KR102528880B1 - 전기수력학 불안정성을 이용한 패턴제작기술의 미세 구조체 사이의 2차 간섭효과에 의한 초미세구조체 제작 및 초소수성표면 형성방법 - Google Patents

전기수력학 불안정성을 이용한 패턴제작기술의 미세 구조체 사이의 2차 간섭효과에 의한 초미세구조체 제작 및 초소수성표면 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기수력학적 불안정성을 이용하여 표면에 이방적 젖을 구현할 수 있는 미세 구조체 형성하는 방법에 관한 것으로, 하부 전극층 상에 위치하는 유체 박막의 상부에 돌출부(protrusion)와 비돌출부(non-protrusion)를 포함하는 마스터 패턴이 형성된 상부 전극을 상기 유체 박막의 표면으로부터 제1 간격만큼 이격되게 배치하는 제1 단계 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하는 제2 단계를 포함하고, 하기의 식 1로부터 도출되는 고유파장(λm)은 상기 돌출부의 주기(λp)는 보다 작은 것을 특징으로 한다:
<식 1>
Figure 112021018329897-pat00010

상기 식1에서, λm은 고유파장이고, γ는 유체 박막의 표면장력, εr는 유체 박막의 유전율, ε0는 진공 유전율, U는 인가되는 전압의 세기, h는 유체 박막의 두께, d는 양 전극 사이의 거리이다.

Description

전기수력학 불안정성을 이용한 패턴제작기술의 미세 구조체 사이의 2차 간섭효과에 의한 초미세구조체 제작 및 초소수성표면 형성방법{FABRICATION OF NANOSTRUCTRUES BY SECONDARY INTERFERENCE EFFECT BETWEEN MICROSTRUCTURES USING ELECTROHYDRODYNAMIC INSTABILITY PATTERNING TECHNOLOGY AND METHOD OF MANUFACTURING SUPERHYDROPHOBIC SURFACE}
본 발명은 표면에 미세 구조체를 형성하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 전기장 인가를 통해 유체 박막(fluidic thin film)에 발생하는 전기수력학적 불안정성(electrohydrodynamic instability)의 2차 간섭효과(Secondary interference)를 이용하여 기존의 표면 구조체 사이에 2차 구조체를 동시에 제작하여 표면 구조적 특성을 제어하는 방법에 관한 것이다.
표면 구조에 기반한 이방적 젖음은 고체-액체-공기가 동시에 접촉하는 삼중선(three-phase contact line)의 밀도와 연속성을 정밀히 제어해야 효과적으로 나타난다. 이에, 종래기술은 다양한 방식에서 방향적 지향을 내보이는 미세 구조체 제작을 시도하였다.
이러한 종래기술 중 하나인 화학적 패터닝 방법(Langmuir 2010, 26(17), 14276??14283, Langmuir 2005, 21, 911-918)은 친수성기와 소수성기를 방향적으로 배열시켜 삼중선의 불연속성을 제어하는 방식이다. 그러나 이 방법을 이용하는 경우 내구도의 문제가 있기에 특정 온도, 습도, 그리고 물과의 빈번한 접촉에서 화학적 처리에 따른 표면에너지의 제어 효과가 쉽게 사라지는 문제점이 있다.
최근 쌀잎 표면에서 마이크로 수준의 이방적 구조체와 그 사이에 위치한 나노 수준의 미세 돌기(papille)가 이방적 젖음에 크게 기여한다는 것이 밝혀지면서, 물리적 방식으로 유사한 구조체와 관련한 젖음 특성을 구현하려는 연구가 진행 중이다. 그러나 현재까지 연구된 제작 공정은 최소 2번 이상의 패터닝(patterning)을 거쳐야만 하는 기술적 복잡성의 문제를 내재하고 있다.
대부분은 임프린팅(imprinting) 기법 기반의 접촉식 공정을 사용하는데, 예를 들어, 마이크로 수준의 구조체를 제작한 후 다시 그 사이로 나노 구조체를 제작하는 기법(Langmuir 2007, 23, 7793-7798)이 있다. 그러나 이러한 기법 기반의 공정은 1차적으로 제작된 마이크로 구조체에 영향을 주지 않고는, 그 사이에 위치하는 나노 구조체의 2차적 형성은 어렵다.
