In this thesis, micro-/nano-scale patterns were fabricated using an elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS) mold via various routes, and the applications using the fabricated patterns have been demonstrated. Moreover, the novel technique for patterning of colloidal crystals were presented using the PDMS mold and the electrophoretic deposition method.
In chapter 2.1, we have investigated a novel soft-imprint technique for fabrication of submicron scale polymer structures that can be simply performed at room temperature by polymerization with an elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS) mold. The proposed technique is a simple, cheap and reproducible method for the patterning of large areas, and that allows the transfer of polymer patterns at the submicron scale without high pressures. The PDMS mold is placed on a fluid mixture of prepolymer and monomer after a brief UV exposure, full polymerization follows, and then the mold is removed. SEM and AFM observations confirm that the submicron scale polymer structures are produced without any defect or distortion and with good pattern fidelity over large area. In chapter 2.2, to prevent the swelling of the PDMS mold by the monomer during polymerization procedure, the mold surface is coated with an amorphous fluoropolymer Teflon AF. By using the surface modified PDMS mold, the submicron scale polymer structures are successfully generated with good pattern fidelity, and are also fabricated over large areas through the UV based soft-imprint technique.
In chapter 3, We also presented a novel microfabrication technique for multilevel microstructures via the soft-imprint technique using a PDMS mold attached with a screen mask, TEM grid. The prepolymer and monomer mixture after short UV exposure rises only into the open spot of TEM grid, sequentially into the groove of PDMS mold. Moreover, the conformal contact of PDMS mold with TEM grid prevents the permeation of sticky prepolymer into the interface of PDMS mold and TEM grid. The proposed technique is an inexpensive, simple and reliable method to fabricate 3D microstructures without expensive and complex lithographic tools. Thus, with this 3D microfabrication method, various 3D microstructures of the combination of TEM grid pattern and PDMS mold groove are easily generated with good pattern fidelity.
In chapter 4.1, submicron features have been formed on polymer-coated cylindrical and spherical substrates via hot-embossing with the poly(dimethylsiloxane) (PDMS) film stamp, without the use of high pressure. The use of flexible PDMS molds offers a unique advantage over conventional methods, because they cover curved substrates easily, maintaining good contact with the substrate even during the hot-embossing procedure. In chapter 4.2, we have investigated a supercritical carbon dioxide ($SCCO_2$) assisted nanoimprint (SC-NIL) technique using an elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS) mold. PS chains under $SCCO_2$ are swollen by the adsorption of $CO_2$ and have enough mobility to rise into the groove of PDMS mold by the capillary force. As a result, the 100 nm level nanostructures are uniformly fabricated on the polymer surface over a large area, and the use of PDMS mold having a low interfacial energy and an elasticity assure the clean release from the patterned surface without a release agent.
In chapter 5, a simple and robust technique for the fabrication of monolayer of colloidal crystals on any substrate using electrophoretic deposition is described. After electrophoretic deposition, the colloidal crystals on the electrode are formed on water surface, since the ethanol based solution help the colloidal crystals on the electrode to spread over water surface over a large area. The prepared monolayer film on water surface could be transferred onto any surface due to its strong interaction between particles. By repeating the lift-up process, 3D colloidal crystals are also fabricated. Moreover, monolayer of colloidal crystals is transferred on the curved fiber surface, and the fabricated monolayer of colloidal crystals is used as template to create ordered array of conjugated polymer and biocompatible polymer. Moreover, this monolayer of colloidal crystals was transferred onto the PDMS mold having patterns, and the contact of PDMS mold with PEG coated substrate resulted in the patterns transfer of colloidal crystals on the protrude of PDMS mold. Well-ordered 2D colloidal crystals were patterned using the proposed method without the deformation of its hexagonal-packed structures. In chapter 5.2, a novel technique for the fabrication of microarrays of colloidal crystals on a gold-patterned electrode surface using electrophoretic deposition is also proposed. When a gold pattern was created on an ITO surface using a screen mask, it was found that colloidal particles were preferentially deposited onto the gold pattern regions to form a microarray of colloidal crystals. The patterning of colloidal crystals arises because an electrohydrodynamic flow of the colloidal suspension toward the gold domains is induced by the variation of the current density of the gold-patterned electrode.
본 연구에서는, polydimethylsiloxane (PDMS) 몰드를 이용하여 다양한 방법을 통해서 마이크로 또는 나노 미터 크기의 미세구조를 제작하고 이를 이용한 응용에 대해서 연구하였다. 또한 PDMS 몰드를 이용하거나 전기 영동 방법 등을 이용하여 콜로이드 광결정의 패턴을 제조하였다.
