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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.5 pp.91-96
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.5.091

The Effect of Dimensions of Micro-post on Oleophobic Property

Nam-Kyung Kim*, Hae-Ji Kim*#
*Department of Automotive Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology
Corresponding Author : khji@gntech.ac.kr Tel: +82-55-751-3647, Fax: +82-55-751-3649
02/08/2018 09/08/2018 16/08/2018

Abstract


The oleophobic property of surfaces modified with micro-post structures are investigated for a range of micro-post diameter (11-23μm) and pitch (20-40μm). The contact angle of an oil droplet on surfaces with various micro-post dimensions was calculated using the Cassie-Baxter model and did not show a good agreement with the measured contact angle. From measurement, the micro-post with diameter of 23μm and pitch of 32μm was found to have the highest contact angle (134.3°).



마이크로 기둥 구조의 크기가 소유성 특성 발현에 미치는 영향

김 남경*, 김 해지*#
*경남과학기술대학교 자동차공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근 스마트폰, 태블릿 PC, 키오스크 등 터치스 크린 기반 디스플레이의 수요가 사회 전반으로 급 증하고 있다. 대부분의 터치스크린의 작동은 인체 의 손가락에 의해 이루어지며, 이때 터치스크린과 맞닿는 손가락의 지문에 존재하는 지방질 오일 (sebaceous oils)이 터치스크린에 잔류하여 외관의 미 려함을 저하시킬 뿐만 아니라, 기기의 오작동을 유 발하기도 한다[1].

    초기의 소유성 표면(oleophobic surface)은 대부분 코팅 방식으로 구현되어 왔다. 여기서 소유성 표면 이란 기름에 친화력이 없는 표면을 의미하며, 코팅 방식은 물체 표면에 알킬실란, 실리콘, 솔벤트 등이 함유된 화학 물질을 도포 또는 기상 증착(vapor deposition)하여 표면에 소유성 특성을 부여하는 것 을 의미한다. 이러한 화학적 코팅 방식의 소유성 특성 발현 원리는 물체의 최외곽 표면의 극성 (polarity)을 개질시켜, 극성을 갖거나 또는 갖지 않 는 물 또는 기름 등을 밀어내는 것이다. 하지만 이 러한 코팅 방식은 손가락이 접촉 또는 문대어 작동 하는 터치스크린의 특성상 기계적인 마모로 인하여 장기적인 성능 유지가 어렵다. 또한, 해당 기술은 독성의 화학 물질을 이용하는 방식으로 현시점 친 환경기술의 중요성이 나날이 증가하고 있는 점을 미루어볼 때 적절한 소유성 표면 구현기술로 보기 어렵다. 전술한 바와 같이 화학적 방식의 소유성 표면 구현 방식의 한계로 인하여 다양한 연구자들 을 통해 표면에 미세 구조를 형성하여 표면에너지 를 낮추는 방식이 제안되었다. 미세 구조를 이용한 초기의 연구들은 대부분 자연계에 존재하는 다양한 식물들의 잎에 존재하는 미세구조를 생체모방 또는 직접 복제하는 방식으로 소유성 표면을 구현하였다 [2-3]. 하지만, 생체 모방형 미세 구조는 자연계가 제 공하는 미세 구조 디자인을 그대로 활용하는 것일 뿐, 소유성 발현을 위하여 최적화된 미세 구조를 제공하는 것은 아니다. 따라서, 다양한 연구자들을 통해 생체 모방 미세구조물을 기반으로 소유성 특 성을 최적화하기 위하여 다양한 형태의 미세 구조 물이 제안되었다[4-9] . 제안된 미세 구조물 중 버섯 형태의 미세구조물이 액적(liquid droplet)과 맞닿을 때 re-entrant curvature를 제공하기 때문에 소유성 효과가 향상될 수 있음이 확인되었다.

    상기와 같이 소유성 특성을 향상시키기 위하여 미세구조물의 기하학적 형태에 대한 연구가 진행된 바 있으나, 미세구조물의 크기 및 간격 등의 치수 에 대한 연구가 미비한 상황이다. 현재 까지 알려 진 최적의 소유성 효과를 나타내는 버섯 형태의 미 세구조물은 보편적으로 원기둥의 끝단에 반구 형태 의 구조물이 결합된 형태로 이루어진다. 이러한 버 섯 형태의 미세구조물은 포토리소그래피, 트랜스퍼 프린팅, 전기화학 증착 등의 공정으로 제작될 수 있는데[6,10] , 이들의 공통점은 미세구조물의 근간이 되는 기둥 또는 홀을 선 제작한 후 후 공정을 통해 반구 형태의 구조물을 형성시킨다. 이때 기둥 또는 홀의 크기 및 간격은 추후 소유성 특성을 발현하는 데 있어 중요한 역할을 수행한다.

