KR101224785B1 - 다공성 글래스 템플릿을 이용한 나노와이어의 제조방법 및이를 이용한 멀티프로브의 제조방법 - Google Patents

다공성 글래스 템플릿을 이용한 나노와이어의 제조방법 및이를 이용한 멀티프로브의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 글래스 템플릿을 이용하여 SLS(solid-liquid-solid) 또는 VLS(vapor-liquid-solid)에 의해 나노와이어를 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법 및 이를 이용한 멀티프로브의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 의하면, 간단하고 경제적인 공정에 의해 직진성 및 배열성이 우수한 나노와이어를 제조할 수 있고, 초격자(superlattice) 또는 하이브리드(hybrid) 등 복합 구조의 나노와이어를 수득할 수 있다.
다공성 글래스 템플릿, 나노와이어, 직진성, 배열성, 초격자, 하이브리드, 멀티프로브, SPM

Description

다공성 글래스 템플릿을 이용한 나노와이어의 제조방법 및 이를 이용한 멀티프로브의 제조방법{Method for Producing Nanowire Using Porous Glass Template and Method for Producing Multi-Probe}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 글래스 템플릿을 이용하여 나노와이어를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2는 SLS(solid-liquid-solid)법에 의한 나노와이어의 제작 공정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 VLS(vapor-liquid-solid)법에 의한 나노와이어의 제작 공정을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 EL 소자를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 멀티프로브 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 템플릿의 부분 에칭에 의한 멀티프로브 제조과정을 나타내는 공정흐름도이다.
도 7a는 AFM (Atomic Force Microscope) 프로브를 이용하여 구멍을 형성하는 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7b는 멀티프로브를 가지는 AFM에 의해 패터닝된 모양을 나타낸 사진이다.
도 8a는 단일 프로브 캔틸레버의 사진이다.
도 8b는 멀티프로브 캔틸레버의 사진이다.
도 9는 멀티프로브를 AFM 프로브로 사용하는 사용상태를 도시한 도면이다.
본 발명은 다공성 글래스 템플릿을 이용한 나노와이어의 제조방법 및 이를 이용한 멀티프로브의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 기공을 갖는 다공성 글래스 템플릿을 이용하여 SLS(solid-liquid-solid) 또는 VLS(vapor-liquid-solid)에 의해 나노와이어를 형성시키는 것을 특징으로 하는 직진성 및 배열성이 우수한 나노와이어의 제조방법 및 이를 이용한 멀티프로브의 제조방법에 관한 것이다.
나노와이어는 직경이 나노미터(1 nm = 10-9 m) 영역이고, 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터(1 ㎛ = 10-6 m) 또는 더 큰 밀리미터(1mm = 10-3m) 단위를 갖는 선형 재료이다. 이러한 나노와이어의 물성은 그들이 갖는 직경과 길이에 의존한다.
상기 나노와이어는 작은 크기로 인하여 미세 소자에 다양하게 응용될 수 있 으며, 특정 방향에 따른 전자의 이동 특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있다.
현재 나노 입자(nano particle)의 물성 및 제조방법에 대한 연구는 상당히 활성화되어 있는데 비해, 나노와이어의 제조방법에 대한 연구는 미비한 실정이다. 기존의 대표적인 나노와이어의 제조방법으로는 예를 들어, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 레이저 어블레이션법(Laser Ablation) 및 템플릿(template)을 이용하는 방법 등이 있다.
이 중에서 템플릿(template)을 이용하는 방법은 수 나노미터에서 수백 나노미터 단위의 기공을 만들고, 이 기공을 나노와이어의 틀로 이용하는 것이다. 예컨대, 알루미늄 전극을 산화시켜 표면을 알루미늄 산화물로 만들고, 이 산화물에 전기화학적 에칭으로 나노 기공들을 만든다. 이것을 금속 이온이 들어있는 용액에 담그고, 전기를 걸어주면 금속 이온들이 기공을 통해 알루미늄 전극 위에 쌓이게 되고, 결국 상기 기공들은 금속 이온으로 채워진다. 그 후 적당한 방법으로 상기 산화물을 제거시키면 금속 나노와이어만 수득하게 된다.
그러나, 상기와 같은 템플릿을 이용하는 종래 기술에 의한 나노와이어 제조방법은 공정이 너무 복잡하고, 시간이 오래 걸려서 대량생산에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 우수한 직진성 및 배열성을 갖는 나노와이어를 제조할 수 없다는 문제점이 있다.
