열가소성 폴리머 필름의 마이크로 점착 및 마찰 거동

  최근 마이크로 및 나노제조(micro/nano fabrication) 공정에서 폴리머 필름의 사용이 증가하고 있습니다. 폴리머 필름은 기존의 Silicon 기반의 마이크로제조 공정에서 사용되는 재료들에 비해 적은 비용으로 손쉽게 공정이 가능하며, 다양한 물리적 특성을 갖는 제품을 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 폴리머 필름을 이용한 대표적인 마이크로/나노 제조공정으로 나노임프린트 리소그래피 (nanoimprint lithography, NIL)공정을 예로들 수 있습니다. NIL 공정은 오른쪽 그림과 같이 마이크로 또는 나노미터 크기의 미세한 패턴이 표면에 각인된 단단한 몰드(또는 스탬프)로 기판 위에 코팅된 폴리머 필름을 눌러서 변형시켜 필름 표면에 패턴을 전사하는 방법입니다. 폴리머 필름으로는 Poly(methylmethacrylate) (PMMA)와 같은 열가소성 폴리머 필름이 주로 사용되며 폴리머가 몰드 패턴에 따라 쉽게 변형될 수 있도록 폴리머를 유리전이온도 (glass-transition temperature, Tg) 이상으로 가열해 준 후, 높은 압력으로 몰드로 폴리머 필름을 눌러주고, 폴리머 필름을 Tg 이하로 냉각시킨 후에 몰드를 떼어내게 됩니다. 이 방법을 이용하여 10 nm이하의 미세한 패턴도 제작이 가능하며, 많은 전기적, 광학적 구조물들이 제작되고 있습니다. NIL 공정은 나노 구조물뿐만 아니라 마이크로미터 크기의 구조물을 제작하는데도 이용되고 있으며, 공정이 단순하여 다른 공정에 비해 쉽고 빠르게 경제적으로 미세 구조물을 제작할 수 있다는 장점이 있습니다.

  하지만 NIL 공정은 몰드를 폴리머 필름에 직접적으로 접촉시켜 패턴을 전사하는 방법이기 때문에 몰드와 폴리머 필름 사이에서 마찰 및 점착 현상이 반드시 발생하며, 이로 인해 여러 가지 문제점이 발생합니다. 특히 몰드를 폴리머로부터 떼어내는 분리 과정(separation process)에서 몰드 패턴과 폴리머 필름 사이의 마찰력과 점착력에 의해 전사된 폴리머 필름이 변형되거나 파괴되며, 심할 경우 몰드의 패턴도 손상될 수도 있습니다. 패턴의 형상이 복잡해지고 다양해지고 있으며, 생산성 향상을 위해 임프린팅 면적이 점점 더 대면적화 되고 있는 실정에서 이러한 문제점은 NIL의 발전에 큰 걸림돌이 되고 있습니다.
  본 연구실에서는 여러가지 실험장치를 설계 및 제작하여 다양한 접촉형태에 대해 열가소성 폴리머 필름과 몰드 재료 사이의 점착 및 마찰 거동을 자세히 조사하였습니다. 이를 위해 열 NIL 공정을 모사한 점착 실험을 수행하여 열가소성 폴리머 필름과 용융실리카 몰드 사이의 점착 특성 및 이에 대한 공정 조건의 영향을 조사하였습니다. 점착방지막의 코팅, 분리 속도, 임프린트 압력, 폴리머 소재의 종류 등 여러 가지 공정 조건을 변화시켜가며 폴리머 필름과 용융실리카 사이의 점착력을 측정하고, 분리 후에 각각의 표면을 관찰하였습니다.
  또한, NIL에서 주로 사용되는 열가소성 폴리머 필름인 PMMA 필름과 Si 사이의 나노 스케일에서의 점착 및 마찰 거동과 이에 대한 온도의 영향을 조사하기 위해 AFM을 이용하여 나노 점착 및 마찰 실험을 수행하였습니다. 진공 분위기에서 PMMA 필름을 가열했다가 냉각시켜가며 각각의 온도 조건에서 점착력과 마찰력을 측정하였습니다. 이 연구는 일본 산업기술종합연구소(AIST)와 공동으로 수행되었습니다.
  뿐만아니라, PMMA 필름과 용융실리카 렌즈 사이의 마이크로 스케일에서의 점착 및 마찰 거동과 이에 대한 온도의 영향을 알아보기 위해 미소 점착 및 마찰 시험기를 이용하여 마이크로 점착 및 마찰 실험을 수행하였습니다. 공기 분위기에서 PMMA 필름을 가열했다가 다시 냉각시켜가며 각각의 온도 조건에서 점착력과 마찰력을 측정하고, 접촉면을 관찰함으로써 점착 및 마찰 거동에 대한 온도의 영향을 자세히 조사하였습니다.
  이러한 연구를 통해 마이크로/나노 공정에서 널리 이용되는 열가소성 폴리머 필름의 트라이볼로지 특성을 파악하고 이에 대한 온도의 영향을 조사함으로써 열가소성 폴리머 필름을 사용하는 마이크로/나노 공정의 설계 및 개발에 있어 유용한 자료를 제시하였습니다.

             

                

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