KR102221162B1 - 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102221162B1 KR102221162B1 KR1020190039688A KR20190039688A KR102221162B1 KR 102221162 B1 KR102221162 B1 KR 102221162B1 KR 1020190039688 A KR1020190039688 A KR 1020190039688A KR 20190039688 A KR20190039688 A KR 20190039688A KR 102221162 B1 KR102221162 B1 KR 102221162B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- carbon nanotube
- contact
- gold
- metal nanoparticles
- contact type
- Prior art date
Links
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 126
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 126
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 125
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 37
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 77
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 37
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 16
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 16
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 15
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 claims description 10
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 10
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 10
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 10
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 10
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 claims description 9
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 8
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 8
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 7
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 6
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 6
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 6
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- GUWKQWHKSFBVAC-UHFFFAOYSA-N [C].[Au] Chemical compound [C].[Au] GUWKQWHKSFBVAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 41
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 21
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 18
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 9
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 9
- 238000011160 research Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 4
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 229920000729 poly(L-lysine) polymer Polymers 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004472 Lysine Substances 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- UQEAIHBTYFGYIE-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisiloxane Polymers C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C UQEAIHBTYFGYIE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KDXKERNSBIXSRK-RXMQYKEDSA-N D-lysine Chemical compound NCCCC[C@@H](N)C(O)=O KDXKERNSBIXSRK-RXMQYKEDSA-N 0.000 description 1
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 1
- KDXKERNSBIXSRK-UHFFFAOYSA-N Lysine Natural products NCCCCC(N)C(O)=O KDXKERNSBIXSRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
- B81B1/006—Microdevices formed as a single homogeneous piece, i.e. wherein the mechanical function is obtained by the use of the device, e.g. cutters
- B81B1/008—Microtips
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00349—Creating layers of material on a substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
- H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
- H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
- H01L21/02282—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process liquid deposition, e.g. spin-coating, sol-gel techniques, spray coating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02587—Structure
- H01L21/0259—Microstructure
- H01L21/02606—Nanotubes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0657—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body
- H01L29/0665—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body the shape of the body defining a nanostructure
- H01L29/0669—Nanowires or nanotubes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/01—Switches
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Contacts (AREA)
Abstract
본 발명은 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하여, 접촉 저항이 낮으면서도 높은 접촉 수명을 갖는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 수직방향으로 가해지는 힘에 의해 압축이 가능한 탄소나노튜브 네트워크를 포함하고, 이러한 압축으로 인한 접촉 면적의 변화를 통해 마이크로 소자의 전기 저항이 변화될 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 네트워크에 전도성이 높은 금속 나노입자가 코팅되어 낮은 접촉 저항과 높은 접촉 수명을 갖는 마이크로 소자(예를 들어 MEMS 스위치, MEMS relay, 접촉식 스위치 기반의 논리소자, 접촉식 센서 등)를 제공할 수 있다. 대기 및 고전류 접촉 환경(1 μA)에서 백만 번 이상의 높은 수명을 가지면서도 약한 접촉에서도 낮은 접촉저항을 갖는 장점이 있다.
Description
본 발명은 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하여, 접촉 저항이 낮으면서도 높은 접촉 수명을 갖는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 수직방향으로 가해지는 힘에 의해 압축이 가능한 탄소나노튜브 네트워크를 포함하고, 이러한 압축으로 인한 접촉 면적의 변화를 통해 마이크로 소자의 전기 저항이 변화될 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 네트워크에 전도성이 높은 금속 나노입자가 코팅되어 낮은 접촉 저항과 높은 접촉 수명을 갖는 마이크로 소자(예를 들어 MEMS 스위치, MEMS relay, 접촉식 스위치 기반의 논리소자, 접촉식 센서, 에너지 헤베스터 등)를 제공할 수 있다.
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
과제고유번호: No. NRF-2018R1A2A1A05023070
부처명: 과학기술정보통신부
연구관리 전문기관: 한국연구재단
연구사업명: 중견연구자지원사업
연구과제명: (후속)접촉 기반 MEMS의 장수명 고신뢰성 확보를 위한 나노소재 응용 연구(1/3)
연구기간: 2018.03.01. ~ 2019.02.28.
CMOS 트랜지스터가 갖는 높은 subthreshold leakage current와 낮은 on-off ratio 등 극복하기 위한 대안으로써 MEMS 스위치에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. MEMS 스위치 (microelectromechanical system switch)는 CMOS 트랜지스터와는 달리 전기장(electric field)나 복사(radiation) 등의 외부 환경적인 요소에 대한 영향을 비교적 적게 받고, 높은 on-off ratio와 near zero leakage current 등의 장점을 갖는다.
하지만, 이러한 MEMS 스위치는 통상적으로 material transfer, local field emission, oxidation, stiction 등 물리적 접촉에 의한 접촉면의 변형 혹은 손상으로 인해 제한된 접촉수명을 갖기 때문에, MEMS 스위치의 낮은 접촉 수명을 향상시키기 위한 연구(예를 들어 스위치의 구조, 접촉 물질, 회로를 변경하는 등)가 진행되고 있다.
