KR101410932B1 - 나노입자 막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

나노입자 막 형성방법이 개시된다. 개시된 나노입자 막 형성방법은 진공여과기 위에 다공성 필터 및 어퍼쳐가 형성된 제1기판을 장착하는 단계; 나노입자 용액을 상기 어퍼쳐를 통해 진공여과기에 부으며 진공을 걸어줌으로써 상기 다공성 필터에 상기 어퍼쳐의 형상을 따라 나노입자가 정렬되도록 하는 단계;를 포함한다.

Description

나노입자 막 형성방법{Method of forming nano-particle film}
본 발명은 나노입자 막 형성 방법에 관한 것으로, 특히, 개개의 나노 입자를 정렬하고, 정렬된 나노 입자들이 특정 패턴의 막을 형성하도록 패터닝하는 기술에 관한 것이다.
나노입자를 정렬 및 패터닝하는 기술로는 촉매 입자의 패터닝기술을 이용한 탄소나노튜브(Carbon-nano-tube, CNT) 성장기법(J. Am. Chem, Soc., 128, p4540-4541), 준 LB법(Quasi-Langmuir-Blodgett, quasi-LB법) (Adv. Mater., 14, p899-901), 틸트 드롭 캐스팅(Tilt-Drop Casting)법 (Nano Letter, Vol. 6, p1443-1448) 등이 알려져 있다.
촉매 입자의 패터닝기술을 이용한 CNT 성장기법은 촉매 입자를 용액에 분산시켜 기판에 촉매 입자를 일정 모양으로 패터닝한 후 이를 열기상증착법을 이용하여 특정 부분에 정렬된 나노 튜브가 성장하도록 하는 방법이다. 이 방법은 정렬성은 뛰어나지만 성장법을 이용하기 때문에 대면적 적용이 어려우며, 또한 CNT 성장시 반도체 특성과 금속특성이 혼재되어 성장하므로 원하는 소자 특성을 얻는 것에 어려움이 있을 수 있다.
Quasi-LB 법은 기판과 용액 사이에 형성되는 매니스커스 부분에서 나노 튜브의 밀도가 증가하여 자동 정렬 되어 기판에 전이되는 현상을 이용한 기술이다. 이 방법은 특정 모양으로의 패터닝 공정에 어려움이 있고, 또한 막내 형상의 나노 입자를 이용할 때 막 두께의 조절이 어렵다.
Tilt-Drop Casting법은 기판에 패터닝을 위한 소수성 단일막 처리를 한 후, 이 처리된 기판 위에 나노 입자가 분산된 용액을 떨어뜨려 일정 각도로 기판을 기울여 주면 중력에 의해 용액이 아래로 흐르면서 정렬과 패터닝이 동시에 이루어지는 방법이다. 이 방법을 이용하기 위해서는 고농도의 나노 입자 분산액이 필요하며, 또한, Quasi-LB법과 마찬가지로 막대 형상의 나노 입자를 이용할 때 막 두께의 조절이 어렵다.
본 발명은 나노입자의 정렬과 패터닝이 동시에 가능하며, 대면적 적용이 용이한 나노입자 막 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 나노입자 막 형성방법은 진공여과기 위에 다공성 필터 및 어퍼쳐가 형성된 제1기판을 장착하는 단계; 나노입자 용액을 상기 어퍼쳐를 통해 진공여과기에 부으며 진공을 걸어줌으로써 상기 다공성 필터에 상기 어퍼쳐의 형상을 따라 나노입자가 정렬되도록 하는 단계;를 포함한다.
상기 나노입자는 막대 형상이고 상기 어퍼쳐는 비등방의 형상일 수 있다.
상기 다공성 필터는 AAO(anodizing aluminum oxide)로 이루어질 수 있다.
상기 나노입자는 PTCDI(Perylenetetracarboxyldiimide)로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 필터에는 패턴된 전극이 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 나노입자 막 형성방법은 상기 다공성 필터에 형성된 나노입자 막을 제2기판에 전이하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노입자 막은 수중 전이법에 의해 상기 제2기판으로 전이될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 막 형성방법을 설명하는 개략도이다.
먼저, 도 1a와 같이 나노입자 용액(20)을 준비한다. 나노입자 용액(20)은 나노입자(25')을 용매에 분산시켜 제조한다. 본 발명의 실시예에서는 막대 형상의 PTCDI(Perylenetetracarboxyldiimide)를 메탄올에 분산시켜 나노입자 용액(20)을 만들었다. PTCDI재료는 Aldrich사에서 구매하였으며, 나노막대 형성 공정은 Nano Letters, Vol . 7, p668-675에서 사용한 방법을 이용하였다. 막대 형상의 나노입자(25')는 평균적으로 70nm에서 470nm의 지름과 수십 내지 수백um의 길이를 갖는다.
다음, 도 1b와 같이 진공여과기(30) 위에 다공성 필터(40)와 어퍼쳐(50a)가 형성된 제1기판(50)을 장착한다. 진공여과기(30)에는 진공 흡입을 위한 진공 벤트(30a)가 형성되어 있다. 다공성 필터(40)는 나노 입자(25')를 투과시키지 않을 정도로 작은 미세 구멍을 가지며, 나노입자 용액(20)에 의해 녹지 않는 재질이면 어떤 재질이든지 가능하다. 본 실시예에서는 0.2um 크기의 미세 구멍이 형성된 AAO(anodizing aluminum oxide)를 다공성 필터(40)로 사용하였다. 제1기판(50)에는 어퍼쳐(50a)가 형성되어 있다. 도시된 어퍼쳐(50a)의 개수는 예시적인 것이다. 실시예에서 제1기판(50)의 재질로 PET 필름을 사용하였다. 어퍼쳐(50a)는 비등방의 형상을 갖는 것이 막대 형상의 나노입자(25')를 정렬시키기에 유리하며, 실시예에서 어퍼쳐(50a)는 1mmⅹ6mm의 크기를 갖는 직사각형 형상으로 형성하였다.
다음, 도 1c와 같이 도 1a의 나노입자 용액(20)을 진공여과기(30)에 부으면 서 진공 벤트(30a)를 통해 진공을 걸어준다. 실시예에서는 진공 흡입을 위해 로터리 펌프를 사용하였다.
도 1d는 진공흡입에 의해 나노입자(25')가 다공성 필터(40)위에 정렬 및 패터닝 되는 메커니즘을 설명하는 개념도이다. 다공성 필터(40)의 아래쪽에 진공(vacuum)이 형성됨에 따라 나노입자 용액(20)이 어퍼쳐(50a)를 통해 흡입되고, 나노입자 용액(20) 내의 나노입자(25')는 다공성 필터(40)에 의해 필터링된다. 이러한 진공 흡입시, 용액 내에 강력한 흐름(flow)이 형성되며, 어퍼쳐(50a) 근처에서 상기 흐름의 형상은 어퍼쳐(50a)의 형상과 유사한 형태가 되어 용액 내의 나노입자(25')들은 대부분 어퍼쳐(50a) 형상과 동일한 방향을 따라 정렬된 상태로 어퍼쳐(50a)를 통과하게 된다. 특히, 막대 모양의 나노입자(25')들은 그 길이 방향이 비등방 형상의 어퍼쳐(50a)의 길이 방향과 일치하는 형태로 정렬되어 어퍼쳐(50a)를 통과한다. 어퍼쳐(50a)의 너비가 좁을수록 막대 모양의 나노입자(25')가 어퍼쳐(50a)의 길이 방향으로 정렬이 잘 되는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 나노입자(25')가 다공성 필터(40) 위에 정렬되는 위치는 어퍼쳐(50a)의 모양에 의해 한정되므로, 다공성 필터(40)위에 나노입자(25')가 정렬과 동시에 패터닝되게 된다.
