KR101882582B1 - 나노선 제작 마스터 몰드, 나노 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
나노선 제작 마스터 몰드, 나노 소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
나노 소자의 제조 방법이 제공된다. 상기 나노 소자의 제조 방법은 마스터 몰드(master mold)를 준비하는 제1 단계, 상기 마스터 몰드에 잉크를 제공하여 적어도 두 개 이상의 평행한 나노선들을 성장시키는 제2 단계 및 상기 마스터 몰드에 성장된 나노선들을 기판에 전사(transfer)하는 제3 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 나노선 제작 마스터 몰드, 나노 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일 방향으로 정렬된 단결정 나노선을 형성하는 나노선 제작 마스터 몰드, 그를 통해 제조된 나노 소자 및 제조 방법에 관련된 것이다.
일반적으로 나노선은 직경이 100nm 크기 미만이고, 길이가 수십~수백 마이크로미터(μm) 크기로, 종횡비(aspect ratio)가 매우 높은 일차원 나노 소재다. 나노선은 Ni, Pt, Au 등으로 제조되는 금속성 나노선, Si, InP, GaN, GaAs, ZnO 등으로 제조되는 반도체 나노선, SiO2, TiO2 등으로 제조되는 절연성 나노선으로 구분할 수 있다. 이러한 나노선은 그 크기에 의해 양자 효과에 기반한 새로운 물리적, 화학적, 기계적 성질 및 우수한 전기적, 광학적 특성을 가진다. 이를 이용하여, 나노선은 레이저, 트랜지스터, 메모리, 센서, 태양 전지 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
나노선은 프린팅 기술을 통하여 제조될 수 있다. 그러나, 프린팅 기술과 관련하여 많은 연구가 진행되어 왔지만 아직까지 단순공정, 직접프린팅, 고해상도, 고집적화, 대면적, 저비용, 고처리량을 모두 만족시키는 완벽한 프린팅 기술이 개발되지 않아 많은 어려움을 겪고 있다. 특히 인쇄 공정을 통하여 나노 패턴을 제조하는 과정에서 나노 패턴을 원하는 형태로 자유자재로 형성시키기 어려운 면이 존재하여 나노 구조체의 우수한 가능성에도 불구하고 응용연구에 획기적인 발전이 진행되지 못하고 있다.
또한, 유기 나노선이 적용될 수 있는 유기 반도체는 실리콘 같은 무기 반도체와 달리 가볍고 유연하여, 플렉서블(flexible) 디스플레이, 전자종이, 웨어러블(wearable) 센서 등 다양한 차세대 전자 소자의 소재로 주목받고 있다. 그러나, 유기 반도체는 집적 기술 및 성능의 한계로 인해 상용화에는 아직 어려움이 있다. 또한, 유기 반도체를 형성하는 유기 물질의 구조(morphology) 또는 결정성(crystallinity)은, 유기 반도체를 이용한 전자 소자 또는 광전자 소자의 성능을 결정짓는 중요한 요소로 작용함에도 불구하고, 아직 연구가 미흡한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 단결정 나노선을 형성하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 특히 유기 단결정 나노선을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 다양한 물질 및/또는 형상의 나노선을 용이하게 제조하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 서로 다른 물질을 포함하는 두 개 이상의 단결정 나노선들을 비 중첩적으로 접합시킨 이종접합 나노선을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 서로 다른 물질을 포함하는 두 개 이상의 단결정 나노선들을 한 번에 전사함으로써, 정렬 및 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 나노 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자의 제조 방법은 마스터 몰드(master mold)를 준비하는 제1 단계, 상기 마스터 몰드에 잉크를 제공하여 적어도 두 개 이상의 평행한 나노선들을 성장시키는 제2 단계 및 상기 마스터 몰드에 성장된 나노선들을 기판에 전사(transfer)하는 제3 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자의 제조 방법은 마스터 몰드를 준비하는 제1 단계, 상기 마스터 몰드에 잉크를 제공하여 단결정 나노선을 성장시키는 제2 단계 및 상기 마스터 몰드에 성장된 나노선을 기판에 전사하는 제3 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자의 제조 방법은 상기 제3 단계 후에, 상기 기판에 전사된 나노선에 와이어를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드는 적어도 두 개 이상의 단위 나노 소자 형성을 위한 유닛 몰드들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드는 상기 나노선을 단결정으로 성장시키는 패턴을 포함하고, 상기 패턴을 구성하는 단위 채널의 폭은 100nm 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계는, 서로 다른 물질로 이루어진 잉크를 상기 마스터 몰드에 함께 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계는, 상기 마스터 몰드에 상기 잉크를 제공하는 단계 및 상기 잉크가 모세관 현상에 의해 상기 채널을 따라 이동하여 상기 나노선을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계에 있어서, 상기 나노선의 길이 및 상기 나노선의 개수는 상기 잉크의 단위 액적 부피 및 상기 잉크의 방울 개수 중 적어도 하나에 의하여 제어될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 잉크의 표면 자유 에너지(surface free energy)는 상기 마스터 몰드의 표면 자유 에너지보다 높을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자의 제조 방법은, 상기 제3 단계에 있어서, 상기 마스터 몰드 상에 형성된 나노선들을 상기 기판에 전사할 시, 상기 서로 다른 물질로 이루어진 잉크에 의하여 성장된 나노선들을 동시에 전사할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판에 전사된 나노선은 단결정으로 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 나노 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자는 적어도 두 종 이상의 단결정 나노선이 평행하게 배치된 나노 구조체를 포함하되, 상기 구조체는 제1 물질을 포함하는 제1 나노선 및 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질을 포함하는 제2 나노선을 포함하고, 상기 제1 나노선과 상기 제2 나노선은 동일한 방향으로 연장하며, 상기 제1 나노선의 단면과 상기 제2 나노선의 단면은 상기 제1 나노선과 상기 제2 나노선의 연장방향으로 비 중첩적으로(non-overlap) 접한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자는 적어도 두 종 이상의 단결정 나노선이 평행하게 배치된 나노 구조체를 포함하되, 상기 구조체는 제1 물질을 포함하는 제1 나노선 및 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질을 포함하는 제2 나노선을 포함하고, 상기 제1 나노선과 상기 제2 나노선은 서로 평행하게 연장하되, 상기 제1 나노선과 상기 제2 나노선은 폭 방향으로 서로 이격하여 위치할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자는, 상기 제1 나노선이 서로 평행한 제1 서브 나노선들로 구성되고, 상기 제2 나노선이 서로 평행한 제2 서브 나노선들로 구성되고, 상기 제1 서브 나노선들 및 상기 제2 서브 나노선들이 서로 교번하여 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 나노선 제작 마스터 몰드를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 나노선 제작 마스터 몰드는 적어도 두 개 이상의 유닛 몰드로 이루어지되, 상기 유닛 몰드는 잉크를 수용하고, 상기 수용된 잉크를 단결정 