KR20090014457A - 정전기적 인력을 이용한 메조 포러스 실리카 박막의제조방법 - Google Patents

정전기적 인력을 이용한 메조 포러스 실리카 박막의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전기적 인력을 이용한 메조 포러스 실리카 박막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리카 전구체 및 기공형성물질을 포함하는 전구용액을 제조하는 제 1 단계; 상기 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 이동시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 제 2 단계; 및 상기 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막에서 기공형성물질을 제거하는 제 3 단계를 포함하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 메조포러스 실리카 박막 제조를 위한 전구용액을 정전기적 인력을 통해 분사 진행함으로써, 제조가 용이하면서 규칙 배열된 기공을 갖는 메조 포러스 실리카 박막을 제조할 수 있다.
메조 포러스, 실리카, 용매 증발 유도, 자기 조립 현상

Description

정전기적 인력을 이용한 메조 포러스 실리카 박막의 제조방법 {Method for Manufacturing Meso Porous Silica Thin Film by Using Electrostatic attraction}
본 발명은 메조 포러스 실리카 박막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리카 졸과 블록 공중합체를 혼합한 전구용액을 정전기적 인력을 이용하여 기판 상에 분사하고, 용매 증발에 의한 블록 공중합체의 자기 조립 현상을 유도하여 기공이 규칙적으로 정돈 배열되면서 일정한 크기를 가지는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법에 관한 것이다.
메조 포러스 물질의 제조와 응용은 점점 확대되고 있으며, 특히 메조 포러스 박막의 제조는 그 활용도 면에서 더욱 넓어지고 있다. 예를 들어, 센서나 멤브레인, 또는 에너지 저장 전극 재료의 경우에 메조 포러스 박막의 활용도가 넓어지고 있다.
최초의 메조 포러스 박막을 형성하는 기술은, Yang 등이 고체 기판 위에 SiO2 물질 박막의 형성을 시도한 것이다. 이러한 메조 포러스 박막 물질에 대한 합 성 방법은 evaporation-induced self assembly (EISA) 원리를 이용하고 있다. EISA 원리를 이용한 메조 포러스 박막 물질 합성 방법에는 딥코팅법과 스핀 코팅법이 있다. Ogawa 등은 스핀 코팅법으로 육방정계 메조 포러스 박막을 제조하였고, Brinker 등은 딥 코팅법으로 메조 포러스 SiO2 박막의 제조 방법을 제시하였다.
EISA 방법에 따르면, 우선 박막 형성용 용액의 초기 농도를 마이셀을 형성하는 농도인 critical micelle concentration (CMC) 이하의 농도를 갖도록 용액을 제조한다. 그 다음 공정 진행 시 유발되는 용매 증발을 통해서 올리고머 (oligomer)와 계면활성제의 농도 변화에 의해 만들어진 마이셀 사이의 열역학적 평형에 의해서 메조 포러스 박막을 형성하게 된다.
위와 같은 딥 코팅법이나 스핀코팅 법과 같은 종래의 메조 포러스 박막 제조방법은 벌크 용액(bulk solution)에 존재하는 양쪽성 분자들의 자발적 자기 조립 현상에 의해서 메조 동공 구조를 형성해 가는 방법이다.
