KR100580946B1

KR100580946B1 - 초미세바늘전극의 제조장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100580946B1
Application number: KR1020040048869A
Authority: KR
Inventors: 박철우; 강승언; 서원채; 최은하; 서윤호; 현정우; 김성수; 오현주; 임연찬
Original assignee: 한국산업기술대학교산학협력단
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-05-17
Also published as: KR20060000036A

Abstract

본 발명은 소정의 전원을 인가하여 텅스텐 와이어의 식각정도에 따른 전류세기를 측정하고, 측정된 전류값과 설정값을 비교하여 식각정도를 인지하여 전원을 제어하므로써 텅스텐와이어의 팁이 전기화학적반응에 의해 최적의 곡률반경으로 제조될 수 있는 초미세바늘전극의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 전해질용액(50)과; 상기 전해질용액(50)의 상측으로 소정의 간격만큼 이격되고, 표면장력에 의하여 상기 전해질용액(50)과 접촉되는 원형의 캐소드전극부(40)와; 상기 캐소드전극부(40)를 통하여 상기 전해질용액(50)에 입수되는 애노드전극부(30)와; 상기 애노드전극부(30)와 상기 캐소드전극부(40)에 서로다른 극성의 전원을 각각 인가하고, 측정된 전류값이 일정범위 이하면 전원을 차단하는 전원공급장치(10)를 포함하므로써 상기 전해질용액(50)과 상기 애노드전극부(30)간에 전기화학적 반응을 일으켜 상기 애노드전극부(30)를 식각하므로써 초미세바늘전극을 제조하는 것을 특징으로 한다.

초미세바늘전극, 전원공급장치, 텅스텐와이어, 전해질용액

Description

초미세바늘전극의 제조장치 및 그 방법{Manufacturing apparatus and method for sub-micro needle electrode}

도 1a는 본 발명에 따른 초미세바늘전극 제조장치를 나타낸 사시도,

도 1b는 본 발명에 따른 초미세바늘전극 제조장치를 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 전원공급장치를 나타낸 회로도,

도 3은 본 발명에 따른 초미세바늘전극의 식각과정을 나타낸 측면도,

도 4는 본 발명에 따른 초미세바늘전극의 제조방법을 나타낸 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 전원공급제어방법을 나타낸 순서도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전원공급장치 11 : 레퍼런스저항

12 : 전류감지수단 13 : 제어수단

14 : 전원차단스위치 20 : 수용용기

30 : 텅스텐와이어 31 : 선단

32 : 팁 40 : 원형고리

50 : 전해질용액

본 발명은 초미세바늘전극에 관한 것으로써, 상세하게는 텅스텐와이어에 인가되는 최소전류치를 설정하고, 텅스텐와이어와 전해질용액에 소정의 전원을 공급하여 인가되는 전류치와 설정치를 비교하여 최적의 곡률반경을 갖는 팁을 제조할 수 있는 초미세바늘전극의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

나노테크놀러지는 현재까지 미세기술의 대명사로 군림하고 있는 마이크로(100만분의 1)기술과는 확연히 다른 개념으로 마이크로테크놀로지가 단지 물건을 작게 만들기는 하지만 분자의 위치 배열까지는 바꾸지 못하는 반면, 나노테크놀러지는 분자 수준에서 조작을 자유자재로 할 수 있어 물질의 성질 변화는 물론 전혀 새로운 개념의 물질 창조를 가능하게 한다.

이러한 나노테크놀러지를 가능케하는 구성요소인 초미세 바늘전극은 초정밀 가공, 밀링(milling), 구멍뚫기(drilling), 초미세 리소그라피, STM(Scanning Tenneling Microscope) 또는 SEM(Scanning electron microscope)등의 전자빔원(Electron beam source)등의 초미세가공분야와 초미세구조연구분야 장비의 중요한 부품으로 사용이 되고 있다.