나노선으로 성장시키는 패턴을 포함한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 나노 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자의 제조 방법은 유연 소재로 형성된 마스터 몰드를 제공하는 단계, 상기 마스터 몰드를 잉크 제공부로 이동시키고, 상기 이동된 마스터 몰드에 상기 잉크 제공부를 통하여 잉크를 제공하여 나노선을 형성하는 단계 및 상기 마스터 몰드를 대상 기판 상으로 이동시키고, 상기 형성된 나노선을 상기 기판에 전사하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 나노 소자의 제조 방법은 상기 기판을 와이어 형성부로 이동시키고, 상기 전사된 나노선에 상기 와이어 형성부를 통하여 와이어를 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법은, 패턴이 형성된 마스터 몰드를 이용하여 단결정 나노선들로 구성되는 다양한 구조의 나노 구조체 및 상기 나노 구조체를 이용한 나노 소자를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법은, 마스터 몰드의 패턴을 구성하는 채널의 폭을 조절하여, 단결정 나노선을 형성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나노선의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노선들의 SEM 및 SAED 측정 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노선의 광학 이미지, SEM 및 TEM 측정 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노 소자를 포함하는 IC 칩 및 그 모식도이다.
도 9는 도 8의 나노 소자들의 전류-전압 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나노선의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노선들의 SEM 및 SAED 측정 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노선의 광학 이미지, SEM 및 TEM 측정 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노 소자를 포함하는 IC 칩 및 그 모식도이다.
도 9는 도 8의 나노 소자들의 전류-전압 그래프들이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 그 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2의 a1을 참조하면, 마스터 몰드(master mold, 110)가 준비된다(제1 단계, S110).
상기 마스터 몰드(110)는 단위 나노 소자 형성을 위한 유닛 몰드로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 마스터 몰드(110)는 적어도 두 개 이상의 단위 나노 소자 형성을 위한 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)을 포함할 수 있다. 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)은 나노선(NW)을 성장시키는 패턴(Pa)을 포함하고, 상기 패턴(Pa)은 폭이 100nm 이하인 단위 채널(Ch)로 구성될 수 있다. 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)은 서로 다른 형태의 상기 패턴(Pa)을 포함할 수 있다. 다른 관점에서 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)은 서로 다른 형상의 나노 소자 형성을 위한 틀을 제공할 수 있다. 이로써, 상기 마스터 몰드(110)는 서로 다른 종류의 나노 소자들을 한 번에 준비할 수 있는 틀을 제공할 수 있는 것이다.
실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드(110)는 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate, PUA) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 몰드일 수 있다. 상기 마스터 몰드(100)의 상기 패턴(Pa)을 구성하는 상기 채널(Ch)은 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm이고, 길이가 300μm일 수 있다. 상기 채널(Ch)들 사이의 간격은 3μm일 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드(110)는 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)의 조합을 대면적 몰드 상에 배열한 뒤, 복제 몰드(replica mold)를 형성함으로써 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 몰드 기판 상에 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)을 원하는 조합으로 배열한다. 배열된 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3)을 틀로써 이용하여 상기 마스터 몰드(110)를 제조할 수 있다.
도 1 및 도 2의 a2를 참조하면, 상기 마스터 몰드(110)에 잉크(Ink 1 내지 6)가 제공되어 상기 나노선(NW)들이 성장한다(제2 단계, S120). 실시 예에 따르면, 상기 나노선(NW)들은 단결정 나노선들로 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드(100)에 제공되는 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 잉크일 수 있다. 예를 들어, 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 유기 잉크, 무기 잉크, p-type 잉크, n-type 잉크, 발광 잉크 또는 금속 잉크 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 1wt% TIPS-PEN(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene), 1wt% C60, 0.5wt% P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 0.1wt% PTCDI-C8(N,N'-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 상기 마스터 몰드(110) 상에 단위 액적(droplet)으로 제공될 수 있다. 상기 마스터 몰드(110)에 제공된 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는, 상기 마스터 몰드(100)에 형성된 상기 패턴(Pa)의 상기 채널(Ch)의 영역에 한정되어 퍼진다(spread over). 구체적으로, 상기 마스터 몰드(110)와 상기 잉크(Ink 1 내지 6) 사이의 계면 자유 에너지(interfacial free energy)에 의한 습윤성(wettability) 차이로 인해, 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 상기 마스터 몰드(100) 상의 상기 채널(Ch)이 아닌 영역 상에는 잔존(residue)하지 않는다. 구체적으로, 상기 마스터 몰드(110)의 표면 자유 에너지(surface free energy)는 상기 잉크(Ink 1 내지 6)의 표면 자유 에너지보다 낮다. 실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드(110)의 표면 자유 에너지는 25mJ/m2이고, 상기 잉크(Ink 1 내지 6)의 표면 자유 에너지는 30-70mJ/m2일 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 마스터 몰드(110)와 상기 잉크(Ink 1 내지 6)의 접촉각(Young's contact angle)은 20~70°이고, 상기 잉크(Ink 1 내지 6)의 점도(viscosity)는 100cP 미만이고, 상기 채널(Ch)의 종횡비(aspect ratio, depth/width)는 0.2보다 크다. 이에 따라, 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 상기 마스터 몰드(110)의 상기 채널(Ch)의 영역에 한정되어 제공될 수 있다.
