KR101595953B1 - 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 산화철 마이크로와이어 패턴 - Google Patents
산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 산화철 마이크로와이어 패턴 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 산화철 마이크로와이어 패턴에 관한 것으로, 상세하게는 기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계(단계 1); 및 상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 조사하는 단계(단계 2);를 포함하되, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 하는 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 따르면, 산화철 전구체 용액에 산화철 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 파장의 가시광 레이저를 조사함으로써, 씨드 층(seed layer) 없이도 낮은 온도 및 상압에서 산화철 마이크로와이어를 합성함과 동시에 별도의 공정 없이 패터닝을 함께 수행할 수 있다. 또한, 마이크로와이어의 길이가 120 ㎛까지 성장가능하며 레이저의 방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장방향을 조절할 수 있으므로 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 응용분야에 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 따르면, 산화철 전구체 용액에 산화철 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 파장의 가시광 레이저를 조사함으로써, 씨드 층(seed layer) 없이도 낮은 온도 및 상압에서 산화철 마이크로와이어를 합성함과 동시에 별도의 공정 없이 패터닝을 함께 수행할 수 있다. 또한, 마이크로와이어의 길이가 120 ㎛까지 성장가능하며 레이저의 방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장방향을 조절할 수 있으므로 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 응용분야에 사용할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 산화철 마이크로와이어 패턴에 관한 것으로, 구체적으로는 전구체 용액에 특정 파장을 갖는 가시광 레이저를 조사함으로써 산화철 마이크로와이어의 생성과 패턴 생성을 동시에 수행하며, 와이어의 성장방향을 조절할 수 있는 발명에 관한 것이다.
산화철은 낮은 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 센서(sensor), 광촉매(photocatalyst), 물 분해(water splitting) 등의 분야에서 자주 사용되는 물질이다. 현재까지 다양한 산화철 나노/마이크로 구조체가 합성되어 왔는데, 기존의 방법들은 증발(evaporation)이나 열산화(thermal oxidation)를 이용한 방법들을 주로 사용하여 고온 및 고압을 필요로 한다는 단점이 있었다.
하지만 근래에 발명된 열수합성법에 의해 낮은 온도의 용액 상에서 이러한 구조체를 합성할 수 있게 되어 관련 분야에 대한 연구가 빠르게 증가하고 있는 추세이다.
합성된 산화철 구조체를 응용하기 위해서는 이를 다시 원하는 위치에 패터닝해야 하는데 이를 위해 현재까지 리소그래피(lithography), 유전이동(dielectrophoresis), 미세유체공학(microfluidics) 및 마이크로 접촉 프린팅(micro contact printing) 등의 다양한 방법이 사용되어왔다.
하지만 이러한 방법들은 대게 패터닝을 위해 공정 수가 크게 늘어나거나 고가이며 시간이 많이 소요된다는 문제점을 가지고 있다. 더욱이 이러한 방법들을 타 3D 구조물에 적용시키기에는 용이하지 않다.
산화철의 패터닝 방법과 관련된 종래의 기술로써, 대한민국 공개특허 제10-2014-0072303호에서 수열합성법을 이용한 대면적 Fe2O3 물분해용 광전극 제조 방법 및 그 광전극의 제조방법을 개시하고 있다. 구체적으로는 투명전도성 기재를 제공하는 단계; 상기 투명전도성 기재 상에 소정 간격의 마스크 패턴을 형성하는 단계; 수열합성법으로, 상기 마스크 패턴이 규정하는 상기 투명 전도성 기재의 개방 영역에 반도체 산화물 전구체 패턴을 형성하는 단계; 상기 투명전도성 기재상의 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계; 상기 반도체 산화물 전구체 패턴이 형성된 투명전도성 기재를 열처리하여 반도체 산화물 전극부를 형성하는 단계; 및 상기 제거된 마스크 패턴에 대응하는 영역에 금속 전극부를 형성하는 단계를 포함하는 물분해용 광전극의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 방법에서는 Fe2O3 나노/마이크로 와이어와 같은 미세구조를 이용하여 패턴을 형성하고 있지 않으며, 패턴 형성을 위해 별도의 마스크를 사용하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0716937호에서는 나노와이어 소자 제조 방법에 관하여 개시하고 있다. 구체적으로 실리콘 제 1 기판을 패턴화하는 단계; 상기 실리콘 제 1 기판에 지지기둥 구조물 및 하부에 언더컷 형상을 가진 수직의 트랜치 구조물을 형성하도록 건식식각하는 단계; 상기 실리콘 제 1 기판을 열산화시켜 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 상기 실리콘 나노와이어가 상기 실리콘 제 1 기판으로부터 릴리즈되도록 상기 실리콘 제 1 기판에 형성된 열산화막을 식각하는 단계; 상기 실리콘 제 1 기판의 실리콘 나노와이어를 제 2 기판으로 트랜스퍼시키는 단계; 및 상기 제 2 기판에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 나노와이어 소자 제조 방법을 제공하고 있다.
