마이크로 및 Submicron 패턴 폴리머 기판을 생성하기위한 리소그래피를 Micropunching

본 연구의 전체적인 목표는 다양한 응용 분야를 위해 폴리머 기판의 상단 측벽과 하단 표면에 마이크로 및 서브 마이크론 패턴을 생성하는 것입니다. 이는 먼저 단단한 표면에 중간 폴리머 층과 타겟 폴리머 층을 코팅함으로써 달성됩니다. 다음으로, 날카로운 모서리와 둥근 모서리의 몰드 구조를 제작하여, 타겟 폴리머의 녹는점보다 낮고 중간 폴리머의 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 기판을 엠보싱하는 데 사용합니다.

기판이 식은 후 몰드를 제거하면 폴리머 기판 표면에 마이크로 및 서브마이크론 패턴이 나타납니다. 마이크로 펀칭 리소그래피의 생의학적 응용 사례가 첫 번째입니다. 커팅 공정으로 생성된 PPY 마이크로바이옴은 글루코스 센싱에 사용됩니다.

둘째로, 드로잉 방식으로 생성된 HDP 채널은 유체 흐름 마찰을 줄이기 위해 랩온칩(lab-on-a-chip) 장치 내부의 미세유체 채널로 사용될 수 있습니다. 이 과정에서는 중간 폴리머와 인쇄될 재료가 코팅된 실리콘 기판을 중간 폴리머의 유리 전이 온도보다는 높고 대상 재료의 융점 또는 전이 온도보다는 낮은 온도로 가열합니다. 그 다음, 고압 상태에서 몰드와 기판을 물리적으로 접촉시킨 후 이어서 냉각합니다.

마지막으로, 온도가 중간 폴리머의 전이 온도 아래로 떨어지면 이들이 분리되어 몰드에서 대상 층으로의 패턴 전사가 완료됩니다. 이 절차를 위해, 일반적인 UV 리소그래피를 사용하여 필요한 크기의 실리콘 몰드를 제작해야 합니다. 비전도성 PMMA 시트를 선택하여 중간층을 준비하고 이를 단단하고 평평한 기판 위에 배치하십시오.

이제 단일 전도성 고분자를 중간 고분자 위에 일반적인 방식으로 스핀 코팅할 수 있습니다. 또한, 여러 전도성 고분자 물질을 스핀 코팅함과 동시에 접착 테이프를 사용하여 첫 번째 전도성 고분자 층 주변의 영역을 덮어줍니다. 테이핑과 스핀 코팅을 통해 기판의 원하는 위치에 여러 층을 코팅할 수 있습니다.

다음으로, 열 엠보싱기를 사용하여 몇 분 동안 기판을 엠보싱하고, 1.5 mm/min의 속도로 80에서 95 °C 사이의 온도에서 기판을 탈형합니다. 이 과정에서 상층을 각각 2개 및 3개의 폴리머 또는 금속 층의 조합으로 대체하여 다층 미세 구조를 생성합니다. 헤테로 접합, 다이오드 및 커패시터의 제작 방법을 검토합니다.

2층 PPY pdot 이종 접합을 생성하기 위해, 먼저 PMMA 시트 위에 10 µm 두께의 pdot 층을 스핀 코팅합니다. 그다음, 기판을 80 °C에서 1시간 동안 베이킹합니다. 베이킹 후 pdot 층 위에 1 µm 두께의 PPY 박막을 스핀 코팅하고, 기판을 5분 동안 베이킹합니다.

2층 알루미늄 pdot 다이오드를 제작하려면, PMMA 시트 위에 10 µm 두께의 pdot 층을 스핀 코팅하고 기판을 1시간 동안 베이크합니다. 그런 다음 열 증착법을 사용하여 pdot 층 위에 200 nm 두께의 알루미늄 박막을 코팅합니다. 기판은 아래를 향하게 배치해야 하며, 증착기의 챔버 압력은 5 µTorr로 설정하고 고전압을 가해 알루미늄 펠릿을 증발시킵니다.

쿼츠 두께 측정기를 모니터링하여 200 nanometers에 도달할 때까지 대기합니다. 그 후 전압을 0으로 차단하고 챔버를 벤팅한 다음 샘플을 꺼냅니다. 3층 pdot, PMMA pdot 커패시터를 제작합니다.

PMMA 시트 위에 10 µm 두께의 pdot 층을 스핀 코팅하고 기판을 1시간 동안 베이크합니다. 다음으로 1000 RPM에서 여러 번 스핀 코팅하여 pdot 층 위에 15~20 µm 두께의 PMMA 박막을 형성하고 기판을 30분 동안 베이크합니다. PMMA 층이 베이크된 후, PMMA 박막 위에 2~3 µm 두께의 pdot 층을 스핀 코팅하고 기판을 5분 동안 베이크합니다. 모든 미세 구조에 대해, 핫 엠보싱 장비를 사용하여 기판을 몇 분 동안 엠보싱한 후, 80~95 °C 온도에서 1.5 mm/min의 속도로 미세 구조를 탈형합니다.

