KR101483964B1

KR101483964B1 - 습식 두드림을 통한 나노전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 나노전극

Info

Publication number: KR101483964B1
Application number: KR20140097281A
Authority: KR
Inventors: 류원형; 김로현; 김용재
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2015-01-21

Abstract

습식 두드림을 통한 나노전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 나노전극이 게시된다. 본 발명의 실시예에 따른 나노전극 제조방법(S100)은, a) 표면에 미세 구조 패턴(11)이 형성된 기재(10)를 준비하는 기재준비단계(S110); b) 습식 두드림 방법을 이용하여 나노입자(20)를 상기 미세 구조 패턴(11)에 도입하는 나노입자배열단계(S120); 및 c) 나노입자 리소그래피 방법(Nano Lithography)을 이용하여 기재(10)를 식각하여 나노전극(30)을 형성하는 기재식각단계(S130);를 포함하는 것을구성의 요지로 한다.
본 발명에 따른 나노전극 제조방법에 따르면, 원하는 위치에 정확하게 배열되고, 원하는 형상, 두께 및 높이를 가지는 나노전극을 제조할 수 있다. 또한, 종래 기술에 따른 제조방법 대비 제조공정이 단순하여 제조공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 제조비용 또한 절감시킬 수 있다.

Description

습식 두드림을 통한 나노전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 나노전극 {Manufacturing Method of Nano Electrode by Wet Tapping, and Nano Electrode Thereby}

본 발명은 나노전극을 제조하는 방법 및 이를 통해 제조된 나노전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 습식 두드림 방법을 이용한 나노전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 나노전극에 관한 것이다.

나노전극(Nano electrode)은 현재 매우 다양한 분야에서 이용되고 있다.

구체적으로, 나노전극은 미지의 산화-환원 물질에 대해 전기화학적 특성이나 변화 등을 측정하는데 이용될 수 있고, 또한 이를 통해 기존의 거시 전극(Macroelectrode)으로 측정하였을 때는 알 수 없는 미세 반응에 관한 연구도 가능하다.

또한, 상기 언급한 나노전극은, 동식물세포, 신경세포 및 유전물질과 같은 세포 이하 단위의 전기적 혹은 화학적 반응들을 분석하고 연구하는 목적으로도 활용될 수 있다. 뿐만 아니라 나노전극은 트렌지스터와 같은 집적회로의 전자 전달 매개체로서 활용될 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 마이크로 및 나노 규모의 분석이 생물, 화학, 전자, 재료 등 다양한 분야로 확대됨에 따라, 그에 맞게 이용될 수 있는 나노전극을 제작하는 기술도 점차 그 중요성이 부각되고 있다.

나노전극 중 평판 방식의 나노전극 구조와 대비되어 좀 더 작은 전기적 신호까지 측정 가능하다고 알려진 나노 기둥 구조의 전극 개발 방식은, 크게 바텀업(Bottom-up) 방식과 탑다운(Top-down) 방식으로 나눌 수 있다.

바텀업(Bottom-up) 방식은 전구체 주변으로 이온이나 라디칼의 연속적인 반응을 통해 점차 나노 기둥 형상을 기판으로부터 쌓아 올리는 방법을 의미한다.

이 방법의 경우 공정이 단순하다는 장점이 있으나, 나노 기둥의 형상 제어가 어렵다는 점과 수직 방향으로 정확하게 생성된 나노 기둥을 얻기 힘들다는 단점이 있다.

반면, 탑다운(Top-down) 방식의 경우 식각 공정을 통해 원하는 부분을 위에서 아래로 깎아나가, 식각 마스크에 따라 원하는 형상의 나노 기둥 전극을 만들 수 있다는 점에서 장점이 있으나, 공정이 바텀업(Bottom-up) 방식에 비해 복잡하다는 단점이 있다.

또 다른 나노전극 제조 방법으로서 전자-빔 리소그래피(Electron beam lithography)를 이용한 전극 제작을 들 수 있다.

이 방법은 전자 빔을 이용하여 일정한 두께로 도포된 감광물질을 패터닝 하고 추가적인 공정을 통해 나노 기둥을 제작, 그 후 금속과 같은 전도성 물질을 증착시켜 나노전극을 제작하는 방법이다.

