KR102290101B1 - 단분자 나노 박막의 제조 방법 - Google Patents

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KR102290101B1
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Abstract

본원은 하기 화학식 1 로서 표시되는 화합물을 포함하는 분산액을 기판 상에 분사하는 단계, 및 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는, 단분자 나노 박막의 제조 방법에 관한 것이다:
[화학식 1]
Figure 112019101430058-pat00008

상기 화학식 1 에서, X 및 Y 는, 각각 독립적으로, 질소, 탄소, 황, 또는 산소이고, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기(-OH), 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기임.

Description

단분자 나노 박막의 제조 방법 {FABRICATING METHOD OF MONOMOLECULAR NANO THIN FILM }
본원은 단분자 나노 박막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
박막은 반도체, 디스플레이 등의 소재의 표면 처리, 기판과 수분 또는 공기의 접촉으로 인한 기판의 성능 저하 방지 등 다양한 목적을 위해 기판에 수 마이크로미터 두께로 코팅되는 막을 의미한다. 박막을 구성하는 물질에 따라, 박막은 금속 박막, 금속 산화물 박막, 화합물 박막, 고분자 박막, 자기 조립 단분자막(Self-assembled monolayer, SAM) 등으로 분류될 수 있다.
박막을 형성하는 방법은 크게 액상 공정과 기상 공정으로 분류된다. 기상 공정은 박막 재료를 기화 또는 승화시킨 후 기판 상에서 박막을 형성하는 것으로서, 증착(deposition)이라는 용어를 사용하기도 한다. 기상 공정의 경우, 고품질의 박막을 대면적으로 형성할 수 있다. 그러나 기상 공정은, 화학 반응이 충분히 발생할 수 있는 고온을 요구하거나, 기화된 물질이 에너지를 잃지 않고 기판까지 도달할 수 있도록 진공을 요구하기 때문에, 박막의 형성 비용이 높아지는 단점이 존재한다.
반면 액상 공정은, 증착시킬 물질을 용매에 용해시킨 용액을 기판 상에 도포한 후 용매를 증발시키는 것을 통해 박막을 형성하는 것으로서, 스핀코팅, 딥코팅, 자기 조립 분자막법 등이 존재한다. 스핀코팅이나 딥코팅과 같은 액상 공정은 박막 형성 비용이 저렴하나, 박막의 품질이 균일하지 못하고, 박막을 대면적으로 형성하기 어려운 단점이 존재한다.
박막의 품질을 향상시키기 위한 액상 공정으로서, 자기 조립 분자막법 등이 있다. 자기 조립 분자막법에 의해 형성된 자기 조립 단분자막은, 분자막의 기능을 좌우하는 작용기(terminal group), 규칙적으로 분자막을 형성하게 하는 알칸 사슬, 그리고 기판과 결합하는 반응기(head group)로 구성된 유기 단분자가 규칙적으로 배열된 박막이다. 그러나, 자기 조립 단분자막은 기판과 반응기의 반응으로 결합되기 때문에, 자기 조립 단분자막을 형성할 수 있는 기판이 한정되고, 자기 조립 단분자막을 형성하기 전 기판과 반응기가 잘 결합되도록 기판을 전처리할 필요가 있는 단점이 존재한다.
본원의 배경이 되는 기술인 한국 등록특허공보 제10-1101431 호는 자기조립 단분자막 제조방법에 관한 것이다. 상기 등록특허는 기판을 표면처리하는 단계, 및 상기 표면처리된 기판에 분산 용액을 떨어트린 후 열처리하는 단계를 포함하고 있으며, 표면처리를 하지 않고 피리딘(pyridine)계 물질을 사용하여 박막을 형성하는 방법에 대해서는 언급하지 않고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단분자 나노 박막의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1 로서 표시되는 화합물을 포함하는 분산액을 기판 상에 분사하는 단계, 및 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는, 단분자 나노 박막의 제조 방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112019101430058-pat00001
;
상기 화학식 1 에서, X 및 Y 는, 각각 독립적으로, 질소, 탄소, 황, 또는 산소이고, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기(-OH), 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물은 하기 화학식 2 로서 표시되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 2]
Figure 112019101430058-pat00002
;
상기 화학식 2 에서, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기(-OH), 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판이 열처리되는 온도는 20℃ 내지 350℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분산액은 이소프로필알코올, 물, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필글리콜, 펜타에리스리톨, 비닐알코올, 폴리비닐알코올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 금속 기판, 플라스틱 기판, 유리 기판, 실리콘 기판, 실리콘 옥사이드 기판, 테플론 필름 기판, 사파이어 기판, 질화물 기판, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기판을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 기판은 Cu, Al, Fe, Ni, Au, Pt, Ag, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속 원소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 플라스틱 기판은 PET(Polyethylene terephthalate), PES(poly(ether sulfone)), PEN(Polyethylene naphthalate), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), PI(Polyimide), PE(Polyethylene), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱 기판을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판을 열처리하는 단계를 수행하기 전, 상기 분사된 분산액을 상기 기판 상에, 바코팅, 스핀 코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 코팅하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 단분자 나노 박막 제조 방법은 단분자 물질을 용매 상에 녹여 기판 상에 코팅한 후, 이를 열처리하여 단분자 나노 박막을 형성하는 것으로서, 고분자 중합 반응에 의해 형성된 박막과 그 구성이 상이하며, 화학기상 증착, 물리기상 증착 방법 등에 비해 공정이 단순하여 대량 생산에 유리하다.
또한, 본원에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법의 열처리 공정은 비교적 저온에서 수행되기 때문에, 제조 공정에 사용되는 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본원에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법에 의해 제조된 단분자 나노 박막은 접착력이 우수하기 때문에, 기판과 목적물 사이의 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
더욱이, 본원에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법에 의해 제조된 단분자 나노 박막은, 가시광선에 대한 투과율이 높기 때문에, 투명한 기판 상에 형성하여도 기판의 투명성을 유지할 수 있다.
추가적으로, 본원에 따른 단분자 나노 박막에 의해 제조된 단분자 나노 박막은, 절연성이 우수하여 트랜지스터 내부의 절연막 또는 봉지막 등에 사용될 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막이 형성된 기판의 사진이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막이 형성된 기판의 사진이다.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 실험 과정에 대한 모식도이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 파장-투과율에 관한 그래프이다.
도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 파장-투과율에 관한 그래프이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법에서, 열처리 시간에 따른 단분자 나노 박막의 표면을 촬영한 이미지이다
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법에서, 열처리 시간에 따른 단분자 나노 박막의 표면을 촬영한 이미지이다 .
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 PET 기판상 코팅 된 단분자 박막의 FT-IR 그래프이다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 Cu 필름상 코팅 된 단분자 박막의 FT-IR 그래프이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 박막의 XRD 그래프이다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 단분자 박막의 표면 조도에 대한 AFM 이미지 이다.
도 13 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 박막의 단차에 대한 AFM 이미지 이다.
도 14 는 본원의 일 실시예에 따른 시편의 파장-투과율에 대한 그래프이다.
도 15 는 본원의 일 실시예에 따른 접착된 고분자 기판의 접착강도에 대한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 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.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 단분자 나노 박막의 제조 방법에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1 로서 표시되는 화합물을 포함하는 분산액을 기판 상에 분사하는 단계, 및 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는, 단분자 나노 박막의 제조 방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112019101430058-pat00003
;
상기 화학식 1 에서, X 및 Y 는, 각각 독립적으로, 질소, 탄소, 황, 또는 산소이고, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기(-OH), 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물은 하기 화학식 2 로서 표시되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 2]
Figure 112019101430058-pat00004
;
상기 화학식 2 에서, R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기(-OH), 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기이다.
상기 화학식 1 및 2 에서, Y, R1 및 R2 의 종류에 따라, 서로간의 결합은 화학양론비에 맞추어 다양하게 조정될 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1 및 2 에서 R1 또는 R2 가 수소, 히드록시기, 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기일 경우, 상기 수소, 히드록시기, 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기는 결합손이 1 개이므로 Y 와 정상적으로 단일 결합을 이룰 수 있다.
그러나 R1 또는 R2 가 산소일 경우, 산소의 결합손은 2 개이므로 Y 와 단일 결합을 이룰 수 없다. 따라서, R1 또는 R2 가 산소일 경우의 Y 와 R1 또는 R2 사이의 결합은 화학양론적 결합에 의해 이중 결합이어야 한다.
예를 들어, Y 가 탄소이고, R1 또는 R2가 산소일 경우, 상기 탄소(Y)와 상기 산소(R1 또는 R2) 사이의 결합은 이중결합일 수 있다.
예를 들어, R1 또는 R2 중 어느 하나가 산소일 경우, 상기 화학식 2 의 물질은 하기 물질을 포함할 수 있다:
Figure 112019101430058-pat00005
.
상기 화학식 1 의 화합물은 상기 화학식 2 의 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분산액에는 상기 화학식 1 의 화합물이 단분자(monomolecule)의 형태로서 존재할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래의 기술에 따른 단분자 물질을 기반으로 한 자기 조립 단분자막은, 기판의 계면 성질을 용이하게 조절할 수 있는 장점이 존재한다. 그러나, 상기 자기 조립 단분자막은 상기 단분자 물질 간의 가교(cross linking) 또는 상기 단분자 물질과 기판 사이의 가교(cross linking)를 이용한 것이기 때문에, 분자막을 형성하기 전, 기판에 전처리를 수행할 필요가 있고, 분자막을 형성할 수 있는 기판이 한정되는 문제점이 있다.
상기 피리딘(pyridine)은 벤젠(C6H6)에서, 하나의 CH 기가 N 으로 대체된 헤테로 고리 화합물을 의미한다. 상기 피리딘은 N 원자의 존재로 인하여 에탄올, 에테르 뿐만 아니라 물에도 용해될 수 있다.
상기 화학식 1 의 화합물은, 예를 들어, 4-디메틸아미노피리딘(4-dimethylaminopyridine; 4-DMAP), 4-아미노피리딘(4-aminopyridine; 4-AP), 3-디메틸아미노피리딘(3-dimethylaminopyridine; 3-DMAP), 3-아미노피리딘(3-aminopyridine; 3-AP), 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylaminopyridine; 2-DMAP), 2-아미노피리딘(2-aminopyridine; 2-AP), 또는 2-PA(2-picolinic acid)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 4-디메틸아미노피리딘은 무색의 결정질 화합물로서, 녹는점은 110℃ 내지 113℃ 이다. 상기 4-디메틸아미노피리딘은 유기용매 및/또는 무기용매에 조금씩 용해되는 성질을 가지고 있다. 상기 4-디메틸아미노피리딘의 제법은 N, N-디메틸포름아미드와 1-(4-피리디노)피리디늄 디클로라이드의 반응 또는 피리딘, 염소 및 아미노 라디칼의 반응 등이 존재한다. 상기 4-디메틸아미노피리딘은 피리딘보다 아실화 촉매로서 104 배 더 효과적이기 때문에, 상기 피리딘을 대체하여 아실화 촉매가 필요한 공정에서 사용되고 있다. 상기 4-디메틸아미노피리딘의 우수한 촉매 효과는, 비극성 용매에서도 N-아실피리듐염의 고농축이 이루어지고 염은 느슨하게 결합한 이온쌍으로서 존재한다는 사실에 유래한다.
상기 2-PA(2-picolinic acid)는 상온에서 흰색 결정형 고체(white crystalline solid) 형태의 화합물로서, α-피콜린을 과망간산칼륨으로 산화시킴으로써 수득되는 물질이다. 상기 2-PA 는 아세트산, 물, 에탄올과 같은 극성 용매에 잘 용해되고, 벤젠, 에테르 등과 같은 무극성 용매에는 용해되지 않고, 승화성이 강한 물질이다.
상기 4-아미노피리딘은 무색의 물질로서, 녹는점은 155℃ 내지 158℃이다. 상기 4-아미노피리딘은 주로 발작 촉진제, 다발성 경화증 완화제 등의 완화용 약물 또는 포타슘 채널을 연구용 약물로 주로 사용되고 있다.
상기 화학식 1 로서 표시되는 화합물, 예를 들어 4-DMAP, 4-AP, 또는 2-PA 는 양단에 서로 다른 물질들을 연결함으로써 상기 물질들 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
먼저, 상기 화학식 1 로서 표시되는 화합물을 포함하는 분산액을 기판 상에 분사한다 (S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물은 상기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화합물은 4-DMAP, 4-AP, 또는 2-PA 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 분산액은 이소프로필알코올, 물, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필글리콜, 펜타에리스리톨, 비닐알코올, 폴리비닐알코올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 금속 기판, 플라스틱 기판, 유리 기판, 실리콘 기판, 실리콘 옥사이드 기판, 테플론 필름 기판, 사파이어 기판, 질화물 기판, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기판을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 기판은 Cu, Al, Fe, Ni, Au, Pt, Ag, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속 원소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 플라스틱 기판은 PET(Polyethylene terephthalate), PES(poly(ether sulfone)), PEN(Polyethylene naphthalate), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), PI(Polyimide), PE(Polyethylene), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱 기판을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판을 열처리하는 단계를 수행하기 전, 상기 분사된 분산액을 상기 기판 상에, 바코팅, 스핀 코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 코팅하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 코팅은 바코팅에 의해 수행될 수 있다.
상기 바코팅은 전자 소재를 잉크화시킨 후, 기재에 상기 잉크화된 전자 소재를 묻힌 후, 메이어바(Meyer-rod) 등의 막대를 사용하여 상기 잉크를 균일하게 도포하는 공정을 의미한다. 상기 바코팅은 간단한 공정으로 코팅이 가능한 장점이 존재한다.
이어서, 상기 기판을 열처리한다 (S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판이 열처리되는 온도는 비교적 저온인 20℃ 내지 350℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 기판이 열처리되는 온도는 약 20℃ 내지 약 350℃, 약 20℃ 내지 약 300℃, 약 20℃ 내지 약 250℃, 약 20℃ 내지 약 200℃, 약 20℃ 내지 약 150℃, 약 20℃ 내지 약 100℃, 약 20℃ 내지 약 50℃, 약 50℃ 내지 약 350℃, 약 100℃ 내지 약 350℃, 약 150℃ 내지 약 350℃, 약 200℃ 내지 약 350℃, 약 250℃ 내지 약 350℃, 약 300℃ 내지 약 350℃, 약 50℃ 내지 약 300℃, 약 100℃ 내지 약 250℃, 또는 약 150℃ 내지 약 200℃ 일 수 있으나. 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리 공정은 상기 분산액의 용매의 증발, 상기 단분자 나노 박막의 투명도 향상 및 평탄화를 목적으로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 단분자 나노 박막의 박리 강도는 0.1 kgf/cm 내지 0.8 kgf/cm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 박리 강도(peel strength)는 물리적, 또는 화학적으로 접착된 2 개 또는 그 이상의 물질 사이의 접착된 강도를 의미하는 것으로서, 접착 강도, 점착력, 접합 강도 등 다양한 표현이 존재한다. 상기 박리 강도는 풀 테스트(pull test)와 필 테스트(peel test)로 분류될 수 있다. 상기 풀 테스트는 두 물질을 양 측에서 잡아 당기면서, 완전히 박리될 때의 힘을 측정하는 방식을 의미한다. 또한, 상기 필 테스트는 한 물질을 고정한 상황에서 다른 하나를 떼어내면서 완전히 박리될 때의 힘을 측정하는 방법을 의미한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 박리 강도는 필 테스트를 사용하여 측정될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 단분자 나노 박막의 박리 강도는 상기 기판의 종류에 따라 상이할 수 있으며, 상기 박리 강도를 통해 상이한 두 기판을 결합시킬 수 있는지 여부를 확인할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 반도체 소자를 제조할 때 상기 단분자 나노 박막을 사용할 경우, 상기 반도체 소자 내부에서 절연층의 역할을 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1]
물, 에탄올, 또는 이소프로필알코올에 4-DMAP 의 농도가 0.5 wt%가 되도록 첨가하여 코팅 용액을 제조하였다. 이 후, 기판에 메이어바(Meyer-rod)를 사용하여 상기 코팅 용액을 코팅하였고, 100℃의 핫 플레이트(hot plate) 상에서 1 분간 열처리하였고, 도 2 와 같은 투명한 단분자 나노 박막을 수득하였다.
[실시예 2]
물, 에탄올, 또는 이소프로필 알코올에 4-AP 의 농도가 농도가 0.5 wt%가 되도록 첨가하여 코팅 용액을 제조하였다. 이 후, 기판에 메이어바(Meyer-rod)를 사용하여 상기 코팅 용액을 코팅하였고, 100℃의 핫 플레이트(hot plate) 상에서 1 분간 열처리하였고, 도 3 과 같은 투명한 단분자 나노 박막을 수득하였다.
[실시예 3]
물, 에탄올, 또는 이소프로필 알코올에 2-PA 의 농도가 농도가 0.5 wt%가 되도록 첨가하여 코팅 용액을 제조하였다. 이 후, 기판에 메이어바(Meyer-rod)를 사용하여 상기 코팅 용액을 코팅하였고, 130℃의 핫 플레이트(hot plate) 상에서 1 분간 열처리하였다.
[실시예 4]
물, 에탄올, 또는 이소프로필알코올에 4-DMAP 의 농도가 0.5 wt%가 되도록 첨가하여 코팅 용액을 제조하였다. 이 후, 기판에 메이어바(Meyer-rod)를 사용하여 상기 코팅 용액을 코팅하였고, 50℃ 의 핫 플레이트(hot plate) 상에서 8 분간 열처리하였다.
[실시예 5]
PET 및 PEN 기판을 준비하였다. 이 후, 기판을 마주한 후 130 ℃, 10 MPa 조건에서 1 분간 열압착 하여 두 기판을 접착하였다.
[실시예 6]
PET 및 PEN 기판 상에 상기 실시예 2 및 상기 실시예 3을 통하여 준비된 2-PA 및 4-AP 단분자 박막이 코팅된 기판을 준비하였다. 이 후, 2-PA 및 4-AP 가 코팅된 면을 마주한 후 130℃, 10 MPa 조건에서 1 분간 열압착 하여 두 기판을 접착하였다. 상기 접착 과정에서, 상기 2-PA 단분자 박막 및 4-AP 단분자 박막의 아민 및 카르복실산 관능기간의 아마이드 결합이 발생하며, 이로부터 각 기판을 손쉽게 접착할 수 있다.
도 4 는 본원의 일 실시예에 따른 실험 과정에 대한 모식도이다.
[실험예 1]
도 5 및 도 6 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 파장-투과율에 관한 그래프이다.
도 5 를 참조하면, 4-DMAP 가 증착된 직후의 PET 는 투과율이 40% 내지 50% 이나, 상기 4-DMAP 를 증착한 PET 를 100 ℃에서 열처리한 시간이 1 분에 가까울수록 투과율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 6 을 참조하면, 4-DMAP 가 증착된 PET 또는 PET 는 파장이 400 nm 미만의 자외선에 대하여 투과율이 최대 60% 이나, 50℃ 에서 열처리를 8 분 동안 수행한 상기 4-DMAP 단분자 필름이 증착된 PET 는 400 nm 내지 800 nm 의 파장의 투과율이 70% 내지 90% 인 것을 확인할 수 있다. 이 때, PET 필름의 자체 투과도와 상기 4-DMAP 단분자 필름이 증착된 PET 의 투과도는 매우 유사하므로, 상기 4-DMAP 단분자 필름은 투과도가 100% 에 가까울 정도로 매우 투명한 것으로 해석할 수 있다.
도 7 및 도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 제조 방법에서, 열처리 시간에 따른 단분자 나노 박막의 표면을 촬영한 이미지이다.
도 5 내지 도 8 을 참조하면, 상기 코팅 용액을 코팅한 직후의 기판의 표면은 요철도가 높아 광투과도가 매우 낮을 수 있다. 그러나, 100℃ 에서 1 분간 열처리하거나, 또는 50℃ 에서 8 분간 열처리하는 등의 열처리 공정을 진행할 경우, 상기 코팅 용액의 단분자가 박막을 형성하며 광학적으로 투명한 필름이 형성될 수 있다.
[실험예 3]
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 PET 기판상 코팅된 단분자 나노 박막의 FT-IR 그래프이다.
도 9 를 참조하면, PET 기판 상에 4-DMAP 단분자 또는 4-AP 를 코팅하고, 열처리하는 과정에서 상기 4-DMAP 단분자 박막 또는 4-AP 단분자 박막의 분자 구조가 변하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 단분자 박막이 형성되는 과정에서 단분자의 고분자 중합 또는 분자구조 변형이 발생하지 않는 것을 의미하며, 열처리 이후 형성되는 박막이 단분자로 구성되어 있음을 의미한다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 Cu 기판상 코팅된 단분자 나노 박막의 FT-IR 그래프이다.
도 9 및 도 10 을 참조하면, Cu 기판상에서도 4-DMAP, 4-AP, 또는 2-PA 단분자 박막의 코팅 이후 단분자의 분자 구조가 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10 을 통해, 본원에 따른 단분자 박막은 고분자 기판 뿐만 아니라 금속 기판 상에서도 형성될 수 있음을 확인할 수 있다.
[실험예 4]
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 XRD 그래프이다.
도 11 을 참조하면, 초기 코팅된 불균일한 단분자 석출물(4-DMAP before annealing)의 경우 결정성을 가지나, 열처리를 수행하여 단분자 박막이 형성된 이후(4-DMAP after annealing)에는 결정성을 띄지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 4-DMAP 단분자 박막은 비정질의 결정 구조임을 확인할 수 있다.
[실험예 5]
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 표면 조도에 대한 AFM 이미지이다.
도 12 를 참조하면, 4-DMAP, 4-AP, 및 2-PA 단분자 나노 박막은 매우 평평한 표면 조도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 13 은 본원의 일 실시예에 따른 단분자 나노 박막의 단차에 대한 AFM 이미지이다.
도 13 을 참조하면, 단분자 나노 박막은 50 nm 내지 80 nm 수준의 두께를 갖는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 6]
도 14 는 본원의 일 실시예에 따른 시편의 파장-투과율에 대한 그래프이다.
도 14 를 참조하면, 상기 실시예 6 에 따라 제조된 PET/4-AP/2-PA/PET 시편의 광투과도는 PET/PET 시편의 광투과도와 유사한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 4-AP 및 2-PA 단분자 박막은 매우 높은 광투과도를 가짐을 확인할 수 있다.
도 15 는 본원의 일 실시예에 따른 접착된 고분자 기판의 접착강도에 대한 그래프이다.
도 15 를 참조하면, 단분자 박막이 없을 경우(실시예 5), 고분자 기판 간의 접착이 이루어지지 않는다. 그러나 상기 고분자 기판 상에 단분자 박막을 코팅할 경우(실시예 6), 상기 단분자 박막 사이의 화학 결합에 의하여 상기 기판 사이 접착력이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 단분자 박막은 투명 접착소재로 활용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 하기 화학식 1 로서 표시되는 화합물을 포함하는 분산액을 기판 상에 분사하는 단계; 및
    상기 기판을 열처리하는 단계;
    를 포함하는,
    단분자 나노 박막의 제조 방법에 있어서,
    상기 단분자 나노 박막의 박리 강도는 필 테스트를 기준으로 0.1 kgf/cm 내지 0.8 kgf/cm 인 것인,
    단분자 나노 박막의 제조 방법.
    [화학식 1]
    Figure 112021074180108-pat00006
    ;
    상기 화학식 1 에서,
    X 는 질소이고, Y 는 질소 또는 탄소이고,
    R1 및 R2 는, 각각 독립적으로, 수소, 산소, 히드록시기(-OH), 또는 선형 또는 분지형의 C1 내지 C10 의 알킬기임.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판이 열처리되는 온도는 20℃ 내지 350℃인 것인, 단분자 나노 박막의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산액은 이소프로필알코올, 물, 에탄올, 톨루엔, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필글리콜, 펜타에리스리톨, 비닐알코올, 폴리비닐알코올, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함하는 것인, 단분자 나노 박막의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 금속 기판, 플라스틱 기판, 유리 기판, 실리콘 기판, 실리콘 옥사이드 기판, 테플론 필름 기판, 사파이어 기판, 질화물 기판, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기판을 포함하는 것인, 단분자 나노 박막의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 기판은 Cu, Al, Fe, Ni, Au, Pt, Ag, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속 원소를 포함하는 것인, 단분자 나노 박막의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라스틱 기판은 PET(Polyethylene terephthalate), PES(poly(ether sulfone)), PEN(Polyethylene naphthalate), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), PI(Polyimide), PE(Polyethylene), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱 기판을 포함하는 것인, 단분자 나노 박막의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 열처리하는 단계를 수행하기 전, 상기 분사된 분산액을 상기 기판 상에, 바코팅, 스핀 코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 코팅하는 단계를 추가 포함하는 것인, 단분자 나노 박막의 제조 방법.
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