이와 같은 과정에 의해 도 1e와 같이 다공성 필터(40) 위에 나노입자 막(25)이 형성된다. 이와 같이 형성된 나노입자 막(25)은 다공성 필터(40)에 형성된 그대로 사용될 수도 있고, 또는, 필요에 따라 다공성 필터(40) 위에 전극을 형성시켜 전극 사이에 나노입자 막이 정렬 및 패터닝 되도록 하여 사용될 수도 있으며, 다른 기판에 전이되어 사용될 수도 있다.
도 2는 골드 전극이 형성된 다공성 필터 위에 형성된 나노입자 막에 대한 현미경 사진이다. 현미경 사진은 한 개의 어퍼쳐에 의해 형성된 부분만을 확대하고 있다. 도면을 참조하면, 도면에서 밝은 부분이 골드 전극이 형성된 위치를 나타내며, 나노입자 막은 골드 전극이 형성되지 않은 위치에만 형성되어 있다. 나노입자 막(25)은 골드 전극 사이로 어퍼쳐 형상을 따라 패터닝되어 있으며, 패턴 내에서 나노입자들은 양호하게 정렬되어 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 막 형성방법은 비등방의 형상을 갖는 어퍼쳐를 통한 진공 흡입에 의해 나노입자를 정렬 및 패터닝하므로, 나노입자의 두께를 자유롭게 조절할 수 있을 뿐 아니라 나노입자의 종류나 용매의 종류에 크게 제한되지 않고 적용될 수 있다는 장점이 있다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1a 내지 도 1e의 과정에 의해 형성된 나노입자 막을 다른 기판에 전이하는 방법을 설명하는 개략도로서, 수중 전이법에 의해 나노입자 막(25)을 제2기판(60)에 전이하고 있다.
먼저, 도 3a와 같이, 제2기판(60) 위에 나노입자 막(25)이 형성된 다공성 필터(40)를 나노입자 막(25)이 제2기판(60)과 다공성 필터(40) 사이에 오도록 적층한다. 제2기판(60)의 표면은 소수성 처리되어 있다. 실시예에서, 제2기판(60)으로는 실리콘 기판을 사용하였다.
다음, 도 3b와 같이 상기 적층된 제2기판(60)과 다공성 필터(40)를 친수성 용액(70)에 담근다. 실시예에서, 친수성 용액(70)으로 물을 사용하였다.
도 3c를 참조하면, 친수성 용액(70)이 다공성 필터(40)와 나노입자 막(25) 사이에 침투하여 다공성 필터(40)와 나노입자 막(25)이 분리된다. 이러한 현상은 다음의 두 가지 원리로 이해될 수 있다. 첫째, 다공성 필터(40) 상에 형성된 나노입자 막(25)에 있어서, 나노입자 사이의 간격이 다공성 필터(40)의 미세 구멍보다 작아 제2기판(60)과 겹쳐진 다공성 필터(40) 일면의 미세 구멍으로부터 유입된 물이 나노입자 막(25)을 원활하게 통과하지 못하고 다공성 필터(40)와 나노입자 막(25) 사이의 계면으로 침투함으로써 다공성 필터(40)와 나노입자 막(25)을 분리하는 것으로 생각할 수 있다. 이 경우, 다공성 필터(30)로부터 분리된 나노입자 막(20)은 제2기판(60) 상에 부착되게 되며, 이는 나노입자 막(25)과 제2기판(60)이 모두 소수성이어서 서로 간에 끌어당기는 힘이 작용하기 때문이다. 둘째, 다공성 필터(40)의 미세 구멍 또는 겹쳐진 다공성 필터(40)와 제2기판(10) 사이로 유입된 물이, 나노입자 막(25)과 제2기판(60) 사이 계면에 비해 상대적으로 표면에너지가 큰 다공성 필터(40)와 나노입자 막(40) 사이의 계면으로만 선택적으로 침투하여 다공성 필터(30)와 나노입자 막(20)을 분리하는 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 과정에 의해 도 3d와 같이 제2기판(60) 상으로 나노입자 막(25)이 전이되게 된다.
도 4는 도 3a 내지 도 3d의 단계에 따라 수중 전이에 의해 실리콘 기판에 전이된 나노입자 막에 대한 현미경 사진이다. 현미경 사진은 한 개의 어퍼쳐에 의해 형성된 부분만을 확대하고 있다. 나노입자 막(25)은 어퍼쳐 형상에 따라 패터닝되어 있으며, 패턴 내에서 나노입자들은 양호하게 정렬되어 있다.
설명에서 나노입자 막을 다른 기판에 전이하는 방법은 수중전이법을 예시하 여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 접촉프리팅법 등 기타 다른 방법에 의해 전이하는 것도 가능하다.
본 발명에서 나노입자의 종류는 제한되지 않으며, 나노입자 막의 용도에 알맞은 적절한 재질이 선택될 수 있다. 예를 들어, CNT, ZnO나노막대, 유기나노막대를 사용하여 나노입자 막을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 나노입자 막은 PDP (Plasma Display Panel), TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)등 전통적인 디스플레이 장치의 투명 전극 또는 저가형 대면적 TFT-어레이로 활용될 수 있으며, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate: PET)와 같이 유연한(flexible) 기판에 필름을 형성시켜 유연한 유기EL디스플레이 또는 전자종이 (E-paper), 필름스피커 등의 전극으로도 활용 가능하다. 또한, 촉각 또는 압력 센서 및 태양전지의 전극 및 활성층으로도 활용될 수 있다.
이러한 본원 발명인 나노입자 막 형성방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 의한 나노입자 막 형성방법을 설명하는 개략도이다.
도 2는 골드 전극이 형성된 다공성 필터 위에 형성된 나노입자 막에 대한 현미경 사진이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1a 내지 도 1e의 과정에 의해 형성된 나노입자 막을 다른 기판에 전이하는 방법을 설명하는 개략도이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3d의 단계에 따라 수중 전이에 의해 실리콘 기판에 전이된 나노입자 막에 대한 현미경 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20...나노입자 용액 25'..나노입자
25...나노입자 막 30...진공여과기
40...다공성 필터 50...제1기판
50a...어퍼쳐 60...제2기판
70...친수성 용액