전자-빔 리소그래피 방법의 경우 정확한 위치의 전극 배열이 가능하다는 장점이 있으나, 고가의 장비가 요구되는 공정이며, 전자총을 이용해 하나하나 패턴을 제작해야 하므로 공정시간도 상당히 소요되며 대면적의 전극 공정이 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.

이 밖에도, 집속 이온 빔(Focused ion beam)기술을 기반으로 하여 나노전극을 제작하는 방법이 있다.

이 방법은, 상기 언급한 전자-빔 리소그래피의 방식과 유사하게 기판 위에 질화 규소(Silicon nitride)층 혹은 산화 규소(Silicon Oxide)층과 같이 마스크로 이용될 수 있는 물질로 박막을 형성하고, 집속 이온 빔을 주사하여 증착된 박막 위에 패턴을 형성하는 공정을 포함한다. 상기 공정 후 추가적인 식각 및 증착 공정을 통해 원하는 위치에 나노전극을 형성시킨다.

그러나, 집속 이온 빔을 이용한 공정 역시, 집속 이온 빔을 사출하는 장비의 가격이 매우 고가이며 패턴 형성을 위해 일일이 이온 빔을 이용하여 깎아내는 공정이 요구되기에 대면적 기판에서의 적용에는 무리가 따른다.

또 다른 나노전극 제조 방법으로서 습식 식각(Wet etching)방법을 이용한 나노전극 제작 방법을 들 수 있다.

습식 식각 방법을 이용한 나노전극 제작 방법은, 기판 위에 일반적인 리소그래피 방법으로 감광물질을 이용해 나노전극의 패턴을 형성하고, 그 위에 은(Silver; Ag)나 금(Gold; Au) 박막을 형성한뒤 리프트 오프(Lift-off)와 같은 공정을 통해 전극을 제작할 부분을 제외한 나머지 부분에 금속 박막이 증착되게 만든 뒤, 특정 화학 수용액에 함침시켜, 선택적 식각을 통해 나노전극을 제작하는 공정을 포함하는 방법이다.

이 방법은 습식 식각공정과 일반적인 포토리소그래피 공정을 이용하기 때문에, 대면적에도 패턴된 나노전극을 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 상기 언급한 습식 식각 방법을 이용한 나노전극 제작 방법은, 금속을 증착하는 과정에서 금속이 기판 표면에 매우 정교하고 고르게 형성되어야 하고, 조금의 균열(Crack)이라도 존재하게 된다면, 그 부분에서는 금속이 촉매제 역할을 못하게 되어 식각이 제대로 일어나지 않아 전극이 형성되기 힘들다는 단점을 가지고 있다.

또한, 촉매제로 이용할 시 금속의 두께가 수십 nm정도로 매우 정확해야 하는데 이것을 제어하기 또한 어려워서 반복적으로 같은 결과를 얻어내기가 쉽지 않다.

또 다른 나노전극 제조 방법으로서 바텀업(Bottom-up) 방식을 이용한 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 증착 방법을 들 수 있다.

VLS 증착 방법은, 기판 위에 전극의 씨앗(Seed)이 될 매우 작은 입자를 올려놓고 그 위에 전구체 역할을 하는 기체를 주어 플라즈마 상태에서의 반응을 통해 나노 기둥형태를 만들어 가는 방법이다.

이 방법은 공정이 단순하다는 장점이 있으나, 전극의 씨앗을 일정한 패턴으로 배열하기가 매우 힘들어, 결과적으로 나노전극이 기판 위에 임의로 배열된다는 단점을 가지고 있다. 또한, 추가적으로 씨앗을 통한 성장으로 형성된 전극은 그 형상이 위로 곧지 못하고 구불구불하게 생기거나 혹은 두께제어가 잘 되지 않아 실제로 전극으로 사용할 수 있는 것을 얻어내기가 쉽지 않다는 문제점을 가지고 있다.