도 2의 b를 참조하면, 상기 채널(Ch) 상에 제공된, 상기 잉크(Ink 1 내지6)는 상기 채널(Ch) 내에서 모세관 현상에 의해 이동하며, 상기 나노선(NW)으로 성장한다. 실시 예에 따르면, 상기 잉크(Ink 1 내지6)는 10pL 제공되고, 상기 나노선(NW)의 길이 및 개수는 상기 잉크(Ink 1 내지 6)의 단위 액적 수 또는 단위 액적 부피에 의하여 제어될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 나노선(NW)은 100℃ 이하에서 30~60분 동안 건조되어 응고(solidification)될 수 있다. 상기 나노선(NW)이 응고되는 과정에서 상기 잉크(Ink 1 내지 6)는 자기 조립(self-assembly) 및 결정화(crystallization)하여 단결정 나노선을 형성할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 나노선(NW)은 다양한 나노 구조체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조체는 단일 종류의 잉크로 제조된 단결정 나노선(NW)으로 이루어질 수도 있다. 다른 예를 들어, 상기 나노 구조체는 이종 물질의 잉크로 제조된 단결정 나노선들이 다양한 방법으로 배치하여 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 이종 물질의 단결정 나노선들은 서로 평행하게 배치될 수도 있고, 특히 길이 방향으로 접하는 이종 접합을 구성할 수도 있다.
도 1 및 도 2의 a3을 참조하면, 상기 마스터 몰드(110)에 형성된 상기 나노선(NW)들을 기판(120)에 전사(transfer) 한다(제3 단계, S130). 상기 마스터 몰드(110)에 형성된 상기 나노선(NW)들은 상기 기판(120)으로 전사될 수 있다. 특히, 상기 마스터 몰드(110)에 형성된 단결정 나노선(NW)이 적어도 두 개 이상인 경우, 한 번에 상기 기판(120)으로 전사될 수 있다. 즉, 상기 마스터 몰드(110)의 상기 유닛 몰드들(UM1, UM2, UM3) 각각에 형성된 단결정 나노선(NW)들은 한 번에 상기 기판(120)으로 전사될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 기판(120)은 PES(glastic poly (ether sulfone)) 필름 또는 Si 기판일 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 기판(120)에 에탄올을 이용하여 유체층(liquid layer)을 형성하고, 상기 기판(120)상의 상기 유체층상에 상기 마스터 몰드(110)에 형성된 상기 나노선(NW)들을 전사할 수 있다. 도 2의 c를 참조하면, 상기 유체층은 상기 기판(120)과 상기 나노선(NW) 사이의 conformal contact를 형성하여, 상기 나노선(NW)을 상기 기판(120)상으로 용이하게 전사할 수 있다.
도 2의 a4를 참조하면, 상기 기판(120)상에 상기 나노선(NW)을 한번에 전사한 후, 상기 유체층을 증발시켜 제거한 뒤, 상기 마스터 몰드(110)를 제거한다. 이로써, 단결정 나노선이 상기 기판(120)에 전사될 수 있다.
상기 기판(120)에 전사된 단결정 나노선들은 단일 소재로 이루어진 나노 구조체를 형성할 수도 있고, 2종류 이상의 소재로 이루어진 나노 구조체를 형성할 수 있다. 이때, 상기 마스터 몰드(110)에 복수의 유닛 몰드가 형성되어 있으므로, 다양한 나노 구조체를 한 번에 상기 기판(120)으로 전사하는 효과를 제공할 수 있다. 이에 따라, 생산 시간 감소 및 공정의 편의성을 제공할 수 있다.
전사된 단결정 나노선이 나노 소자로서 활용되도록 와이어(130)가 추가될 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 기판(120)상의 상기 나노선(NW)들을 연결하는 상기 와이어(130)가 형성된다. 실시 예에 따르면, 상기 와이어(130)는 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 스퍼터링(sputter deposition)에 의해 형성될 수 있다. 와이어(130)의 형성에 의해 상기 나노선(NW)들로 구성된 나노 구조체는 나노 소자로서 제조될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노 소자는 FET(field effect transistor), LED(light emitting diode), 다이오드(diode), 포토다이오드(photodiode), 메모리(memory), 센서(sensor), 광검출기(photo-detector), 태양 전지 등으로 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노 소자는 2D(2-dimensional) 나노 소자를 구성할 수 있음은 물론이다.
이하 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자 제조 방법의 실험 예가 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나노선들의 형성을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하여 설명할 실시 예는 앞서 설명한 도 1의 단계 S120에 따른 단결정 나노선 제조의 구체적인 설명이다.
도 4의 a를 참조하면, PUA 마스터 몰드에 TIPS-PEN 잉크를 제공하고, 마스터 몰드에 제공된 잉크가 채널을 따라 이동하여 나노선이 성장하는 것을 real-time DF-OM(dark-field optical microscopy)으로 촬영하였다.
이를 위하여, 채널의 폭은 100nm이고, 깊이는 200nm이고, 길이는 300μm이고, 일 채널과 인접한 다른 채널 간의 폭 방향 간극은 3μm인 마스터 몰드를 준비하였다. 준비된 마스터 몰드의 채널들에 TIPS-PEN을 잉크로 제공하였다.
잉크는 사진의 왼쪽에서 제공되며, 짙은 녹색으로 관찰된다. 잉크가 제공된 후, 0.15초 경과 시점에서 잉크는 채널의 중간까지 이동하여 약 150μm 길이의 나노선이 형성되었고, 0.95초 경과 시점에서 잉크는 채널의 오른쪽 끝까지 이동하여 300μm 길이의 나노선이 형성되었다.
특히, 마스터 몰드의 표면 자유 에너지는 잉크의 표면 자유 에너지보다 낮기 때문에, 잉크는 마스터 몰드의 채널이 국한적으로 형성되어 나노선으로 성장되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 마스터 몰드 채널 외의 영역에는 잉크의 잔류하지 않음을 확인할 수 있었다.