이와 같이 템플릿을 이용한 나노와이어의 제조방법에 관한 기술은 일례로 미국 특허 제6,525,461호에 기재되어 있다. 상기 미국 특허 제6,525,461호에는 기 재 상에 촉매 필름을 형성하고 상부에 다공성층을 형성하여 열 조작에 의해 기공 내로 티타늄 나노와이어를 형성시키는 기술이 기재되어 있으나, AAO(Anodic Aluminum Oxide) 템플릿의 Al은 융점이 660℃이므로 SLS법에 의한 나노와이어 제작에는 사용 불가능하고 템플릿이 불투명하여 광소자 제작에는 사용할 수 없다.
한편, VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방식에 의하여 나노와이어의 직진성을 향상시킨 기술로서, 나노 임프린트(nano imprint) 방법을 이용하여 나노와이어를 성장시킨 기술이 알려져 있다 (Nanoletter 2005, Vol.5, No.4, 458page 참조). 그러나, 상기 기술은 나노와이어의 밀도가 낮고 길이 및 직경이 균일하지 않으며 와이어의 직경이 40nm 이상으로 크다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 직경 및 길이의 조절이 용이할 뿐만 아니라 직진성 및 배열성이 우수한 나노와이어를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 나노 영역에서 크기, 길이, 간격을 자유롭게 제어할 수 있는 멀티프로브의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 형성된 직진성이 우수하고 원하는 위치에 배열이 가능한 나노와이어를 포함하는 소자에 관련된다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
(a) 다공성 글래스 템플릿을 제공하는 단계;
(b) 상기 템플릿을 금속 촉매층이 형성된 기판 위에 배치하는 단계; 및
(c) SLS(solid-liquid-solid) 또는 VLS(vapor-liquid-solid)에 의해 템플릿 내의 기공을 따라 나노와이어를 형성시키는 단계를 포함하는 나노와이어의 제조방법에 관련된다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 방법에 의해 나노와이어를 제조한 후 템플릿의 말단 일부 구간을 에칭하여 나노와이어를 노출시키거나 나노와이어를 템플릿의 길이 이상으로 성장시켜 노출시키는 과정을 포함하는 멀티프로브의 제조방법에 관계한다.
본 발명의 또 다른 양상은 상기 방법으로 형성된 직진성이 우수하고 원하는 위치에 배열이 가능한 나노와이어를 포함하는 소자에 관련된다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 나노와이어 제조방법은 나노 기공을 갖는 글래스 템플릿을 이용하여 SLS(solid-liquid-solid) 또는 VLS(vapor-liquid-solid)에 의해 나노와이어를 형성시키는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 글래스 템플릿을 이용하여 나노와이어를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다. 도 1을 참고하면, 먼저 다공성 글래스 템플릿을 제공하고(a 단계), 템플릿을 금속 촉매층이 형성된 기판 위에 배치한다(b 단계). 이어서 SLS (Solid-Liquid-Solid) 또는 VLS(Vapor-Liquid-Solid)에 의해 템플릿 내의 기공을 따라 나노와이어를 형성시킨다(c 단계).
글래스 템플릿의 기공의 크기, 길이, 기공간 간격 등을 조절하는 것은 용이하므로, 본 발명에서와 같이 다공성 글래스 템플릿을 이용하여 나노와이어를 제조하면 나노와이어의 직경 및 길이를 용이하게 조절할 수 있다. 또한 나노와이어의 물질이나 조성을 변화시킴으로써 초격자(superlattice) 또는 하이브리드(hybrid)의 복합 구조물로 형성할 수 있으며, 나노와이어 성장시 도판트로 도핑시켜 도핑(dopping)된 나노와이어를 제조할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 제조방법을 각 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
(a) 다공성 글래스 템플릿을 제공하는 단계
본 발명은 나노와이어를 제조하기 위하여 글래스 템플릿을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 템플릿은 내부에 나노와이어가 형성되는 중공부를 포함하는 다수의 기공들을 포함한다. 상기 템플릿은 유리, 실리카 및 TiO2, ZnO, SnO2, WO3 등의 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성될 수 있다.
