KR102181868B1 - 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법 - Google Patents

와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법 Download PDF

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임시형
강지운
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Abstract

본 발명은 와이어의 표면에 미세 패턴을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 와이어에 나노입자 용액을 도포하여 상기 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 형성하는 단계 및 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 수십 내지 수백 마이크로 스케일의 직경을 갖는 미세 와이어의 표면에 수 마이크로 내지 수십 마이크로 수준의 미세 전극 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 긴 초점 심도를 갖는 레이저 광학계를 이용하기 때문에 레이저의 초점을 미세하게 조절하지 않고도 간단하고 빠른 공정으로 곡률을 갖는 와이어의 표면에 미세 패턴을 균일한 두께로 형성할 수 있다.

Description

와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법{Method for Forming Micro Pattern on Surface of Wire}
본 발명은 와이어의 표면에 미세 패턴을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 조사를 이용하여 곡률을 갖는 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
와이어란 철사 또는 길게 연결된 다양한 소재의 선을 말하며, 굵기 및 용도에 따라 여러가지 종류가 있다. 굵기, 형태 및 용도에 따른 다양한 와이어 중에서 단면이 원형인 원형 와이어가 가장 보편적으로 사용되고 있으며, 이러한 와이어는 의료, 전자, 기계 등 다양한 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다.
최근 전자기기의 소형화와 웨어러블(wearable) 장치와 같은 유연한(flexible) 전자기기의 인기로 인하여 와이어를 전자기기에 활용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 마이크로 수준의 직경을 갖는 미세 와이어에 배선을 연결하여 활용하는 다양한 용도가 개발되고 있다.
이와 관련하여, 인간이나 동물의 체내에 미세 바늘 형태의 와이어를 침투시켜 혈류량, 체온 등의 신체 정보를 수집하고 질병을 진단하는 데에 활용하는 기술이 제안되고 있다. 이를 위해서는 와이어 자체를 전극이나 배선으로 사용하던 종래의 방식을 넘어서 와이어의 표면에 미세한 전극 배선을 형성하는 초정밀 기술이 요구된다.
문헌 [Jaeho Park et al., Biopsy Needle Integrated with Electrical Impedance Sensing Microelectrode Array towards Realtime Needle Guidance and Tissue Discrimination, SCIENTIFIC REPORTS, (2018) 8:264]에서는 전기 임피던스 센싱 마이크로 전극 어레이를 갖는 생체검사용 바늘에 대해서 소개하고 있다. 상기 문헌에서는 미세 바늘에 전극 어레이를 구성하기 위하여, 먼저 바늘을 절연 처리 후 PSA 코팅을 하고 미리 제조된 전극 패턴을 부착한 후 다시 절연 처리하는 공정을 기재하고 있다. 그러나, 이와 같이 미리 제조된 전극 패턴을 와이어에 부착하는 방식은 전극 패턴의 내구성이 부족하고, 접착 코팅층이 반드시 필요하기 때문에 제조된 와이어의 직경이 실제 와이어의 직경보다 더 커지게 되며, 수 마이크로 내지 수십 마이크로 스케일의 정밀한 패턴을 형성하기에는 한계가 있었다.
따라서, 미리 제조된 전극 패턴을 부착하는 방식이 아닌, 와이어의 표면에 직접적으로 미세 패턴을 형성하는 기술이 요구되고 있으나, 와이어의 표면 곡률로 인하여 아직까지 와이어의 표면에 직접적으로 미세 패턴을 형성할 수 있는 기술은 개발되지 못하고 있다.
예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0139213호에서는 와이어의 표면에 텍스쳐링을 형성하는 기술을 소개하고 있지만, 이는 와이어 표면의 전면을 코팅한 후 표면 처리를 하여 반복적인 표면 텍스쳐링을 형성하는 기술에 불과하며, 와이어의 표면에 미세한 전극 패턴을 형성하는 기술과는 거리가 있다.
