KR102154907B1 - 나노-마이크로 구조체 및 그 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

나노-마이크로 구조체 및 그 형성 방법이 제공된다. 상기 나노-마이크로 구조체는, 기둥 형상의 바디부 및 상기 바디부 위에 배치되고 상기 바디부보다 폭이 큰 헤드부를 포함한다. 상기 나노-마이크로 구조체는 상기 헤드부 위에 배치되는 헤드부 보조층을 더 포함할 수 있다. 상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에서 위 또는 아래로 휠 수 있다.

Description

나노-마이크로 구조체 및 그 형성 방법{NANO-MICRO STRUCTURE AND METHOD OF FORMING THE SAME}
본 발명은 나노-마이크로 구조체 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
최근 동식물의 표면의 구조적 특징을 이용한 생체 모방 기술이 연구되고 있다. 상기 생체 모방 기술로 게코 도마뱀의 발바닥을 응용한 접착 구조체나 연꽃 잎의 소수성 표면, 나방의 눈에서 영감을 얻은 반사 방지 기술 등이 있으며 이러한 기술을 바탕으로 마이크로 및 나노 크기의 구조체를 구현하기 위한 기술이 연구되고 있다. 그러나, 마이크로 및 나노 크기의 구조를 구현하는 데는 제조 공정이 복잡하고 비용과 시간이 많이 소요되는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 새로운 나노-마이크로 구조체를 제공한다.
본 발명은 상기 나노-마이크로 구조체의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노-마이크로 구조체는, 기둥 형상의 바디부 및 상기 바디부 위에 배치되고 상기 바디부보다 폭이 큰 헤드부를 포함한다.
상기 나노-마이크로 구조체는 상기 헤드부 위에 배치되는 헤드부 보조층을 더 포함할 수 있다. 상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에서 위 또는 아래로 휠 수 있다.
상기 헤드부 보조층은 고분자로 형성될 수 있다.
상기 헤드부 보조층은 금속으로 형성될 수 있다. 상기 헤드부 보조층은 알루미늄으로 형성될 수 있고, 상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에서 아래로 휠 수 있다. 상기 헤드부 보조층은 금으로 형성될 수 있고, 상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에서 위로 휠 수 있다.
상기 바디부와 상기 헤드부는 고분자로 형성될 수 있다. 상기 바디부와 상기 헤드부는 일체로 형성될 수 있다. 상기 헤드부는 위로 갈수록 폭이 커질 수 있다.
상기 나노-마이크로 구조체는 소유성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노-마이크로 구조체의 형성 방법은, 기둥 형상의 바디부를 형성하는 단계 및 상기 바디부 위에 상기 바디부보다 폭이 큰 헤드부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 바디부를 형성하는 단계는, 기둥 형상의 리세스 영역을 갖는 제1 기판에 제1 고분자를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 헤드부를 형성하는 단계는, 상기 제1 기판 위에 지지층을 배치한 후 상기 리세스 영역에 형성된 상기 바디부를 픽업하는 단계, 제2 기판 위에 제2 고분자를 스핀 코팅하여 고분자층을 형성하는 단계, 및 상기 바디부를 상기 고분자층에 접촉시킨 후 자외선을 제공하여 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 고분자와 상기 제2 고분자는 같을 수 있다.
상기 나노-마이크로 구조체의 형성 방법은 상기 헤드부 위에 헤드부 보조층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 헤드부 보조층은 열 증발기를 이용하여 금속을 증착시키는 것에 의해 형성될 수 있다.
상기 나노-마이크로 구조체의 형성 방법은, 상기 바디부, 상기 헤드부, 및 상기 헤드부 보조층이 형성된 상기 지지층 위에 제3 고분자를 제공한 후 경화시켜 고분자 몰딩층을 형성하는 단계, 상기 고분자 몰딩층에서 상기 바디부, 상기 헤드부, 및 상기 헤드부 보조층을 제거하여 리세스 영역을 형성하는 단계, 및 상기 리세스 영역을 포함하는 상기 고분자 몰딩층에 제4 고분자를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 리세스 영역 내에서 상기 제4 고분자에 의해 바디부, 헤드부, 및 헤드부 보조층이 일체로 형성될 수 있다.
상기 제4 고분자는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 새롭고 다양한 나노-마이크로 구조체가 구현될 수 있다. 상기 나노-마이크로 구조체는 간단한 공정과 저비용으로 쉽게 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체를 나타낸다.