기존의 나노와이어를 형성하기 위한 템플릿은 주로 AAO(Anodic Aluminum Oxide)가 많이 사용되어 왔는데, 이는 인가된 전압에 따라 기공의 크기 및 길이를 조절하기 때문에 기공을 균일하게 원하는 위치에 형성하기 어렵다. 또한, 에칭이 길이 방향으로 끝까지 되지 않는 경우 기공이 형성되지 않은 부분은 제거해야 하기 때문에 공정이 복잡하다. 아울러, 내부에 존재하는 알루미늄의 융점이 660℃이므로 고온 공정에서 수행되는 SLS(solid-liquid-solid)에 의해서 와이어를 형성시킬 수 없고, 재질이 불투명하므로 광소자 제작에는 사용할 수 없다.
이에 반하여, 글래스 템플릿은 큰 기공을 갖는 파이버를 다발로 묶어 한번에 인장시켜 만들기 때문에 기공을 균일하게 원하는 위치에 형성하기 쉽고 파이버의 커팅에 따라 길이가 정해지므로 균일한 기공을 가진 다양한 길이의 템플릿을 선택할 수 있다. 또한, 공정이 간단할 뿐만 아니라 글래스의 융점이 1700℃ 정도이므로 고온 공정에서 수행되는 SLS(solid-liquid-solid)에 의해서 와이어를 형성시킬 수 있다. 아울러, 재질이 투명하므로 광소자로 사용가능하고, 기존에 많은 연구가 진행된 광섬유 기술을 이용할 수 있다.
본 발명에서 특징적으로 사용되는 상기 다공성 글래스 템플릿의 직경이나 높이는 자유도가 높으므로 나노와이어가 성장되는 기판의 크기에 따라 선택이 가능하다. 또한, 상기 다공성 템플릿 내의 기공은 제조하고자 하는 나노와이어의 규격에 따라 달라지기 때문에 특별히 한정되는 것은 아니다.
(b) 상기 템플릿을 금속 촉매층이 형성된 기판 위에 배치하는 단계
글래스 템플릿이 제공되면, 이를 금속 촉매층이 형성된 기판 위에 배치시킨다. 본 발명에서 금속 촉매층은 기판 위에 금속 촉매, 예를 들어 Au 금속 촉매를 코팅함으로써 형성된다. 이때, 불순물을 제거하기 위해 통상의 방법에 따라 기판을 미리 세척할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 기판은 실리콘 기판 또는 유리 위에 실리콘을 코팅한 기판 등을 예로 들 수 있다.
상기 기판 위에 코팅되는 금속 촉매는 와이어를 성장시킬 수 있는 금속 촉매이면 모두 사용할 수 있다. 구체적으로 Au, Ni, Fe, Ag, Pd, Pd/Ni을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 금속 촉매는 나노 입자 또는 박막 형태로 기판에 코팅될 수 있으며, 상기 기판 위에 코팅되는 금속 촉매층의 두께는 50nm 이하가 바람직하다.
상기 금속 촉매를 기판에 코팅하는 방법으로는 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 코팅방법, 예를 들어 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링(sputtering), e-빔 증착(e-beam evaporation), 진공증착법, 스핀 코팅(spin coating), 딥핑(dipping) 방법 등을 사용할 수 있다.
(c) SLS ( Solid - Liquid - Solid ) 또는 VLS ( Vapor - Liquid - Solid )에 의해 템플릿 내의 기공을 따라 나노와이어를 형성시키는 단계
본 발명에서 템플릿의 기공 내에서 나노와이어를 성장시키는 방법으로는 SLS(solid-liquid-solid) 또는 VLS(vapor-liquid-solid)를 사용할 수 있다.
SLS(solid-liquid-solid)은 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 증기상 실리콘을 공급하지 않고 고체 기판(예를 들어, 실리콘 기판)으로부터 확산된 실리콘이 용융 촉매의 표면상에서 응축되어 결정화함으로써 나노와이어로 성장되는 방법이다.
이에 반하여, VLS(vapor-liquid-solid)는 도 3에 도시된 바와 같이 고온의 반응로(furnace) 내부에서 운송되는 증기상 실리콘 함유종이 금, 코발트, 니켈 등의 용융 촉매의 표면상에서 응축되어 결정화함으로써 실리콘 나노와이어로 성장되는 방법이다.
구체적으로, 본 발명의 상기 SLS(solid-liquid-solid) 공정은 템플릿이 배치된 기판을 반응로에 넣고 기체를 주입하면서 가열하여 기판으로부터 확산된 나노와이어 소스로 나노와이어를 형성시킴으로써 수행될 수 있다. 이때, 기판 상의 금속이 나노와이어 성장시 내부로 포함될 수 있도록 힘을 가할 수도 있다.
