KR101818864B1 - 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 및 그 제조방법을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이는, 기판; 및 음파 진동에 따른 2차원 정상파 형태의 미세패턴 구조에 따라서 상기 기판 상에 형성된 미세물질;을 포함한다.

Description

음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치 및 그 제조방법{MICRO MATERIAL ARRAY USING SONIC WAVE MANUFACTURING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 미세물질 어레이 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 구체적으로는 음파 진동을 이용하여 제조되는 미세물질 어레이 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 산업계 및 다양한 학문 분야에서 마이크로 사이즈 또는 나노 사이즈의 미세물질에 대한 연구와 응용이 활발해지며 미세물질에 대한 관심이 증대되고 있다. 예를 들면, 미세물질의 발광특성을 이용한 광소자, 전자소자분야의 단일전자트랜지스터, DNA 검출 및 바이오마커 등 전자·디스플레이·바이오·의료분야 등 광범위한 산업분야에서 활발히 응용되고 있다.
미세물질은 성장, 이동, 분리, 고정 등 각 산업에서 요구되는 목적에 따라 제어되어야 하기 때문에 효율적인 미세물질 제어기술개발이 지속적으로 요구된다. 반도체공정, 유전영동 등의 기술이 미세물질 제어기술로 응용되고 있으나 제조공정이 복잡하고 까다로워 생산성이 매우 떨어지기 때문에 미세물질 산업화에 응용되기에는 한계가 있다. 따라서 기존 기술의 한계를 극복하는 새로운 개념의 획기적이고 창의적인 미세물질 제어기술개발이 필요하다.
유체를 이용하여 미세물질 일정한 방향으로 배열하는 종래 기술로는 자기조립분자층(self-assembly monolayer)이 형성된 기판을 수직으로 넣어, 기판 상에 미세물질을 흡착시키는 랭뮤어-블로짓(Langmuir-Blodgett) 방법이 있다.
그리고, 선행기술문헌 “The Journal of the Acoustical Society of America 121.2”는, 전극을 이용하여 2개의 수직하는 파동을 발생시키고, 수직하는 파동이 중첩되는 형태에 따라서 입자를 배열하는 기술을 개시하고 있다.
하지만, 랭뮤어-블로짓 방법에 따른 미세물질 배열 방법은 대량 생산에 적합하지 않고 배열된 입자의 안정성이 떨어지며, 선행기술문헌에 따른 기술은 파동의 중첩에 따라서 미세물질을 배열함으로써 미세물질을 균일한 패턴으로 배열하고 대형화 하는데 한계가 발생된다.
Stefano Oberti, Adrian Neild, and Jurg Dual, ““The Journal of the Acoustical Society of America 121.2” (2007)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 음파 진동을 통하여 미세 및 미세물질의 배열을 유체 내에서 제어하고, 균일한 패턴으로 형성되는 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도를 이용하여 유체 흐름을 제어하고, 입자들을 규칙적 어레이로 응집시켜 강화하는 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치는, 전자기 파형을 발생시키는 파형발생부; 기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질이 분산되도록 상기 기판을 고정하는 기판수용부; 상기 전자기 파형을 음파 진동으로 변환하고, 상기 음파 진동을 상기 기판수용부로 전달하고, 상기 음파 진동에 대응하여 상기 유체매질에 상기 미세물질의 미세패턴 구조를 형성하는 진동발생부; 및 상기 미세패턴이 형성된 상기 유체매질로부터 용매를 제거하는 용매건조부;를 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치는, 상기 파형발생부로부터 생성된 상기 전자기 파형의 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 제어하는 파형조절부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 미세패턴 구조는 상기 음파 진동의 진동수 및 진동의 세기에 기반하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 음파 진동의 진동수 및 진동의 세기는 상기 전자기 파형의 주파수 및 진폭 중 적어도 하나에 기반하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 미세패턴 구조의 입자간 간격은 상기 음파 진동의 진동수에 따라서 제어될 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치는, 상기 미세패턴 구조가 형성된 상기 유체매질에 커피링 효과를 형성하는 가열장치;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 미세패턴 구조는, 상기 기판 상에 2차원 격자 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 진동발생부는, 상기 유체매질의 상기 음파 진동의 전달을 이용하여 상기 미세물질의 입자간 이차결합을 제어할 수 있다.
또한, 상기 기판은 친수성 또는 소수성 특성을 가지며, 상기 미세물질은 상기 기판의 특성과 동일한 특성을 가질 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치는, 상기 기판과 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특성이 다른 경우, 상기 기판 상에 산소 플라즈마 처리하는 플라즈마처리부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치는, 상기 미세패턴 구조를 복수의 층으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 복수의 층으로 형성된 상기 미세패턴 구조는, 상기 음파의 제1진동수에 대응하여 형성된 제1미세패턴 구조 및 상기 음파의 제2진동수에 대응하여 형성된 제2미세패턴 구조를 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1진동수 및 상기 제2진동수가 동일한 경우, 상기 제1미세패턴 구조 및 상기 제2 미세패턴 구조는 동일한 입자간 간격 및 격자 구조로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질을 분산시키는 과정; 상기 기판에 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정; 상기 기판에 전달된 상기 음파 진동에 대응하여 상기 기판 상의 상기 유체매질에 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및 상기 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 상기 유체매질의 용매를 제거하는 과정;을 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유체매질의 용매는 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특징에 따라서 극성 용매 또는 무극성 용매로 결정될 수 있다.