Seo, Min-Ho, et al.(1000-Fold Lifetime Extension of a Nickel Electromechanical Contact Device via Graphene. ACS applied materials & interfaces 10.10 (2018): 9085-9093) 혹은 Rana, Sunil, et al.(Nano-crystalline graphite for reliability improvement in MEM relay contacts. Carbon 133 (2018): 193-199) 등은 전도성을 가지며 기계적 강성이 우수한 탄소 기반 나노 물질을 사용하여 MEMS 스위치의 수명을 향상시키고자 하는 연구 결과를 보고한 바가 있는데, 이는 접촉 힘에 따른 변형가능성이 없어 낮은 접촉면적을 가지며 동시에 수 kΩ 수준의 높은 접촉 저항을 가져 라디오 프리퀀시(radio-frequency) 소자나 logic application으로 활용하는데 한계가 있다.
CHEN, Yenhao, et al.(Characterization of contact resistance stability in MEM relays with tungsten electrodes. Journal of Microelectromechanical Systems, 2012, 21(3) 511-513) 혹은 PARSA, Roozbeh, et al. (Laterally actuated platinum-coated polysilicon NEM relays. Journal of Microelectromechanical Systems, 2013, 22(3) 768-778)등은 고강도 금속 혹은 합금을 접촉 전극으로 사용하여 MEM relay의 수명을 향상시키고자 하는 연구 결과를 보고한 바가 있는데, 구체적으로는 텅스텐(tungsten), 티타늄 질화물(titanium nitride) 혹은 플라티늄(platinum) 등의 고강도 전도성 물질을 사용한 접촉식 마이크로 소자를 제시하였다.
하지만, 이 경우에는 수십 kΩ에서 수 MΩ의 높은 전기저항을 갖거나, 접촉 물질의 산화가 쉽게 발생하는 등의 단점으로 인해 고전류 접촉환경이나 대기 중에서 사용하기 곤란한 문제점이 여전히 존재한다.
또한 금(Au, gold)의 경우에는 낮은 접촉저항과 높은 전기 전도도로 인해 접촉식 마이크로 소자의 접촉물질로 주목을 받아왔지만, 대표적인 무른 금속에 해당하므로(즉, 경도가 낮아) 접촉 시에 미세 융착(micro welding), 정지마찰(stiction), 물질 전달(material transfer) 등이 쉽게 발생하여 접촉수명이 낮아지는 단점이 있다.
이러한 금의 낮은 접촉수명을 극복하기 위해서 접촉식 마이크로 소자의 구조를 변경하여 접촉면을 새롭게 만들거나 접촉 시 전압 차에 의한 충격을 줄여 접촉 수명을 늘리는 연구가 일부 보고되고 있으나, 이러한 접근 방식은 추가적인 구조의 형성을 요구하기 때문에 전체적인 마이크로 소자의 크기를 증가시키고, 집적도를 떨어뜨리는 문제점이 발생하게 된다.
Seo, Min-Ho, et al., "1000-Fold Lifetime Extension of a Nickel Electromechanical Contact Device via Graphene." ACS applied materials & interfaces 10.10 (2018): 9085-9093.
Rana, Sunil, et al., "Nano-crystalline graphite for reliability improvement in MEM relay contacts." Carbon 133 (2018): 193-199.
CHEN, Yenhao, et al., "Characterization of contact resistance stability in MEM relays with tungsten electrodes", Journal of Microelectromechanical Systems, 2012, 21.3: 511-513.
PARSA, Roozbeh, et al., "Laterally actuated platinum-coated polysilicon NEM relays", Journal of Microelectromechanical Systems, 2013, 22.3: 768-778.
본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 보다 효과적으로 해결하기 위해, 수십 nm 이하 두께의 탄소나노튜브 네트워크를 접촉식 마이크로 소자의 접촉면에 형성하고, 상기 탄소나노튜브를 전도성이 높은 금속 나노입자로 코팅함으로써, 대기 중에서 높은 접촉 수명을 가질 뿐만 아니라 낮은 접촉저항을 갖는 접촉식 마이크로 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 접촉식 마이크로 소자는, 기판 상에 위치하는 드레인 전극; 및 상기 드레인 전극과 물리적으로 이격되어 위치하는 소스 전극;을 포함하고, 상기 소스 전극의 표면에는 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층이 적층되며, 소스 전극에 가해지는 힘에 의해 상기 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층이 압축되어 전기 저항이 변화되는 것을 특징으로 한다.
상기 소스 전극은, 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 금속 나노입자는, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타튬(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 나노입자 중 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 기판은, 실리콘, 산화규소(SiO2), 천(fabric), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 및 폴리디메틸프록실산(polydimethylsiloxane, PDMS)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로 소자는, MEMS 스위치, MEMS relay, 접촉식 스위치 기반의 논리소자(micromechanical inverter) 혹은 접촉식 센서일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태로 접촉식 마이크로 소자를 제조하는 방법을 들 수 있는데, 기판을 준비한 후, 물리적으로 이격되도록 드레인 전극, 소스 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 소스 전극의 표면에 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 층에 금속 나노입자를 코팅하는 단계;를 포함한다.