    본 연구에서는 버섯형태의 미세구조물의 근간이 되는 마이크로 기둥의 지름 및 피치 등이 소유성 효과 구현에 미치는 영향을 살펴보았다. 지름 및 피치가 소유성 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위 하여, 다양한 지름 및 피치를 갖는 마이크로 기둥 을 포토리소그래피(photolithography)로 제작하고 설 정된 변수 내에서의 최적의 소유성 효과를 나타내 는 지름 및 피치 변수를 확인하였다.

    2. 배경 이론 및 실험 방법

    2.1 Wetting theory

    습윤(wetting)이란 액체가 고체 표면과에 접촉해 있을 때, 액체와 고체사이의 분자간 상호 작용으로 접촉을 유지할 수 있는 능력이다. 습윤도(degree of wetting)는 adhesive와 cohesive사이의 힘의 균형에 의해 결정된다. 액체와 고체 사이의 adhesive force 는 표면에 액체 방울이 퍼지게 하는 반면에, 액체 내의 cohesive force에 의해 물방울이 위로 올라가고 표면과의 접촉이 방지된다. 습윤도는 접촉각을 통 해 측정될 수 있으며, 일반적으로 접촉각이 낮을수 록 표면의 습윤이 유리(favorable)하여 유체가 표면 의 넓은 영역에 퍼진다. 반대로 접촉각이 높을수록 유체가 표면과의 접촉을 최소화하고 소형 액체 방 울을 형성한다. 이상적인 표면(ideal surface)은 평평 하고 단단하며 완벽하게 매끄럽고 화학적으로 균질 하여 접촉각의 변화가 없고, 열역학적으로 안정한 접촉각이 하나만 존재한다. 이러한 ideal surface에 대한 접촉각은 Young`s equation에 의해 계산할 수 있다. 하지만 많은 부분의 표면은 매끈하지 못하며 표면의 요철을 갖고 있다. 고체 표면이 매끈하지 않고 구조물 때문에 요철이 있을 경우 접촉각은 Fig. 1과 같이 Wenzel 이나 Cassie-Baxter 에 의해 설명 된다.

    Wenzel 상태에서의 접촉각 θw는 식 1에 의해 정 의된다.

    cos θ w = r cos θ 0
    (1)

    이때 r은 거칠기 요소(roughness factor)로 요철로 인 한 실제 면적과 수직으로 투영되어진 면적의 비이 며, θ0 는 표면에 요철이 없는 이상적인 면에서의 접촉각을 의미한다. Fig. 1(b)와 같이 Cassie-Baxter 모델은 표면에너지가 낮아 유체 액적(liquid droplet) 이 표면에서 떠있고, 미세 요철의 끝부분에만 닿아 있을 때를 의미한다. Cassie-Baxter 상태에서 접촉각 은 식 2와 같이 정의된다.

    cos θ c = Φ s ( cos θ 0 + 1 ) 1
    (2)

    이때, θc는 Cassie-Baxter 상태에서의 접촉각이며, Φs는 고체 표면으로 인한 면적과 수직에서 본 투 영된 면적의 비율이다. 상기의 수식에서 알수 있 듯이 표면의 거칠기 요소 및 투영 면적 등으로 표 면의 젖음성(wettability)이 달라진다. 이외에도 젖음 성은 물질의 표면에너지에 따라 달라지는데 이는 재료의 성질에 따라 달라진다.

    2.2 마이크로 기둥 크기 선정

    Wenzel 모델과 Cassie-Baxter model은 표면에 존 재하는 유체에 대한 평형 상태를 나타내며, 이 두 가지 평형상태는 원기둥에 따라 지름, pitch 및 높 이 등에 따라 달라진다. 2.1절에서 살펴본 Cassie-Baxter model이 표면에 미세구조물이 원기둥 형태일 때는 식 3과 같이 수식을 정의할 수 있다 [11].

    cos θ c = π D 2 4 P 2 ( cos θ 0 + 1 ) 1
    (3)

    본 연구에서는 마이크로 기둥의 피치가 50㎛ 이 하인 영역에서 오일에 대한 접촉각 변화 추이를 살 펴보았다. 이때, 마이크로 기둥의 높이는 30㎛로 고 정하고, 지름을 최소 11㎛에서 3㎛ 간격으로 최대 23㎛ 까지, 기둥간의 pitch는 최소 20㎛에서 3㎛ 간 격으로 최대 44㎛ 까지 변화시켜가며 지름 및 pitch 에 따른 표면의 소유성 특성을 살펴보았다.

