KR101298050B1 - Method for modifying surface of lithium niobate plate - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬니오베이트 기판 상에서 유기박막과의 표면 결합력을 증대시키고 다양한 기능성 작용기를 도입하기 위하여 건식표면처리와 습식표면처리를 혼합하여 리튬니오베이트 기판의 표면을 개질하는 방법에 관한 것이다. 이러한 표면개질 방법은 먼저 UV, 오존, 플라즈마 등을 포함하는 건식표면처리 기법으로 리튬니오베이트 기판의 표면 결정구조를 활성화 시키고, 그 후 활성화된 표면에서 자기조립단분자막(SAM) 반응 또는 실란화(silanization) 반응 등을 포함하는 습식방법을 이용하여 보다 안정하고 용이한 조건에서 리튬니오베이트 기판의 표면을 개질하는 습식표면처리 기법을 포함한다.The present invention relates to a method of modifying the surface of a lithium niobate substrate by mixing a dry surface treatment and a wet surface treatment in order to increase surface bonding force with an organic thin film on a lithium niobate substrate and to introduce various functional groups. This surface modification method first activates the surface crystal structure of the lithium niobate substrate by a dry surface treatment method including UV, ozone, plasma, and the like, and then self-assembled monolayer (SAM) reaction or silanization on the activated surface. A wet surface treatment technique for modifying the surface of the lithium niobate substrate in a more stable and easy condition using a wet method including a) reaction.

Description

리튬니오베이트 기판의 표면개질방법{Method for modifying surface of lithium niobate plate}Method for modifying surface of lithium niobate plate

본 발명은 표면탄성파 소자용 기판으로 주로 사용되는 리튬니오베이트 기판 상에서, 유기박막과 기판 간의 표면 결합력을 증대시키거나 특정 작용기를 도입하기 위하여 기판의 표면을 개질하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of modifying the surface of a substrate on a lithium niobate substrate mainly used as a substrate for surface acoustic wave devices to increase the surface bonding force between the organic thin film and the substrate or to introduce a specific functional group.

리튬니오베이트 기판은 최근 수년간 표면탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave) 센서 분야에서 우수한 특성을 보이는 압전기판 재료로 각광을 받고 있다. SAW 센서 분야는, 레일라이(Lord Rayleigh)가 고체표면에서 파동현상의 한 형태로 표면탄성파를 처음으로 발견해낸 이후 종파, 횡파, 종단파의 형태를 가진 표면탄성파를 효과적이고 선택적으로 발생시키기 위해 표면탄성파 소자에 대한 연구가 본격적으로 이루어졌다.Lithium niobate substrates have been in the spotlight in recent years for piezoelectric plate materials that exhibit excellent properties in the field of surface acoustic wave (SAW) sensors. The field of SAW sensors includes surface acoustic waves for the efficient and selective generation of surface acoustic waves in the form of longitudinal, transverse, and longitudinal waves since the first discovery of surface acoustic waves in the form of wave phenomena on solid surfaces. Research on the device has been made in earnest.

표면탄성파 센서로서의 실질적 연구는 1970년대 중반에 들어서야 본격적으로 이루어졌고 모바일 통신 및 전자기기 등의 분야에서 물리센서로 먼저 적용되어 산업적인 응용이 확산되어 왔다. 표면탄성파 소자는 IDT(Interdigital Tranducer)의 설계 및 배치구조에 따라 공진기 필터, 단/양방향 필터소자를 구성하며 이동통신기기의 안테나 듀플렉서, 필터, 페이저, 키, 오실레이터, 트랜시버, 레이더, 센서분야 등에서 사용되어 왔으며, 최근 MEMS(micro-electro-mechanical system)와 나노기술의 발전으로 초소형 센서의 개발과 무선기술과의 융합 그리고 바이오센서로의 응용 연구들이 활발하게 진행되고 있는 현실이다.
Substantial research as a surface acoustic wave sensor has only been carried out in the mid-1970s and has been widely applied as a physical sensor in the fields of mobile communication and electronic devices, and industrial applications have been spreading. The surface acoustic wave device is composed of resonator filter and single / bidirectional filter element according to the design and layout structure of IDT (Interdigital Tranducer) and used in antenna duplexer, filter, phaser, key, oscillator, transceiver, radar, sensor, etc. Recently, with the development of micro-electro-mechanical system (MEMS) and nanotechnology, the development of micro sensor, convergence with wireless technology, and application research to biosensor are being actively conducted.

표면탄성파 센서는 압전 특성을 갖는 기판의 기저 및 표면을 따라 진행하는 표면탄성파를 이용하여 측정 대상물로부터 물리량이나 화학량의 절대치나 변화, 소리, 빛, 전파의 강도를 검출하거나 측정하여 전기 신호로 변환하는 기능을 갖춘 소자 또는 장치라고 정의될 수 있다. 이러한 표면탄성파 센서의 핵심은 몇 가지 요약될 수 있다.Surface acoustic wave sensor detects or measures the absolute value or change of physical quantity or chemical quantity, intensity of sound, light, and radio wave from measurement object and converts it into electric signal by using surface acoustic wave traveling along base and surface of piezoelectric substrate. It can be defined as a functional device or device. The core of these surface acoustic wave sensors can be summarized in some.

첫째, 압전기판(piezoelectric substrate)에서 표면탄성파를 발생시키고 검출하도록 IDT(Interdigital Transducer) 구조를 효율적으로 만드는 것이다. IDT는 압전 기판에 배열된 금속전극으로 표면탄성파 소자의 핵심이며 전자회로와 음파 진행지연 구조선(acoustic delay line) 간의 인터페이스 역할로 송신단인 동시에 수신 단으로 동작한다.First, the IDT (Interdigital Transducer) structure is efficiently made to generate and detect surface acoustic waves in a piezoelectric substrate. IDT is a metal electrode arranged on a piezoelectric substrate and is the core of surface acoustic wave devices and serves as a transmitter and a receiver as an interface between an electronic circuit and an acoustic delay line.

둘째, 표면에서 획득되는 물리량이나 화학량의 변화를 효과적으로 극대화하기 위하여 표면구조 및 조성을 최적화하는 것이다. 이와 같은 표면구조의 설계 및 조성의 변화는 검출대상과의 상호작용 및 신호변환 효율을 최적화하는 것은 물론, 표면탄성파의 모드를 변화시키거나 측정 감도를 조절하는 역할을 하기도 한다. 표면구조 및 조성의 최적화를 위한 방법으로는 유무기 박막의 코팅 및 표면개질을 통한 활성화 등의 방법이 주로 사용된다.Second, the surface structure and composition are optimized to effectively maximize the change in physical or stoichiometry obtained on the surface. Such changes in the design and composition of the surface structure not only optimize the interaction with the detection object and the signal conversion efficiency, but also change the mode of the surface acoustic wave or adjust the measurement sensitivity. As a method for optimizing the surface structure and composition, methods such as coating of organic and inorganic thin films and activation through surface modification are mainly used.

셋째, 다양한 요구에 부응하기 위해서 다중검출 구조의 적용 및 다양한 신호를 동시에 읽어 들일 수 있는 융복합형 센서로의 연구이다.
Third, in order to meet various demands, it is applied to a multi-detection structure and research into a fusion type sensor that can read various signals simultaneously.

