KR102287557B1

KR102287557B1 - 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법 및 금속 나노 패턴

Info

Publication number: KR102287557B1
Application number: KR1020190141229A
Authority: KR
Inventors: 한희; 안치원; 하경렬; 서다래; 김영태
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-08-11
Also published as: KR20210055153A

Abstract

본 발명은 나노섬유를 이용하여 시트 상의 금속 층에 대하여 비표면적이 커지도록 하는 표면 개질을 수행하는 것에 의해 도전성 금속 층이 형성된 시트의 전기 전도성을 현저히 향상시킬 수 있도록 하는 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법 및 금속 나노 패턴에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 금속 층이 증착된 시트 상에 폴리머를 포함하는 전기방사용액을 전기방사하여 나노섬유 패턴을 형성하는 단계; 상기 나노섬유 패턴이 형성된 상기 시트의 금속 층이 형성된 면에 대하여 이온 빔을 조사하여 상기 금속 층을 연마하는 것에 의해 상기 나노섬유의 표면에 표면 금속 층을 형성하는 단계; 및 상기 표면 금속 층의 내부의 나노섬유를 제거하여 표면 금속 층들로 이루어지는 금속 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법을 제공한다.

Description

나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법 및 금속 나노 패턴{Metal nano pattern forming method using nano fiber and Metal nano pattern}

본 발명은 금속 시트 표면의 전도성을 현저히 향상시키는 금속 나노 패턴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 나노섬유를 이용하여 시트 상의 금속 층에 대하여 비표면적이 커지도록 하는 표면 개질을 수행하는 것에 의해 도전성 금속 층이 형성된 시트의 전기 전도성을 현저히 향상시킬 수 있도록 하는 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법 및 금속 나노 패턴에 관한 것이다.

나노 크기의 분자구조를 갖는 소재는 1차원, 2차원 및 3차원의 공간 구조와 질서에 따라 다양한 전기, 광학, 생물학적 성질을 나타내기 때문에, 여러 응용분야에서 나노입자에 대한 연구는 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 나노 크기의 소재 중, 특히 금속나노입자는 그 이용분야가 넓은데, 이는 금속이 벌크 상태에서 나노 크기로 되면 표면적이 크게 증가하고, 또, 나노입자 내에는 작은 수의 원자만이 존재하므로, 독특한 촉매적, 전기적, 광전기적, 및 자기적 성질을 가지기 때문이다

나노섬유의 제조 방법의 하나로 전기방사법(electrospinning)이 있다. 전기방사법에 사용되는 전기방사 장치는 용액이 나오는 토출부(spinning tip)와 고전압 장치 및 나노섬유가 모이는 포집판(collector)으로 구성된다. 토출부(spinning tip)에 고전압을 인가하여 토출부에서 나오는 액적을 대전시켜서 정전기적 반발에 의하여 액적으로부터 스트림을 분출시켜서 포집판에 나노섬유를 형성시킨다. 또한 나노섬유는 미세유동(microfluidic) 기술을 이용하여 제조할 수 있다. 주입 튜브(injection tube)와 포집튜브(collection tube)로 구성된 장치를 이용하며, 중간 유체(middle fluid)와 바깥쪽 유체(outer fluid)를 다르게 하고 외부압력으로 밀어내면 코어 쉘(core shell) 구조를 갖는 나노섬유를 만들 수 있다.

대한민국 등록특허 10-1251541호는 기판상에 투명 전극 층을 형성하고, 포토레지스트 등의 고분자 물질 층을 형성한 후, SSL(Secondary sputtering lithography) 등의 리소그라피 공정에 의해 패턴화된 고분자 구조체를 형성하며, 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 투명전극형성 물질이 부착된 고분자 복합 구조체를 형성한 후 고분자 물질을 제거하여 나노구조 패턴이 형성된 투명 전극을 수득하도록 하며, 고분자층 형성, 고분자 복합구조체 형성, 투명전극 수득의 단계를 1회 이상 반복 수행하여 다수의 나노구조 패턴이 형성된 투명 전극을 제조하는 나노 패터닝 기슬을 개시한다.

상기와 같은 제작된 나노구조 패턴이 형성된 투명 전극은 다양한 용도로 이용할 수 있다.