도 4의 b는 시간 경과에 따른 나노선의 성장 실험의 실험값을 이론값과 비교하여 도시한 그래프이다. 나노선의 성장 실험의 이론값은 잉크의 표면 장력이 34.3mN/m이고, 점도가 3.03cP이고, 채널의 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm이고, 마스터 몰드의 표면과 잉크의 접촉각(Young's contact angle)이 40°인 것으로 가정하여 계산하였다. 나노선의 성장 실험에서 사용된 채널의 길이가 300μm인 것을 고려하면, 실험값과 이론값에 의한 그래프가 거의 일치한다는 것을 확인할 수 있다.
도 4의 c는 기판 상에 제공되는 잉크의 단위 액적 수와 상기 잉크가 성장하여 형성되는 나노선의 길이 및 개수 관계를 도시한 그래프이고, 도 4의 d는 기판 상에 제공되는 잉크의 단위 액적 부피와 상기 잉크가 성장하여 형성되는 나노선의 길이 및 개수 관계를 도시한 그래프이다. 기판 상에 제공되는 잉크의 단위 액적 수 또는 단위 액적 부피가 증가할수록 상기 잉크가 성장하여 형성된 나노선의 길이 및 개수가 증가하는 것을 알 수 있다.
특히, 제공된 액적의 수가 증가할수록 보다 긴 나노선이 성장되고, 단위 액적 부피가 증가할수록 나노선의 개수가 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 성장시킬 나노선의 길이는 특히 액적의 수로 제어할 수 있고, 성장시킬 나노선의 수는 특히 단위 액적이 부피로 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 구조체를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하여 설명할 실시 예는 도 1의 단계 S120에 따른 다양한 나노 구조체 제조의 실험 예이다.
도 5를 참조하면, TIPS-PEN 잉크(142), C60 잉크(144) 및 P3HT 잉크(146)를 이용하여 성장한 나노선들로 형성된 나노 구조체들의 상세 구조 및 SEM 촬영 사진을 확인할 수 있다.
도 5의 a를 참조하면, 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm인 채널을 적어도 두 개 이상 갖고, 상기 채널들 사이 간격은 3μm인 마스터 몰드 상에 TIPS-PEN 잉크(142)를 제공하였다. 구체적으로, 10pL TIPS-PEN 잉크 방울 두 개가 제공되고, 제공된 TIPS-PEN 잉크(142)는 채널들을 따라 성장하여 TIPS-PEN 나노선들로 성장함을 확인할 수 있다. 또는, 10pL C60 잉크(144) 방울 두 개 또는 10pL P3HT 잉크(146) 방울 두 개를 제공하여 C60 나노선들 및/또는 P3HT을 성장시킬 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수의 TIPS-PEN 나노선들, 복수의 C60 나노선들 또는 복수의 P3HT 나노선들이 일 방향으로 평행하게 정렬된 구조의 나노 구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 5의 b를 참조하면, 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm인 채널을 적어도 두 개 이상 갖고, 상기 채널들 사이 간격은 3μm인 마스터 몰드 상에 C60 잉크(144) 및 P3HT 잉크(146)를 일 채널 상의 이격된 위치에 제공하였다. 구체적으로, 10pL C60 잉크(144) 방울 두 개가 제공되고, 제공된 C60 잉크(144)는 채널들을 따라 성장하여 C60 나노선들로 성장한다. 이후, 10pL P3HT 잉크(146) 방울 두 개가 제공되고, 제공된 P3HT 잉크(146)는 채널들을 따라 성장하여 P3HT 나노선들로 성장한다.
복수의 C60 나노선들과 복수의 P3HT 나노선들은 단면이 서로 직접적으로 접촉하되, 비 중첩적으로(non-overlap) 접촉하고, 이에 따라, 복수의 C60-P3HT 나노선들이 일 방향으로 평행하게 정렬된 구조의 나노 구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 5의 c를 참조하면, 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm인 채널을 적어도 두 개 이상 갖고, 상기 채널들 사이 간격은 3μm인 마스터 몰드 상에 TIPS-PEN 잉크(142)가 일 채널 상에 제공되고, 그와 이격된 위치, 구체적으로, 일 채널의 길이 방향 및 그에 수직한 방향으로 이격된 위치에 C60 잉크(144)가 제공된다. 구체적으로, 10pL TIPS-PEN 잉크(142) 한 방울이 제공되고, TIPS-PEN 잉크(142)는 채널들을 따라 성장하여 TIPS-PEN 나노선들로 성장한다. 이후, 10pL C60 잉크(144) 한 방울이 제공되고, C60 잉크(144)는 채널들을 따라 성장하여 C60 나노선들로 성장한다. 이에 따라, 복수의 TIPS-PEN 나노선들과 복수의 C60 나노선들은 직접적으로 접촉하지 않으며, 복수의 TIPS-PEN 나노선들 및 복수의 C60 나노선들이 일 방향으로 평행하게 정렬된 나노 구조체를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 5의 d를 참조하면, 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm이고, 길이가 300μm인 채널을 적어도 두 개 이상 갖고, 상기 채널들 사이 간격은 3μm이며, 상기 채널의 길이 방향으로 10μm의 간극이 형성된 마스터 몰드 상에 P3HT 잉크(146) 및 TIPS-PEN 잉크(142)가 일 채널 상의 이격된 위치에 제공된다. 구체적으로, 10pL P3HT 잉크(146) 방울 두 개가 제공되고, P3HT 잉크(146)는 채널들을 따라 성장하여 P3HT 나노선들로 성장한다. 이후, 10pL TIPS-PEN 잉크(142) 방울 두 개가 제공되고, TIPS-PEN 잉크(142)는 채널들을 따라 성장하여 TIPS-PEN 나노선들로 성장한다. 이에 따라, 복수의 P3HT 나노선들과 복수의 TIPS-PEN 나노선들은 상기 채널들의 길이 방향에서 서로 마주하지만, 서로 직접적으로 접촉하지 않으며, 일 방향으로 평행하게 정렬된 복수의 C60 나노선들과 복수의 P3HT 나노선들 사이에 간극을 포함하는 나노 구조체로 형성된다.