상기 소스 전극은, 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 금속 나노입자는, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타튬(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 나노입자 중 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 기판은, 실리콘, 산화규소(SiO2), 천(fabric), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 및 폴리디메틸프록실산(polydimethylsiloxane, PDMS)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계는, 탄소나노튜브 분산액 또는 금-탄소나노튜브 분산액을 사용하여 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행되는 것이 바람직하고, 상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계는, 산소(O2) 플라즈마를 사용한 전처리가 수행된 이후에 진행되는 것이 더욱 바람직하며, 상기 금속 나노입자를 코팅하는 단계는 금속 나노입자 용액을 이용해 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행되거나, 증착(evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법으로 수행되는 것이 바람직하다.
이러한 방법으로 제조된 접촉식 마이크로 소자는, MEMS 스위치, MEMS relay 접촉식 스위치 기반의 논리소자(micromechanical inverter) 혹은 접촉식 센서로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 접촉식 마이크로 소자는, 수십 nm 이하 두께의 탄소나노튜브 네트워크(CNT network)가 접촉면에 형성되며 상기 탄소나노튜브 네트워크에 전도성이 높은 금속 나노입자가 코팅되는 것을 기술적 특징으로 포함하고 있어, 추가적인 면적을 필요로 하지 않는다는 장점뿐만이 아니라, 대기 및 고전류 접촉 환경(1 μA)에서 백만 번 이상의 높은 수명을 가지면서도 약한 접촉에서도 낮은 접촉저항을 갖는 현저한 효과가 존재한다.
또한, MEMS 스위치와 같은 본 발명의 접촉식 마이크로 소자는 수직방향의 힘에 의해 압축이 가능하여, 수직 방향의 압축(Compressive) 힘에 의해 접촉면적이 증가하여 마이크로 소자의 전기 저항이 조절될 수 있다
도 1은 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 소스 전극에 형성된 탄소나노튜브 층의 탄소나노튜브 네트워크를 SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 작동 원리를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5 내지 6은 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 작동 및 성능 시험 결과를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 소스 전극에 형성된 탄소나노튜브 층의 탄소나노튜브 네트워크를 SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 작동 원리를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5 내지 6은 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 작동 및 성능 시험 결과를 나타낸 그림이다.
이하에서는 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1에는 본 발명의 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크의 제조 방법을 통해 제조된 접촉식 마이크로 소자의 구조가 도시되어 있다.
기판(10) 상에 게이트 전극(100)과 소스 전극(110) 및 드레인 기본 전극(120)을 형성한다. 이러한 기판 상의 기본 전극들(게이트 전극, 드레인 전극 및 소스 기본 전극)은 공지의 금속 증착 방법(예를 들어, 화학기상증착, evaporation, 전해도금 등)의 방법을 통해서 수행될 수 있으며, 각각 형성된 전극들은 적절한 패터닝 공정(포토리소그래피 혹은 에칭 공정 등)을 통해서 서로 이격 되도록 형성될 수 있다.
이때 각 전극은 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 또는 금(Au) 등과 같은 노블 금속 재질 중에서 선택될 수 있으며, 기판 역시 실리콘, 산화규소(SiO2), 천(fabric), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 및 폴리디메틸프록실산(polydimethylsiloxane, PDMS)로 이루어진 군에서 적절히 선택될 수 있다.
필요에 따라, 각 전극을 기판(10)에 효과적으로 형성될 수 있도록 하기 위해 크롬(Cr) 등과 같은 중간 금속을 기판에 먼저 형성한 후, 상기 노블 금속을 적층하는 방식으로 수행되는 것도 가능하다.
이렇게 기판 상에 형성된 전극들 위로 탄소나노튜브 분산액을 코팅하여 탄소나노튜브 네트워크(CNT network)를 형성한다. 이때, 전극 및 기판 위로 탄소나노튜브 네트워크가 보다 효과적으로 형성될 수 있도록 전처리를 수행하는 것이 바람직한데, 이러한 전처리는 산소(O2) 플라즈마를 사용한 표면 세정 단계와 유기 아미노산 코팅층을 형성하는 표면 개질 단계를 포함할 수 있다.
상기 표면 개질 단계에 의해 기판 및 전극에 형성되는 유기 아미노산 코팅층(150)은, 염기성 아미노산 고분자인 poly-L-라이신(lysine), poly-D-라이신(lysine) 또는 poly-E-라이신(lysine)을 포함하는 염기성 아미노산 고분자 수용액을 사용하여, 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행될 수 있다.
이러한 표면 개질에 사용되는 염기성 아미노산 고분자인 poly-L-라이신(lysine) 등은 후속 과정에서 형성되는 탄소나노튜브 네트워크를 보다 견고하게 형성하는데 도움을 주게되는데, 이러한 표면 개질의 구체적인 작용 기전은 명확하지 않으나, 상기 염기성 아미노산 고분자가 갖는 정전기적 인력에 기인하는 것으로 파악된다.