따라서, 미세 와이어의 표면에 직접적으로 미세 패턴을 형성할 수 있다면, 인체의 혈관 내부에 삽입되는 미세 센서와 같이 지금까지 기술적 한계로 구현되기 어려웠던 다양한 특수 용도에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간단하고 빠른 공정으로 곡률을 갖는 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되고 표면에 미세 패턴이 형성된 와이어를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 와이어에 나노입자 용액을 도포하여 상기 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계를 포함하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 상기 나노입자 용액층 형성 단계 이전에, 와이어의 양 말단을 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 또한, 상기 나노입자 용액층 형성 단계 이후에, 와이어의 양 말단을 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은 또한, 상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계 이후, 상기 와이어의 미세 패턴이 형성되지 않은 영역이 베셀 빔 레이저의 초점 위치하도록 상기 와이어를 회전시키는 단계; 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 방법은 상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계 이후, 잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액의 도포는 딥 코팅(dip coating)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액의 도포는 스프레이 코팅(spray coating) 또는 잉크젯 코팅(inkjet coating)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 와이어의 직경은 1㎛ 내지 10mm일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액의 나노입자의 함량은 5 내지 35중량%일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액의 점도는 10 내지 200cP일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 철(Fe), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 실리카로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 나노입자 용액이 나노입자를 증류수, 탈이온수, 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 글리콜에테르(glycol ether), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 디메틸포름아미드(dimethyformamide)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 분산 또는 용해시킨 것일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 와이어의 표면에 상기 나노입자 용액층을 10nm 내지1mm의 두께로 도포할 수 있다.
본 발명의 방법은, 상기 와이어의 위치가 고정된 상태에서, 베셀 빔 레이저의 초점을 이동하여 상기 나노입자 용액층의 미리 예정된 영역에 레이저를 조사하여 수행될 수 있다.
본 발명의 방법은, 상기 베셀 빔 레이저의 초점 위치가 고정된 상태에서, 와이어의 위치를 이동하여 상기 나노입자 용액층의 미리 예정된 영역에 레이저를 조사하여 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 레이저의 출력은 1 내지 10W일 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 와이어를 고정하는 단계는, 와이어에 일정한 장력이 유지되도록 양 말단을 잡아당겨 수행될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조되고, 표면에 미세 패턴이 형성된 와이어를 제공한다.
본 발명의 또한, 상기 와이어를 포함하는 센서(sensor)를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 센서는 체내 삽입용 유량 센서 또는 온도 센서일 수 있다.
본 발명에 따르면, 수십 내지 수백 마이크로 스케일의 직경을 갖는 미세 와이어의 표면에 수 마이크로 내지 수십 마이크로 수준의 미세 전극 패턴을 형성하는 것이 가능하여, 미리 제조된 전극 패턴을 와이어에 말아 붙이는 방식으로는 구현할 수 없었던 미세 전극 센서를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 긴 초점 심도를 갖는 레이저 광학계를 이용하기 때문에 레이저의 초점을 미세하게 조절하지 않고도 간단하고 빠른 공정으로 곡률을 갖는 와이어의 표면에 미세 패턴을 균일한 두께로 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법의 공정 순서도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시 형태에 따른 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법의 공정 순서도를 나타낸다.
도 3(a)는 베셀 빔의 원리를 도시한 도면이다.
도 4(b)는 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계의 개념도를 나타낸다.
도 4는 2축 스캐너와 F-theta 렌즈를 이용한 본 발명의 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 대물렌즈를 이용한 본 발명의 또 다른 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것이다.
도 6은 와이어의 표면에 도포된 나노입자 용액에 베셀 빔의 초점을 적용시켜 나노입자를 소결시키는 공정을 도시한 것이다.
도 7은 와이어의 전체 면에 미세 패턴을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 방법에 따른, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 공정을 예시적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 와이어 이동 장치(100)를 나타낸다.
도 10는 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 와이어 마운팅 부재(110)를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 와이어 고정 장치(200)를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 방법에 따라, 와이어의 표면에 미세 전극 패턴이 형성된 이미지를 나타낸다.
이하, 본 발명의 구체적인 구현 형태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 수십 내지 수백 마이크로미터 스케일의 직경을 갖는 와이어의 표면에 직접적으로 미세 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 방법은, 와이어에 나노입자 용액을 도포하여 상기 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라, 본 발명의 방법은 상기 나노입자 용액층을 형성한 이후, 와이어를 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에 따라, 본 발명의 방법은 상기 나노입자 용액층을 형성하기 전에, 와이어를 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라, 본 발명의 방법은 또한, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성한 이후, 잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법의 공정도를 나타낸다.