한국등록특허공보 제10-1199753호 (2012년 11월 02일 등록)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 기재(template) 위에 나노입자를 일정 패턴으로 배열한 후 식각공정을 통해 나노전극을 제작함으로써, 원하는 위치에 정확하게 배열되고 원하는 두께와 높이로 제작된 나노전극을 획득할 수 있는 나노전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 나노전극을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 나노전극 제조방법은,

a) 표면에 미세 구조 패턴이 형성된 기재를 준비하는 기재준비단계;

b) 습식 두드림 방법을 이용하여 나노입자를 상기 미세 구조 패턴에 도입하는 나노입자배열단계; 및

c) 나노입자 리소그래피 방법(Nano Lithography)을 이용하여 기재를 식각하여 나노전극을 형성하는 기재식각단계;

를 포함하는 구성일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 a) 기재준비단계에서,

상기 미세 구조 패턴은, 기재 표면이 식각되어 형성된 것이거나, 기재 표면에 형성된 다른 물질이 패턴된 것일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 나노입자는, 고분자 나노 입자, 실리카계 나노 입자 및 금속 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 나노입자는, 폴리스티렌(polystyrene) 나노 입자, 실리카(silica) 나노 입자 및 금(gold) 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 b) 나노입자배열단계는:

b-1) 기재의 미세 구조 패턴 상에 나노 입자를 포함하는 콜로이드용액(colloidal solution)을 공급하는 콜로이드용액 공급단계;

b-2) 충격부재를 사용하여 콜로이드 용액이 공급된 기재의 표면을 반복적으로 두드려(tapping), 콜로이드 용액 내 나노 입자를 미세 구조 패턴에 도입시키는 나노입자도입단계; 및

b-3) 상기 기재의 표면에 잔류하는 콜로이드 용액을 제거하는 잔류용액제거단계;

를 포함하는 구성일 수 있다.

이 경우, 상기 b-2) 나노입자도입단계에서,

상기 충격부재로 기재의 표면을 기재의 표면과 수직인 방향으로 두드리는 것일 수 있다.

또한, 상기 b-2) 나노입자도입단계에서,

상기 충격부재로 두드리는 압력은, 0.8 내지 2.5 kPa 일 수 있다.

또한, 상기 b-2) 나노입자도입단계에서,

상기 충격부재로 두드리는 속도는 1 초당 0.5 내지 2 회(0.5 내지 2 Hz) 일 수 있다.

또한, 상기 충격부재는 다공성(porous) 물질로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 상기 충격부재는 우레탄계 고분자 화합물일 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 나노전극 제조방법은,

b) 습식 두드림 방법을 이용하여 나노입자를 상기 미세 구조 패턴에 도입하는 나노입자배열단계;

c) 나노입자 리소그래피 방법(Nano Lithography)을 이용하여 기재를 식각하여 나노전극을 형성하는 기재식각단계; 및

d) 상기 나노전극의 적어도 일부분을 금속물질로 코팅하는 코팅단계;

를 포함하는 구성일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 d) 코팅단계는:

d-1) 나노전극이 형성된 기재 상부면에 포토레지스트(photoresist)를 소정 두께만큼 도포하여 나노전극 일부분만이 노출되도록하는 포토레지스트 도포단계;

d-2) 포토레지스트 상부면에 금속물질을 증착하여, 일부분만이 노출된 나노전극을 금속물질로 코팅하는 금속물질 증착단계; 및

d-3) 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 포토레지스트를 제거하는 포토레지스트 제거단계;

를 포함하는 구성일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 d) 코팅단계(S140)의 금속물질(50)은 접착성 금속 또는 전도성 금속일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 d) 코팅단계(S140)의 금속물질(50)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 a) 기재준비단계에서,

일 실시예에서, 상기 b) 나노입자배열단계는:

를 포함하는 구성일 수 있다.

