KR100941020B1

KR100941020B1 - 폴리디아세틸렌 초분자체를 이용한 마이크로/나노 소자의발열 특성 계측 방법

Info

Publication number: KR100941020B1
Application number: KR1020080026922A
Authority: KR
Inventors: 안동준; 김지현; 이길선; 양두호; 안재희
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2010-02-05
Also published as: KR20090101649A

Abstract

자가 형광 발현 특성을 갖는 폴리디아세틸렌 초분자체를 고분자 용액에 분산시키고 마이크로/나노 소자와 같은 피검사물의 표면에 코팅하여 피검사물의 발열 특성을 계측하는 방법을 제공한다. 피검사물에 전압을 인가하여 발열시키면 발열에 의한 온도 상승으로 피검사물에 코팅한 초분자체가 자가 형광 발현된다. 전압, 형광세기에 따른 온도를 정량화할 수 있으므로, 이러한 특성을 이용하여 피검사물의 시간에 따른 온도 변화를 정량적으로 분석할 수 있다. 이러한 방법은 저렴하고 형광 세기 감소 등의 문제가 없으며 간단하다.

Description

폴리디아세틸렌 초분자체를 이용한 마이크로/나노 소자의 발열 특성 계측 방법{Thermal characterization method of MEMS/NEMS using polydiacetylene supermolecules}

본 발명은 발열 특성 계측 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가 형광 발현 특성을 갖는 물질을 마이크로/나노 소자의 표면에 코팅하여 마이크로/나노 소자의 발열 특성(마이크로/나노 소자의 패턴에 따른 열전달 과정, 즉 시간에 따른 온도 변화)을 계측하는 방법에 관한 것이다.

전자 기기의 경박단소화에 따라 마이크론 및 나노미터 크기를 가진 이른바, 마이크로/나노 소자에 대한 수요 및 연구가 활발하다. 마이크로 히터와 같은 마이크로/나노 소자는 그 발열 특성을 아는 것이 매우 중요한데, 이러한 소자의 발열 특성 계측 방법으로는 방사 분석법(radiation analysis), 형광 분석법(fluorescent microthermographic imaging technique), 액정 분석법(liquid crystal method) 등이 알려져 있다.

이 중에서도 방사 분석법은 마이크로/나노 소자의 발열 특성 계측용으로 가장 많이 사용되는 방법이고, 온도와 피검사물의 방사율(emissivity)에 따른 방사 파장의 변화를 이용하는 것으로, 피검사물을 손상시키지 않고 높은 민감도를 가진다. 해상도는 일반적으로 5㎛ 정도 수준이다. 그런데, 방사 분석법은 피검사물의 방사율 계수의 보정과 적외선 카메라가 필요하고 비용이 많이 드는 단점이 있다.

형광 분석법은 일반적으로 EuTTA(europium thenoyltrifluoro acetonate)와 같이 온도에 따라 형광 세기가 달라지는 물질을 피검사물에 코팅하여 이용한다. 이 방법은 mK 정도의 높은 온도 민감도를 갖는다. 그런데, 형광 분석법은 측정 가능한 온도 범위가 제한적이고 EuTTA 형광이 온도가 증가함에 따라 지수적으로 급격히 감소하며 같은 피검사물의 계측을 반복할 때 EuTTA 형광층 제거와 재코팅이 필요하여 문제가 있다.