그러나, 상기 방법은 패터닝 단계와 나노와이어 생성 단계가 구분되어 있
어 공정이 복잡한 단점이 있다.
이에, 본 발명의 발명자들은 특히 산화철의 마이크로 구조물을 생성함과 동시에 패터닝하는 방법을 연구하던 중, 전구체 용액 상에 원하는 위치에만 선택적으로 특정 파장 범위의 가시광 레이저를 조사함으로써 산화철의 마이크로와이어가 합성되며 패터닝 할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은,
산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은,
상기 제조방법에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은,
상기 산화철 마이크로와이어 패턴을 포함하는 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은,
산화철 마이크로와이어 패턴 상의 마이크로와이어의 성장방향 조절 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계(단계 1); 및
상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 조사하는 단계(단계 2);를 포함하되, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 하는 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
상기 제조방법에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴을 제공한다.
나아가, 본 발명은,
상기 산화철 마이크로와이어 패턴을 포함하는 센서를 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은,
기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계(단계 1); 및
상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 방향을 조절하며 조사하는 단계(단계 2);를 포함하되, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 하는 산화철 마이크로와이어 패턴 상의 마이크로와이어의 성장방향 조절 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 따르면, 산화철 전구체 용액에 산화철 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 파장의 가시광 레이저를 조사함으로써, 씨드 층(seed layer) 없이도 낮은 온도 및 상압에서 산화철 마이크로와이어를 합성함과 동시에 별도의 공정 없이 패터닝을 함께 수행할 수 있다. 또한, 마이크로와이어의 길이가 120 ㎛까지 성장가능하며 레이저의 방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장방향을 조절할 수 있으므로 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 응용분야에 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 따라 마이크로와이어가 성장하는 모식도를 나타낸 그림이고;
도 3은 실시예 1 내지 10에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 산화철 마이크로와이어를 주사전자현미경으로 관찰한 사진 및 길이와 직경변화를 나타낸 그래프이고;
도 4는 실시예 11에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 산화철 마이크로와이어를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 실시예 11에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 산화철 마이크로와이어를 에너지 분산형 X-선 분광기(EDX), 투과전자현미경(TEM) 및 전자회절패턴(SAED)로 관찰한 그래프 및 사진이고;
도 6은 실시예 12 및 13에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 3은 실시예 1 내지 10에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 산화철 마이크로와이어를 주사전자현미경으로 관찰한 사진 및 길이와 직경변화를 나타낸 그래프이고;
도 4는 실시예 11에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 산화철 마이크로와이어를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 실시예 11에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 산화철 마이크로와이어를 에너지 분산형 X-선 분광기(EDX), 투과전자현미경(TEM) 및 전자회절패턴(SAED)로 관찰한 그래프 및 사진이고;
도 6은 실시예 12 및 13에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
본 발명은,
기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계(단계 1); 및
상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 조사하는 단계(단계 2);를 포함하되, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 하는 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법을 제공한다.
산화철은 2.1~2.2 eV의 낮은 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 센서, 광촉매, 물 분해 등의 분야에서 자주 사용된다. 현재까지의 다양한 산화철 나노/마이크로 구조체가 합성방법은 증발(evaporation)이나 열산화(thermal oxidation)를 이용한 방법들을 주로 사용하여 고온 및 고압을 필요로 한다는 단점이 있었다. 하지만 근래에 발명된 열수합성법에 의해 낮은 온도의 용액 상에서 이러한 구조체를 합성할 수 있게 되었다. 그러나, 합성된 산화철 구조체를 응용하기 위해서는 이를 다시 원하는 위치에 패터닝해야 하는데, 대게 패터닝을 위해 공정 수가 크게 늘어나거나 고가이며 시간이 많이 소요된다는 문제점을 가지고 있었다. 더욱이 이러한 방법들을 타 3D 구조물에 적용시키기에는 용이하지 않았다.
