17508.fm

Transcription

1 J. f the Krean Sensrs Sciety Vl. 17, N. 5 (2008) pp t w ƒ y w PDMS j ½y»Á Ÿ * Fabricatin methd f PDMS micrlenses using water-based mlding methd Hng-Ki Kim and Kwang-Sek Yun* Abstract This paper reprts a new fabricatin methd f plydimethylsilxane (PDMS) micrlenses with varius curvatures by using a water-based mld. The hydrphbic surface f Plyprpylene (PP) substrate was mdified by crna discharge using tesla cil t have hydrphilic surface. Then hydrphilic surface f PP substrate takes hydrphbic recvery t have varius cntact angles frm less than 25 t abut 84. By using the water drplets with varius cntact angles as replica mlds fr PDMS prcess, we culd btain PDMS micrlenses with varius curvatures. Key Wrds : PDMS, micrlens, cntact angle, surface mdificatin 1. w š xp w t u Ÿ (diffuser lithgraphy) [3], Ÿ v ¾ j y j (phtresist thermal reflw) [4-7], (gel Ÿw l ù e trapping technique) [8-9], š t w w w w š, plydimeth- xp (replica mlding methd) [10]. ylsilxane (PDMS) s w w ù š k xp w w š j t. PDMS ù j w w ƒ w œ ƒ w,. w n ƒ» w» k( ) xp w wš, e [11], t w w w w öe p j PDMS j w» w. w» ww. PDMS œ w v w w j» [1,2] w, x ¾ j w, s v v (ply- PDMS j, v w š ƒ prpylene, PP) t w ƒ w š xp w PDMS w w š j w š. PDMS w». w œw (Department f Electrnic Engineering, Sgang University) * w œw / w» x (Department f Electrnic Engineering and Interdisciplinary Prgram f Integrated Bitechnlgy, Sgang University) Crrespnding authr: ksyun@sgang.ac.kr (Received : July 7, 2008, Revised : September 9, 2008 Accepted : September 18, 2008) 2. s v v»q t ƒ d 1 (a) s v v t w 84 ƒ. s 375

2 김홍기 윤광석 52 그림 1. 물방울의 접촉각을 측면에서 촬영한 이미지. (a) 표면개질 전의 접촉각, (b) 표면개질 직후의 접촉각, (c) ~ (e) 80 C에서 시간경과에 따른 접촉각 Fig. 1. Side views f the cntact angle f water drplet n PP substrate. (a) Befre surface treatment. (b) Immediately after surface treatment. (c) ~ (e) Hydrphbic recvery at 80 C. 의 표면을 친수성으로 개질하는 방법으로 산소 플라즈 6840분 (114시간) 이후 접촉각이 79 로 측정되었으며 마를 이용한 표면 처리 방법 등이 있으며, 본 연구에서 그림 2에 그래프로 나타내었다. 는 테슬라 코일을 사용하는 고전압 방전처리를 이용하 였다. 상온 상압의 대기 환경에서 폴리프로필렌의 표면 마이크로 렌즈의 제작 을 약 150초 동안 고전압 방전처리하였으며, 그림 1 그림 3은 PDMS 마이크로 렌즈를 제작하는 공정 과 (b) 에서 보듯이 친수성을 가지는 표면을 얻을 수 있었 다. 이 때, 폴리프로필렌 표면은 고전압 방전 처리 시 정을 보여준다. 본 연구에서는 값이 싸고 쉽게 구할 수 발생되는 전자, 이온, 여기상태의 중성자, 광자 등에 의 해 수산기를 형성하게 되고 이 수산기들은 대기 중의 산소와 쉽게 반응하여 산화된다. 이렇게 산화된 폴리프 로필렌 표면은 친수성을 가지게 되며 시간이 경과함에 따라 산화된 수산기가 소멸하게 되어 점점 척수성을 회복하게 된다. 또한 산화된 폴리프로필렌 표면은 물, 메탄올, 아세톤과 같은 극성 용액에 의해 쉽게 제거된 다. 방전 처리 후 바로 측정하였을 때 표면 접촉각은 25 였으며, 그 후 시간이 경과함에 따라 접촉각은 점차 적으로 다시 척수성을 가지도록 회복되는데, 실험결과 온도가 높을수록 회복되는 속도는 빨라짐을 알 수 있 었다. 따라서 본 연구에서는 80 C로 가열된 htplate 위에서 기판의 척수성 회복을 진행하였으며 접촉각 측 정은 상온에서 이루어졌다. 그림 1 (c) ~ (e)는 시간이 지남에 따라 접촉각이 점점 커지는 것을 보여주는 사 그림 2. 시간경과에 따른 접촉각을 나타낸 그래프 진들이다. 약 5분 후 36, 440분 후 64, 그리고 약 Fig. 2. The graph which shws the cntact angle by time. 3. PDMS [12] 센서학회지 제 권 제 호 17 5,