그러나 상술한 종래기술과 같은 SSL 기반 나노 패터닝 기술 또는 종래기술과 유사한 나노임프린트 등의 기술은 포토레지스트와 리소그래피 공정이 필요하고 대면적에 나노 패턴을 구현하는 것이 어려운 문제점을 가진다.

대한민국 등록특허 10-1251541호

따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 포토레지스트나 리소그래피 공정을 수행함이 없이 원하는 면저항을 쉽게 얻을 수 있도록 하며, 대면적의 나노 패턴을 용이하게 구현할 수 있도록 하는 나노 섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법 및 금속 나노 패턴을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 금속 층이 증착된 시트 상에 폴리머를 포함하는 전기방사용액을 전기방사하여 나노섬유 패턴을 형성하는 단계; 상기 나노섬유 패턴이 형성된 상기 시트의 금속 층이 형성된 면에 대하여 이온 빔을 조사하여 상기 금속 층을 연마하는 것에 의해 상기 나노섬유의 표면에 표면 금속 층을 형성하는 단계; 및 상기 표면 금속 층의 내부의 나노섬유를 제거하여 표면 금속 층들로 이루어지는 금속 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법을 제공한다.

상기 시트 상에 증착된 금속 층은, SSL(Secondary sputtering lithography)이 가능한 금속을 증착하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 시트 상에 증착된 금속 층은, Pd, Au, Cu, Ag, Pt, Cr, Ti, SiO₂, ITO, FTO, AZO, Zno 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나로 5 nm 내지 500 nm 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전기방사용액은, 용매에 상기 폴리머 2 % 내지 12 %를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 표면 금속 층을 형성하는 단계는, 이온밀링에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계는 반응성 이온 식각(RIE: Reactive ion Etching) 또는 습식 식각에 의해 상기 나노섬유를 제거하여 상기 표면 금속 층에 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 가지는 금속 나노 패턴을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계는, 상기 나노섬유를 기계적 방법에 의해 제거하는 것에 의해 평판형 금속 나노 패턴으로 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 중심부에 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 가지는 표면 금속 층들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴을 제공한다.

상기 표면 금속 층을 형성하는 금속은 Pd, Au, Cu, Ag, Pt, Cr, Ti, SiO2, ITO, FTO, AZO, Zno 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 요입홈은, 폴리머와 용매가 혼합된 전기방사용액을 상기 금속 층의 상부에 전기방사하여 나노섬유를 형성한 후, 이온밀링에 의해 연마된 금속 층의 금속이 상기 나노섬유의 표면에 부착되어 표면 금속 층으로 형성된 후, 식각에 의해 상기 나노섬유를 제거하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 금속 나노 패턴은, 면저항이 2.7 Ω 내지 74 Ω 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 금속 층이 흡착된 중심부의 나노섬유를 기계적 방법에 의해 제거하여 평판형의 표면 금속 층들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴을 제공한다.

상술한 본 발명은, 금속 나노 패턴을 형성하는 표면 금속 층에 전기방사에 의해 형성된 후 식각에 의해 제거되는 폴리머 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 형성하는 것에 의해, 표면 금속 층의 표면층을 현저히 증가시킴으로써, 저항을 현저히 감소시켜, 전기전도도를 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 공정을 나타내는 도면.
도 3 은[표 1]의 조건에 의해 생성된 나노섬유의 직경 확인을 위한 7개 나노섬유(5) 패턴을 가지는 시료들의 SEM 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 금속이 나노 섬유들에 흡착된 상태를 나타내는 SEM 사진.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기방사, 이온밀링(ion milling) 및 반응성 이온 에칭(RIE) 수행 시간에 따른 금속 나노 패턴이 형성된 시트의 표면 광학사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 시간 및 이온밀링(ion) 시간에 따라 형성된 금속 나노 패턴들의 직경을 변화를 나타내는 시트의 표면 현미경 사진.
도 7은 본 발명의 실시예들의 RIE(Reactive ion Etching) 수행 후의 금속 나노 패턴의 SEM 사진.
도 8은 본 발명의 일 실시예들의 기계적인 방법에 의해 나노 섬유를 제거한 후의 금속 나노 패턴들의 SEM 사진.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 시간 별 이온밀링(ion milling) 시간에 따른 면저항을 나타내는 그래프.
도 10은 은 본 발명의 실시예에 따른 이온밀링 시간 별(ion milling) 전기방사 시간에 따른 면저항을 나타내는 그래프.