그러나, 본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 따르면, 산화철 전구체 용액에 산화철 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 파장의 가시광 레이저를 조사하여, 가시광 레이저를 성장된 산화철 마이크로와이어가 직접 흡수하여 성장됨으로써, 씨드 층(seed layer) 없이도 낮은 온도 및 상압에서 산화철 마이크로와이어를 합성함과 동시에 별도의 공정 없이 패터닝을 함께 수행할 수 있다. 또한, 마이크로와이어의 길이가 120 ㎛까지 성장가능하며 레이저의 방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장방향을 조절할 수 있으므로 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 응용분야에 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법을 도 1 및 2의 모식도에 나타내었으며, 이를 참조하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 있어서 단계 1은 기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계이다. 상기 단계를 통해 기판 상에 산화철 마이크로와이어를 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 1의 기판은 유리, SiO2, TiO2, ZnO, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 낮은 열전도도를 갖는 기판이면 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 단계 1의 수행 전에, 기판 상에 내산성층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 기판이 침지되는 전구체 용액이 강한 산성을 띠기 때문에, 이를 견딜 수 있도록 기판 상에 내산성층을 형성할 수 있다.
상기 내산성층은 백금, 티타늄, 팔라듐 및 스테인리스 강으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 내산성층은 10 내지 50 nm의 두께일 수 있다. 만약, 상기 내산성층이 10 nm 미만으로 형성되는 경우, 후속 공정에서 전구체 용액의 강한 산성 때문에 기판이 손상되는 문제점이 발생할 수 있고, 만약, 상기 내산성층이 50 nm 초과의 두께인 경우에는 과도한 내산성층의 생성으로 추가비용 및 시간이 소모되는 문제점이 있다.
상기 단계 1의 산화철 전구체 용액은 pH 1 내지 2일 수 있다.
만약, 상기 산화철 전구체 용액이 pH 1 미만인 경우에는 기판의 손상도가 커지는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 산화철 전구체 용액이 pH 2 초과인 경우에는 구조체의 제조가 용이하지 못한 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 조사하는 단계이며, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 원하는 부위의 전구체 용액 상에 산화철 물질의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 파장의 가시광 레이저를 조사하여, 성장된 마이크로와이어가 가시광레이저를 직접 흡수함으로써, 씨드 층 없이 종래보다 낮은 온도, 상압에서 마이크로와이어를 합성할 수 있을 뿐만아니라, 레이저 조사위치에 따라 산화철 마이크로와이어 패턴을 동시에 형성할 수 있다.
이때, 상기 집광된 레이저의 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저이다.
이는 산화철의 밴드갭(2.1 eV)보다 더 높은 에너지로써, 이를 전구체 용액에 인가함으로써 마이크로와이어가 직접 에너지를 흡수하여 성장할 수 있다.
만약, 상기 집광된 레이저의 파장이 380 nm 미만인 경우에는 단순한 광열 반응 외에 예상치 못한 광화학 반응이 발생하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 집광된 레이저의 파장이 600 nm 초과인 경우에는 산화철의 밴드갭 보다 낮은 에너지가 인가되므로 마이크로와이어가 제대로 성장하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 레이저는 2 배 내지 100 배의 배율을 갖는 대물렌즈를 사용하여 레이저를 집광한 것일 수 있으나, 상기 대물렌즈의 배율이 이에 제한되는 것은 아니다. 레이저를 대물렌즈로 집광한 후, 원하는 위치에 조사하여 마이크로와이어 패턴을 형성할 수 있다.
상기 단계 2의 레이저 파워는 10 내지 50 mW일 수 있다.
만약, 상기 단계 2의 레이저 파워가 10 mW 미만인 경우에는 마이크로와이어가 충분히 성장하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 단계 2의 레이저 파워가 50 mW 초과인 경우에는 마이크로와이어의 성장 속도가 무리하게 빨라져 구조가 매끈하지 못하고 최종적으로 생성된 마이크로와이어의 안정성이 떨어지는 경향이 있으며, 생성된 온도장에 의해 전구체 용액에서 기포가 발생하여 마이크로와이어에 손상을 가할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 단계 2의 레이저 조사 방향에 따라 마이크로와이어의 성장 방향이 변할 수 있다.
