Various Properties, Structures and Mechanical Instabilities of Soft Matter

Abstract

연성 물질은 가해진 응력에 대해 기계적 불안정성이 비교적 쉽게 일어나는 특징이 있다. 연성 물질에는 기계적, 열적 변형 외에도 화학적 변형 등 다양한 방식으로 응력을 가할 수 있다. 기하학적으로 나머지 두 차원에 비해 수직한 방향으로의 길이가 매우 짧은, 다시 말해 두께가 매우 얇은 구조로 판(plate)과 쉘(shell)이 있다. 연성 물질로 구성된 판과 쉘에 가해지는 응력의 방향과 경계 조건 등에 따라 면의 수직한 방향으로의 변형이 일어나는 기계적 불안정성을 유도할 수 있다. 이러한 변형의 종류에는 응력이 균일하게 분포되는 주름(wrinkle)과 그 이상의 응력으로 인해 국부적으로 응력이 집중된 접힘(ridge) 등의 형상이 있다. 본 학위 논문에서는 세 가지 서로 다른 특성 및 구조를 갖는 연성 물질의 기계적 불안정성에 대해 살펴본다.

첫째로 직선형 및 튜브형 하이드로겔 패턴의 물에 의한 팽윤을 이용하여 발생하는 변형에 대한 연구를 하였다. 하이드로겔 합성 시 단량체들의 조성을 변화시켜 팽윤 정도를 조절함으로써 구조에 가해지는 응력을 조절할 수 있다. 또한 직선형 및 튜브형 패턴의 종횡비를 달리하여 생성되는 주름 형상의 파장을 조절하였고, 이를 스케일링법(scaling analysis)을 통해 이론적으로 해석하였다. 이와 같은 구조는 표면과학, 광학, 생체모방공학 분야뿐만 아니라 미세 유체 시스템, 펼침성이 있는 장치 등에 대한 응용 가능성이 매우 높다. 따라서 열경화성 고분자들을 이용한 소프트 리소그래피(soft lithography)를 통하여 물결무늬의 형상들을 복제하고, 이를 다시 새로운 기판으로 하여 반영구적으로 이와 같이 유용한 패턴들을 복제할 수 있다.

둘째로 유연한 기판 위에 선형 패턴이 있는 탄성체를 제작하여 단일 축에 대한 구부림을 이용하여 선형 패턴에 주름 구조를 유도하였다. 생성된 주름의 파장과 진폭은 선형 패턴의 종횡비 및 구부림의 정도에 영향을 받는데, 이를 해석적 방법을 이용하여 그 관계를 규명하였다. 또한 절단면의 모양이 사다리꼴과 그 사다리꼴을 포함하는 직각삼각형인 패턴으로 양분하여 하나의 평면 위에 제작하였고, 이 때 종횡비가 더 큰 직각삼각형 패턴에서만 주름 형상이 발견되는 것을 확인하였다. 이는 판이 구부러질 때 작용하는 압축 변형률이 중립면(neutral surface)의 위치에 따라 달라지기 때문이다. 이를 통해 발생하는 시각적 차이를 이용하여 다양한 글자, 모양 등을 생성할 수 있음을 실험적으로 보여 시각 장치, 위조 방지 기술 등 응용 가능성을 열었다.

마지막으로는 완전히 경화되지 않은 고분자 층 위에 금속을 증착하여 주름 및 접힘 구조가 자발적으로 형성되는 현상에 대해 연구하였다. 고분자 층의 두께를 실험적 방식으로 제어할 수 있었고, 고분자 층의 두께와 접힘 구조의 진폭 사이의 관계를 해석적으로 규명하였다. 이를 활용하여 패턴이 있는 기판을 이용하여 고분자 층의 두께를 조절하였고, 생성되는 접힘의 위치 및 주름 형성 방향을 동시에 제어하였다.

We are surrounded by soft materials in a variety of physical and chemical states, which can be easily deformed under external stimuli – mechano, chemo, thermo, etc.-. For example, gel can be swollen by a solvent, elastomer can be bent to produce a compressed part or polymer film can be expanded by heat, then residual stress occurs. There are also many kinds of mechanical instabilities in nature, but we focus on the instabilities that cause deformation in the out-of-plane direction from the smooth surface. These types of instabilities include wrinkles, creases, ridges, and folds.

In this dissertation, we deal with three types of mechanical instability systems with various properties and structures. We start with mechanical instability when the gel with the line and tubular structure is bound to a rigid substrate, which is then subjected to stress as it is swollen. A relationship between swelling ratio, geometry of the pattern and the mode number of the generated buckling are investigated. We also predict the shape of the lateral buckling generated by bending from classical beam theory, as well as control its forming position according to the geometry. Finally, we observe highly crumpled surface pattern in metal-capped polymer bilayer system, and control the surface pattern through the thickness of the polymer layer.