    2.3 마이크로 기둥을 갖는 소유성 표면 제작

    마이크로 기둥을 갖는 표면 제작은 Fig. 2와 같이 포토리소그래피 공정으로 제작할 수 있다. 먼저 4 인치 실리콘 웨이퍼에 스핀코팅 공정으로 photoresist(PR) 층을 형성시킨다. 그 후 quartz 마 스크를 형성된 PR층 위에 밀착하여 위치시키고 UV light를 조사한다. 이때 PR층의 극성(polarity) 에 따라 빛이 조사된 영역이 잔존하거나 용해된 다. 본 연구에서는 Positive 극성의 PR을 사용하여 UV가 조사된 영역이 현상(development)공정에서 용해되었다. 현상공정 후 형성된 PR 패턴을 etch-barrier로 사용하여 deep reactive ion etching(DRIE) 공정을 통하여 실리콘에 패턴을 전 사하였다. DRIE 공정 후 실리콘 패턴 위에 존재 하는 PR 패턴을 Plasma ashing 공정으로 제거하고 Fluorooctyltrichlorosilane(FOTS) 물질을 기상증착법 으로 자기조립 단분자막(self-assembled monolayer) 을 형성하였다. 제작된 결과를 Fig. 3에 나타내었 다. Fig. 3(a)의 실리콘 소유성 표면은 좌측 상단으 로부터 우측 하단까지 25개의 사각형 내에(사각형 사이즈:10mm x 10mm ) 서로 다른 피치 및 지름을 갖는 마이크로 기둥이 존재한다.

    2.4 접촉각 측정

    제작된 표면의 소유성 특성을 확인하기 위하여 접촉각 측정 실험을 수행하였다. 접촉각 측정은 Phoenix 150/300(SEO)으로 동적 접촉각을 측정하 였으며 측정 유체는 물과 유채씨유(rapeseed oil)로 선정하였으며 300μm 지름의 니들을 이용하여 약 6 μl의 유체를 2㎜의 지름을 갖도록 유체 액적을 형 성하여 접촉각을 측정하였다. 여기서 물을 이용한 접촉각 측정 실험은 기존의 Cassie-Baxter 모델의 검 증 실험을 위하여 수행되었다. 물의 표면장력 (surface tension)은 72.1 mN/m 이고, 유채씨유의 표 면장력은 35.5 mN/m 이다. 다양한 지름 및 pitch를 갖는 마이크로 기둥에 대한 유채씨유의 접촉각 측 정을 위하여 Fig. 4와 같이 유체씨유 액적을 형성시 켜 접촉각을 측정하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 물을 이용한 Cassie-Baxter 접촉각 예 측 및 측정 실험결과

    2.2절에서 살펴본 바와 같이, Cassie-Baxter model 이 표면에 미세구조물이 원기둥 형태일 경우 지름 및 pitch에 따라 접촉각이 변화된다. Fig. 5에서는 물에 대 하여 원기둥 사이의 간격과 예측 및 측정 접촉각 사 이의 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서 간격은 원기둥 간의 pitch와 지름의 차이로 구한다. Cassie-Baxter 모델로 예상한 접촉각은 점선으로 나타내었으며, 실제 측정한 접촉각은 실선으로 나타내었다. Cassie-Baxter 모델에 따라 예측한 접촉각 데이터를 보면 원기둥의 간격이 증가하면서 접촉각의 크기도 점점 증가하는 양상을 나타내며, 이는 실제로 측정 한 접촉각의 경우에도 절대적인 수치는 10~15도 가 량 차이가 나지만, 전체적인 경향성은 일치한다. 절 대적인 수치의 차이는 기존의 Cassie-Baxter 모델에 한계를 나타내며, 이는 표면에서 생기는 liquid films 에 따라 달라지는 disjoining pressure에 기인한 것으 로 설명될 수 있다[12].

