를 조사하여 레진을 경화시켜 패턴을 전사하는 공정이다.
Moth-eye like pattern 형성 시 나타나는 현상인 광투과율의 향상을 확인하기 위하여 Thin film analyzer (F20-EXR, Filmetrics, USA)을 이용하여 투과율을 측정하였다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 광투과율은 PMMA 필름의 투과율인 92.6%에 비해, 하이브리드 레진으로 패턴 없이 만든 샘플의 경우 나노실리카에 의해 향상된 표면 조도로 93%로 증가하였으며, 나노패턴 형성 시 97.6%로 향상되었다.
science, Korea)를 이용하여 경도측정하였다. UV 경화 3 분, PMMA의 열변형이 일어나지 않는 최대 온도인 85^oC에서 30분의 공정에서 가장 높은 경도를 보였으며, Fig. 5에서 알 수 있듯이 열처리 전의 경우 연필경도 H, Hotplate를 이용한 열처리를 거친 샘플의 경우 연필경도 3H의 경도를 보였다.
또한, 투과율을 측정하여 UV-NIL을 통한 패턴 전사로 원하는 특성이 IPL 노광 방식이 표면에서의 광열효과로 인해 경화가 일어남을 확인하였다.
24 GPa의 우수한 경도값을 나타내었다. 또한, 패턴 없는 코팅만 실시된 시편에 비하여 나노패턴이 형성된 시편의 광투과율이 97.6% 로 약 4.6% 이상 향상된 투과율을 달성하였다.
2GPa로 높게 나타났다. 열처리 방식에 따른 두 시편의 Elastic modulus는 4 GPa에서 5.9 GPa로 IPL 방식이 1.4배, Hardness는 0.27 GPa에서 0.51 GPa로 hot plate를 이용한 열처리 방식보다 IPL 방식이 1.8 배 크게 향상된 것을 알 수 있었으며 이는 인성이 우수하면서 경도를 향상한 결과로 볼 수 있다.
²⁴두 번째는, 광열효과로의 잔존 용매와 실리카의 수분 제거를 통한 고분자 표면의 치밀화이다. 이러한 방식으로 모재 선택의 제한을 극복하였고, 나노인덴테이션으로서 상용 레진 대비 인성의 향상과 경도의 향상이 모두 갖추어졌음을 확인하였다. 표면에서 더욱 우수한 경도를 보이는 경도의 gradient는 스크래치에 취약한 나노 패턴의 기계적 물성을 보완하면서도 필름 자체의 유연성을 유지하여 주는 것으로 보인다.

후속연구

향후 최적의 IPL열처리를 공정을 확립하기 위하여 IPL전압의 영향, pulse width, 노광 횟수에 따른 heat distribution 조사의 영향 및 레진의 경화열 분석에 관한 추가적인 연구가 요구되고 있다.

참고문헌 (24)

A. R. Parker and H. E. Townley, "Biomimetics of photonic nanostructu res", Nat. Nanotechnol., 2(6), 347 (2007).

상세보기
C.-J. Ting, M.-C. Huang, H.-Y. Tsai, C.-P. Chou, and C.-C. Fu, "Low cost fabrication of the large-area anti-reflection films from polymer by nanoimprint/hot-embossing technology", Nanotechnology, 19(20), 205301 (2008).

상세보기
Z. Jia, J. Choi, and S. Park, "Selection of UV-resins for nanostructured molds for thermal-NIL", Nanotechnology, 29(36), 365302 (2018).

상세보기
Y. H. Sung, Y. D. Kim, H. J. Choi, R. Shin, S. Kang, and H. Lee, "Fabrication of superhydrophobic surfaces with nano-inmicro structures using UV-nanoimprint lithography and thermal shrinkage films", Applied Surface Science, 349, 169 (2015).

상세보기
N. Kim, J. Kim, H. S. Lim, and S. H. Kim, "Technological Trend of Special Coating Materials for Surface functionalisation", Journal of Adhesion and Interface, 18(2), 82 (2017).
S. Sprenger, "Nanosilica-Toughened Epoxy Resins", Polymers, 12(8), 1777 (2020).

