KR101626955B1 - 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

나노와이어 압전소자의 제조방법에 있어서, 오목부가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿 상에 자외선 경화수지를 주입하여 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계; 상기 폴리머 기판을 상기 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계; 상기 폴리머 기판의 볼록부 상에만 압전 물질이 증착되도록 상기 폴리머 기판을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 압전 물질을 증착하는 증착단계; 및 상기 압전 물질 상에 전극을 생성하고, 상기 전극을 패터닝하는 패터닝단계; 를 포함한다.

Description

나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NANOWIRE ARRAY PIEZOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 압전 에너지 하베스터는 부피가 크고 두꺼운 압전 물질 필름으로 제조되거나 구부러질 수 있는 캔틸레버 빔(cantilever-beam) 위에 얇게 도포된 박막 형태로 제조되었다.
최근에는 이를 결정학적으로 잘 정렬된 나노와이어나 나노와이어 어레이로 만들어 압전성능을 향상시키고 다양한 분야에 응용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
일반적으로, 나노와이어 구조의 압전 물질은 필름형태나 부피가 큰 덩어리 형태일 때보다 압전 상수가 높으며, 1차원적 구조로 인해 외부 힘의 방향에 대해 효과적으로 전기에너지의 손실을 줄이고 한 방향으로 쌍극자 모멘트를 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 나노와이어 구조의 압전 물질은 같은 부피에 대해 표면적이 큰 나노구조로 센서 등의 응용분야에서 활용할 수 있다.
종래에는 이러한 나노와이어 압전소자를 가공하기 위해 화학적 성장방법을 사용하였지만, 나노와이어의 정렬방향, 위치, 밀도, 길이, 굵기 등을 일정하게 하기 어려운 단점이 있었으며, 시간이 오래 걸리며, 물질적 제약이 있고, 대면적에 걸쳐 생성하는데 한계가 있는 단점이 있었다.
또한, 종래에는 이러한 나노와이어 압전소자를 수직 방향 나노와이어 어레이로 구현하였으나, 한쪽 끝은 기판에 고정된 반면 다른 한쪽 끝이 고정되지 않은 형태로 성장하여 전극과의 컨택(contact) 형성에서 에너지 손실이 쉽게 일어나는 단점이 있었으며, 수평방향 나노와이어 만큼 길게 성장시키기 어렵고 부러지는 등 기계적으로 약한 단점이 있었고, 센서 등의 응용분야에 있어서 환경적 수용성이 떨어지는 단점이 있었다.
따라서, 이러한 단점을 해결할 수 있는 연구가 필요하게 되었다.
실시 형태는 전사 방법을 통해 나노와이어의 정렬방향, 위치, 밀도, 길이, 굵기 등을 일정하게 할 수 있는 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태는 화학적 성장방법보다 시간이 짧게 걸리고, 물질적 제약이 없고, 대면적에 걸쳐 생성하는데 한계가 없는 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태는 전극과의 컨택 형성에서 에너지 손실이 쉽게 일어나지 않는 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태는 길게 성장시킬 수 있고, 기계적으로 강하고, 센서 등의 응용분야에 있어서 환경적 수용성이 높은 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태에 따른 나노와이어 압전소자의 제조방법은, 나노와이어 압전소자의 제조방법에 있어서, 오목부가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿 상에 자외선 경화수지를 주입하여 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계; 상기 폴리머 기판을 상기 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계; 상기 폴리머 기판의 볼록부 상에만 압전 물질이 증착되도록 상기 폴리머 기판을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 압전 물질을 증착하는 증착단계; 및 상기 압전 물질 상에 전극을 생성하고, 상기 전극을 패터닝하는 패터닝단계; 를 포함한다.
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여기서, 상기 폴리머 기판 생성단계는, 상기 자외선 경화수지 상에 압력수지를 배치시키고, 상기 압력수지 상에서 상기 나노와이어 어레이 템플릿 방향으로 압력을 가하고, 상기 자외선 경화수지를 경화시켜 상기 폴리머 기판을 생성하는 단계일 수 있다.