이에, 1차적으로 패터닝을 한 구조체 위에다가 2차적으로 화학적 합성 및 코팅(Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 547-553)을 통한 나노 구조체 형성을 이끌어내는 방안이 제기되었으나, 기계적, 화학적 내구도의 문제와 함께 복잡한 공정 절차를 수행해야하는 단점이 있다. 따라서 이방적 젖음을 구현하는 표면 제작과 관련하여 간편하면서도 단일과정에 의해 이방적 구조체가 제작 가능한 제작기술이 요구되고 있다.
한편, 유체 박막의 전기수력학적 불안정성을 통한 구조체 형성은 간편하며 단일 공정에서 다양한 표면구조 제어가 가능한 장점이 있다. 따라서 현재 이방적 구조체 제작과 관련한 유력한 방안은 1차적으로 형성된 구조체 사이에 2차적인 구조체 형성을 유도하는 2차 전기수력학적 불안정성을 이용(Thin Solid Films 642 (2017) 241-251)하는 것이다. 그러나 이와 관련한 심도 깊은 연구는 현재 부재한 상황이며, 효과적으로 이 현상을 유도할 전략은 현재 연구된 바 없다.
본 발명의 일 목적은 전기수력학적 불안정성을 이용함으로써 표면에 이방적 젖음을 구현할 수 있는 미세 구조체를 용이하게 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전기수력학 불안정성을 이용한 패턴제작기술의 미세 구조체 사이의 2차 간섭효과에 의한 초미세구조체를 제작하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 목적을 위한 미세 구조체의 형성방법은 전기수력학적 불안정성을 이용하는 것을 기반으로 하며, 하부 전극층 상에 위치하는 유체 박막의 상부에 돌출부(protrusion)과 비돌출부(non-protrusion)를 포함하는 마스터 패턴이 형성된 상부 전극을 상기 유체 박막의 표면으로부터 제1 간격만큼 이격되게 배치하는 제1 단계 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하는 제2 단계를 포함하고, 하기의 식 1로부터 도출되는 고유파장(λm)은 상기 돌출부의 주기(λp)는 보다 작은 것을 특징으로 한다:
<식 1>
Figure 112023017975244-pat00016
상기 식1에서, λm은 고유파장이고, γ는 유체 박막의 표면장력, εr는 유체 박막의 유전율, ε0는 진공 유전율, U는 인가되는 전압의 세기, h는 유체 박막의 두께, d는 양 전극 사이의 거리이다.
일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극의 돌출부(protrusion)와 마주보는 유체 박막의 표면에 제1 패턴이 형성되고, 상기 상부 전극의 비돌출부(non-protrusion)와 마주보는 상기 유체박막의 표면에 제2 패턴이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 간격은 2 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체 박막과 상기 돌출부 사이의 거리는 1 ㎛ 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 돌출부의 종횡비(aspect ratio)는 0.1 내지 1 미만 일 수 있다. 상기 종횡비는 돌출부의 폭(너비, width)에 대한 높이(
Figure 112021018329897-pat00002
)를 의미하는 것으로, 종횡비를 제어함으로써 고유파장(λm)을 돌출부의 주기(
Figure 112021018329897-pat00003
)는 보다 작게 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체 박막은 뉴턴 유체(Newtonian fluid)로 형성된 것 일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 단계는 상기 유체 박막이 고분자 물질일 경우, 유리전이온도 이상에서 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체 박막의 두께는 300 내지 1000nm 일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전압은 50 내지 200 V 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 기술 대비 단일 공정으로 쉽게 유체 박막의 표면에 이방적 젖음을 구현할 수 있는 미세 구조체를 형성할 수 있으며, 미세 구조체가 형성된 박막은 별도의 외부 구동력 없이도 유체가 미세 구조체 배열 방향에 따라 특정 방향성을 지닌 채 흐를 수 있는 장점이 있다. 따라서 미세유체소자 등의 분야에 응용할 수 있으며, 또한 미세 구조체를 통해 다양한 표면 위에 방수 처리가 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 미세 구조체의 형성방법과 본 발명의 미세 구조체의 형성방법을 각각 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 2차 전기수력학적 불안정성의 유도에 의해 미세 구조체가 형성되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 기술과 본 발명의 미세 구조체 형성방법에 따라 제조된 미세 구조체의 표면 각각의 (a) 전자주사현미경 이미지, (b) 3 차원 계면 높이(interfacial height)를 나타낸 도면이다. 본 발명의 미세 구조체 형성방법에 따라 제조된 미세 구조체는 비돌출부에 대응되는 유체 박막에 영역에도 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 4는 고유파장/돌출부의 주기(λm/λp)에 따라 제조된 미세 구조체 각각의 전기주사현미경 이미지 및 접촉각 분석 결과를 타나낸 도면이다. λm/λp가 감소함에 따라 접촉각이 증가할수록 소수성이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 미세 구조체를 곡면위에 전사하여 이방적 젖음 분석 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 종래의 미세 구조체의 형성방법과 본 발명의 미세 구조체의 형성방법을 비교 설명하기 위해 각각의 방법을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 미세 구조체 형성방법과 본 발명의 미세 구조체 형성방법은 전기수력학적 불안정성(electrohydrodynamic instability)을 기반으로 한 방법으로, 상기 전기수력학적 불안정성이란 전기장에 의해 유체 박막 요동(film undulation)하는 현상을 의미하는 것이다.