그러나 위와 같은 딥 코팅법이나 스핀 코팅법을 이용한 종래의 메조 포러스 박막 제조방법은 공정이 복잡하고, 규칙적으로 정돈 배열된 기공을 가지는 박막을 제조하기 어렵다. 또한, 공정 변수를 조절할 수 없어 기공 구조를 제어하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 벌크 용액(bulk solution)을 이용한 딥 코팅법이나 스핀 코팅법과는 달리 정전기적 인력에 의한 용액의 분사 시 형성되는 에어로졸(aerosol) 상태에서 용매 증발을 통한 메조 포러스 실리카 박막을 제조하는 새로운 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 실리카 졸과 블록 공중합체를 혼합한 에어로졸 상태의 전구용액을 대전 및 승온된 기판 상에 분사함으로써, 분사된 전구용액이 전기적 인력에 의해 기판 상으로 이동되도록 하고, 용매 증발에 의한 블록 공중합체의 자기 조립 현상을 유도하여 기공이 규칙적으로 정돈 배열되면서 일정한 크기를 가지며, 공정 변수의 조절이 가능하여 기공 구조를 제어할 수 있는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키되, 상기 전구용액의 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 두께 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키되, 전구용액의 조성 또는 기판온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 제어방법을 제공는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
실리카 전구체 및 기공형성물질을 포함하는 전구용액을 제조하는 제 1 단계;
상기 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 이동시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 제 2 단계; 및
상기 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막에서 기공형성물질을 제거하는 제 3 단계
를 포함하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 전구용액을 제조하는 제 1 단계는 가수분해된 실리카 졸을 제조하는 단계 a); 및 상기 실리카 졸 및 기공형성물질을 혼합하는 단계 b)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 하이브리드 박막을 형성하는 제 2 단계는 정전기적 분사 증착 장치(Electrostatic Spray Deposition 장치 ; 이를 본 발명에서는 "ESD 장치"로 약칭 한다)로서, 전구용액을 분사시킬 수 있는 분사기; 기판을 지지하고, 상기 기판을 대전시킬 수 있는 기판 지지대; 및 상기 분사기와 및 기판 지지대에 전위차를 제공하는 전원발생기를 포함하는 분사 장치를 이용하여 전구용액을 기판 상으로 이동시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 메조포러스 실리카 박막의 제조방법은 제 2 단계에서 형성된 하이브리드 박막을 숙성시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 3 단계는 제 2 단계에서 형성된 하이브리드 박막을 300 ~ 500℃의 기공형성물질 제거온도까지 승온시키는 단계 c); 및 상기 기공형성물질 제거온도를 30분 이상 동안 유지시켜 기공형성물질을 제거하는 단계 d)를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 두께 제어방법을 제공한다.
본 발명은 또한 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 제어방법을 제공한다.
본 발명은, 메조 포러스 실리카 박막을 제조함에 있어서 벌크 용액(bulk solution)을 이용한 종래의 딥 코팅법이나 스핀 코팅법과는 달리 정전기적 인력에 의한 액적(liquid droplet) 형태로 분사시킨 후, 용매 증발에 통해 자기 조립 현상을 유도한 새로운 제조방법에 제공하는 효과를 갖는다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 실리카 졸과 블록 공중합체를 혼합한 전구용액을 ESD 장치를 이용하여 대전 및 승온된 기판 상에 액적 상태로 에어로졸 분사함으로써, 분사된 전구용액이 정전기적 인력에 의해 기판 상으로 이동되도록 하고, 용매 증발에 의한 블록 공중합체의 자기 조립 현상을 유도하여 기공이 규칙적으로 정돈 배열되면서 일정한 크기를 가지며, 공정 변수의 조절이 가능하여 기공 구조를 제어할 수 있고, 분사 량 제어를 통한 필름의 두께를 제어할 수 있고, planer 및 nonplaner 기판상에 쉽게 필름을 용이하게 형성할 수 있는 효과를 갖는다.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 메조 포러스 실리카 박막의 제조방법은 실리카 전구체 및 기공형성물질을 포함하는 전구용액을 제조하는 제 1 단계(전구용액 제조 단계), 상기 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 이동시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 제 2 단계(하이브리드 박막 제조 단계), 및 상기 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막에서 기공형성물질을 제거하는 제 3 단계(기공형성물질 제거 단계)를 포함한다.
이때, 상기 하이브리드 박막을 형성시키는 단계는 정전기장 발생장치, 바람직하게는 정전기장을 발생시키면서 전구용액의 분사량 또는 온도 조절이 가능한 ESD 장치(정전기적 분사 증착 장치)에서 진행된다. 먼저, 상기 ESD 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 바람직하게 적용되는 ESD 장치의 단면 구성도를 보인 것이다.