한편, 실시 형태에 따른 나노와이어 압전소자의 제조방법은, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 있어서, 오목부가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿 상에 전기도금(electroplating)을 하여 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 금속 필름을 생성하는 금속 필름 생성단계; 상기 금속 필름을 상기 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계; 상기 금속 필름 상에 압전 물질을 증착하는 증착단계; 상기 압전 물질이 증착된 상기 금속 필름 상에 자외선 경화수지를 주입하여 상기 볼록부에 대응하는 오목부가 형성된 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계; 및 상기 금속 필름을 패터닝하는 패터닝단계; 를 포함한다.
여기서, 상기 증착단계는, 상기 볼록부 상에만 상기 압전 물질이 증착되도록 상기 금속 필름을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 압전 물질을 증착하는 단계일 수 있다.
여기서, 상기 금속 필름 생성 단계이전에는, 상기 나노와이어 어레이 템플릿의 볼록부 상에만 시드(seed)가 증착되도록 상기 나노와이어 어레이 템플릿을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 시드를 증착하는 시드 증착단계; 를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 폴리머 기판 생성단계는, 상기 자외선 경화수지 상에 압력수지를 배치시키고, 상기 압력수지 상에서 상기 금속 필름 방향으로 압력을 가하고, 상기 자외선 경화수지를 경화시켜 상기 폴리머 기판을 생성하는 단계일 수 있다.
여기서, 상기 증착단계와 상기 폴리머 기판 생성단계 사이에는, 상기 압전 물질이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate) 및 페로브스카이트(perovskite) 계열 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 상기 금속 필름을 어닐링(annealing)하는 어닐링 단계; 를 더 포함할 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 폴리머 기판에 물리기상성장을 이용하여 압전 물질을 증착하기 때문에, 다양한 압전 물질을 이용하여 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 제조할 수 있고, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조가 간단한 방법으로 가능하기 때문에, 대면적에 걸쳐 저렴하고 빠른 방법으로 종횡비가 크고 밀도 높게 정렬된 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 대량으로 생산해 낼 수 있고, 식각 용액을 사용하지 않기 때문에, 식각 용액으로 인한 압전 소자의 압전성에 영향을 주지 않을 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 압전 물질이 폴리머 기판의 볼록부 상에만 증착되기 때문에, 압전 물질이 폴리머 기판 상에 필름 형태로 증착되었을 때보다 압전 상수를 높일 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 자외선 경화수지 상에 압력수지를 배치시키고, 압력수지 상에서 나노와이어 어레이 템플릿 방향으로 압력을 가하기 때문에, 폴리머 기판의 볼록부가 사용자가 원하는 모양에 더욱 가깝게 생성될 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 금속 필름에 물리기상성장을 이용하여 압전 물질을 증착하기 때문에, 다양한 압전 물질을 이용하여 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 제조할 수 있고, 간단한 방법으로 제조가 가능하기 때문에, 대면적에 걸쳐 저렴하고 빠른 방법으로 종횡비가 크고 밀도 높게 정렬된 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 대량으로 생산해 낼 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 압전 물질이 금속 필름의 볼록부 상에만 증착되기 때문에, 압전 물질이 금속 필름 상에 필름 형태로 증착되었을 때보다 압전 상수를 높일 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 폴리머 기판 상에 시드를 증착할 경우와 떼어낸 금속 필름 위에 압전 물질을 증착할 경우, 시드가 나노와이어 어레이 템플릿의 상에 필름 형태로 증착되었을 때보다 금속 필름의 모양이 사용자가 원하는 모양에 가깝게 제조될 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 자외선 경화수지 상에 압력수지를 배치시키고, 압력수지 상에서 금속 필름 방향으로 압력을 가하기 때문에, 폴리머 기판의 볼록부가 사용자가 원하는 모양에 더욱 가깝게 생성될 수 있다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 의하면, 압전 물질이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate) 및 페로브스카이트(perovskite) 계열 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 금속 필름을 어닐링(annealing)하기 때문에, 고온의 열처리가 필요한 압전 물질로도 나노와이어 어레이 압전소자를 제조할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 내지 도 7은 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 볼록부를 나타내는 전자현미경사진이다.
도 9는 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10 내지 도 18은 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 12에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 금속 필름을 나타내는 전자현미경사진이고, 도 20은 도 13에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 금속 필름이 분리된 상태를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 21은 실시 형태에 따른 증착 단계를 설명하기 위한 일 실시예이고, 도 22는 종래의 증착 단계를 설명하기 위한 비교예이고, 도 23은 도 22의 증착 단계에 의해 형성된 시드를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 11에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 시드를 나타내는 전자현미경 사진이고, 도 25 및 도 26은 도 23에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 시드를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 실시 형태의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하도록 한다.