도 2는 도 1의 나노-마이크로 구조체의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 3 내지 도 8은 도 1의 나노-마이크로 구조체의 형성 방법을 나타낸다.
도 9는 나노-마이크로 구조체의 형성 상태를 상기 나노-마이크로 구조체간 간격에 따라 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체를 나타낸다.
도 11은 도 10의 나노-마이크로 구조체의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체를 나타낸다.
도 13은 도 12의 나노-마이크로 구조체의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 14는 도 10 및 도 12의 나노-마이크로 구조체의 헤드부 보조층의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체의 형성 방법을 나타낸다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 나노-마이크로 구조체의 적용예를 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 요소들(elements)을 기술하기 위해서 사용되었지만, 상기 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 단지 상기 요소들을 서로 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 또, 어떤 요소가 다른 요소 위에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 요소 위에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어인 나노-마이크로 구조체는 나노 구조체와 마이크로 구조체를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체를 나타내고, 도 2는 도 1의 나노-마이크로 구조체의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 나노-마이크로 구조체(100)는 바디부(110)와 헤드부(120)를 포함한다.
바디부(110)는 기둥 형상, 예를 들어, 필러와 같은 원기둥 형상을 가질 수 있다. 헤드부(120)는 바디부(110) 위에 배치되고 바디부(110)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 헤드부(120)는 위로 갈수록 폭이 커질 수 있다.
바디부(110)와 헤드부(120)는 고분자, 예를 들어, PUA(Poly(urethane acrylate)), PDMS(Polydimethylsiloxane) 등으로 형성될 수 있다. 또, 바디부(110)와 헤드부(120)는 같은 물질로 일체로 형성될 수 있다.
나노-마이크로 구조체(100)는 바디부(110)와 헤드부(120)의 구조적 특성에 의해 소유성을 가질 수 있다.
도 3 내지 도 8은 도 1의 나노-마이크로 구조체의 형성 방법을 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기둥 형상의 리세스 영역(310r)을 갖는 제1 기판(310) 위에 제1 고분자를 제공한다. 제1 기판(310)은 PDMS로 형성된 몰드 기판일 수 있다. 복수 개의 리세스 영역(310r)이 서로 교차하는 두 방향으로 배열될 수 있다. 상기 제1 고분자는, 예를 들어, PUA를 포함할 수 있다. 제1 기판(310) 위에 지지층(200)을 배치한 후 상기 제1 고분자에 자외선을 제공하여 경화시킨다. 이에 의해, 리세스 영역(310r) 내에 상기 제1 고분자를 포함하는 바디부(110)가 형성된다. 지지층(200)에 의해 바디부(110)는 픽업된다. 지지층(200)은, 예를 들어, PET 필름일 수 있다. 바디부(110)는 지지층(200) 위에 리세스 영역(310r)에 대응하여 서로 교차하는 두 방향으로 배열될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제2 기판(320) 위에 제2 고분자(120a)를 스핀 코팅하여 고분자층(120b)를 형성한다. 제2 고분자(120a)는 점도를 낮추기 위해 알코올(예를 들어, 이소프로필 알코올)과 1:1의 질량비로 혼합하여 사용될 수 있다. 상기 제2 고분자(120a)는, 예를 들어, PUA를 포함할 수 있다. 상기 스핀 코팅은 3500rpm으로 30초 동안 수행될 수 있다. 바디부(110)를 고분자층(120b)과 접촉시킨다. 바디부(110)를 눌러서 제2 기판(320)에 충분히 접촉될 수 있게 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 바디부(110) 주위의 고분자층(120b) 내 제2 고분자(120a)는 표면 장령의 힘을 받아 바디부(110)를 따라 올라가면서 헤드부(120)를 형성한다. 이 상태에서 자외선을 조사하여 경화시키고 제2 기판(320)을 분리하면 나노-마이크로 구조체(100)가 형성된다.
도 9는 나노-마이크로 구조체의 형성 상태를 상기 나노-마이크로 구조체간 간격에 따라 나타낸다.