또한, 상기 미세물질은, 상기 기판과 친수성 또는 소수성 특성이 동일할 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특성이 상기 기판의 특성과 동일하지 않은 경우, 상기 기판에 산소 플라즈마를 처리하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정; 상기 기판에 상기 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정; 상기 기판에 전달된 상기 음파 진동에 대응하여 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조 상의 상기 유체매질에 상기 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조 상에 상기 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 상기 유체매질의 용매를 제거하여 복층의 미세패턴 구조를 형성하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정은, 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 PDMS(polydimethylsiloxane) 스페이서층을 형성하는 과정; 및 상기 스페이서층 상에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 음파 진동을 통하여 기판상의 미세물질을 일정 패턴으로 배열되어 있는 어레이로 형성할 수 있어, 기판상에 도포되는 미세물질의 손상이 없이 균일한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고가의 장치를 필요로 하지 않고 음파 진동을 기반으로 미세물질 어레이를 형성할 수 있어, 생산성의 향상과 더불어 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치의 간단한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치에 포함되는 구성 요소들의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 및 유체매질의 미세패턴, 그리고 그 형태를 표현하기 위한 다양한 좌표계이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체매질에서 전달되는 진동수에 따라 형성되는 미세물질의 미세패턴 구조를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체매질에서 전달되는 진동수에 따라 형성되는 미세물질의 패턴 간극을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체매질에서 용매에 따라 형성되는 미세물질의 패턴 간극을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체매질이 증발하는 과정에서 기판의 온도에 따라 발생되는 커피링 효과를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 유체매질이 증발하는 과정에서 기판의 온도에 따라 발생되는 커피링 효과를 수치화한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체매질에서 미세패턴 구조가 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체매질에서 온도에 따라 형성된 미세패턴 구조의 확대 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이에서 복층으로 형성된 미세패턴 구조를 가지는 3차원 미세물질 어레이를 형상화한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동을 이용한 이세물질 어레이 제조방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예가 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호를 사용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예 가운데 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예에서 '또는' 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, 'A 또는 B'는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 '제1', '제2', '첫째' 또는 '둘째'등의 표현들이 본 발명의 다양한 구성 요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 또한, 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분 짓기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서 '실질적으로', '예를 들어', '예를 들어'와 같은 표현에 따라는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다른 것으로 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석하거나 또는 축소 해석하지 않아야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하되, 도면에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동(sonic wave)을 이용한 미세물질 어레이(micro material array)를 제조하기 위한 장치(이하, 미세물질 어레이 제조장치(10))는, 음파발생기(110) 및 진동 발생기(120)를 포함할 수 있다. 이때, 진동발생기(120)의 일부에는 미세패턴을 형성하기 위한 매질을 포함하는 기판(130)이 배치될 수 있다.
미세물질 어레이 제조장치(10)에서 음파발생기(110)는, 전자신호로 파동(wave)을 발생시키며, 발생되는 파동의 진동수(wave frequency), 파형(wave form), 진폭(amplitude)을 제어할 수 있다. 이때 음파발생기(110)에서 발생되는 파동의 진폭은 전압을 제어함으로써 조정할 수 있다. 음파발생기(110)는 일반적인 함수발생기(function generator)로 대체될 수 있다.
진동발생기(120)는 음파발생기(110)와 연결되어 전달되는 파동에 기반하여 진동을 발생시킬 수 있다. 진동발생기(120)의 진동 범위는 가청주파수 내의 범위로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진동발생기(120)의 진동 범위는 0 내지 5kHz 범위로 제공될 수 있다.본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상술한 미세물질 어레이 제조장치(10)을 이용하여 기판(130) 상에 미세물질로 구성되는 미세물질 어레이를 형성하기 위한 제조방법 및 그 장치를 제공할 수 있다.
기판(130) 상에 미세물질의 패턴을 형성함에 있어서, 미세물질의 입자 크기에 따라서 입자간 이차 결합이 입자의 움직임(예: 거동 및/또는 유동)에 미치는 영향이 증가될 수 있다. 예를 들면, 미세물질의 입자 크기가 작아질수록 입자간의 이차 결합력이 강해지며, 따라서 입자의 움직임이 제한될 수 있다. 이때, 입자간의 강한 이차결합으로 효과적인 미세패턴의 형성이 제한될 수 있다. 즉, 미세물질 어레이 제작을 위해서는 입자간 이차결합 및 입자-기판간 이차결합을 제어하기 위한 방법 및 그 장치가 필요할 수 있다.
미세물질 어레이 제조장치(10)은 음파 진동을 음파발생기(110) 및 진동발생기(120)를 통해서 생성되는 음파 진동을 이용하여 기판(130) 상의 미세물질이 포함된(예: 혼합된) 유체매질에 지정된 패턴의 진동을 전달할 수 있다. 즉, 유체를 매질로 이용하여 입자간 이차결합 및 입자-기판간 이차결합을 효과적으로 제어할 수 있고, 기판(130) 상에 미세물질을 이용한 미세패턴을 효과적으로 형성할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 미세물질 어레이 제조장치(10)에 포함되는 구성요소들에 대한 일 실시예를 설명한다.
미세물질 어레이 제조장치(10)는 상술한 바와 같이 음파발생기(110) 및 진동발생기(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 음파발생기(110)는, 파형발생부(111) 및 파형 조절부(113) 중 적어도 하나의 구성 요소를 포함할 수 있다.
파형발생부(111)는, 다양한 형태의 전자기 파동을 발진하는 구성 요소로 예를 들면, 구형파, 삼각파, 톱니파, 임펄스 및 사인파 중 적어도 하나의 파형을 발생시킬 수 있다.