<제1 실시 형태>
도 1은 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계(S110), 폴리머 기판을 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계(S120) 폴리머 기판 상에 압전 물질을 증착하는 증착단계(S130) 및 전극을 패터닝하는 패터닝단계(S140)를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 7을 참조하여 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2 내지 도 7은 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자를 제조하기 위해 나노와이어 어레이 템플릿(100)을 배치한다. 구체적으로, 나노와이어 어레이 템플릿(100)에는 오목부(110)가 형성될 수 있다. 또한, 나노와이어 어레이 템플릿(100) 상에는 산화막(120)이 형성될 수 있다. 그리고, 나노와이어 어레이 템플릿(100)은 볼록부(130)를 포함할 수 있다.
도 2, 도 3 및 도 5를 참조하면, 오목부(110)가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿(100) 상에 자외선 경화수지를 주입하여 오목부(110)에 대응하는 볼록부(210)를 갖는 폴리머 기판(200)을 생성한다.
구체적으로, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 오목부(110) 상에 자외선 경화수지를 스퀴징(squeezing), 주사 및 분사방식 등을 이용하여 주입할 수 있다. 그 후, 자외선 경화수지 상에 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate) 등을 포함하는 압력수지(250)를 배치시키고, 압력수지(250) 상에서 나노와이어 어레이 템플릿(100) 방향으로 롤러를 이용하여 압력을 가하여 자외선 경화수지가 오목부(110) 내에 완전히 충진되도록 한다. 자외선 경화수지가 오목부(110) 내에 완전히 충진되면, 자외선 경화수지를 경화시켜 폴리머 기판(200)을 생성할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 폴리머 기판(200)을 나노와이어 어레이 템플릿(100)으로부터 분리한다. 구체적으로, 폴리머 기판(200)이 생성되면, 폴리머 기판(200)을 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130)의 길이방향으로 분리시킬 수 있다.
이때, 도 2 및 도 5를 참조하면, 폴리머 기판(200)은 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 오목부(110)에 대응하는 볼록부(210)를 가질 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 폴리머 기판(200) 상에 압전 물질(300)을 증착한다. 구체적으로, 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에 압전 물질(300)을 물리기상성장(physical vapor deposition)을 이용하여 증착한다. 여기서, 압전 물질은 질화알루미늄(AIN) 등과 같이 열처리를 하지 않아도 되는 물질을 포함할 수 있다. 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에만 압전 물질(300)을 증착하는 방법은 이후에 자세히 설명하도록 한다
도 5 및 도 7을 참조하면, 전극(400)을 패터닝한다. 구체적으로, 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에 압전 물질(300)이 증착되면, 압전 물질(300) 상에 전극(400)을 생성하고, 생성된 전극(400)을 패터닝할 수 있다. 여기서, 전극(400)은 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu) 등과 같이 전극으로 쓰이는 물질을 포함한다.
도 8은 도 6에 도시된 볼록부를 나타내는 전자현미경사진이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 나노와이어 어레이 템플릿(100)으로부터 폴리머 기판(200)을 생성하면, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 오목부(110)에 대응하는 볼록부(210)가 형성되고, 볼록부(210) 상에는 압전 물질(300)이 증착될 수 있다.
이와 같이, 제1 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법은 폴리머 기판(200)에 물리기상성장을 이용하여 압전 물질(300)을 증착하기 때문에, 다양한 압전 물질(300)을 이용하여 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 제조할 수 있고, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조가 간단한 방법으로 가능하기 때문에, 대면적에 걸쳐 저렴하고 빠른 방법으로 종횡비가 크고 밀도 높게 정렬된 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 대량으로 생산해 낼 수 있고, 식각 용액을 사용하지 않기 때문에, 식각 용액으로 인한 압전 소자의 압전성에 영향을 주지 않는 이점이 있다.
또한, 압전 물질(300)이 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에만 증착되기 때문에, 압전 물질(300)이 폴리머 기판(200) 상에 필름 형태로 증착되었을 때보다 압전 상수를 높일 수 있는 이점이 있다.