도 9를 참조하면, 바디부의 폭 대 바디부 사이의 간격을 1:5, 1:4, 1:2, 및 1:1로 하여 나노-마이크로 구조체를 형성하였다. 바디부의 폭 대 바디부 사이의 간격 1:5와 1:4인 경우에 나노-마이크로 구조체가 잘 형성되는 것으로 나타났다. 또, 바디부의 폭 대 바디부 사이의 간격이 작은 경우에도 바디부의 직경과 높이를 고려하여 바디부를 누르는 힘의 크기와 방향을 적절히 조절함으로써 헤드부를 정상적으로 형성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체를 나타내고, 도 11은 도 10의 나노-마이크로 구조체의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 나노-마이크로 구조체(100)는 바디부(110), 헤드부(120), 및 헤드부 보조층(130)을 포함할 수 있다. 헤드부 보조층(130)은 열 증발기를 이용하여 금속을 증착시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 상기 금속은, 예를 들어, 알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 알루미늄은 고온에서 부피가 팽창하지만 공기와 산화 반응을 일으켜서 저온으로 다시 내려가면 부피가 감소할 수 있다. 따라서, 상기 알루미늄을 증착하였을 때에는 헤드부 보조층(130)의 표면이 넓어지고 헤드부 보조층(130)의 가장자리는 헤드부(120)의 가장자리에서 아래로 휠 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체를 나타내고, 도 13은 도 12의 나노-마이크로 구조체의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 나노-마이크로 구조체(100)는 바디부(110), 헤드부(120), 및 헤드부 보조층(130)을 포함할 수 있다. 헤드부 보조층(130)은 열 증발기를 이용하여 금속을 증착시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 상기 금속은, 예를 들어, 금을 포함할 수 있다. 상기 금은 고온에서 부피가 증가하므로, 상기 금을 증착하였을 때에는 인장 응력으로 인해 헤드부 보조층(130)의 가장자리는 헤드부(120)의 가장자리에서 위로 휠 수 있다.
도 14는 도 10 및 도 12의 나노-마이크로 구조체의 헤드부 보조층의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 열 증발기를 이용하여 표면에 금속을 증착할 때, 금속은 고온에서 기체 상태로 표면에 부착되고 냉각된다. 이때, 대부분의 금속은 고온에서 체적비가 높고 저온에서는 체적이 작아 체적 수축이 발생한다. 즉, 대부분의 금속은 증착된 부분에 인장 응력이 발생한다. 그러나 알루미늄과 같은 일부 특수한 경우에는 공기 중의 산소와 반응하여 산화 알루미늄으로 변한다. 따라서 알루미늄은 증착후 냉각되면 용착 부에 압축 응력이 발생하기 때문에 체적비가 커진다. 금이 열 증착에 의해 증착되면 인장 응력으로 인해 증착된 부분이 수축되고, 알루미늄이 열 증착에 의해 증착되면 압축 응력으로 인해 증착된 부분이 팽창한다. 이는 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112018127908055-pat00001
상기 식에서 θ는 굽힘 각도, l은 기둥 지름, vp는 중합체의 포아송 비(약 0.3), Ep는 중합체의 영 계수(약 20MPa), dm은 금속층 두께, dp는 금속층의 가장자리 두께 및 σf는 잔류 응력을 나타낸다.
잔류 응력이 양의 값(σf > 0)이면 금속층의 가장자리는 위쪽으로 휘게 되고 (θ < 90°), 잔류 응력이 음의 값 (σf < 0)이면 금속층의 가장자리는 아래쪽으로 휘게 된다(θ > 90°)휘게 된다. 이때 가장자리로 갈수록 두께는 얇아지기 때문에 굴곡 각도 역시 가장자리로 갈수록 커진다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노-마이크로 구조체의 형성 방법을 나타낸다.
도 15를 참조하면, 도 8의 나노-마이크로 구조체의 헤드부에 약 80nm의 금층을 증착한 다음 지지층 위에 자외선 경화성 물질인 PUA를 제공하여 나노-마이크로 구조체를 덮은 후 자외선으로 경화시켜 몰드 기판을 형성한다. 상기 몰드 기판으로부터 상기 나노-마이크로 구조체를 제거하여 분리시키면, 상기 몰드 기판에 상기 나노-마이크로 구조체에 대응하는 부분에 상기 나노-마이크로 구조체와 동일한 형상의 리세스 영역이 노출된다. 상기 몰드 기판에 다시 자외선을 조사하여 충분히 경화시킨다. 상기 리세스 영역을 포함하는 상기 몰드 기판에 PDMS와 경화제를 10:1의 질량비로 넣고 약 60℃에서 약 6시간 동안 경화시켜 나노-마이크로 구조체를 형성한다. 상기 PDMS로 형성된 나노-마이크로 구조체로부터 상기 몰드 기판을 분리시킨다. 상기 몰드 기판과 상기 나노-마이크로 구조체가 서로 잘 분리되도록 상기 몰드 기판에 PDMS를 제공하기 전에 상기 몰드 기판 표면에 불소화 자기 조립 단일층을 형성하는 등 표면 처리를 수행할 수 있다.