이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시예는, 금속 층이 증착된 시트 상에 폴리머를 포함하는 전기방사용액을 전기방사하여 나노섬유 패턴을 형성하는 단계; 상기 나노섬유 패턴이 형성된 상기 시트의 금속 층이 형성된 면에 대하여 이온 빔을 조사하여 상기 금속 층을 연마하는 것에 의해 상기 나노섬유의 표면에 표면 금속 층을 형성하는 단계; 및 식각 공정을 수행하여 상기 표면 금속 층의 내부의 나노섬유를 제거하여 나노섬유에 대응하는 요입홈을 가지는 금속 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 시트 상에 증착된 금속 층은, SSL(Secondary sputtering lithography)이 가능한 금속을 스퍼터링 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 시트 상에 증착된 금속 층은, Pd, Au, Cu 또는 Ag 중 어느 하나로 10 nm 내지 990 nm의 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계의 식각 공정은, 반응성 이온 식각(RIE: Reactive ion Etching) 또는 습식 식각에 의해 상기 나노섬유를 제거하여 상기 표면 금속 층에 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 형성하는 공정인 것을 특징으로 한다.

상기 표면 금속 층을 형성하는 금속은, Pd, Au, Cu 또는 Ag 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예의 나노섬유를 이용한 금속 나노 패턴 형성 공정을 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2와 같이, 상기 금속 나노 패턴 형성 방법은, 금속 층(3)이 증착된 기판(2)을 포함하는 시트(4) 상에 폴리머를 포함하는 전기방사용액을 전기방사하여 나노섬유(5)들로 이루어지는 나노섬유 패턴을 형성하는 단계(S10, 도 2의 (a)), 상기 나노섬유(5)의 표면에 표면 금속 층(20)을 형성하는 단계(S20, 도 2의 (b) 및 (c)) 및 상기 표면 금속 층(20)의 내부의 나노섬유(5)를 제거하여 표면 금속 층(20)들로 이루어지는 금속 나노 패턴(1)을 형성하는 단계(S30, 도 2의 (d))를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 나노섬유 패턴을 형성하는 단계(S10)의 상기 금속 층(3)은 SSL(secondary sputtering lithography)가 가능한 모든 금속을 이용하여 스퍼터링에 의해 증착 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예의 설명에서는 상기 금속 층(3)을 형성하는 금속의 예로 Pd, Au, Cu, Ag 등을 들어 설명하였으나, 상기 금속 층(3)을 형성하는 금속이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 금속 층(3)은 SSL이 가능한 수 nm 에서 수백 nm의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 5 nm 내지 500 nm의 두께를 가지도록 증착 형성될 수 있다.

상기 나노 패턴을 형성하는 단계(S10)에서 상기 나노섬유(5) 패턴 형성을 위한 전기방사용액은 PVP(polyvinylpyrrolidone), PAN(polyacrylonitrile), 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴니트릴, 메조페이스 핏치, 푸르프릴 알콜, 페놀, 셀룰로오스, 수크로오스, 나일론(nylons), 불소 중합체(fluoropolymers), 폴리올레핀(polyolefins), 폴리이미드(polyimides), 폴리에스테르(poluesters), 폴리카프로락톤(polycaprolactones), 기타 공학적인 폴리머들 또는 직물 형태의 폴리머 및 폴리비닐 클로라이드 등의 폴리머에 용매를 혼합하여 제조된다.

이때, 상기 폴리머는 전기방사에 의해 나노섬유(5)로 형성된 후 이온밀링 과정에서 무너지거나 파손되지 않으며, RIE 또는 습식 식각에 의해 제거될 수 있는 것이면 되므로 특별한 제한을 두지 않는다.

상기 용매는 디메틸포름아미드, 테트라하이드로퓨란, N-메틸피롤리돈테트라하이로퓨란, 황산, 질산, 아세트산, 염산, 암모니아, 증류수 및 이들의 혼합물, 에탄올 메탄올, 프로판올 또는 이소프로판올 또는 이들의 혼합물 등으로 상기 폴리머를 용해시켜 전기방사액을 제조할 수 있는 것에서 다양하게 선택될 수 있는 것으로서 이 또한 특별한 제한을 두지 않는다.