구체적으로, 유체 박막의 표면과 수직 방향으로 높은 전기장(예를 들어, >107 V/m)을 가하는 경우, 유체는 계 내부의 자유 에너지를 낮추기 위해 전기장과 동일한 방향으로 성장하게 되고, 수십 마이크로미터에서 수십 나노미터에 이르는 미세한 구조체가 형성될 수 있다.
'전기수력학적 불안정성'에 의한 구조체의 형성 과정은 표면을 불안정하게 하는 정전기 압력과 안정하게 하는 라플라스 압력 사이의 경쟁 관계로 기술할 수 있는데, 여기에 수치상 기술(numerical description)은 하기의 식 1로부터 도출되는 '고유파장(characteristic wavelength, λm)'으로 주어질 수 있다.
<식 1>
Figure 112023017975244-pat00017
상기 식1에서, λm은 고유파장이고, γ는 유체 박막의 표면장력, εr는 유체 박막의 유전율, ε0는 진공 유전율, U는 인가되는 전압의 세기, h는 유체 박막의 두께, d는 양 전극 사이의 거리이다.
고유 파장(λm)은 전기장에 의한 박막 요동(film undulation)에 따라 관측되는 유체 박막의 표면 구조 변형이 내보이는 길이/크기 수준(length/size scale)에 대응된다. 즉, 이론적으로 전기수력학적 불안정성에 의한 미세 구조체는 공간적 크기/길이 수준에서 고유파장(λm)의 크기를 따르며 따라서 작은 고유파장을 실현할수록 미세한 구조체를 형성하는 데 매우 유리할 수 있다.
도 1의 (a)를 참조하면, 종래의 미세 구조체 형성방법은 하부 전극층 상에 위치하는 유체 박막의 상부에 돌출부(protrusion)와 비돌출부(non-protrusion)를 포함하는 마스터 패턴이 형성된 상부 전극을 상기 유체 박막의 표면으로부터 제1 간격(d)만큼 이격되게 배치하고, 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
여기에 전압을 인가하는 경우, 돌출부와 비돌출부를 포함하여 구조화된 상부 전극은 돌출부와 비돌출부의 높이(hp)차에 의해 전기장 차이를 발생시킨다. 이 때, 돌출부와 마주보는 유체 박막의 표면은 비돌출부와 마주보는 유체 박막의 표면에 비해 높은 전기장을 받을 수 있다.
이로 인해 높은 전기장을 받는 돌출부와 마주보는 유체 박막의 영역에만 구조체 형성이 집중될 수 있고, 비돌출부와 마주보는 유체 박막의 영역에서는 상대적으로 낮은 전기장을 받을 수 있다. 시간상 높은 전기장을 받는 돌출부와 마주보는 유체 박막의 영역에 구조체가 앞서 형성될 수 있고, 동시에 비돌출부와 마주보는 유체 박막의 영역의 유체는 돌출부와 마주보는 유체 박막의 영역으로 이동될 수 있다. 이러한 과정을 통해 돌출부와 마주보는 유체 박막 표면의 구조체 형성에 의해 비돌출부와 마주보는 유체박막 영역의 유체는 고갈되어, 비돌출부와 마주보는 유체박막 영역의 표면에 추가적인 구조체가 형성되는 것을 어렵게 할 수 있다.