이와 같이, 레이저의 조사방향에 따라 마이크로와이어의 성장 방향을 바꿀수가 있고, 이러한 특징으로 인해 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 특정 응용분야에 본 공정을 적용할 때 이점이 있다.
또한, 성장 중인 마이크로와이어 상에서 레이저 조사의 방향을 바꾸면 꺾인 마이크로와이어의 제작 역시 가능하다.
본 발명은,
상기 제조방법에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴을 제공한다.
상기 제조방법에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴은 낮은 온도, 상압에서 전구체 용액에 레이저를 조사하는 단순한 방법으로 마이크로와이어를 생산함과 동시에 패터닝된 것일 수 있다. 또한, 레이저 조사방향에 따라 마이크로와이어의 성장방향을 바꿀 수 있으며, 꺾인 형태의 와이어 패턴도 형성할 수 있다.
이때, 상기 마이크로와이어 패턴의 마이크로와이어는 직경 1 내지 8 ㎛ 및 길이 1 내지 120 ㎛일 수 있다. 이와 같이, 본 발명을 이용하면 직경을 1 내지 8 ㎛로 유지하며 100 ㎛ 이상의 높은 길이의 마이크로와이어를 단시간 내에 제조할 수 있다.
본 발명은,
상기 산화철 마이크로와이어 패턴을 포함하는 센서를 제공한다.
산화철는 낮은 밴드갭을 갖는 반도체 물질로써, 상기 물질로 패턴을 제조하여 센서로 사용할 수 있으나, 상기 패턴의 사용이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은,
기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계(단계 1); 및
상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 방향을 조절하며 조사하는 단계(단계 2);를 포함하되, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 하는 산화철 마이크로와이어 패턴 상의 마이크로와이어의 성장방향 조절 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 따르면, 산화철 전구체 용액에 특정 에너지를 갖는 레이저를 조사함으로써, 낮은 온도 및 상압에서 산화철 마이크로와이어를 합성함과 동시에 별도의 공정 없이 패터닝을 함께 수행할 수 있으며, 레이저의 방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장방향을 조절할 수 있으므로 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 응용분야에 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴 상의 마이크로와이어의 성장방향 조절 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 있어서 단계 1은 기판을 산화철 전구체 용액 내로 침지시키는 단계이다. 상기 단계를 통해 기판 상에 산화철 마이크로와이어를 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 1의 기판은 유리, SiO2, TiO2, ZnO, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 테레프탈레이트 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 낮은 열전도도를 갖는 기판이면 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 단계 1의 수행 전에, 기판 상에 내산성층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 내산성층은 백금, 티타늄, 팔라듐 및 스테인리스 강으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 내산성층은 10 내지 50 nm의 두께일 수 있다. 만약, 상기 내산성층이 10 nm 미만으로 형성되는 경우, 후속 공정에서 전구체 용액의 강한 산성 때문에 기판이 손상되는 문제점이 발생할 수 있고, 만약, 상기 내산성층이 50 nm 초과의 두께인 경우에는 과도한 내산성층의 생성으로 추가비용 및 시간이 소모되는 문제점이 있다.
상기 단계 1의 산화철 전구체 용액은 pH 1 내지 2일 수 있다. 만약, 상기 산화철 전구체 용액이 pH 1 미만인 경우에는 기판의 손상도가 커지는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 산화철 전구체 용액이 pH 2 초과인 경우에는 구조체의 제조가 용이하지 못한 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 기판의 전구체 용액 상에 패턴이 형성될 부위에 집광된 레이저를 방향을 조절하며 조사하는 단계이며, 상기 집광된 레이저는 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저인 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 원하는 부위의 전구체 용액 상에 특정 에너지의 집광된 레이저를 조사함으로써, 산화철 마이크로와이어 및 패턴을 동시에 형성할 수 있고, 레이저 조사방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장방향을 바꿀 수 있다.