표면탄성파 센서의 기본구조 및 원리를 간단하게 표현하면, IDT에 인가된 전기신호에 의해 압전기판 표면에서 IDT의 양쪽방향으로 기계적인 표면탄성파가 발생하여 전파되며, 표면탄성파 신호는 IDT와 반사판(reflector)과의 거리에 따라 정해지는 시간 및 위상 차이를 갖고 반사되어 전기신호로 변환되어 출력된다. SAW 센서는 IDT의 길이, 폭, 위치, 두께구조에 따라 성능이 달라지며 사용주파수에 의존적인 특성을 갖는다. 표면탄성파 소자를 센서로 적용하게 될 때, 센싱층은 물리 화학적 자극으로 질량, 탄성, 전도성이 변화하는 센서물질을 센서기판에 코팅하여, 압력, 회전력, 충격, 장력, 중력, 질량, 증발, 생화학, 온도, 습도, 결빙, 점도, 변위, 유동, 감광. 광각, 가속, 마모, 오염 등을 감지ㆍ검출한다. 이때 표면탄성파를 생성하는 압전물질과 코팅된 박막층 간의 표면 결합력은 탄성파의 모드를 변환하거나 표면탄성파의 이동경로로 제공되는 박막층의 안정성과 소자 특성에 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.
Simply expressing the basic structure and principle of the surface acoustic wave sensor, the mechanical surface acoustic wave is generated and propagated in both directions of the IDT by the electric signal applied to the IDT, and the surface acoustic wave signal is transmitted through the IDT and the reflector. It has a time and phase difference determined according to the distance from) and is reflected and converted into an electrical signal and output. SAW sensors vary in performance depending on the length, width, position, and thickness of the IDT and are dependent on the frequency of use. When the surface acoustic wave device is applied as a sensor, the sensing layer coats the sensor substrate on the sensor substrate, which changes its mass, elasticity, and conductivity by physicochemical stimulation, and thus pressure, rotational force, impact, tension, gravity, mass, evaporation, and biochemistry. , Temperature, humidity, freezing, viscosity, displacement, flow, photosensitization. It detects and detects wide angle, acceleration, abrasion, and contamination. In this case, the surface bonding force between the piezoelectric material and the coated thin film layer generating the surface acoustic wave acts as a very important factor in the stability and device characteristics of the thin film layer provided as a mode of converting the acoustic wave or as a movement path of the surface acoustic wave.

탄성파(Acoustic Wave)를 생성하기 위해서는 다양한 압전물질들이 발굴되어 사용되어 왔는데 수정진동자(crstylline quartz, SiO2), 리튬탄탈레이트(lithium tantalate, LiTaO3), 리튬니오베이트(lithium niobate, LiNbO3) 등이 최근 들어 가장 많이 사용되어 왔으며, 그 외에도 갈륨아스나이드(gallium arsenide, GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 랑가사이트(angasite, LGS), 징크옥사이드(zinc oxide, ZnO), 알루미늄나이트라이드(aluminun nitride, AIN), 피지티(lead zirconium titanate, PZT), 피브이디에프(polyvinylidene fluoride, PVdF) 등 다양한 소재의 상업적 가능성이 연구되고 있다. 이중 리튬니오베이트는 커플링 상수(electromechanical coupling coefficient, K2)가 높고, 빠른 탄성파 전파속도(SH velocity)를 갖음으로 해서 가장 우수한 표면탄성파 기판 재료 중 하나로 알려지고 있다.
Various piezoelectric materials have been discovered and used to generate acoustic waves, such as crystal oscillator (crstylline quartz, SiO 2 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), etc. This has been the most used in recent years, in addition to gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), angasite (LGS), zinc oxide (ZnO), aluminum nitride The commercial possibilities of various materials such as aluminum nitride (AIN), lead zirconium titanate (PZT), and polyvinylidene fluoride (PVdF) have been studied. Lithium niobate has been known as one of the best surface acoustic wave substrate materials because of its high coupling constant (K2) and fast SH velocity.

탄성파의 종류는 탄성파 흐름이 압전기판 표면 혹은 기판 자체로 전파되는 형태와 특성에 따라 분류된다. 탄성파가 기판을 통과하여 전파되는 일반적인 체적탄성파(Bulk Acoustic Wave) 형태는 두께전단모드(TSM, Thickness shear mode) 공진기와 수평전단탄성면모드(SH-APM, Shear Horizontal Acoustic Plate Mode) 형태이다. 탄성파가 기판 표면을 따라 전파되는 형태로는 종파(SH-SAW)와 횡파(STW : Surface Traverse Wave) 형태이다. 사용 목적에 따라 면만곡파(FPW, Flexural Plate wave), 러브파(Love wave), 표면하체적탄성파(SSBW, Surface Skimming Bulk Wave), 판파(Lamb wave) 형태가 있다. 표면탄성파 전파의 원리적인 특성상 체적탄성파(BAW)와 판파(Lamb Wave)는 주로 기체 센싱에 적용되고, 러브파(Love wave)는 주로 액체 센싱에 사용된다.
The types of seismic waves are classified according to the shape and characteristics of the seismic wave propagation to the piezoelectric substrate surface or the substrate itself. The bulk bulk acoustic wave type in which the elastic wave propagates through the substrate is in the form of a thickness shear mode resonator and a shear horizontal acoustic plate mode (SH-APM). Acoustic waves propagate along the surface of the substrate in the form of longitudinal waves (SH-SAW) and surface waves (STW). According to the purpose of use, there are Flexural Plate Wave (FPW), Love Wave, Surface Skimming Bulk Wave (SSBW), and Lamb Wave. Due to the principle of surface acoustic wave propagation, bulk acoustic wave (BAW) and lamb wave are mainly used for gas sensing, and love wave is mainly used for liquid sensing.

최근 표면탄성파 센서 관련 특허 내용을 분석해 보면 IDT, 바이오 생성물 감지, 바이오 공명기, 미세유동장치, 태그, 플러그센서, 피부상처치료, 향기센서, 겔 상태측정, 의료센서, 유리 용해로 측정, 합성기판, 필름센서소자 등이며, 특히 바이오 및 의료분야의 실용적 특허가 다양하게 출원되고 있어 동 분야의 연구개발과 상용화가 활발히 진행되고 있음을 시사해 준다. 바이오 센서로의 적용을 위해서는 용액상 계측이 가능한 러브파(Love wave)로의 변환이 매우 중요하며, 이를 위해 표면탄성파의 도파관(waveguide) 층으로 작용할 수 있는 유무기 박막층의 안정적 형성이 필수적으로 요구된다.
Analysis of recent patents related to surface acoustic wave sensors shows IDT, bio product detection, bio resonator, microfluidic device, tag, plug sensor, skin wound treatment, fragrance sensor, gel condition measurement, medical sensor, glass melting furnace measurement, synthetic substrate, film It is a sensor device, and in particular, various practical patents in the bio and medical fields have been applied, which suggests that R & D and commercialization of the field are actively progressing. For the application to the biosensor, the conversion into a love wave capable of solution phase measurement is very important. For this purpose, a stable formation of an organic-inorganic thin film layer that can act as a waveguide layer of surface acoustic waves is essential. .