도 1의 공정도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시 형태에서, 본 발명의 방법은 와이어에 나노입자 용액을 코팅하는 단계(S110), 와이어를 고정하는 단계(S210), 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 미세 패턴을 형성하는 단계(S300), 및 잔류하는 나노입자 용액을 제거하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2에 나타낸 공정도와 같이, 본 발명의 하나의 실시 형태에서, 본 발명의 방법은 와이어를 고정하는 단계(S120), 상기 와이어에 나노입자 용액을 코팅하는 단계(S220), 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 미세 패턴을 형성하는 단계(S300), 및 잔류하는 나노입자 용액을 제거하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 와이어의 재질로는 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리비닐클로라이드(PVC) 등의 중합체; 알루미늄(Al), 철(Fe), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등의 금속 또는 이들의 산화물, 예를 들어 TiO2, ZnO; 탄화규소, 질화규소, 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 바륨티타네이트(barium titanate) 등의 세라믹; 탄소 소재; 또는 이들의 복합 재료를 사용할 수 있다.
또한, 상기 와이어는 상기 재료들이 층을 이루어서 만들어지거나, 와이어의 표면에 상기 재료들이 코팅된 와이어를 포함할 수 있다.
상기 와이어는 일반적으로 사용되는 원형 단면을 갖는 원형 와이어를 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니며 단면이 원형이 아닌 사각, 오각 등의 와이어를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 사용 가능한 와이어는 1㎛ 내지 10mm의 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 공정으로 형성되는 미세 패턴은 1㎛ 이하의 분해능(resolution)을 갖기 때문에 약 1㎛ 정도의 직경을 갖는 와이어의 표면에도 미세 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 와이어의 직경이 크더라도 본 발명의 방법을 적용하여 미세 패턴을 형성하는 데에 있어서 기술적인 제약은 없으나, 직경이 과도하게 큰 경우 다양한 응용분야에서 사용되는 것에 제약이 따른다.
본 발명의 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법은 와이어에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계(S110, S220)를 포함한다.
상기 나노입자 용액은 수 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 다양한 크기를 갖는 나노입자가 용매에 용해 또는 분산된 용액을 의미한다. 상기 나노입자의 크기는 코팅되는 물질의 종류에 따라 상이하게 적용될 수 있으나, 10 내지 500nm의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하며, 50 내지 100nm의 평균 입경을 갖는 것이 코팅의 균일성을 고려할 때 더욱 바람직하다.
상기 나노입자는 와이어에 미세 패턴을 형성하기 위한 물질을 입자화한 것이며, 바람직하게는 전극 물질로 주로 사용되는 금속 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 등의 전도성 물질을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니며, 백금(Pt), 파라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등의 금속 나노입자 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 나노입자는 금속 나노입자로 한정되는 것은 아니며, 실리카 나노입자와 같은 비금속 나노입자를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 사용될 수 있는 용매로는 증류수, 탈이온수 등의 무기용매, 또는 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 글리콜에테르(glycol ether), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아미드(dimethyformamide) 등의 유기용매를 사용할 수 있다.
상기 나노입자는 용매에 분산 또는 용해된 상태로 존재할 수 있으며, 나노입자가 용매에 용해된 경우 이온의 형태로 존재하게 된다.
상기 나노입자 용액에서, 나노입자의 함량은 5 내지 35중량%인 것이 바람직하다. 나노입자의 함량이 5중량% 미만인 경우 미세 패턴의 형성이 어렵고, 35중량% 초과인 경우 미세 패턴의 코팅이 불균일하거나 성장 소결에 과도한 시간이 소요될 수 있다.
또한, 상기 나노입자 용액은 10 내지 200cP의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 나노입자 용액의 점도가 너무 낮은 경우 와이어에 코팅이 잘 유지되지 않아 공정이 어렵게 되고, 점도가 너무 높으면 작업성이 나쁘게 된다.
상기 나노입자 용액층은 10nm 내지 1mm의 두께로 도포되는 것이 바람직하다.
상기 나노입자 용액을 와이어에 도포(코팅)하는 방법으로는 와이어에 균일하게 용액을 도포할 수 있는 알려진 공정을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 딥(dip) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 잉크젯(inkjet) 코팅 등을 사용할 수 있다.
