KR101502278B1 - 미세구조 제조방법 및 그에 의해 제조된 전극구조 - Google Patents

미세구조 제조방법 및 그에 의해 제조된 전극구조 Download PDF

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Abstract

파라핀 왁스를 이용하여 나노 물질 미세구조를 제조하는 방법이 제공된다. 파라핀 왁스층에 마스터 패턴을 프레싱하여 음각 패턴을 형성하고, 음각 패턴의 홈 내부에 나노 물질 서스펜션을 채운다. 서스펜션이 친수성 용매를 포함하도록 하여 서스펜션이 음각 패턴의 홈에만 자연스럽게 채워지게 된다. 용매가 증발하고 난 후, 나노물질을 열처리하면서 동시에 파라핀 왁스층을 제거함으로써 나노물질의 미세구조를 형성할 수 있다.

Description

미세구조 제조방법 및 그에 의해 제조된 전극구조{METHOD FOR MANUFACTURING MICRO STRUCTURE AND ELECTRODE STRUCTURE PRODUCED THEREBY}
본 발명은 미세구조 제조 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파라핀 왁스와 인쇄 공정을 이용하여 저온에서 규칙적인 나노 물질 미세구조를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 전극구조에 관한 것이다.
발광 소자나 태양 전지와 같이 광 투과가 필요한 전자 소자의 투명 전극으로는 주로 ITO(Indium tin oxide; ITO)가 적용되고 있다. 그러나 ITO는 자원의 고갈에 따른 원자재비용의 상승 문제, 환경오염 문제, 그리고 플렉서블 전자소자에 적용하기가 어렵다는 문제가 있다.
따라서 ITO를 대체하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 은 나노 물질을 이용하여 와이어 코팅을 하거나 인쇄전자를 이용한 은 격자 패터닝, 그라핀 코팅 등에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 이들과 같이 나노 물질을 이용하거나 인쇄전자를 이용하는 미세공정은 원하는 패턴의 미세구조를 얻기까지의 공정이 매우 복잡하다는 단점이 있다.
대한민국 특허 공개 10-2009-0110739
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안하여 파라핀 왁스를 이용하여 용이하게 나노물질 미세구조를 형성할 수 있는 미세구조 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 상술한 개선된 방법으로 제조되는 나노물질 미세구조를 제공한다.
본 발명은 미세구조 제조방법을 제공하며, 이는: 기판 상에 파라핀 왁스층을 형성하는 단계; 파라핀 왁스층에 음각 패턴을 형성하는 단계; 나노 물질 서스펜션을 음각 패턴의 홈 내부에 채우는 단계; 서스펜션으로부터 용매를 증발시키는 단계; 및 파라핀 왁스층을 제거하는 단계;를 포함하여, 음각 패턴의 형상을 가지는 나노 물질의 미세구조가 형성된다.
음각 패턴은 마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드로 파라핀 왁스층을 프레싱하여 형성한다.
음각 패턴은 스트라이프형 또는 격자형일 수 있다.
음각 패턴이 형성된 파라핀 왁스층은 종단면이 실질적인 삼각형일 수 있다.
서스펜션은 은나노 서스펜션일 수 있다.
파라핀 왁스층의 제거는 열분해를 이용하며, 파라핀 왁스층의 열분해는 미세구조의 열처리와 겸할 수 있다.
서스펜션의 용매는 친수성일 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 제조 방법에 의해 제조된 전극구조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 파라핀 왁스를 이용하여 나노 물질 미세구조를 용이하게 제조할 수 있는 방법이 제공된다. 파라핀 왁스층에 마스터 패턴을 프레싱하여 음각 패턴을 형성하고, 나노 물질 서스펜션을 음각 패턴의 홈에 채우는 간단한 방식으로 투명전극 등에 적용될 수 있는 나노 물질 미세구조가 얻어질 수 있다. 친수성 용매를 포함하는 나노 물질 서스펜션을 소수성 파라핀 왁스층 상에 공급함으로써 파라핀 왁스층의 음각 패턴에 서스펜션이 자연스럽게 채워지게 된다. 또한 본 발명의 제조 방법에서는 미세구조가 형성된 후에 파라핀 왁스층의 제거가 나노 물질 미세구조의 열처리 과정과 동시에 수행될 수 있기 때문에, 공정이 매우 간단하다. 이러한 나노물질 미세구조는 전도성과 광투과성이 모두 요구되는 태양전지 또는 디스플레이의 전극 등에 바람직하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세구조 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세구조 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제조 방법의 과정에서 형성된 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층을 나타내는 사진으로서, (a)는 제1실시예에서 형성된 다수개의 프리즘형 구조로 이루어진 파라핀 왁스층을 나타내고, (b)는 제2실시예에서 형성된 다수개의 피라미드형 구조로 이루어진 파라핀 왁스층을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제조 방법의 과정에서 파라핀 왁스층의 음각 패턴 홈 내부에 배열된 나노 물질을 보여주는 사진으로서, (a)는 제1실시예에서 형성된 스트라이프형 패턴의 나노 물질 배열을 보여주고, (b)는 제2실시예에서 형성된 격자형 패턴의 나노 물질 배열을 보여준다.