기판과 전극 위로 탄소나노튜브 용액을 도포하여 탄소나노튜브 네트워크를 형성한다. 이러한 탄소나노튜브 용액의 도포 역시 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행될 수 있으며, 탄소나노튜브 용액은 증류수, IPA, DMF 등의 일반적인 용매를 사용하여 희석된 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 용액으로는, 탄소나노튜브 분산액과 금 나노입자 분산액을 혼합하여 제조한 "금-탄소나노튜브 분산액"을 사용하는 것도 가능하며, 후술될 화학적 환원을 이용해 제작되는 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 사용하는 것도 가능하다.
이렇게 형성된 탄소나노튜브 네트워크를 원하는 영역인 소스 전극에만 형성될 수 있도록, 제1 포토레지스트를 사용하여 패터닝함으로써, 소스 전극에만 상기 탄소나노튜브 네트워크를 보호하는 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 산소(O2) 플라즈마를 사용하여 나머지 영역의 탄소나노튜브 네트워크를 제거한 후, 소스 전극 위의 포토레지스트 패턴을 제거함으로써, 소스 전극에만 선택적으로 상기 탄소나노튜브 네트워크를 형성할 수 있다.
이렇게 소스 전극(110)에 선택적으로 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 탄소나노튜브 층(140)을 형성한 후, 탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)를 코팅할 수 있다. 이때 금속 나노입자(160)는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타튬(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 나노입자 중에서 선택될 수 있다.
탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)를 코팅하는 방법으로는, 금속 나노입자 용액을 이용해 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행될 수 있으며, 이때 적절한 패터닝 공정(포토리소그래피 혹은 lift-off 등)을 통해서 탄소나노튜브 층(140)에만 금속 나노입자가 코팅될 수 있다.
금속 나노입자(160)를 코팅하는 다른 방법으로는, 금속 나노입자를 탄소나노튜브 층(140)에 물리적 증착하는 방법으로, 증착(evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법이 사용될 수 있으며, 이때 적절한 패터닝 공정(포토리소그래피 혹은 lift-off 등)을 통해서 탄소나노튜브 층(140)에만 금속 나노입자가 코팅될 수 있다.
금속 나노입자(160)를 코팅하는 또 다른 방법으로는, 화학적 환원을 이용하는 방법이 있다. 이러한 화학적 환원 방법은, 탄소나노튜브의 표면에 금(Au)을 환원시키는 방법이다. 구체적으로, 탄소나노튜브 분산액에 HAuCl4 용액을 넣어 교반한 후, 시트르산나트륨(sodium citrate) 용액을 처리하게 되면, 탄소나노튜브 분산액 내에 탄소나노튜브의 표면에 금(Au)이 환원되어 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 제작할 수 있다. 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계에서 탄소나노튜브 용액으로 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 사용하게 되면 금(Au)이 코팅된 탄소나노튜브 층을 형성할 수 있다.
이렇게 탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)를 코팅한 후, 포토레지스트를 전면에 도포한 후, 공지의 도금, 증착 및 패터닝 공정을 사용하여 드레인 전극(130)을 형성하는데, 이때 상기 드레인 전극(130)은 도 1에서 확인되듯이, 게이트 전극(100)과 소스 전극(110)이 형성된 구조의 위쪽으로 소정간격 이격되어 형성되며, 상기 드레인 기본 전극(120)에만 도통되도록 형성된다.
도 2는 본 발명의 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자의 제조 과정을 단계별로 도시한 것으로, 기판(10) 상에 전극 물질을 형성한 후 패터닝 함으로써 게이트 전극(100), 소스 전극(110) 및 드레인 기본 전극(120)을 형성한다(S100).
이렇게 기판(10) 상에 전극을 형성한 후, 산소(O2) 플라즈마를 사용한 표면 세정 단계를 수행하고, 탄소나노튜브 용액을 도포하여 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 탄소나노튜브 층(140)을 형성한다(S200).
이때 탄소나노튜브 용액의 도포는 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행될 수 있으며, 탄소나노튜브 용액은 상용화된 multi-wall 탄소나노튜브 용액을 사용할 수 있으며, 유기용매인 DMF를 사용하여 약 1.5~3mg/ml의 농도로 희석하여 사용하는 것이 바람직하다.
또는 상기 탄소나노튜브 용액으로, 상술된 "금-탄소나노튜브 분산액" 또는 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 사용할 수 있다. 이와 같은 "금-탄소나노튜브 분산액" 또는 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 사용하는 경우에는, 후술될 금속 나노입자를 코팅하는 단계를 거치지 않고도 탄소나노튜브 층에 금속 나노입자가 코팅되는 효과를 얻을 수 있다.
이렇게 형성된 탄소나노튜브 네트워크를 원하는 영역인 소스 전극(110)에만 형성될 수 있도록, 포토레지스트를 사용하여 패터닝함으로써, 소스 전극에만 상기 탄소나노튜브 네트워크를 보호하는 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 산소(O2) 플라즈마를 사용하여 나머지 영역의 탄소나노튜브 네트워크를 제거한다(S300).
