KR101711551B1 - 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체 - Google Patents

패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속산화물 나노입자 구조체에 관한 것으로서, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여, 금속레지스트층을 형성하는 제1단계와, 상기 금속레지스트층을 패턴화하여, 상기 기판의 일부 영역을 노출시키고, 일정 주기(c), 폭(a) 및 높이(b)를 갖는 금속레지스트 패턴을 형성하는 제2단계 및 상기 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하여, 상기 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따른 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c), 폭(a) 및 높이에 대응하여 일정 주기(e),(f), 크기(d)를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하는 제3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여 패턴을 형성하고, 에너지를 가하여 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따라 소정의 주기 및 크기를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하여, 간단한 방법으로 나노입자의 위치와 크기 및 배열 주기의 제어가 용이하여 미세 패턴의 제작이 용이한 이점이 있다.

Description

패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체{manufacturing method of metal-oxide nano particle patterned and metal-oxide nano particle patterned thereby}
본 발명은 금속산화물 나노입자 구조체에 관한 것으로서, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여 패턴을 형성하고, 에너지를 가하여 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따른 소정의 주기 및 크기를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하여, 간단한 방법으로 나노입자의 위치와 크기 및 배열 주기의 조절이 용이한 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체에 관한 것이다.
나노입자는 재료, 전기, 전자 분야뿐만 아니라, 생명 공학 등 다양한 분야에 널리 활용되고 있으며, 특히, 나노입자가 특정 나노패턴을 이루도록 함으로써, 디스플레이 분야의 형광체, 바이오 라벨, 바이오 진단, 센서, 나노스케일 레이저, LED, Solar Cell, 광촉매, 배터리 및 커패시터 분야 등에 연구가 활발한 실정이다.
이러한 나노입자를 형성하는 방법으로, 나노입자를 포함하는 분산용매를 기판에 코팅하고, 소결과정을 거쳐 용매를 제거하는 방법(한국등록특허 10-1032791호)이 가장 간단한 방법으로 알려져 있으며, 이는 낮은 생산 비용으로 대량 양산이 가능한 장점이 있다.
그러나, 이러한 종래의 방법은 단순히 기재 자체에 나노입자가 포함되어 나노입자를 형성하는 것으로서, 그 효율 향상에 한계가 있으며, 대면적의 기재 상에 나노입자의 균일한 흡착이 용이하지 않으며, 나노입자의 크기 제어가 용이하지 않아 그 활용도가 떨어지는 단점이 있다.
또한, 이러한 방법은 나노입자를 원하는 형태로의 패턴을 형성하는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 소결 공정의 온도 및 압력이 높아 공정 프로세스의 어려움이 있으며, 나노입자를 용매에 골고루 분산시키는 것과 이를 기판 상에 고르게 분포시키는 것이 용이하지 않아 오히려 나노입자를 이용한 효율 향상에 기여하지 못하고 있다.
특히, 나노입자는 패턴의 크기나, 형태 등에 따라 다양한 특성을 나타내는데, 이러한 특성을 이용하기 위해서는 각 응용분야별 나노입자를 이용한 패턴의 제어가 용이하여야 하고, 적절한 위치에 원하는 형태나 크기로 고른 나노입자의 분포를 가지면서 패턴을 형성하는 것이 매우 중요하다.
이에 따라 다양한 방법에 의한 나노패턴을 형성하는 방법이 연구되고 있는데, 일반적으로 포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 등을 포함하는 공정으로, 박막의 증착, 패터닝 및 식각 공정에 의해 제조된다. 그러나, 포토리소그래피는 필름 형태의 기판을 사용하기 어려운 문제점이 있으며, 임프린트 리소그래피의 경우 별도의 스탬프를 제작하여야 하는 어려움이 있다.
이와 관련된 종래의 기술로, 한국공개특허 제10-2009-0039278호, 한국등록특허 제10-0907473호, 한국등록특허 제10-1172811호 등이 있으며, 이러한 나노패턴을 형성하는 방법과 상기 나노패턴에 나노입자를 결합하는 방법에 의해 나노입자를 소정의 패턴화하여 활용할 수 있도록 한 것이 있다.