도 6은 본 발명의 미세구조 제조 방법에 의해 형성된 나노 물질 미세구조를 보여주는 사진으로서, (a)는 제1실시예에 따라 형성된 스트라이프 패턴의 나노 물질 미세구조를 보여주고, (b)는 제2실시예에 따라 형성된 격자 패턴의 나노 물질 미세구조를 보여준다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저 간략히 설명하면, 본 발명은 소수성 파라핀 왁스를 이용하여 미세구조를 제조하는 방법을 제공한다. 파라핀 왁스층을 미세구조를 형성하기를 소망하는 표면에 적층한 후 미세구조의 마스터패턴으로 프레싱하여 음각 패턴을 형성한다. 음각 패턴은 그루브형의 프리즘 또는 격자형 패턴일 수 있다. 이후 미세구조 형성을 위한 나노 물질 서스펜션을 파라핀 왁스층의 음각 패턴의 홈 내부에 채운다. 나노 물질 서스펜션의 용매가 물이나 친수성 물질이라면 파라핀 왁스가 소수성이기 때문에 자연스럽게 나노 물질 서스펜션이 홈 내부로 채워질 수 있을 것이다. 이후 용매를 증발시키고 파라핀 왁스층을 열분해함으로써 프리즘 패턴 또는 격자형 패턴의 미세구조가 형성된다. 바람직하게는 은나노와 같이 투명전극으로 형성될 수 있는 나노 물질로 미세구조를 형성할 경우에는 컨택저항을 줄이기 위해 열처리를 수행할 수 있으며, 이때는 열처리를 수행하면서 파라핀 왁스층의 열분해를 겸할 수 있다.
이러한 본 발명은 비교적 낮은 온도에서 터치스크린, 플렉서블 디스플레이, 솔라셀 등의 투명전극으로 적용될 수 있는 규칙적인 미세구조를 용이하게 형성할 수 있다.
이하에서는 도 1, 도 3, 도 4의 (a), 도 5의 (a), 및 도 6의 (a)를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세구조 제조 방법의 과정을 도시한 도면이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 제조 방법으로 제조되는 미세구조는 스트라이프(stripe) 패턴을 가진다. 먼저, 스트라이프형의 마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드를 준비하며, 마스터 몰드는 탄성을 가지는 PDMS로 제조될 수 있다.
마스터 몰드가 준비된 후, 도 1의 (a) 및 도 3의 (a)과 같이 미세구조를 형성할 기판(10)을 준비한다. 여기에 적용되는 기판(10)은 특별한 제약이 있는 것은 아니나, 미세구조를 형성하고자 하는 표면을 제공하는 기재일 수 있다. 예컨대 기판(10)은 유리 기판일 수 있다.
다른 예로서, 기판(10)은 미세구조를 형성하는 데에만 이용되는 희생기판일 수 있고, 그 위에 형성된 미세구조는 다른 구조체로 전사되거나 이동될 수도 있다.
이어, 도 1의 (b) 및 도 3의 (b)에서와 같이, 기판(10) 상에 파라핀 왁스층(20)을 형성한다. 파라핀 왁스층(20)은 예를 들어 스핀코팅을 이용할 수 있다.
여기에서 이용되는 파라핀 왁스는 알케인(CnH2n+2) 계열로서 저온에서 압력에 의해 쉽게 변형이 가능하고, 압력이 제거된 후 변형된 형태가 유지된다. 따라서 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서는 마스터 패턴을 눌러서 파라핀 왁스층에 음각 패턴을 형성하는 과정을 진행한다.
이를테면, 도 1의 (c) 및 도 3의 (c)와 같이, 미리 준비된 마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드(30)를 파라핀 왁스층(20)에 프레싱하여 음각 패턴을 형성한다. 마스터 몰드(30)를 제거한 후 음각 패턴이 형성된 파라핀 왁스층(210)은 도 1의 (d) 및 도 3의 (d)에서 확인할 수 있다.
마스터 패턴은 얻고자 하는 미세구조의 패턴과 동일 또는 유사한 패턴으로서 마스터 몰드에 양각으로 형성된 형태이다. 마스터 몰드(30)는, 상술한 바와 같이 PDMS 등으로 제작되어 탄성을 가지는 것일 수 있다.
도 1의 (c) 도 3의 (c)에서와 같이 마스터 몰드(30)의 마스터 패턴을 파라핀 왁스층(20)에 접촉한 후 파라핀 왁스의 용융온도 이하에서 압력을 가하면 마스터 패턴이 전사되어 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층(210)이 형성된다. 참고적으로, 음각 패턴이 형성된 파라핀 왁스층(210)은 파라핀 몰드라고도 칭할 수 있다.
제1실시예에 따라 제조된, 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층(210)은 도 1의 (d)와 도 3의 (d)에서 보이는 바와 같이 다수개의 프리즘형 구조(212)로 이루어진다. 이러한 프리즘형 구조(212)는 실질적으로 종단면이 삼각형 일 수 있다.
도 4의 (a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 미세구조 제조 방법의 과정에서 형성된 다수개의 프리즘 구조로 이루어진 파라핀 왁스층(210)에 대한 전자현미경 사진이다. 도 4의 (a)는 평면 사진이며, 다수개의 프리즘형 구조(212)들 각각이 서로 이격되어 배열된 상태를 보여준다.
도 1의 (d)와 도 3의 (d)에서 알 수 있는 바와 같이 프리즘형 구조(212)의 파라핀 왁스는 종단면이 실질적으로 삼각형이며, 이러한 다수개의 프리즘형 구조(212)들 사이에 그루브홈(211)이 형성된다.
이와 같이 프리즘형 구조(212)들이 서로 이격되어 배열되기 때문에, 도 1의 (d), 도 3의 (d) 및 도 4의 (a)에서 보이는 바와 같이, 프리즘형 구조(212)들 사이에는 기판(10)의 표면이 노출된다. 이 경우는 기판(10)의 노출된 표면에 본 발명의 미세구조가 형성된다.