MEMS 및 패키징 분야에서 층 구조로 된 필름/코팅(coating) 기판의 역할이 중요하듯이 SAW 센서 및 SAW 디바이스의 성능향상을 위해 압전기판 위에 유전, 압전 혹은 비 압전체 층의 결합구조에 대한 연구개발이 활발하다. 특히 종파(shear horizontal) 형태인 러브파(Love wave)의 유효성을 입증하고 특성을 이용한 바이오센서 개발을 유망분야로 제시하고 있다. 표면탄성파 센서 성능향상을 위한 필름이나 코팅 기판에 의한 다층 구조 연구가 활발하며, 특히 액체 센싱에 가장 적합한 러브파(love wave)를 바이오센서에 적용하려는 개발노력이 점차 증가하고 있다.As the role of layered film / coating substrates in the field of MEMS and packaging is important, research and development on the bonding structure of dielectric, piezoelectric or non-piezoelectric layers on piezoelectric plates is needed to improve the performance of SAW sensors and SAW devices. It is actively. In particular, it proves the effectiveness of the love wave, which is a shear horizontal form, and suggests the development of biosensors using characteristics as promising fields. Research on multilayered structure using films or coated substrates for surface acoustic wave sensor performance is being actively conducted, and development efforts for applying a love wave most suitable for liquid sensing to a biosensor are increasing.

용액상 계측이 가능한 러브파(Love wave)로의 변환을 위해서는 표면탄성파의 도파관(waveguide) 층으로 작용할 수 있는 유무기 박막층의 안정적 형성이 필수적으로 요구된다. 메탈 패턴의 변형방지와 보호 및 러브파(love wave)로의 변환을 위한 박막층으로는 PMMA, 포토레지스터(photoresistor) 등을 포함하는 유기박막과 실리콘산화물(SiOx) 및 질화물(SiNx) 박막 등을 포함하는 무기 박막층이 주로 적용되고 있다. 이중 무기박막층은 표면결합력이 우수하고 두께조절이 용이하다는 장점에도 불구하고 박막코팅을 위해 고가의 사진평판(photolithography) 공정을 포함한다는 비용상의 단점을 가지고 있으며, 유기박막의 경우는 박막형성 과정이 간단하고 비용적 측면에서 우수한 장점을 가지고 있음에도 불구하고 압전기판과 유기 박막간의 표면결합력이 약해서 절단(sawing) 공정이나 추가적인 구조형성 공정에서 구조적 안정성이 떨어지고, 유기박막이 안정적으로 유지되지 않는다는 단점을 가지고 있다. 특히 리튬니오베이트 기판의 경우는 리튬탄탈레이트 기판보다도 결정구조가 치밀하고 안정하여 표면 활성화에 요구되는 에너지가 높은 것으로 알려져 있다.In order to convert into a love wave capable of solution phase measurement, stable formation of an organic-inorganic thin film layer that can act as a waveguide layer of surface acoustic waves is essential. Thin film layers for preventing deformation and protection of metal patterns and converting them into love waves include organic thin films including PMMA, photoresistor, etc., and silicon oxide (SiOx) and nitride (SiNx) thin films. Inorganic thin film layers are mainly applied. Despite the advantages of excellent surface bonding strength and easy thickness control, the inorganic thin film layer has a cost disadvantage of including an expensive photolithography process for thin film coating. In the case of organic thin films, the thin film forming process is simple. Although it has excellent advantages in terms of cost and cost, it has a disadvantage that the surface bonding force between the piezoelectric plate and the organic thin film is weak, resulting in poor structural stability in the sawing process or additional structure forming process, and inability to maintain the organic thin film stably. . In particular, lithium niobate substrates are known to have a denser and more stable crystal structure than lithium tantalate substrates and have a higher energy required for surface activation.

실례로 1981년 빅터 등(Victer H. R., et al)에 의해 수행된 리튬니오베이트 기판과 리튬탄탈레이트 기판을 이용한 electron spectroscopy 연구에서는 리튬니오베이트 결정에서의 표면 결합에너지(O2S : 17.4 eV)가 리튬탄탈레이트 결정에서의 표면결합에너지(O2S: 2.0 eV)보다 월등히 크다고 제시하고 있다. (Physical review B 24(10), (1981) p5559-5575)For example, in the electron spectroscopy study using lithium niobate and lithium tantalate substrates conducted by Victor HR, et al., 1981, the surface binding energy (O2S: 17.4 eV) in lithium niobate crystals was lithium tantalum. It is suggested that it is much larger than the surface binding energy (O 2 S: 2.0 eV) in the rate crystal. (Physical review B 24 (10), (1981) p5559-5575)

이와 같은 리튬니오베이트의 상대적으로 안정한 표면 결합에너지는 표면 활성화에 보다 높은 에너지를 요구하게 되고, 반응성이 높은 화합물이나 화학반응을 필요로 하게 된다.
Such relatively stable surface binding energy of lithium niobate requires higher energy for surface activation and requires a highly reactive compound or chemical reaction.

2008년 Jonathan 등에 의해 수행된 표면 개질 반응은 이런 리튬니오베이트 기판의 특성을 잘 보여주고 있다. Jonathan 등(Applied surface science, 2008, 255, 1796-1800)의 보고에서는 리튬니오베이트 기판의 표면개질을 위해 트리알콕시(알킬)실란(trialkoxy(alkyl)silane)과 트리클로로(알킬)실란(trichloro(alkyl)silane)을 이용하여 자기조립단분자막(self assembled monolayer, SAM)을 이용해 표면을 개질하는 시도가 보고되었다. 이 방법에서는 반응성이 낮은 트리알콕시(알킬)실란(trialkoxy(alkyl)silane)에서는 자가조립반응이 진행되지 않았고, 반응성이 높은 트리클로로(알킬)실란(trichloro(alkyl)silane)에서만 자가조립법이 진행되어 표면개질이 이루어졌다. 이 경우는 반응성이 높은 실란 화합물에서만 제한적으로 반응이 진행된다는 단점과 함께, 무수톨루엔 같은 높은 반응성의 극성용매를 사용함으로 해서 표면탄성파 소자에 주로 사용되는 알루미늄(Al)과 같은 금속 패턴에 손상을 줄 수 있다는 한계를 보이고 있기도 하다.
The surface modification reaction conducted by Jonathan et al. In 2008 demonstrates the characteristics of this lithium niobate substrate. Jonathan et al. (Applied surface science, 2008, 255, 1796-1800) reported that trialkoxy (alkyl) silanes and trichloro (trichloro (alkyl) silanes for the surface modification of lithium niobate substrates. Attempts have been reported to modify surfaces using self assembled monolayers (SAM) using alkyl) silane. In this method, self-assembly did not proceed in the low-reactivity trialkoxy (alkyl) silane, and self-assembly proceeded only in the highly reactive trichloro (alkyl) silane. Surface modification was done. In this case, the reaction proceeds only in a highly reactive silane compound. In addition, a highly reactive polar solvent such as anhydrous toluene may damage the metal pattern such as aluminum (Al), which is mainly used for surface acoustic wave devices. It is also showing its limitations.