파형 조절부(113)는, 파형발생부(111)로부터 발생되는 전자기 파동의 주파수 및/또는 진폭을 제어할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 파형 조절부(113)는 파형발생부(111)로부터 발생되는 전자기 파동에 가해지는 전압 및 전류를 제어하여 전자기 파동의 주파수 및/또는 진폭을 제어할 수 있다.
진동발생기(120)는, 진동발생부(121) 및 기판수용부(123) 중 적어도 하나의 구성 요소를 포함할 수 있다.
진동발생부(121)는, 음파발생기(110)로부터 전달되는 전자기 파동을 가청주패수 대역의 음파로 변환할 수 있다. 예를 들면, 진동발생부(121)는 음파발생기(11)로부터 전달되는 전자기 파동을 0 내지 5kHz 범위의 음파 진동으로 변환할 수 있다.
여기서, 음파 진동은 진동수와 진동의 세기로 표현될 수 있고, 파형조절부(113)를 통하여 전자기 파형의 주파수 및/또는 진폭을 조절함으로써, 음파 진동의 진동수 및/또는 진동의 세기를 제어할 수 있다.
기판수용부(123)는 기판(130)을 고정하며, 진동발생부(121)로부터 발생되는 음파 진동을 기판(130)에 전달할 수 있다. 이때, 기판수용부(123)는 진동을 기판(130)에 효율적으로 전달하기 위하여 진동발생부(121)로부터 연장 형성되는 진동부(미도시)와 연결될 수 있다.
여기서, 기판수용부(123)는 진동부의 움직임에 수직하도록 기판(130)을 수용할 수 있고, 진동부로부터 전달되는 파동을 효과적으로 기판(130) 및 매질에 전달할 수 있다.
미세물질 어레이 제조장치(10)는 기판(130) 및/또는 매질을 가열하기 위한 가열장치(140) 및/또는 미세패턴이 형성된 기판으로부터 유체 매질의 용매를 제거하기 위한 용매건조부(150)를 더 포함할 수 있다.
기판(130) 및/또는 매질을 가열하기 위한 가열장치는 50 내지 80 ℃ 또는 그 이상의 열을 출력할 수 있는 장치로 제공될 수 있다. 예를 들면, 가열장치는 자이글 심플(ZAIGLE, ZGSimple)을 이용할 수 있다.
또한, 용매건조부(150)는, 기판(130) 상의 유체용매에 미세 패턴이 형성된 상태에서 용매를 제거할 수 있다. 이때, 용매 건조부(150)는 가열장치(140)를 이용하여 기판(130) 상에서 미세 패턴이 형성된 상태의 유체용매로부터 용매를 제거할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 9를 참조하여, 상술한 미세물질 어레이 제조장치(10)을 이용한 미세물질 어레이 제조방법을 설명할 수 있다.
미세물질 어레이 제조장치(10)를 통하여 기판(130), 기판(130) 상의 유체매질(예: 미세물질이 포함된 유체매질)에 진동을 전달하는 경우, 진동이 전달되는 유체매질은 미세물질과 기판(130) 사이의 결합을 완화시키고, 미세물질은 유체 매질 표면에 형성되는 표면장력파(capillary wave)를 따라서 유동할 수 있다.
설명하면, 미세물질 어레이 제조장치(10)를 통하여 유체매질에 진동을 전달하게 되면, 유체매질 표면의 표면장력이 복원력으로 작용하는 표면장력파가 정상파의 형태로 형성될 수 있다.
기판(130) 상의 유체 매질에 형성되는 정상파는 미세물질 어레이 제조장치(10)를 통해서 전달되는 음파 진동의 패턴에 따라서 마디(node)와 배(antinode)로 구성되는 2차원 격자 형태의 입자 어레이(미세물질 어레이)를 형성할 수 있다. 이때, 미세물질은 집중현상(hydrodynamic focusing)에 의해 유체역학적으로 정상파의 배(displacement antinode)로 집중될 수 있다.
기판(130) 상의 미세패턴 구조를 설명함에 있어서, 미세패턴 구조는, 미세물질이 혼합된 유체매질이 도포된 기판(130)에 음파 진동이 전달되는 경우, 전달되는 음파 진동에 따라서 유체매질이 균일한 2차원 정상파의 형태로 규칙성을 가지고 진동함으로써 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 환상 모양의 마디선(nodal line)을 이용하여 반구의 액적 형상을 나타내기 위한 구형 좌표계 및 격자 형태의 마디선을 이용하여 미세패턴의 구조를 나타내기 위한 직교 좌표계를 이용할 수 있다.
이때, 직교 좌표계를 이용하여 표현되는 미세패턴 구조의 패턴 간극을 조절하기 위해서는 미세물질 어레이 제조장치(10)를 통하여 전달되는 음파 진동의 진동수를 제어함으로써 조절할 수 있다.
도 4를 참조하면, 미세패턴 구조의 패턴 간극은, 진동수에 기반하여 변화될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 미세물질이 포함된 유체매질 및 유체매질이 분산된 기판에 전달되는 음파 진동의 진동수에 따라서 결정될 수 있다.
미세패턴 구조를 형성하는 미세물질은 마이크로 사이즈 및/또는 나노 사이즈의 입자가 사용될 수 있다. 예를 들면, 미세물질은 50μm 이하의 지름을 가지는 SiO2 입자로 에탄올 용매에 포함되어 기판(130) 상에 분산될 수 있다.