상기 ESD 장치는, 도 1을 참조하여 설명하면, 전구용액을 분사시킬 수 있는 분사기(10); 기판(S)을 지지하며, 상기 기판(S)을 대전시킬 수 있는 기판 지지대; 상기 분사기와 및 기판 지지대에 전위차를 제공하는 전원발생기(30)을 포함한다. 상기 분사 장치는 기판에 열을 공급할 수 있도록 열공급 수단(25); 상기 기판의 온도를 조절하는 온도 조절기(40); 및 상기 전구용액의 분사량을 제어하는 유량 조절기(50)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 도 1에서 도면 부호 E는 기판(S) 상에 형성된 하이브리드 박막을 나타낸다.
또한, 상기 분사기(10)의 하단에는 노즐(15)이 장착되어 있으며, 이러한 분사기(10)의 노즐(15)과 기판 지지대(20)에 고전압 직류전원발생기(30)가 전기적으로 연결되어 분사기(10)와 기판 지지대(20) 사이에 강한 정전기장을 형성한다. 상기 유량 조절기(50)는 분사기(10)에 내장된 피스톤의 이동속도를 정밀하게 조절함으로써 전구용액의 분사량을 정확히 제어하며, 이러한 유량 조절기(50)는 바람직하게는 전자식 유속 조절기를 유용하게 사용할 수 있다. 아울러, 상기 기판 지지대(20)의 내부에 장착된 열공급수단(25)은 기판(20)에 열을 공급하여 기판(S) 상에 분사된 전구용액의 용매를 증발시킬 수 있는 것이면 본 발명에 포함하며, 예를 들어 상기 열공급수단(25)은 램프(예, 할로겐 램프), 저항 열선 또는 히터 등으로부 터 선택될 수 있다. 상기 온도 조절기(40)는 열전쌍(Thermocouple) 등의 온도 센서로부터 감지된 열을 미리 설정된 열과 비교하고, 상기 열공급수단(25)을 제어하여 기판(S)의 온도가 일정하게 유지되도록 조절한다. 아울러, 상기 ESD 장치는, 분사기(10)와 기판 지지대(20) 사이의 거리를 조절하는 거리 조절기(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기와 같은 ESD 장치를 이용하는 경우, 전구용액(가수분해된 실리카 졸과 블록 공중합체가 혼합된 용액)이 정전기적 인력에 의해 기판(S) 상에 균일한 두께로 분사되고, 이와 동시에 승온된 기판(S)에서 발생된 열에 의해 분사된 전구용액 내의 용매가 증발되어 하이브리드 박막(E)을 용이하게 제조할 수 있다. 구체적으로, 별도의 건조 공정 없이 증착에 의해 하이브리드 박막(E)이 기판(S)에 고착된다.
보다 구체적으로, 전구용액의 분사 시 인가된 정전기장의 영향으로 노즐(15)에서부터 용매의 표면장력을 극복할 수 있는 매우 작은 액적(liquid droplet) 상태로 분사되어, 분사된 용액은 전기장을 따라 이동하게 되고, (-)로 대전된 기판 위에 매우 고르게 증착된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메조 포러스 실리카 박막의 제조방법을 각 단계별로 구체적으로 나타낸 순서도이다. 이하, 본 발명에 따른 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
전구용액 제조 제 1 단계
본 발명에 따른 메조포러스 실리카 박막의 제조방법의 제 1 단계는 기판 상에 분사될 전구용액을 제조하는 단계이다.