소스 전극(110)에 선택적으로 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 탄소나노튜브 층(140)을 형성한 후, 상기 탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)을 코팅한다(S400). 구체적으로 금속 나노입자 용액을 이용해 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)를 코팅할 수 있으며, 이때 적절한 패터닝 공정(포토리소그래피 혹은 lift-off 등)을 통해서 탄소나노튜브 층(140)에만 금속 나노입자(160)를 코팅할 수 있다.
상기 금속 나노입자 용액으로는 100nm 이하의 지름을 가지는 금속 나노입자가 증류수, IPA, DMF 등의 일반적인 용매에 분산된 것을 사용할 수 있다.
탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)를 코팅하는 다른 방법으로는, 금속 나노입자(160)를 탄소나노튜브 층(140)에 물리적 증착하는 방법으로, 증착(evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법이 사용될 수 있으며, 이때 적절한 패터닝 공정(포토리소그래피 혹은 lift-off 등)을 통해서 탄소나노튜브 층(140)에만 금속 나노입자(160)가 코팅될 수 있다.
금속 나노입자(160)를 코팅하는 또 다른 방법으로는, 화학적 환원을 이용하는 방법이 있다. 화학적 환원 방법은 HAuCl4 용액을 통해 탄소나노튜브의 표면에 금(Au)을 환원시킨 후, 표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브를 이용해 금-탄소나노튜브 분산액을 제작한다. 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계(S200)에서 표면에 금-탄소나노튜브 분산액을 이용해 금(Au)이 코팅된 탄소나노튜브 층을 형성할 수 있다.
탄소나노튜브 층(140)에 금속 나노입자(160)를 코팅한 후, 포토레지스트를 전면에 도포한 후, 공지의 도금, 증착 및 패터닝 공정을 사용하여 드레인 전극(130)을 형성하는데, 이때 상기 드레인 전극(130)이 드레인 기본 전극(120)과 연통될 수 있도록 제1 포토레지스트 패턴(310) 및 제2 포토레지스트 패턴(410)을 도 2와 같이 형성한다(S500).
이렇게 형성된 제1 포토레지스트 패턴 및 제2 포토레지트 패턴 위로 도금 혹은 증착 공정을 통해서 드레인 전극(130)을 형성한 후 포토레지스트 패턴을 제거함으로서, 게이트 전극(100)과 소스 전극(110)이 형성된 구조의 위쪽으로 소정간격 이격되어 드레인 전극(130)을 형성된다(S800).
필요에 따라 상기 제1 포토레지스트 패턴 및 제2 포토레지스트 패턴을 형성하고(S500), 제1 포토레지스트 패?? 및 제2 포토레지스트 패턴 위에 금(Au)을 증착시키고 추가적인 제3 포토레지스트 패턴(510)을 형성한 후(S600), 상기 탄소나노튜브 층(140)이 형성된 소스 전극(110)의 위쪽으로 상기 드레인 전극(130)과 전기적으로 연결되는 딤플(170)을 형성하는 것도 가능하다(S700).
상기 드레인 전극(130)이 니켈(Ni) 금속으로 형성될 경우에, 상기 딤플(170)은 금(Au)으로 형성되는 것이 바람직하며, 이렇게 형성된 딤플(170)은, 본 발명의 접촉식 마이크로 소자에 압력과 같은 수직 힘이 작용하거나, 게이트 전극과 드레인 전극 사이의 전압 차이에 의해 발생되는 정전기적 인력으로 인해 소자가 구동되어 MEMS 스위치의 역할을 수행하게 된다.
상기 딤플(170)이 형성되지 않은 경우에도, 수직 힘이 작용하거나, 게이트 전극과 드레인 전극 사이의 전압 차이에 의해 발생하는 정전기적 인력 등으로 인해 드레인 전극(130)이 소스 전극(110)과 물리적으로 접촉하게 되며, 이때 상기 소스 전극(110) 위쪽으로 형성된 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층과 직접적으로 접촉하도록 소자가 구동되어 MEMS 스위치의 역할을 수행하게 된다.
이렇게 소스 전극(110) 위로 형성된 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층 내의 탄소나노튜브 네트워크를 SEM으로 관찰한 결과를 도 3에 나타내었다(도 3(a)는 금속 나노입자가 코팅되지 않은 탄소나노튜브 네트워크이며, 도 3(b)는 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크이다).
드레인 전극(130)에서 소스 전극(110)으로의 수직 방향으로 힘이 가해지거나, 게이트 전극과 드레인 전극 사이의 전압 차이에 의해 발생하는 정전기적 인력 등으로 인해 드레인 전극(130)이 소스 전극(110)과 물리적으로 접촉하게 될 경우에는, 드레인 전극(130)이 상기 소스 전극(110) 위로 형성된 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층과 물리적으로 접촉하게 되는데, 탄소나노튜브 층(140) 내의 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크의 배향 구조가 임의의 랜덤 구조에서 압축 방향에 수직 방향으로의 전이가 발생하게 되며(도 4의 모식도 참조), 이로 인해 접촉식 마이크로 소자의 저항이 급격히 감소하게 된다.