리튬니오베이트 기판 상의 표면개질과 관련하여서는 2007년 “응축된 화합물을 사용하여 리튬니오베이트 및 리튬탄탈레이트 결정을 사전 조절하는 방법”이 크리스탈 테크놀러지사에 의해 출원/공개되었다가 취하된 바 있다.(출원번호 10-2006-7027302; 2006, 12,26 - 취하) 이 방법에서는 압전기판의 결정을 환원시키기 위해 1) 활성 화학약품을 포함하는 응축물질로 피복하고, 2) 비-산화 환경에서 결정 환원에 요구되는 활성온도로 가열한 뒤, 3) 활성 화학약품의 불활성 온도 범위로의 냉각 과정을 포하고 있다.Regarding surface modification on lithium niobate substrates, a method for preconditioning lithium niobate and lithium tantalate crystals using condensed compounds was filed / disclosed by Crystal Technologies in 2007. Application No. 10-2006-7027302; 2006, 12,26-withdrawal) In this method, in order to reduce the crystal of the piezoelectric plate, 1) it is coated with a condensate containing active chemicals, and 2) crystal reduction in a non-oxidizing environment. And 3) cooling to the inert temperature range of the active chemical.

그러나 이 방법에서는 상기 기술된 바와 같이 결정구조의 환원을 위해 고체 또는 액체로 정의된 응축된 물질을 압전기판 상에 피복하고 비-산화 환경에서 가열 및 냉각하는 것을 필수 요소로 하고 있어 반응성이 높은 화학약품을 사용할 수밖에 없고, 비-산화 환경에서의 가열과 같은 까다로운 조건을 만족시키기 위해 잘 설계된 설비 및 장치가 요구되게 된다. 또한 적용 목적에 있어서도 소자의 제작 또는 작동 동안 과다한 기계적 스트레스 또는 온도변화에 의해 압전기판 표면에서 발생할 수 있는 압전효과 및 초전효과에 의한 표면 전하의 축적을 방지하는 목적으로만 제시되었다.
However, in this method, it is necessary to coat the condensed material, which is defined as solid or liquid, on the piezoelectric plate and to heat and cool it in a non-oxidizing environment as described above. There is no choice but to use chemicals and well designed equipment and devices are required to meet the demanding conditions, such as heating in non-oxidizing environments. In addition, the present invention is only intended to prevent the accumulation of surface charges due to the piezoelectric effect and the pyroelectric effect that may occur on the surface of the piezoelectric plate due to excessive mechanical stress or temperature change during fabrication or operation of the device.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 과제는 기존 방법들에서 리튬니오베이트 결정 표면의 활성화를 위해 반응성이 높은 화학약품을 사용해야만 하는 단점을 극복하고, 비-산화 환경에서의 가열과 같은 까다로운 조건을 배제하며, 또한 표면탄성파 소자에 주로 사용되는 금속에 손상을 주지 않는 보다 쉽고 완화된 공정의 새로운 표면개질방법을 제시하는 것이다.The present invention has been made in view of this point, and the object of the present invention is to overcome the disadvantage of having to use highly reactive chemicals for the activation of lithium niobate crystal surface in existing methods, It provides a new method of surface modification in an easier and relaxed process that eliminates demanding conditions such as heating and does not damage the metals used in surface acoustic wave devices.

또한 이를 통해서 압전기판 위에 형성되는 유기박막과 리튬니오베이트 기판과의 표면 결합력을 효과적으로 증대시키는데 본 발명의 다른 목적이 있다. 이와 같은 표면개질을 통해 표면 결합력이 증대된 압전기판과 유기박막층과의 구조적 안정성은 절단(sawing) 공정이나 보다 복잡한 구조형성을 위한 추가적인 공정을 용이하게 하며, 액상에서 진행되는 바이오 센싱 분야로의 활용가능성을 높이는 효과를 기대할 수 있게 된다.
In addition, there is another object of the present invention to effectively increase the surface bonding force between the organic thin film formed on the piezoelectric substrate and the lithium niobate substrate. Structural stability between the piezoelectric plate and the organic thin film layer having increased surface bonding force through this surface modification facilitates a sawing process or an additional process for forming a more complicated structure, and is utilized in the bio sensing field in a liquid phase. You can expect the effect to increase the possibility.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 건식표면처리와 습식표면처리를 혼합 진행하여 리튬니오베이트 기판의 표면을 활성화하는 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for surface modification of a lithium niobate substrate to activate the surface of the lithium niobate substrate by mixing the dry surface treatment and wet surface treatment.

상기 건식표면처리에는 리튬니오베이트 기판의 표면에 자외선(UV), 오존(O3), 자외선/오존(UV/O3), 플라즈마 중 어느 하나가 조사된다.In the dry surface treatment, any one of ultraviolet (UV), ozone (O 3 ), ultraviolet / ozone (UV / O 3 ), and plasma is irradiated onto the surface of the lithium niobate substrate.

상기 습식표면처리는 건식표면처리에 의해 활성화된 결정 표면을 갖는 리튬니오베이트 기판을 자기조립단분자막(self assembled monolayer, SAM)을 형성할 수 있는 표면개질용액에 침지하는 것을 특징으로 한다.The wet surface treatment is characterized in that a lithium niobate substrate having a crystal surface activated by dry surface treatment is immersed in a surface modified solution capable of forming a self assembled monolayer (SAM).

또는, 상기 습식표면처리는 건식표면처리에 의해 활성화된 결정 표면을 갖는 리튬니오베이트 기판을 실란화 반응을 일으킬 수 있는 표면개질용액에 침지하는 것을 특징으로 한다.Alternatively, the wet surface treatment is characterized in that the lithium niobate substrate having the crystal surface activated by the dry surface treatment is immersed in a surface modification solution capable of causing a silanization reaction.

이때, 상기 표면개질용액은 리튬니오베이트 기판 표면에서의 고정화를 통해 기능성 작용기를 도입하는 화합물을 포함하며, 상기 작용기는 아민기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 알칸기(-CH3), 알킨기(-CH=CH2), 알데하이드기(-CHO), 타이올기(-SH) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In this case, the surface modification solution includes a compound for introducing a functional functional group through the immobilization on the surface of the lithium niobate, the functional group is an amine group (-NH2), carboxyl group (-COOH), hydroxyl group (-OH) , An alkane group (-CH3), an alkyne group (-CH = CH2), an aldehyde group (-CHO), a thiol group (-SH) is characterized in that any one.

또한, 상기 표면개질용액은 활성화된 리튬니오베이트 기판의 표면이 친수성 또는 소수성이 되도록 하는 화합물을 포함하며, 상기 화합물은 아민기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 알칸기(-CH3), 알킨기(-CH=CH2), 알데하이드기(-CHO), 타이올기(-SH) 중 어느 하나를 말단 작용기로 갖는 실란화합물인 것을 특징으로 한다.In addition, the surface modification solution includes a compound to make the surface of the activated lithium niobate substrate hydrophilic or hydrophobic, the compound is an amine group (-NH2), carboxyl group (-COOH), hydroxyl group (-OH) And a silane compound having any one of an alkane group (-CH3), an alkyne group (-CH = CH2), an aldehyde group (-CHO) and a thiol group (-SH) as a terminal functional group.