한편, 나노입자를 형성하는 방법으로는 e-beam evaporator을 통하여 금속을 증착한 후 열처리(thermal annealing) 공정을 통하여 형성하거나, 상술한 나노입자 금속 산화물의 콜로이드 용액을 스프레이 분사하여 열처리하여 형성하는 방법(한국등록특허 10-1032791호), 기판 상에 시드층을 형성하여 시드층 상에 나노입자가 형성하도록 하는 기술(한국공개특허 제2009-0059641호)이 있다.
그러나, 상기의 방법은 나노패턴을 형성하고, 그 나노패턴 상에 나노입자가 생성되도록 하는 공정으로써, 일반적으로 공정이 복잡하고, 나노패턴의 크기 및 밀도 제어가 용이하지 않아 미세 패턴의 제작이 어려우며, 시드층 증착 및 제거 공정이 필요하여 공정이 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여 패턴을 형성하고, 에너지를 가하여 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따른 소정의 주기 및 크기를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하여, 간단한 방법으로 나노입자의 위치와 크기 및 배열 주기의 조절이 용이한 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여, 금속레지스트층을 형성하는 제1단계와, 상기 금속레지스트층을 패턴화하여, 상기 기판의 일부 영역을 노출시키고, 일정 주기(c), 폭(a) 및 높이(b)를 갖는 금속레지스트 패턴을 형성하는 제2단계 및 상기 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하여, 상기 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따른 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c), 폭(a) 및 높이에 대응하여 일정 주기(e),(f), 크기(d)를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하는 제3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 금속레지스트는, MiOj(CkHl)m으로 이루어진 물질로서, M은 금속(Metal), O는 산소(Oxygen), C는 탄소(Carbon), H는 수소(Hydrogen), i,j,k,l,m은 자연수인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2단계의 금속레지스트 패턴의 폭 또는 높이는, 5nm~100nm인 것이 바람직하며, 상기 제2단계는 e-beam 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 및 포토리소그래피 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3단계의 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하는 방법은, 열처리, 산소플라즈마 처리 및 마이크로웨이브 인가 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 열처리 온도 및 시간, 상기 산소플라즈마 처리 파워 및 시간, 마이크로웨이브 인가 파워 및 시간을 조절하여 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 크기(d) 및 주기(f)를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속레지스트 패턴의 폭(a) 및 높이(b)를 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 크기(d) 및 주기(f)를 조절할 수 있으며, 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c)를 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 주기(e)를 조절할 수도 있다.
또한, 상기 기판의 표면 에너지 상태를 조절하여 상기 금속산화물 나노입자의 형태를 조절할 수도 있으며, 상기 기판의 표면 에너지 상태의 조절은, 기판의 산화처리 또는 플리즈마 처리에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속레지스트 내 금속의 함량을 조절하여 금속산화물 나노입자의 크기(d)를 제어할 수도 있다.
한편, 상기 금속산화물 나노입자는, 상기 제 3단계의 에너지를 가할 때 반응 가스의 농도 또는 종류를 순차적으로 조절하여, 코어-셀 구조의 금속산화물 나노입자를 구현할 수도 있으며, 상기 코어-셀 구조의 금속산화물 나노입자는, 상기 코어 또는 셀 구조의 형성시 특정 촉매 물질을 투입하여, 코어 또는 셀에 따른 반응 정도를 조절할 수도 있다.
이와 같이 본 발명은, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여 패턴을 형성하고, 에너지를 가하여 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따라 소정의 주기 및 크기를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하여, 간단한 방법으로 나노입자의 위치와 크기 및 배열 주기의 제어가 용이하여 미세 패턴의 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 금속레지스트의 코팅과 패턴화 공정 및 에너지 인가에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체 형성 공정에 의해, 대면적의 기재 상에도 금속산화물 나노입자의 균일한 흡착이 용이하여 결함이 최소화된 제품을 제공할 수 있으며, 금속산화물 나노입자 구조체의 특정 패턴으로의 형성 및 변경이 용이하여 다양한 분야에 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 높은 소결 온도 및 압력과 같은 과정이 필요하지 않아 제조시간이 단축되며, 폴리머와 같은 다양한 기판에도 활용할 수 있어, 금속산화물 나노입자의 응용 범위를 더욱 넓힐 수 있게 된다.