3 표면개질에 의한 물방울 접촉각 변화를 이용하여 제작된 PDMS 마이크로 렌즈 53 그림 4. 각각 (a) 36, (b) 64, (c) 79 의 접촉각을 갖는 물방울로부터 제작된 볼록한 형태의 PDMS 마이 크로 렌즈의 측면사진 Fig. 4. Side views f fabricated cnvex PDMS micrlenses btained frm water drplet with cntact angle f (a) 36, (b) 64, and (c) 79. 면 위로 떠오르는 현상이 발생하였다. 따라서 84 이상 의 접촉각을 가지는 물방울은 형틀로 사용될 수 없었 그림 3. PDMS 마이크로 렌즈의 공정흐름도 다. (e) 그 다음 경화된 PDMS를 기판에서 분리하여 Fig. 3. Prcess flw f the PDMS micrlens. 오목한 형태의 마이크로 렌즈를 형성하고 있는 PDMS 형틀을 완성 하였다. (f) 마지막으로 그 위에 다시 한 있는 PP 기판을 이용하였다; (a) 먼저 테슬라 코일을 번 PDMS 몰딩을 수행하여, (g) 볼록한 형태의 마이크 이용하여 기판의 표면을 친수성으로 개질한다. 이때 표 로 렌즈를 가지는 PDMS 구조체를 완성하였다. 면 전체에 고르게 방전 시키기 위해, 기판으로부터 약 1.5 cm 거리에서 실시하였으며, 64 cm 의 면적에서 실험 결과 및 고찰 150초 동안 수행하였다. (b) 그리고 80 C의 htplate 위에서 가열하여 다양한 원하는 접촉각을 가지는 기판 그림 4는 제작된 볼록한 형태의 마이크로 렌즈의 측 들을 준비하였다. 이때, 가열하는 시간을 조절함으로써 면 사진을 보여준다. 각각 (a) 36, (b) 64, (c) 79 의 쉽게 원하는 접촉각을 가지는 표면을 쉽게 얻을 수 있 접촉각을 가지는 물방울들을 형틀로 사용한 것으로 그 다. (c) 다음으로 마이크로 피펫을 사용하여 기판 위에 림 1과 비교해 보면 형틀로 사용된 물방울과 약간의 원하는 크기의 물방울을 위치시킨 뒤, (d) 그 위에 바 차이를 보이고 있는데 이에 대한 원인을 형틀로 사용 로 PDMS(10 :1) 프리 폴리머를 부운 다음 진공챔버를 된 물방울과 제작된 PDMS 렌즈의 밑변 길이와 높이 이용하여 PDMS에 존재하는 기포를 제거하고, 80 C 를 측정한 값으로 설명하면, (a)의 경우 밑변길이가 감 에서 60분 동안 경화하였다. 이 때, 1.03 g/cm 의 밀도 소하고 높이가 증가한 것으로 보아 PDMS 프리 폴리 값을 갖는 PDMS 프리 폴리머와 폴리프로필렌 표면은 머의 기포를 제거하고 경화시키는 동안 폴리프로필렌 친수성의 성질을 가지고 있기 때문에 실험결과 84 이 표면의 접촉각이 회복되어 나타난 결과로 보여진다. 이 상의 접촉각을 갖는 물방울은 PDMS 프리 폴리머 표 것은 그림 2의 그래프에서 보이는 바와 같이 초기에는 J. Kr. Sensrs Sc., Vl. 17, N. 5, 2008