이때, 유체매질을 구성하는 미세물질의 농도가 높아지는 경우, 매질에 포함되는 미세물질들이 뭉쳐져 이동하며, 미세패턴 구조의 격자 외의 영역에서도 미세물질이 관측될 수 있다. 따라서, 농도가 높은 유체매질의 경우, 선명한 격자 구조를 가지는 미세패턴 어레이를 형성하는데 어려움이 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세물질의 경우 30mg/ml 이하, 바람직하게는 27 mg/ml의 농도로 유체 매질을 구성할 수 있다. 여기서, 미세물질의 농도는 SiO2 입자를 일 실시 예로 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 다양한 미세물질에도 적용할 수 있다.
여기서, 상술한 SiO2는 친수성(hydrophilic) 특징을 가지며, 이러한 친수성 특징을 가지는 미세물질을 기판 상에 고르게 분산시키기 위하여 유체매질의 용매로 극성 용매인 에탄올을 사용할 수 있다. 다시 설명하면, 친수성 입자는 극성 용매에, 소수성 입자는 무극성 용매에 분산시킴으로써 기판(130)에 효과적으로 미세패턴 구조를 형성할 수 있다.
또한, 미세물질로 SiO2를 사용하는 경우, 사용되는 기판(130)을 결정함에 있어서, 기판(130) 상에 미세패턴 구조를 형성하기 위한 미세물질(예: SiO2)과 동일한 특성(예: 친수성)을 가지는 Si 기판을 사용할 수 있다.
이때, 미세물질 입자와 기판(130) 사이의 고정성(예: 접착성)이 약한 경우에는, 고정성을 향상시키기 위하여 기판 표면에 산소 플라즈마 처리를 수행할 수 있다. 기판의 산소 플라즈마 처리를 위해서 미세물질 어레이 제조장치(10)는 플라즈마처리부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
예를 들면, SiO2입자를 소수성 기판, 예를 들면, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)으로 구성된 기판에 형성하려는 경우, SiO2입자와 소수성 기판의 부착성이 좋지 못하여 응집된 SiO2입자가 기판(130)에 고정되지 않는다. 따라서, 기판의 입자 고정성을 향상시키기 위하여 기판(130) 상에 산소 플라즈마를 처리할 수 있다.
마찬가지로, 소수성 입자를 친수성 기판에 형성하려는 경우에도 친수성 기판 표면에 산소 플라즈마 처리를 수행함으로써, 친수성 입자를 효과적으로 소수성 기판에 고정할 수 있다.
미세물질은, 상술한 바와 같이 친수성 또는 소수성 특징을 가지는 마이크로 사이즈 또는 나노 사이즈의 단일 입자로 구성될 수 있다. 이때, 미세패턴 구조를 효과적으로 형성하기 위한 미세물질은 구형, 기둥형 및/또는 튜브형 등 다양한 형상의 입자로 구비될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이미지(210) 내지 이미지(250)에 도시된 바와 같이, 진동수가 커질 수록 기판(130) 상에 형성되는 미세패턴 구조의 패턴간극이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 기판(130) 상의 유체매질에 전달되는 음파 진동의 진동수가 커질 수록 표면장력파에 의한 입자의 유동이 제한되는 것으로 설명할 수 있다.
도 6을 참조하면, 진동수에 따른 미세패턴 구조의 패턴 간극은 입자의 물성이나 기판의 종류에 관계없이 유체매질 표면에 정상파 형태로 형성되는 하기 [수학식 1], 캐필러리 웨이브의 반파장 거리(λ/2)로 결정될 수 있다.
ω2λ3 = 2πγ/ρ (1)
(여기서, ω 는 진동수, γ 는 매질의 표면장력, 그리고 ρ 는 매질의 밀도)
도 6의 좌측 그래프는 어레이의 패턴 간극 거리 와 진동수와의 상관관계를 나타내고, 도 6의 우측 그래프는 어레이의 패턴 간극 거리의 역수와 진동수와의 상관관계를 나타낸다.
즉, 미세패턴 구조의 패턴 간극은, 유체매질을 일정하게 유동시키는 진동수, 전달되는 진동수에 따라서 유동하는 유체매질의 밀도, 밀도에 따라 형성되는 표면장력 중 적어도 하나의 변수를 조절함으로써 제어할 수 있다.
이하 표 1은, 미세물질 어레이 제조장치(10)의 일 실시예에 따른 에탄올 용매를 이용한 유체매질에서 상술한 변수들 중 진동수의 변화에 따른 패턴 간극을 나타낼 수 있다.
진동수(Hz) 패턴 간극(cm)
20 0.64
50 0.423
100 0.19
200 0.163
300 0.106
400 0.08
1000 0.0535
2000 0.0428
에탄올 매질에서 진동수에 따른 패턴 간극
표 1에 따르면, 미세물질 어레이 제조장치(10)를 통하여 전달하는 음파진동의 진동수가 높아질수록 더 조밀한 간격의 미세패턴 구조를 형성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 이미지(310)은 에탄올 용매에서 50μm 이하의 지름을 가지는 SiO2 입자가 Si 기판 상에서 형성되는 미세 패턴 어레이를 나타내고, 이미지(320)은 물에서 50μm 이하의 지름을 가지는 SiO2 입자가 Si 기판 상에서 형성되는 미세 패턴 어레이를 나타낸다.