이 경우, 상기 b-2) 나노입자도입단계에서,

또한, 상기 b-2) 나노입자도입단계에서,

또한, 상기 충격부재는 우레탄계 고분자 화합물일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 나노전극 제조방법에 의해 제조된 나노전극을 제공할 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 나노전극을 포함하는 미세전자기계시스템(MEMS; Microelectromechanical Systems)을 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 나노전극 제조방법에 따르면, 나노입자를 원하는 위치에 정확하게 배열한 후 이를 이용하여 나노전극을 제조함으로써, 원하는 위치에 정확하게 배열된 나노전극을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 나노전극 제조방법에 따르면, 기재 표면의 미세 구조 패턴을 달리하여 나노입자를 원하는 형태로 배열할 수 있어, 원하는 두께 및 높이를 가지는 나노전극을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 나노전극 제조방법에 따르면, 건식이 아닌 습식 패터닝 방법에 의해 나노입자를 배열하여 나노전극을 제조하므로, 가루 상태의 나노입자를 취급하지 않아 인체에 무해하고 안전하며, 별도의 접착물질 제거 공정이 요구되지 않아 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 나노전극 제조방법에 따르면, 고가의 장비가 필요하지 않은 습식 두드림 방법과 단 한번의 포토리소그래피 공정을 이용하고, 본 발명에 따른 나노전극 제조방법을 구성하는 각 단계 자체가 단순하여 특별한 장치나 준비 없이도 쉽게 수행 가능하므로, 종래 기술에 따른 제조방법에 비해 제조공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 제조비용 또한 현저히 절감시킬 수 있다.

이로써 본 발명은 나노입자 리소그래피 방법 및 습식 두드림 방법을 이용하는 제조방법을 제공함으로써, 종래 제조방법 대비 공정이 단순하고 제조공정 시간 및 제조비용을 현저히 저감시킬 수 있어, 기존에 연구되어 왔던 나노전극 응용 분야에 활력을 불어 넣을 것으로 기대된다.

또한, 기재의 종류에 상관없이 대면적까지 나노 입자를 패터닝할 수 있어, 대면적에 걸쳐 나노전극을 제조할 수 있고, 결과적으로 종래 제조방법에서는 적용되기 어려웠던 나노전극 제조의 한계를 극복하고, 대량 생산이라는 요소를 갖출 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명일 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 나노전극 제조방법을 통해 나노전극을 제조하는 모습을 나타낸 측면 모식도이다.
도 3은 도 1에 도시된 나노입자배열단계를 보다 더 상세하게 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 통해 나노입자를 배열하는 모습을 순차적으로 나타낸 측면 모식도이다.
도 5는 다양한 패턴을 갖는 기재 표면에 본 발명에 따른 나노전극 제조방법을 통해 나노입자를 배열한 모습을 나타내는 사진이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 통해 나노전극을 제조하는 모습을 순차적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 도 9에 도시된 코팅단계를 더 상세하게 나타내는 흐름도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 통해 제조된 나노전극을 나타내는 전자 현미경 사진이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"제 1", "제 2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

도 1에는 본 발명일 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 나노전극 제조방법을 통해 나노전극을 제조하는 모습을 나타낸 측면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 나노전극 제조방법(S100)은, 기재준비단계(S110), 나노입자배열단계(S120) 및 기재식각단계(S130)를 포함하는 구성일 수 있다.

구체적으로, 기재준비단계(S110)는, 표면에 미세 구조 패턴(11)이 형성된 기재(10)를 준비하는 단계이다.

나노입자배열단계(S120)는, 습식 두드림 방법을 이용하여 나노입자(20)를 상기 미세 구조 패턴(11)에 도입하는 단계이다.

또한, 기재식각단계(S130)는, 나노입자 리소그래피 방법(Nano Lithography)을 이용하여 기재(10)를 식각하여 나노전극(30)을 형성하는 단계이다.

따라서, 이러한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 나노전극 제조방법(S100)은, 나노입자를 원하는 위치에 정확하게 배열한 후 이를 이용하여 나노전극을 제조할 수 있다

이하에서는, 상기 언급한 각 단계(S110, S120 및 S130)에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 3에는 도 1에 도시된 나노입자배열단계를 보다 더 상세하게 나타내는 흐름도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 통해 나노입자를 배열하는 모습을 순차적으로 나타낸 측면 모식도가 도시되어 있다. 또한, 도 5에는 다양한 패턴을 갖는 기재 표면에 본 발명에 따른 나노전극 제조방법을 통해 나노입자를 배열한 모습을 나타내는 사진이 도시되어 있다. 또한, 도 6 내지 도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 통해 나노전극을 제조하는 모습을 순차적으로 나타낸 사시도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 나노입자배열단계(S120)는 콜로이드용액 공급단계(S121), 나노입자도입단계(S122) 및 잔류용액제거단계(S123)를 포함하는 구성일 수 있다.