그리고 자외선 경화수지 상에 압력수지(250)를 배치시키고, 압력수지(250) 상에서 나노와이어 어레이 템플릿(100) 방향으로 압력을 가하기 때문에, 폴리머 기판(200)의 볼록부(210)가 사용자가 원하는 모양에 더욱 가깝게 생성될 수 있는 이점이 있다.
<제2 실시 형태>
도 9는 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 제2 실시 형태에서는 중복된 설명을 피하기 위하여 제1 실시 형태에서 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 9를 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법은 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 금속 필름을 생성하는 생성단계(S210), 금속 필름을 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계(S220), 금속 필름에 압전 물질을 증착하는 증착단계(S230), 금속 필름을 어닐링하는 어닐링 단계(S240), 금속 필름으로부터 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계(S250) 및 전극을 패터닝하는 패터닝단계(S260)를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 10 내지 도 18을 참조하여 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10 내지 도 18은 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자를 제조하기 위해 패턴(110)이 형성된 나노와이어 어레이 템플릿(100)을 배치한다.
도 10, 도 11, 도 12 및 도 14를 참조하면, 오목부(110)가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿(100) 상에 전기도금(electroplating)을 하여 오목부(110)에 대응하는 볼록부(520)를 갖는 금속 필름(500)을 생성한다.
구체적으로, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에 시드(seed)(510)를 증착한다. 여기서, 시드(510)는 전도성을 갖는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)를 증착하는 방법은 이후에 자세히 설명하도록 한다
또한, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 오목부(110) 상 및 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에 전기도금을 이용하여 금속 필름(500)을 생성한다. 여기서, 금속 필름(500)은 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu) 등의 전기도금이 가능한 물질을 포함할 수 있다.
도 10 및 도 13를 참조하면, 금속 필름(500)을 나노와이어 어레이 템플릿(100)으로부터 분리한다. 구체적으로, 금속 필름(500)이 생성되면, 금속 필름(500)을 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130)의 길이방향으로 분리시킬 수 있다.
이때, 도 10, 도 11 및 도 14를 참조하면, 금속 필름(500)은 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 오목부(110)에 대응하는 볼록부(520)를 가질 수 있다. 또한, 금속 필름(500)에는 오목부(530)이 형성될 수 있다. 여기서, 시드(510)는 습식 식각 공정에 의해 식각될 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에 압전 물질(300)을 증착한다. 여기서, 압전 물질(300)은 질화알루미늄(AIN), 산화아연(ZnO), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate), 페로브스카이트(perovskite) 계열 등을 포함할 수 있다. 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에만 압전 물질(300)을 증착하는 방법은 이후에 자세히 설명하도록 한다
도 15 및 도 16을 참조하면, 금속 필름(500)을 어닐링한다. 구체적으로, 압전 물질(300)이 증착되면, 금속 필름(500)을 어닐링(annealing)한다. 여기서, 어닐링 단계는 압전 물질(300)이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(PZT) 및 페로브스카이트 계열 중 적어도 하나를 포함할 때 수행하는 단계일 수 있다. 여기서, 페로브스카이트 계열은 열처리를 통해 압전성을 발현할 수 있는 물질이다.
여기서, 금속 필름은 O2 분위기로 450°C 이상의 고온에서 어닐링을 하는 경우, 금속 필름의 산화가 일어날 수 있다. 또한, 니켈(Ni), 금(Au), 구리(Cu) 각각의 물질을 포함하는 금속 필름으로 실험한 결과, 구리(Cu)를 포함하는 금속 필름의 산화가 니켈(Ni)을 포함하는 금속 필름 및 금(Au)을 포함하는 금속 필름에 비해 산화가 잘 일어나는 것을 확인하였다. 이러한 산화로 인해 금속 필름이 재가 되면, 이후 단계를 진행할 수 없게 된다. 따라서, 금속 필름은 N2 분위기로 어닐링하거나 진공에서 어닐링할 수 있다.