각각의 이미지(310, 320)에서 미세물질 어레이 제조장치(10)를 통하여 50Hz의 진동수로 음파 진동을 전달하는 경우, 물보다 에탄올 용매의 γ/ρ값이 상대적으로 더 작기 때문에 에탄올에서 SiO2 입자 미세패턴 구조의 패턴 간극이 더 작게 형성될 수 있다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 어레이의 패턴 간극은 입자의 물성이나 기판의 종류에 따라 변화되지 않고, [수학식 1]에 나타난 바와 같이 액체의 매질, 즉 액체의 매질에 따른 표면장력과 밀도에 따라 변화될 수 있다.
상술한 바와 같이, 미세물질 어레이를 구성하는 입자의 물성은 패턴 간극을 결정하기 위한 요소가 아니며, 입자 크기 변화에 따라서, 미세물질 어레이를 구성하는 미세물질의 밀도를 결정할 수 있다.
더하여, 미세패턴 구조를 형성하기 위하여 사용되는 미세물질은 기둥형 및/또는 튜브형의 입자가 사용될 수 있다. 예를 들면, 나노 사이즈의 지름을 가지고 5μm 이하의 길이를 가지는 구리 나노와이어가 사용될 수 있다. 이때, SiO2보다 입자 크기가 작은 구리 나노와이어는 용매에 포함되는 입자 사이의 간격을 변경하여 동일 패턴 간극을 형성함에 있어서 밀도를 크게 구성할 수 있다.
하지만 이에 한정하지 않고, 마이크로 사이즈의 폴리스틸렌 입자(polystyrene micro particles)와 같은 소수성 폴리머, 마이크로스페어(microsphere) 등 다양한 형태의 입자들이 사용될 수 있다.
기판(130)에 형성된 미세패턴 구조에 따라서 미세물질 입자들을 고정하기 위하여 매질을 제거하는 공정을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기판(130) 상의 유체매질은 증발을 통해서 제거할 수 있고, 이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 온도에 따라서 매질의 증발 과정 중 미세패턴 구조의 미세물질이 응집되는 형태가 결정될 수 있다.
설명하면, 유체매질은 증발하는 과정에서 미세물질의 확산, 계면교란, 모세관 흐름에 의한 이차적 이동이 발생되며, 미세패턴 구조가 선명하지 못하고 미세물질들이 기판(130) 상에 번진 형태로 형성 될 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위하여 미세패턴 구조가 형성된 상태의 미세물질이 포함된 유체매질을 증발시키는 과정에서 액적 가장자리의 증발 과정에서 나타나는 커피링 효과를 적용하여 미세물질의 확산을 방지하고 선명한 미세물질 어레이를 형성할 수 있다.
예를 들면, 액적의 증발이 도 8에 도시된 바와 같이 임계온도(예: 65℃ 내외, 이하, 65℃) 이상에서 발생되는 경우, 커피링 효과가 강화되며, 마찬가지로 미세패턴 구조가 형성된 기판(130) 상의 유체매질을 증발시키는 과정에 적용할 수 있다. 즉, 미세패턴 구조를 형성 중인 미세물질이 포함된 유체매질의 증발이 임계온도 이상에서 형성되는 경우, 모세관 흐름이 증가되며 따라서 건조된 상태의 입자들을 통하여 미세패턴 구조가 선명하게 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 커피링 효과를 이용하여 선명한 미세패턴 구조를 형성하기 위한 방법으로 도 8을 상세하게 설명하면, 에탄올 용매에 50㎛ 내외의 지름을 가지는 SiO2 입자를 분산시킨 후, 동일한 부피의 물방울을 50, 55, 60, 65, 70, 75 ℃ 의 Si 기판에 떨어뜨리고, 에탄올이 완전히 증발한 후 건조된 SiO2 입자를 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 임계온도(65 ℃) 이상에서 커피링 효과가 강화되어 파티클이 분명한 링모양을 이루는 것을 확인할 수 있다. 온도에 의한 커피링 효과 강화현상은 하기 [수학식 2] 및 도 10을 통하여 나타낼 수 있다.
J(t) ~ Q/A = dV/dt 1/A (2)
여기서, J는 증발률(evaporation rate)로, ‘단위부피/증발시간’ 값을 증발된 영역의 면적으로 나누어 준 값을 의미하며, 마이크로미터/초(μm/s)의 단위로 표현할 수 있다.
도 9를 참조하면, 임계온도(65 ℃) 이상에서 증발률 값이 급증하며 커피링 효과의 급격한 강화를 보이는 것을 확인할 수 있다.
즉, 유체매질의 온도가 향상될수록 커피링 효과는 증가하고 에탄올 용매가 증가된 후 건조된 상태에서 형성된 미세패턴 구조를 형성하는 미세물질은 응집되어 선명하고 균일한 미세패턴 구조를 형성할 수 있다.
이 과정을 도 10을 이용하여 설명하면, 좌측 이미지는 기판(130) 상에 분산된 유체매질에 음파 진동을 전달하여 유체매질의 표면장력파에 따라 미세물질을 정렬함으로써 미세패턴 구조를 형성하는 과정을 도시한다.
중앙 이미지는, 유체매질의 용매를 증발시키는 과정에서 발생되는 커피링 효과를 도시한다. 이때, 상술한 바와 같이 온도가 높아질수록(예: 65℃ 이상) 커피링 효과에 의한 미세물질 응집은 향상될 수 있다.