도 5의 e를 참조하면, 폭이 100nm이고, 깊이가 200nm인 채널을 적어도 두 개 이상 가질 수 있다. 상기 마스터 몰드의 일 채널 상의 이격된 위치에 C60 잉크(144) 및 P3HT 잉크(146)가 제공된다. 구체적으로, 10pL C60 잉크(144) 방울 두 개가 제공되고, C60 잉크(144)는 채널들을 따라 성장하여 C60 나노선들로 성장한다. 이후, 10pL P3HT 잉크(146) 방울 두 개가 제공되고, P3HT 잉크(146)는 채널들을 따라 성장하여 P3HT 나노선들로 성장한다. C60 잉크(144)가 제공되는 위치에서 연장되는 채널들과, P3HT 잉크(146)가 제공되는 위치에서 연장되는 채널들은 서로 평행하며, 채널의 폭 방향으로 이격하여 위치된다. 이에 따라, 복수의 C60 나노선들의 말단과 복수의 P3HT 나노선들의 말단 일부분의 측면이 이격하여 중첩되며 일 방향으로 평행하게 정렬된 복수의 C60 나노선들과 복수의 P3HT 나노선들이 교번하는 나노 구조체가 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자 제조 방법은 단결정 나노선을 위치적으로 다양하게 조합함으로써, 다양한 나노 소자에 응용될 수 있는 기반을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노선들의 SEM 및 SAED 측정 사진이다.
도 6을 참조하면, Si 기판 상에 형성된 TIPS-PEN 나노선의 SEM 사진(좌측 열) 및 SAED 사진(우측 열)을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 복수의 채널들로 구성된 패턴을 포함하는 PUA(Polyurethane acrylate) 몰드가 준비된다. PUA 몰드의 상기 채널 상에 TIPS-PEN 잉크가 제공되고, 상기 잉크가 상기 채널을 따라 이동하여 나노선들로 성장하며 나노 구조체를 형성한다. PUA 몰드 상에 형성된 상기 나노 구조체를 Si 기판 상으로 전사하여, SEM 및 SAED 사진을 촬영하였다.
구체적으로, a1 및 a2는 채널의 폭이 50nm이고 상기 채널의 깊이가 150nm인 PUA 몰드 상에서 성장한 나노선들의 SEM 사진 및 SAED 사진이고, b1 및 b2는 채널의 폭이 100nm이고 상기 채널의 깊이가 150nm인 PUA 몰드 상에서 성장한 나노선들의 SEM 사진 및 SAED 사진이다. a2 및 b2의 SAED 패턴을 참고하면, 회절 점(diffraction spot)들이 매우 선명하고 규칙적인 배열을 갖는 것을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 채널의 폭이 50nm 또는 100nm인 PUA 몰드를 사용하여 성장한 나노선은 단결정 나노선으로 형성되는 것을 알 수 있다.
c1 및 c2는 채널의 폭이 500nm이고 상기 채널의 깊이가 150nm인 PUA 몰드 상에서 성장한 나노선들의 SEM 사진 및 SAED 사진이다. c2의 SAED 패턴을 참고하면, 다수의 회절 점들이 격자(grid) 형태의 배열을 갖는 것을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 채널의 폭이 500nm인 PUA 몰드를 사용하여 성장한 나노선은 반결정(semi-crystalline) 나노선으로 형성되는 것을 알 수 있다.
d1 및 d2는 채널의 폭이 10μm이고 상기 채널의 깊이가 150nm인 PUA 몰드 상에서 성장한 나노선들의 SEM 사진 및 SAED 사진이다. d2의 SAED 패턴을 참고하면, Debye ring 상에 몇몇(several) 회절 점들이 배열된 것을 관찰할 수 있다. 이에 따라, 상기 채널의 폭이 10μm인 PUA 몰드를 사용하여 성장한 나노선은 다결정(polycrystalline) 나노선으로 형성되는 것을 알 수 있다.
즉, 상술한 바와 같이, 단결정 나노선을 제공하기 위해서는 마스터 몰드 채널의 폭이 100nm 이하인 것이 바람직할 수 있다. 이와 달리 마스터 몰드 채널의 폭이 100nm보다 큰 경우, 나노선의 단결정화가 용이하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 채널의 폭이 100nm 이하인 마스터 몰드를 통하여 단결정 나노선으로 이루어진 나노 소자를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노선의 SEM 및 TEM 측정 사진이다. 특히 도 7을 참고하여 설명할 실험 예는, 도 5(b)에 따라 형성된 나노선을 기판에 전사하여 측정한 사진이다.
도 7의 a 내지 d를 참조하면, P3HT 잉크 및 C60 잉크가 성장하여 형성된 나노선의 SEM, DF-OM, PL-OM(photoluminescence optical microscopy) 및 TEM 촬영 사진을 확인할 수 있다. 도 7의 a 내지 c에 도시된 바와 같이, P3HT 나노선 및 C60 나노선의 단면이 나노선의 길이 방향으로 직접적으로 접촉하되, 비 중첩적으로 접촉하였다. 다시 말해, P3HT 나노선 및 C60 나노선은 폭 방향 두께가 일정한 연속적인 나노선을 함께 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 7의 d에 삽입된 SAED 사진을 보면, P3HT 나노선 및 C60 나노선은 서로 다른 결정 구조를 갖는 물질인 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, SAED 패턴의 회절 점들이 매우 선명하게 관찰되며, 격자 형태의 매우 규칙적인 배열을 갖는 것을 관찰할 수 있다. 이에 따라, P3HT 나노선 및 C60 나노선은 서로 이종 접합하는 상태에서도 우수한 단결정을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 나노 소자를 포함하는 IC 칩 및 그 모식도이다. 도 8을 참조하여 설명되는 나노 소자는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 따라 제조되었다.
도 8을 참조하면, PES 기판 상에 복수의 물질들로 형성된 나노 구조체가 제공된다. 상기 나노 구조체가 FET(field-effect transistor), 인버터(complementary inverter) 및 p-n 다이오드 중 어느 하나의 나노 소자로써 이용되는 유기 집적회로(organic integrated circuits)가 제조된다.