Claims (8)

  1. 진공여과기 위에 다공성 필터 및 어퍼쳐가 형성된 제1기판을 장착하는 단계;
    나노입자 용액을 상기 어퍼쳐를 통해 진공여과기에 붓고 진공을 걸어줌으로써 상기 다공성 필터에 상기 어퍼쳐의 형상을 따라 나노입자가 정렬되도록 하는 단계;를 포함하는 나노입자 막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는 막대 형상이고 상기 어퍼쳐는 비등방형상인 나노입자 막 형성방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 필터는 AAO(anodizing aluminum oxide)로 이루어진 나노입자 막 형성방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 나노입자는 PTCDI(Perylenetetracarboxyldiimide)로 이루어진 나노입자 막 형성방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 필터에는 패턴된 전극이 형성되어 있는 나노입자 막 형성방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 필터에 형성된 나노입자 막을 제2기판에 전이하는 단계를 더 포함하는 나노입자 막 형성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2기판 위에 상기 나노입자 막이 사이에 오도록 상기 다공성필터를 적층하고, 상기 적층된 제2기판과 다공성 필터를 친수성 용액에 담가 상기 다공성 필터에 형성된 나노입자 막을 상기 제2기판으로 전이하는 나노입자 막 형성방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 친수성 용액으로 물을 사용하는 나노입자 막 형성방법.
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