이를 상세히 설명하자면, 일반적인 현미경이라 함은 광학현미경을 말하는 것으로써 햇빛을 이용하여 연구대상체를 관찰하는 장비인데, 이들 장비의 한계는 분해능이라 하는 것에서 나타난다. 분해능이란 사물을 구별할 수 있는 최소의 단위를 말하는 것으로 일반적인 광학현미경을 이용하여 나노급의 사물을 구분하기는 힘들다. 그래서 미세구조를 갖는 물체를 구분하기 위해서는 햇빛보다도 분해능이 더 좋은 에너지를 이용한 현미경이 필요하게 되었는데, 이 때 초미세바늘전극을 이용하여 전계에 놓인 초미세바늘전극의 정점(apex)부근에서의 전자 방출을 유도하여 이들 전자들을 햇빛 대신으로 이용한 물체 관측이 가능하다. 초미세 바늘전극의 정점으로부터 나오는 전자빔을 짧은 거리에서 이용하게 된다면 그 세기가 더욱 높기 때문에 금속이나 절연체등의 표면에 흠집을 만들 수 있다. 이를 이용하는 기술이 초정밀 가공, 밀링. 구멍뚫기, 리소그라피등이다.

이와 같은 초미세바늘전극의 종래제조방법은 전해질 용액에 텅스텐 와이어를 입수시키기 전에 필라멘트에 작은 크기(~3㎜정도의 크기)의 텅스텐와이어를 짤라서 미리 전기용접을 하여야 한다. 그리고서 지지대에 텅스텐와이어와 연결된 필라멘트를 고정시킨 후 NaOH 전해질 용액속에 넣고, 상기 텅스텐와이어와 필라멘트에 서로다른 극성의 전원을 인가하여 상기 텅스텐와이어와 전해질용액간의 전기화학적반응을 유도함으로써 상기 텅스텐와이어를 식각하여 팁을 형성하였다

그러나 전자빔원이나 STM등의 빔원(Beam Source)으로 사용할 수 있는 곡률이 200Å이하임에 반해 종래의 초미세바늘전극의 제조방법에서는 팁 끝부분에 곡률반경이 400Å정도를 얻을 수 있어 최적의 곡률반경을 얻을 수 없는 문제점이 있다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 소정의 전원을 인가하여 텅스텐 와이어의 식각정도에 따른 전류세기를 측정하고, 측정된 전류값과 설정값을 비교하여 식각정도를 인지하여 전원을 제어하므로써 텅스턴와이어의 팁이 전기화학적반응에 의해 최적의 곡률반경으로 제조될 수 있는 초미세바늘전극의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 전기적 전도도의 특성을 갖는 전해질용액과; 상기 전해질용액의 상측으로 소정의 간격만큼 이격되고, 표면장력에 의하여 상기 전해질용액과 접촉되는 원형의 캐소드전극부와; 상기 캐소드전극수단를 통하여 상기 전해질용액에 입수되는 애노드전극부와; 상기 애노드전극부와 상기 캐소드전극부에 서로다른 극성의 전원을 각각 인가하고, 인가되는 전류값이 일정범위 이하면 전원을 차단하는 전원공급장치를 포함하므로써 상기 전해질용액과 상기 애노드전극부간에 전기화학적 반응을 일으켜 상기 애노드전극부를 식각함으로써 초미세바늘전극을 제조하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전원공급장치는 레퍼런스저항과; 상기 레퍼런스저항의 양단에 각각 연결되어 전압값을 측정하고, 이를 전류값으로 환산하는 전류감지수단과; 상기 전류감지수단에서 전달되는 측정전류값과 설정된 전류값을 비교하여 측정된 전류값이 설정범위보다 이하이면 전원차단신호를 출력하는 제어수단와; 상기 제어수단의 전원차단신호에 의해 스위치오프하여 출력전원을 차단하는 전원차단스위치를 포함한다.

또는, 초미세바늘전극의 제조방법은 소정의 수용용기내에 전해질용액을 수용하고, 상기 전해질용액의 표면장력에 의해 일부가 접촉되도록 원형의 캐소드전극부를 위치시키는 단계와; 상기 원형의 캐소드전극부를 통하여 애노드전극부를 상기 전해질용액에 입수시키되, 상기 애노드전극부의 끝단이 표면장력에 의해 상기 전해질용액과 접촉되도록 상기 전해질용액의 상측에서 일정거리이상 이격시켜 상기 애노드전극부를 위치시키는 단계와; 상기 애노드전극부와 캐소드전극부에 서로다른 극성의 전원을 인가하는 단계와; 상기 전해질용액과 상기 애노드전극부의 전기화학적 반응에 의하여 상기 전해질용액에 입수되는 상기 애노드전극부의 선단부분이 식각되는 단계와; 인가되는 전압을 측정하여 이를 전류값으로 환산하고, 설정된 전류값과 비교하는 단계와; 측정된 전류값이 일정범위이하이면 전원차단스위치를 온하는 단계와; 상기 단계에서 온된 전원차단스위치를 제어하여 전원을 차단하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따른 초미세바늘전극의 제조장치를 나타낸 사시도, 도 1b는 초미세바늘전극의 제조장치를 나타낸 단면도이다.

