Process Conditions for the Fabrication of Hydrophobic Surfaces with Different Photo-curable Resins

광경화성 레진의 성분 변화에 대한 소수성 표면 제작을 위한 공정 조건

Abstract

This study experimentally investigates hydrophobic surfaces fabricated via additive manufacturing. Additive manufacturing, commonly known as 3D printing, is the process of joining materials to fabricate parts from 3D model data, usually in a layer-upon-layer manner. Digital light processing is used to fabricate hydrophobic surfaces in this study. This method uses photo-curable resins and ultraviolet (UV) sources. Moreover, this technique generally has faster shaping speeds and is advantageous for the fabrication of small components because it enables the fabrication of one layer at a time. Two photo-curable resins with different compositions are used to fabricate micro-patterns of hydrophobic surfaces. The resins are composed of a photo-initiator, monomer, and oligomer. Experiments are conducted to determine suitable process conditions for the fabrication of hydrophobic surfaces depending on the type of resin. The most important factors affecting the process conditions are the UV exposure time and slice thickness. The fabrication capability according to the process conditions is evaluated using the side and top views of the micro-patterns observed using a microscope. The micro-patterns are collapsed and intertwined when the exposure time is short because sufficient light (heat) is not applied to cure the photo-curable resin with a given slice thickness. On the other hand, the micro-patterns are attached to each other when the exposure time is prolonged because the over-curing time can cure the periphery of a given shape. When the slice is thicker, the additional curing area is enlarged in each slice owing to the straightness of UV light, and the slice surface becomes rough.

1. 서론

최근 고체 표면에 액체의 젖음성(wettability)을 효과적으로 제어할 수 있는 기술은 과학적, 산업적인 응용 측면에서 매우 중요시 되고 있다. 표면의 젖음성은 단순히 기하학적 형상만의 문제가 아니라 화학적 성분과도 밀접한 관련이 있다. 젖음성이 낮은 것과 관련된 소수성(hydrophobicity)은 주로 연꽃 잎, 나비와 매미의 날개 등 자연모사를 통해 그 해법을 찾으려 하고 있다. 주로 소수성 표면의 특성은 Fig. 1와 같이 3가지 효과로 설명이 된다. 그 첫번째로 연꽃 잎 효과(lotus effect)로 연꽃 잎 표면은 나노구조 형태로 되어 있으며 표면에 왁스 성분이 있어 소수성의 특성을 가지게 된다. 두번째는 생이가래 효과(salvinia effect)로 표면이 수중에서 공기층을 오랫동안 잡아둘 수 있는 구조로 소수성을 가진다. 마지막으로 꽃잎 효과(petal effect)는 표면의 거칠기(roughness)으로 인해 소수성뿐만 아니라 물과의 강한 점착력(adhesion force)을 나타난다. 꽃잎효과는 큰 접촉각을 유지하면서도 강한 점착력으로 작은 물방울이 미끄러지지 않게 하는 특성을 가지고 있다. 그래서 이 꽃잎 효과는 물을 기름으로부터 용이하게 분리시키는 유수분리기에 많이 활용된다[1-2].

Fig. 1. Lotus, Salvinia and Petal effect.

소수성과 관련된 마이크로 구조물을 제작하기 위해 여러가지 공정이 연구 중이다. 대표적인 가공 방법으로 기계 공구를 이용한 가공, photolithograpgy공정, 레이저를 포함한 에너지 빔을 이용한 공정 등이 있다[3-4]. 그 외에도 적층하여 만드는 적층 제조(AM, additive manufacturing)기법들을 활용하여 소수성 표면을 제작할 수 있다. 적층제조 방법을 이용하면 기존의 마이크로 구조물을 제작하는 방법에서는 구현하기 힘든 곡면과 같은 복잡한 형상을 가진 구조물을 가공할 수 있다. 적층 제조 방법에는 Fig. 2와 같이 다양한 방법이 ASTM 53900에 정의되어 있다. 이 중에서 소수성 표면에 적합한 방법은 vatphoto-polymerization이다. 이 방법은 광경화성 레진을 이용하여 UV 같은 광원을 통해 원하는 형상으로 경화시키는 적층 제조 방법으로 DLP(Digital Light Processing)와 SLA(Stereolithography Apparatus)가 있다. DLP와 SLA은 Fig. 3, 4와 같이 경화시키는 방법에서 차이가 있는데 DLP는 면(area) 단위로 경화를 하는데 SLA는 점(spot)단위로 경화를 하게 된다. 또한 DLP는 적층방향으로 움직임이 제어되지만 SLA의 경우에는 3축에 대해서 위치제어가 가능하다. 본 연구에 사용한 DLP는 면 단위로 경화가 가능하므로 가공 시간이 상대적으로 짧다는 장점이 있다[5-19]. 