상기 실란화합물은 에톡시실란화합물, 메톡시실란화합물, 클로로실란화합물 중 어느 하나가 적용될 수 있다.
As the silane compound, any one of an ethoxysilane compound, a methoxysilane compound, and a chlorosilane compound may be applied.

본 발명에 따르면, 기존 리튬니오베이트 및 리튬탄탈레이트 기판 상에서, 표면 결정구조의 활성화 에너지가 높아서 용액반응만으로는 표면개질이 잘 안되거나, 표면개질 반응을 위해 반응성이 너무 큰 화합물을 사용함으로 인해 야기되었던 소자의 금속 패턴손상 및 공정의 복잡성 등을 배제할 수 있다.According to the present invention, on the existing lithium niobate and lithium tantalate substrates, the activation energy of the surface crystal structure is high, so that the surface modification is not good due to the solution reaction alone, or is caused by using a compound that is too reactive for the surface modification reaction. Damage to the metal pattern of the device and complexity of the process can be excluded.

또한 건식 활성화 방법을 통해 리튬니오베이트 및 리튬탄탈레이트 기판 표면의 결정구조를 활성화시키고, 이를 통해 종전에는 진행되지 않았던 훨씬 안정되고 용이한 용액 환경에서의 표면개질 및 활성화를 가능하게 할 수 있다.In addition, the dry activation method activates the crystal structure of the surface of the lithium niobate and lithium tantalate substrates, thereby enabling surface modification and activation in a much more stable and easier solution environment that has not been previously performed.

이와 같은 공정상의 이득은 기판과 유기박막의 표면결합력을 현저히 증대함으로 해서 러브파(love wave)로의 안정적인 형성 및 보다 복잡한 형태의 구조적 변형을 가능하게 할 수 있다.
Such process gains can significantly increase the surface bonding force of the substrate and the organic thin film to enable stable formation of love waves and more complex structural deformation.

도 1은 본 발명의 표면개질을 위한 건식 및 습식 혼합공정 블럭도.
도 2는 본 발명의 표면개질을 위한 건식 및 습식 혼합공정의 예시도.
도 3은 본 발명의 리튬니오베이트 기판의 각 표면처리 조건에 따른 접촉각 이미지.
도 4는 본 발명의 리튬니오베이트 기판의 각 표면처리 조건에 따른 접촉각 변화.
도 5는 본 발명의 리튬니오베이트 기판의 각 조건별 표면처리 후 FITC 고정화에 따른 형광 이미지.
도 6은 본 발명의 각 조건별 표면처리 후 코팅된 PMMA층의 용액에서의 탈착실험 결과.
도 7은 본 발명의 건식 표면처리 유무에 따른 Sawing 공정에서의 PMMA 층의 박리 결과.
도 8은 본 발명의 건식 및 습식 표면처리 후 IDT 패턴의 SEM 이미지.
도 9는 본 발명의 건식 및 습식 표면처리 후 PMMA 코팅 전후의 SAW소자 주파수 변화.
도 10은 본 발명의 건식 및 습식 표면처리 후 PMMA 코팅된 SAW소자의 time mode saw 신호.
1 is a block diagram of dry and wet mixing process for surface modification of the present invention.
Figure 2 is an illustration of a dry and wet mixing process for surface modification of the present invention.
3 is a contact angle image of each surface treatment condition of the lithium niobate substrate of the present invention.
4 is a change in contact angle according to the surface treatment conditions of the lithium niobate substrate of the present invention.
5 is a fluorescence image according to FITC immobilization after surface treatment for each condition of the lithium niobate substrate of the present invention.
6 is a result of the desorption experiment in the solution of the coated PMMA layer after the surface treatment for each condition of the present invention.
7 is a peeling result of the PMMA layer in the Sawing process according to the dry surface treatment of the present invention.
8 is an SEM image of IDT patterns after dry and wet surface treatment of the present invention.
9 is a frequency change of SAW device before and after PMMA coating after the dry and wet surface treatment of the present invention.
10 is a time mode saw signal of the PMMA coated SAW device after the dry and wet surface treatment of the present invention.

이하에서는, 본 발명에 의한 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the surface modification method of the lithium niobate substrate according to the present invention will be described in detail.

본 발명은 표면탄성파 소자용 기판으로 주로 사용되는 리튬니오베이트 기판(112) 상에서, 유기박막과 기판 간의 표면 결합력을 증대시키기 위하여 건식표면처리단계(110)와, 습식표면처리단계(120)를 혼합하여 리튬니오베이트 기판의 표면을 개질하는 방법(100)을 제공한다.The present invention mixes the dry surface treatment step (110) and the wet surface treatment step (120) on the lithium niobate substrate (112), which is mainly used as a substrate for surface acoustic wave devices, to increase the surface bonding force between the organic thin film and the substrate. To provide a method 100 for modifying the surface of a lithium niobate substrate.

건식표면처리단계(110)에서는 자외선(UV), 오존, 자외선/오존(UV/O3), 플라즈마 중 적어도 어느 하나의 건식표면처리장치(111)를 이용하여 기판 표면에 조사하는 건식표면처리 기법으로 리튬니오베이트 기판의 표면 결정구조를 활성화시킨다.In the dry surface treatment step 110, a dry surface treatment technique of irradiating a surface of a substrate using at least one dry surface treatment apparatus 111 among ultraviolet (UV), ozone, ultraviolet / ozone (UV / O 3 ), and plasma This activates the surface crystal structure of the lithium niobate substrate.

습식표면처리단계(120)에서는 활성화된 기판의 표면에서 용액상 자가집합 방식을 이용하여 자기조립단분자막을 형성하는 자기조립법 또는 실란 화합물을 형성하는 실란화(silanization) 반응 등을 포함하는 습식방법을 이용하여 기판의 표면을 개질한다.In the wet surface treatment step 120, a wet method including a self-assembly method for forming a self-assembled monomolecular film using a solution phase self-assembly method on the surface of an activated substrate or a silanization reaction for forming a silane compound is used. To modify the surface of the substrate.

즉, 건식표면처리에 의해 활성화된 결정 표면을 갖는 리튬니오베이트 기판을 자기조립단분자막(self assembled monolayer, SAM)을 형성할 수 있는 표면개질용액(121)에 침지하거나, 실란화 반응을 일으킬 수 있는 표면개질용액에 침지함으로써 이를 달성할 수 있다.That is, a lithium niobate substrate having a crystal surface activated by dry surface treatment may be immersed in the surface modification solution 121 capable of forming a self assembled monolayer (SAM), or may cause a silanization reaction. This can be achieved by immersion in the surface modification solution.

상기 자기조립단분자막을 형성할 수 있는 표면개질용액은 리튬니오베이트 기판 표면에서의 고정화를 통해 기능성 작용기를 도입하는 화합물을 포함하며, 이에 적용되는 기능성 작용기는 아민기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH), 알칸기(-CH3), 알킨기(-CH=CH2), 알데하이드기(-CHO), 타이올기(-SH) 중 어느 하나일 수 있다.The surface modification solution capable of forming the self-assembled monolayer includes a compound which introduces a functional functional group through immobilization on a surface of a lithium niobate substrate, and the functional functional group applied thereto is an amine group (-NH 2) or a carboxyl group (-COOH). ), A hydroxyl group (-OH), an alkane group (-CH3), an alkyne group (-CH = CH2), an aldehyde group (-CHO), a thiol group (-SH).