도 1a 및 1b를 참조하면, 전원공급장치(10)는 소정의 전원을 공급하고, 공급되는 전원의 전류값을 측정하여 설정치와 비교하여 측정된 전류치가 설정치이하이면 공급전원을 차단하고, 텅스텐와이어(30)는 애노드전극역할을 하며, 원형고리(40)는 캐소드전극역할을 하며, 전해질용액(50)은 상기 텅스텐와이어(30)와 전기화학적 식각반응을 일으킨다.

소정의 수용용기(20)내에 전기적 전도도를 갖는 NaOH 또는 KOH 전해질용액 (50)이 채워지고, 텅스텐와이어(30)는 소정의 길이로 절단된 후에, 상하로의 움직임이 가능한 지지수단(도시되지 않음)에 의해 고정되어 그 선단(31)이 수용용기(20)내의 전해질용액(50)에 입수되고, 원형고리(40)는 상기 지지수단(도시되지 않음)에 의해 상기 전해질용액(50)의 상측에서 소정의 간격만큼 이격되도록 고정된다. 여기서 상기 원형고리(40)는 상기 전해질용액(50)의 표면장력에 의해 일부가 상기 전해질용액(50)과 접촉되도록 이격된다. 또한, 상기 전원공급장치(10)는 +극을 상기 텅스텐와이어(30)에 연결하고, -극을 상기 원형고리(40)에 연결한다. 즉, 상기 텅스텐와이어(30)는 애노드전극으로써 역할을 하며, 상기 원형고리(40)는 캐소드전극역할을 한다.

도 2는 본 발명에 따른 전원공급장치를 나타낸 회로도이다.

전류감지수단(12)은 레퍼런스저항(11) 양단에 걸리는 전압을 측정하여 이를 전류값으로 환산하고, 제어수단(13)은 측정된 전류값과 설정된 전류값을 비교하여 전원차단을 제어하고, 전원차단스위치(14)는 상기 제어수단(13)의 제어에 따라서 전원의 출력을 차단한다.

여기서 상기 전류감지수단(12)에서 측정된 전압은 전류값으로 환산되어 상기 제어수단(13)으로 전달된다. 제어수단(13)은 자체 프로그램으로써 설정되는 텅스텐와이어(30)의 드랍어프(Drop-off)가 발생하기 바로직전의 전류값과 상기 전류감지수단(12)에서 전달되는 측정된 전류값을 비교하게 된다. 즉, 상기 제어수단(13)은 상기 전류감지수단(12)으로부터 전달된 전류값이 설정된 전류값보다 낮을시, 이를 드랍어프(Drop-off)가 발생하는 시기로 인지하여 밀리초(10^-3s) 정도의 빠른시간안에 상기 전원차단스위치(14)를 제어하여 전원공급장치(10)의 전원을 차단시킨다.

여기서 전원의 오프상태는 식각작용의 중단을 의미하는 것으로써 초미세바늘의 정점(Apex)의 가장 예리한 곡률을 얻기위해서는 전원의 차단되는 시간이 중요하다.

도 3은 텅스텐와이어의 식각과정을 나타낸 측면도, 도 4는 본 발명에 따른 초미세바늘전극의 제조방법으로 드랍어프방식을 나타낸 순서도로써 이를 이용하여 본 발명의 작용을 상세히 설명한다.

먼저 도 4를 참조하면, 소정의 수용용기(20)에 전해질용액(50)을 채우고, 그 수면위에 소정의 간격으로 이격시킨 원형고리(40)를 입수시킨다(S11). 여기서 상기 원형고리(40)는 상기 전해질용액(50)과 소정간격만큼 이격시키되, 상기 전해질용액(50)이 표면장력에 의해 상기 원형고리(40)에 접촉될 수 있는 높이로 이격되어 소정의 지지수단(도시되지 않음)에 의해 고정된다.

또한 텅스텐와이어(30)는 소정의 길이(대략 4㎝정도)로 절단되어 상기 원형고리(40)의 중심을 통해 상기 전해질용액(50)에 그 선단(31)을 입수시킨다(S12).