보다 구체적으로, 상기 힘을 가하는 공정은 나노와이어가 성장될 면을 아래 방향으로 향하게 함으로써 중력이 가해지게 하거나, 이외에도 예를 들어 전기장(electric field)을 가하거나, 기계적 힘(mechanical force)을 가하여 나노닷의 간격을 제어함으로써 다양한 물성을 갖는 나노와이어를 제조할 수 있다.
또한, 상기 VLS(vapor-liquid-solid) 공정은 템플릿이 배치된 기판을 반응로에 넣고 기체 및 나노와이어 소스를 주입하면서 가열하여 나노와이어를 형성시킴으로써 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 SLS(solid-liquid-solid) 및 VLS(vapor-liquid-solid) 공정에 사용되는 기체로는 Ar, N2, He, H2로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 기체는 구체적으로 100sccm 정도로 주입할 수 있으나, 공정에 따라 변경될 수 있다.
상기 SLS(solid-liquid-solid) 및 VLS(vapor-liquid-solid) 공정은 760 토르 이하의 압력에서 실시될 수 있고, 온도는 SLS의 경우 800~1200℃, VLS의 경우 370~600℃에서 수행될 수 있다. 또한, 나노와이어의 길이에 따라 가열 시간은 조절 가능하다.
한편, VLS(vapor-liquid-solid) 공정의 경우 주입되는 나노와이어 소스로는 실리콘 나노와이어의 경우 SiH4, SiCl4, SiH2Cl2 등을 사용할 수 있다.
아울러, 본 발명에서 상기 나노와이어 형성시 도판트로 도핑시켜 도핑된 나노와이어를 형성할 수도 있다. 또한, 물질이나 조성을 변화시킴으로써 초격자(superlattice), 또는 하이브리드(hybrid)의 복합 구조물로 형성할 수 있다. 상기 복합 구조물은 예를 들어, 실리콘 나노와이어일 경우 III-V 족 화합물(예를 들면, 갈륨 아세나이드(GaAs), 갈륨 나이트라이드(GaN)), 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO), 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성시킬 수 있다.
만일 템플릿이 제거된 나노와이어 형태로 사용하고자 하는 경우에는 불산 등의 에천트를 사용하여 템플릿을 제거할 수 있다.
본 발명의 나노와이어의 제조방법은 다양하게 변형실시될 수 있다. 본 발명의 방법에서는 이상과 같이 해서 나노와이어가 수득되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 템플릿의 말단 일부 구간을 에칭에 의해 제거하여 나노와이어를 노출시키거나(b), 나노와이어를 템플릿 보다 길게 추가로 성장시켜 나노와이어의 말단 일부를 노출시킬 수 있다(a).
먼저 템플릿의 말단 일부 구간을 에칭하는 방법에 대해서 도 6을 참조하여 설명한다. 이러한 과정을 수행하기 위해서는 구체적으로 템플릿의 표면에 감광성 포토레지스트 조성물을 코팅하고, 템플릿의 에칭하고자 하는 구간을 노광한다. 노광을 하는 부분이 평면이 아닌 실린더 형태의 입체구조이므로 좁은 선폭의 펄스화-레이저(pulsed-laser)를 사용하면 입체부분(템플릿 표면)을 정교하고 미세하게 노광할 수 있다. 이러한 노광에 의해 템플릿의 일부 구간이 벗겨지므로 후속 에칭 단계에서 에칭액 등에 의해 에칭이 이루어질 수 있게 된다. 노광에 의해 노출된 부분은 화학적 에칭 등에 의해 템플릿을 제거한다. 이때 에칭은 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 진행할 수 있다. 대안으로 화학적 에칭 이외에 광에칭 등에 의해서 템플릿을 제거할 수도 있다.
습식 에칭방법은 초산수용액, 불산, 인산수용액 등의 템플릿만을 선택적으로 제거하는 에천트를 사용하여 에칭하는 방법이고, 건식 에칭방법은 기체(gas), 플라즈마(plasma), 이온빔(ion beam) 등을 이용하여 에칭하는 방법이다. 건식 에칭으로는 플라즈마 상태에서 반응성가스를 활성화시켜 에칭시키고자 하는 물질과 화학반응을 일으켜 휘발성물질로 만들어 에칭하는 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching:RIE ) 또는 유도 결합 플라즈마 (Inductive Coupled Plasma:ICP)를 활성원으로 하는 반응성 이온 에칭 방법(ICP-RIE)을 사용할 수 있다.