    3.2 유채씨유를 이용한 Cassie-Baxter 접 촉각 예측 및 측정 실험결과

    Fig. 6에서는 유채씨유에 대하여 원기둥 사이의 간격과 예측 및 측정 접촉각 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 물에 대한 그래프와 마찬가지로 Cassie-Baxter 모델로 예상한 접촉각은 점선으로 나 타내었으며, 실제 측정한 접촉각은 실선으로 나타 내었다. 유채씨유의 경우 물에 대한 접촉각과는 달 리 Cassi-Baxter 모델로 예측한 접촉각과는 반대의 양상을 나타내었다. 지름이 23㎛ pitch가 32㎛일 때 유채씨유의 접촉각이 134.3°로 가장 크게 측정되었 으며 물의 경우 지름이 11㎛, pitch가 32㎛ 일 때 147.09°로 가장 크게 나타났다. 오일의 경우, 지름은 가장 크고 선폭이 가장 작을 때 최대값이 측정되었 으며, 물의 경우 지름이 가장 작고 선폭이 가장 클 때 가장 큰 접촉각이 측정되었다. 특히, 오일의 경 우 마이크로 기둥의 지름이 20㎛ 보다 작을 때는 선폭에 따른 접촉각 변화가 일정하지 않았고, 20㎛ 이상일 때 선폭의 증가에 따른 접촉각 감소 경향을 확인하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 마이크로 기둥 구조를 갖는 소유 성 표면 설계 방법에 대하여 제안하였다. 표면에 마이크로 기둥이 존재할 때 Cassie-Baxter 수식의 유 효성을 검증하기 위하여, 다양한 지름 및 pitch를 갖는 마이크로 기둥을 제작하고 물과 오일에 대한 표면의 습윤도를 측정하였다. 물의 경우 Cassie-Baxter 모델로 예측되는 접촉각과 실제 측정 한 접촉각이 약 10% 정도 예측 접촉각이 높게 나 타났지만, 선폭에 따라 접촉각이 증가하는 경향성 은 일치하였다. 오일의 경우 마이크로 기둥의 선폭 에 따른 접촉각의 변화 양상이 Cassie-Baxter 모델로 예측되는 접촉각과 실제 측정값의 선폭에 대한 변 화 추이가 반대의 양상을 나타내었다.

    이 결과를 통해 기존의 Cassie-Baxter 모델은 물에 대한 접촉각 예측에 유효함을 알 수 있고, 오일에 대한 접촉각 예측은 한계가 있음을 알 수 있다. 오 일에 대한 접촉각 측정 결과를 살펴볼 때 지름이 23㎛, pitch가 32㎛일 때 오일의 접촉각이 134.3°로 가장 크게 측정되었다.

    본 연구에서 실험적으로 최적화된 지름 및 피치 를 갖는 마이크로 기둥을 가시광 영역에서 높은 투 과도를 갖는 폴리머 필름에 형성하고, 디스플레이 에 붙이거나 디스플레이의 최외곽 면에 직접 성형 하는 방법 등으로 디스플레이 표면에 소유성 특성 을 부여할 수 있다 또한, 마이크로 기둥 위 나노 구조를 형성하는 계층 구조물 (hierarchical structures) 또는 마이크로 기둥 위 반구 구조를 형 성하는 버섯 형태의 구조물을 형성한다면 표면에 마이크로 기둥이 단일로 존재할 경우보다 소유성 효과가 향상될 수 있다.

    후 기

    "이 논문은 2017년도 경남과학기술대학교 연구비 지원에 의하여 연구되었음."

    Figure

    KSMPE-17-91_F1.gif
    Liquid droplet behavior in (a) Wenzel state, and (b) Cassie-Baxter state
    KSMPE-17-91_F2.gif
    Fabrication processes for oleophobic surface with micro-post
    KSMPE-17-91_F3.gif
    Fabrication results of oleophobic surface with micro-post (a) photograph of fabricated silicon oleophobic surface, (b) SEM image of micro-post
    KSMPE-17-91_F4.gif
    Photograph of (a) oil droplets on the fabricated oleophobic surface with micro-post. Contact angle measurement images of (b) oil droplet on patterned surface with micro-post(diameter: 23㎛, pitch: 32㎛, and (b) on bare silicon surface
    KSMPE-17-91_F5.gif
    The predicted and measured contact angle of functional surface with water droplet as a function of diameter of micro-post
    KSMPE-17-91_F6.gif
    The predicted and measured contact angle of functional surface with oil droplet as a function of diameter of micro-post

    Table

    Reference

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