미세패턴 성형과 전자빔 조사를 혼용한 친-소수성 고분자 복합 표면 개발 :Development of Hydrophobic-Hydrophilic Polymer Surfaces Combining Micro-Patterning and E-Beam Eradiation

이현중

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이현중 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박근

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

미세패턴과 전자빔을 혼용한 친-소수성 복합 표면 개발

이현중 , 박근 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2016.10 학술대회자료

2015

미세패턴 성형과 전자빔 조사를 혼용한 친-소수성 고분자 복합 표면 개발

이현중 기계설계로봇공학과 2015.01 학위논문

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본 연구에서는 고분자 소재에 다양한 기능적 성질(젖음성, 투과성, 확산성 등)을 부여하기 위해 초음파 임프린팅 공정과 전자빔 조사를 사용하여 짧은 제작시간과 저렴한 시스템 비용으로 간단하고 지속적인 효과를 유지하고자 하였다.
고분자 소재에 기능성을 국부적으로 부여하기 위해 임의의 영역에 미세패턴을 전사할 수 있는 선택적 초음파 임프린팅 공정을 수행하였다. 상기 공정의 유효성을 판단하기 위해 다양한 영역에서 접촉각과 투과율 측정을 실시하였다. 또한 단일금형으로 다양한 미세패턴을 성형할 수 있는 반복성형 기술을
개발하였다. 상기 기술을 사용하여 프리즘 패턴이 각인된 금형으로 피라미드 패턴을 성형하였으며, 선택적 초음파 임프린팅 공정과 접목하여 국부적으로 성형된 다양한 미세패턴의 기능성을 고찰하였다.
선택적 초음파 임프린팅을 사용하여 고분자 표면에 소수성 미세패턴을 제작하였다. 상기 공정을 통해 제작된 미세패턴의 영역별 젖음성과 포집 특성을 비교하기 위해 접촉각 측정과 잉크의 양에 따라 확산된 변화를 비교하였으며, 소수성 미세패턴영역에만 실란 코팅을 하여 더욱 낮은 표면에너지를 갖는 초소수성 표면을 구현하였다.
고분자 소재에 전자빔을 조사하여 높은 표면에너지를 갖는 친수성 표면을 제작하였다. 특히 다양한 소재와 조사조건을 변화시켜가며 가장 낮은 접촉각을 갖는 조사조건을 도출하였으며, 소수성 성질에 가까운 고분자 소재의 표면을 친수성으로 개질하여 화학적 검증과 기계 및 열적 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 국부적인 영역에 미세패턴 성형과 전자빔 조사를 통해 단일 표면상에 소수성과 친수성이 공존하는 기능성 복합표면을 제작하였다. 선택적 초음파 임프린팅 공정을 통한 소수성 표면과 국부적인 전자빔 조사에 의한 친수성 표면개질을 통해 표면에너지 차이에 따라 소수성과 친수성의 경계구분이 가능하였으며, 물방울을 경계면에 투하함으로써 친수영역으로 포집되는 결과를 도출하였다. 이에 추가적으로 물방울의 포집특성과 다양한 표면에너지 차이를 극대화하기 위해 미세패턴 영역에 실란 코팅하여 단일 표면에 접촉각이 최대 100°이상의 차이를 나타내는 초소수성-친수성 복합표면을 제작하였다.