그러나, 기판(10)이 희생기판으로 사용되는 경우, 즉 미세구조가 다른 구조체로 이동되거나 전사될 경우에는, 프리즘형 구조(212)들이 서로 이격되거나 이격되지 않는 구조가 모두 적용될 수 있다.
다음에, 도 1의 (e) 및 도 3의 (e)와 같이, 나노 물질 서스펜션(41)을 음각 패턴의 그루브홈(211) 내부, 즉 프리즘형 구조(212)들 사이에 채운다. 바람직하게 나노 물질 서스펜션(41)은 물, 알콜 등과 같은 친수성 용매를 포함할 수 있다. 이 경우, 소수성 파라핀 왁스인 프리즘형 구조(212) 상면으로 나노 물질 서스펜션(41)을 공급하면 자연스럽게 음각 패턴의 그루브홈(211) 내부에만 채워지게 된다.
더욱 바람직하게는 프리즘형 구조(212)가 이러한 삼각형 구조를 갖기 때문에 친수성 용매를 포함하는 나노 물질 서스펜션(41)이 더욱 쉽게 그루브홈(211) 내부로 채워질 수 있다.
나노 물질 서스펜션(41)으로부터 용매가 증발되고 나면, 나노 입자가 파라핀 프리즘형 구조(212) 사이의 그루브홈(211)에서 정렬된다.
도 5의 (a)는 본 발명의 제1실시예에 제조 방법의 과정에서 파라핀 왁스층의 음각 패턴의 홈 내부에 은나노 물질의 배열을 보여주는 전자현미경 사진이다. 사진에서 보이는 바와 같이 은나노 막대가 음각 패턴의 그루브홈(211) 내부에서 정렬된 것을 알 수 있다.
도 1의 (f) 및 도 3의 (f)와 같이, 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층(210)을 제거한다. 파라핀 왁스의 제거는 열분해를 이용할 수 있는데, 바람직하게는 나노 물질 미세구조의 열처리를 수행하면서 동시에 파라핀 왁스층(210)이 제거되도록 할 수 있다. 예를 들어, 은나노 막대를 이용한 전극 제조에서는 컨택저항을 줄이기 위해 약 200도에서 열처리를 수행하며, 이러한 열처리 과정에서 파라핀 왁스가 열분해되도록 할 수 있다. 이러한 열처리 과정에서 파라핀 왁스층(210)은 완전히 제거되고 은나노 막대의 배열만 유지된다.
도 6의 (a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 제조방법으로 제조된 은나노 미세 구조에 대한 전자현미경 사진이다. 사진에서 은나노 막대의 선형 배열을 확인할 수 있고, 이는 전기전도성을 가지면서 광투과도를 높일 수 있어서 투명전극에 적용할 수 있는 미세구조를 제공하게 된다.
이하에서는 도 2의 (a) 내지 (f), 도 4의 (b), 도 5의 (b), 및 도 6의 (b)를 참조하여 제2실시예에 따른 미세구조 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 제2실시예의 제조방법에서는 격자 패턴의 미세구조가 제조된다. 격자 패턴의 미세구조의 형성은 격자형(그리드형)의 마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드로 프레싱하거나, 제1실시예에 이용된 스트라이프형의 마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드(30)로 1차 프레싱하고 나서 90도 회전시켜서 다시 2차 프레싱하는 방식으로도 구현될 수 있다.
그 외, 제2실시예의 제조방법은 제1실시예와 동일하거나 유사하며, 이하에서는 간략하게 설명한다. 참고로, 동일하거나 유사한 요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
도 2의 (a)와 같이 기판(10)을 준비하고, 도 2의 (b)와 같이 기판(10) 상에 파라핀 왁스층(20)을 형성한다. 파라핀 왁스층(20)에 마스터 몰드(30)를 프레싱하여 격자형 음각 패턴을 형성한다(도 2의 (c) 와 (d)).
제2실시예에서 형성되는 음각 패턴은 격자형이며, 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층(220)은 다수개의 피라미드 구조(222)로 이루어진다. 이들 피라미드 구조(222) 역시 종단면이 실질적으로 삼각형이며, 상술한 바와 같이 미세구조가 기판(10) 상에 설치될 경우에는 피라미드 구조들은 서로 이격되어 배열될 수 있다.
격자형 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층(220) 상에 나노 물질 나노 물질 서스펜션(42)을 공급하여 음각 패턴의 그루브홈(221)에 채운다. 서스펜션(42)은 물이나 알콜과 같은 친수성 용매를 포함하는 것일 수 있다. 용매가 증발된 후, 열분해를 이용하여 파라핀 왁스층(220)을 제거한다. 이때도 마찬가지로, 나노 물질의 열처리를 수행할 때 동시에 파라핀 왁스층(20)이 제거되도록 할 수 있다.
도 4의 (b)는 제2실시예의 과정에서 형성된 격자형 음각 패턴을 가지는 파라핀 왁스층(220)을 보여주는 전자현미경 사진이다. 여기서 다수개의 피라미드 구조 배열로 이루어진 파라핀 왁스층(220)을 확인할 수 있다. 도 5의 (b)는 도 4의 (b)에서 형성된 격자형 음각 패턴의 그루브홈(221) 내에 은나노 막대가 격자형으로 배열된 것을 보여주는 사진이다. 도 6의 (b)는 열처리를 통해 파라핀 왁스층(20)을 제거한 후 은나노 막대의 배열을 보여주는 사진이다.
이상과 같이, 본 발명의 미세구조 제조 방법에 따르면 스트라이프형 또는 격자형 나노 물질 미세구조를 파라핀 왁스를 이용하여 용이하게 형성할 수 있다. 은나노와 같은 전도성 물질을 이용하여 이러한 미세구조를 제조하면 전도성을 가지면서 높은 광투과성이 요구되는 태양전지의 투명전극, 디스플레이 소자의 터치 패널 등에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 기판 20, 210, 220: 파라핀 왁스층
211, 221: 그루브홈 30: 마스터 몰드
41, 42: 나노 물질 서스펜션