구체적으로, 콜로이드용액 공급단계(S121)란, 표면에 미세 구조 패턴이 형성된 기재를 준비하는 기재준비단계(S110)를 거쳐, 기재의 표면 즉, 미세 구조 패턴 상에 나노입자를 포함하는 콜로이드 용액을 공급하는 단계이다.

상기 "기재"란 다양한 소재로 가공된 기판일 수 있으며, 상기 "미세 구조 패턴"이란 상기 기재 표면이 식각되어 패턴이 형성된 것일 수도 있으며, 상기 기재 표면에 패턴된 다른 물질이 형성되어 있는 것일 수도 있다. 이러한 미세 구조 패턴이 형성된 기재는 주형(template) 역할을 하여 나노 입자가 배열되기 위한 틀을 제공한다. 본 발명은 습식(wet)으로 나노 입자가 포함된 콜로이드 용액을 사용하는 방식이며, 충격부재를 통해 반복적으로 외력을 가하는 방식이어서, 기재의 표면 패턴 구조가 곡선 등의 구조가 되어도 무방하며 광범위한 패턴에 나노 입자를 배열시킬 수 있다.

본 발명은 "건식"이 아닌 "습식" 기술에 해당하므로, 가루 형태의 나노 입자를 취급하지 않아 호흡기 질환이 발생되는 등의 인체에 유해한 위험요소가 없으며, 정전기 등으로 인한 화재 발생이나 작업성 저하 등의 문제도 발생되지 않고, 접착제 도포 공정이나, 접착제 제거 공정을 위한 별도의 전처리 혹은 후처리 공정이 요구되지 않아 경제적이다.

한편, 상기 나노 입자는 일정한 배열이 요구되는 광범위한 기술 분야의 나노 입자를 필요에 따라 차용하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고분자 나노 입자, 실리카계 나노 입자 또는 금속 나노 입자일 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리스티렌(Polystyrene) 나노 입자, 실리카(silica) 나노 입자 또는 금 나노 입자 등을 사용할 수 있다.

다음으로 나노입자도입단계(S122)란, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 충격부재(40)를 사용하여 콜로이드 용액(21)이 공급된 기재(10)의 표면을 반복적으로 두드려(tapping), 콜로이드 용액(21) 내 나노 입자(20)를 미세 구조 패턴(11)에 도입시키는 단계이다.

구체적으로, 원하는 위치에 콜로이드 용액을 두고, 위에서 연속적으로 용액이 있는 부분을 두드림(tapping)으로써 콜로이드 내에 존재하는 나노 입자가 물리적인 힘에 의해 바로 패턴된 탬플릿으로 들어갈 수 있도록 하는 방식이다. 이러한 방식을 본 명세서에서는 습식 두드림 방법이라 칭한다.

이러한 방법은, 직접적인 외력으로 나노 입자를 미세 구조 패턴에 도입시키기 때문에 매우 빠르고 정확하다는 장점을 가지고 있다.

또한 직접적으로 외력을 가하기 때문에 템플릿의 패턴 구조에 영향을 받지 않고 나노 입자가 들어갈 수 있는 구조라면 어떠한 경우에도 적용 가능하며, 반복적으로 외력을 가할 수 있기 때문에 패턴된 영역에 나노 입자가 완벽하게 배열되도록 할 수 있다.

이러한 장점을 통해 나노 입자 패턴 구조의 적용 범위를 확대시키는데 기여할 수 있다. 이때 충격부재로 기재의 표면을 기재 표면으로부터 수직인 방향, 즉 기재의 표면의 법선 방향으로 두드리는 것이 바람직하다.

도 5에 도시된 바와 같이, a 내지 f 까지 다양한 크기 및 형상의 표면 패턴에도 정확하고 일관적으로 나노 입자가 배열된 것을 확인할 수 있다.

