마이크로 공정을 활용한 자연 모사 기능성 표면 제작

Abstract

Two biomimetic functional surfaces were fabricated by facile and rapid method in this study. Various technologies for mimicking the nature were used in many fields and many studies were progressed to fabricate different ways for same biomimetic things. Complicated and special equipment was essential for mimicking the nature in previous studies. However, facile and rapid methods were used such as fused deposition method 3D printing and laser cutting. First, biomimetic surface which was mimicked the desert beetle (Stenocara) for water collecting were fabricated. Using 3D printing technology, micro-structure was constructed by the stacked filament. PLA mold was etched by the chemical solvent that the wettability of surface was changed from hydrophobic to superhydrophobic. Bent tips of the surface was achieved as set the 3D printing angle. Platinum was deposited on parts of the surface using self-masking effects with the bent tips of the microstructure. It was confirmed that the manufactured biomimetic surface had excellent water collection ability. Secondly, artificial compound eye lens was fabricated by the laser cutting machine. Laser cutter pierced micro-sized holes that the laser cutter can punch the smallest size on the acrylic plate. This plate was placed on aqueous the PVA (polyvinyl alcohol) solution. After evaporating water, this plate was used as the mold for the micro-lens array PDMS (polydimethylsiloxane) film. The microlens array film was fixed to make the dome shape. The artificial compound eye lens was fabricated by pour more PDMS on the film and cured. Optical properties of the lens were investigated by the photodetector experiment. The performance of detecting the light of sensors was improved with the lens. In particular, the improvement of performance with lens was greater in low-temperature environment. The sensor used in this study was the GaN (gallium nitride) based photodetector which is used for extreme environments. GaN photodetector with the artificial compound eye lens in this study can be more effective in lowtemperature environment such as indoor refrigerated storages and outdoor Antarctica.|본 연구에서는 마이크로 공정을 활용하여 자연 모사가 적용된 기능성 표면 2가지를 제작하였다. 자연 모사 기술은 다양하게 여러 공학분야에서 활용되고 있으며, 같은 기술에 대한 여러 방식의 연구들이 진행되고 있다. 기존 연구에서 제작하는 방식들은 복잡하면서 특수한 장비를 이용한 경우들이 많았지만, 본 연구에서는 3D 프린팅, 레이저 기술과 같이 비교적 간단한 제작 방법을 활용하였다. 첫번째는 친수성과 소수성이 공존하는 사막 벌레의 등을 모사한 수분 포집 표면을 제작하였다. 3D 프린팅 기술을 활용하여 제작하였으며, 필라멘트를 쌓아 올리는 방식의 3D프린터를 활용하여 마이크로 구조를 구현하였고, 화학물질을 활용해 에칭 (etching)하여 더 큰 소수성을 구현하였다. 프린팅 설정을 통해 뾰족한 끝부분이 휘어진 구조를 만들었으며, 휘어진 끝부분이 다른 부분을 가려 일부분만 금속을 증착하는 self-masking 효과를 활용하였다. 제작된 표면은 수분 포집 능력이 우수한 것으로 확인되었다. 두 번째로 레이저 기술을 이용하여 겹눈 구조 렌즈를 제작하였다. 레이저 커팅 기계를 활용해 아크릴 판에 구멍을 만들어 구멍에 PVA(polyvinyl alcohol) 수용액을 채워 굳히는 방식으로 마이크로 구조를 위한 틀을 만들었다. 이를 이용해 마이크로 렌즈 필름을 제작하였으며, 필름을 반구 형태로 고정하여 PDMS (polydimethylsiloxane)를 추가해 겹눈 구조 렌즈를 제작하였다. 제작한 렌즈는 광 감지 센서와 결합해 센서의 광 감지 성능을 향상시켰고 특히 저온 환경에서 그 효과가 커지는 것을 확인하였다. 연구에서 활용된 광 감지 센서는 질화갈륨 (GaN, gallium nitride) 기반으로 제작되었는데 극한 환경에 적용할 수 있는 센서로 알려져 있다. 겹눈 구조 렌즈와 결합된다면, 남극이나 저온 창고와 같은 저온 환경에서 센서의 성능을 배가 할 수 있을 것으로 기대된다.