비정질 탄소 몰드 활용 유리 나노/마이크로 임프린팅 공정을 이용한 나노 와이어 그리드 편광자 및 액적기반 마이크로 플루이딕 칩 제작 :Fabrication of nano wire-grid polarizer and droplet-based microfluidic chip by glass nano/micro imprinting process using vitreous carbon mold

장형준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장형준 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 김석민

발행연도: 2017

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이용수5

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

비정질 카본 몰드를 이용한 액적기반 미세유체칩 제작 및 응용

장형준 , 오평화 , 이유환 외 2명 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2017.04 학술대회자료

비정질 탄소 몰드 활용 유리 나노/마이크로 임프린팅 공정을 이용한 나노 와이어 그리드 편광자 및 액적기반 마이크로 플루이딕 칩 제작

장형준 기계공학과 2017.01 학위논문

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오늘날 마이크로/나노 제작기술과의 융합을 토대로 미래를 주도할 산업기술을 개척하기 위하여 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 마이크로 / 나노 제작기술은 리소그래피 기술 및 폴리머 복제기술의 발전을 통해 성장해 왔으며, 전자, 기계, 광학, 바이오 분야에 이르는 다양한 분야에 적용되어 발전해 가고 있다. 그러나, 고 비용, 낮은 생산성으로 인하여 다양한 산업에 적용하기 어렵고, 폴리머라는 특정 재료에 한하여 많은 발전을 이루었다. 특히, 폴리머의 경우 기계적, 열적, 화학적 내구성 및 안정성이 부족하여 다양한 분야에 적용하기 어렵다. 이러한 물질적 한계를 해결할 수 있는 유리를 통한 마이크로 / 나노 제작기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 유리 마이크로 / 나노 제작기술 중 하나로서, 저가의 비용으로 구현가능한 유리 임프린팅 공정을 통해 나노 구조를 이용한 광학소자인 WGP에 대한 유용성 및 마이크로 구조를 이용한 액적 기반 미세유체칩에 대한 유용성을 검증하였다. 첫 번째로, 유리 임프린팅 공정기반 유리 나노 선 격자 제작 및 GLAD 공정을 이용한 금속 나노 선을 갖는 WGP를 제작하였다. 고 경도 및 고 내열성을 가진 VC 몰드를 제작하여 유리 임프린팅 공정을 수행하였으며, 이를 통하여 주기 398.4 nm 의 유리 나노 선 격자를 제작하였다. 제작된 유리 나노 선 격자 상에 GLAD 공정을 이용하여 패턴 상부에 Al 금속 선을 갖는 유리 나노 선 격자 기반 WGP를 구현하였다. 제작된 유리 나노 선 격자 기반 WGP 평가하기 위해 spectrophotometer 를 이용하여 광학적 성능을 평가하였고 근적외선 대역에서 최대 P-편광 투과도 67.6 % 및 약 500 에 가까운 소광비를 구현하는 유리 나노 선 격자 기반 WGP를 구현하였다.
두번째로, 유리 임프린팅 공정기반 유리 표면상 미세유체칩 형상 제작 및 PDMS 접합 공정을 통하여 유리 기반 미세유체칩을 제작하였다. 유리 기반 미세 유체칩으로서의 유용성을 검증하기 위해 액적기반 미세유체칩의 형상을 토대로 제작하였으며, 3D 공초점 현미경을 통해 채널형상 및 표면 거칠기가 우수한 것을 검증하였다. 또한, Oil phase와 Water Phase의 섞이지 않는 두 종류의 유체를 주입하여 균일한 액적 형성을 초고속 카메라를 이용하여 확인함으로써 정밀한 형상의 유리기반 미세유체칩의 유용성을 검증하였다.

Based on the convergence of micro/nano fabrication technology, Many studies has been conducted to pioneer the future industries. Micro/nano fabricaton technology has developed through the evolution of the lithography and the polymer replication technologies, it is applied to various fields such as electronical, mechanical, optical, and biotechnology. However, it is difficult to apply to various industries due to high processing cost or material limitations. Especially, the polymer material has a disadvantage such as lack of thermal and chemical durability and stability. The research of glass micro/nano fabrication technology was carried out to solve these material limitation. In this study, as one of the glass micro/nano fabrication techniques, glass imprinting process was conducted for the fabrication of glass micro/nano structure for optical devices and microfluidic devices as a cost-effective manner.
First, To fabricated the glass based WGP, the glass imprinting process was conducted using the vitreous carbon mold with nanograting structure, which was fabricated by thermal curing and carbonization processes from furan-based thermal curable polymer. Through the Al layer deposition process by glancing angle deposition process, finally, the glass based WGP was fabricated. The measured transmittance of p-polarized light and the extinction ratio of the fabricated glass based WGP was obtained about ~ 67.6 % and ~ 500 in near-infrared ranges.
Secondly, To fabricated the glass based microfluidic chip, the glass imprinting process was conducted using vitreous carbon mold with droplet-based microfluidic structure, which was fabricated by thermal curing and carbonization processes from furan-based thermal curable polymer. Through the PDMS sealing process, the glass based microfluidic chip was fabricated. To examine the quality of the fabricated microfluidic structure, the shape and surface roughness of microchannel was measured by 3D confocal microscope. Through the measurement of uniform droplet generation using a high-speed camera, the feasibility of the fabricated glass based microfluidics was verified.

#Glass imprinting process #Glancing Angle Deposition process #Wire Grid Polarizer #Vitreous Carbon mold #Glass microfluidic chip #Droplet-based microfluidics

1. 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 유리 임프린팅 공정 (Glass imprinting process) 3
1.3 비정질 탄소 (Vitreous Carbon, VC) 6
2. 유리 나노 선 격자 기반 WGP 제작 7
2.1 금속 선 격자 편광자 (Wire-grid polarizer, WGP) 7
2.2 유리 나노 선 격자의 제작 10
2.2.1 UV-NIL 공정 (UV-NIL process) 10
2.2.2 VC 나노 선 격자 몰드의 제작 13
2.2.3 VC 나노 선 격자 몰드를 이용한 유리 임프린팅 공정 기반 유리 나노 선 격자의 제작 15
2.3 GLAD 공정을 이용한 유리 나노 선 격자 기반 WGP 제작 21
2.3.1 회전경사증착공정 (Glancing angle deposition process, GLAD) 21
2.3.2 연속적인 회전 기반 GLAD 공정을 이용한 유리 나노 선 격자 기반 WGP 제작 23
2.3.3 180도 회전 기반 GLAD 공정을 이용한 유리 나노 선 격자 기반 WGP 제작 26
2.4 실험 결과 및 고찰 29
3. 유리 임프린팅 공정을 이용한 액적기반 미세유체칩 제작 33
3.1 미세유체 칩 33
3.2 유리 임프린팅 기반 미세유체 칩 제작 34
3.2.1 액적 기반 미세유체칩 형상 설계 및 제작 34
3.2.2 액적 기반 미세유체칩 형상의 VC 몰드 제작 36
3.2.3 유리 임프린팅 공정을 이용한 유리 표면상 액적기반 미세유체칩 형상 제작 38
3.3 유리 임프린팅 기반 미세유체 칩 유용성 검증 45
3.3.1 PDMS 접합공정을 이용한 유리 표면상 복제된 액적기반 미세유체칩 제작 45
3.3.2 정밀유량 제어를 통한 액적 기반 미세유체칩 구현 48
3.4 실험 결과 및 고찰 50
4. 결론 51
참 고 문 헌 53
국문초록 60
ABSTRACT 62

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