상기 코팅 과정에서, 필요에 따라 나노입자 용액을 건조시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 건조 단계를 통하여 나노입자 용액의 용매를 증발시킬 수 있으며, 나노입자 용액의 코팅과 건조를 수 차례 반복하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 도포하는 공정에 따라, 와이어의 고정 단계(S210, S120)의 순서를 결정할 수 있다. 와이어를 나노입자 용액에 침지시킨 후 꺼내는 딥 코팅의 경우 나노입자 용액을 코팅한 이후 와이어를 고정하는 것이 바람직하며, 스프레이 코팅 또는 잉크젯 코팅의 경우 와이어를 고정한 다음 코팅을 수행하는 것이 더 바람직하다. 예를 들어, 와이어를 먼저 고정한 후 노즐을 지나가도록 작동하여 나노입자 용액을 코팅할 수 있다.
본 발명에서 "고정"이란 와이어가 코팅 과정에서 구부러지는 등 형태가 변하지 않도록 미세 패턴이 형성될 영역의 양 말단을 잡아당겨 일정한 장력이 유지되도록 하는 것을 의미한다. 이와 같이 고정된 와이어는 후술하는 레이저 조사를 위하여 장력이 유지된 채로 이동할 수 있으며, 와이어가 특정 위치에 고정된다는 의미가 아니다.
상기 와이어의 "말단"이란, 미세 패턴이 형성될 영역의 양 말단을 의미하는 것이며, 반드시 와이어 전체 길이의 말단에 한정되는 것은 아니다.
와이어에 나노입자 용액층을 코팅하고 와이어를 고정한 후(또는 그 반대의 순서), 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어에 미세 패턴을 형성할 수 있다(S300).
종래 기술에 따르면 와이어에 미세 패턴을 형성하기 위해서 이형지에 미세 패턴을 형성한 다음 이를 와이어의 표면에 말아 붙이는 방식을 사용하였다. 상기 방법을 이용하는 경우 세밀한 패턴을 형성하는 것이 어렵고 공정이 복잡하며 미세 패턴의 결합력이 약한 문제가 있었다. 지금까지 와이어의 표면에 직접적으로 미세 패턴을 형성하는 기술은 연구된 바가 없었다.
일반적으로 레이저를 이용하여 입체적인 기판 상에 균일하게 소결된 박막을 얻기 위해서는 기판에 굴곡진 면에 정확히 초점을 맞춘 상태에서 소결 공정을 진행해야 하지만, 3차원 형상의 굴곡진 기판에 레이저의 초점을 맞추는 것에 상당한 기술적 난이도가 요구된다. 안정적으로 소결이 가능한 레이저 빔의 길이는 초점의 수배 이내이기 때문에 기판의 소결 부위에 레이저 초점이 정확히 위치하도록 기판이나 초점 위치를 실시간으로 이동시켜야 한다. 이 경우 포지셔닝을 위한 추가적인 정밀시스템이 요구되며, 공정 난이도와 비용이 비약적으로 증가하게 된다.
본 발명에서는 광학계를 사용하여 긴 초점을 갖는 변형된 빔을 사용함으로써 곡률을 갖는 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하였다. 구체적으로, 본 발명에서는 베셀 빔(Bessel beam)을 이용하여 긴 초점 심도를 갖는 광학계를 구성함으로써 미세 패턴을 제조하고자 하였다.
도 3은 베셀 빔의 원리(a) 및 베셀 빔을 구현하기 위한 광학계(b)를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 단면 프로파일이 가우시안 형태인 레이저 빔을 엑시콘 렌즈(Axicon Lens)를 이용하여 베셀 빔으로 변환시킬 수 있다. 여기서는 엑시콘 렌즈를 이용하는 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, 엑시콘 렌즈뿐 아니라, 고리 모양의 링, 고리 모양의 슬릿을 이용할 수도 있다. 레이저의 기본적인 빔 프로파일인 가우시안 형태는 에너지의 소모가 크며 광 파장에 가깝게 빔의 집속이 어려워 광 파장에 가까운 미세 패턴을 형성하기에는 어려움이 있다. 그러나, 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점 크기를 감소시키기 때문에 광 파장 크기의 패턴 형성을 할 수 있고, 간섭을 이용하여 빔을 집속시키며 긴 초점심도(Depth of focus)를 가져 와이어의 표면에 미세 패턴 형성을 가능하게 한다.