상기 전구용액 제조단계는
가수분해된 실리카 졸을 제조하는 단계 a); 및
상기 실리카 졸 및 기공형성물질을 혼합하는 단계 b)
를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단계 a)는 본 발명에 따른 제조방법에 따라 정전기적 인력에 의해 기판 상으로 이동될 수 있는 실리카 전구체를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계라면 특별히 제한되지 않으나, 실리카 전구체; 유기용매; 산 또는 염기 촉매; 및 물을 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 실리카 전구체는 해당 기술 분야에서 공지된 실리카 전구체를 제한 없이 사용할 수 있으나, 비환식 알콕시 실란 단량체 또는 환형 실록산계 단량체를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 하기 화학식 1의 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
(R1)nSi(OR2)4-n
상기 식에서,
R1는 수소원자, C1 내지 C12의 알킬기, 할로겐기 또는 C6 내지 C15의 아릴기이고,
R2는 수소원자, C1 내지 C4의 알킬기 또는 C6 내지 C15의 아릴기로서,
R1 및 OR2 중 적어도 하나는 가수분해 가능한 작용기이며;
n은 0 내지 3의 정수이다.
상기 화학식 1의 화합물은 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라에톡시실란(TEOS), 메틸트리메톡시실란(MTMS), 또는 헥실트리메톡시실란(HTMS) 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
상기 유기용매는 통상의 유기용매를 사용할 수 있으나, 헥산 또는 헵탄과 같은 지방족 탄화수소 용매 (aliphatic hydrocarbon solvent); 아니솔(anisol), 메시틸렌 (mesitylene) 또는 자일렌 (xylene)과 같은 방향족계 탄화수소 용매(aromatic hydrocarbon solvent); 메틸이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 1-메틸-2-피롤리디논(1-1methyl-2-pyrrolidinone), 시클로헥사논(cyclohexanone) 또는 아세톤(acetone)과 같은 케톤계 용매(ketone-based solvent); 테트라히드로퓨란 (tetrahydrofuran) 또는 이소프로필 에테르(isopropyl ether)와 같은 에테르계 용매 (ether-based solvent); 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate) 또는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate)와 같은 아세테이트계 용매(acetate-based solvent); 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 (isopropyl alcohol) 또는 부틸 알코올(butyl alcohol)과 같은 알코올계 용매(alcohol-based solvent); 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 또는 디메틸포름아미드(dimethylformamide)과 같은 아미드계 용매; 실리콘계 용매(silicon-based solvent); 또는 상기 용매들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 가능하면 끊는점이 낮은 것으로서, 메탄올, 에탄올, 프로판올 또한 이들의 혼합물과 같은 알코올계 용매를 사용할 수 있다.
상기 유기용매는 특별히 제한되는 것은 아니나, 실리카 전구체 1몰에 대하여 3 내지 5몰을 사용하는 것이 바람직하다. 유기용매의 사용량이 3몰 미만이면 가열된 기판 상에서 용매 증발 시 단시간에 유기용매가 증발되어, 계면활성제와 물의 무게비로 결정되는 열역학적으로 안정한 액정(liquid crystal)구조를 형성하기 위한 시간이 부족하여 규칙성이 떨어지는 메조 포러스 구조를 가져올 수 있고, 5몰을 초과하면 유기용매 증발이 늦어져, 계면활성제와 물의 무게비로 결정되는 열역학적으로 안정한 액정(liquid crystal)구조의 변화를 가져오므로 단일구조의 메조 포러스 실리카를 얻기 힘들다.
또한 상기 산 또는 염기 촉매 역시 해당 기술분야에서 공지된 모든 산 또는 염기촉매를 포함하며, 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 산 촉매는 염산, 질산, 황산, 벤젠 술폰산, 옥살산, 포름산 또는 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택되는 하나 이상이고, 염기 촉매는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 트리에틸아민, 탄산수소나트륨, 피리딘 또는 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 강산을 사용할 수 있다.
상기 산 또는 염기촉매는 특별히 제한되는 것은 아니나, 실리카 전구체 1몰에 대하여 0.001 내지 0.1몰을 사용하는 것이 바람직하다. 촉매의 사용량이 0.001몰 미만이면 가수분해 반응은 느리고, 축합반응이 빨리 진행되어 입자가 형성되어 메조구조를 형성하기 어렵고, 0.1몰을 초과하면 축합반응이 느려져서 연속적인 메조구조를 형성하기 어렵다.
