접촉각(Contact Angle)이란? 접촉각으로 보는 물질 표면의 친수성, 소수성

*목차*

1. 접촉각(Contact Angle) 측정이란?

2. 접촉각의 정의(표면장력, 표면에너지)

1. 반도체 공정에서 접촉각(Contact Angle) 측정이란?

-. 접촉각(Contact Angle)이란, 액체를 고체 표면 위에 떨어트렸을 때

액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 액체와 고체 사이의 각도를 말해요.

 다시 말하면 고체 표면 위에 액체 방울을 떨어트리고 액체의 정지된 상태에서 각도를 측정하는 거에요.

 이때 액체의 접촉각(Contact Angle)은 고체 표면의 "젖음성(Wettability)"이랑 "표면 에너지(Surface Energy)"를 나타내요.

보통 접촉각 측정을 할 때 "DI water(Deionized water)" 방울을 떨어트리는데요.

> 접촉각이 작으면, 물질 표면의 젖음성이 좋은 친수성(Hydrophilic)이며 높은 Surface Energy를 나타냄.

> 접촉각이 크면, 물질 표면 젖음성이 나쁜 소수성(Hydrophobic)이며 낮은 Surface Energy를 나타냄.

 여기서 "친수성(Hydrophilic)"은 물 분자와 쉽게 결합하는 성질이며 일반적으로 극성(Polarity)를 띄고 있어요. 

 반대로 "소수성(Hydrophobic)"은 물 분자와 쉽게 결합하지 못하는 성질이며 일반적으로 극성을 띄지 않아요.

( *일반적으로는 친수성을 보기 위해서 Water를 사용하는데, 상황에 따라 "유기 용매"를 사용하는 경우도 있는 것 같아요. 유기 용매를 사용할 경우에는 반대로 접촉각이 작으면 소수성, 접촉각이 크면 친수성이 되겠죠.)

 반도체 공정에서 Wafer 표면 또는 증착된 박막(Film)의 표면을 분석하기 위해서 접촉각 측정해요.

 Wafer의 후속 공정으로 Underfill, Coating, Deposition 같은 공정을 진행할 때 

Wafer 표면의 Surface Energy가 높거나 친수성(Hydrophilic) 일 수록 좋아요.

그래서 이러한 공정 전에 Wafer 표면의 상태를 확인하기 위해서 접촉각을 확인해요.

 Wafer 표면을 친수성(Hydrophilic)으로 만들거나 Surface Energy를 높이는 방법으로 Plasma 처리가 있어요. (Surface treatment)

 >Under-fill 공정의 경우, Epoxy와 같은 Under-fill Material을 Chip 사이에 채워 넣어야 되는데 균일하게 채워지지 않고 Void가 생기는 경우가 있어요. 이때 Plasma 처리를 통해 Chip 사이 표면을 친수성으로 만들어 주면 친수성을 띄는 Epoxy가 더 잘 흘러 들어가요.

2. 접촉각의 정의 (표면장력, 표면에너지)

-. 접촉각이 물질 표면이 친수성인지,  소수성인지, 표면에너지가 큰지 작은지 나타낸다고 했는데, 그럼 Contact Angle은 어떻게 구하는지 알아봤어요.

접촉각을 구하기 전에 '표면장력'과 '표면에너지'가 뭔지 알아야 되는데요.

"표면장력(Surface Tension)" 이란

 

"액체 상태의 물질이 표면적을 최소화하기 위해 작용하는 힘"을 말해요.

액체의 분자들은 인접한 동일한 분자끼리 인력이 상호작용을 해요.

액체 내부에 위치한 분자들은 모든 방향으로 상호작용을 해요.

그런데 표면의 분자는 안쪽 방향으로만 동일한 분자와 힘이 작용해요.

(표면의 분자는 반대로 다른 물질 분자(액체 or 기체)와도 힘이 작용을 해요.)

액체 표면의 분자에 작용하는 힘을 모두 고려했을 때

2차원에서는 '원형', 3차원에서는 '구형' 형성할 거에요.

이거는 동일 '부피(면적)'에서 최소한의 '표면적(둘레)'를 갖게 돼요.

"표면에너지(Surface Energy)" 란

"물질의 표면이 다른 물질과 결합할 수 있는 정도"를 말해요.

표면에너지가 높다는 것은 더 많은 물질과 결합, 반응할 수 있다는 것을 말하며 상대적으로 불안정한 상태라고 볼 수 있어요.

보통 물체의 표면상태를 이야기할 때

고체와 기체(또는 액체) 사이의 값을 "표면에너지"로 이야기하고

액체와 기체 사이의 표면에너지를 "표면 장력"으로 이야기해요.

실제로 에너지를 표시하는 단위가 동일해요.

표면에너지가 높다는 것은 불안정한 상태이기 때문에 물질은 불안정한 상태는 최대한 안정적인 상태를 유지하려고 해요.

위에서 액체는 표면적을 최소로 만들기 위해 "구형"된다고 했는데

표면 면적을 최소로 만들어서 표면에너지를 최대한 낮은 형태로 만들기 위함이에요.

"접촉각(Contact Angle)" 구하는 법

고체 물질 표면에 액체 한 방울을 떨어트리면 

고체, 액체, 기체 물질 각 계면에서 힘이 작용을 하고

그림처럼 계면에 작용하는 힘의 크기와 방향을 나타낼 수 있어요.

이때 "접촉각"은 "액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이루는 각"을 말해요.

액체를 고체 표면 위에 떨어트리면 액체 형태가 고정이 되는데

이 때 접촉각은 액체를 포함한 계면에너지 사이의 각을 말해요.

만약 고체의 표면에너지가 작으면 접촉각이 커지고

반대로 표면에너지가 크면 접촉각이 작아져요. 

접촉각 분석을 통해서 고체의 표면에너지와 친수성, 소수성을 알 수 있어요.

θ : Contact angle

σGL : Surface tension between Gas and Liquid
σSG : Surface tension between Solid and Gas

σLS : Surface tension between Liquid and Solid

 

*공부하면서 정리해봤는데 오류가 있으면 알려주세요.