즉, 본 발명의 접촉식 마이크로 소자는, 도 4의 (a) 및 (b)에 도식적으로 제시된 것처럼 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크가 게이트 전극에 인가되는 전압에 따라 접촉 이후에도 압축되어 넓은 접촉면적을 갖게 된다. 특히 금속 나노입자는 탄소나노튜브보다 전도성이 좋기 때문에, 본 발명의 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크는 탄소나노튜브와 금속 나노입자가 접촉에 참여하게 되고, 이로 인해 단순한 탄소나노튜브 네트워크보다 낮은 접촉 저항을 갖는다.
[
실시예
]
앞서 살펴본 본 발명의 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층을 포함하는 접촉식 마이크로 소자를 제작하였다.
SiO2 기판 위에 Cr/Au (10 nm/ 100 nm)를 evaporation 을 통해 증착하여 게이트, 드레인 기본 전극 및 소스 전극을 형성하였다. 산소(O2) 플라즈마를 사용한 표면 세정 단계와 유기 아미노산 코팅층을 형성하는 표면 개질 단계 거쳤으며, 상기 표면 개질 단계에 의해 기판 및 전극에 형성되는 유기 아미노산 코팅층은, 염기성 아미노산 고분자인 poly-L-라이신(lysine) 수용액을 사용하여 침적코팅(dip coating)을 수행하였다. 이후 CNT dispersion solution을 dip-coating 하여 전면에 탄소나노튜브 층을 형성한 후, 산소(O2) 플라즈마를 통해 접촉부 소스 전극을 제외한 나머지 부분의 탄소나노튜브 층을 제거하였다.
이때 사용된 탄소나노튜브 용액은 상용화된 multi-wall CNT 용액을 사용하였으며, 유기용매인 DMF를 사용하여 2mg/ml의 농도로 희석하여 사용하였다.
이후, 금(Au) 나노입자 용액을 이용해 스핀코팅(spin coating)을 수행하고, lift-off 공정을 통해 탄소나노튜브 층에만 금(Au) 나노입자를 코팅하였다.
이후 photolithography를 통해 스위치의 구조물 제작을 위한 photoresist mold를 제작하였고 상부에 드레인 전극의 형성을 위한 전기도금을 수행하였으며, 전기도금의 seed layer로써 Au(100nm)를 증착한 후, nickel 전기도금(7μm)을 통해 접촉식 마이크로 소자를 제작하였다.
[
비교예
1]
실시예 1과 동일한 방법으로 접촉식 마이크로 소자를 제작하되, 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계와 금(Au) 나노입자를 코팅하는 단계를 수행하지 않고, 접촉식 마이크로 소자를 제작하였다. 즉 탄소나노튜브 네트워크가 형성되지 않은 스위치를 제작하였다.
[
비교예
2]
실시예 1과 동일한 방법으로 접촉식 마이크로 소자를 제작하되, 금(Au) 나노입자를 코팅하는 단계를 수행하지 않고, 접촉식 마이크로 소자를 제작 하였다. 즉, 탄소나노튜브 네트워크만 형성된 스위치를 제작하였다.
[
실험예
1: 접촉식 마이크로 소자의 성능 확인]
본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 성능을 확인하기 위해, 비교예 1, 비교예 2 및 실시예의 접촉식 마이크로 소자의 소스 전극과 드레인 전극에 파라미터 분석기를 연결한 후, 25℃의 상온에서 50%의 상대습도 조건에서 게이트 전극에 전압을 가하여 소스 전극과 드레인 전극을 사이의 전류 흐름을 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다(도 5(a)는 비교예 1의 결과이며, 도 5(b)는 비교예 2의 결과이고, 도 5(c)는 실시예의 결과이다).
도 5에서 확인되듯이, IDS (drain-source current)-VG (gate voltage) sweep 실험을 통해 비교예 1, 비교예 2 및 실시예의 접촉식 마이크로 소자의 on 전압과 off 전압을 측정하였다.
각각의 경우에 대해서 확인되듯이, 65 V(비교예 1, Au-Au), 72 V(비교예 2, with CNT)와 34 V(실시예, with Au-NP and CNT)에서 접촉(On) 하였고, 40 V(비교예 1, Au-Au), 66 V(비교예 2, with CNT)와 32 V(실시예, with Au-NP and CNT)에서 Off 되었다. 탄소나노튜브 네트워크가 형성된 마이크로 소자의 경우(비교예 2 및 실시예) slight contact이 이루어지며 게이트 전압이 증가함에 따라 탄소나노튜브 네트워크가 압축되어 접촉면이 넓어짐에 따라 마이크로 소자의 On 저항이 낮아질 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
이는 게이트 전극에 가해지는 전압이 증가함에 따라, 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전압 차이로 인한 정전기적 인력이 발생하고, 이러한 인력이 증가함에 따라 약한 접촉이 발생하고, 계속 전압이 증가함에 따라 드레인 전극 상에 형성된 탄소나노튜브 층이 압축되어 저항이 급격히 감소하여 전류의 흐름이 급격히 증가함을 의미한다
특히, 실시예의 경우 탄소나노튜브 뿐만 아니라 전도성이 우수한 금(Au) 나노입자가 접촉에 참여하기 때문에 약한 접촉에도 비교적 낮은 접촉 저항을 갖게 되어 탄소나노튜브 네트워크가 형성되지 않은 비교예 1과 유사하게 작동함을 알 수 있다. 이는 실시예가 논리소자(micromechanical inverter)에도 활용될 수 있음을 의미한다.