한편, 나노와이어를 템플릿 이상으로 성장시키는 방법은 VLS 또는 SLS에서 반응 조건을 조정함으로써 가능하다. 예를 들어, VLS의 경우에는 기체 공급이 유 지되는한 나노와이어의 성장이 진행되므로, 템플릿과 동일한 길이로 성장시키고나서 일정 기간 동안 기체를 더 공급하여 나노와이어를 추가로 성장시킬 수 있다. 한편, SLS의 경우에 제조되는 나노와이어의 길이는 반응시간에 비례하므로 템플릿과 동일한 길이로 나노와이어가 형성된 후 좀 더 반응시켜 나노와이어를 템플릿 보다 길게 성장시킨다.
스캐닝 프로브 마이크로스코프(scanning probe microscope; SPM)는 프로브를 스캐닝하는 방식을 이용하여 여러 물리량을 측정할 수 있는 현미경을 통칭한다. SPM의 기본 구조는 끝이 날카로운 팁(tip)을 가진 프로브와 이를 시료 위에 스캐닝할 수 있게 하는 스캐너, 그리고 이들을 제어하고 신호를 받아 처리하는 제어 및 신호처리 시스템으로 구성된다.
SPM은 다양한 형태로 발전하여 왔는데, 팁과 시료 사이에 걸린 전압차로 인해 흐르는 전류를 이용한 STM(scanning tunneling microscope), 팁과 시료 사이의 여러 가지 원자적 힘을 이용한 AFM(atomic force microscope), 시료의 자기장과 자화된 팁 간의 힘을 이용한 MFM((magnetic force microscope), 가시광선 파장에 의한 해상도의 한계를 개선한 SNOM((scanning near-field optical microscope), 시료와 팁간의 정전기력을 이용한 EFM(electrostatic force microscope) 등의 기술이 개발되었다.
스캐닝 프로브 마이크로스코프 (SPM:Scanning Probe Microscopy)의 하나인 AFM(atomic force microscope)은 물질 표면의 구조에 대한 입체적인 정보를 파악할 수 있는 것으로, 프로브로 물질 표면을 2차원적으로 스캐닝하여 3차원적인 표면정 보를 얻는 것이다.
AFM 프로브는 분석용으로 사용되는 이외에 편평한 기재 위에 구멍을 형성하기 위한 용도로도 사용될 수 있다. 도 7a는 AFM 프로브에 의해 구멍을 형성하는 과정을 설명하기 위한 모식도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, AFM 프로브(7)의 팁(5)를 상하로 움직여 주면, 기판(1) 위의 마스크층(3)에 원하는 깊이의 구멍을 형성할 수 있다. 이와 같이 AFM 프로브를 나노패터닝에 이용할 수 있다. 도 7b는 AFM 멀티 프로브에 의해 형성된 패턴의 사진(출처: IBM)이다. 팁의 크기 또는 모양에 따라서 패터닝되는 모양이 달라진다.
도 8a는 패터닝에 사용가능한 단일 프로브 캔틸레버의 사진이고, 도 8b는 복수의 프로브가 2차원적으로 배열된 멀티프로브 캔틸레버의 사진이다(출처: IBM).
이러한 SPM 기술을 이용하여 수십 나노미터 직경의 나노 영역에 존재하는 표면전하를 검출하고, 처리 속도를 향상시키기 위해 프로브를 어레이 형태로 제작하는 것이 필요하다. 기존의 프로브는 실리콘 또는 탄소나노튜브로 제작되고 있다. 탄소나노튜브의 경우 수 나노미터 크기의 팁을 제작할 수 있으나, 수율이 낮고 가격이 매우 비싸서 비실용적이다. 한편, 실리콘은 수 나노미터 크기의 팁을 제작하는 것이 불가능한 한계를 가진다. 현재 멀티프로브는 리소그래피 또는 팁 에칭에 의해 제작되고 있으나 나노 영역에서 간격, 크기, 길이 등을 자유롭게 제어할 수 있는 기술은 아직 소개된 바 없다.