도 1 - 본 발명에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따른 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법에 대한 모식도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 금속산화물 나노입자 구조체에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 도.
본 발명은 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여 패턴을 형성하고, 에너지를 가하여 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따른 소정의 주기 및 크기를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하여, 간단한 방법으로 나노입자의 위치와 크기 및 배열 주기를 조절하여 미세 패턴의 제작이 용이한 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 제조하고자 하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법에 대한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법에 대한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 금속산화물 나노입자 구조체에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법은, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여, 금속레지스트층을 형성하는 제1단계와, 상기 금속레지스트층을 패턴화하여, 상기 기판의 일부 영역을 노출시키고, 일정 주기(c), 폭(a) 및 높이(b)를 갖는 금속레지스트 패턴을 형성하는 제2단계 및 상기 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하여, 상기 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 뷴저 간 응집에 따른 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c), 폭(a) 및 높이에 대응하여 일정 주기(e),(f), 크기(d)를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하는 제3단계로 크게 이루어지며, 이러한 방법에 의해 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체가 제조되게 된다.
먼저, 제1단계로 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여, 금속레지스트층을 형성한다.
여기에서 상기 기판은 일반적으로 전기, 전자, 바이오 소자에 사용되는 기판을 사용하며, 구체적으로는 실리콘, 사파이어, 유리, 금속, GaN, GaAs, SiC, ZnO, SiO2 및 MgO와 같은 무기 기판, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 투명 폴리머 기판을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 기판 상에 그 사용 용도에 적절한 박막이 코팅된 것을 사용할 수 있다. 이를 통칭하여 본 발명에서는 기판이라고 한다.
상기 기판 상에 금속레지스트를 코팅한다. 상기 금속레지스트는, 금속-유기물 전구체 물질 또는 금속 나노입자가 분산된 콜로이드 상태의 물질로써, 기판 상에 스핀 코팅, 딥코팅(deep coating), 스프레이 코팅(spray coating) 등의 방법으로 코팅하여 금속레지스트층을 형성한다. 상기 금속레지스트층의 두께는 후술할 금속레지스트 패턴의 높이(b)를 고려하여, 적절한 두께로 형성한다.
상기 금속레지스트는 후술할 패턴 형성 공정에 있어서, 포토리소그래피 공정 등에 적용될 수 있으므로, 감광성의 금속레지스트를 사용하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속-유기물 전구체 물질은 금속원소에 유기물 리간드가 결합된 물질로서, 전체 100중량%에 대해 유기물 리간드 약 5 내지 95 중량%를 포함하고, 나머지는 금속 원소를 포함하는 것이다. 그리고 상기 금속-유기물 전구체는 용매에 용해되어 금속-유기물 전구체 용액으로 공급되어 기판 상에 코팅되게 된다.
그리고, 상기 금속 나노입자가 분산된 콜로이드 상태의 물질은 유기용매에 금속 나노입자가 분산된 것으로서, 분산성을 향상시키고자 유기실란이 첨가되어 금속 나노입자에 유기반응기가 형성된 졸 상태의 물질로 기판 상에 코팅되게 된다.
이러한 금속-유기물 전구체 물질 또는 금속산화물 나노입자가 분산된 콜로이드 상태의 물질은 에너지가 가해지는 경우(자외선, 열, 마이크로웨이브, 플라즈마) 유기물이 분해되어 금속산화물을 형성하게 된다.
더욱 구체적으로는 상기 금속레지스트는, MiOj(CkHl)m으로 이루어진 물질로서, M은 금속(Metal), O는 산소(Oxygen), C는 탄소(Carbon), H는 수소(Hydrogen), i,j,k,l,m은 자연수인 것을 그 특징으로 하고 있다.
상기 금속레지스트는, 기본적으로 금속(M)을 포함하면서, 후술할 에너지를 가하는 공정의 경우 유기물이 분해되게 되는데, 이 과정에서 탄화되어 없어지는 물질이 탄소 또는 물이 되므로, 산소, 탄소, 수소를 그 분자 구성 성분으로 하는 무유기물 혼합 물질이다.