우측 이미지, 유체매질의 용매가 증발된 후 미세물질이 건조된 상태의 미세패턴 구조를 도시한다. 용매의 증발과정에서 작용하는 커피링 효과에 의하여 미세물질이 응집되어 중앙 이미지보다 선명한 미세패턴 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 미세패턴 구조의 경우, 2차원으로 형성됨으로, 커피링 효과는 형성되는 격자의 테두리 방향으로 집중되며, 바람직하게는 형성되는 격자의 모서리 방향으로 발생될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이의 500μm 스케일바로 촬영된 광학현미경 이미지이다. Si 기판에서 에탄올에 분산된 50㎛ 내외의 지름을 가지는 SiO2 입자를 이용하여 실험되었다.
좌측 이미지는 상온에서 증발한 미세물질 어레이며, 우측 이미지는 임계온도(65℃) 이상에서 증발한 미세물질 어레이다. 상온에서 용매가 증발될 경우, 입자들이 흐트러지는 반면, 임계온도 이상에서 용매의 증발이 일어난 경우에는 4 개의 격자점 형태를 분명히 확인할 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면, 미세물질 어레이를 복수의 층으로 형성하여 3차원 미세물질 어레이(400)를 구성할 수 있다. 예를 들면, 3차원 미세물질 어레이(400)는 상술한 바에 따라서 기판(130)에 형성된 2차원의 미세물질 어레이의 미세패턴 구조 상에 생성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, Si 기판(130)에 형성된 SiO2 미세물질의 미세물질 어레이(410) 상에 SiO2 미세물질이 포함된 에탄올 유체매질을 도포할 수 있다. 미세물질이 포함된 유체매질이 도포된 상태에서 미세물질 어레이 제조장치(10)를 통하여 음파 진동을 기판(130)에 전달한다.
이때, 미세물질 어레이(410) 상에는 전달되는 진동수에 따른 새로운 미세패턴 구조가 형성될 수 있고, 전달되는 진동수가 미세물질 어레이(410)를 형성한 경우와 동일한 진동수로 전달되는 경우, 미세물질 어레이(410)와 동일/또는 유사한 형태의 미세패턴 구조가 형성될 수 있다.
미세물질 어레이(410) 상에 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 유체매질을 증발시킴으로써, 미세물질 어레이(410)에 새로운 미세물질 어레이(410)가 응집된 3차원 미세물질 어레이(420)를 형성할 수 있다.
여기에서, 기 형성된 미세패턴 어레이(410) 상에는 새로 형성될 미세물질 어레이(420)의 고정(또는 고정성)을 향상시키기 위하여 스페이서층(spacer layer, 미도시)을 형성할 수 있다. 이때, 형성되는 스페이서층은, 일 실시예에 따르면, PDMS(polydimethylsiloxane)를 도포하고, 큐어링(curing)함으로써 형성할 수 있다.
즉, 미세물질 어레이에 미세물질이 포함된 유체매질을 분산시키고, 음파 진동을 전달하여 유체매질을 증발시키는 공정을 반복 수행함으로써 새로운 미세물질 어레이를 반복적으로 적층할 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이 미세패턴 구조를 형성함에 있어서, 기 생성된 미세물질 어레이의 미세패턴 구조를 형성할 시 전달된 진동수와 동일한 진동수에서 미세패턴 구조를 형성하는 경우, 기 생성된 미세물질 어레이(예: 410)의 미세패턴 구조와 새로 형성되는 미세물질 어레이(예: 420)의 미세패턴 구조의 입자간 격자(lattice) 구조는 도 12에 도시된 바와 같이, 동일하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 형성된 미세물질 어레이(410, 420) 사이에 스페이서층이 형성된 경우, 스페이서층을 기준하여 대칭되도록 미세물질의 입자들이 배치될 수 있다.
또한, 반복적으로 3차원 미세물질 어레이(400)의 기 생성된 미세물질 어레이(420)에 새로운 미세물질 어레이(430)를 형성할 수도 있다. 즉, 기판상의 미세패턴 구조 상에 새로운 미세패턴 구조를 적층함으로써, 복층의 미세패턴 구조로 형성된 3차원 미세물질 어레이(400)를 형성할 수 있다.
기판(130) 상에 형성되는 미세물질의 미세패턴 구조의 특성(예: 격자구조 및/또는 입자간 간격)은 미세물질과 기판(130)의 물리적 특성보다, 미세물질이 포함된 유체매질의 표면에 형성되는 표면장력파와 입자의 상호작용에 기반하여 결정될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질을 분산시키는 과정(S501); 기판에 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정(S503); 기판에 전달된 음파 진동에 대응하여 기판 상의 유체매질에 미세패턴 구조를 형성하는 과정(S505); 및 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 유체매질의 용매를 제거하는 과정(S507);을 포함한다.
설명하면, 기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질을 분산시키는 과정(S501)은, 진동 발생기(120)의 기판수용부(123)에 기판(130)을 고정하고, 기판(130) 상에 유체매질을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기판(130) 상에 유체매질을 형성함에 있어서, 도포 또는 분사하여 2차원 형태로 분산시키거나, 또는 기판수용부(123)에 기판(130)을 고정하고, 기판수용부(123) 내에 유체매질을 채우는 방식으로 제공될 수 있다.
이때, 유체매질의 용매는, 미세물질의 친수성 또는 소수성 특징에 따라서 극성 용매 또는 무극성 용매로 결정될 수 있다. 예를 들면, 미세물질 특성이 친수성인 경우, 유체용매의 매질은 극성 용매를 사용할 수 있고, 마찬가지로, 미세물질 특성이 소수성인 경우, 유체용매의 매질은 무극성 용매를 사용할 수 있다.