뿐만 아니라 두드리는 힘이나 속도를 조절하여 기재의 표면이 받게 되는 힘이나 하중(stress)의 크기도 조절할 수 있기 때문에 반복적인 두드림에도 기재의 표면 손상 없이 안정적으로 나노 입자의 배열 구조를 얻을 수 있다.

충격부재(40)로 기재(10) 표면을 두드리는 압력의 경우 기재의 종류, 표면에 형성된 패턴의 기계적 물성, 배열하기 위한 나노 입자의 종류 등에 따라 적절한 범위로 가해져야 하며, 더욱 상세하게는 0.8 내지 2.5 kPa의 압력 범위 내에서 제어되는 것이 바람직하다. 두드리는 압력이 0.8 kPa 미만인 경우에는 두드리는 힘이 부족하여 오랜 시간이 소요되므로 비효율적이고, 2.5 kPa를 초과하는 경우에는 기재의 표면 구조가 손상될 위험이 있다.

충격부재(40)로 기재(10) 표면을 두드리는 속도의 경우에도 마찬가지로 기재의 종류, 표면에 형성된 패턴의 기계적 물성, 배열하기 위한 나노 입자의 종류 등에 따라 적절한 범위로 설정되어야 하며, 더욱 상세하게는 1초당 0.5 내지 2회 즉, 0.5 내지 2Hz의 범위로 제어되는 것이 바람직하다. 두드리는 속도 내지 진동수가 0.5 Hz 미만인 경우에는 공정에 소요되는 시간이 과도하며, 2 Hz를 초과하는 경우에는 기재 표면에 과도한 물리적인 하중이 가해져 손상의 위험이 있고 콜로이드 용액 내 나노 입자의 적정한 배열을 유도하기 어렵다는 단점이 있다.

한편, 기재(10)의 표면을 두드리는데 사용되는 충격부재(40)는 다공성(porous) 구조를 갖는 물질이든, PDMS(PolyDimethylSiloxane)과 같은 고분자 물질이나 금속 등과 같이 조밀한(dense) 구조를 갖는 물질이든 기재의 표면에 일정한 물리적인 외압을 가할 수 있다면 무관하게 적용가능하다.

바람직하게는 습식 배열 방식에 적합하면서 기재 표면에 가해지는 물리적 충격을 완화시키기 위하여 일정한 다공성 구조를 갖는 물질로 충격부재를 구성할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 우레탄계 고분자 화합물로 구성할 수 있고, 바람직한 실시예로서 폴리우레탄(Polyurethane, PU) 수지를 들 수 있다.

또한, 콜로이드 용액을 기재의 표면 상에 뿌리는 형태로 공급한 뒤에 충격부재를 사용하여 두드려서 입자를 패터닝 할 수 있는 반면에, 다공성의 충격부재를 사용하여 일정량의 콜로이드 용액을 충격부재의 다공성 재질로 구성된 부분에 담지시킨 후 두드려서 입자를 패터닝할 수도 있다. 또한 다양한 용액에 대해 기재 표면의 영역 별로 구분하여 두드려 패터닝 함으로써 한 기판에 다양한 종류의 나노 입자를 패터닝할 수 있고, 두드리는 힘에 변화를 주어 배열의 구조적인 결과를 조절할 수 있다.

다음으로 잔류용액제거단계(S123)란, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 제거도구(90)를 사용하여 기재(10)의 표면에 잔류하는 콜로이드 용액(21)을 제거하는 단계이다.

이때 제거도구(90)는 충격부재(40)와 동일한 소재일 수 있다. 이 경우, 제거도구(90)는 기재(10) 표면에 잔류하는 콜로이드 용액(21)을 일측방향으로 쓸어 제거할 수 있는 납작한 판상형 형상일 수 있다.

또한, 제거도구(90) 대신 충격부재(40)를 이용하여 기재(10) 표면에 평행한 방향으로 쓸어내듯이 잔류하는 콜로이드 용액(21)을 제거할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 실시예에 따른 나노전극 제조방법(S100)은, 기재식각단계(S130)를 포함하는 구성일 수 있다.