본 발명은 비돌출부에도 유체박막이 1차 패턴 제작 후에도 남아있게 하기 위해 충분한 두께의 코팅을 진행하였다. '2차 전기수력학적 불안정성'을 통해 잔존하는 비돌출부 영역의 유체박막에서 낮은 종횡비를 갖는 상부전극의 돌출부에 의해 비돌출부에서 작용하는 전기장의 세기가 돌출부에서 작용하는 전기장의 세기와 차이가 극명하게 발생하지 않아 추가적인 미세 구조체를 형성하는 방법이 가능하다. 본 발명에서 2차 전기수력학적 불안정성은 상부 전극의 돌출부를 통해 먼저 유도되는 전기수력학적 불안정성과 구분될 수 있다. 본 발명에서는 시간상 상부 전극의 돌출부를 통해 먼저 유도되는 전기수력학적 불안정성을 '1차 전기수력학적 불안정성'이라고 정의하며. 1차 전기수력학적 불안정성 발생 다음에 상부 전극의 비돌출부를 통해 유도되는 전기수력학적 불안정성을 '2차 전기수력학적 불안정성'이라고 정의한다.
이하에서는, 2차 전기수력학적 불안정성에 대해서 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 2차 전기수력학적 불안정성에 대한 도식도이다.
도 2를 참조하면, 2차 전기수력학적 불안정성은 공간적 크기/길이 수준에서 고유파장(λm)의 크기를 따르며, 상부 전극 돌출부의 주기(λp)에 따라 추가적인 구조체의 형성이 결정되는 것을 확인할 수 있다. 돌출부의 주기(λp)가 일정한 경우, 고유파장(λm)의 감소에 따라 비돌출부와 마주보는 유체 박막의 영역에 미세 구조체가 형성될 수 있고, 고유파장(λm)이 감소함에 따라 밀도는 증가하며 구조체의 크기는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 2차 전기수력학적 불안정성은 상부 전극의 구조적 특성(topology)에서 주어지는 전기장 세기의 공간상 분포를 적절히 제어할 때 유도되는 것을 확인할 수 있다.
다시 도 1의 (b)를 참조하면, 본 발명의 미세 구조체 형성방법은 하부 전극층 상에 위치하는 유체 박막의 상부에 돌출부(protrusion)와 비돌출부(non-protrusion)를 포함하는 마스터 패턴이 형성된 상부 전극을 상기 유체 박막의 표면으로부터 제1 간격만큼 이격되게 배치하는 제1 단계 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하는 제2 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 본 발명에서는 2차 전기수력학적 불안정성을 유도하기 위해 상기 돌출부 종횡비/높이를 제어함으로써 상기의 식 1로부터 도출되는 고유파장(λm)을 상기 돌출부의 주기(λp)는 보다 작게 주어지는 것을 특징으로 하며, 1차 전기수력학적 불안정성에 의해 복제된 미세 구조체들 사이에 2차 전기수력학적 불안정성에 의해 추가적인 미세 구조체를 형성하여 이방적 미세 구조체 표면을 제작하는 방법을 제공할 수 있다.
즉, 본 발명은 종래 기술과 비교하여 상기 상부 전극의 돌출부(protrusion)와 마주보는 유체 박막의 표면에 제1 패턴이 형성될 뿐만 아니라, 상기 상부 전극의 비돌출부(non-protrusion)와 마주보는 상기 유체박막의 표면에 제2 패턴이 형성될 수 있다. 제1 패턴은 1차 전기수력학적 불안정성에 의해 복제된 패턴이며, 상기 제2 패턴은 2차 전기수력학적 불안정성에 의해 복제된 패턴일 수 있다.
본 발명에서는 돌출부의 종횡비/높이만 제어할 뿐 유체박막과 돌출부 사이의 거리(즉, 공기층)는 유지하여 수행하므로 상기 제1 패턴의 형성에 영향을 주는 고유파장(λm-(d-
Figure 112021018329897-pat00005
)의 크기에 영향을 미치지 않아, 종래의 미세 구조체 형성방법과 동일한 크기의 상부 전극의 돌출부(protrusion)와 마주보는 유체 박막의 표면에 제1 패턴(구조체)를 형성함과 동시에, 상기 상부 전극의 비돌출부(non-protrusion)와 마주보는 상기 유체박막의 표면에 제2 패턴(구조체)을 형성할 수 있다.