이러한 금속레지스트는 사용하고자 하는 용도에 따라 포함하는 금속의 종류를 달리할 수 있으며, 금속산화물 레지스트 내 금속의 함량을 조절하여 금속산화물 나노입자의 크기(d)를 제어할 수도 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 금속레지스트에 사용되는 금속은 리튬(Li), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 등의 금속이 사용된다.
다음으로, 제2단계로 상기 금속레지스트층을 패턴화하여, 상기 기판의 일부 영역을 노출시키고, 일정 주기(c), 폭(a) 및 높이(b)를 갖는 금속레지스트 패턴을 형성하는 것이다.
여기에서, 상기 금속레지스트 패턴을 형성하는 방법은 기판의 일부 영역이 노출되는 어떠한 패턴 형성 방법이라도 무방하며, 구체적으로는 e-beam 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 및 포토리소그래피 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되게 된다.
즉, 기판 상에 상기 금속레지스트층을 형성하고, 이를 e-beam 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 및 포토리소그래피와 같은 방법으로 기판의 일부를 노출시키는 패터닝을 하게 되며, 도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예로 일자모양 또는 격자 모양의 패터닝을 형성한 것을 나타내었지만, 필요에 의해 다양한 형태의 패턴을 형성할 수 있다.
상기 금속레지스트 패턴은 e-beam의 세기, 노출 정도, 나노임프린트의 종류, 포토마스크 등에 따라 주기(c), 폭(a) 및 높이(b)를 조절하여 형성할 수 있으며, 후술할 금속산화물 나노입자의 크기(d) 및 주기(e),(f)를 고려하여 형성한다.
특히, 상기 금속레지스트 패턴의 폭 또는 높이는, 100nm 이하, 바람직하게는 5nm~100nm로 형성하는 것이 바람직하다. 100nm 보다 넓거나 높은 경우에는 후술할 에너지 인가 공정 후 금속산화물 나노입자가 뭉쳐지거나 패턴을 따라 균일하게 형성되지 않게 되며, 5nm 보다 좁거나 낮은 경우에는 나노입자 간 간격이 너무 넓게 형성되어 소자로서 실효성이 떨어지게 되며, 균일한 나노입자 분포가 이루어지지 않게 된다.
다음으로, 제3단계로 상기 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하여, 상기 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따라 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c), 폭(a) 및 높이에 대응하여 일정 주기(e),(f), 크기(d)를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하는 것이다.
즉, 상기 금속레지스트 패턴에 특정한 에너지를 가함으로써, 금속레지스트에 포함된 유기물 성분이 분해되거나 소멸되고, 금속산화물 분자 간 응집(coagulation) 또는 Ostwald Ripening 효과에 의해 금속산화물 나노입자가 생성되게 되는 것이다.
여기에서, 상기 금속산화물 나노입자의 주기(e),(f) 및 크기(d)는 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c), 폭(a) 및 높이에 대응하여 형성되게 되며, 여러가지 변수의 조절에 의해 금속산화물 나노입자의 주기 및 크기를 제어할 수 있다.
이러한 상기 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하는 방법은, 열처리, 산소플라즈마 처리 및 마이크로웨이브 인가 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되게 된다.
열처리에 의한 에너지를 가하는 방법은 금속레지스트 패턴에 포함된 유기물이 탄화될 수 있을 정도의 온도로 150℃~400℃로 5분 이상 열처리를 수행하여 구현하며, 열처리 온도 및 시간을 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 주기(e),(f), 크기(d)를 제어하게 된다.
산소플라즈마 처리에 의한 에너지를 가하는 방법은, 일반적인 플라즈마 발생장치에 금속레지스트 패턴이 형성된 기판을 위치시키고, 반응가스(아르곤, 헬륨, 질소)와 산소를 혼입하여 공급하여, 산소와 반응가스의 공급속도는 약 1:50~200sccm으로 하며, RF 파워 및 시간을 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 주기(e),(f), 크기(d)를 제어하게 된다.