또한 상기 물 역시 특별히 제한되지 않으며, 증류수나 탈이온수 등을 사용할 수 있다. 상기 물의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니나, 실리카 전구체 1몰에 대하여 0.5 내지 2몰을 사용하는 것이 바람직하다. 메조 포러스 구조의 액정(liquid crystal)은 계면활성제와 물의 무게비로 결정되므로 물의 사용량이 0.5몰 미만 또는 2몰을 초과하는 경우 특정 메조 포러스 구조의 액정을 형성할 수 없다.
가수 분해된 실리카 졸을 제조하는 단계 a) 조건 역시 특별히 한정되지 않으며, 사용된 조성성분 및 함량에 따라 적절히 조절하여 제조할 수 있으나, 예를 들 어, 실리카 전구체, 알코올, 물(증류수) 및 강산을 20 ~ 90℃의 온도에서 30 ~ 120분 동안 혼합, 교반하여 제조할 수 있다.
상기 단계 b)는 본 발명에 따른 제조방법에 따라 정전기적 인력에 의해 기판 상으로 이동될 수 있는 전구용액을 제조하는 단계라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 단계 b)의 기공형성물질은 다공성 막 형성을 위해 사용되는 모든 공지의 기공형성물질을 포함한다. 구체적으로 폴리카프로락톤(polycaprolactone), α-시클로덱스트린, β-시클로덱스트린, γㅡ시클로덱스트린 및 계면활성제로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제로는 음이온성계, 양이온성계, 및 비이온성계 또는 블록 공중합체계 계면활성제 모두를 사용할 수 있다. 음이온성 계면활성제의 예는 설페이트, 설포네이트, 포스페이트, 카르복실산을 들 수 있고, 양이온성 계면활성제로는 알킬암모니움염, 제미니 계면활성제, 세틸에틸피페리디늄 염, 디알킬디메틸암모늄을 들 수 있다. 비이온성 계면활성제로는 1급 아민, 폴리(옥시에틸렌) 옥사이드, 옥타에틸렌 글리콜 모노데실 에테르, 옥타에틸렌글리콜 모노헥사데실 에테르 및 블록 공중합체계 계면활성제로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것들을 포함하나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
이러한 계면활성제의 바람직한 예는 Brij계 계면활성제(Brij-56 또는 Brij-78), 폴리에티렌글리콜-폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜 삼원블록공중합체(P123, F108, 또는 F127), 세틸트리메틸암모니움 브로마이드(CTAB), 옥틸페녹시 폴리에톡시(9-10)에탄올 (Triton X-100), 및 에틸렌디아민 알콕실레이트 블록 공중합체로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 포함할 수 있다.
상기 기공 형성물질의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 전구체 용액 100ml에 대하여 1 내지 15g, 보다 바람직하게는 2.5 내지 12.5g인 것이 바람직하다. 기공형성물질의 함량비가 너무 낮은 경우 실리카의 연속성이 떨어져 규칙성이 낮은 메조구조가 형성되고, 반대로 블록 공중합체의 함량비가 너무 높은 경우 실리카간의 응축에 의한 큰 입자의 형성으로 인해 메조구조의 형성이 어렵다.
한편 상기 단계 b)는 전구용액의 농도가 임계미셀농도 이하가 되도록 상기 실리카 졸 및 기공형성물질에 유기용매, 또는 물 및 임의로 산 또는 염기 촉매를 추가로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 유기용매, 물 및 산 또는 염기 촉매의 구체적인 종류는 상술한 바와 같다. 상기 성분의 혼합비는 특별히 제한되지 않으나, 실리카 졸용액, 유기용매, 물, 및 촉매가 1 : 1 내지 3 : 0.05 내지 0.2 : 0.05 내지 0.2 부피비인 것이 바람직하다.