Recently, the study imparts the natural for polymer material with various functional properties (wettability, permeability, diffusibility, etc.) by methods of physical or surface modification process. In this study, the selective ultrasonic imprinting and electron beam irradiation processes with short production times and low system cost were conducted to maintain a consistent effect of functionality and to fabricate simply surface.
The selective ultrasonic imprinting process was conducted to replicate a micro-pattern in an arbitrary area and to locally impart functionality to the polymer material. Contact angle and the transmittance of the various regions were measured to determine the effectiveness of the selective micro-patterns forming by using complex mask film.
Also, the super-hydrophobic polymer surface was selectively fabricated by ultrasonic imprinting and silane coating. Micro-structure was theoretically
designed to have a hydrophobic surface, and then a stamp of coelanaglyphic patterns was produced through semiconductor process. The contact angle and the diffusion characteristics of the ink drop were compared with replicated hydrophobic patterns region using selective ultrasonic imprinting and pure region. Also, super-hydrophobic surface containing a low surface energy was fabricated by a silane coating on the micro-pattern. In addition, the surface having a different surface energy in hydrophobic range was fabricated by
selective micro-pattern and the silane coating.
The properties of the surface are changed to the polymer material by irradiation of electron beam. The process was conducted to modify from hydrophobic to hydrophilic properties with a high surface energy. In particular, the condition was obtained to have a high surface energy through a variety of materials and irradiation conditions. The chemical and mechanical properties were analyzed with the surface-modified polymer material.
In this study, The selective ultrasonic imprinting and electron beam was conducted to fabricate super-hydrophobic/hydrophilic compound surface. This was possible to demarcate between super-hydrophobic and hydrophilic surfaces using selective ultrasonic imprinting and electron beam irradiation processes. The water was collected on hydrophilic area by dropping the
droplets. In addition, a super-hydrophobic/hydrophilic composite surface with the difference between a contact angle of up to 109.1° in a single surface was fabricated to maximize the surface energy difference by selective silane coating on micro-patterns region.

#초음파 임프린팅 #전자빔 #미세패턴 #표면개질 #친수성 #소수성

1. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 현황 4
1.3 연구 목적 및 내용 7
2. 선택적 초음파 임프린팅을 이용한 기능성 미세패턴 제작 9
2.1 초음파 임프린팅 개요 9
2.2 초음파 임프린팅을 사용한 다양한 공정 시스템 12
2.3 초음파 임프린팅을 이용한 국부적 미세패턴 성형 실험 13
2.3.1 선택적 초음파 임프린팅 공정을 사용한 전사특성 13
2.3.2 국부적인 미세패턴의 성형에 따른 다양한 기능적 특성 15
2.3.3 미세패턴의 이중방향성에 따른 레이저 확산 평가 18
2.4 선택적 초음파 임프린팅을 사용한 반복성형기술 20
2.4.1 선택적 초음파 반복 임프린팅 공정 개요 20
2.4.2 초음파 반복 임프린팅 공정을 사용한 복합 미세패턴의 전사특성 21
2.4.3 국부적인 복합 미세패턴의 다양한 기능적 특성 23
3. 선택적 초음파 임프린팅을 이용한고분자 표면의 소수성 표면개질 26
3.1 미세패턴을 이용한 소수성 표면개질의 개요 26
3.2 소수성 패턴을 갖는 스탬프 제작 29
3.3 소수성 표면개질을 위한 초음파 임프린팅 실험 31
3.3.1 소수성 미세패턴의 가진시간과 금형온도 변화에 따른 전사특성 31
3.3.2 접촉각 측정을 통한 미세패턴의 소수성 비교 분석 35
3.3.3 소수성 미세패턴에 의한 기능적 특성 분석 36
3.3.4 소수성 코팅에 따른 접촉각 비교 37
4. 전자빔을 이용한 고분자 표면의 친수성 표면개질 41
4.1 친수성 표면개질을 위한 전자빔 조사 실험의 개요 41
4.2 소재별 전자 가속기의 에너지 변화에 따른 전자빔 조사 실험 43
4.2.1 소재별 조사에너지에 따른 접촉각 분석 43
4.2.2 소재별 조사 및 보관시간에 따른 접촉각 분석 45
4.3 저에너지 전자빔을 사용한 폴리카보네이트의 표면개질 48
4.3.1 조사조건 확립을 위한 실험 48
4.3.2 XPS를 사용한 화학적 변화 분석 50
4.3.3 나노 압입시험에 의한 기계적 물성 분석 52
4.3.4 열중량 분석시험에 의한 열안정성 평가 54
5. 초음파 임프린팅과 전자빔 조사를 사용한 친-소수성 복합표면 제작 55
5.1 친-소수성 복합 표면의 개요 55
5.2 차폐 마스크를 사용한 선택적 전자빔 조사 실험 56
5.3 미세패턴 고분자 표면의 전자빔 조사 실험 60
5.4 단일표면에 다양한 표면에너지를 갖는 친-소수성 복합 표면 구현 64
6. 결 론 73
참고문헌 75
영문초록(Abstract) 80

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