도 14 내지 도 18을 참조하면, 압전 물질(300, 350)이 증착된 금속 필름(500) 상에 자외선 경화수지를 주입하여 볼록부(520)에 대응하는 오목부(220)가 형성된 폴리머 기판(200)을 생성한다. 여기서, 구체적으로, 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에 자외선 경화수지를 주입하고, 자외선 경화수지 상에 압력수지(250)를 배치시키고, 압력수지(250) 상에서 금속 필름(500) 방향으로 롤러를 이용하여 압력을 가하여 자외선 경화수지가 오목부(530) 내에 완전히 충진되도록 한다. 자외선 경화수지가 오목부(530) 내에 완전히 충진되면, 자외선 경화수지를 경화시켜 폴리머 기판(200)을 생성할 수 있다.
도 18을 참조하면, 폴리머 기판(200)이 생성되면, 금속 필름(500)을 패터닝한다. 이때, 어닐링된 압전 물질(350)은 폴리머 기판(200)의 오목부(220) 내에 배치되기 때문에, 전체적으로 패시베이션(passivation)될 수 있는 이점이 있다. 여기서, 어닐링된 압전 물질(350)은 패터닝된 금속 필름(500)에 의해 추가적으로 외부로부터 차단될 수 있다. 따라서, 금속 필름(500)은 어닐링된 압전 물질(350)을 외부로부터 보호하는 패시베이션 막 역할도 할 수 있다.
도 19는 도 12에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 금속 필름을 나타내는 전자현미경사진이고, 도 20은 도 13에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 금속 필름이 분리된 상태를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 금속 필름(500)은 전기도금을 이용하여 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 오목부(110)에 대응하는 볼록부(520)를 가질 수 있다. 또한, 금속 필름(500)은 나노와이어 어레이 템플릿(100)으로부터 분리될 수 있다.
이와 같이, 제2 실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법은 금속 필름(500)에 물리기상성장을 이용하여 압전 물질(300)을 증착하기 때문에, 다양한 압전 물질(300)을 이용하여 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 제조할 수 있고, 간단한 방법으로 제조가 가능하기 때문에, 대면적에 걸쳐 저렴하고 빠른 방법으로 종횡비가 크고 밀도 높게 정렬된 수평방향 나노와이어 어레이 압전소자를 대량으로 생산해 낼 수 있는 이점이 있다.
또한, 압전 물질(300)이 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에만 증착되기 때문에, 압전 물질(300)이 금속 필름(500) 상에 필름 형태로 증착되었을 때보다 압전 상수를 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 폴리머 기판(200) 상에 시드(510)를 증착할 경우와 떼어낸 금속 필름(500) 위에 압전 물질(300)을 증착할 경우, 시드(510)가 나노와이어 어레이 템플릿(100) 상에 필름 형태로 증착되었을 때보다 금속 필름(500)의 모양이 사용자가 원하는 모양에 가깝게 제조될 수 있는 이점이 있다.
또한, 자외선 경화수지 상에 압력수지(250)를 배치시키고, 압력수지(250) 상에서 금속 필름(500) 방향으로 압력을 가하기 때문에, 폴리머 기판(200)의 볼록부(210)가 사용자가 원하는 모양에 더욱 가깝게 생성될 수 있는 이점이 있다.
그리고, 압전 물질(300)이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(PZT) 및 페로브스카이트 계열 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 금속 필름(500)을 어닐링(annealing)하기 때문에, 고온의 열처리가 필요한 압전 물질로도 나노와이어 어레이 압전소자를 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 21은 실시 형태에 따른 증착 단계를 설명하기 위한 일 실시예이고, 도 22는 종래의 증착 단계를 설명하기 위한 비교예이고, 도 23은 도 22의 증착 단계에 의해 형성된 시드를 설명하기 위한 도면이다.
실시 형태에 따른 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에만 압전 물질(300)이 증착되고, 도 11에 도시된 바와 같이, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)가 증착되고, 도 15에 도시된 바와 같이, 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에만 압전 물질(300)이 증착되도록 할 수 있다.
대표적으로 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)를 증착하는 방법을 도 10 및 도 21을 참조하여 설명하면, 실시 형태에 따른 증착 단계는 나노와이어 어레이 템플릿(100)이 소정 각도 기울어진 형태로 진행된다. 여기서, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)가 증착되도록, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 표면과 증착선(50)이 이루는 소정 각도는 0°~90°사이(0°, 90°제외)일 수 있다. 따라서, 나노와이어 어레이 템플릿(100)이 소정 각도 기울어진 상태로 증착 단계가 진행되기 때문에, 도 11에 도시된 바와 같이, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)가 증착될 수 있다.
반면, 도 10 및 도 22를 참조하면, 종래의 증착 단계는 나노와이어 어레이 템플릿(100)이 기울어지지 않은 상태로 진행된다. 즉 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 표면과 증착선(50)이 이루는 각도는 90°일 수 있다. 따라서, 도 23에 도시된 바와 같이, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 뿐만 아니라 오목부(110) 내에도 시드(510)가 증착된다.
여기서, 대표적으로 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)를 증착하는 방법을 설명하였지만, 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에만 압전 물질(300)을 증착하는 방법 및 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에만 압전 물질(300)을 증착하는 방법은 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)를 증착하는 방법과 크게 다르지 않기 때문에, 당업자라면 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)를 증착하는 방법을 가지고 폴리머 기판(200)의 볼록부(210) 상에만 압전 물질(300)을 증착하는 방법 및 금속 필름(500)의 볼록부(520) 상에만 압전 물질(300)을 증착하는 방법을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 24는 도 11에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 시드를 나타내는 전자현미경 사진이고, 도 25 및 도 26은 도 23에 도시된 나노와이어 어레이 템플릿과 시드를 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 24에 도시된 바와 같이, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상에만 시드(510)가 증착됐음을 확인할 수 있다.
또한, 도 25 및 도 26에 도시된 바와 같이, 나노와이어 어레이 템플릿(100)의 볼록부(130) 상 및 오목부(110) 내에 시드(510)가 증착됐음을 확인할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 나노와이어 어레이 템플릿
200: 폴리머 기판
300: 압전 물질
400: 전극

Claims (8)

  1. 나노와이어 압전소자의 제조방법에 있어서,
    오목부가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿 상에 자외선 경화수지를 주입하여 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계;
    상기 폴리머 기판을 상기 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계;
    상기 폴리머 기판의 볼록부 상에만 압전 물질이 증착되도록 상기 폴리머 기판을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 압전 물질을 증착하는 증착단계; 및
    상기 압전 물질 상에 전극을 생성하고, 상기 전극을 패터닝하는 패터닝단계; 를 포함하는, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 기판 생성단계는,
    상기 자외선 경화수지 상에 압력수지를 배치시키고, 상기 압력수지 상에서 상기 나노와이어 어레이 템플릿 방향으로 압력을 가하고, 상기 자외선 경화수지를 경화시켜 상기 폴리머 기판을 생성하는 단계인, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
  4. 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법에 있어서,
    오목부가 형성된 나노와이어 어레이 템플릿 상에 전기도금(electroplating)을 하여 상기 오목부에 대응하는 볼록부를 갖는 금속 필름을 생성하는 금속 필름 생성단계;
    상기 금속 필름을 상기 나노와이어 어레이 템플릿으로부터 분리하는 분리단계;
    상기 금속 필름 상에 압전 물질을 증착하는 증착단계;
    상기 압전 물질이 증착된 상기 금속 필름 상에 자외선 경화수지를 주입하여 상기 볼록부에 대응하는 오목부가 형성된 폴리머 기판을 생성하는 폴리머 기판 생성단계; 및
    상기 금속 필름을 패터닝하는 패터닝단계; 를 포함하는, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증착단계는,
    상기 볼록부 상에만 상기 압전 물질이 증착되도록 상기 금속 필름을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 압전 물질을 증착하는 단계인, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 금속 필름 생성 단계이전에는,
    상기 나노와이어 어레이 템플릿의 볼록부 상에만 시드(seed)가 증착되도록 상기 나노와이어 어레이 템플릿을 소정 각도 기울인 상태에서 상기 시드를 증착하는 시드 증착단계; 를 더 포함하는, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 폴리머 기판 생성단계는,
    상기 자외선 경화수지 상에 압력수지를 배치시키고, 상기 압력수지 상에서 상기 금속 필름 방향으로 압력을 가하고, 상기 자외선 경화수지를 경화시켜 상기 폴리머 기판을 생성하는 단계인, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착단계와 상기 폴리머 기판 생성단계 사이에는,
    상기 압전 물질이 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate) 및 페로브스카이트(perovskite) 계열 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 상기 금속 필름을 어닐링(annealing)하는 어닐링 단계; 를 더 포함하는, 나노와이어 어레이 압전소자의 제조방법.
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