또한, 미세물질은, 기판과 친수성 또는 소수성 특성이 동일하게 형성될 수 있다. 여기서, 기판의 친수성 또는 소수성 특성과 미세물질의 친수성 또는 소수성 특성이 동일하지 않은 경우, 기판 상에 산소 플라즈마를 처리함으로써, 미세물질의 기판 고정성을 향상시킬 수 있다.
미세패턴 구조를 형성하는 미세물질은, 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 원형, 기둥형 및 튜브형 중 적어도 하나의 형상을 가지는 입자를 포함하여 형성될 수 있고, 예를 들면, 미세물질은 50μm 내외의 지름을 가지는 SiO2 입자 또는 수십 나노 사이즈의 지름을 가지고 5μm 내외의 길이를 가지는 나노와이어가 포함될 수 있다.
기판에 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정(S503)은, 일 실시예에따르면, 음파발생기(110)의 파형발생부(111)를 통해서 전자기 파형을 생성하고, 진동발생기(120)의 진동발생부(120)를 통해서 전자기 파형을 음파 진동으로 변환하여 기판수용부(123)의 기판(130) 및/또는 기판(130) 상의 유체매질에 전달하고, 음파 발생기(110)의 파형조절부(113)를 통하여 파형발생부(111)에서 생성된 전자기 파형의 주파수 및/또는 진폭을 조절함으로써 기판(130) 상의 유체매질에 형성되는 미세패턴의 형상을 제어하는 과정을 포함할 수 있다.
기판 상의 유체매질에 미세패턴 구조를 형성하는 과정(S505)은, 상술한 바와 같이, 음파발생기(110)로부터 생성되는 전자기 파형 및 조절되는 주파수 및/또는 진폭에 따라서 기판(130)의 유체매질에 형성되는 미세패턴을 제어하는 과정을 포함할 수 있다.
미세패턴 구조가 형성된 상태에서 유체매질의 용매를 제거하는 과정(S507)은, 용매건조기(150)를 통해서 미세패턴 구조가 형성된 기판 상의 유체매질에서 용매를 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 이때, 용매건조기(150)를 통해서 용매를 제거하는 중에, 가열장치(140)를 통해서 기판(130) 및 미세패턴이 형성된 유체매질을 가열함으로써, 형성된 2차원의 미세패턴에 커피링 효과를 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이는 2개층 이상의 복층으로 3차원 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 용매가 제거된 미세패턴 구조에 미세물질이 혼합된 유체매질을 분산시키는 과정; 기판에 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정; 기판에 전달된 음파 진동에 대응하여 용매가 제거된 미세패턴 구조 상의 유체매질에 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및 용매가 제거된 미세패턴 구조 상에 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 유체매질의 용매를 제거하여 복층의 미세패턴 구조를 형성하는 과정;을 더 포함하여 3차원 미세물질 어레이(400)를 형성할 수 있다.
이때, 미세물질로 형성되는 복층의 미세패턴 구조 사이는 PDMS(polydimethylsiloxane) 스페이서층이 형성된다. 여기서, 형성된 스페이서층은 소수성 특성을 가지므로, 친수성 특성을 가지는 SiO2 입자의 미세패턴 구조를 형성하기 위하여 도포하기 스페이서층에 산소 플라즈마 처리를 수행할 수 있다.
상술한 바에 따르면, 음파진동을 이용한 미세물질 어레이는, 기판; 및 음파 진동에 따른 미세패턴 구조에 따라서 상기 기판 상에 형성된 미세물질;을 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 기판은 친수성 또는 소수성 특성을 가지며, 상기 미세물질은 상기 기판의 특성과 동일한 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 기판과 상기 미세물질의 특성이 다른 경우, 상기 기판 상에 산소 플라즈마 처리될 수 있다.
또한, 상기 미세물질은, 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입자로 구성될 수 있다.
또한, 상기 미세물질은, 원형, 기둥형 및 튜브형 중 적어도 하나의 형상을 가지는 단일 입자일 수 있다.
또한, 상기 미세패턴 구조는, 상기 미세물질이 포함된 유체매질이 상기 기판 상에 분산된 상태에서 상기 음파 진동이 전달되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 유체매질은, 상기 미세물질의 특성에 따라서 극성 용매 또는 무극성 용매가 결정될 수 있다.
또한, 상기 음파 진동에 따른 미세패턴 구조는, 음파발생기로부터 전달되는 음파의 진동수에 대응하여 형성된 상기 유체매질의 표면장력파에 따라서 형성되는 상기 미세물질의 입자간 간격 및 격자 구조에 기반하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 미세패턴 구조는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 층으로 형성된 상기 미세패턴 구조는, 상기 음파의 제1진동수에 대응하여 형성된 제1미세패턴 구조 및 상기 음파의 제2진동수에 대응하여 형성된 제2미세패턴 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1진동수 및 상기 제2진동수가 동일한 경우, 상기 제1미세패턴 구조 및 상기 제2 미세패턴 구조는 동일한 입자간 간격 및 격자 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 미세패턴 구조 사이는 스페이서층이 구비될 수 있다.
또한, 상기 스페이서층은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질을 분산시키는 과정; 상기 기판에 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정; 상기 기판에 전달된 상기 음파 진동에 대응하여 상기 기판 상의 상기 유체매질에 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및 상기 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 상기 유체매질의 용매를 제거하는 과정;을 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유체매질의 용매는 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특징에 따라서 극성 용매 또는 무극성 용매로 결정될 수 있다.