전구용액을 제조하는 단계 b)의 조건 역시 특별히 한정되지 않으며, 사용된 조성성분 및 함량에 따라 적절히 조절하여 제조할 수 있으나, 예를 들어, 단계 a)에서 제조한 가수 분해된 실리카 졸용액 10mL, 블록 공중합체 0.25~1.25g, 알코올 20ml, 물 1ml, 강산 1ml를 20 ~ 40℃의 온도에서 30 ~ 120분 동안 교반하여 제조할 수 있다. 이때, 상기 블록 공중합체는 30 ~ 40℃온도의 범위에서 녹인 것을 사용할 수 있으며, 충분히 균일하게 분산되도록 적정 시간동안(예, 30분간) 교반하는 것이 바람직하다.
하이브리드 박막 형성 제 2 단계
위와 같이, 가수 분해된 실리카 졸과 기공형성물질이 균일하게 혼합된 전구용액을 제조한 다음에는, 상기 전구용액을 ESD 장치를 이용하여 정전기적으로 기판(S) 상에 분사시킨다.
이때, 사용될 수 있는 상기 기판(S)은 전도체, 부도체 및 반도체를 포함하며, 예를 들어 유리, 플라스틱 및 금속 등의 재질로부터 선택될 수 있다. 상기 기판(S)은, 바람직하게는 규소(Si) 본체 위에 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등의 금속이 증착된 웨이퍼(wafer)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판(S)은 캐패시터(예, 전기이중층 캐패시터(EDLC) 등) 등의 전극을 제조할 시 집전체로 주로 사용되는 것으로서, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 등으로부터 선택된 금속 호일(foil)을 사용할 수 있다.
ESD 장치를 도시하고 있는 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 고전압 직류전원발생기(30)를 분사기(10)의 노즐(15)과 기판 지지대(20) 사이에 연결하여, 분사기(10)의 노즐(15)을 (+)로, 기판 지지대(20)와 접하고 있는 기판(S)을 (-)로 대전시킨다. 그리고 온도 조절기(40)를 이용하여 기판(S)을 적정 온도로 승 온시킨다.
다음으로, 분사기(10)를 통하여 전구용액을 적정량 주입하면, 전기장에 의한 정전기적 인력에 의해 액적(liquid droplet) 입자가 대전/승온된 기판(S)을 향하여 에어로졸 형태로 분사되고, 전기장을 따라 기판(S)으로 균일한 분포로 이동한다.
이와 동시에, 온도 조절기(40)에 의해 설정된 온도로 기판(S)은 승온되고, 승온된 기판(S)의 열에 의해 전구용액 내의 용매(에탄올, 증류수, HCl)가 증발되어 기판(S) 상에 실리카/블록 공중합체 하이브리드 박막(E)이 증착에 의해 고착, 형성하게 된다. 이때, 전구용액에 포함된 용매의 증발을 통해 기공형성물질의 농도가 증가되면서 마이셀(micelle)을 형성하게 된다. 구체적으로 증발된 용매에 의해서 액적을 구성하고 있는 기공형성물질의 농도가 증가하게 된다. 그리고 이러한 기공형성물질의 농도 증가로 인해서 기공형성물질는 자기 조립을 통한 마이셀을 형성하게 된다. 이후, 형성된 마이셀이 규칙적으로 배열하는 과정에서 가수 분해된 실란(siliane) 입자들이 축합 반응을 통해서 규칙 배열된 메조포러스 실리카 박막을 형성할 수 있게 된다.