Fig. 2. Methods of additive manufacturing.

Fig. 3. Process of stereolithography apparatus (SLA) and digital light processing (DLP) [20-21, 23]. (a) SLA process (b) DLP process

Fig. 4. Curing process of SLA and DLP [22-23]. (a) SLA process (b) DLP process

본 연구에서는 광경화성 레진을 이용하여 적층 구조물을 만드는 방법 중에 하나인 DLP로 다양한 조건에서 소수성 표면을 제작한 뒤, 광학현미경으로 구조물의 형상을 살펴 제작물의 완성도를 평가하고 그 공정 조건을 파악하고자 한다.

2. 연구방법 및 내용

2.1. 3D 프린터와 레진

소수성 표면은 광경화성 레진을 이용하여 적층 제조하며 면 단위의 경화를 하는 DLP 방법을 이용하였다. 이 때 사용된 DLP 장치의 사양은 Table 1와 같다. 사용된 레진들의 성분 및 비율은 Table 2와 같다. 광경화성 레진은 주로 photo-initiator, monomer, oligomer로 구성되어 있다. Photo-initiator는 레진에 소량으로 첨가하는 성분으로 UV 램프에서 나오는 빛을 받을 때 중합(polymerization)을 시작하게 하는 물질이다. 그리고 oligomer는 단량체로부터 얻어지는 비교적 반복 단위가 작은 저분자 생성물이다. 이때 단량체는 고분자 화합물 또는 회합체를 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질을 의미한다. Monomer는 같은 화합물의 다른 분자 또는 화합물과 결합하여 매우 큰 분자나 중합체를 형성하는 화합물의 한 분자이다. 다작용기성이라 적어도 2개의 서로 다른 단위체와 화학 결합할 수 있다.

Table 1. Specification of DLP

Table 2. Composition of photo-curable resins.

2.2. 마이크로 패턴

제작에 사용된 마이크로 패턴은 Fig. 5와 같다. 마이크로 패턴 중 하나의 형상은 Fig. 5(a)와 같이 생이가래 끝단의 형상을 자연 모사한 것으로 Fig. 5(b)와 같이 일정한 각도를 가지고 세 갈래로 분기되어 있다. 그리고 Fig. 5(c)와 같이 가로와 세로가 6 mm 크기의 면적에 배열하였다. 이때 배열은 구조물의 top view를 보여주는 Fig. 5(d)와 같이 바로 옆의 구조물은 180도 위상이 다른 구조물이 위치하도록 하였다.

Fig. 5. Micro-pattern. (a) salvinia structures (b) shape of one pattern (c) perspective view of patterns (d) top view of patterns

3. 결과 및 고찰

3.1. 마이크로 패턴 제작

마이크로 패턴을 제작하는데 중요한 제작 공정인자들이 있다. 제작하는 한 층(layer)의 두께를 나타내는 slice thickness와 한 층을 경화하는데 UV를 노출하는 시간인 exposure time이 구조물을 제작하는데 중요하다. 본 연구에서는 Table 2에 명시된 2개의 광경화성 레진들을 이용하여 Table 3와 같은 공정 조건에 대해 제작을 하였다. Slice thickness는 25 µm, 50 µm, 75 µm 3가지 경우이고 exposure time은 레진의 성분에 따라 그 범위를 다르게 설정하였다. Resin-1인 경우가 resin-2인 경우보다 구조물의 외형을 어느 정도 구현하며 제작하는데 상대적으로 긴 exposure time이 필요하였다. Fig. 6은 resin-1에 대해서slice thickness에 따라 exposure time을 변화시킬 때 제작된 형상을 옆 면과 위에서 찍은 사진을 보여준다. 이그림에서 보면 slice thickness가 같은 경우에 exposuretime이 적당한 경우에는 구조물이 뚜렷한 윤곽을 가진 구조물이 제작된다. 그러나 exposure time이 상대적으로 짧은 경우에는 구조물이 제대로 형성되지 못하고 형태가 무너지는 현상을 보이고 exposure time이 상대적으로 긴 경우에는 구조물뿐 만 아니라 그 주변의 레진도 경화시켜 구조물끼리 붙어 있는 현상이 나타난다. 이런 현상들은 Fig. 7과 같이 resin-2에서도 유사하게 나타난다. 

