기계공학실험실험목적접촉각 측정을 통해서 표면의 친수성과 소수성을 알아보고 마이크로 디바이스의 응용과 표면 개질에 대해 고찰해본다.이론MEMS(Micro Electro Mechanical System)란미세전자기계시스템, 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 머리카락 절반 두꼐의 초소형 기어, 손톱 크기의 하드디스크 등 초 미세 기계구조물을 만드는 기술Class란1입방 피트에 0.5um이상의 먼지가 몇 개 존재하는지를 나타내는 척도친수성과 소수성친수성이란 물과 쉽게 결합되는 성질로 일반적으로 극성을 띈다.소수성이란 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질로 극성을 띄지 않는다.접촉각(contact angle)액체가 고체표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 액체면이 고체표면과 이루는 각이다. 접촉각은 고체표면의 젖음성(wettability)을 나타내기도 한다. 일반적으로 고체표면위 놓인 액체면의 모양으로 접촉각을 정의할 수 도 있다.Young’s Equation: γSL-γSG+γLGcosθ = 0(γSL: 액체의 표면장력, γSG: 고체의 표면장력, γLG: 고체/액체의 계면 장력)부착에너지(Adhesion energy): γLG(1+cosθ) = ΔWSLV (ΔWSLV: 고체, 액체 표면 단위 면적당 부착에너지)접촉각 측정방법Sessile drop method: 정접촉각 측정에 사용되며 액체방울과 고체면의 각도를 측정한다. 물체의 한쪽면을 측정할 때 용이하며 경제적이고 시편의 크기에 제한을 받지 않는다.Wilhelmy plate method: 동 접촉각 측정에 사용되며 전진각과 후진각을 측정한다. 시편의 양면이 동일한 형상과 특성을 지녀야 한다.Tilting method: Stage를 기울여 흐르기 직전의 값을 측정한다. 전진각과 후진각을 동시에 측정할 수 있으며 중력오차가 발생할 수 있으므로 정확도가 떨어진다.Captive drop method: 액체의 sample 위에 떨어뜨리고 액체의 양을 변화시켜 계면이 움직이기 직전의 접촉각을 측정하는 방법이다. 액체의 양이 증가 하면 전진각, 감소할 떄는 후진각이다.접촉각 실험에서 사용될 샘플Glass: hydrophilicSi wafer: hydrophobicPDMS: hydrophobicTeflon membrane: hydrophobic실험 방법Contact angle 미터 장비사용하여 접촉각 측정한다: 고정하여 측정하는 세실 방법과 유사1. 주사기에 DI water(탈이온수)를 주입한다.2. 측정장비를 windrop 이 실행된 컴퓨터와 연결한다3. 프로그램에서 Surface mode를 선택한다.4. 현미경을 조절하여 Focus와 밝기를 맞춘다5. Liquid를 Water로 설정하고, Substrate를 샘플(4가지)로 입력한다.6. Manual 1, 2 (삼각법을 이용한 수동 측정 방법)를 사용하여 측정한다.7. substrate샘플을 측정장비에 올린다8. Liquid를 접근시켜 substrate와 contact한다.9. Contact이 되면 화면을 capture 한다.(화면이 핑크라인의 박스로 바뀌게 된다)10. 매뉴얼 1을 클릭한 후 물방울의 가장 끝 지점을 기준으로 클릭을 한다. 매뉴얼 1은 양 끝을 조정할 때 위아래 조정이 가능하게 3 point를 찍어서 측정한다.11. 매뉴얼 2를 클릭한 후에 3점을 찍어서 삼각형을 형성한다. 매뉴얼 2 는 양 끝점을 찍을 때 수평 수직으로 맞춰서 찍히기 때문에 평평한 곳에서 측정할 때 더 용이한 것을 알 수 있다.실험결과1. Glass클릭을 한 후에 측정 값을 알 수 있다. 값을 보면 왼쪽각과 오른쪽 각이 90도 이하며, 평균값이 90도 이하로 친수성의 성질을 가지는 것을 알 수 있다.Silicon Wafer원래 소수성 경향을 띠는 샘플인데 90도 이하로 측정된다. 이러한 이유로는 실리콘 웨이퍼가 측정 전 공기중에 오래 노출되어서 표면에 산화막이 형성되었기 때문임을 유추할 수 있다.3.1 PDMS측정 전 샘플 위에 있을 먼지 및 이물질을 테이프를 사용하여 제거한다(측정값 오차를 줄이기 위해).원래 소수성 경향을 띠는 샘플인데 90도 이하로 측정된다. 이러한 이유로는 PDMS가 측정 전 공기중에 오래 노출되어서 표면에 산화막이 형성되었기 때문임을 유추할 수 있다.3.2 PDMS를 플라즈마로 표면 개질을 하였는 경우물방울이 샘플에 닿으면 퍼진다, 즉 극친수성을 띄는 것을 확인할 수 있다.4. Teflon membrane소수성의 경향을 띰을 볼 수 있다. 멤브레인 필터에는 한면적에 아주 작은 구멍들이 있고 이 멤브레인이 소수성이기에 물방울이 구멍을 통과하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.5. 결과 분석 및 고찰1) 실험에 사용된 substrate의 종류에 따른 static contact angle의그래프를 작성하시오.2) substrate의 종류에 따른 adhesion energy의 그래프를 작성하시오.3) 실험에 사용된 substrate의 표면특성을 실험 결과인 contact angle,친수성/가수성, wettability, adhesion측면에서 고찰하시오.Contact Angle: Glass