이때, 상기 집광된 레이저의 380 내지 600 nm의 파장을 갖는 가시광 레이저이다. 만약, 상기 집광된 레이저의 파장이 380 nm 미만인 경우에는 단순한 광열 반응 외에 예상치 못한 광화학 반응이 발생하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 집광된 레이저의 파장이 600 nm 초과인 경우에는 산화철의 밴드갭 보다 낮은 에너지가 인가되므로 마이크로와이어가 제대로 성장하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 레이저는 2 배 내지 100 배의 배율을 갖는 대물렌즈를 사용하여 레이저를 집광한 것일 수 있으나, 상기 대물렌즈의 배율이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 2의 레이저 파워는 10 내지 50 mW일 수 있다. 만약, 상기 단계 2의 레이저 파워가 10 mW 미만인 경우에는 마이크로와이어가 충분히 성장하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 단계 2의 레이저 파워가 50 mW 초과인 경우에는 마이크로와이어의 성장 속도가 무리하게 빨라져 구조가 매끈하지 못하고 최종적으로 생성된 마이크로와이어의 안정성이 떨어지는 경향이 있으며, 생성된 온도장에 의해 전구체 용액에서 기포가 발생하여 마이크로와이어에 손상을 가할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
단계 1: 유리 기판 상에 플래티늄을 이베퍼레이션(evaporation)방법을 사용하여 30 nm의 두께로 코팅하여 내산성층이 형성된 기판을 준비하였다.
0.15 M의 염화철(FeCl3 ·6H2O, 시그마 알드리치) 및 1 M의 아질산 나트륨 (NaNO3, 시그마 알드리치)를 물 기반으로 섞고, 그 후 염산(HCl, 시그마 알드리치)을 첨가하여 pH를 1.5로 맞춘 산화철 전구체 용액을 제조하였다.
상기 내산성층이 형성된 기판을 제조된 산화철 전구체 용액 내로 침지시켰다.
단계 2: 상기 단계 1에서 준비된 전구체 용액이 담긴 기판 상에 5X 배율의 대물렌즈로 집광한 레이저를 패턴을 형성하고자하는 위치에 5분간 조사하여 산화철(Fe2O3) 마이크로와이어 패턴을 제조하였다.
이때, 레이저는 연속파 Nd:YAG 레이저를 제2고조파 532 nm로 발진시켜 2.3 eV의 에너지, 15 mW의 파워를 가진 레이저를 사용하였다.
<실시예 2 내지 10>
상기 실시예 1의 단계 2에서 레이저 파워 및 조사시간이 하기 표와 같은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화철 마이크로와이어 패턴을 제조하였다.
| 레이저 파워(mW) | 파장(nm) | 조사시간(분) | |
| 실시예 2 | 15 | 532 | 10 |
| 실시예 3 | 15 | 532 | 15 |
| 실시예 4 | 15 | 532 | 20 |
| 실시예 5 | 15 | 532 | 25 |
| 실시예 6 | 20 | 532 | 5 |
| 실시예 7 | 20 | 532 | 10 |
| 실시예 8 | 20 | 532 | 15 |
| 실시예 9 | 20 | 532 | 20 |
| 실시예 10 | 20 | 532 | 25 |
<실시예 11>
상기 실시예 1의 단계 2에서 레이저 파워 25 mW, 에너지 2.3 eV(532nm), 조사시간 30 분으로 하여 조사한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화철 마이크로와이어 패턴을 제조하였다.
<실시예 12>
상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화철 마이크로와이어 패턴 제조 후, 형성된 패턴의 왼쪽 기판에 다시 상기 실시예 1의 단계 2에서 레이저의 조사방향을 시계방향으로 40 ° 회전하여 레이저를 조사한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화철 마이크로와이어 패턴을 나란히 제조하였다.
<실시예 13>
상기 실시예 1의 단계 2에서 레이저를 15분간 조사 후, 레이저 조사방향을 시계방향으로 40 ° 회전하여 다시 5 분간 조사한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화철 마이크로와이어 패턴을 제조하였다.
<실험예 1> 산화철 마이크로와이어 패턴의 미세구조 관찰
상기 실시예 1 내지 10에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴 상의 마이크로와이어를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 그 결과를 도 3(a)에 도시하였고, 이에 따른 마이크로와이어의 길이 및 직경변화를 각각 도 3(b) 및 도 3(c)에 도시하였다.
