비결정질 탄소몰드를 이용한 유리 마이크로/나노 구조물 제작 :Fabrication of glass micro/nano structure using vitreous carbon mold

주종현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 주종현 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 김석민

발행연도: 2013

저작권: 중앙대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (6)

2016

비정질 탄소 몰드를 이용한 유리성형 공정의 마이크로/나노 응용

주종현 , 김석민 대한기계학회 춘추학술대회 2016.05 학술대회자료

2014

비결정질 탄소 몰드 및 유리 임프린팅 공정을 통한 유리마이크로/나노 광소자 제작

주종현 , 김석민 대한기계학회 춘추학술대회 2014.04 학술대회자료

2013

유리 마이크로/나노 구조 성형을 위한 비결정질 탄소 몰드의 탄화형상 예측모델 개발

주종현 , 김영규 , 장호영 외 1명 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2013.04 학술대회자료

비결정질 탄소몰드를 이용한 유리 마이크로/나노 구조물 제작

주종현 기계공학부 2013.01 학위논문

2012

비정질탄소 나노스탬프 및 유리임프린팅을 이용한 유리광학 필터 제작

주종현 , 한윤아 , 석종원 외 1명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2012.10 학술대회자료

2011

비결정 탄소 몰드를 이용한 유리 마이크로 구조물 제작

주종현 , 임세라 , 한윤아 외 2명 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2011.10 학술대회자료

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고출력 레이져, 집광형 태양전지, 자동차 전조등, 프로젝션 디스플레이와 같이 높은 온도 및 다양한 환경에 노출되는 광학기기에 마이크로/나노광학소자가 적용됨에 따라 높은 열적, 화학적 안정성 및 낮은 투습성과 넓은 광투과 범위 등 광학적 이점을 지닌 유리 광학소자의 필요성이 증대되고 있다. 하지만 유리는 대표적인 난삭재로써 기계가공시 치수한계 및 고비용의 문제가 있으며 reactive ion etching (RIE) 공정 또한 고비용과 더불어 낮은 치수 안정성과 환경오염의 문제가 있다. 따라서, 이를 극복하기 위한 기술로 마이크로/나노 유리 몰딩 기술이 주목받고 있으며, 이를 수행하기 위해서는 유리 전이온도 이상의 고온과 높은 몰딩 압력에서 지속적으로 사용가능한 마이크로/나노 몰드의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 유리 마이크로/나노 구조물 제작을 위해 탄소함량 40 %이상의 고탄소 열경화성 퓨란수지의 마이크로/나노 복제공정 및 탄화 공정을 기반으로 한, 신개념 비결정 탄소 몰드 제작기술을 제안하고 그 유용성을 검증하였다.
본 실험에서는 주기 60 μm, 높이 5 μm의 채널 구조의 실리콘 마스터로부터 복제된 PDMS 몰드를 이용하여 퓨란수지의 열경화 및 복제 공정을 수행하고 마이크로 구조물을 갖는 퓨란전구체를 제작하였다. 표면품위 및 강도저하를 유발하는 퓨란수지의 열중합 과정에서 발생하는 가스로 인한 수지 내부의 미세기포 발생량을 최소화 하기 위하여, 경화속도를 늦추기 위한 최소한의 경화제 PTSA 0.2 wt% 와 점성 감소를 위한 유기용매 에탄올 10 wt%를 혼합 및 진공공정을 통해 미세기포가 제거된 퓨란수지를 사용하였으며, 충분한 가스분출을 위하여 5일간 진공 상온중합 및 상온에서 100℃까지 0.05 ℃/min 의 낮은 승온률이 적용되었다. 제작된 퓨란전구체는 튜브형 퍼니스에서 질소 분위기하에 탄화하였다. 탄화과정에서 발생하는 내부 가스의 급격한 분출로 인한 결함을 최소화 하고자 탄화공정은 600 ℃까지 0.5 ℃/min 그리고 1000 ℃까지 1 ℃/min의 느린 승온속도를 유지하였다. 제작된 비결정 탄소 몰드의 유용성을 평가하고자 공정온도 380 ℃, 공정압력 2 MPa에서 유리 몰딩 공정을 수행하여 유리 마이크로 구조를 성공적으로 성형하였다. 공정별로 제작된 성형품의 특성을 분석하고자 white light interferometer를 이용하여 형상측정을 수행하였으며, 이를 통해 평면 방향과 높이 방향에 대한 공정별 수축량을 조사하여 최종설계에 반영할 수 있는 데이터를 확보하였다.
비정질탄소 마이크로 몰드 제작 및 유리 마이크로 구조 성형을 통해 최적화 된 공정을 이용하여 주기 454 nm, 높이 101.7 nm, duty 50 %의 실리콘 마스터로 부터 주기 356 nm, 높이 75 nm 의 비정질탄소 나노그래이팅을 제작하였으며, 공정온도 380 ℃ 공정압력 8 MPa에서 10분간 유리 몰딩 공정을 수행하여 주기 355nm, 높이 68 nm의 유리 나노그래이팅을 제작하였다. 공정의 유용성을 평가하기 위하여 제작된 유리 나노그래이팅에 TiO2 박막을 증착하여 광결정구조 광학필터를 구현하였으며, 시뮬레이션 결과비교 및 폴리머 광학 필터와의 고온성능 비교를 통하여 유리 옵티컬 필터의 우수성을 증명하였다.