[
실험예
2: 접촉식 마이크로 소자의 내구성 확인]
본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 대기 중의 사용 내구성에 대해서 확인하기 위해, 비교예 1, 비교예 2 및 실시예를, 앞서 실험예 1에서 사용한 시스템을 사용하여, 25℃의 상온 및 50%의 상대습도 조건에서 게이트에 전압을 가해서 소스 전극과 드레인 전극을 접촉(On)시켰다가 원복(Off)하는 과정을 1 cycle로 하여 접촉 소자의 작동을 횟수를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 정리하였다(1 V의 고정 전압, 1μA 전류에서 300 Hz의 접촉 분리)
도 8의 Au NP는 금(Au) 나노입자만이 코팅된 마이크로 소자에 대한 결과를 의미하며(Ko, Seung-Deok, et al. "Investigation of the Nanoparticle Electrical Contact Lubrication in MEMS Switches." Journal of Microelectromechanical Systems 26.6 (2017): 1417-1427.의 데이터 인용), Au-Au는 비교예 1, CNT는 비교예 2, Au-NP CNT는 실시예의 결과를 의미한다.
도 8에서 확인 되듯이, 탄소나노튜브 층이 포함되지 않은 접촉식 마이크로 소자(비교예 1)에 비해, 본 발명의 접촉식 마이크로 소자의 수명이 훨씬 증가하였음을 확인할 수 있다.
실험예 1 및 실험예 2의 결과를 통해 본 발명의 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자는 높은 내구성을 가지면서도, 약한 접촉에도 낮은 접촉저항을 나타내어 탄소나노튜브 네트워크를 포함하지 않은 접촉식 마이크로 소자와 유사하게 작동되는 것을 알 수 있었다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
10: 기판 100: 게이트 전극
110: 소스 전극 120: 드레인 기본 전극
130: 드레인 전극 140: 탄소나노튜브 층
160: 금속 나노입자 170: 딤플
110: 소스 전극 120: 드레인 기본 전극
130: 드레인 전극 140: 탄소나노튜브 층
160: 금속 나노입자 170: 딤플
Claims (15)
- 기판 상에 위치하는 드레인 전극; 및
상기 드레인 전극과 물리적으로 이격되어 위치하는 소스 전극;을 포함하고,
상기 소스 전극의 표면에는 금(Au)을 포함하는 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층이 적층되되,
상기 탄소나노튜브 층은 탄소나노튜브 분산액과 금(Au) 나노입자 분산액을 혼합하여 제조한 "금-탄소나노튜브 분산액"을 사용하거나 화학적 환원작용에 의해 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 사용하여 제조된 탄소나노튜브 용액을 이용하여 형성하고,
소스 전극에 가해지는 힘에 의해 상기 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 층이 압축되어 전기 저항이 변화되는 것을 특징으로 하는 접촉식 마이크로 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 소스 전극은, 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기판은, 실리콘, 산화규소(SiO2), 천(fabric), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 및 폴리디메틸프록실산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 소자는, MEMS 스위치, MEMS relay, 접촉식 스위치 기반의 논리소자(micromechanical inverter) 혹은 접촉식 센서인 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자.
- 접촉식 마이크로 소자를 제조하는 방법에 있어서,
기판을 준비한 후, 물리적으로 이격되도록 드레인 전극, 소스 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 소스 전극의 표면에 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계; 및
상기 탄소나노튜브 층에 금(Au)을 포함하는 금속 나노입자를 코팅하는 단계;를 포함하되,
상기 탄소나노튜브 층은 탄소나노튜브 분산액과 금(Au) 나노입자 분산액을 혼합하여 제조한 "금-탄소나노튜브 분산액"을 사용하거나 화학적 환원작용에 의해 "표면에 금(Au)이 환원된 탄소나노튜브 분산액"을 사용하여 제조된 탄소나노튜브 용액을 이용하여 형성하는 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 게이트 전극과 소스 전극은, 레늄(Re), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인, 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계는, 산소(O2) 플라즈마를 사용한 전처리가 수행된 이후에 진행되는 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계는, 금-탄소나노튜브 분산액을 사용하여 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 기판은, 실리콘, 산화규소(SiO2), 천(fabric), 유리(glass), 사파이어(Al2O3), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 및 폴리디메틸프록실산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 금속 나노입자를 코팅하는 단계는, 금속 나노입자 용액을 이용해 침적코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating) 또는 drop 코팅 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 금속 나노입자를 코팅하는 단계는, 증착(evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자의 제조 방법.