종래 기술에서는 양 전극 사이의 거리(d)에 대한 고유파장(λm)은 상기 돌출부의 주기(λp)보다 크거나 같게 주어지는데, 본 발명에서는 상부 전극의 돌출부의 종횡비/높이(
Figure 112021018329897-pat00006
)를 감소시킴으로써 고유파장(λm)과 돌출부의 주기(λp)를 제어하여, 돌출부에 의해 형성된 구조체 사이로 제어된 고유파장(λm)의 크기에 대응하는 길이/크기 수준의 추가적인 미세 구조체를 형성시킬 수 있다.
상기 종횡비는 돌출부의 폭(너비, width)에 대한 높이(
Figure 112021018329897-pat00007
)를 의미하는 것으로, 일 실시예에서, 상기 돌출부의 종횡비(aspect ratio)는 0.1 내지 1 일 수 있다. 바람직하게는, 돌출부의 종횡비는 약 0.2 내지 0.5 일 수 있다.
상기 상부 전극 및 하부 전극은 유체 박막과 마스터 패턴을 지지할 수 있는 기판이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 기판은 실리콘 및 ITO가 코팅된 유리기판 등으로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 높은 전압을 이용하므로, 상기 기판은 강한 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유리나 플라스틱류의 기판도 이용할 수 있다.
상기 유체 박막은 일정한 유동성을 가질 정도의 점도를 가질 수 있는 물질로 형성될 수 있고, 상기 유체 박막은 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 물질로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 뉴턴 유체(Newtonian fluid) 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 박막은 고분자 물질인 폴리스티렌(polystyrene) 박막일 수 있다. 그러나 본 발명에서는 이에 반드시 한정하는 것은 아니다.
상기 유체 박막의 두께는 약 70 내지 1000 nm 일 수 있다. 바람직하게는, 유체 박막의 두꼐는 약 300 내지 1000 nm 일 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 박막의 두께는 약 500 nm 일 수 있다. 그러나 본 발명에서는 유체 박막의 두께를 특별히 한정하지 않으며 전기장의 세기에 따라 범위를 용이하게 조절할 수 있다.
상기 유체 박막은 유체 물질을 하부 전극 상에 코팅하여 형성할 수 있다. 코팅은 분무 코팅, 잉크젯, 드롭캐스팅, 스핀 코팅 및 습식 코팅 등을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 습식 코팅을 이용하여 유체 박막을 형성할 수 있다.
상기 마스터 패턴은 돌출부(protrusion)와 비돌출부(non-protrusion)를 포함하는 요철 구조로서, 본 발명에서 복제하고자 하는 패턴을 의미할 수 있다. 상기 마스터 패턴은 라인, 원기둥 등과 같은 형태를 가질 수 있다. 상기 마스터 패턴은 마스터 패턴은 절연성 물질로 형성될 수 있고, 예를 들면, 마스터 패턴은 실리콘을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명에서는 마스터 패턴의 형태 및 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 마스터 패턴은 전자빔 리소그래피로 식각하여 형성할 수 있다. 상기 마스터 패턴의 모서리 근처에서 쉽게 발생 가능한 방전을 방지하기 위해, 상부 전극과 마스터 패턴의 크기는 서로 약 20 % 이상의 크기 차이를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 아크 방전의 위험을 최소화하기 위해 유체 박막의 정중앙 상부에 위치하도록 구비하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 상부 전극과 상기 유체 박막은 상기 제1 간격만큼 이격되도록 구비되며, 상기 마스터 패턴과 상기 유체 박막은 마주보는 형태로 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 간격은 상부 전극의 돌출부와 유체 박막 사이의 거리를 의미하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 간격은 예를 들면, 상기 제1 간격은 수 내지 수십 마이크로미터일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 제1 간격은 약 2 내지 10㎛ 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유체 박막과 상기 돌출부 사이의 거리는 약 1 ㎛ 이하일 수 있다. 이 때, 상기 유체 박막과 상기 돌출부 사이의 거리는 공기층 두께((d-