이후, 전원공급장치(10)가 온되면(S13), 상기 텅스텐와이어(30)에 +전원, 상기 원형고리(40)에 -전원이 인가되므로 상기 텅스텐와이어(30)를 통하여 전해질용액(50)에 전원이 전달되므로 전해질 용액의 분자들은 이온화된다. 따라서 전해질용액(50)의 이온화 되는 음이온(OH- )들은 전압이 인가됨에 따라 생겨나는 전기장(전 계)에 의한 선택적인 방향으로 이동을 하여 전해질용액(50)의 산소와 상기 텅스텐와이어(30)의 텅스텐분자가 결합된다. 그리고, 상기 텅스텐와이어(30)로부터 화학적 결합이 이루어지는 결합물들은 상기 텅스텐와이어(30)로부터 떨어지므로써 도 3에 도시된 바와 같이 전해질용액(50)에 입수되는 상기 텅스텐와이어(30)의 선단(31) 부분이 점차로 식각된다(S14).

이때, 전압이 일정값으로 유지된 상태에서 텅스텐와이어(30)의 선단(31)이 점차 식각되어 단면적이 좁아지게되므로 자체저항이 증가하고, 전류치는 떨어지게 된다. 그러므로 상기 전원공급장치(10)는 인가되는 전압을 측정하고, 이를 전류값으로 환산하여 설정범위와 비교하여 측정된 전류값이 설정된 전류값보다 떨어지는 드랍어프가 발생되었는지를 판단하게 되며(S15), 이와 같은 전원공급장치(10)의 작용은 후술한다.

그리고 비교결과, 전원공급장치(10)는 측정된 전류치가 설정범위의 이하로써 드랍어프가 발생되었다고 판단되면, 전원차단스위치(14)를 온하고(S16), 상기 전원차단스위치(14)를 제어하여 상기 텅스텐와이어(30)와 원형고리(40)에 인가되는 전원을 차단한다(S17).

즉, 상기 텅스텐와이어(30)의 팁(32)의 곡률반경이 가장 작을때가 바로 저항값이 크므로 상기 전류감지수단(12)의 설정범위를 상기 저항값에 비례되는 전류치를 설정하여 실제 측정되는 전류값이 설정범위이하로 측정되면, 상기 전원공급장치(10)는 전원을 차단하어 상기 텅스텐와이어(30)의 식각을 중지시키므로 상기 텅스텐와이어(30)는 최적의 곡률반경을 갖는 팁(32)이 형성된다.

도 5는 전원공급장치의 제어방법을 나타낸 순서도로써 이를 이용하여 상기 도 4의 전원공급 내지 차단단계를 상세히 설명한다.

제어수단(13)은 입력되는 전원온 신호에 따라서 스위치(도시되지 않음)를 온하므로(S21), 입력전원은 레퍼런스저항(11)과 전원차단스위치(14)를 통하여 각각 텅스텐와이어(30)와 원형고리(40)에 서로다른 극성의 전원을 인가한다(S22).

따라서, 상술한 바와 같이, 텅스텐와이어(30)와 전해질용액(50)간의 전기화학적 반응에 의해 상기 텅스텐와이어(30)가 식각된다. 여기서 상기 텅스텐와이어(30)는 식각됨에 따라 단면적이 줄어들게 되므로 텅스텐와이어(30)의 자체저항이 커지게되며, 상기 전원공급장치(10)는 일정전압으로 유지하여 출력하게됨에 따라 저항의 크기에 반비례하여 전류의 값은 작아지게 된다.

따라서 상기 전류감지수단(12)은 상기 레퍼런스저항(11)의 양단에서 출력전압을 측정하고, 측정된 전압치와 레퍼런스저항(11)의 저항값을 이용하여 전류를 환산하여 이를 상기 제어수단(13)에 인가한다(S23).

그러므로 상기 제어수단(13)은 상기 전류감지수단(12)으로부터 전달되는 측정전류값과 자체프로그램으로써 설성되는 설정범위를 비교하여 측정전류값이 설정범위의 이하로 떨어지는 드랍오프(Drop-off)가 발생되었는지를 판단하게 된다(S24).

판단결과, 상기 제어수단(13)은 측정된 전류값이 설정된 전류값보다 이하로 떨어지는 드랍오프가 발생되었다고 판단되면, 상기 전원차단스위치(14)를 온하고, 상기 전원차단스위치(14)에 전원차단제어신호를 출력한다.