Table 3. Slice thickness and exposure time.

Fig. 6. Fabrication of micro-pattern with resin-1 with variation of slice thickness and exposure time. (a) slice thickness = 25 µm (b) slice thickness = 50 µm (c) slice thickness = 75 µm

Fig. 7. Fabrication of micro-pattern with resin-2 with variation of slice thickness and exposure time. (a) slice thickness = 25 µm (b) slice thickness = 50 µm (c) slice thickness = 75 µm

적층 제조 방법을 이용하여 마이크로 패턴을 제작하는 과정에서 다양한 레진에 대해 slice thickness의 변화에 의한 적당한 exposure time을 파악하기 위해서는 많은 실험이 필요하겠지만, 본 연구에서는 몇가지 경우를 통해 그 경향을 파악하고자 하였다. 따라서 주로 많이 사용되는 2가지 레진을 이용하여 소수성 표면을 만드는 공정 조건을 파악하기 위한 실험 만을 수행하였다. 그 결과 Fig. 8과 같이 레진과 slice thickness의 변화에 대한 적절한 exposure time이 있음을 파악되었다. 마이크로 패턴을 제작하는 공정에서 slice thickness가 증가하면 exposure time이 길어져야 구조물의 형태가 CAD 모형과 유사한 모습을 갖는다. 

Fig. 8. Exposure time condition with variation of resin and slice thickness.​​​​​​​

같은 형상에 대해서 slice thickness를 다르게 하면 공정 시간과 적층된 형태가 다르게 나타난다. 즉 한 층의 두께인 slice thickness가 얇을 경우 같은 크기의 구조물을 제작하는데 slice thickness가 두꺼운 경우보다 총 공정 횟수가 늘어남에 따라 공정시간이 길어진다. 또한 slice thickness가 얇으면 경화시키는데 필요한 에너지(열)이 작기 때문에 적절한 exposure time도 상대적으로 짧다. 그 반대로 slice thickness를 상대적으로 뚜껍게 하면 공정시간은 짧지만 적절한 exposure time은 길어진다. Fig.9는 resin-1에 대해 slice thickness가 50 µm와 75 µm일 때 적절한 exposure time을 이용하여 제작한 구조물의 옆면 사진이다. 측정된 형태를 살펴보면 slice thickness가 상대적으로 큰 경우에 옆면의 형상이 거칠게 제작된다. 그 이유는 Fig. 10에서와 같이 slice thickness가 상대적으로 크면 구조물의 바깥 경계 부근에서 extra curingarea가 증가하며 적층된 옆면의 형상이 거칠게 나타난다. Extra curing area는 UV가 조사되는 방향에 따라 구조물 경계부근에서 추가적으로 레진이 경화되는 면적을 의미한다. 즉 마이크로 패턴의 구조물을 제작하는데 slice thickness가 상대적으로 큰 경우에는 공정시간이 짧지만 적층된 옆면의 형상이 CAD의 형상과 많은 차이가 발생할 수 있으므로 구조물의 형상에 따른 적절한 slice thickness를 결정해야 한다.

Fig. 9. Side view of micro-pattern with resin-1. (a) slice thickness = 50 µm (b) slice thickness = 75 µm​​​​​​​

Fig. 10. Extra curing area with variation of slice thickness.​​​​​​​

4. 결론

본 연구에서는 광경화성 레진을 이용하여 소수성 표면을 제작하는 과정에서 레진의 종류에 따라 적절한 공정 조건을 파악하는 연구를 수행하였다. 공정에서 중요한 인자는 slice thickness와 UV exposure time 임을 파악하고 2가지 레진에 대해 그 경향을 파악하였다. Slice thickness가 증가하면 적절한 exposure time은 대체적으로 비례함을 확인하였다. 또한 slice thickness가 큰 경우에는 적층된 옆면의 형상이 CAD의 형상과 차이가 나는 원인을 파악하였다. 이는 slice thickness가 크면 구조물 주변에 추가적으로 레진이 경화되는 면적이 증가하기 때문이다.