그리고, 엑시콘 렌즈를 이용하여 원형 빔을 베셀 빔으로 변환시키고 빔 확대기(Beam expander)에 통과시키면 빔의 크기가 변하는데, 이때 빔의 크기는 빔 확대기의 조절에 의해 자유롭게 변화할 수 있다. 베셀 빔의 크기가 자유롭게 변화하면 초점 영역이 확대기의 조절에 맞추어 변화하고 이를 통해 제한된 초점심도를 극복하여 곡률을 갖는 와이어의 표면에 패터닝이 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것으로서, 2축 스캐너와 F-theta 렌즈를 이용하여 베셀 빔을 구현하기 위한 구성을 나타낸다. 광 확대기와 아이리스를 통과한 레이저는 엑시콘 렌즈를 통과하여 가우시안 빔에서 베셀 빔으로 형상이 변화되고 1차 베셀 빔을 형성한다. 그 후 볼록렌즈를 통과하여 빔이 발산되지 않게 형성하고, 2축 스캐너를 통해 원하는 형상으로 제어할 수 있게 하며, F-theta 렌즈를 통과하여 2차 베셀 빔을 형성한다. 형성된 2차 베셀 빔과 2축 스캐너를 이용하여 와이어 표면에 도포된 금속 나노입자를 소결시켜 미세 패턴을 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 예시적인 광학계의 구성을 도시한 것이다. 도 5에서 광 확대기와 아이리스를 통과한 레이저는 엑시콘 렌즈를 통과하여 가우시안 빔에서 베셀 빔으로 형상이 변화되고 1차 베셀 빔을 형성한다. 그 후 볼록렌즈를 통과하여 빔이 발산되지 않게 형성하고, 대물렌즈를 통과하여 2차 베셀 빔을 형성한다. 회전식 와이어 공급기를 이용하여 와이어의 움직임을 제어하여 2차 베셀 빔을 조사하여 와이어 표면의 금속 나노입자를 소결시켜 미세 패턴을 형성할 수 있다.
상기 도 4 및 5로 설명한 광학계는 예시적인 것으로서, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니며, 긴 초점 심도를 갖는 베셀 빔 레이저를 구현하기 위한 범위 내에서 다양한 광학계를 구성하여 사용할 수 있다.
와이어에 코팅된 나노입자 용액층에 레이저 빔이 조사되면, 나노입자가 가열되어 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결된다. 이때 나노입자의 소결은 레이저 빔의 초점 크기를 1㎛로 조절하는 경우 약 1㎛ 수준의 분해능(resolution)으로 패턴을 형성할 수 있다. 이에 따라 와이어의 표면에 미세 패턴을 정밀하게 형성하는 것이 가능하다.
도 6은 와이어의 표면에 도포된 나노입자 용액에 베셀 빔의 초점을 적용시켜 나노입자를 소결시키는 공정을 도시한 것이다. 베셀 빔은 긴 초점 심도를 갖기 때문에 초점의 높낮이를 조절하지 않고도 와이어의 상면과 측면에 도포된 나노입자 용액을 가열하여 소결시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면 와이어를 회전시키지 않고도 한번의 작업으로 와이어의 단면을 기준으로 중심각 180°까지, 바람직하게는 중심각 160°까지 미세 패턴을 형성할 수 있다. 이는 전체 360°를 기준으로 약 40 내지 50%의 면적을 한번의 작업으로 처리할 수 있다는 것을 의미한다.
상기 와이어의 표면이 소결된 중심각(이하, 소결각)은 와이어의 직경이 커지면 점차 줄어든다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 와이어의 전체 표면에 미세 패턴을 형성하고자 하는 경우, 우선 소결각이 120° 이상이 되는 와이어의 표면 영역에 미세 패턴을 형성한 후, 와이어를 회전시켜 나머지 영역에 미세패턴을 형성시키는 과정을 반복하여 와이어의 전체 표면에 미세 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 레이저의 파장은 자외선, 가시광, 적외선을 사용할 수 있으며, 레이저의 종류는 예를 들어, fs(femtoseconds)에서 ms(milliseconds)까지의 펄스(pulse) 레이저, CW(continuous wave) 레이저, QCW(quasi-continuous wave) 레이저 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 레이저 조사는 라인 빔을 하나의 장치가 아닌 병렬로 프로세싱 하거나, 어레이 렌즈 등을 사용하여 다중으로 조사함으로써 더 빠르고 넓은 면적에 미세 패턴을 형성하도록 구성할 수 있다.