드로잉 공정은 커팅과 유사하지만, 둥근 모서리가 있는 강성 몰드와 A-P-D-M-S 몰드를 사용합니다. 또한 더 작은 삽입력, 더 낮은 삽입 속도 및 더 높은 프린팅 온도가 필요합니다. SU eight 몰드 위에 S 1813을 마이크로미터 두께로 스핀 코팅하여 PDMS 마이크로 필라 제작을 시작하십시오.

SU-8 몰드는 일반적인 UV 리소그래피를 사용하여 제작합니다. 그다음 S 1813이 코팅된 SU-8 몰드 위에 PDMS를 1000 RPM으로 스핀 코팅하고, 핫플레이트에서 85 °C로 3시간 동안 샘플을 굽습니다. PDMS 층이 경화되면, 샘플을 아세톤으로 세척하여 S 1813을 용해시키고 SU-8 몰드로부터 얇은 PDMS 필름을 분리합니다.

마이크로 필라가 형성된 PDMS 필름이 완성되면, 이를 인쇄를 위해 1.5 밀리미터 두께의 HDPE 시트 위에 배치합니다. 모서리가 둥근 알루미늄 몰드를 PDMS 필름과 HDPE 시트 위에 놓고 가압 상태에서 1시간 동안 굽습니다. 그러면 몰드가 PDMS 필름을 부드러운 HDPE 시트 쪽으로 밀어내게 됩니다.

시료가 상온까지 냉각되면, 몰드를 제거하여 HDPE 시트 위에 채널 형성을 완료합니다. 이 과정에서 마이크로 필라로 형성된 PDMS 필름의 일부가 채널의 바닥면과 양측벽으로 전사됩니다. MPL 절단 공정을 사용하여 PPY, PDOT 및 SPANI의 단층 미세 구조를 제작하였습니다.

습도 민감도를 테스트하기 위해 SEM을 사용하여 300 µm 너비의 직선 패턴과 50 µm 너비의 서펜타인 마이크로와이어 패턴을 분석하였습니다. PPY 마이크로와이어와 1 cm² 크기의 PPY 박막을 모두 45%에서 85% 범위의 상대 습도 수준에 노출시켰습니다. 이들의 민감도는 저항 변화로 측정하여 비교하였습니다. Keithley 프로브 스테이션을 사용하여 300 µm 너비의 마이크로 라인 형태 PPY pdot, 헤테로 접합 알루미늄 pdot 다이오드 및 PDOT PMMA pdot 커패시터를 포함한 여러 다층 마이크로구조를 SEM으로 조사하였습니다.

pdot 층을 접지하고 PPY 층에 -20 V에서 20 V의 바이어스 전압을 인가하였다. PPY PDOT 이종 접합의 순방향 및 역방향 항복 전압은 각각 5 V와 -8 V였다. 알루미늄 층을 접지하고 pdot 층에 -5 V에서 5 V의 바이어스 전압을 인가하여 알루미늄 pdot 이종 접합을 제작하였으며, 이를 상온에서 측정하였다.

순방향 및 역방향 항복 전압은 각각 3V 및 -2.5V였습니다. KEITHLEY 프로브 스테이션을 사용하여 pdot PMMA PDOT 커패시터를 제작하였으며, 상온에서 커패시터의 CV를 측정하였습니다. 저주파 바이어스에서 측정된 커패시터의 정전 용량은 약 0.06 picofarad였습니다.

이론적으로 계산된 양이 1.38이었던 반면, picofarad PDMS 마이크로 필러를 A-H-D-P-E 시트에 압착하여 채널 측벽을 형성하였습니다. HDPE 채널 내 물방울의 평균 접촉각은 145.5도였습니다. PDMS 마이크로 필러는 HDPE 채널의 항력 마찰을 줄이는 데 사용됩니다.

A-P-D-M-S 필름이 코팅된 HDPE 채널 위를 흐르는 액적은 A-P-D-M-S 마이크로 기둥이 코팅된 HDPE 채널을 가로질러 흐르는 액적보다 더 느리게 이동합니다. 이는 PDM 마이크로 기둥에 의해 구현된 채널의 초발수 특성 때문입니다. 이러한 절차를 수행할 때, 포토레지스트, 전도성 고분자 및 휘발성 유기 화합물을 다루는 것은 위험할 수 있음을 잊지 마십시오. 항상 개인 보호 장구를 사용하고 환기가 잘 되는 곳에서 작업하는 등 예방 조치를 취하시기 바랍니다.