As the demands of micro/nano structured components have been increased in medical, optical and chemical industries, a mass producible process for patterning glass materials has become increasingly more important, due to their excellent properties such as high chemical and heat resistance, and large optical transmission range. To fabricate glass micro/nano structures with a high-throughput and low-cost, glass micro/nano-molding is regarded as the most promising method. In the glass molding process, a mold material must have sufficient strength, hardness and accuracy at high temperature and pressure. However it is hard to pattern micro/nano cavities with large area on the materials which can be used as a mold for glass molding. In this study, a fabrication method for Vitreous Carbon (VC) mciro/nanomold using carbonization of nanoreplicated furan precursor is proposed as a simple and large area fabrication method of mold for glass micro/nanomolding.
To develop and examine the proposed VC mold fabrication process, a PDMS mold with a pitch of 60 μm, a height of 232 μm and a duty of 50 % was replicated from the silicon master pattern, a mixture of furan resin, a 0.2 wt% of p-toluensulfonic acid (PTSA) and 10 wt% of ethanol was poured on the polymer mold and cured at maximum processing temperature of 100℃ in oven. After curing, the furan precursor was carbonized in a N2 purged furnaces with a maximum processing temperature of 1000 °C. To minimize the defects in the VC mold, including microair bubbles, warpage, and sublimation-deposited nanostructures, the effects of various processing parameters were analyzed, including material compositions, vacuum and temperature history in the curing process, and temperature history and N2 purging speed in the carbonization process, and an optimized processing sequence and parameters were developed. A glass molding process using K-PG375 glass was performed using the fabricated VC mold, in which the molding temperature and pressure were 380 °C and 2 MPa. Although the shape changes in all molding process were negligible, a significant shrinkage was observed in carbonization process. This shrinkage effects should considered in the master designing process for the compensation.
As an advanced research, we applied the optimized fabrication method of VC mold and glass molding process to fabricate high temperature stable glass photonic crystal (PC) optical filter. We fabricated glass and polymer PC optical filter by deposition of TiO2 thin layer on the replicated glass and polymer nanogratings, and the light transmission spectra were measured and compared to simulated spectra. The thermal stabilities of the glass PC optical filter was examined by comparing to polymer PC optical filter, and it was clearly noted that the PC structure fabricated by glass molded nanograting can be a high temperature stable optical filter.

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 3
1.3 연구 목적 9
제 2 장 비정질 탄소 몰드를 이용한 유리마크로 구조물 제작 10
2.1 비정질 탄소 (Vitreous Carbon, VC) 10
2.2 열경화성 퓨란수지를 이용한 VC 마이크로 몰드의 제작 13
2.3 퓨란수지 혼합비율 조절 및 진공공정 적용을 통한
VC 마이크로 몰드 제작 공정 최적화 17
2.4 고품위 VC 마이크로 몰드 제작 21
2.5 유리 몰딩을 통한 유리 마이크로 구조 제작 27
2.6 실험결과 및 고찰 34
제 3 장 VC 나노 몰드를 이용한
유리 광결정구조 광학필터 제작 35
3.1 광결정 구조 (Photonic Crystal, PC) 광학 필터 35
3.2 VC 나노 몰드를 이용한 유리 나노 그래이팅 제작 36
3.3 TiO2 박막 증착을 통한 유리 광결정 광학필터 제작 43
3.4 유리 광결정 광학필터 고온 성능 실험 50
3.5 실험결과 및 고찰 53
제 4 장 결 론 56
참 고 문 헌 52
국 문 초 록 59
ABSTRACT 61

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