또한, 실란화 반응을 일으킬 수 있는 표면개질용액은 활성화된 리튬니오베이트 기판의 표면이 친수성 또는 소수성이 되도록 하는 화합물을 포함하며, 이에는 에톡시실란화합물, 메톡시실란화합물, 클로로실란화합물 중 어느 하나가 적용될 수 있다.In addition, the surface modification solution capable of causing the silanization reaction includes a compound which makes the surface of the activated lithium niobate substrate hydrophilic or hydrophobic, and includes any one of an ethoxysilane compound, a methoxysilane compound, and a chlorosilane compound. One can be applied.

이와 같은 표면개질방법은 종래의 방법에 비해 안정하고 용이한 조건에서 리튬니오베이트 기판의 표면을 다양한 작용기로 개질할 수 있으며, 이를 통해 용액상 측정이 가능하도록 하는 러브파(love wave) 층의 형성 및 다양한 기능성 유기박막의 안정적인 형성을 유도할 수 있다.This surface modification method can modify the surface of the lithium niobate substrate with various functional groups under stable and easy conditions compared to the conventional methods, thereby forming a love wave layer that enables solution phase measurement. And stable formation of various functional organic thin films.

한편, 상기 습식표면처리단계는 반응하지 않은 용액상 미반응물을 제거하는 세척과정 및 용매를 건조하는 건조과정을 더 포함한다.
On the other hand, the wet surface treatment step further includes a washing process for removing the unreacted solution phase unreacted material and a drying process for drying the solvent.

상술한 바와 같은 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.When described with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the surface modification method of the lithium niobate substrate as described above are as follows.

[실시예 1]: 자외선/오존(UV/O3) 처리와 APTES 처리를 통한 리튬니오베이트 기판의 표면개질Example 1: UV / ozone (UV / O 3) surface modification of the lithium niobate substrate with a treatment with APTES treated

기판의 표면 개질을 위하여 1 x 1 cm의 리튬니오베이트 기판을 준비하였으며, 준비된 기판은 자외선/오존(UV/O3) 조사기에서 자외선과 오존에 5분간 노출시켜 표면의 결정구조를 끊고 표면을 활성화하였다. 건식 자외선/오존 방식으로 표면이 활성화된 기판은 글러브박스(glove - box )에서 물과 에탄올 혼합용액(EtOH:H2O=95:5)을 용매로 하여 준비된 2.5% APTES(3-aminopropyltriethoxysilane) 용액에 침지하여 90분간 반응시켰다. 2.5% APTES 용액을 이용한 실란화(silanization) 과정이 진행된 뒤에는 동일 용매인 물과 에탄올 혼합용액(EtOH:H2O=95:5)으로 세척하고, 110℃ 오븐에서 1시간 동안 건조과정을 거쳤다.Lithium niobate substrate of 1 x 1 cm was prepared for surface modification of the substrate, and the prepared substrate was exposed to ultraviolet rays and ozone for 5 minutes in an ultraviolet / ozone (UV / O 3 ) irradiator to break the surface crystal structure and activate the surface. It was. The activated surface of the substrate in a dry UV / ozone method glove box (glove - box) of water and ethanol mixture from the (EtOH: H 2 O = 95 : 5) to 2.5% APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) solution prepared with a solvent It was immersed in and reacted for 90 minutes. After the silanization process using 2.5% APTES solution, the mixture was washed with a mixture of water and ethanol (EtOH: H 2 O = 95: 5), and then dried in an oven at 110 ° C. for 1 hour.

상기의 과정을 거쳐 1) 베어(bare) 리튬니오베이트 기판, 2) 자외선/오존(UV/O3) 처리된 기판, 3) 자외선/오존(UV/O) 처리 없이 2.5% APTES만 처리된 기판, 4) 자외선/오존(UV/O3) 처리 후, 2.5% APTES로 처리된 기판이 준비되었으며, 이렇게 준비된 기판들을 이용하여 접촉각 측정 및 FITC 형광분자 고정화 과정이 진행되었다.Through the above process, 1) bare lithium niobate substrate, 2) ultraviolet / ozone (UV / O 3 ) treated substrate, 3) substrate treated with 2.5% APTES without ultraviolet / ozone (UV / O) treatment only , 4) After UV / O 3 treatment, a substrate treated with 2.5% APTES was prepared, and contact angle measurement and FITC fluorescent molecule immobilization were performed using the prepared substrates.

또한 상기 조건별 리튬니오베이트 기판들을 이용하여 PMMA 유기막을 코팅한 후, 용액 상에서 일정 시간 교반한 뒤 PMMA 박막의 탈착 정도를 정량화함으로써 표면결합력에 변화가 있는지를 확인하기 위한 테스트를 진행하였다.In addition, after coating the PMMA organic film using the lithium niobate substrates for each condition, a test was performed to determine whether there was a change in surface bonding force by quantifying the desorption degree of the PMMA thin film after stirring for a predetermined time on a solution.

그 일예로, 접촉각의 측정은 표면 작용기의 유도 유무와 그에 따른 표면의 친수성 또는 소수성 정도의 변화를 보여줄 수 있다. 즉, 표면의 소수성 특성이 증가하면 접촉각이 증가하게 되고, 반대로 표면의 친수성이 증가하게 되면 접촉각이 감소하게 된다. As an example, the measurement of the contact angle can show the presence or absence of surface functional groups and thus the degree of hydrophilicity or hydrophobicity of the surface. That is, as the hydrophobic property of the surface increases, the contact angle increases, and conversely, when the surface hydrophilicity increases, the contact angle decreases.

접촉각 측정은 접촉각 분석기(Contact angle analyzer, Phoenix 150, SEO사)를 이용하여 진행되었으며, 1㎕ 볼륨의 용액을 기판 상에 떨어뜨려 기판 조건별로 4회씩 측정하였다. 측정된 접촉각의 결과는 도 3에서 보여주고 있으며, 자외선/오존 처리 없이 APTES 용액만으로 처리할 때에는 베어(bare) 기판과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 보아 용액 반응만으로는 표면의 활성화가 용이하지 않음을 알 수 있다. 반면, 자외선/오존 처리 후 APTES 처리한 기판에서는 접촉각이 현저히 증가하는 것을 확인하였다.
Contact angle measurement was performed using a contact angle analyzer (Contact angle analyzer, Phoenix 150, SEO Co., Ltd.), 1 μl volume of the solution was dropped on the substrate was measured four times for each substrate condition. The results of the measured contact angles are shown in FIG. 3, and when treated with APTES solution alone without UV / ozone treatment, there is no significant difference compared to bare substrates, indicating that the solution reaction alone does not facilitate surface activation. Can be. On the other hand, it was confirmed that the contact angle was significantly increased in the substrate treated with APTES after UV / ozone treatment.