또한, 상기 미세물질은, 상기 기판과 친수성 또는 소수성 특성이 동일하도록 결정될 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특성이 상기 기판의 특성과 동일하지 않은 경우, 상기 기판에 산소 플라즈마를 처리하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 미세물질은, 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 원형, 기둥형 및 튜브형 중 적어도 하나의 형상을 가지는 입자를 포함할 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정; 상기 기판에 상기 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정; 상기 기판에 전달된 상기 음파 진동에 대응하여 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조 상의 상기 유체매질에 상기 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조 상에 상기 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 상기 유체매질의 용매를 제거하여 복층의 미세패턴 구조를 형성하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
또한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법은, 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정은, 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 PDMS(polydimethylsiloxane) 스페이서층을 형성하는 과정; 및 상기 스페이서층 상에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정;을 포함할 수 있다.상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 음파 진동을 통하여 기판상의 미세물질을 일정 패턴으로 배열되어 있는 어레이로 형성할 수 있어, 기판상에 도포되는 미세물질의 손상이 없이 균일한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고가의 장치를 필요로 하지 않고 음파 진동을 기반으로 미세물질 어레이를 형성할 수 있어, 생산성의 향상과 더불어 생산 비용을 절감할 수 있다.
음파 진동을 이용한 미세물질의 제어 기술은 입자로 구성된 다량의 물질(예: 유체매질)을 고속으로 제어 가능하며, 또한 입자의 역학적 물성과 관련한 기술로 입자의 전기적 및/또는 자기적 특징과 무관하기 때문에 전기적 및/또는 자기적으로 민감하게 영향을 받는 광범위한 분야에서 응용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 미세물질 어레이 제조장치
110 : 음파발생기 120 : 진동발생기
121 : 진동부 130 : 기판

Claims (19)

  1. 전자기 파형을 발생시키는 파형발생부;
    기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질이 분산되도록 상기 기판을 고정하는 기판수용부;
    상기 전자기 파형을 음파 진동으로 변환하고, 상기 음파 진동을 상기 기판수용부로 전달하고, 상기 음파 진동에 대응하여 상기 유체매질에 상기 미세물질의 미세패턴 구조를 형성하는 진동발생부; 및
    상기 미세패턴이 형성된 상기 유체매질로부터 용매를 제거하는 용매건조부;를 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파형발생부로부터 생성된 상기 전자기 파형의 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 제어하는 파형조절부;를 더 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세패턴 구조는 상기 음파 진동의 진동수 및 진동의 세기에 기반하여 결정되는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 음파 진동의 진동수 및 진동의 세기는 상기 전자기 파형의 주파수 및 진폭 중 적어도 하나에 기반하여 결정되는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세패턴 구조의 입자간 간격은 상기 음파 진동의 진동수에 따라서 제어되는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세패턴 구조가 형성된 상기 유체매질에 커피링 효과를 형성하는 가열장치;를 더 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세패턴 구조는, 상기 기판 상에 2차원 격자 구조로 형성되는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진동발생부는, 상기 유체매질의 상기 음파 진동의 전달을 이용하여 상기 미세물질의 입자간 이차결합을 제어하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 친수성 또는 소수성 특성을 가지며,
    상기 미세물질은 상기 기판의 특성과 동일한 특성을 가지는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특성이 다른 경우, 상기 기판 상에 산소 플라즈마 처리하는 플라즈마처리부;를 더 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 미세패턴 구조를 복수의 층으로 형성하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 층으로 형성된 상기 미세패턴 구조는,
    상기 음파의 제1진동수에 대응하여 형성된 제1미세패턴 구조 및 상기 음파의 제2진동수에 대응하여 형성된 제2미세패턴 구조를 포함하도록 형성되는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1진동수 및 상기 제2진동수가 동일한 경우, 상기 제1미세패턴 구조 및 상기 제2 미세패턴 구조는 동일한 입자간 간격 및 격자 구조로 형성된, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조장치.
  14. 기판 상에 미세물질이 혼합된 유체매질을 분산시키는 과정;
    상기 기판에 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정;
    상기 기판에 전달된 상기 음파 진동에 대응하여 상기 기판 상의 상기 유체매질에 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및
    상기 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 상기 유체매질의 용매를 제거하는 과정;을 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유체매질의 용매는 상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특징에 따라서 극성 용매 또는 무극성 용매로 결정되는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 미세물질은, 상기 기판과 친수성 또는 소수성 특성이 동일한, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 미세물질의 친수성 또는 소수성 특성이 상기 기판의 특성과 동일하지 않은 경우, 상기 기판에 산소 플라즈마를 처리하는 과정;을 더 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정;
    상기 기판에 상기 지정된 주파수의 음파 진동을 전달하는 과정;
    상기 기판에 전달된 상기 음파 진동에 대응하여 상기 용매가 제거된 미세패턴 구조 상의 상기 유체매질에 상기 미세패턴 구조를 형성하는 과정; 및
    상기 용매가 제거된 미세패턴 구조 상에 상기 미세패턴 구조가 형성된 상태에서 상기 유체매질의 용매를 제거하여 복층의 미세패턴 구조를 형성하는 과정;을 더 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정은,
    상기 용매가 제거된 미세패턴 구조에 PDMS(polydimethylsiloxane) 스페이서층을 형성하는 과정; 및
    상기 스페이서층 상에 상기 미세물질이 혼합된 상기 유체매질을 분산시키는 과정;을 포함하는, 음파 진동을 이용한 미세물질 어레이 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114892168A (zh) * 2022-05-31 2022-08-12 山西大同大学 一种声波辅助薄膜沉积装置及其应用

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