예를 들어, 상기 전구용액을 분사함에 있어서는, 전구용액을 약 5 내지 15kV의 인가 전기장 하에서 기판 온도의 변화를 65 ~ 100℃의 범위에서 0.5 내지 5 ml/h의 분사 속도로 진행할 수 있다. 이때, 기판의 온도를 65℃ 미만으로 설정할 경우에는 주입된 전구용액 중에 포함된 용매(에탄올 등)가 모두 증발되지 않아 에어로졸 상태로 기판(S) 상에 증착되지 않게 되어 박막(E)의 특성을 저하시키게 되고, 100℃를 초과한 온도로 설정할 경우에는 주입된 전구용액 중에 포함된 용매(에 탄올 등)가 기판(S)에 도착하기도 전에 액적 상태의 용액이 증발하게 되어 실질적으로 기판(S)에 증착되는 양이 매우 적게 되어 바람직하지 않다.
또한, 위와 같은 분사 과정에서 ESD 장치의 유량 조절기(50)에 의해 상기 전구용액의 분사량이 제어되어 박막(E)의 두께를 자유롭게 조절할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 메조포러스 실리카 박막의 제조방법은 제 2 단계에서 형성된 하이브리드 박막을 숙성시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 숙성 과정에 의해 실리카와 블록 공중합체 간의 결합이 향상될 수 있으며, 이는 또한 하이브리드 박막(E)의 구조적 안정화를 도모할 수 있다. 이러한 숙성 과정은 특히 마이셀의 규칙 배열의 효과를 얻을 수 있다. 상기 숙성 단계는, 예를 들어 상기 하이브리드 박막(E)을 상온에서 10 시간 이상 동안, 바람직하게는 10 내지 36시간 동안 유지(방치)하는 방법으로 진행될 수 있다. 상기 숙성 시간이 10시간 미만이면 열역학적으로 안정한 액정(liquid crystal)형성 이전에 실리카 졸의 축합반응이 일어나, 입자형태의 실리카가 형성되거나, 규칙성이 떨어지는 메조 포러스 구조의 실리카가 형성될 수 있다.
기공형성물질 제거 제 3 단계
위와 같이, 숙성 단계를 진행한 다음에는 실리카/블록 공중합체 하이브리드 박막(E)으로부터 기공형성물질을 제거한다. 이와 같은 블록 공중합체의 제거를 통해 메조포러스 기공이 형성된다.
상기 제 3 단계는 제 2 단계에서 제조한 실리카/블록 공중합체 하이브리드 박막을 300 ~ 500℃의 기공형성물질 제거온도까지 승온시키는 단계 c); 및 상기 기공형성물질 제거온도에서 30분 이상 동안, 바람직하게는 30 분 ~ 2 시간 동안 기공형성물질을 제거하는 단계 d)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기공형성물질 제거온도가 300℃ 미만이면 기공형성물질의 제거되지 않고, 500℃를 초과하면 실리카의 결정화 및 성장으로 인해 메조 포러스 구조가 붕괴될 수 있고, 제거시간이 30분 미만이면 기공형성물질이 완벽하게 제거되지 않을 수 있다.
특히 단계 c)의 승온 속도는 2 ℃/min 이하, 바람직하게는 0.1 ~ 2 ℃/min인 것이 바람직하다. 승온 속도가 2 ℃/min를 초과하면 기공형성물질의 제거 시 실리카와 계면활성제간의 강한 결합력으로 인해 메조 포러스 구조가 붕괴될 수 있다.
본 발명은 또한 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 두께 제어방법 및 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 예를 들어 전구용액의 조성, 계면활성제의 종류, 기판온도, 숙성시간 등의 의 간단한 공정 변수의 조절만으로도 기공 구조를 제어할 수 있고, 기판 상으로 분사되는 전구용액의 분사량 제어를 통하여 박막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이므로 본 발명이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
TEOS, 에탄올, 증류수 및 염산을 각각 1:3.8:1:0.01 몰비로 혼합하고 약 60℃의 온도에서 90분 동안 교반하여 가수 분해된 실리카 졸 용액을 제조하였다. 이어서 상기 가수 분해된 실리카 졸용액 10mL에 Brij-56 각각 0.25g, 0.7g 및 1.25g과 알코올 20ml, 물 1ml, 및 염산 1ml를 혼합하고 약 30℃의 온도에서 약40분 동안 교반하여 전구용액을 제조하였다. 상기 전구용액을 도 1에 도시된 ESD 장치의 분사기에 도입하고, Si 본체에 Pt가 증착된 웨이퍼를 기판 지지대 위에 장착하고, 기판의 온도는 약 80℃로 조정하고, 기판지지대와 상기 전구용액에 약 12kV의 전기장을 인가하였다. 이후 유량제어기를 통하여 2ml/h의 분사 속도로 전구용액을 분사시켜 웨이퍼 상이 하이브리드 박막을 형성시켰다.