도 8(b1, b2, b3)을 참조하면, PES 기판 상에 TIPS-PEN 나노선, P3HT 나노선 또는 C60 나노선 중에서 적어도 어느 하나가 제공된다. 상기 잉크가 나노선들로 성장하여 일 방향으로 정렬된 구조의 나노 구조체를 형성한다. 상기 나노 구조체는 기판에 전사되어 FET로써 이용될 수 있다.
도 8(b4)을 참조하면, PES 기판의 일 채널 상의 이격된 위치에 TIPS-PEN 나노선 및 C60 나노선이 나노 구조체를 형성한다. 상기 나노 구조체는 복수의 TIPS-PEN 나노선들과 복수의 C60 나노선들이 상기 채널의 길이 방향에서 서로 마주하지만, 서로 직접적으로 접촉하지 않으며, 일 방향으로 평행하게 정렬되며, TIPS-PEN 나노선들과 복수의 C60 나노선들 사이에 간극을 포함하는 구조의 나노 구조체를 형성한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, TIPS-PEN 나노선 및 C60 나노선으로 이루어진 이종의 나노선들도 한 번에 마스터 몰드로부터 기판으로 전사될 수 있는 것이다. 상기 나노 구조체는 기판에 전사되어 인버터로써 이용될 수 있다.
도 8(b5, b6)을 참조하면, PES 기판의 이격된 위치에 TIPS-PEN 나노선, P3HT 나노선, C60 나노선 또는 PTCDI-C8 나노선 중에서 선택되는 두 가지 나노선이 이종접합을 형성한 나노 구조체가 제공된다. 이때, 이종접합 나노선들도 마스터 몰드로부터 기판으로 한 번에 전사될 수 있음은 물론이다. 상기 나노 구조체는, 예를 들어, 복수의 P3HT 나노선들과 복수의 C60 나노선들의 단면이 서로 직접적으로 접촉하되, 비 중첩적으로 접촉하고, 이에 따라, 복수의 P3HT-C60 나노선들이 일 방향으로 평행하게 정렬된 구조의 나노 구조체를 형성한다. 상기 나노 구조체는 기판에 전사되어 p-n 다이오드로써 이용될 수 있다.
도 8(b1 내지 b6)을 참조하여 설명되는 상기 나노 구조체들에 은(Ag) 와이어를 형성하여, 소스 전극 및 드래인 전극(source and drain electrodes)이 형성된, FET, 인버터 및 p-n 다이오드 중 어느 하나의 나노 소자로써 이용될 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 설명한 나노 소자들의 성능 실험 결과가 도 9를 참조하여 설명된다.
도 9는 도 8의 나노 소자들의 전류-전압 그래프들이다.
도 9의 a 내지 c는, 도 8의 b1 내지 b3 나노 소자의 드래인(drain) 전류-게이트(gate) 전압(ID-VG) 그래프를 도시한다. 도 9(a)는 TIPS-PEN FET의 성능을 도시하는 것으로, 이동도가 1.45cm2/Vs이고, on/off 전류 비가 약 105이고, 문턱 전압이 6.69V 인 것으로 확인되었다. 도 9(b)는 C60 FET의 성능을 도시하는 것으로, n-type 커브가 관찰되었다. 이동도는 0.44cm2/Vs, on/off 전류 비는 약 104, 문턱 전압은 9.03V인 것으로 확인되었다. 도 9(c)는 P3HT FET의 성능을 도시하는 것으로, 이동도 0.124cm2/Vs, on/off 전류 비 약 103, 문턱 전압 6.24V인 것으로 확인되었다.
도 9의 d는, 도 8의 b4 나노 소자의 입력(input) 전압-출력(output) 전압 그래프를 도시한다. 도 9(d)는 TIPS-PEN과 C60 인버터의 성능을 도시하는 것으로, 게인(gain) 값이 21로 측정되었다.
도 9의 e는, 도 8의 b5 나노 소자의 전류-전압 그래프를 도시한다. 도 9(e)는 P3HT-C60 광 다이오드의 성능을 도시하는 것으로, 4.2-12.2mW/cm2 구간에서 빛을 조사하였을 때, 전류가 빛의 세기에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
도 9의 f는, 도 8의 b6 나노 소자의 전류-전압 그래프를 도시한다. 도 9(f)는 P3HT-PTCDI-C8 다이오드의 성능을 도시하는 것으로, 다이오드에 외부 물리력이 인가되어 다이오드의 기판이 구부러지면, 전류 값이 변화하였다가, 다이오드에 인가된 외부 물리력이 제거되면, 전류 값이 외부 물리력 인가 전의 값을 회복하였다. 외부 물리력 인가 여부에 따른 전류 값 변화는 가역적인 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 FET, inverter, sensor는 단결정 나노선을 기반으로 의미 있는 성능을 가지는 것으로 확인되었다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 특히, 도 10을 참조하여 설명한 나노 소자의 제조 방법은 롤투롤 공정으로 구현 가능한 나노 소자의 제조 방법에 대한 것이다.
도 10을 참조하면, 롤투롤(roll-to-roll) 공정 기술을 이용하여, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자를 제조할 수 있다. ① 구간은 진입 구간으로, 유연 소재로 형성된 마스터 몰드를 제공한다. ② 구간은 전사 패턴 형성 구간으로, 패턴이 형성된 상기 마스터 몰드 상에 잉크가 제공되어 적어도 한 가닥의 단결정 나노선을 성장시킨다. ③ 구간은 전사 구간으로, 상기 마스터 몰드 상에 형성된 상기 나노선이 기판 상으로 전사된다. 상기 기판 상에 유체층(예를 들어, 에탄올)을 형성하여, 상기 나노선을 상기 기판으로 용이하게 전사할 수 있다. ④ 구간은 건조 구간으로, 상기 기판 상에 전사된 상기 나노선을 건조한다. ⑤ 구간은 전극 와이어 형성 구간으로, 상기 기판 상에 전사된 상기 나노선 상에 와이어를 형성하여 나노 소자를 제조한다.