4 김홍기 윤광석 54 왜곡된 형태의 렌즈가 얻어질 것으로 예상되나, 정량적 인 결과를 위해서는 좀 더 실험이 필요하다. 그림 6은 제작된 다양한 마이크로 렌즈를 사용하여 실제 사물을 관찰한 결과이다. (a)는 지름 7.5 mm의 볼록렌즈를 이 용하여 텍스트를 확대한 사진이며, (b)는 지름 0.7 mm 의 오목렌즈를 사용한 것으로서 배경 패턴이 축소된 모습을 보여준다. 5. 결 론 본 연구에서는, 물방울을 형틀로 사용함으로써 다양 한 크기와 곡률을 가지는 PDMS 마이크로 렌즈를 제 그림 5. 다양한 크기의 PDMS 마이크로 렌즈 어레이. (a) 작하는데 성공하였다. 앞서 설명한 제작 방법은 매우 접촉각이 36 인 물방울로 제작된 PDMS 마이크 간단하고 비교적 적은 비용으로 실행할 수 있다는 장 로 렌즈 어레이, (b) 접촉각이 64 인 물방울로 제 점을 가지고 있으며 제작된 PDMS 마이크로 렌즈는 작된 PDMS 마이크로 렌즈 어레이 Fig. 5. PDMS micrlens array with varius sizes. (a) 물방울의 표면장력에 의한 완벽한 구면을 가지게 된다. 또한 본 기술이 적용된 PDMS 마이크로 렌즈는 물방 PDMS micrlens array fabricated by using drplet with cntact angle f 36. (b) PDMS micrlens 울의 부피를 조절함으로써 원하는 크기를 가질 수 있 array fabricated by using drplet with cntact angle 고, 기판 표면의 척수성 회복 시간을 조절함으로써 원 f 64. 하는 곡률로 제작될 수 있으며, 랩온어칩(lab-n-achip)이나 의학진단기기 그리고 광학 시스템 등에 응용 될 수 있을 것으로 기대된다. 감사의 글 그림 6. (a) 볼록한 PDMS 마이크로 렌즈에 의한 확대, (b) 오목한 PDMS 마이크로 렌즈에 의한 축소 이 연구는 2008년도 서강대학교 교내연구비 지원에 의하여 이루어졌습니다. Fig. 6. (a) Magnificatin with cnvex PDMS micrlens. (b) Reductin with cncave PDMS micrlens. 접촉각 회복속도가 빠르게 나타나기 때문인 것으로 보 여진다. (b)의 경우 형틀로 사용된 물방울과 동일한 값 이 측정된 것으로 보아 접촉각에 대한 측정오차로 인 한 결과로 보여진다. 또 (c)의 경우는 밑변 길이는 그 대로이지만 높이가 감소한 것으로 보아 물방울에 가해 지는 중력과 PDMS 프리 폴리머에 의한 압력으로 인 하여 물방울이 압축되어 생긴 결과라고 보여진다. 그림 5는 다양한 크기를 갖는 PDMS 마이크로 렌즈 어레이를 보여준다. 현재 마이크로 피펫을 이용할 경우 피펫의 한계에 따라 최소 지름 0.7 mm부터 최대 7.5 mm까지 제작할 수 있었으나, 물방울의 크기를 조절함 으로써 더 작은 것부터 더 큰 렌즈까지 제작할 수 있을 것으로 본다. 하지만 렌즈의 크기가 커질수록 물방울에 가해지는 중력 등 외부 요인에 의한 영향이 증가하여 센서학회지 제 권 제 호 17 5, 참고문헌 [1] [2] 정귀상, 우형순, PDMS 몰드를 이용한 초고온 MEMS용 SiCN 미세구조물 제작과 그 특성, 센서 학회지, 제15권, 제1호, pp. 53-7, 윤광석, 바이오 멤스 및 마이크로 시스템 적용을 위 한 3차원 마이크로 유로 제작, 센서학회지, 제15권, 제5호, pp , [3] S.-I. Chang and J.-B. Yn, Shape-cntrlled high fill-factr micrlens arrays fabricated with a 3D diffuser lithgraphy and plastic replicatin methd, Optics Express, vl. 12, n. 25, pp , [4] S. Park, Y. Jeng, J. Kim, K. Chi, H.C. Kim, D.S. Chung and K. Chun, Fabricatn f ply (dimethylsilxane) micrlens fr laser-induced flurescence detectin, Jpn. J. Appl. Phys., vl. 45, n. 6B, pp , 2006.

5 t w ƒ y w PDMS j 55 [5] M.-H. Wu and G.M. Whitesides, Fabricatin f tw-dimensinal arrays f micrlenses and their applicatins in phtlithgraphy, J. Micrmech. Micreng., vl. 12, n. 6, pp , [6] M.-K. Wei and I-L. Su, Methd t evaluate the enhancement f luminance efficiency in planar OLED light emitting devices fr micrlens array, Optics Express, vl. 12, n. 23, pp , [7] J. Chen, W. Wang, J. Fang, and K. Varahramyan, Variable-fcusing micrlens with micrfluidic chip, J. Micrmech. Micreng., vl. 14, n. 5, pp , [8] O.J. Cayre and V.N. Paunv, Fabricatin f micrlens arrays by gel trapping f self-assembled particle mnlayers at the decane-water interface, J. Mater. Chem., vl. 14, pp , [9] H.J. Nam, D.-Y. Jung, G.-R. Yi and H. Chi, Clsepacked hemispherical micrlens array frm twdimensinal rdered plymeric micrspheres, Langmuir, vl. 22, pp , [10] T.-K. Shih, C.-F. Chen, J.-R. H, and F.-T. Chuang, Fabricatin f PDMS (plydimethylsilxane) micrlens and diffuser using replica mlding, Micrelectrnic Engineering, vl. 83, n , pp , [11] S.-H. Cha, R. Carlsnb, and D.R. Meldrum, Rapid fabricatin f micrchannels using micrscale plasma activated templating (µplat) generated water mlds, Lab Chip, vl. 7, pp , [12] J. Karger-Kcsis, Plyprpylene An A-Z reference, Kluwer Academic Publishers, Drdrecht, pp , ½ y» 2007 û w w ( w ) 2008 x w œw : BiMEMS Ÿ 1996 w œw (œw ) 1999 w w»» œ w (œw ) 2003 w w» w (œw ) 2004 w w» w 2005 ~ 2006 Mechanical and Aerspace Engineering Dept. f University f Califrnia, Ls Angeles z 2007 z x w œw : Micr analytical systems, BiMEMS 379 J. Kr. Sensrs Sc., Vl. 17, N. 5, 2008