액정 분석법은 피검사물에 액정을 코팅하고 피검사물에 편광된 빛에 따른 액정의 위상 변화를 이용한다. 이 방법은 4㎛, 0.1 mK의 해상도를 갖는다. 특히 이 방법에서는 코팅층의 두께에 따라 정확도가 결정되는데 균일한 코팅이 어려우며 온도에 따른 굴절률의 관계를 알기가 쉽지 않은 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 방사 분석법에 비하여 저렴하고 형광 분석법에 비하여 형광 세기 감소 등의 문제가 없으며 액정 분석법에 비하여 간단한 발열 특성 계측 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 자가 형광 발현 특성을 갖는 폴리 디아세틸렌 초분자체를 마이크로/나노 소자의 표면에 코팅하여 소자의 발열 특성을 계측하는 방법을 제안한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 발열 특성 계측 방법은, 폴리디아세틸렌 초분자체와 고분자 용액을 혼합하여 분산 용액을 제조하는 단계; 피검사물의 표면에 상기 분산 용액을 코팅하는 단계; 상기 코팅된 분산 용액을 노광하여 고분자화하는 단계; 및 상기 피검사물에 전압을 인가하여 발열시키면서 상기 발열에 의한 온도 상승으로 상기 초분자체가 자가 형광 발현되는 특성을 이용하여 상기 피검사물의 시간에 따른 온도 변화를 분석하는 단계를 포함한다.

폴리디아세틸렌 초분자체는 다음 화학식 1로 표시되는 디아세틸렌 단량체를 이용하여 제조할 수 있다.

CH₃-(CH₂)_A-C≡C-C≡-(CH₂)_B-D-E

여기서, A와 B는 1이상의 정수이고, D는 아미드(amide), 아민(amine), 에틸렌옥사이드(ethylene oxide) 또는 에스테르(ester)이며, E는 카르복시산(carboxylic acid), 하이드록사이드(hydroxide), 아닐린(aniline), 벤조산(benzoic acid), 메틸(methyl) 또는 아민을 나타낸다.

특히 상기 분석하는 단계는, 상기 피검사물에 전압을 인가하지 않고 열을 가하면서 상기 초분자체의 형광세기를 분석하는 제1 단계; 상기 피검사물에 전압을 인가하면서 상기 초분자체의 형광세기를 분석하는 제2 단계; 및 상기 제1 및 제2 단계로부터 전압과 온도의 형광세기 관계식을 구하여 전압에 따른 온도를 정량화하 는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 피검사물의 방사율 계수의 보정과 적외선 카메라가 필요하지 않으므로 간단하고 비용이 저렴하다. 폴리디아세틸렌의 자가 형광 발현 특성을 이용하므로 그 형광세기가 온도와 비례적인 관계로 직접적인 연관성이 있고 재측정에 따른 형광세기 감소 등의 문제가 없다. 그리고, 폴리디아세틸렌이 수용성이므로 코팅된 필름의 제거가 용이하다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 단량체의 종류와 고분자화의 온도를 조절하여 온도 측정 범위를 조절할 수 있다. 실험 결과 약 2 ㎛ 이하의 해상도를 가지므로 마이크로 히터와 같이 마이크로/나노 소자의 발열 특성을 기존의 방법보다 빠른 시간에 정확하게 분석할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

실시예

본 발명에서는 자가 형광 발현 특성을 갖는 폴리디아세틸렌 초분자체를 마이크로/나노 소자의 표면에 코팅하여 소자의 발열 특성을 계측하는 방법을 제안한다. 폴리디아세틸렌은 3중 결합이 번갈아 있는 공액(conjugated) 고분자를 말하고, 디 아세틸렌 단량체가 친수성과 소수성을 모두 가지므로 마이셀, 리포좀, LB-, LS-film 등 다양한 초분자체를 자기 조립으로 형성할 수 있다. 폴리디아세틸렌 초분자체에서 디아세틸렌 단량체 사이가 일정 거리가 되면 254nm의 UV에 노광시, 1,4- 첨가 반응에 의해 고분자화되고 청색을 띄며 형광은 띄지 않는다. 폴리디아세틸렌 초분자체가 청색을 띄는 것은 주쇄에 있는 π 전자가 640nm의 파장을 흡수하기 때문이다. 온도, pH, 용매 등의 외부 자극을 받으면 π 전자의 공유결합 길이가 짧아지면서 점차적으로 적색으로 색전이가 되고 자가 형광을 발현하게 된다. 특히 폴리디아세틸렌 초분자체를 이용하는 발열 특성 계측 방법은 형광 분석법과 유사하나 자가 형광 발현 특성을 이용하는 것으로, 그 형광 세기가 온도와 비례적인 관계로 직접적인 연관성이 있고, 수용성이므로 코팅된 필름의 제거가 용이하다는 장점이 있다.