따라서 상기 전원차단스위치(14)는 상기 제어수단(13)으로부터 인가되는 전원차단제어신호에 따라서 상기 레퍼런스저항(11)과 출력단(Vout)사이의 회로를 개방시켜 출력전압을 차단한다.

즉, 본 발명은 애노드전극의 역할을 하는 텅스텐와이어(30)에 일정전압을 유지하여 인가하고, 텅스텐와이어(30)의 단면적의 변화에 따른 저항의 증가로 변화되는 전류값을 측정하여 전원을 차단한다. 여기서 상기 제어수단(13)는 드랍어프시점에 대한 최적의 반응시간으로 전원차단스위치(14)의 동작을 제어하며, 전원차단스위치(14)의 온상태는 전원공급의 차단, 즉 전기화학적 식각반응의 중단을 의미하므로 상기 드랍어프시점에 대한 정확한 인지를 통해서 상기 텅스텐와이어(30)의 선단(31)에 형성되는 팁(32)의 곡률반경이 200~300Å으로 제작함이 가능하다.

본 발명은 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 초미세바늘전극의 제조장치 및 그 방법은 소정의 전원을 인가하여 텅스텐와이어와 전해질용액간의 전기화학적반응을 발생시켜 상기 텅스텐와이어를 식각하고, 그 식각의 정도에 따른 전류값의 변화를 측정하여 전원의 온/오프를 제어함에 따라 최적의 곡률반경을 갖는 초미세바늘전극이 제작이 가능하다.

Claims

전해질용액(50)과;

상기 전해질용액(50)의 상측으로 소정의 간격만큼 이격되고, 표면장력에 의하여 상기 전해질용액(50)과 접촉되는 원형의 캐소드전극부(40)와;

상기 캐소드전극부(40)를 통하여 상기 전해질용액(50)에 입수되는 애노드전극부(30)와;

상기 애노드전극부(30)와 상기 캐소드전극부(40)에 서로다른 극성의 전원을 각각 인가하고, 측정된 전류값이 일정범위 이하면 전원을 차단하는 전원공급장치(10)를 포함하므로써

상기 전해질용액(50)과 상기 애노드전극부(30)간에 전기화학적 반응을 일으켜 상기 애노드전극부(30)를 식각하므로써 초미세바늘전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 초미세바늘전극의 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전원공급장치(10)는

레퍼런스저항(11)과;

상기 레퍼런스저항(11)의 양단에 각각 연결되어 전압값을 측정하고, 이를 전류값으로 환산하는 전류감지수단(12)과;

상기 전류감지수단(12)에서 전달되는 측정전류값과 설정된 전류값을 비교하여 측정된 전류값이 설정범위보다 이하이면 전원차단신호를 출력하는 제어수단(13) 과;

상기 제어수단(13)의 전원차단신호에 의해 스위치오프하여 출력전원을 차단하는 전원차단스위치(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세바늘전극의 제조장치.
소정의 수용용기(20)내에 전해질용액(50)을 수용하고, 상기 전해질용액(50)의 표면장력에 의해 일부가 접촉되도록 원형의 캐소드전극부(40)를 위치시키는 단계(S11)와;

상기 원형의 캐소드전극부(40)를 통하여 애노드전극부(30)를 상기 전해질용액(50)에 입수시키되, 상기 애노드전극부(30)의 끝단이 표면장력에 의해 상기 전해질용액(50)과 접촉되도록 상기 전해질용액(50)의 상측에서 일정거리이상 이격시켜 상기 애노드전극부(30)를 위치시키는 단계(S12)와;

상기 애노드전극부(30)와 캐소드전극부(40)에 서로다른 극성의 전원을 인가하는 단계(S13)와;

상기 전해질용액과 상기 애노드전극부(30)의 전기화학적 반응에 의하여 상기 전해질용액에 입수되는 상기 애노드전극부(30)의 선단(31) 식각되는 단계(S14)와;

인가되는 전압을 측정하여 이를 전류값으로 환산하고, 설정된 전류값과 비교하는 단계(S15)와;

측정된 전류값이 일정범위이하이면 전원차단스위치(14)를 온하는 단계(S16)와;

상기 단계(S16)에서 온된 상기 전원차단스위치(14)를 제어하여 전원을 차단하는 단계(S17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세바늘전극의 제조방법.