Claims (13)

  1. 기판 상에 파라핀 왁스층을 형성하는 단계;
    마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드로 상기 파라핀 왁스층을 프레싱하여 상기 파라핀 왁스층에 음각 패턴을 형성하는 단계;
    친수성 용매를 가지는 나노 물질 서스펜션을 상기 음각 패턴의 홈 내부에 채우는 단계;
    상기 서스펜션으로부터 용매를 증발시키는 단계; 및
    상기 파라핀 왁스층을 열분해를 이용하여 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 음각 패턴은 스트라이프형 또는 격자형 형상을 가짐으로써 나노 물질의 미세구조가 스트라이프형 또는 격자형으로 형성되며,
    상기 파라핀 왁스층의 열분해는 상기 미세구조의 열처리와 겸하며,
    상기 음각 패턴이 형성된 상기 파라핀 왁스층은 종단면이 실질적인 삼각형인 것을 특징으로 하는, 미세구조 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 서스펜션은 은나노 서스펜션인 것을 특징으로 하는 미세구조 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 마스터 패턴을 가지는 마스터 몰드로 파라핀 왁스층을 프레싱하여 파라핀 왁스층에 얻고자 하는 미세구조 형태의 음각 패턴을 형성하는 단계;
    상기 음각 패턴의 홈 내부에 친수성 용매를 가지는 은나노 서스펜션을 채우는 단계; 및
    상기 은나노 서스펜션에 대한 열처리를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 음각 패턴은 스트라이프형 또는 격자형 형상을 가짐으로써 나노 물질의 미세구조가 스트라이프형 또는 격자형으로 형성되며,
    상기 음각 패턴이 형성된 파라핀 왁스층은 종단면이 실질적인 삼각형이며,
    파라핀 왁스층은 상기 열처리 과정에서 제거되는 것을 특징으로 하는 미세구조 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 상기 청구항 1, 5, 및 9 중 어느 하나의 미세구조 제조방법에 의해 제조되어 스트라이프형 또는 격자형으로 이루어진 전극구조.
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