Figure 112021018329897-pat00008
)를 의미하는 것일 수 있다. 전기수력학적 불안정성을 유도하기 위해 일반적으로 요구되는 전기장 세기 (107~108 V/m 이상, 20~200200 V 이용 시)를 만족시키기 위해, 유체 박막과 상기 돌출부 사이의 거리(공기층 두께)는 약 1 ㎛ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 단계는 유체 박막의 유동성을 위해 유체 박막의 유리전이온도 이상에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 상기 유체 박막이 폴리스티렌(polystyrene)으로 형성된 경우, 폴리스티렌의 유리전이온도 이상인 약 100℃ 이상에서 공정을 수행할 수 있다. 유리전이 온도는 유체 물질의 종류에 따라 상이하므로, 상기 물질에 따른 적절한 유리전이온도 이상의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 전기장 발생을 위해 20 내지 200 V의 전압을 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 상부와 하부 전극과 연결되는 파워 서플라이는 전기장 발생을 위해 전압(<200V)을 인가하는데, 이때 회로상 단락 혹은 절연파괴 등의 문제를 사전에 방지하기 위해 허용 전류 범위는 ±0.5 A 이하로 설정하여 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 형성된 미세 구조체는 추가적인 미세 구조체 형성으로 인해 표면 거칠기가 증가하고 이에 따른 젖음 속성(wettability)이 증대할 수 있다. 이와 더불어 표면에너지의 방향적 구배에 따른 이방적 젖음을 실현할 수 있다. 따라서 상기 미세 구조체가 형성된 표면 위에서는 별도의 구동력 없이도, 유체가 미세 구조체의 배열 방향에 따라 흘러가는 경향을 나타낼 수 있다.
또한, 여러번의 공정을 통해 패턴을 형성하는 종래 기술에도 본 발명 기술이 적용 가능 하다. 1차 구조체가 제작된 박막의 경우에도 유체인 리지스트를 균일하게 코팅할 수 있을 경우, 본 발명에서는 동시에 1차와 2차가 패턴이 형성되는 과정이지만 1차 패턴이 미리 제작되어 있기 때문에 1차 패턴에 받는 전기장에 의해 1차 패턴에 얇게 코팅되는 과정과 동시에 2차 패턴이 형성되어 본기술과 동일한 표면구조체를 형성할 수 있다.
실시예 1
돌출부와 비돌출부를 포함하는 마스터 패턴이 형성된 상부 전극은 전자빔 리소그래피와 식각 과정을 통해 라인 패턴으로 제조되었고, 유체 박막은 폴리스티렌(polystyrene, PS)을 이용하여 제조하였다. 톨루엔(Toluene) 10 mL을 용매로 PS 0.257 g의 용질을 혼합하여 약 60℃ 에서 가열 및 약 800 rpm으로 2시간 교반하여 2.5 wt% 농도의 PS 혼합 용액을 제조하였다. 그런 다음 ITO 유리기판 혹은 실리콘 기판 상에 약 220 nm 두께의 박막을 스핀코터(Spin Coater)를 통해 3000 RPM 조건 하에서 약 30초 동안 형성하여, PS 유체 박막이 형성된 하부 전극을 제조하였다.
마스터 패턴이 형성된 상부 전극과 유체 박막이 각각 형성된 하부 전극 각각을 패턴 스테이지와 표본 스테이지에 고정시킨 후, 상부 전극과 유체 박막의 간격을 약 200 nm로 유지한 뒤, 유체 박막의 유리전이온도 이상의 조건에서 전압을 인가하여 미세 패턴을 형성하였다.
실험예 1: 미세 구조체 표면 분석
종래 기술과 본 발명의 미세 구조체 형성방법에 따라 제조된 미세 구조체의 표면을 비교 분석하기 위해 각각의 전자주사현미경 이미지와 3차원 계면 높이(interfacial height)를 얻었고, 그 결과를 도 3에 나타냈다.