2.1장에서는 PDMS 몰드를 이용한 Soft-imprint 기술을 이용한 상온 저압의 공정 조건에서 백 나노미터 크기의 패턴을 넓은 면적에 걸려 균일하게 제작하였다. 광중합 가능한 모노머에 UV 조사를 통해 중합이 이루어진 고분자/모노머의 혼합체에 PDMS 몰드를 올려주게 되면 모세관 현상에 의해 고분자 혼합체가 몰드의 홈을 채워 나노 미터 크기의 미세 형상이 제조된다. 2.2장에서는 PDMS 몰드의 모노머에 대한 swelling을 방지해주기 위해 PDMS 몰드 표면을 Teflon AF를 수나노 미터 수준의 두께로 코팅을 해준 후 직접 모노머에 올려주어 UV 중합을 통해 나노 미터 크기의 미세 형상을 제조하였다. 이 방법 또한 상온에서 낮은 압력을 이용하여 간단히 나노 형상을 넓은 면적에 걸쳐 제작할 수 있는 기술이다.
3장에서는 PDMS 몰드에 TEM grid와 같은 스크린 마스크를 붙여준 복합 몰드를 soft-imprint 기술에 적용하여 한번의 작업을 통해서 다중 미세 형상을 제작하였다. UV 조사를 통한 고분자/모노머 혼합체에 복합 몰드를 올려주면 스크린 마스크의 열린 부분만을 통해 혼합체가 모세관 현상에 의해 상승하여 PDMS 몰드의 미세 형상을 채우게 된다. 그 결과 TEM grid의 형상 위에 PDMS 몰드의 나노 크기의 미세 형상을 각인된 다중 미세 형상이 형성된다. 이 기술을 통해 복합하고 고가의 장비의 도움없이 간단한 공정을 통해 고해상도의 다중 미세 형상을 제작할 수 있다.
4.1장에서는 기존의 리소그라피 기술로는 구현하기 힘든 곡면에 미세 형상을 PDMS 필름 몰드를 이용하여 핫엠보싱(hot-embossing) 기술을 이용하여 제작하였다. PDMS 필름의 굽힘성을 이용하여 고분자로 코팅된 곡면에 접착하여 고분자의 유리 전이 온도 이상의 온도에서 PDMS 몰드의 미세 형상을 고분자에 각인하였다. 4.2장에서는 초임계 $CO_2$ 의 조건에서 PDMS 몰드를 이용하여 미세 형상을 고분자에 각인하여 패턴을 제작하였다. 폴리스티렌(PS)은 초임계 $CO_2$ 에 대해 용해성을 갖기 때문에 PDMS 몰드와의 접촉시 모세관 현상에 의해 폴리스티렌 고분자가 몰드의 미세 형상으로 상승하여 나노 미터 크기의 미세 형상을 제조할 수 있다. 높지 않은 성형 압력과 상온 수준의 온도의 조건에서 고해상도의 미세 형상을 넓은 면적에 걸쳐 제작하였다. 또한 PDMS 몰드의 낮은 표면 에너지에 의해 이형제(release agent)없이 고분자 미세 형상의 변형없이 분리될 수 있다.
5.1 장에서는 전기 영동을 통해 얻은 콜로이드 광결정을 이용하여 물표면에 모노레이어(monolayer)의 규칙성을 갖는 광결정을 제조하였다. 제조된 광결정 모노레이어는 서로간의 인력으로 안정되어 있어 어떤 기판을 통해서도 lift-up 공정을 거쳐 건질 수 있다. 이차원의 모노레이어뿐 아니라 여러 번의 lift-up 과정을 거쳐 삼차원을 콜로이드 광결정 및 크기가 다른 콜로이드 복합 광결정을 제작할 수 있다. 또한 다른 방법으로 얻기 어려운 곡면에서의 광결정도 위의 과정을 거쳐 제작하였다. 제조된 이차원의 콜로이드 광결정을 템플레이트로 이용하여 전도성 고분자, 바이오 고분자의 규칙적 어레이를 얻었다. 5.2장에서는 위의 과정에서 얻은 모노레이어 콜로이드 광결정을 패턴을 지닌 PDMS 몰드를 이용하여 lift-up 과정을 거쳐 표면에 올린 후 마이크로 접촉 프린팅 기술을 이용하여 광결정의 패턴을 제작하였다. 물 표면의 광결정 모노레이어는 안정적이어서 그 규칙성을 유지한 채 PDMS 몰드 표면에 건져졌으며 고분자가 코팅된 기판에 마이크로 접촉프린팅을 통해 몰드의 돌출부분의 이차원 광결정만 전달되어 패턴을 형성하였다. 5.3장에서는 금(Au) 패턴을 가진 ITO 전극을 이용하여 폴리스티렌 콜로이드를 전기 영동 방법을 통해 콜로이드 광결정의 마이크로 크기의 어레이를 제작하였다. 콜로이드 입자에 전기장을 걸어주면 ITO 전극 위의 금(Au) 패턴 부분은 다른 ITO 부분보다 전기 밀도가 크기 때문에 콜로이드 입자가 선택적으로 금(Au) 패턴 부분에만 광결정을 형성하게 된다.