롤투롤 장비의 진입 구간으로 패턴이 형성된 유연 소재의 마스터 몰드가 제공된다. 상기 마스터 몰드가 전사 패턴 형성 구간으로 이동되어, 상기 마스터 몰드 상에 잉크가 제공된다. 상기 잉크는 적어도 한 가닥의 단결정 나노선으로 성장하며, 상기 마스터 몰드의 상기 패턴의 형태에 따른 구조를 갖는다. 상기 단결정 나노선이 형성된 상기 마스터 몰드가 전사 구간으로 이동되어, 기판 상으로 상기 단결정 나노선이 전사된다. 상기 기판 상에는 상기 단결정 나노선의 전사를 용이하게 하는 유체층이 형성될 수 있다. 상기 유체층을 증발시켜 제거하여, 상기 기판 상으로 상기 단결정 나노선이 전사되고, 상기 기판에서 상기 마스터 몰드가 제거된다. 상기 기판은 건조 구간으로 이동되고, 기판에 전사된 나노선이 건조된다. 상기 기판은 전극 와이어 형성 구간으로 이동되어, 상기 단결정 나노선 상에 전극 와이어를 형성한다. 이에 따라, 롤투롤 장비를 이용한 나노 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법과 나노 소자의 제조 방법을 구현하기 위한 마스터 몰드를 설명하였고, 그를 이용하여 제조한 나노 소자를 설명하였다.
본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법은 복수의 채널로 구성되는 패턴을 갖는 마스터 몰드 상에 잉크를 제공하여, 나노선을 성장시키다. 이때, 나노선은 자기 조립 및 결정화를 통하여 단결정으로 성장하게 된다. 성장된 나노선을 기판에 전사함으로써, 나노 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 잉크젯 나노 프린팅 방법을 기반으로 다양한 물질의 나노 구조체를 제작할 수 있다. 또한. 두 가지 물질을 연결하여 하나의 나노 구조체 안에서의 단일 Junction까지도(이종접합 나노선) 제조할 수 있다. 또한, 상기 마스터 몰드에 제공되는 잉크의 횟수 및 양을 조절하여, 나노선의 길이 및/또는 나노선의 개수를 제어할 수 있으므로 공정 편의성을 제공할 수 있다.
상기 마스터 몰드는 복수의 유닛 몰드로 구성되고, 상기 유닛 몰드들은 서로 상이한 패턴을 가질 수 있다. 상기 패턴의 형태에 따라, 상기 나노선들은 다양한 형태의 나노 구조체를 형성할 수 있다. 즉, 마스터 몰드의 채널의 위치, 폭, 개수 등을 변경함으로써, 원하는 형상의 나노 소자를 제조할 수 있다.
종래의 단결정 유기 나노선 소자를 만드는 방법은 보통 기판 위에 미리 성장된 나노선을 포함한 용액을 임의적으로 부어서 만들었다. 하지만 이러한 방식은 개개의 나노선을 특정한 위치에 원하는 방향의 배열로 조절하기 힘들다는 단점이 있다. 또한, 다양한 물질을 한 번에 하나의 기판에 제작하기 어려운 큰 한계가 존재한다. 이에 반해 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법은 마스터 몰드에 원하는 위치에 단종 또는 이종의 나노선을 형성시키고 이를 기판에 한 번에 전사함으로써, 단결정 나노선을 제공할 수 있다. 이에 따라 원하는 위치에 나노선을 형성시킬 수 있고, 다양한 종류의 나노선을 한 번에 제조할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 종래의 기상 증착법을 이용한 이종 접합 나노선은 제조된 이종의 나노선들이 서로 중첩하게 되는 한계가 있었다. 종래 기술에 따르면 나노선들이 중첩하기 때문에 표면 모폴로지가 평탄하지 못하다는 문제가 있었다. 이에 반해 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자의 제조 방법은 상기 나노선이 비 중첩적으로 접하는 이종 접합을 형성할 수 있다. 따라서, 표면 모폴로지가 평탄하므로 후속 레이어 형성에 극히 유리한 조건을 제공할 수 있다.
또한, 상기 마스터 몰드에 상기 나노선을 성장시키고, 복수의 나노선들을 동시에 상기 기판 상에 전사하여, 나노 소자의 제조 공정을 단축시킬 수 있다. 롤투롤 장비를 이용하여 본 발명의 실시 예에 따른 나노 소자를 제조할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 마스터 몰드
UM 1, UM 2, UM 3: 유닛 몰드
120: 기판
130: 와이어
142: TIPS-PEN 잉크
144: C60 잉크
146: P3HT 잉크
Pa: 패턴
Ch: 채널
NW: 나노선
Ink 1, Ink 2, Ink 3, Ink 4, Ink 5, Ink 6: 잉크
① 구간: 진입 구간
② 구간: 전사 패턴 형성 구간
③ 구간: 전사 구간
④ 구간: 건조 구간
⑤ 구간: 전극 와이어 형성 구간
UM 1, UM 2, UM 3: 유닛 몰드
120: 기판
130: 와이어
142: TIPS-PEN 잉크
144: C60 잉크
146: P3HT 잉크
Pa: 패턴
Ch: 채널
NW: 나노선
Ink 1, Ink 2, Ink 3, Ink 4, Ink 5, Ink 6: 잉크
① 구간: 진입 구간
② 구간: 전사 패턴 형성 구간
③ 구간: 전사 구간
④ 구간: 건조 구간
⑤ 구간: 전극 와이어 형성 구간
Claims (17)
- 삭제
- 적어도 한 개의 채널을 가지는 마스터 몰드를 준비하는 제1 단계;
상기 마스터 몰드의 채널에 유기 잉크를 제공하고, 상기 제공된 유기 잉크를 응결시켜 단결정 나노선으로 성장시키는 제2 단계; 및
상기 마스터 몰드에 성장된 단결정 나노선을 기판에 전사하는 제3 단계를 포함하되,
상기 채널의 폭은 100nm 이하인 나노 소자의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제3 단계 후에,
상기 기판에 전사된 나노선에 와이어를 형성하는 단계를 더 포함하는 나노 소자의 제조 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 마스터 몰드는 적어도 두 개 이상의 단위 나노 소자 형성을 위한 유닛 몰드들을 포함하는 나노 소자의 제조 방법. - 삭제
- 제2 항에 있어서,
상기 제2 단계는,
서로 다른 물질로 이루어진 유기 잉크를 상기 마스터 몰드에 함께 제공하는 단계를 포함하는 나노 소자의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 제2 단계에 있어서,
상기 마스터 몰드의 채널에 제공된 유기 잉크는 모세관 현상에 의해 상기 채널을 따라 이동하여 상기 나노선으로 성장되는 나노 소자의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제2 단계에 있어서,