도 1은 이러한 본 발명에 따른 발열 특성 계측 방법의 순서도이고, 도 2는 특히 온도 변화 분석 단계의 순서도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 먼저 폴리디아세틸렌 초분자체를 제조한다(단계 s1).

폴리디아세틸렌 초분자체는 앞의 화학식 1로 표시되는 디아세틸렌 단량체를 이용하여 제조할 수 있다. 예를 들어 사용 가능한 디아세틸렌 단량체로는 PCDA(10,12-Pentacosadiynoic acid), HCDA(8,10-Heneicosadiynoic acid), PCDA-mBzA(PCDA-meta-benzoic acid), PCDA-ABA(PCAD-amino butyric acid)가 있다.

이 때, 디아세틸렌 단량체의 종류를 조절하여 자가 형광 발현되는 색전이 온 도를 조절할 수 있다. 단량체간의 결합력이 약할수록 색전이 온도가 낮아짐을 이용한다. 예를 들어, 디아세틸렌 단량체로서 HCDA는 탄소 21개, 수소결합 1개로서 약 50℃의 색전이 온도를 가진다. 후술하는 실험예에서 사용한 PCDA는 탄소 25개, 수소결합 1개로서 약 65℃의 색전이 온도를 가진다. 그리고, PCDA-mBzA의 경우 탄소 25개, 수소결합 2개, π-스택킹(stacking) 1개로서 약 80℃의 색전이 온도를 가진다.

다음으로, 상기 초분자체와 고분자 용액을 혼합하여 분산 용액을 제조한다(단계 s2). 여기서 사용할 수 있는 고분자 용액은 수용성 또는 양친성을 갖고 점성을 갖는 모든 범용 고분자 용액이 가능하다. 예를 들어 PVA 용액이 가능하다. 고분자 용액에 대한 초분자체의 비율은 10 ~ 90 %로 사용할 수 있다. 50 %, 즉 1:1의 비율을 주로 사용할 수 있다.

피검사물, 다시 말해 발열 특성을 계측하고자 하는 마이크로/나노 소자 등의 표면에 상기 분산 용액을 코팅한다(단계 s3). 코팅은 분무, 스핀코팅, 브러싱 등이 가능하며, 코팅 전에 상기 마이크로/나노 소자의 표면을 친수성으로 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 소자의 표면을 친수성으로 처리하는 것 선택적인 것이다. 소자의 특성에 따라 친수성뿐만 아니라 소수성으로 처리를 하기도 하며, 또한 표면 처리를 안 할 수도 있다.

그럼 다음, 상기 코팅된 분산 용액을 노광하여 초분자체를 고분자화시킨다(단계 s4). 상기 코팅된 폴리디아세틸렌 초분자체 분산 용액의 고분자화를 조절하여 색전이 온도 범위를 조절할 수도 있다. 고분자화 온도가 낮아질수록 색전이 온 도가 낮아짐을 이용한다. 예를 들어 똑같은 PCDA 초분자체를 이용하는 경우라도 고분자화 온도를 5℃로 하면 색전이 온도는 약 60℃이다. 고분자화 온도가 25℃이면 색전이 온도는 약 65℃로 증가한다. 고분자화 온도가 50℃로 더 증가하면 색전이 온도는 약 75℃로 더 증가하게 된다.

노광시의 파장은 254 nm, 노광원의 세기는 예를 들어 1 mW/cm², 노광시간은 30초에서 15분 이내로 할 수 있다. 254 nm보다 짧은 파장에서도 고분자화가 일어나나 색전이까지 유발시킬 수 있어 통상적으로 254 nm 파장을 사용한다. 초분자체 제조시 사용되는 단량체의 종류에 따라 노광시간을 다르게 조절해야 한다. 예를 들어 HCDA는 약 10 분, PCDA는 약 15 분 노광하도록 한다.

