Mechanical instabilities such as wrinkling or folding have long been known for one universal mecha-nism for the pattern formation in nature as a part of morphogenesis with various scales. These instabilities could be triggered when elastic materials are subjected to compressive stresses. In the laboratory level, these instability-induced patterns on a surface have been applied to various applications. Moreover, micro- and nanoscale instability-induced patterns have become new way to obtain novelty to existing devices or materials. However, these patterns have intrinsic randomness so that various applications have limited utilities.
In this research, new strategy is suggested to control surface structures originated from mechanical instability under biaxial compressive stresses. To address relative strains, we constructed moduli-patterned elastic membranes using scrapping-mediated micromolding process. We observed that typical formations of wrinkles and folds are occurred only the softer region. By modifying the boundary conditions and geometry, we demonstrated control over the final morphology having spatiality and directionality on a two-dimensional space.
Moreover, to confirm the strain localization behavior, we calculated strain distribution on a moduli-patterned substrate using a finite element analysis (FEA). The local strain in the softer region was always higher than a harder region, resulting in selective pattern formation by inducing proper strains with relative orientation and position between each structures. The ideas introduced here can be applied to various patterns depending on diverse purposes. Adjusted scattering through this controlled instability-induced patterns are demonstrated as a kind of optical applications.
In conclusion, this controlled instability over the formation of spontaneously formed structures offers opportunities for fabricating surface with a complex, scalable, and optically functional micrometer and sub-micrometer scale patterns without the burden of costly lithographic procedures.
연성 물질 표면에서의 기계적 불안정성에 기인한 구조 중 주름 및 접힘 구조는 아주 단단한 막과의 이층구조가 압축응력을 받을 때 주름 구조는 표면에 일정한 파형, 파장을 가지며 이차원 표면 위를 임의의 방향성을 가지고 무작위로 생성되는 구조이며 접힘 구조는 특정 부분에 연성 물질 방향으로 깊게 파이며 안에 빈 공간이 만들어지는 구조이다. 이런 구조는 대면적에 대하여 동시다발적, 자발적으로 생성되는 구조로서 이를 이용하여 쉽게 표면에 마이크로 또는 나노 크기의 구조를 대면적으로 만드는 공정으로 이용되고 있지만 생성시 구조의 물리적 특징 및 생성을 선택적으로 조절할 수 없다는 단점이 있다.
본 연구에서는 이러한 주름 및 접힘 구조가 연성물질과 단단한 막의 물성에 의해 조절되는 원리에 착안하여 연성물질 표면에 부분적으로 물질의 상태를 다르게 하는 패턴화 방법을 개발했다. 본 연구에서는 인장 후 풀어주는 과정에서 원래의 상태로 돌아가려는 힘을 압축응력으로 사용하는데 국소적으로 다른 물성을 가지는 시스템에 인장 응력을 가하게 되면 보다 연한 부분에서 높은 인장이 발생하게 된다. 따라서 인장 후 박막을 표면에 생성시켜 인장을 풀어주게 되면 인장에 의해 유도된 변형과 박막의 두께 및 연한 부분의 구조적 수치에 따라 주름 및 접힘 구조가 연한 부분에 우선적으로 생기게 되며 연한 부분 주위의 부분에 압축응력이 주름 및 접힘 구조를 생성시키지 않는 인장 정도를 조절하여 특정 부분에만 구조를 생성시킬 수 있게 된다.
이러한 방법을 이용한 구조는 기존의 주름 및 접힘 공정과 달리 구조의 곡률 및 생성 위치와 방향을 제어할 수 있게 되며 나아가 이 방법은 이차원 표면에서 기존의 임의방향의 무작위 한 패턴이 아닌 계획적으로 설계된 주름 및 접힘 구조를 생성시킬 수 있게 되며 특히 기존의 구조처럼 곡률이 있으며 대면적으로 자발적 및 동시다발적으로 생성된다는 이점을 그대로 가지기 때문에 이러한 구조는 기존의 여러 설계된 구조를 제작하는 방법들과 같이 쓰일 수 있어 곡률을 가지며 설계 가능한 구조를 제작하는 방법으로 쓰일 수 있다.
본 연구에서는 이러한 가능성 중 하나로서 곡률이 있는 표면에서 빛이 산란한다는 점을 이용하여 일정한 넓이를 가지는 표면 위에서 이 빛의 산란의 정도를 변화시켜 증명해 보였다.