또한, 레이저가 조사된 영역에서만 소결된 미세 패턴이 형성되므로 레이저 초점을 이동시키는 방법으로 자유로운 형상의 패턴 형성이 가능하다. 레이저 초점의 이동 방법은 예를 들어, 와이어를 고정한 상태에서 레이저를 이동시키거나 레이저를 고정한 상태에서 와이어를 이동시킬 수 있다. 이때, 와이어는 이동 수단 위에 올려지기 때문에 이동 수단을 이동시킴으로써 와이어를 이동시킬 수 있다. 이렇게 이동 수단을 이용하여 레이저 또는 와이어를 이동시키며 패터닝 영역에 레이저를 조사하는 방법 이외에 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 베셀 빔을 이동시키며 조사하는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 사용하는 방법들이 사용될 수 있다.
이렇게 미세 패턴 형성 영역으로 레이저를 이동시킨 후 베셀 빔의 초점이 조절되는데, 예를 들어, 대물 렌즈(objective lens), 스캐너(scanner) 등을 이용하여 초점이 조절될 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 미세 패턴의 면적이나 두께에 영향을 미칠 수 있는 공정 온도, 레이저 빔 이동 속도(scan rate), 레이저 빔의 출력, 펄스폭, 반복율(repetition rate) 등이 조절될 수 있다.
이 때, 상기 레이저 빔의 출력은 1 내지 10W가 바람직하다. 상기 출력 범위의 레이저 빔을 조사하면 나노입자를 100 내지 2000℃로 가열함으로써 나노입자가 단시간에 성장하면서 소결될 수 있다.
본 발명의 공정은 레이저 빔을 이용하기 때문에 매우 빠른 속도로 패터닝을 하는 것이 가능하다. 구체적으로, 1mm/s 내지 10m/s의 속도로 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 약 3m/s의 속도로 미세 패턴을 형성할 수 있다.
상기 베셀 빔의 초점 심도는 광학계의 구성에 따라 다르게 조정될 수 있는데, 빔 확대기를 이용하여 100㎛ 이상의 초점 심도를 구현할 수 있으며, 따라서 와이어의 굴곡진 표면에서도 초점을 상하로 이동하는 작업 없이 수평으로만 이동하여 나노입자의 소결로 인한 미세 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 미세 패턴 형성 공정은 와이어의 표면에 미세 패턴이 형성될 부분에만 정밀하게 나노입자 용액층을 형성할 필요없이 더 넓은 영역 또는 와이어의 전체 면에 나노입자 용액층을 코팅한 후 레이저 조사를 필요한 영역에만 조사하여 미세 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 나노입자 용액층의 코팅에 정밀한 공정이 요구되지 않고 딥 코딩, 스프레이 코팅 등의 통상적인 코팅 공정으로 충분하다.
본 발명의 방법은 또한, 와이어에 미세 패턴을 형성한 다음, 잔류하는 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다(S400). 상기 나노입자 용액 제거 공정 또는 세척 공정은 초음파나 스프레이 등을 이용하는 방식이 사용되거나, 에탄올, 아세톤 등의 세척 용액을 이용하는 방식이 사용될 수 있으며, 이에 특별히 제한되지 않는다.
도 8은 본 발명의 예시적인 방법에 따른 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 과정을 도시한 것이다.
도 8의 (a) 단계에서는 와이어를 나노입자 용액에 침지시킨 후 서서히 꺼내어 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 도포한다. 이때, 와이어를 균일한 속도로 꺼내어 균일한 두께의 나노입자 요액층이 형성되도록 한다. 또한, 와이어를 꺼내는 속도를 제어하여 나노입자 용액층이 도포되는 두께를 제어할 수 있다.
도 8의 (b) 단계에서, 와이어의 표면에 도포된 나노입자 용액층에 베셀 빔을 조사하여 미세 패턴을 형성한다. (b) 단계 전에 와이어의 양 말단을 고정하는 단계를 수행할 수 있다.
도 8의 (c) 단계에서, 레이저 조사에 의해 와이어의 표면에 미세 패턴 형성이 완료되면 나노입자 용액 등 잔여물을 제거하는 단계를 수행하여 미세 패턴이 형성된 와이어의 제조를 완성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법을 수행하기 위한 예시적인 장치에 대해서 설명한다.
본 발명의 공정에 의해 형성되는 미세 패턴은 1㎛ 수준의 분해능을 가졌기 때문에, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하기 위해서 와이어의 위치를 제어하는 것이 매우 중요하다. 이를 위하여, 와이어의 장력을 일정하게 유지하면서 양 말단을 고정하고, 원하는 위치로 와이어를 이동하거나, 레이저 빔의 초점을 이동할 수 있는 장치를 사용할 수 있다.