상기 나노선의 길이 및 상기 나노선의 개수는 상기 유기 잉크의 단위 액적 부피 및 상기 유기 잉크의 방울 개수 중 적어도 하나에 의하여 제어되는 나노 소자의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 유기 잉크의 표면 자유 에너지(surface free energy)가 상기 마스터 몰드의 표면 자유 에너지보다 높은 나노 소자의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 제3 단계에 있어서,
상기 마스터 몰드 상에 형성된 나노선들을 상기 기판에 전사할 시, 상기 서로 다른 물질로 이루어진 유기 잉크에 의하여 성장된 나노선들을 동시에 전사하는 나노 소자의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제2 단계는,
상기 채널의 일 단에 제1 물질로 이루어진 제1 유기 잉크를 제공하는 단계;
상기 채널의 타 단에 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질로 이루어진 제2 유기 잉크를 제공하는 단계; 및
상기 제1 유기 잉크 및 상기 제2 유기 잉크를 단결정 나노선으로 성장시켜, 단면이 서로 직접적으로 접촉하여 연장하되, 비 중첩적으로 접촉하는 이종접합을 제공하는 단계를 포함하는 나노 소자의 제조 방법. - 적어도 두 종 이상의 단결정 유기 나노선들이 평행하게 배치된 나노 구조체를 포함하되,
상기 구조체는 제1 물질을 포함하는 제1 단결정 유기 나노선 및 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질을 포함하는 제2 단결정 유기 나노선을 포함하고,
상기 제1 단결정 유기 나노선과 상기 제2 단결정 유기 나노선은 동일한 방향으로 연장하며,
상기 제1 단결정 유기 나노선의 단면과 상기 제2 단결정 유기 나노선의 단면은 상기 제1 단결정 유기 나노선과 상기 제2 단결정 유기 나노선의 연장방향으로 비 중첩적으로(non-overlap) 접하며,
상기 제1 단결정 유기 나노선 및 상기 제2 단결정 유기 나노선의 폭은 100nm 이하인, 나노 소자. - 적어도 두 종 이상의 단결정 나노선이 평행하게 배치된 나노 구조체를 포함하되,
상기 구조체는 제1 물질을 포함하는 제1 단결정 유기 나노선 및 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질을 포함하는 제2 단결정 유기 나노선을 포함하고,
상기 제1 단결정 유기 나노선과 상기 제2 단결정 유기 나노선은 서로 평행하게 연장하고, 상기 제1 나노선과 상기 제2 나노선은 폭 방향으로 서로 이격하여 위치하되,
상기 제1 단결정 유기 나노선 및 상기 제2 단결정 유기 나노선의 폭은 100nm 이하인, 나노 소자. - 제13 항에 있어서,
상기 제1 단결정 유기 나노선은 서로 평행한 제1 서브 나노선들로 구성되고,
상기 제2 단결정 유기 나노선은 서로 평행한 제2 서브 나노선들로 구성되고,
상기 제1 서브 나노선들 및 상기 제2 서브 나노선들이 서로 교번하여 형성된 나노 소자. - 적어도 두 개 이상의 유닛 몰드로 이루어지되,
상기 유닛 몰드는 유기 잉크를 수용하고, 상기 수용된 유기 잉크를 단결정 나노선으로 성장시키도록 100nm 이하의 채널로 이루어진 패턴을 포함하는 나노선 제작 마스터 몰드. - 유연 소재로 형성되고 적어도 한 개의 채널을 가지는 마스터 몰드를 제공하는 단계;
상기 마스터 몰드를 잉크 제공부로 이동시키고, 상기 이동된 마스터 몰드에 상기 잉크 제공부를 통하여 유기 잉크를 제공하고, 상기 제공된 유기 잉크를 응결시켜 단결정 나노선을 형성하는 단계; 및
상기 마스터 몰드를 대상 기판 상으로 이동시키고, 상기 형성된 나노선을 상기 기판에 전사하는 단계를 포함하되,
상기 채널의 폭은 100nm 이하인 나노 소자의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 기판을 와이어 형성부로 이동시키고, 상기 전사된 나노선에 상기 와이어 형성부를 통하여 와이어를 형성시키는 단계를 더 포함하는 나노 소자의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020160135916A KR101882582B1 (ko) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | 나노선 제작 마스터 몰드, 나노 소자 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160135916A KR101882582B1 (ko) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | 나노선 제작 마스터 몰드, 나노 소자 및 그 제조 방법 |
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| KR20180043066A KR20180043066A (ko) | 2018-04-27 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160135916A KR101882582B1 (ko) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | 나노선 제작 마스터 몰드, 나노 소자 및 그 제조 방법 |
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Citations (1)
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| KR100858223B1 (ko) * | 2007-05-21 | 2008-09-10 | 연세대학교 산학협력단 | 자가정렬된 반도체 나노와이어 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101088011B1 (ko) * | 2009-06-11 | 2011-12-01 | 한국과학기술원 | 몰드 및 몰드 제조 방법, 패턴 전사 방법 |
| KR101473693B1 (ko) | 2013-02-18 | 2014-12-18 | 포항공과대학교 산학협력단 | 정렬된 구리산화물 반도체 나노와이어를 포함하는 전계효과 트랜지스터 어레이 및 그의 제조방법 |
-
2016
- 2016-10-19 KR KR1020160135916A patent/KR101882582B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100858223B1 (ko) * | 2007-05-21 | 2008-09-10 | 연세대학교 산학협력단 | 자가정렬된 반도체 나노와이어 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180043066A (ko) | 2018-04-27 |
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