본 발명에서는 다수의 기공을 포함하는 글래스 템플릿을 이용하여 나노와이어를 제작하고 이를 이용하여 멀티프로브를 제작하므로 수십 나노미터 직경 을 가지는 어레이로 제작이 가능하고, 템플릿의 규격의 제어가 용이하므로 멀티프로브의 팁간 간격, 길이, 크기, 개수 등을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명에서 수득되는 멀티프로브는 복수의 프로브가 일차원 또는 이차원적으로 배열된 멀티프로브를 가지는 AFM에 적용될 수 있다. 대안으로 본 발명의 방법에 의해 수득되는 멀티프로브는 전기/자기적 특성 분석용으로 사용하는 대신에 마스크층에 구멍을 형성하기 위해 사용할 수 있는데, 이와 같이 사용하면, 원하는 크기 및 주기로 구멍을 형성할 수 있다. 도 9는 본 발명의 방법에 의해 제조된 멀티프로브를 AFM 프로브로 사용하는 사용 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 멀티프로브는 이와 같이 전기/자기적 특성 분석용 또는 나노패터닝에 사용할 경우 작업 속도 및 능률을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 일례로 AFM 프로브로 사용시 종래의 AFM의 낮은 쓰루풋을 극복할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 양상은 상기 방법으로 형성된 직진성이 우수하고 원하는 위치에 배열이 가능한 나노와이어를 포함하는 전자소자에 관련된다.
구체적으로, 상기 소자에는 FET(Field Effect Transistor)와 같은 전자 소자, 센서, 광검출소자(photodetector), 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(LD: Laser Diode), EL(electroluminescence)소자, PL(photoluminescence)소자, CL(Cathodeluminescence)소자가 포함되지만 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, EL소자를 예로 들어 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 EL 소자를 나타내는 개략도이다. 도 4 를 참고하면, 기판(10); 제 1 전극층(20); 다공성 템플릿 내의 기공을 따라 형성된 나노와이어(30); 및 제 2 전극층(40)을 포함하여 형성되어 있다. 도 4에서는 제 1 전극층이 기판 위에 형성되어 있는 것으로 도시되었지만, 기판 밑면에 형성시킬 수도 있다.
일반적으로, 통상의 방법으로 얻어진 나노와이어를 이용한 EL 소자의 경우 성장된 나노와이어의 직진성 확보가 어렵고 나노와이어 사이를 다른 물질로 채우고 전극 형성을 하게 되어 공정이 복잡해지나, 본 발명에 따른 방법으로 형성된 나노와이어를 이용하게 되면 가시광 영역에서 투명한 템플릿을 포함하기 때문에 제조 즉시 전극 형성이 용이하여 저렴하고 간단한 공정에 의해 발광 소자를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 나노와이어(30)는 각각 p형 또는 n형으로 도핑되어 있거나 p-n 도핑되어 다이오드 특성을 갖는 것을 사용할 수 있으며, 이를 제외한 기판(10), 제 1 전극층(20), 제 2 전극층(40)은 통상의 EL 소자에 사용되는 재료를 사용하여 통상의 제작방법에 따라 제작할 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1: 나노와이어 (1)의 제조
P 도핑된 실리콘 기판을 유기 세정과 불산을 이용하여 자연 산화막을 제거한 후 촉매로 닛폰페인트(Nipponpaint) 사의 Au 나노입자를 스핀 코팅하여 약 10nm의 박막을 형성하였다. 이어서, 나노와이어 성장을 위해 글래스 템플릿을 올려놓고 템플릿이 놓여진 기판을 반응로에 넣었다. 이어서, 분당 10~15℃로 가열(heating)하고 체로 Ar을 100sccm 정도로 주입하면서 공정 압력을 500torr로 일정하게 하였다. 공정 온도인 1000℃에 도달되면 30분 유지시켜 나노와이어가 성장되도록 하였다. 이어서, 700℃ 정도로 천천히 냉각시켜서 나노와이어의 성장을 종료시켰다.
실시예 2: 나노와이어 (2)의 제조
Ar 기체 이외에 4% SiH4 기체를 100sccm 정도로 추가로 주입하고, 공정 온도를 400도로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
실시예 3: 멀티프로브의 제조
실시예 1에서 수득한 나노와이어의 템플릿 표면에 AZ1512로 구성된 감광성 포토레지스트 조성물을 코팅하고, 템플릿의 말단 일부 구간을 g-line 노광기를 이용하여 노광한다. 노광에 의해 벗겨진 나노와이어의 말단 구간을 불산 용액으로 에칭하여 템플릿을 제거하여 기공 내의 나노와이어를 노출시켰다.