본 발명의 예시적인 와이어 이동 장치(100)를 도 9에 도시하였다.
상기 와이어 이동 장치(100)는 와이어의 양 말단을 고정할 수 있는 와이어 마운팅 부재(110), 와이어가 일정한 장력을 유지하도록 와이어의 양 말단을 일정한 힘으로 잡아당기는 장력 유지 부재(120), 와이어의 정렬 방향을 회전할 수 있도록 구성된 회전 스테이지(130), 및 와이어를 x축 및 y축 방향으로 이동시키도록 구성된 x-y 스테이지(140)를 포함한다.
상기 와이어 이동 장치(100)를 이용하는 경우, 레이저 빔의 초점을 고정하고 와이어 이동 장치(100)의 회전 스테이지(130) 및 x-y 스테이지(140)를 가동하여 와이어의 미세 패턴이 형성될 위치에 레이저의 초점이 위치하도록 할 수 있다.
도 10는 본 발명의 예시적인 와이어 마운팅 부재(110)의 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
상기 와이어 마운팅 부재(110)는 와이어의 하부를 2점에서 접촉하여 고정하는 V 홈부(111) 및 와이어 상부의 1점에서 접촉하여 고정하는 가압고정부(112)를 포함할 수 있다. 상기 와이어의 "상부" 및 "하부"는 와이어의 단면을 기준으로 위쪽과 아래쪽으로 구분되는 개념이다.
상기 V 홈부(111)는 와이어가 내부에 위치하였을 때 하단 2점에서 각각 접촉하면서 동시에 상부의 가압고정부(112)와 접촉이 용이하도록 90° 이상의 각도를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가압고정부(112)는 예를 들어, 자기력 등에 의해 와이어의 상부를 가압하여 와이어가 와이어 마운팅 부재(110)에 견고하게 고정되도록 할 수 있다. 상기 가압고정부(112)는 고무와 같이 탄성이 있는 재질로 구성되는 것이 와이어의 손상을 방지하면서 견고한 고정을 위하여 바람직하다.
그러나, 상기 와이어 마운팅 부재(110)는 예시적인 것으로서, 와이어의 양 말단을 견고하게 고정하는 기능을 수행할 수 있는 범위 내에서의 변형 또는 변경이 부가될 수 있다.
상기 와이어 마운팅 부재(110)의 하방에는 장력 유지 부재(120)가 위치하여 와이어가 일정한 장력을 유지하면서 고정되도록 할 수 있다. 상기 장력 유지 부재(120)는 레이저 작업 중 와이어의 패턴 형성 부위에 미세한 흔들림이나 이동이 발생하지 않도록 와이어의 양 말단을 일정한 힘으로 당기는 역할을 수행한다. 이때, 상기 장력은 와이어가 끊어지지 않으면서도 미세한 이동이 생기지 않을 정도의 힘이면 족하다.
상기 와이어 마운팅 부재(110) 및 장력 유지 부재(120)에 의하여 와이어가 고정되면, 회전 스테이지(130) 및 x-y 스테이지(140)에 의하여 와이어의 표면을 레이저 빔의 초점 위치로 이동한 후, 미리 입력된 미세 패턴이 형성될 수 있도록 와이어의 표면이 이동하도록 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서, 와이어를 고정한 상태에서 레이저 빔의 초점을 이동함으로써 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 예시적인 와이어 고정 장치(200)를 나타낸다.
상기 와이어 고정 장치(200)에는 앞서 설명한 바와 같은 와이어 마운팅 부재(210)가 설치되어 와이어를 견고하게 고정하고, 장력 유지 부재(220)에 의해 와이어의 패턴 형성 영역이 흔들리지 않도록 유지할 수 있다.
상기 장력 유지 부재(220)는 와이어 마운팅 부재(210)의 일단을 고정하는 고정 블록(221) 및 와이어 마운팅 부재(210)의 다른 일단을 고정하고 와이어의 길이 방향으로 이동 가능한 마운트 어댑터(222)를 구비한다. 상기 마운트 어댑터(222)는 LM 가이드(223) 상에 위치하여 가압실린더(224)의 가압에 의하여 와이어의 길이 방향으로 이동할 수 있다.
상기 가압실린더(224)는 와이어가 끊어지지 않으면서도 패턴 형성 영역이 흔들리지 않을 정도의 힘으로 마운트 어댑터(222)를 가압하여 와이어에 일정한 장력이 유지되도록 할 수 있다.