상기 나노 패턴을 형성하는 단계(S10)에서 상기 나노섬유(5)의 직경은, 전기방사 조건을 가변하여 다양한 직경을 가지도록 조절될 수 있다. 일 예로, 상기 나노섬유(5)의 직경은 80nm 내지 500nm의 평균 직경 범위를 가지는 것이 혼합 적용될 수 있으며, 직경이 얇을수록 더 얇은 금속나노패턴을 얻을 수 있다.

[표 1]은 전기방사 조건에 따른 나노섬유의 평균 직경을 나타내는 표이며, 도 3은 [표 1]의 조건에 의해 생성된 나노섬유의 직경 확인을 위한 7개 나노섬유(5) 패턴을 가지는 시료들의 SEM 사진이다.

샘플	플로우 레이트	전압(kV)	거리(cm)	AFD(nm)
1	1.0 uL	18	10	674
2	1.0 uL	12	10	726
3	0.1 uL	12	10	718
4	0.1 uL	10	10	841
5	1.0 uL	10	5	550
6	0.5 uL	10	5	545
7	0.1 uL	10	5	453

도 3의 경우, 나노섬유 형성을 위한 폴리머로서 PVP(polyvinylpyrrolidone) 또는 PAN(polyacrylonitrile)를 사용하였으며, 용매인 에탄올에 6 ~ 12 % 혼합하여 전기방사용액을 제조한 후, [표 1]의 전기방사 조건에 따라 5 내지 30 kV의 전압을 인가하는 전기방사를 수행하여 생성된 7 개의 나노섬유(5) 샘플들로 이루어지는 나노 패턴을 형성하였다. [표 1]의 조건에 따라 전기방사를 수행하는 경우, [표 1] 및 도 3과 같이, 전기방사에 의해 형성된 나노섬유(5)들의 직경은 평균 직경(AFD: Averaged Fiber Diameter)이 453 nm 내지 841 nm로서, 전기방사 조건에 따라 최대 841 nm까지 가변될 수 있었다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 표면 금속 층을 형성하는 단계(S20)는, 상기 나노섬유(5) 패턴이 형성된 상기 시트(4)의 금속 층(3)이 형성된 면에 이온 빔을 조사하여 상기 금속 층을 연마하는 것에 의해, 금속 층(3)에서 연마되어 이탈된 금속들이 상기 나노섬유(3)의 표면에 부착되어 표면 금속 층(20)을 형성한다. 이때 이온 빔은 불활성 가스 이온 빔일 수 있으며, 본 발명의 실시예의 경우, Ar 가스 이온 빔을 적용한 이온밀링을 수행하여 나노섬유(5) 표면에 표면 금속 층(20)을 형성하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 금속이 나노 섬유들에 흡착된 상태를 나타내는 65,000 배율(a), 100,000 배율(b)의 SEM 사진이다.

도 4와 같이, 상기 나노섬유(5) 패턴이 형성된 상기 시트(4)의 금속 층(3)이 형성된 면에 이온 빔을 조사하여 상기 금속 층을 연마하는 것에 의해, 금속 층(3)에서 연마되어 이탈된 금속들이 상기 나노섬유(3)의 표면에 부착되어 표면 금속 층(20)으로서의 Cu층이 형성된 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계(S30)는, 상술한 처리과정에 의해 나노섬유(5)의 표면에 표면 금속 층(20)이 형성된 후, 표면 금속 층(20)의 내부의 나노섬유를 제거하여 표면 금속 층들로 이루어지는 금속 나노 패턴(1)을 형성한다.

상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계(30)는, 반응성 이온 식각(RIE: Reactive ion Etching) 또는 습식 식각에 의해 상기 나노섬유를 제거하여 상기 표면 금속 층에 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 가지는 금속 나노 패턴을 형성하는 공정일 수 있다. 상술한 금속 나노 패턴 형성 방법에 의해 형성된 금속 나노 패턴(1), 중심부에 나노섬유(5)의 외형에 대응하는 요입홈을 가지는 표면 금속 층(20)들로 구성된다.