구체적으로, 기재식각단계(S130)는, 도 2의 (c), 도 4의 e 및 도 7의 (e)에 도시된 바와 같이, 나노입자를 식각 마스크로 하는 나노입자 리소그래피 방법(Nano Lithography)을 이용하여 기재(10)를 식각하여 나노전극(30)을 형성하는 단계이다.

따라서, 이러한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 나노전극 제조방법(S100)은, 나노입자를 원하는 위치에 정확하게 배열한 후 이를 이용하여 나노전극을 제조함으로써, 원하는 위치에 정확하게 배열된 나노전극을 제조할 수 있다. 또한, 기재 표면의 미세 구조 패턴을 달리하여 나노입자를 원하는 형태로 배열할 수 있어, 원하는 두께 및 높이를 가지는 나노전극을 제조할 수 있다

도 9에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있고, 도 10에는 도 9에 도시된 코팅단계를 더 상세하게 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.

이들 도면을 도 6 내지 도 8과 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 나노전극 제조방법(S100')은, 상기 언급한 제 1 실시예에 따른 나노전극 제조방법(S100)에 코팅단계(S140)더 포함하는 구성일 수 있다.

구체적으로, 코팅단계(S140)란, 나노전극(30)의 적어도 일부분을 금속물질(50)로 코팅하는 단계이다.

이때, 나노전극(30)에 코팅되는 금속물질(50)은 접착성 금속 또는 전도성 금속일 수 있다. 더욱 구체적으로, 금속물질(50)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있다. 나노전극(30)의 일부분에 코팅된 이러한 금속물질(50)은 나노전극(30)의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하에서는 상기 언급한 코팅단계(S140)에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 코팅단계(S140)는, 포토레지스트 도포단계(S141), 금속물질 증착단계(S142) 및 포토레지스트 제거단계(S143)를 포함하는 구성일 수 있다.

구체적으로, 포토레지스트 도포단계(S141)는, 도 8의 (g)에 도시된 바와 같이, 나노전극(30)이 형성된 기재(10) 상부면에 포토레지스트(photoresist, 60)를 소정 두께만큼 도포하여 나노전극(30) 일부분만이 노출되도록 하는 단계이다.

경우에 따라서, 나노전극(30)이 형성된 기재(10)의 표면에 질화규소(80) 층을 증착시켜 포토레지스트(60)가 기재(10)의 상부면에 안정적으로 도포되어, 차후 나노전극(30)에 손상을 가하지 않으며 제거될 수 있도록 할 수 있다.

다음으로, 금속물질 증착단계(S142)는, 도 8의 (h)에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(60) 상부면에 금속물질(50)을 증착하여, 일부분만이 노출된 나노전극(30)을 금속물질(50)로 코팅하는 단계이다.

마지막으로, 포토레지스트 제거단계(S143)는, 도 8의 (i)에 도시된 바와 같이, 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 포토레지스트(50)를 제거하는 단계이다.

결과적으로, 본 실시예에 따른 나노전극 제조방법(S100')은, 상기 언급한 일련의 단계를 통해 일부분이 또 다른 금속물질로 코팅된 나노전극을 제조할 수 있다.

도 11 및 도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전극 제조방법을 통해 제조된 나노전극을 나타내는 사진이 도시되어 있다.

본 발명은 상기 언급한 나노전극 제조방법(S100, S100')을 사용하여 제조된 나노전극을 제공할 수 있다.

도 11 및 도 12에 도시된 사진은 나노전극의 일부분이 금으로 코팅된 나노전극이다.