마이크로웨이브 인가에 의한 에너지를 가하는 방법은, 마이크로웨이브 발생기 상에 상기 금속레지스트 패턴이 형성된 기판을 위치시키고, 마이크로파를 에너지원으로 하여 금속레지스트 패턴을 가열시키게 되며, 마이크로웨이브 발생기의 외부 제어판을 통해 파워 및 시간을 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 주기(e),(f), 크기(d)를 제어하게 된다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 금속레지스트 패턴의 폭(a) 및 높이(b)를 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 크기(d) 및 주기(f)를 조절할 수 있으며, 이와 병행하여 상술한 에너지 인가 종류 및 세기에 따라 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 크기(d) 및 주기(e),(f)를 조절할 수 있으며, 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c)를 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 주기(e)를 조절할 수 있다.
상기 금속레지스트 패턴의 폭(a) 및 높이(b), 주기(c)의 조절은 상술한 바와 같이, e-beam 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 및 포토리소그래피 방법에 있어서, e-beam의 세기, 노출 정도, 나노임프린트의 종류, 포토마스크 등에 따라 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 금속산화물 나노입자 구조체에 대한 전자현미경 사진을 나타낸 것으로서, 감광성 Zn-유기물 전구체를 기판 상에 코팅하여 Zn레지스트층을 형성한 후, 도 3(a)는 e-beam 리소그래피에 의해 일자 모양의 Zn레지스트 패턴을 형성한 것이며, 도 3(b)는 Zn레지스트 패턴에 200℃에서 15분간 열처리를 수행하여 패턴화된 ZnO 나노입자 구조체를 형성한 것이다.
도 3(c)는 e-beam 리소그래피에 의해 격자 모양의 Zn레지스트 패턴을 형성한 것이며, 도 3(d)는 Zn레지스트 패턴에 200℃에서 15분간 열처리를 수행하여 패턴화된 ZnO 나노입자 구조체를 형성한 것이다.
또한, 상기 기판의 표면 에너지 상태를 조절하여 상기 금속산화물 나노입자의 형태를 조절할 수도 있다. 즉, 상기 기판의 거칠기가 높으면(친수 경향) 금속산화물 나노입자가 반원형태 또는 평편한 형태로 형성될 수 있으며, 상기 기판의 표면의 거칠기가 낮으면(소수 경향) 금속산화물 나노입자가 보다 둥근 모양의 형태로 형성될 수 있다.
상기 기판의 표면 에너지 상태의 조절은 기판 상에 산화처리를 수행하여 산화막층을 형성하여 보다 친수성을 띄도록 할 수도 있으며, 소수성 물질의 증착, 소수성 물질의 코팅, 실라나이징 처리 및 플라즈마 처리와 같은 방법에 의해 소수성을 띄도록 할 수도 있다.
이러한 기판의 표면 에너지 상태를 조절함으로써, 패턴화된 금속산화물 나노입자의 형태의 제어가 용이하여, 보다 다양한 분야에 응용이 가능하도록 한 것이다.
한편, 상기 금속산화물 나노입자는, 상기 제 3단계의 에너지를 가할 때 반응 가스의 농도 또는 종류를 순차적으로 조절하여, 코어-셀 구조의 금속산화물 나노입자를 구현할 수도 있다.
또한, 상기 코어 또는 셀 구조의 형성시 특정 촉매 물질을 투입하여, 코어 또는 셀에 따른 반응 정도를 조절할 수도 있다.
즉, 상기 제3단계의 금속레지스트 패턴에 에너지를 가할 때, 예컨대 열처리, 산소플라즈마 처리 및 마이크로웨이브 인가 중에 특정한 반응가스를 더 많이 투입하거나, 다른 종류를 투입하거나 또는 반응가스의 양 및 종류를 순차적으로 조절하여 투입하게 되면, 생성되는 금속산화물 나노입자에 반응가스의 농도 및 종류에 따라 다른 성질을 띄는 금속산화물 나노입자가 생성되게 된다.