도 3을 참조하면, 고유파장(λm)과 돌출부의 주기(λp)가 동일한 경우에는 상부 전극의 돌출부에 형성된 패턴만 형성된 것을 확인할 수 있는 반면, 고유파장(λm)이 돌출부의 주기(λp)보다 작은 경우(λm/λp=0.3)에는 상부 전극의 돌출부에 형성된 패턴 뿐만 아니라 비돌출부에 대응되는 유체 박막에 영역에도 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 미세 구조체가 형성된 표면의 접촉각 분석
본 발명의 방법에 따라 고유파장/돌출부의 주기(λm/λp)의 감소(1에서 0.23) 따라 미세 구조체 각각의 표면 및 접촉각을 분석하기 위한 각각의 전자주사현미경 이미지와 접촉각 측정 결과를 도 4에 나타냈다. 이 때, 공정온도와 시간을 각각 150도와 15분으로, 전압을 조절하는 방식(30-200 V)에서 실험을 수행하였다.
도 4를 참조하면, λm/λp 감소에 따라 형성된 추가적인 미세 구조체의 밀도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, 접촉각은 88°에서 136°으로 증가하여 점차 소수성 특성이 증가된 것을 확인할 수 있다.
실험예 3: 이방적 젖음 분석
상기 실시예 1에서 제조된 미세 구조체 표면의 이방적 젖음을 분석하기 위해 상기 미세 구조체를 유리곡면(안경알)으로 전사하였고, 일반 유리 표면(비전사 표면)과 비교하기 위해 수직, 수평방향에 따라 물방울을 떨어뜨린 결과 후 흐르는 정도를 비교하였다. 그 결과를 도 5에 나타냈다.
도 5를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 폴리스티렌 재질의 이방적 미세 구조체는 친수성 재질의 유리기판 사이의 불안정한 계면에너지를 통해 물 위로 분리가능한데, 이를 통해 다양한 곡면 위에 전사가 가능할 수 있다. (a)는 일반 안경알 표면 위에 제작된 폴리스티렌 재질의 이방적 미세 구조체가 전사된 이미지이며, (b)는 해당 미세 구조체의 전자주사현미경 이미지이다. (c)와 (d)는 이방적 젖음을 관측하기 위해 구조체 배열 방향에 따라 각각 물방울을 떨어뜨린 후 흐르는 정도를 비교한 것인데, 이방적 미세 구조체가 전사된 샘플이 보다 빠르고 효과적인 물방울 흐름을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 물방울의 흐름이 이방적 구조체와 동일한 방향에서 나타남을 확인할 수 있다. 이를 통해서 이방적 구조체 배열 방향을 따라 물방울 흐름이 더 선호되는 것을 예상할 수 있다. 또한, 일반 유리표면(비전사 표면)과의 비교에서 보다 향상된 방수성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 본 발명은 곡면으로 이뤄진 유리기판 위에 패턴 된 박막을 전사시킴을 통해 실시예 3에서 안경알에 전사함을 통해 확인할 수 있듯이 다양한 표면위에 전사가 가능하며 전자소자, 광소자, 바이오소자에서 응용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 하부 전극층 상에 위치하는 유체 박막의 상부에 돌출부(protrusion)와 비돌출부(non-protrusion)를 포함하는 마스터 패턴이 형성된 상부 전극을 상기 유체 박막의 표면으로부터 제1 간격만큼 이격되게 배치하는 제1 단계 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하는 제2 단계를 포함하고,
    하기의 식 1로부터 도출되는 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 인가되는 전기장에 의해 상기 유체 박막의 표면에 가장 지배적으로 발생되는 요동에 대응되는 파장인 고유파장(λm)은 상기 돌출부의 주기(λp)는 보다 작은 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법:
    <식 1>
    Figure 112023017975244-pat00018

    상기 식 1에서, λm은 상기 고유파장이고, γ는 유체 박막의 표면장력, εr는 유체 박막의 유전율, ε0는 진공 유전율, U는 인가되는 전압의 세기, h는 유체 박막의 두께, d는 양 전극 사이의 거리이다.
    미세 구조체의 형성방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 간격은 2㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체 박막과 상기 돌출부 사이의 거리는 1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 종횡비(aspect ratio)는 0.1 내지 1 미만인 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체 박막은 뉴턴 유체(Newtonian fluid)인 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단계는 상기 유체 박막이 고분자 물질일 경우, 유리전이온도 이상에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체 박막의 두께는 300 내지 1000nm 인 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압은 50 내지 200 V 인 것을 특징으로 하는,
    미세 구조체의 형성방법.
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