이러한 나노전극은 마이크로 및 나노 규모와 같은 미시적 단위에서의 전기적 신호 측정 및 감지가 가능한 구조로서, 다양한 목적에 따라 활용될 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

10: 기재
11: 미세 구조 패턴
20: 나노입자
21: 콜로이드용액(Colloidal solution)
30: 나노전극
40: 충격부재
50: 금속물질
60: 포토레지스트(photoresist)
70: 폴리이미드 필름(polyimide film)
80: 질화규소(Si₃N₄)
90: 제거도구
S100: 본 발명의 제 1 실시예에 따른 나노전극 제조방법
S100': 본 발명의 제 2 실시예에 따른 나노전극 제조방법
S110: 기재준비단계
S120: 나노입자배열단계
S121: 콜로이드용액 공급단계
S122: 나노입자도입단계
S123: 잔류용액제거단계
S130: 기재식각단계
S140: 코팅단계
S141: 포토레지스트 도포단계
S142: 금속물질 증착단계
S143: 포토레지스트 제거단계

Claims

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나노전극을 제조하는 방법(S100')에 있어서,
a) 표면에 미세 구조 패턴(11)이 형성된 기재(10)를 준비하는 기재준비단계(S110);
b) 습식 두드림 방법을 이용하여 나노입자(20)를 상기 미세 구조 패턴(11)에 도입하는 나노입자배열단계(S120);
c) 나노입자 리소그래피 방법(Nano Lithography)을 이용하여 기재(10)를 식각하여 나노전극(30)을 형성하는 기재식각단계(S130); 및
d) 상기 나노전극(30)의 적어도 일부분을 금속물질(50)로 코팅하는 코팅단계(S140);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 d) 코팅단계(S140)는:
d-1) 나노전극(30)이 형성된 기재(10) 상부면에 포토레지스트(photoresist, 60)를 소정 두께만큼 도포하여 나노전극(30) 일부분만이 노출되도록하는 포토레지스트 도포단계(S141);
d-2) 포토레지스트(60) 상부면에 금속물질(50)을 증착하여, 일부분만이 노출된 나노전극(30)을 금속물질(50)로 코팅하는 금속물질 증착단계(S142); 및
d-3) 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 포토레지스트(50)를 제거하는 포토레지스트 제거단계(S143);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 d) 코팅단계(S140)의 금속물질(50)은 접착성 금속 또는 전도성 금속인 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 d) 코팅단계(S140)의 금속물질(50)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 백금(Pt), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 a) 기재준비단계(S110)에서,
상기 미세 구조 패턴(11)은, 기재(10) 표면이 식각되어 형성된 것이거나, 기재(10) 표면에 형성된 다른 물질이 패턴된 것임을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 나노입자(20)는, 고분자 나노 입자, 실리카계 나노 입자 및 금속 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 나노입자(20)는, 폴리스티렌(polystyrene) 나노 입자, 실리카(silica) 나노 입자 및 금(gold) 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 b) 나노입자배열단계(S120)는:
b-1) 기재(10)의 미세 구조 패턴(11) 상에 나노 입자(20)를 포함하는 콜로이드용액(colloidal solution, 21)을 공급하는 콜로이드용액 공급단계(S121);
b-2) 충격부재(40)를 사용하여 콜로이드 용액(21)이 공급된 기재(10)의 표면을 반복적으로 두드려(tapping), 콜로이드 용액(21) 내 나노 입자(20)를 미세 구조 패턴(11)에 도입시키는 나노입자도입단계(S122); 및
b-3) 상기 기재(10)의 표면에 잔류하는 콜로이드 용액(21)을 제거하는 잔류용액제거단계(S123);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 18 항에 있어서,
상기 b-2) 나노입자도입단계(S122)에서,
상기 충격부재(40)로 기재(10)의 표면을 기재(10)의 표면과 수직인 방향으로 두드리는 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 18 항에 있어서,
상기 b-2) 나노입자도입단계(S122)에서,
상기 충격부재(40)로 두드리는 압력은, 0.8 내지 2.5 kPa 인 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 18 항에 있어서,
상기 b-2) 나노입자도입단계(S122)에서,
상기 충격부재(40)로 두드리는 속도는 1 초당 0.5 내지 2 회(0.5 내지 2 Hz) 인 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 18 항에 있어서,
상기 충격부재(40)는 다공성(porous) 물질로 이루어진 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
제 18 항에 있어서,
상기 충격부재(40)는 우레탄계 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 나노전극 제조방법.
상기 제 11 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 나노전극 제조방법(S100, S100')에 의해 제조된 나노전극(30).
상기 제 24 항에 따른 나노전극(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세전자기계시스템(MEMS; Microelectromechanical Systems).