Fabrication of Poly(methyl methacrylate) Beads Monolayer Using Rod-coater and Effects of Solvents, Surfactants and Plasma Treatment on Monolayer Structure

Fabrication of monolayer is important method for enhancing physical and chemical characteristics such as light shielding and antireflection while maintaining thin film properties. In previous studies, monolayers were fabricated by various methods on small substrates, but processes were complicated and difficult to form monolayers with large area. We used rod coating equipment with a small amount of coating liquid to form a HCP (hexagonal closed packing) coating of PMMA beads on PET(poly(ethylene terephthalate)) substrate with $20cm{\times}20cm$ size. We observed that changes in morphologies of monolayers by using the solvents with different boiling points and vapor pressures, by adapting surfactants on particles and by applying plasma treatment on substrates. The coverage was increased by 20% by optimizing the coating conditions including meniscus of beads, control of the attraction - repulsion forces and surface energy. This result can potentially be applied to optical films and sensors because it is possible to make a uniform and large-scale monolayer in a simple and rapid manner when it is compared to the methods in previous studies.

Rod 코팅을 이용한 Poly(methyl methacrylate) 비드의 단일층 형성 및 단일층 구조에 미치는 용매, 계면활성제, 플라즈마 처리의 영향

균일한 단일층(monolayer)의 형성은 박막 두께에서의 특성을 유지하면서 차광, 반사방지 등의 물리적, 화학적 기능을 강화할 수 있는 중요한 수단이다. 이전 연구에서도 여러 코팅 방법으로 단일층을 구현하였으나, 공정이 복잡하고 대면적화 하는데 어려움이 있었다. 이에 본 연구에서는 소량의 용액으로 대면적 코팅이 가능한 로드 (rod) 코팅법을 사용하여, $20cm{\times}20cm$ PET 필름 기판 위에 마이크로미터 크기의 PMMA 비드를 가장 치밀한 형태인 HCP(hexagonal closed packing)가 되도록 코팅을 진행하였다. 끓는점과 증기압이 다른 용매의 사용과 계면활성제의 적용, 플라즈마 처리를 통한 기판 에너지의 변화를 통해 형성되는 단일층의 수준을 관찰하였다. 본 연구를 통해 비드의 메니스커스, 용매와 비드의 인-척력, 표면에너지를 포함한 코팅 조건을 최적화함으로써, 최종적으로 단위면적당 비드가 차지하는 정도인 입자의 커버리지를 초기 대비 약 20% 정도 향상시켰고, 단일층에 영향을 주는 인자들을 확인하였다. 본 결과는 기존에 연구되었던 코팅 방법에 비해 간단하고 빠르게 대면적의 단일층(monolayer)을 형성할 수 있기 때문에, 광학필름과 센서 등 첨단 분야로의 잠재적 응용 가능성이 높다.