상기 피검사물에 전압을 인가하여 발열시키면서 상기 발열에 의한 온도 상승으로 상기 초분자체가 자가 형광 발현되는 특성을 이용하여 상기 피검사물의 시간에 따른 온도 변화를 분석한다(단계 s5).

특히 분석 단계(s5)는 온도 정량화와 관계되며, 온도 정량화 방법은 다음과 같다. 먼저 전압을 인가하지 않고 열을 가해 온도를 올리면서 초분자체의 형광을 분석한다. 그런 다음 전압을 인가하면서도 형광을 분석한다. 즉, 전압과 온도의 형광세기 관계식을 통하여 피검사물 패턴의 온도를 정량화한다. 기존의 형광 분석법은 형광 물질을 사용하여 온도에 따라 형광 세기의 차이를 분석한다. 여기서는 온도에 따른 형광물질의 형광 세기 감소율을 추가로 고려해줘야 한다. 하지만 초분자체는 온도 자극을 받으면 구조적 변형에 의하여 형광 특성을 스스로 나타낸다. 즉, 온도에 직접적인 영향을 받는 것이다. 따라서, 초분자체는 자체 형광 특성이므로 형광 세기의 감소가 발생하지 않으므로 형광 세기 감소율을 고려할 필요가 없다.

도 2는 이러한 온도 정량화 과정을 정리하여 보여준다. 도 2에 도시한 바와 같이, 피검사물에 전압을 인가하지 않고 열을 가하면서 상기 초분자체의 형광세기를 분석(s5-1)하여 온도와 형광세기의 관계를 구한다. 다음, 상기 피검사물에 전압을 인가하면서 상기 초분자체의 형광세기를 분석(s5-2)하여 전압과 형광세기의 관계도 구한다. 이들 분석 결과로부터 전압과 온도의 형광세기 관계식을 구할 수 있어 전압에 따른 온도를 정량화(s5-3)할 수 있다. 물론, 단계 s5-2를 실시한 후에 단계 s5-1를 실시하여도 된다.

도 3은 실험예에 따른 마이크로/나노 소자의 발열 특성 계측 모식도이며 도 4는 형광 분석 결과이다. 이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

실험예 제1 단계: PCDA 베시클 제조

디아세틸렌 단량체로서 PCDA를 이용하였다. 삼각 플라스크에 PCDA를 넣고 클로로포름에 녹인 후 질소 가스 등으로 클로로포름을 증발시켜 얇은 필름을 형성하였다. 여기에 3차 증류수를 넣어 80℃에서 15분간 흔들면서 상기 필름을 용해시킨 다음, 마이크로팁 프로브 초음파 세척기(microtip probe sonicator)로 60W에서 15분간 처리하여 자기조립에 의한 베시클(초분자체)을 제조하였다. 베시클은 제조 후 4시간 이상 냉장 보관하여 안정화시켜 사용하였다.

실험예 제2 단계: PCDA/PVA 혼합 분산 용액 제조

PVA(polyvinyl alcohol)를 3차 증류수에 5wt%로 넣은 후 80℃ 이상에서 녹여 앞에서 제조한 PCDA 베시클과 1:1 부피비로 혼합함으로써 분산 용액을 제조하였다.

실험예 제3 단계: 마이크로 히터 표면에 분산 용액 코팅

발열 특성을 계측하고자 하는 마이크로 히터 표면을 에탄올로 세척한 후 UV/O₃ 플라즈마(128, 254nm)로 5mW/cm², 10분 동안 처리하였다. 이 표면에 앞에서 제조한 분산 용액을 피펫으로 떨어뜨린 후 2시간 이상 자연 건조시켰다.