실시예 4: EL 발광소자의 제조
유리 기판 위에 ITO가 패터닝되어 있는 기판 상부에 상기 실시예 1에서 제조 한 나노와이어를 포토 공정을 이용하여 전극을 형성하였다. 이 상부에 Ti를 20nm 두께로 증착하고, 다시 금을 100nm 두께로 증착하여 음극을 형성함으로써 EL 소자를 완성하였다.
이상에서 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
본 발명에 의하면 간단하고 경제적인 공정에 의해 나노와이어의 직경 및 길이를 자유롭게 조절할 수 있고, 직진성 및 배열성이 우수한 나노와이어를 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 방법에 의해 멀티프로브를 제조하는 경우에는 다양한 재료의 나노와이어를 제조할 수 있고, 템플릿의 기공의 규격을 조절함으로써 팁간 간격, 길이, 크기, 개수 등을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서 이러한 멀티프로브를 전자기 특성의 분석을 위한 SPM 등의 프로브로 이용시 특성 분석의 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있고, 다른 한편으로는 나노패터닝 등에도 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (28)

  1. (a) 다공성 글래스 템플릿을 제공하는 단계;
    (b) 상기 템플릿을 금속 촉매층이 형성된 기판 위에 배치하는 단계;
    (c) 템플릿이 배치된 기판을 반응로에 넣고 기체를 주입하면서 가열하여 기판으로부터 확산된 나노와이어 소스로 나노와이어를 형성시키는 SLS(solid-liquid-solid)에 의해 템플릿 내의 기공을 따라 나노와이어를 형성시키는 단계를 포함하는 나노와이어의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 기판, 또는 유리 위에 실리콘을 코팅한 기판인 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금촉 촉매층이 Au, Ni, Fe, Ag, Pd, 및 Pd/Ni로 이루어진 군에서 선택되는 금속촉매로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 촉매가 나노입자 또는 박막의 형태로 코팅되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매층이 50nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매층이 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링(sputtering), e-빔 증착(e-beam evaporation), 진공증착법, 스핀 코팅(spin coating), 딥핑(dipping)으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 SLS(solid-liquid-solid) 공정이 기판 상의 금속이 나노와이어 성장시 내부로 포함될 수 있도록 힘을 가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 힘이 중력, 전기장(electric field), 또는 기계적 힘(mechanical force)인 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 기체가 Ar, N2, He, 및 H2로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가열공정이 압력은 760 토르 이하, 온도는 800~1200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 소스가 SiH4, SiCl4 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 형성시 도판트로 도핑시켜 도핑된 나노와이어를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 형성시 물질이나 조성물 변화시킴으로써 초격자(superlattice) 또는 하이브리드(hybrid)의 복합 구조물로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 나노와이어가 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 방법이 템플릿의 말단 일부를 에칭하여 나노와이어를 노출시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 나노와이어 노출 단계가
    템플릿의 표면에 감광성 포토레지스트 조성물을 코팅하는 단계;
    템플릿의 에칭하고자 하는 구간을 노광하는 단계; 및
    노광된 부분을 템플릿을 제거하기 위해 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 에칭 단계가 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의해 진행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 건식 에칭이 가스(gas), 플라즈마(plasma), 이온빔(ion beam)을 이용하여 에칭하는 단계임을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 습식 에칭이 초산수용액, 불산 또는 인산수용액과 같은 에칭액을 이용하여 에칭하는 단계임을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 방법이 나노와이어를 템플릿의 길이 보다 길게 성장시켜 나노와이어를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  23. 제1항에 따른 방법에 의해 형성된 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자.
  24. 제23항에 있어서, 상기 소자가 전자 소자, 센서, 광검출소자(photodetector), 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD: Laser Diode), EL(electroluminescence)소자, PL(photoluminescence)소자, 및 CL(Cathodeluminescence)소자로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 소자.
  25. 제24항에 있어서, 상기 EL 소자가 기판; 제 1 전극층; 다공성 템플릿 내의 기공을 따라 형성된 나노와이어; 및 제 2 전극층을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  26. 제25항에 있어서, 상기 나노와이어가 각각 p형 또는 n형 도핑되어 있거나 p-n 도핑되어 다이오드 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 소자.
  27. 제17항 또는 제22항의 방법에 의해 제조되는 멀티프로브.
  28. 제27항에 있어서, 상기 멀티프로브가 AFM(Atomic Force Microscopy) 프로브인 멀티프로브.
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