상세보기
X. Chen and K. E. Gonsalves, "Synthesis and properties of an aluminum nitride/polyimide nanocomposite prepared by a nonaqueous suspension process", Journal of materials research, 12(5), 1274 (1997).

상세보기
S. Amberg-Schwab, E. Arpac, W. Glaubitt, K. Rose, G. Schottner, and U. Schubert, "Materials Science Monographs-High Performance Ceramic Films and Coatings", Ed., P. Vincenci, pp.203, Elsevier, Amsterdam (1991).
J. S. Jr. Humphrey, "Polycarbonate article coated with an adherent, durable, silica filled organopolysiloxane coating and process for producing same", U.S. Patent No. 4,188,451. (1980).
C. J. Brinker and G. W. Scherer, "Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing", Academic press, (2013).
Sunhan M&T Co. Ltd., and KITECH, "Coating composition for forming scratch resistant silica thin layers containing silica nano-particles of different sizes, method of preparing the same", KR101302720B1 (2013).
Y. Y. Yu, C. Y. Chen, and W. C. Chen, "Synthesis and characterization of organic-inorganic hybrid thin films from poly (acrylic) and monodispersed colloidal silica", Polymer, 44(3), 593 (2003).

상세보기
E. K. Lee, K. Eun, Y. S. Ahn, Y. T. Kim, M. W. Chon, and S. H. Choa, "Alternative sintering technology of printed nanoparticles for roll-to-roll process", J. Microelectron. Packag. Soc., 21(4), 15 (2014).

원문보기 상세보기
H. S. Kim, S. R. Dhage, D. E. Shim, and H. T. Hahn, "Intense pulsed light sintering of copper nanoink for printed electronics", Applied Physics A, 97(4), 791 (2009).

상세보기
D. J. Lee, S. H. Park, S. Jang, H. S. Kim, J. H. Oh, and Y. W. Song, "Pulsed light sintering characteristics of inkjetprinted nanosilver films on a polymer substrate", Journal of Micromechanics and Microengineering, 21(12), 125023 (2011).

상세보기
J. Chen, C. Glaus, R. Laforest, Q. Zhang, M. Yang, M. Gidding, M. J. Welch, and Y. Xia, "Gold nanocages as photothermal transducers for cancer treatment", Small, 6(7), 811 (2010).

상세보기
J. Qiu and W. D. Wei, "Surface plasmon-mediated photothermal chemistry", The Journal of Physical Chemistry C, 118(36), 20735 (2014).

상세보기
S. Thomsen, "Pathologic analysis of photothermal and photomechanical effects of laser-tissue interactions", Photochemistry and photobiology, 53(6), 825 (1991).

상세보기
S. L. Jacques and S. A. Prahl, "Modeling optical and thermal distributions in tissue during laser irradiation", Lasers in surgery and medicine, 6(6), 494 (1987).

상세보기
S. Rastegar, M. Motamedi, A. J. Welch, and L. J. Hayes, "A theoretical study of the effect of optical properties in laser ablation of tissue", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 36(12), 1180 (1989).

상세보기
B. R. Kamat, S. V. Tang, K. A. Arndt, R. S. Stern, J. M. Noe, and S. Rosen, "Low-fluence CO 2 laser irradiation: selective epidermal damage to human skin", Journal of Investigative Dermatology, 85(3), 274 (1985).

상세보기
S. J. Kim, M. Jang, H. Y. Yang, J. Cho, H. S. Lim, H. Yang, and J. A. Lim, "Instantaneous pulsed-light cross-linking of a polymer gate dielectric for flexible organic thin-film transistors", ACS Applied Materials & Interfaces, 9(13), 11721 (2017).

상세보기
N. E. Yeo, W. K. Cho, D. I. Kim, and M. Y. Jeong, "Durability Improvement of Functional Polymer Film by Heat Treatment and Micro/nano Hierarchical Structure for Display Applications", J. Microelectron. Packag. Soc., 25(4), 47 (2018).

원문보기 상세보기
Y. Du, B. A. Williams, L. F. Francis, and A. V. McCormick, "Pulsed irradiation for high-throughput curing applications", Progress in Organic Coatings, 104, 104 (2017).

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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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