또한, 상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계(30)는, 상기 나노섬유를 기계적 방법에 의해 제거하는 것에 의해, 평판형 표면 금속 층(20a)들로 이루어지는 금속 나노 패턴(1a)을 형성하는 공정일 수도 있다.

<실험예>

상부에 금속 층(3)으로 순차적으로 적층된 Ti 300 Å(30 nm), Cu 1,800 Å(180 nm)을 가지는 기판(1)을 준비한 후, 용매로서 에탄올에 PVP 14 wt%를 혼합하여 전기방사용액을 제조하고, 니들(needle) G 27, 플로우 레이트(flow rate) 1ml/h, 전압 17 kV, 시간 10 s, 그라운드로부터의 팁까지의 높이 15 cm, 각도 35°의 조건으로 전기방사하여 상기 금속 층(3)의 상부면에 나노섬유(5)들로 이루어지는 나노섬유 패턴을 형성하였다.

이후, RF 파워 150 W, 공급 빔 파워(Beam power supply) 500V, 27 mA, 공급 가속 전력 250 V, 이온발생기 가스 공급- Ar 15 sccm, 중성화기(Neutralizer) 10 sccm, 작업 압력 3.43 x 10⁴ torr의 조건으로 이온밀링을 수행하여 표면 금속 층(20)을 형성하였다.

다음으로, Cu 또는 Pd 25 nm/100sec 의 조건으로 식각을 수행하여 표면 금속 층(20) 내부의 나노섬유(5)를 제거하는 것에 의해 중심부에 나노섬유(5)의 외형에 대응하는 요입홈(21)이 형성된 표면 금속 층(20)들로 이루어지는 금속 나노 패턴(1)을 형성하였다.

[표 2]는 실험예의 나노섬유의 SSL(Secondary sputtering lithography) 공정 조건을 나타내는 표이다.

셔터 런 타임(sec)	RF 파워 (W)	빔 파워 (V/mA)	가속 파워(V)	바이어스 파워(mA)	Ar sccm (이온발생기/이온중화기)
200	150	500/27	250	28	15 sccm/10 sccm

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기방사, 이온밀링(ion milling) 및 반응성 이온 에칭(RIE) 수행 시간에 따른 금속 나노 패턴이 형성된 시트의 표면 광학사진이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 시간 및 이온밀링 시간에 따라 형성된 금속 나노 패턴들의 직경을 변화를 나타내는 시트의 표면 현미경 사진이며, 도 7은 본 발명의 실시예들의 RIE(Reactive ion Etching) 수행 후의 금속 나노 패턴의 15,000 배율(b), 20,000 배율(a), 80,000 배율(c), 100,000 배율(d)의 SEM 사진이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예들의 기계적인 방법에 의해 나노 섬유를 제거한 후의 금속 나노 패턴들의 15,000 배율(a), 25,000 배율(b), 50,000 배율(c), 80,000 배율(d)의 SEM 사진이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기방사 시간 별 이온밀링(ion milling) 시간에 따른 면저항(sheet resistance)을 나타내는 그래프이고, 도 10은 은 본 발명의 실시예에 따른 이온밀링 시간 별(ion milling) 전기방사 시간에 따른 면저항을 나타내는 그래프이다.

본 실험에서 이온밀링의 수행 중에 PVP와 PAN 두 폴리머 모두 500nm 직경의 나노 섬유를 사용하는 경우, 500nm 두께의 Cu를 에칭할 때까지 무너지지 않고 하드 마스크로서 버티는 것을 확인하였다.

도 7 및 도 8과 같이, 상기 나노섬유(5)의 제거 방식에 따라 서로 다른 형상의 금속 나노 패턴(1, 1a)들이 형성된다.

도 7의 경우에는 RIE(Reactive ion Etching) 수행하여 나노 섬유(5)를 제거하는 것에 의해 상부면에 나노 섬유(5)에 대응하는 요입홈(21)을 가지는 표면 금속 층(20)들로 이루어지는 금속 나노 패턴(1)들이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 도 8의 경우에는 스카치 테이핑 등의 기계적 방법에 의해 나노RIE(Reactive 섬유(5)들을 제거하는 것에 의해 상부면이 평판으로 되는 평판형 표면 금속 층(20a)들로 이루어지는 금속 나노 패턴(1a) 형성된 것을 확인할 수 있었다.