실험예 제4 단계: 마이크로 히터 발열 특성의 형광 분석

마이크로 히터 표면에 코팅한 분산 용액은 254nm UV에 노광하면 청색을 띄고 적색 형광은 발현하지 않았다. 이 마이크로 히터에 전압을 인가하였을 때 전기저항 때문에 열이 발생되었다. 이 열적 자극에 따른 PCDA 베시클의 자가 형광 발현 특성을 이용하여 적색 형광을 관찰하였다. 그 결과 인가 전압이 증가함에 따라 마이크로 히터 패턴부터 형광을 나타내고 점차적으로 패턴 주위도 형광을 나타냄을 확인할 수 있었다. 형광 현미경으로 촬영한 형광에 관한 것은 도 4로서, 도 4는 마이크로 히터의 광학 이미지 및 본 발명에 따른 마이크로/나노 소자의 발열 특성 계측 방법을 적용하여 인가한 전압에 따른 형광 분석 결과를 도시한다.

마이크로 히터에 전압을 인가하지 않고 열을 가하면서 베시클의 형광세기를 분석한다. 그런 다음, 도 4에서와 같이 마이크로 히터에 전압을 0.6V 단위로 증가시키면서 형광세기를 분석한다(0V일 때 형광은 0mW, 0.6V일 때 형광은 3.8mW 등 ..). 이들 분석 결과로부터 전압과 온도의 형광세기 관계식을 구하여 전압에 따른 온도를 정량화한다(즉, 0V일 때 온도는 25.8℃, 0.6V일 때 온도는 26.1℃ 등..).

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 명백하다.

도 1은 본 발명에 따른 발열 특성 계측 방법의 순서도이다.

도 2는 도 1 중 온도 변화 분석 단계의 순서도이다.

도 3은 실험예에 따른 마이크로/나노 소자의 발열 특성 계측 모식도이다.

도 4는 마이크로 히터의 광학 이미지 및 본 발명에 따른 마이크로/나노 소자의 발열 특성 계측 방법을 적용하여 인가한 전압에 따른 형광 분석 결과를 도시한다

Claims

폴리디아세틸렌 초분자체와 고분자 용액을 혼합하여 분산 용액을 제조하는 단계;

피검사물의 표면에 상기 분산 용액을 코팅하는 단계;

상기 코팅된 분산 용액을 노광하여 상기 초분자체를 고분자화하는 단계; 및

상기 피검사물에 전압을 인가하여 발열시키면서 상기 발열에 의한 온도 상승으로 상기 초분자체가 자가 형광 발현되는 특성을 이용하여 상기 피검사물의 시간에 따른 온도 변화를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 특성 계측 방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리디아세틸렌 초분자체는 다음 화학식으로 표시되는 디아세틸렌 단량체를 이용하여 제조하며, 상기 디아세틸렌 단량체의 종류를 조절하여 자가 형광 발현되는 색전이 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 발열 특성 계측 방법:

CH₃-(CH₂)A-C≡C-C≡-(CH₂)B-D-E

여기서, A와 B는 2이상의 정수이고;

D는 아미드(amide), 아민(amine) 또는 에스테르(ester)이며;

E는 카르복시산(carboxylic acid) 또는 아민을 나타낸다.
제1항에 있어서, 상기 고분자화시의 온도를 조절하여 상기 초분자체의 고분자화를 조절하여 자가 형광 발현되는 색전이 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 발열 특성 계측 방법.
제1항에 있어서, 상기 분석하는 단계는,

상기 피검사물에 전압을 인가하지 않고 열을 가하면서 상기 초분자체의 형광 세기를 분석하는 제1 단계;

상기 피검사물에 전압을 인가하면서 상기 초분자체의 형광세기를 분석하는 제2 단계; 및

상기 제1 및 제2 단계로부터 전압과 온도의 형광세기 관계식을 구하여 전압에 따른 온도를 정량화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 특성 계측 방법.