상기 와이어 고정 장치(200)를 이용하여 와이어를 견고하게 고정하면, 도 4에 도시한 바와 같이, 2축 스캐너와 F-theta 렌즈를 구비한 베셀 빔 광학계를 이용하여 와이어의 표면에 정밀한 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 와이어가 항상 동일한 절대위치에 고정되고, 2축 스캐너가 와이어의 x, y, theta 값을 반영하여 원하는 형상을 따라서 움직이며 미세 패턴을 가공할 수 있다.
도 12는 본 발명의 공정 및 장치를 이용하여 와이어의 표면에 미세 전극 패턴을 형성한 이미지를 나타낸다. 도 12(a)에서, 와이어의 표면에 약 15㎛ 선폭의 미세 전극 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 12(b)에서, 다양한 선폭의 복잡한 형상을 갖는 미세 패턴을 와이어의 표면에 형성할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 공정에 따르면, 수십 내지 수백 마이크로미터 스케일의 직경을 갖는 미세 와이어의 표면에 수 내지 수십 마이크로미터 스케일의 미세 패턴을 형성할 수 있기 때문에, 인체의 혈관 내부 등 매우 작은 곳에 삽입되는 특수한 용도의 와이어로 활용 가능성이 높다. 예를 들어, 본 발명의 방법으로 제조된 미세 전극 패턴이 표면에 형성된 와이어는 혈관 내부 등 체내에 삽입되어 유량 센서, 온도 센서 등의 센서로 활용될 수 있다.
또한, 미세 직경이 요구되는 의료용 와이어 뿐만 아니라 직경이 큰 건설용 와이어에도 활용이 가능하며, 다양한 소재, 형태, 용도를 가진 와이어에도 쉽게 적용될 수 있어, 와이어 표면에 금속/비금속 미세 패턴이 필요한 모든 용도에 활용 가능성이 매우 높다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 와이어 이동 장치
110 와이어 마운팅 부재 111 V 홈부
112 가압고정부
120 장력 유지 부재
130 회전 스테이지
140 x-y 스테이지
200 와이어 고정 장치
210 와이어 마운팅 부재
220 장력 유지 부재
221 고정 블록 222 마운트 어댑터
223 LM 가이드 224 가압실린더
W 와이어

Claims (20)

  1. 와이어에 나노입자 용액을 도포하여 상기 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
    상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법으로서,
    상기 와이어의 직경이 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액층 형성 단계 이전에,
    와이어의 양 말단을 고정하는 단계를 더 포함하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액층 형성 단계 이후에,
    와이어의 양 말단을 고정하는 단계를 더 포함하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계 이후,
    상기 와이어의 미세 패턴이 형성되지 않은 영역이 베셀 빔 레이저의 초점 위치하도록 상기 와이어를 회전시키는 단계; 및
    상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계
    를 반복하는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계 이후,
    잔류한 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액의 도포가 딥 코팅(dip coating)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액의 도포가 스프레이 코팅(spray coating) 또는 잉크젯 코팅(inkjet coating)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어의 직경이 1㎛ 내지 10mm인 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액의 나노입자의 함량이 5 내지 35중량%인 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액의 점도가 10 내지 200cP인 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자가 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 철(Fe), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 및 실리카로 구성된 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노입자 용액이 나노입자를 증류수, 탈이온수, 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 글리콜에테르(glycol ether), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 디메틸포름아미드(dimethyformamide)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 분산 또는 용해시킨 것임을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어의 표면에 상기 나노입자 용액층을 10nm 내지 1mm의 두께로 도포하는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어의 위치가 고정된 상태에서, 베셀 빔 레이저의 초점을 이동하여 상기 나노입자 용액층의 미리 예정된 영역에 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 베셀 빔 레이저의 초점 위치가 고정된 상태에서, 와이어의 위치를 이동하여 상기 나노입자 용액층의 미리 예정된 영역에 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저의 출력이 1 내지 10W인 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  17. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 와이어를 고정하는 단계는, 와이어에 일정한 장력이 유지되도록 양 말단을 잡아당기는 것을 특징으로 하는, 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고, 표면에 미세 패턴이 형성된 와이어.
  19. 제 18 항에 따른 와이어를 포함하는 센서(sensor).
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서가 체내 삽입용 유량 센서 또는 온도 센서인 것을 특징으로 하는, 센서.
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