또한, 실시예 11에 따라 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴 상의 마이크로와이어를 주사전자현미경으로 관찰한 후, 그 결과를 도 4에 도시하였고, 에너지 분산형 X-선 분광기(EDX), 투과전자현미경(TEM) 및 전자회절패턴(SAED)로 조성을 관찰한 후 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 조사시간이 5분에서 25분으로, 레이저 파워가 15에서 20 mW로 증가할수록, 마이크로와이어의 길이가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 3(b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 레이저가 15 mW로 5분 내지 25분간 조사될 때, 마이크로와이어의 길이가 약 15 내지 30 ㎛로 증가하고, 레이저가 20 mW로 5분 내지 25분간 조사될 때 약 30 내지 60 ㎛로 마이크로와이어의 길이가 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 조사시간이 20분 증가함에 따라 길이가 약 2배 가량 증가하는 것을 알 수 있다.
다만, 마이크로와이어의 직경은 15 mW로 조사될 때 6 내지 6.5 ㎛, 20 mW로 조사될 때 5 내지 5.5 ㎛로 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 합성된 산화철는 약 100 ~ 120 μm정도의 길이까지 자랄 수 있음을 알 수 있다. 이 때, 직경은 크게 증가하지 않으며 5~8 μm근처에서 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 합성된 마이크로와이어에 대한 분석으로부터, 합성된 물질이 Fe2O3이며 대부분 특정 상 없이 비결정질로 성장한 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, Fe2O3의 조성을 가지는 마이크로와이어가 성공적으로 성장함을 알 수 있으며, 레이저의 조사 강도 및 시간에 따라 직경은 유지되지만 길이가 120 μm까지 증가함을 알 수 있다.
<실험예 2> 레이저 조사방향에 따른 산화철 마이크로와이어 패턴의 미세구조 관찰
상기 실시예 12 및 13에서 제조된 산화철 마이크로와이어 패턴의 미세구조를 살펴보기 위해, 주사전자현미경으로 관찰하고 그 결과를 도 6에 모식도와 함께 도시하였다.
도 6(a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 레이저의 조사방향이 바뀜에 따라, 기판에서부터의 마이크로와이어의 성장방향이 조사방향과 동일하게 변화는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6(c) 및 (d)에 나타낸 바와 같이, 마이크로와이어 성장 중에, 조사방향이 바뀜에 따라, 조사방향대로 꺾인 마이크로와이어가 제조됨을 알 수 있다.
이를 통해, 레이저의 조사 방향을 바꿈으로써 마이크로와이어의 성장 방향을 바꿀 수 있음을 알 수 있고, 이러한 특징으로 인해 전자소자 등 반도체간의 연결이 필요한 특정 응용분야에 본 공정을 적용할 때 이점이 있다. 이보다 더 나아가 성장 중이던 마이크로와이어 상에서 레이저 조사의 방향을 바꾸면 꺾인 마이크로와이어의 제작 역시 가능함을 알 수 있다.
Claims (13)
- 내산성층이 형성된 유리 기판을 준비하되, 내산성층은 플래티늄을 이베퍼레이션 방법을 사용하여 30 nm 두께로 코팅한 것인 유리 기판을 준비하고,
상기 기판을 을 0.15 M FeCl3·6H2O 및 1 M의 아질산 나트륨을 물에 혼합한 후, 염산을 첨가하여 pH를 1.5로 맞춘 산화철 전구체 수용액 내로 침지시키는 단계(단계 1); 및
상기 전구체 용액에 담긴 기판 상에 5 X 배율의 대물렌즈로 집광한 레이저를 제조하고자 하는 산화철 마이크로와이어 패턴이 형성될 부위에 30분 조사하는 단계이되, 상기 레이저는 연속파 Nd:YAG 레이저를 제2고조파 532 nm로 발진시켜 2.3 eV의 에너지와 25 mW 의 파워를 가진 레이저인 것을 특징으로 하는 단계(단계 2);를 포함하며,
상기 단계 2의 레이저 조사 방향에 따라 마이크로와이어의 성장 방향이 변하는 것이며, 비결정질의 Fe2O3를 포함하는 산화철 마이크로와이어를 제조하는 것을 특징으로 하는 산화철 마이크로와이어 패턴의 제조방법. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
| KR20220047127A (ko) * | 2020-10-08 | 2022-04-15 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 레이저 페인팅 방법 및 이에 의해 형성된 패턴 구조체 |
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| KR102678247B1 (ko) * | 2020-10-08 | 2024-06-25 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 레이저 페인팅 방법 및 이에 의해 형성된 패턴 구조체 |
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