- 제6항 내지 제7항, 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법으로 제조된 접촉식 마이크로 소자에 있어서,
상기 마이크로 소자는, MEMS 스위치, MEMS relay, 접촉식 스위치 기반의 논리소자(micromechanical inverter) 혹은 접촉식 센서인 것을 특징으로 하는, 접촉식 마이크로 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190039688A KR102221162B1 (ko) | 2019-04-04 | 2019-04-04 | 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190039688A KR102221162B1 (ko) | 2019-04-04 | 2019-04-04 | 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200117505A KR20200117505A (ko) | 2020-10-14 |
| KR102221162B1 true KR102221162B1 (ko) | 2021-02-26 |
Family
ID=72847193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190039688A KR102221162B1 (ko) | 2019-04-04 | 2019-04-04 | 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102221162B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100663893B1 (ko) | 2005-02-17 | 2007-01-03 | 광주과학기술원 | 탄소나노튜브-금속 나노입자 혼성물 및 그 제조방법 |
| JP3993061B2 (ja) | 2002-09-30 | 2007-10-17 | 株式会社東芝 | マイクロスイッチの製造方法 |
| KR100982549B1 (ko) * | 2008-02-29 | 2010-09-15 | 성균관대학교산학협력단 | 탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법 |
| KR101793522B1 (ko) | 2015-11-26 | 2017-11-03 | 한국화학연구원 | 금속-탄소나노튜브 복합체 나노와이어 및 이의 제조방법 |
| KR101889366B1 (ko) | 2009-09-14 | 2018-08-17 | 폼팩터, 인크. | 탄소 나노튜브 칼럼 및 프로브로서의 탄소 나노튜브 칼럼 제조방법과 사용방법 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102000742B1 (ko) * | 2017-03-27 | 2019-07-16 | 연세대학교 산학협력단 | 압축성 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 |
-
2019
- 2019-04-04 KR KR1020190039688A patent/KR102221162B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3993061B2 (ja) | 2002-09-30 | 2007-10-17 | 株式会社東芝 | マイクロスイッチの製造方法 |
| KR100663893B1 (ko) | 2005-02-17 | 2007-01-03 | 광주과학기술원 | 탄소나노튜브-금속 나노입자 혼성물 및 그 제조방법 |
| KR100982549B1 (ko) * | 2008-02-29 | 2010-09-15 | 성균관대학교산학협력단 | 탄소나노튜브 투명 필름 및 이의 제조 방법 |
| KR101889366B1 (ko) | 2009-09-14 | 2018-08-17 | 폼팩터, 인크. | 탄소 나노튜브 칼럼 및 프로브로서의 탄소 나노튜브 칼럼 제조방법과 사용방법 |
| KR101793522B1 (ko) | 2015-11-26 | 2017-11-03 | 한국화학연구원 | 금속-탄소나노튜브 복합체 나노와이어 및 이의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20200117505A (ko) | 2020-10-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Richter et al. | Construction of highly conductive nanowires on a DNA template | |
| Ramanathan et al. | Individually addressable conducting polymer nanowires array | |
| Zhou et al. | Simple fabrication of molecular circuits by shadow mask evaporation | |
| CN101467030A (zh) | 氢传感器 | |
| US7719111B2 (en) | Nanowire electromechanical device and method of fabricating the same | |
| WO2005094221A2 (en) | Nanostructures with electrodeposited nanoparticles | |
| US20100015744A1 (en) | Micro-Electromechanical Device and Method of Making the Same | |
| Wang et al. | Novel charge transport in DNA-templated nanowires | |
| MX2007008185A (es) | Material de contacto, dispositivo que incluye el material de contacto, y metodo de elaboracion. | |
| KR20110081683A (ko) | 금속 나노입자를 이용하고 환원된 그래핀 산화물에 기반한 양쪽극 기억소자 및 이의 제조방법 | |
| KR20110033055A (ko) | 스위치 구조 | |
| JP2004111296A (ja) | マイクロスイッチ及びその製造方法 | |
| CN103794494A (zh) | 制造机电晶体管的方法 | |
| KR102000742B1 (ko) | 압축성 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 | |
| KR102221162B1 (ko) | 금속 나노입자가 코팅된 탄소나노튜브 네트워크를 포함하는 접촉식 마이크로 소자 및 이의 제조 방법 | |
| US8637356B2 (en) | Method of integrating a single nanowire into a nanocircuit | |
| US10175222B2 (en) | Nanopore structure, ionic device using nanopore structure and method of manufacturing nanomembrane structure | |
| JP2004253229A (ja) | 被覆層形成方法、被覆層を有した部材 | |
| US9117889B2 (en) | 3D nano-electro-mechanical multiple-state carbon nanotube device structures and methods of fabrication | |
| Jo et al. | Integration of gold nanoparticle–carbon nanotube composite for enhanced contact lifetime of microelectromechanical switches with very low contact resistance | |
| CN105632843A (zh) | 一种三维微/纳机电开关及其制备方法 | |
| US8604458B2 (en) | Two-terminal resistance switching device and semiconductor device | |
| KR100687761B1 (ko) | 대량생산을 위한 분자 전자 소자 제조용 소자 홀더 및 이를이용한 분자 전자 소자의 제조 방법 | |
| KR101627289B1 (ko) | 자성 나노입자를 포함하는 전자소자 및 이의 제조방법 | |
| US11990517B2 (en) | Electronic device and method of manufacturing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |