KR101632622B1 - 기능성 금속산화물의 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자 - Google Patents

기능성 금속산화물의 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펄스 레이저를 이용한 수열합성 방법으로 솔더 구조물을 성장시킬 수 있으며 자외선 센서에 이용 가능한 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 펄스레이저를 사용함으로 인해 레이저에서 발생되는 열확산을 제한하여, 펄스레이저에 의해 수열합성의 방법으로 밀도가 높으며, 형태를 정밀하게 조절할 수 있는 나노 솔더를 제조할 수 있어 나노구조물의 접합을 더욱 용이하게 할 수 있으며, 또한, 이를 나노구조물 사이에 형성함으로써 기능성이 구비된 금속 산화물 구조로 사용 가능하다.

Description

기능성 금속산화물의 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자{Functionalized metal oxide soldering methods and UV sensor manufactured thereof}
본 발명은 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펄스 레이저를 이용한 수열합성 방법으로 솔더 구조물을 성장시킬 수 있으며 자외선 센서에 이용 가능한 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자에 관한 것이다.
산화물 반도체 기술은 기존의 실리콘(Si) 기반의 소자와 비교해 보았을 때 여러 가지 이점을 가지고 있다.
첫 번째 이점으로 광학적 측면에서 산화물 반도체는 투명한 박막을 형성할 수 있다. 산화물 반도체와 비교되는 기존의 Si나 GaAs 같은 반도체는 각각 1.2 eV와 1.43 eV의 밴드 갭(band gap)을 가지고 있는데 밴드 갭 이상의 에너지를 가지고 있는 가시광이 비춰지면 가전자대(valence band)의 전자가 전도대(conduction band)로 여기 되는 현상으로 빛 에너지가 손실되고, 이로 인해 투과되는 빛 에너지가 줄어들게 된다. 이에 비해 ZnO나 Ga203,ln203,Sn02같은 산화물 반도체는 약 3.1 eV 이상의 넓은 밴드 갭을 가지고 있어 가시광의 흡수가 일어나지 않고 투과되어 투명한 디스플레이 소자로 이용이 가능하다.
둘째로 전기, 전자적 측면에서 보면 산화물 반도체는 높은 운반자 이동도(high carrier mobility, 1-100cm2/Vs)를 가지고 있어 전기적 성능 또한 우수하다는 특징을 가지고 있다.
세 번째 이점으로 산화물 반도체는 상온에서도 다결정(poly-crystalline) 및 단결정(monocrystalline) 구조를 가지고 있어 별도의 열처리(annealing) 과정을 거치지 않고도 좋은 특성의 박막 트랜지스터 제작이 가능하다.
한편, 나노로드, 나노와이어 등의 1차원 나노물질은 수 나노미터에서 수십 나노미터의 직경과 수백 나노미터에서 수 마이크로미터의 길이를 갖는 물질을 말하며, 이러한 1차원 나노물질은 기존의 벌크 소재에서 볼 수 없었던 다양한 물리적 화학적 특성을 보이며, 이러한 특성을 이용한 나노소자 개발의 기본 소재로서 많은 응용이 기대되고 있다.
이러한 금속산화물을 이용한 1차원 나노구조물들은 우수한 광 투과성, 큰 압전지수, UV 발광 특성을 나타내어 나노크기의 전자소자, 광소자, 센서를 구현하는 기본재로서 UV 발광 다이오드나 레이저 다이오드의 투명전극, 광전지소자, 광도파 및 가스센서 등의 여러 종류의 소자에 응용되고 있다. 따라서 나노스케일의 소자들을 제조하는데 있어 금속산화물 나노구조물이 중요한 역할을 갖게 됨으로써, 고품질의 1차원 금속산화물 나노구조물들의 합성방법 및 개발에 많은 관심이 집중되고 있다.
금속산화물 나노구조를 합성하는 방법에는 대표적으로 VLS(Vapor- Liquid-Solid) 방법 및 CBD(Chemical-Bath-Deposition) 등이 있다. VLS 방법을 통한 제작공정은 산화아연 나노구조의 배향성을 비교적 쉽게 조절할 수 있지만, 높은 진공조건, 높은 온도와 같은 성장조건이 필요하고 대량생산의 어려움, 비싼 장비가격, 제작 시 많은 소요시간 등의 단점이 있다. CBD 방법을 통한 제작공정은 간단하고, 저온에서 합성 가능하며, 대면적에서 합성이 이루어질 수 있다는 여러 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 그 중 가장 대표적인 방법인 수열합성법은 금속산화물 나노구조를 비교적 낮은 온도와 상압에서 성장시킬 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
한국 등록특허 제 10-1340953호는 수열합성을 위한 열에너지가 레이저 조사로부터 공급되어 수열합성이 일어남과 동시에 레이저 직접 묘화 장치를 이용하여 패터닝을 수행할 수 있어, 공정상 에너지 경제성이 우수하며, 빠른 시간 내에 저비용으로 공정을 수행할 수 있다는 장점이 있으며, 레이저 조사시간을 조절하여 원하는 크기 및 밀도의 산화아연 나노로드 무리로 패턴을 제조하여 마이크로 전자장치, 광전소자, 광학기억장치, 화학센서 및 바이오센서 등을 제작하는 데 용이하게 사용될 수 있는 산화아연 나노로드 패턴의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 산화아연 나노로드 패턴을 제시한 바 있다.
다만, 한국 등록특허 제 10-1340953호의 레이저는 연속파 레이저(continuous laser)를 사용하며, 상기 방법에 의해 제조된 나노구조물은 밀도가 낮으며, 나노구조물의 형태를 정밀하게 조절할 수 없으며, 연속파 레이저(continuous laser)를 사용하여 나노구조물을 제조할 경우, 도 1과 같은 방사형으로 형성되는 나노구조물로 솔더 구조물로 사용할 수 없다는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제 10-1340953호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 나노구조물 사이의 솔더링이 가능한 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 자외선의 조사량에 따라 전류를 변화시킬 수 있는 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 펄스 폭 변화를 통해 기존의 와이어 형태가 아닌 밀도가 높은 솔더 범프 형태의 금속 산화막 합성이 가능한 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 기판상에 나노구조물을 형성하는 단계; 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계; 및 상기 나노구조물에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 범프(solder bump)를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 기판상에 적어도 두 개 이상의 나노구조물을 형성하는 단계, 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계 및 상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계를 포함한다.
상기 나노구조물은, 적어도 일부에 레이저의 빛에너지를 흡수하기 위한 광흡수층이 형성될 수 있다.
상기 수열합성용 전구용액은, 전구체 수용액 및 아민류 화합물 수용액의 혼합액일 수 있다.
상기 전구체 수용액은, 금속 전구체 또는 반도체 전구체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 아민류 화합물은 헥사메틸렌아민 (hexamethyleneamine), 헥사메틸렌테트라아민 (hexamethylenetetramine, HMT), 사이클로헥실아민(cyclohexylamine), 모노에탄올아민(monoethanolamine), 디에탄올아민 (diethanolamine) 및 트리에탄올아민(triethanolamine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 광흡수층은, 레이저의 파장에 따라 다른 재질을 사용할 수 있다.
상기 광흡수층은, 금속 및 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 일 수 있다.
상기 솔더 구조물을 형성하는 단계 이후에, 솔더 구조물을 어닐링(annealing) 시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 펄스 레이저는, 펄스의 듀티비(duty ratio)가 5% 내지 20%의 비율일 수 있다.
상기 펄스 레이저는, 펄스 폭(pulse width)이 100 ns 내지 3000 ns의 범위에서 제어될 수 있다.
상기 펄스 레이저는, 실리콘 기판 위에 50 nm 두께의 산화막과 40 nm 두께의 텅스텐(tungsten) 흡수층이 증착되어 있고 상압일 경우, 상기 펄스 레이저의 피크(peak) 파워는 5 mW/㎛2 내지 20 mW/㎛2 범위인 것이 바람직하다.
상기 나노구조물이 잠기도록 도포하는 단계 이후에, 상기 기판상에 투명기판을 덮어주는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 기판상에 적어도 두 개 이상의 나노구조물을 형성하는 단계, 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계 및 상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 전자소자를 제공한다.
상기 전자소자는 가스센서, 태양전지, 트랜지스터, 발광다이오드, 바이오센서, 광센서 또는 광검출기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펄스레이저를 사용함으로 인해 레이저에서 발생되는 열확산을 제한하여, 펄스레이저에 의해 수열합성의 방법으로 밀도가 높으며, 형태를 정밀하게 조절할 수 있는 나노 솔더를 제조할 수 있으며, 나노 솔더를 성장시켜 나노구조물의 접합을 더욱 용이하게 할 수 있으며, 또한, 이를 나노구조물 사이에 형성함으로써 기능성이 구비된 금속 산화물 구조로 사용 가능하다.