상기 나노-마이크로 구조체는 바디부, 헤드부, 및 헤드부 보조층이 고분자로 일체로 형성될 수 있다. 상기 나노-마이크로 구조체는 문어 빨판 모양을 가지며 건식 접착 패드로 사용될 수 있다.
이와 같은 방법으로, 도 10 및 도 12의 나노-마이크로 구조체의 헤드부 보조층을 금속이 아닌 고분자로 형성할 수 있다. 그리고, 도 12의 나노-마이크로 구조체의 헤드부 보조층은 금속인 금으로 형성되어 접착 강도가 좋지 않지만, 헤드부 보조층을 PDMS 등의 고분자로 형성할 수 있어 나노-마이크로 구조체의 접착 강도가 크게 향상될 수 있다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 나노-마이크로 구조체의 적용예를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 도 10의 나노-마이크로 구조체는 서로 마주보도록 배치되어 인터로킹 장치를 구현할 수 있다. 알루미늄이 증착되어 형성된 헤드부 보조층에 의해 나노-마이크로 구조체는 서로 걸리게 되어 두 표면이 서로 결속될 수 있다.
도 17을 참조하면, 도 15에서 형성된 나노-마이크로 구조체는 물속에서 실리콘 기판 표면에 10초간 눌러져서 접착이 되었고 접착력이 일정 시간 유지되는 것으로 나타났다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 나노-마이크로 구조체 110 : 바디부
120 : 헤드부 130 : 헤드부 보조층
200 : 지지층 310 : 제1 기판
320 : 제2 기판

Claims (19)

  1. 기둥 형상의 바디부;
    상기 바디부 위에 배치되고 상기 바디부보다 폭이 큰 헤드부; 및
    상기 헤드부 위에 배치되는 헤드부 보조층을 포함하고,
    상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에 대하여 경사지도록 상기 헤드부의 가장자리로부터 신장하여 위 또는 아래로 휘는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드부 보조층은 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드부 보조층은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 헤드부 보조층은 알루미늄으로 형성되고,
    상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에서 아래로 휘는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 헤드부 보조층은 금으로 형성되고,
    상기 헤드부 보조층의 가장자리 부분은 상기 헤드부의 가장자리에서 위로 휘는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디부와 상기 헤드부는 고분자로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디부와 상기 헤드부는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드부는 위로 갈수록 폭이 커지는 것을 특징으로 나노-마이크로 구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노-마이크로 구조체는 소유성을 갖는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체.
  11. 기둥 형상의 바디부를 형성하는 단계;
    상기 바디부 위에 상기 바디부보다 폭이 큰 헤드부를 형성하는 단계; 및
    상기 헤드부 위에 헤드부 보조층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 헤드부 보조층은 열 증발기를 이용하여 금속을 증착시키는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바디부를 형성하는 단계는,
    기둥 형상의 리세스 영역을 갖는 제1 기판에 제1 고분자를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 헤드부를 형성하는 단계는,
    상기 제1 기판 위에 지지층을 배치한 후 상기 리세스 영역에 형성된 상기 바디부를 픽업하는 단계,
    제2 기판 위에 제2 고분자를 스핀 코팅하여 고분자층을 형성하는 단계, 및
    상기 바디부를 상기 고분자층에 접촉시킨 후 자외선을 제공하여 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 고분자와 상기 제2 고분자는 같은 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 바디부, 상기 헤드부, 및 상기 헤드부 보조층이 형성된 상기 지지층 위에 제3 고분자를 제공한 후 경화시켜 고분자 몰딩층을 형성하는 단계,
    상기 고분자 몰딩층에서 상기 바디부, 상기 헤드부, 및 상기 헤드부 보조층을 제거하여 리세스 영역을 형성하는 단계, 및
    상기 리세스 영역을 포함하는 상기 고분자 몰딩층에 제4 고분자를 제공하는 단계를 더 포함하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 리세스 영역 내에서 상기 제4 고분자에 의해 바디부, 헤드부, 및 헤드부 보조층이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제4 고분자는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 구조체의 형성 방법.
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