도 9 및 도 10과 같이, Cu를 패터닝 하여 면저항을 측정한 결과 나노섬유가 없이 Cu 금속 층을 이온밀링하는 경우 저항이 증가하였다. 그리고 이온밀링 시간이 증가할수록 Cu 금속 층의 두께가 감소하기 때문에 저항은 더 증가하였다.

이와 달리, 나노섬유(5)들로 구성되는 나노섬유 패턴을 형성한 후 이온밀링을 수행한 경우에는 저항이 감소하는 것을 확인하였다.

그리고 나노섬유(5)의 밀도가 증가할수록 저항 감소 경향이 더 커지는 것을 확인하였다.

이와 달리, 이온밀링 시간이 증가할수록 저항이 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이는 이온밀링에 의해 나노섬유(5)의 표면에 형성된 표면 금속 층(20)의 금속 이탈이 발생하는 것에 기인하였다.

전술한 본 발명이 실시예들의 설명과 같이, 본원 발명은 포토레지스트 공정이나 리소그래피 공정을 수행함이 없이 대면적의 금속 나노 패턴을 제작할 수 있도록 한다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1, 1a: 금속 나노 패턴
2: 기판
3: 금속 층
4: 시트
5: 나노섬유
7: 이온빔
20, 20a: 표면 금속 층
21: 요입홈

Claims

금속 층이 증착된 시트 상에 폴리머를 포함하는 전기방사용액을 전기방사하여 나노섬유 패턴을 형성하는 단계;
상기 나노섬유 패턴이 형성된 상기 시트의 금속 층이 형성된 면에 대하여 이온 빔을 조사하여 상기 금속 층을 연마하는 것에 의해 상기 금속 층에서 연마되어 이탈된 금속들이 상기 나노섬유의 표면에 부착되어 표면 금속 층을 형성하는 단계; 및
상기 표면 금속 층의 내부의 나노섬유를 제거하여 표면 금속 층들로 이루어지는 금속 나노 패턴을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 시트 상에 증착된 금속 층은,
SSL(Secondary sputtering lithography)이 가능한 금속을 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 시트 상에 증착된 금속 층은,
Pd, Au, Cu, Ag, Pt, Cr, Ti, SiO2, ITO, FTO, AZO, Zno 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나로 5 nm 내지 500 nm의 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 전기방사용액은,
용매에 상기 폴리머 2 % 내지 12 %를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면 금속 층을 형성하는 단계는,
이온밀링에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계는,
반응성 이온 식각(RIE: Reactive ion Etching) 또는 습식 식각에 의해 상기 나노섬유를 제거하여 상기 표면 금속 층에 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 가지는 금속 나노 패턴을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 나노 패턴을 형성하는 단계는,
상기 나노섬유를 기계적 방법에 의해 제거하는 것에 의해 평판형 금속 나노 패턴으로 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴 형성 방법.
중심부에 나노섬유의 외형에 대응하는 요입홈을 가지는 표면 금속 층들로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
상기 요입홈은, 폴리머와 용매가 혼합된 전기방사용액을 상기 금속 층의 상부에 전기방사하여 나노섬유를 형성한 후, 이온밀링에 의해 연마된 금속 층의 금속이 상기 나노섬유의 표면에 부착되어 표면 금속 층으로 형성된 후, 식각에 의해 상기 나노섬유를 제거하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴.
제8항에 있어서, 상기 표면 금속 층을 형성하는 금속은,
상기 표면 금속 층을 형성하는 금속은 Pd, Au, Cu, Ag, Pt, Cr, Ti, SiO2, ITO, FTO, AZO, Zno 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴.
삭제
제8항에 있어서, 상기 금속 나노 패턴은, 면저항이 2.7 Ω 내지 74 Ω 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴.
제7항의 금속 나노 패턴 형성 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴.
제12항에 있어서, 상기 표면 금속 층을 형성하는 금속은,
상기 표면 금속 층을 형성하는 금속은 Pd, Au, Cu, Ag, Pt, Cr, Ti, SiO2, ITO, FTO, AZO, Zno 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴.
제12항에 있어서, 상기 금속 나노 패턴은, 면저항이 2.7 Ω 내지 74 Ω 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 나노 패턴.