도 1은 종래기술인 연속 레이저에 의해 수열합성의 방법으로 생성된 금속산화물 나노구조물을 도시한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법을 수행하기 위한 레이저 묘화장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법의 원리를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법의 펄스폭에 따라 생성된 나노 솔더 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 의해 제조된 산화아연 솔더를 도시한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 의해 제조된 산화구리 솔더를 도시한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법의 레이저 파워 및 조사 시간에 따른 금속산화물 솔더의 부피를 도시한 그래프이다.
도8은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 형성된 기능성 금속산화물 솔더의 원리를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 기능성 금속산화물 솔더를 도시한 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 기능성 금속산화물 솔더의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 기능성 금속산화물 솔더의 어닐링 단계에 따른 특성을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 감지 센서를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 감지 센서를 도시한 사진이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 감지 센서의 동작특성을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 감지 센서의 자외선 량에 따른 특성을 도시한 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법 및 이에 의해 제조된 전자소자에 대해 상세하게 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당해 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.
본 발명은, 기판상에 나노구조물을 형성하는 단계; 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계; 및 상기 나노구조물에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 범프(solder bump)를 형성하는 단계를 포함하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법을 제공한다.
또한, 기판상에 적어도 두 개 이상의 나노구조물을 형성하는 단계, 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계 및 상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계를 포함하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법을 수행하기 위하여 도 2와 같이 레이저 묘화 장치를 사용할 수 있다. 상기 레이저 묘화 장치는 펄스 레이저(pulsed laser)를 발생시킬 수 있는 레이저 묘화 장치로, 레이저의 파워, 조사시간, 펄스폭, 포커싱 범위를 설정할 수 있도록 구성된다. 상기 레이저 묘화 장치에서 발생된 펄스 레이저(pulsed laser)는 기판상의 나노구조물로 조사될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법의 원리를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 기판(10), 나노구조물 (20), 광흡수층(30), 수열합성용 전구용액(40)이 차례로 형성되어 있으며, 수열합성용 전구용액(40)에 침지된 나노구조물의 표면에 펄스 레이저(pulsed laser, 60)를 조사하여 기능성 금속산화물 솔더 구조물(50)을 제조할 수 있다. 이때, 상기 펄스 레이저(pulsed laser, 60)는 수열합성용 전구용액의 수열합성 반응을 야기한다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 수열합성용 전구용액이 레이저조사를 통해 열에너지를 공급받으면, 아민류 화합물은 수용액에 포함된 물 분자와 반응하여 암모니아를 발생시키고, 암모니아가 물 분자와 반응하여 암모늄 이온과 수산화 이온이 된다. 상기 수산화 이온은 금속전구체 또는 반도체전구체 수용액에 포함된 금속 또는 반도체 이온과 반응하여 금속산화물 또는 반도체산화물이 제조될 수 있으나 반드시 이에 따르는 것은 아니다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 수열합성용 전구용액에 포함되는 금속전구체는 아연전구체일 수 있으며, 상기 아연전구체는 염화아연(ZnCl2), 황산아연(ZnSO4), 아연아세테이트(Zn(CH3CO2)2), 아연사이트레이트 (Zn3[O2CCH2C(OH)(CO2)CH2CO2]2), 질산아연(Zn(NO3)2), 질산아연 육수화물 (Zn(NO3)2·6H2O) 및 아연아세테이트 이수화물(Zn(OOCCH3)2·2H2O)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것이 바람직하며, 상기 화합물 들은 수열합성에 있어 아연 이온을 공급하기 위해 사용된다.
또한, 상기 수열합성용 전구용액에 포함되는 금속전구체는 구리 전구체일 수 있으며, 상기 구리전구체는 황산구리(CuSO4), 염화 제 1구리(CuCl), 염화제2구리(CuCl2), 질산구리(Cu(NO3)2), 아세트산구리(CH3COOCu), 탄산구리(CuCO3), 시안화구리(Cu(CN)2) 및 요오드화구리(CuI)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것이 바람직하며, 상기 화합물 들은 수열합성에 있어 구리 이온을 공급하기 위해 사용된다.
상기와 같이 구리전구체 또는 아연전구체가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 구리전구체 또는 아연전구체 뿐만 아니라 모든 금속전구체 또는 반도체전구체가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 아민류 화합물은 헥사메틸렌아민(hexamethyleneamine, HMA), 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine, HMTA), 사이클로헥실아민(cyclohexylamine), 모노에탄올아민(monoethanolamine), 디에탄올아민 (diethanolamine) 및 트리에탄올아민(triethanolamine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하며, 상기 아민류 화합물들은 수열합성에 있어 수산화 이온을 공급하기 위해 사용된다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계 이후에, 투명기판을 덮어주는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 도포된 수열합성용 전구용액이 증발하는 것을 방지하기 위한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계 이전에 상기 나노구조물의 적어도 일부에 금, 백금, 은, 구리, 알루미늄, 주석, 니켈, 크롬, 코발트, 텅스텐, 철 및 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 증착하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 기판상에 나노구조물을 형성하기 전에 레이저를 흡수하기 위한 물질을 기판에 코팅하기 위한 단계로, 상기 물질들을 기판에 코팅하면 적은 레이저 파워로 금속산화물 솔더가 자라기에 충분한 온도를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 상기 광흡수층은 레이저의 파장에 따라 다른 광흡수층을 형성하여 광흡수 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 광흡수층은 금속뿐만 아니라 반도체도 사용될 수 있으며, 높은 자유전자를 가지는 물질은 모두 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 솔더 구조물을 형성하는 단계 이후에, 솔더 구조물을 어닐링(annealing) 시키는 단계를 추가적으로 수행할 수 있다. 재료를 충분히 확산할 수 있을 정도의 온도로 가열한 후 서서히 냉각시켜 평형상태에 나타난 그대로의 안정 상태로 만들기 위한 처리방법으로, 온도의 오르내림에 따라 상태의 변화가 나타나는 재료에서는 충분한 시간에 걸쳐서 천천히 냉각시키면 상태도에 나타난 안정된 평형상태가 되어 더욱 되어난 품질의 솔더구조물을 성장시킬 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저는 펄스의 듀티 비(duty ratio)가 5% 내지 20%의 비율로 수행될 수 있으며, 펄스 폭(pulse width)이 100 ns 내지 3000 ns의 범위에서 제어될 수 있다. 상기 펄스의 듀티 비(duty ratio)는 한 번의 주기(cycle)에서 레이저가 조사되는 시간의 비율로, 상기 펄스 비(pulse ratio)가 5% 미만일 경우, 레이저 조사의 시간이 짧아 수열합성을 위한 충분한 에너지가 가해지지 않아 솔더 구조물의 성장속도가 느리며, 상기 펄스 비(pulse ratio)가 20%를 초과할 경우, 냉각시간이 짧아지게 되어 솔더 구조물의 밀도가 낮으며, 솔더 구조물의 형태를 정밀하게 조절할 수 없으며, 수열합성용 전구용액이 끓는점 이상으로 가열될 수 있으며, 이에 따라 수열합성용 전구용액에 버블이 발생되어 밀도가 낮으며, 나노구조물의 형태를 정밀하게 조절하기 어렵게 된다.
펄스 폭(pulse width)은 한 번의 주기(cycle)에서 레이저가 조사되는 시간으로, 상기 펄스 폭(pulse width)이 100 ns 미만으로 조사될 경우, 레이저 조사의 시간이 짧아 수열합성을 위한 충분한 에너지가 가해지지 않아 솔더 구조물의 성장속도가 느리며, 상기 펄스 폭(pulse width)이 3000 ns를 초과할 경우, 수열합성용 전구용액이 끓는점 이상으로 가열될 수 있으며, 이에 따라 수열합성용 전구용액에 버블이 발생되어 밀도가 낮으며, 솔더 구조물의 형태를 정밀하게 조절하기 어렵게 된다. 도 4를 참조하면, 상기 펄스 폭(pulse width)이 400 ns일 경우 성장이 잘 되는 것을 관찰할 수 있었다. 다만, 상기 펄스 폭(pulse width)이 4000 ns 일 경우와 40000 ns일 경우, 솔더 구조물의 내부에 다수의 공간이 생기게 되어 낮은 밀도의 솔더 구조물이 형성되는 것을 알 수 있다.
또한 본 발명은 실리콘 기판 위에 50 nm 두께의 산화막과 40 nm 두께의 텅스텐(tungsten) 흡수층이 증착되어 있고 상압일 경우, 상기 펄스 레이저의 피크(peak) 파워는 5 mW/㎛2 내지 20 mW/㎛2 범위인 것이 바람직하다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 의해 제조된 산화아연 솔더를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법에 의해 제조된 산화구리 솔더를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 23.5 mW의 파워로 레이저를 조사하였을 경우와 31.7 mW의 파워로 레이저를 조사할 경우 시간에 따른 산화아연 솔더를 관찰하였으며, 23.5 mW의 파워로 레이저를 조사하였을 경우 성장속도는 비교적 느리나 조밀한 밀도를 가지는 산화아연 솔더가 제조되었으며, 31.7 mW의 파워로 레이저를 조사할 경우 처음에는 크레이터 모양의 산화아연 솔더가 형성되었으나 시간의 경과 후 크레이터 부분이 메꿔져 비교적 큰 지름을 가지지만 조밀한 밀도를 가지는 산화아연 솔더가 제조되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 23.5 mW의 파워로 레이저를 조사하였을 경우와 31.7 mW의 파워로 레이저를 조사할 경우 시간에 따른 산화구리 솔더를 관찰하였으며, 23.5 mW의 파워로 레이저를 조사하였을 경우 성장속도는 비교적 느리나 조밀한 밀도를 가지는 산화구리 솔더가 형성되었으며, 31.7 mW의 파워로 레이저를 조사할 경우 성장속도는 비교적 빠르나 밀도가 다소 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법의 레이저 파워 및 조사 시간에 따른 금속산화물 솔더의 부피를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 레이저의 파워가 15.4 mW일 경우 금속산화물 솔더의 성장속도가 너무 느려 제조공정에 요구되는 시간이 많아지게 되며, 레이저의 파워가 55.9 mW일 경우 금속산화물 솔더의 성장속도가 급격하게 높아지나, 제조된 금속산화물 솔더의 밀도가 낮아지게 되므로 상기 레이저의 파워는 15.4 mW 내지 55.9 mW의 범위로 제어될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20 mW 내지 40 mW의 범위로 제어될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물의 솔더링 방법으로 형성된 기능성 금속산화물 솔더의 원리를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 두 개의 나노구조물(100a, 100b)이 서로 교차되어 형성되며, 상기 나노구조물(100a, 100b)은 수열합성용 전구용액에 침지된다. 상기 나노구조물(100a, 100b)의 교차점의 적어도 일부에 펄스 레이저(pulsed laser, 600)가 조사되어 금속산화물 솔더구조물(500)이 성장된다. 상기 금속산화물 솔더구조물(500)은 성장에 의해 상기 두 개의 나노구조물(100a, 100b)을 서로 연결시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 기능성 금속산화물 솔더를 도시한 사진이다.
도 8을 참조하면, 서로 이격된 두 개의 나노구조물이 서로 교차되어 형성된다. 이때, 상기 나노구조물의 교차점에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 금속산화물 솔더구조물을 성장시키고, 이에 따라 서로 이격된 두 개의 나노구조물을 솔더링(soldering)한다. 도 9와 같이 서로 이격된 두 개의 나노구조물 상에 산화구리 솔더 및 산화아연 솔더가 성장하여 서로 이격된 두 개의 나노구조물이 서로 연결되는 것을 알 수 있다. 도 10은 상기 두 개의 나노구조물 중 하부 나노구조물에 접지를 하고, 상부 나노구조물에 전압을 인가하여 전압에 따른 전류를 측정한 결과를 그래프로 나타내었다. 도 10의 전압의 세기가 증가함에 따라 전류가 비례하여 증가하는 것을 통해 상기 두 개의 나노구조물이 전기적으로 접합하였다는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 기능성 금속산화물 솔더구조물에 어닐링을 수행한 경우(1100)와 어닐링을 수행하지 않은 경우(1200)를 그래프로 나타내었다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 기능성 금속산화물 솔더를 어닐링하여 전기 전도성이 더욱 향상된 것을 알 수 있었다.
또한 본 발명은, 기판상에 적어도 두 개 이상의 나노구조물을 형성하는 단계, 상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계 및 상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 전자소자를 제공한다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 센서의 원리를 도시한 도면이다.
상기 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 센서는 자외선의 조사량에 의해 전기 전도도가 변화되며, 상기 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 센서는 도 13에 도시하였다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 센서는 두 개의 전극(700, 800) 사이에 기능성 금속산화물 솔더(900)가 형성될 수 있다. 상기 기능성 금속산화물 솔더(900)는 자외선의 세기에 따라 전기 전도도가 변화하는 금속산화물로 상기 전기 전도도의 변화를 측정하여 기능성 금속산화물 솔더(900)에 조사되는 자외선의 세기를 측정할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 센서는 자외선이 조사될 경우 전류가 증가되는 것을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 전류변화를 감지하여 자외선의 조사유무를 알 수 있다. 또한, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 제조된 자외선 센서의 자외선 조사 강도에 따른 특성을 전압과 전류의 상관관계에 따라 도시하였으며, 자외선이 조사되지 않았을 경우 전기 전도도가 낮은 것을 알 수 있었으며, 자외선의 세기가 0.33 mW/cm2, 2.31 mW/cm2, 28.8 mW/cm2로 증가할수록 자외선 센서의 전기 전도도가 증가하는 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 금속산화물 솔더링 방법으로 금속산화물 솔더구조물 또는 반도체 솔더구조물을 성장시킬 수 있는 것을 확인하였다. 이는 펄스 레이저(pulsed laser)를 나노구조물의 표면에 조사하여 상기 나노구조물의 표면을 가열시키고, 상기 가열된 나노구조물과 수열합성용 전구체용액이 수열합성 반응을 하여 금속산화물 솔더구조물 또는 반도체 솔더구조물이 성장된다. 레이저가 연속파 레이저(continuous laser)일 경우 상기 나노구조물의 표면에 열확산이 과도하게 일어나 성장되는 솔더구조물의 제어가 힘들고 과도한 열에 의해 솔더구조물의 직립성이 저하되며, 열에 의해 전구체용액에서 발생하는 버블에 의해 솔더구조물의 밀도가 저하되거나 나노구조물이 파괴될 수도 있다. 상기 레이저가 펄스 레이저(pulsed laser)로 사용될 경우, 상기 솔더구조물은 나노구조물의 표면에 국부적으로 성장될 수 있으며, 원하는 영역만 빠른 속도로 성장시키는 것이 가능하다.
10: 기판
20: 나노구조물
30: 광흡수층
40: 수열합성용 전구용액
50: 기능성 금속산화물 솔더 구조물
60: 펄스 레이저

Claims (15)

  1. 기판상에 나노구조물을 형성하는 단계;
    상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계; 및,
    상기 나노구조물에 펄스폭이 100 ns 내지 3000 ns의 범위에서 조절된 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 범프(solder bump)를 형성하는 단계;
    를 포함하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  2. 기판상에 적어도 두 개 이상의 나노구조물을 형성하는 단계;
    상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계; 및,
    상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스폭이 100 ns 내지 3000 ns의 범위에서 조절된 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계;를 포함하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 나노구조물은,
    적어도 일부에 레이저의 빛에너지를 흡수하기 위한 광흡수층이 형성된 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 수열합성용 전구용액은,
    전구체 수용액 및 아민류 화합물 수용액의 혼합액인 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전구체 수용액은,
    금속 전구체 또는 반도체 전구체 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 아민류 화합물은 헥사메틸렌아민 (hexamethyleneamine), 헥사메틸렌테트라아민 (hexamethylenetetramine, HMT), 사이클로헥실아민(cyclohexylamine), 모노에탄올아민(monoethanolamine), 디에탄올아민 (diethanolamine) 및 트리에탄올아민(triethanolamine)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 광흡수층은,
    레이저의 파장에 따라 다른 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 광흡수층은,
    금속 및 반도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 솔더 구조물을 형성하는 단계 이후에,
    솔더 구조물을 어닐링(annealing) 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 펄스 레이저는,
    펄스의 듀티비(duty ratio)가 5% 내지 20%의 비율인 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  11. 삭제
  12. 제 3항에 있어서,
    상기 펄스 레이저는,
    상기 기판이 실리콘 기판이고, 상기 나노구조물이 50 nm 두께의 산화막이며, 상기 광흡수층이 40 nm 두께의 텅스텐(tungsten) 흡수층이고, 상압일 경우, 상기 펄스 레이저의 피크 파워는 5 mW/㎛2 내지 20 mW/㎛2 범위에서 제어되는 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 나노구조물이 잠기도록 도포하는 단계 이후에,
    상기 기판상에 투명기판을 덮어주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 금속산화물 솔더링 방법.
  14. 기판상에 적어도 두 개 이상의 나노구조물을 형성하는 단계;
    상기 나노구조물이 형성된 기판을 수열합성용 전구용액에 침지시키는 단계; 및,
    상기 나노구조물 중 어느 하나에 펄스폭이 100 ns 내지 3000 ns의 범위에서 조절된 펄스 레이저(pulsed laser)를 조사하여 솔더 구조물을 성장시켜서, 상기 적어도 두 개 이상의 나노구조물이 연결되는 단계;를 포함하는 방법으로 제조된 전자소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 전자소자는 가스센서, 태양전지, 트랜지스터, 발광다이오드, 바이오센서, 광센서, 또는 광검출기를 포함하는 전자소자.
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