본 실시예에 따라 표면개질이 성공적으로 진행된 리튬니오베이트 기판의 경우 최종적으로 말단에 알데하이드 작용기를 가지게 된다. 따라서 아민 작용기를 갖는 FITC(Fluorescein isothiocyanate) 형광분자를 이용하여 고정화함으로써 표면개질 여부를 시각적으로 확인할 수 있으며, 아울러 단백질과 같은 바이오 분자의 고정화를 위한 활성화 표면으로 제공될 수 있다. FITC 형광분자의 고정화 과정은 100ug/ml 농도 용액으로 4시간 동안 진행되었고, 증류수(DW )를 이용하여 세척한 뒤 형광현미경 하에서 측정되었다.In the case of the lithium niobate substrate which has successfully undergone surface modification according to this embodiment, the terminal finally has an aldehyde functional group. Therefore, it is possible to visually check whether the surface is modified by immobilization using a Fluorescein isothiocyanate (FITC) fluorescent molecule having an amine function, and may also be provided as an activation surface for immobilization of biomolecules such as proteins. Immobilization of the FITC fluorescent molecules was carried out for 4 hours in a solution of 100 ug / ml concentration, washed with distilled water ( DW ) and measured under a fluorescence microscope.

FITC 형광분자의 고정화 결과는 도 5에서 보여주고 있다. 결과에서 보여지는 바와 같이 표면개질 전의 리튬니오베이트 기판과 건식처리 없이 2.5% APTES의 용액만으로 처리한 기판에서는 FITC분자의 고정화가 많이 일어나지 않고 따라서 형광량이 낮은 것을 볼 수 있다. 반면, 건식처리(UV/O3 5분) 후 2.5% APTES의 용액반응을 처리한 기판에서는 상대적으로 많은 양의 FITC 형광분자가 고정화된 것을 보여주고 있다. 이를 통해 자외선/오존(UV/O3) 등을 포함하는 건식처리와 습식처리를 혼합한 방법이 습식단독 또는 여타 처리하지 않은 조건에 비해 현저히 효과적인 표면개질공정인 것을 알 수 있다.The immobilization result of the FITC fluorescent molecule is shown in FIG. 5. As can be seen from the results, the lithium niobate substrate before surface modification and the substrate treated with only 2.5% APTES solution without dry treatment did not exhibit much immobilization of FITC molecules, and thus the fluorescence amount was low. On the other hand, the substrate treated with 2.5% APTES solution after dry treatment (UV / O 3 5 minutes) shows that a relatively large amount of FITC fluorescent molecules were immobilized. Through this, it can be seen that the method of mixing the dry treatment and the wet treatment including ultraviolet / ozone (UV / O 3 ) and the like is a significantly effective surface modification process compared to the wet alone or other untreated conditions.

각 조건별 처리된 리튬니오베이트 기판들을 이용하여 용액 상에서 3시간 동안 진행한 PMMA 박막의 표면결합력 변화 테스트 결과는 도 6 및 아래의 표 1에서 보여주고 있다. 용액 상에서의 표면 결합력 변화를 정량화하기 위하여 PMMA가 코팅된 리튬니오베이트 기판에 칼날을 이용하여 2mm 간격으로 5개의 가로세로 격자 줄(총 25개의 PMMA 사각형 조각)을 긋고, 용액 상에서 3시간 동안 교반한 뒤 탈착된 수량을 확인하였다. 용액 상에서 오랜 시간 노출되었을 때 표면 접촉력 변화를 테스트한 결과에서는 건식처리(UV/O3 5분) 후 2.5% APTES 용액반응을 처리한 기판에서 PMMA 박막의 표면 결합력이 가장 우수한 것을 알 수 있었다.Surface bonding force variation test results of the PMMA thin film which was processed for 3 hours on the solution using the treated lithium niobate substrates for each condition are shown in FIG. 6 and Table 1 below. In order to quantify the change in the surface binding force on the solution, five horizontal lattice rows (25 pieces of PMMA squares) were applied to the PMMA-coated lithium niobate substrate at 2 mm intervals using a blade and stirred for 3 hours on the solution. After confirming the amount of desorption. As a result of testing the change in surface contact force when exposed to the solution for a long time, it was found that the PMMA thin film had the best surface bonding force on the substrate treated with 2.5% APTES solution after dry treatment (UV / O 3 5 minutes).

이와 같은 결과는 SAW 소자의 응용분야 중 바이오 센서로의 응용이 주로 용액상 시료의 적용인 것을 고려하면 매우 고무적인 결과이다. 공정이 비교적 용이하고 공정비용이 적게 드는 유기박막의 안정적인 형성이 가능해 짐에 따라서 리튬니오베이트 기판의 활용성이 증대되고 특히 러브파(Love wave) 형성을 통한 바이오센서로의 응용이 용이해질 것으로 기대된다.
This result is very encouraging considering that the application of the biosensor in the application of SAW devices is mainly the application of a solution phase sample. The stable formation of organic thin films, which are relatively easy and inexpensive, is expected to increase the usability of lithium niobate substrates and facilitate application to biosensors through the formation of love waves. do.

처리 조건Treatment condition BareBare UV/O3 UV / O 3 APTESAPTES UV/O3 + APTESUV / O 3 + APTES PMMA층 탈착량 (n/25)Desorption amount of PMMA layer (n / 25) 2525 2121 44 00 탈착율 (%)Desorption rate (%) 100100 8484 1616 00

도 7에서는 건식 표면처리 없이 APTES만 처리한 경우와 건식 표면처리로서 자외선/오존(UV/O3)를 5분간 처리한 뒤 APTES 용액반응을 처리한 리튬니오베이트 웨이퍼를 각각 Sawing 공정에 적용하였을 때의 결과를 보여주고 있다. 도 7에서 보이는 바와 같이 건식표면처리를 하지 않은 웨이퍼에서는 Sawing 공정에서 전체 70개 시편 중 56개에서 PMMA 층이 떨어졌다. 이것은 Sawing 장비에서 칼날의 냉각 및 파티클 제거 목적으로 적용되는 워터젯(water jet flow)에 장시간 노출되었기 때문이다. 반면, 건식표면처리 후 APTES 처리된 웨이퍼의 경우에는 절단(Sawing) 공정에서 전체 49개 시편 모두에서 PMMA 층이 떨어지지 않고 안정되게 유지되는 것을 확인하였다.
In FIG. 7, the lithium niobate wafers treated with APTES solution reaction after 5 minutes of UV / Ozone (UV / O 3 ) as a dry surface treatment and only APTES without dry surface treatment were applied to the sawing process. Shows the results. As shown in FIG. 7, the PMMA layer was dropped from 56 of the 70 specimens in the Sawing process in the wafer without dry surface treatment. This is due to prolonged exposure to water jet flow in Sawing equipment for cooling blades and removing particles. On the other hand, in the case of APTES-treated wafers after dry surface treatment, it was confirmed that the PMMA layer remained stable without dropping in all 49 specimens during the cutting process.

도 8에서는 건식 및 습식표면처리 혼합공정 적용 전후 IDT 패턴의 SEM 이미지를 보여주고 있다. IDT 패턴의 손상 유무는 리튬니오베이트 기판의 다양한 소자, 특히 SAW 소자로의 적용에 있어 신호품질을 결정하는 중요한 요인이 된다. 도 8의 결과에서는, 본 발명의 실시예에 따라 건식처리(UV/O3 5분) 후 2.5% APTES 용액반응을 처리한 SAW 소자의 IDT 패턴 이미지 상에서 패턴의 손상이나 표면의 형태적 변화가 없음을 확인할 수 있다.
Figure 8 shows the SEM image of the IDT pattern before and after applying the dry and wet surface treatment mixing process. Damage of the IDT pattern is an important factor in determining signal quality in the application of lithium niobate substrates to various devices, particularly SAW devices. In the results of FIG. 8, there is no pattern damage or morphological change on the IDT pattern image of the SAW device treated with 2.5% APTES solution after dry treatment (UV / O 3 5 minutes) according to an embodiment of the present invention. can confirm.

[실시예 2]: 표면탄성파 소자의 표면개질 및 PMMA 코팅 후 표면탄성파 신호 측정Example 2: After the surface modification and the PMMA coating of the SAW device a surface acoustic wave signal measured

리튬니오베이트 기판을 이용해 제작된 SAW 소자는 하나의 IDT와 두 개의 반사판을 갖는 구조로 설계되었으며, IDT에서 발진된 표면탄성파는 두 개의 반사판에서 반사되어 시간지연모드(time delay mode) 상에서 두 개의 반사 피크(peak)로 나타나게 된다. 표면탄성파 소자는 리튬니오베이트 기판에 알루미늄(Al)을 패터닝하여 제작되었으며, 본 발명의 실시예에 따라 건식처리(UV/O 5분) 후 2.5% APTES 용액반응을 통해 건식 및 습식표면처리 혼합공정을 이용해 리튬니오베이트 기판의 표면을 개질하였다. 표면개질된 후, 2㎛ 두께의 PMMA 층을 스핀코팅(5000rpm, 90sec) 방식으로 코팅하였다.
The SAW device fabricated using a lithium niobate substrate is designed to have a structure with one IDT and two reflectors, and the surface acoustic waves oscillated in the IDT are reflected by the two reflectors so that two reflections are performed in time delay mode. It will appear as a peak. The surface acoustic wave device was fabricated by patterning aluminum (Al) on a lithium niobate substrate, followed by dry and wet surface treatment mixing process through 2.5% APTES solution reaction after dry treatment (UV / O 5 minutes) according to an embodiment of the present invention. Was used to modify the surface of the lithium niobate substrate. After surface modification, a 2 μm thick PMMA layer was coated by spin coating (5000 rpm, 90 sec).

도 9와 도 10은 리튬니오베이트 기판을 이용해 제작된 반사식 구조의 SAW 소자에서 주파수특성(도 9)과 PMMA 코팅 이후의 시간지연모드 신호(도 10)를 보여주고 있다.9 and 10 show a frequency characteristic (FIG. 9) and a time delay mode signal after PMMA coating (FIG. 10) in a reflective SAW device fabricated using a lithium niobate substrate.

도 9는 PMMA 코팅 전후의 주파수 특성을 보여주고 있다. PMMA 층의 코팅에 따라 주파수가 낮은 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.Figure 9 shows the frequency characteristics before and after PMMA coating. The coating of the PMMA layer can be seen to move to a lower frequency region.

도 10은 2㎛ 두께의 PMMA 층이 코팅된 구조에서 반사식 구조를 갖는 표면탄성파 소자의 시간지연모드 신호를 보여주고 있다. 두 개의 반사판에 의한 피크(peak)가 1.13 μs 위치와 3.40 μs에서 관찰되는 것으로 보아 표면탄성파 소자의 표면탄성파가 정상적으로 전파되는 것을 확인할 수 있다.
FIG. 10 shows a time delay mode signal of a surface acoustic wave device having a reflective structure in a structure coated with a 2 μm thick PMMA layer. The peaks of the two reflectors are observed at 1.13 μs and 3.40 μs, indicating that the surface acoustic waves of the surface acoustic wave devices propagate normally.

110 : 건식표면처리단계
111 ; 건식표면처리 장치
112 ; 리튬니오베이트 기판
120 : 습식표면처리단계
121 : 표면개질용액
122 ; 오븐
110: dry surface treatment step
111; Dry Surface Treatment Equipment
112; Lithium Niobate Board
120: wet surface treatment step
121: surface modification solution
122; Oven

Claims (9)

SAW 센서 제조시 PMMA 재질의 도파관(waveguide) 박막의 부착성 향상을 위하여, 건식표면처리 및 습식표면처리를 통해 화학적 기능기를 표면에 도입하는 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법.
A surface modification method of a lithium niobate substrate in which chemical functional groups are introduced to a surface through a dry surface treatment and a wet surface treatment in order to improve adhesion of a waveguide thin film made of PMMA when manufacturing a SAW sensor.
제1항에 있어서,
건식표면처리와 습식표면처리를 혼합 진행하여 리튬니오베이트 기판의 표면을 활성화하는 것으로,
상기 건식표면처리는 리튬니오베이트 기판의 표면에 자외선/오존(UV/O3)을 조사하는 것이고,
상기 습식표면처리는 건식표면처리에 의해 활성화된 결정 표면을 갖는 리튬니오베이트 기판을 실란화 반응을 일으킬 수 있는 표면개질용액에 침지하는 것이며,
상기 표면개질용액은 기능성 작용기로서 아민기(-NH2)를 도입하는 화합물인 APTES(3-aminopropyltriethoxysilane)를 포함하는 것이고,
상기 표면개질용액은 물과 에탄올 혼합용액을 용매 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법.
The method of claim 1,
Dry surface treatment and wet surface treatment are mixed to activate the surface of the lithium niobate substrate.
The dry surface treatment is to irradiate ultraviolet / ozone (UV / O 3 ) to the surface of the lithium niobate substrate,
The wet surface treatment is to immerse a lithium niobate substrate having a crystal surface activated by dry surface treatment in a surface modification solution capable of causing a silanization reaction.
The surface modification solution includes APTES (3-aminopropyltriethoxysilane), which is a compound that introduces an amine group (-NH2) as a functional functional group,
The surface modification solution is a surface modification method of a lithium niobate substrate, characterized in that using a solvent mixture of water and ethanol.
제2항에 있어서,
상기 표면개질용액은 리튬니오베이트 기판 표면에서의 고정화를 통해 기능성 작용기를 도입하는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법.
The method of claim 2,
The surface modification solution is a surface modification method of a lithium niobate substrate, characterized in that it comprises a compound for introducing a functional group through the immobilization on the surface of the lithium niobate substrate.
제2항에 있어서,
상기 표면개질용액은 활성화된 리튬니오베이트 기판의 표면이 친수성 또는 소수성이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬니오베이트 기판의 표면개질방법.
The method of claim 2,
The surface modification solution is a surface modification method of a lithium niobate substrate, characterized in that the surface of the activated lithium niobate substrate is hydrophilic or hydrophobic.
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Langmuir Vol.24, 2008, pages 5161-5165 *
Langmuir Vol.24, 2008, pages 5161-5165*
Systematic study of film growth in short chain alkylsilane including issues of phase segregation and islanding’Laura Guy, North Carolina State University, 2008*
Systematic study of film growth in short chain alkylsilane including issues of phase segregation and islanding'Laura Guy, North Carolina State University, 2008 *

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