예를 들어, 열처리를 수행하는 경우, 처음 에너지 인가 시부터 일정 시간까지는 진공 상태에서 열처리를 수행하다가, 일정 시간이 지나면서 산소를 투입하게 되면, 금속나노입자의 내부는 산소의 농도가 낮게 되고, 외부는 산소의 농도가 높게 된다. 또한 산소를 투입하다가 수소를 투입하게 되면, 금속나노입자의 일정 부분은 산소의 농도가 낮게 형성되고, 나머지 부분은 수소의 농도가 높게 형성된다.
또한, 동일한 방법으로 에너지 인가 과정 중에 특정 촉매 물질을 투입하게 되면, 상기와 같은 동일한 원리로 금속나노입자의 특정 부분에는 촉매 물질의 농도가 높게 되어, 금속나노입자의 반응정도를 조절할 수 있어, 센서와 같은 응용분야에 정밀하게 적용할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명은, 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여 패턴을 형성하고, 에너지를 가하여 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따라 소정의 주기 및 크기를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하여, 간단한 방법으로 나노입자의 위치와 크기 및 배열 주기의 제어가 용이하여 미세 패턴의 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 금속레지스트의 코팅과 패턴화 공정 및 에너지 인가에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체 형성 공정에 의해, 대면적의 기재 상에도 금속산화물 나노입자의 균일한 흡착이 용이하며, 금속산화물 나노입자 구조체의 특정 패턴으로의 형성 및 변경이 용이하여 다양한 분야에 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법은, 높은 소결 온도 및 압력과 같은 과정이 필요하지 않아 제조시간이 단축되며, 폴리머와 같은 다양한 기판에도 활용할 수 있어, 금속산화물 나노입자의 응용 범위를 더욱 넓힐 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 기판 상에 금속레지스트를 코팅하여, 금속레지스트층을 형성하는 제1단계;
    상기 금속레지스트층을 패턴화하여, 상기 기판의 일부 영역을 노출시키고, 일정 주기(c), 5nm~100nm의 폭(a) 및 높이(b)를 갖는 금속레지스트 패턴을 형성하는 제2단계; 및
    상기 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하여, 상기 금속레지스트에 포함된 유기물의 분해 및 금속 분자 간 응집에 따른 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c), 폭(a) 및 높이(b)에 대응하여 일정 주기(e),(f), 크기(d)를 갖는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체를 형성하는 제3단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 기판의 표면 에너지 상태를 조절하여 상기 금속산화물 나노입자의 형태를 조절하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속레지스트는,
    MiOj(CkHl)m으로 이루어진 물질로서,
    M은 금속(Metal), O는 산소(Oxygen), C는 탄소(Carbon), H는 수소(Hydrogen), i,j,k,l,m은 자연수인 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제2단계는,
    e-beam 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 및 포토리소그래피 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제3단계의 금속레지스트 패턴에 에너지를 가하는 방법은,
    열처리, 산소플라즈마 처리 및 마이크로웨이브 인가 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 열처리 온도 및 시간, 상기 산소플라즈마 처리 파워 및 시간, 마이크로웨이브 인가 파워 및 시간을 조절하여 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 크기(d) 및 주기(f)를 조절하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 금속레지스트 패턴의 폭(a) 및 높이(b)를 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 크기(d) 및 주기(f)를 조절하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 금속레지스트 패턴의 주기(c)를 조절하여, 상기 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 주기(e)를 조절하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서, 상기 기판의 표면 에너지 상태의 조절은,
    기판의 산화처리 또는 플리즈마 처리에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 금속레지스트 내 금속의 함량을 조절하여 금속산화물 나노입자의 크기(d)를 제어하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  12. 제 1항, 제 2항, 제4항 내지 제8항, 제10항 및 제 11항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속산화물 나노입자는, 상기 제 3단계의 에너지를 가할 때 반응 가스의 농도 또는 종류를 순차적으로 조절하여, 코어-셀 구조의 금속산화물 나노입자를 구현하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 코어-셀 구조의 금속산화물 나노입자는,
    상기 코어 또는 셀 구조의 형성시 특정 촉매 물질을 투입하여, 코어 또는 셀에 따른 반응 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체의 제조방법.
  14. 제 13항의 제조방법에 의해 제조된 패턴화된 금속산화물 나노입자 구조체.
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