상기 하이브리드 박막의 구조를 SAXD (Small Angle X-ray Diffraction)로 분석하고 이를 도 3a에 도시하였다. 도 3a는 블록 공중합체의 농도가 저농도에서 고농도로 값의 변화가 있을 때의 구조 변화를 보여 주고 있다. 구체적으로, 0.25g의 블록 공중합체를 첨가 했을 때 intensity가 낮고, 폭이 넓은 SAXD peak을 가지며, 1.25g일때 intensity가 높고 폭이 좁은 SAXD peak을 가짐을 보여주고 있다. 이는 블록 공중합체의 농도가 저농도에서 고농도의 값을 가질 때 메조포러스 구조의 규칙성을 제어하여 실리카 박막을 제조할 수 있음을 보여 주고 있다.
실시예 2
실시예 1에서 제조한 하이브리드 박막(Brij-56 1.25 g)을 상온에서 12 시간 동안 숙성시킨 후 1℃/min의 속도로 400℃까지 승온시킨 다음, 1시간 동안 유지하여 블록 공중합체를 제거하였다.
실리카와 블록 공중합체간 결합에 의한 하이브리드 박막(Before calcination)과 블록 공중합체의 제거를 통한 기공 구조를 갖는 메조 포러스 실리카 박막(After calcination)을 SAXD로 분석하고 이를 도 3b에 도시하였다. 하소 진행 후(After calcination)의 하이브리드 박막은 dspacing의 값이 4.47nm의 값을 가졌다. (100)방향의 peak을 통하여 2-D 육방정계의 구조를 갖는 규칙 배열된 메조 구조 형성을 확인하였다.
한편, 도 4는 블록 공중합체 제거 후 메조 포러스 실리카 박막을 나노 구조를 확인하기 위한 High Resolution - Transmission electron microscope (HR-TEM) 사진이다. 도 4에 보인 바와 같이, 3nm 크기를 갖는 기공이 규칙 배열되어 있음을 확인 할 수 있다.
실시예 3
기판의 온도를 80, 120 및 150℃로 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하이브리드 박막을 제조하였다. 각각의 하이브리드 박막을 SAXD로 분석하고 이를 도 3c에 도시하였다.
도 3c에 도시한 바와 같이 기판 온도의 값이 80℃에서 150℃로 변화함에 따라 SAXD peak이 넓어지고 150℃에서는 peak이 관찰 되지 않는다. 이는 기판 온도의 변화에 따라 액적을 구성하고 있는 siliane 용액의 축합 반응을 촉진함으로써 규칙 배열된 메조 포러스 구조를 형성하지 못하고 있음을 보여 주고 있다.
본 발명에 따르면, ESD법을 이용해서 규칙 배열된 메조 포러스 실리카 박막을 제조할 수 있다. 이에 따라, 메조 포러스 금속 산화물로의 확대 적용을 통해 에너지 저장 소재(2차전지, 연료전지, 슈퍼캐패시터)의 메조 포러스 전극 소재 제조를 위한 새로운 방법으로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 바람직하게 적용되는 ESD 장치의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 메조 포러스 실리카 박막의 제조방법을 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 ESD 장치를 이용하여 제조한 본 발명의 실시예에 따른 메조 포러스 실리카 박막의 SAXD (Small Angle X-ray Diffraction) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 메조 포러스 실리카 박막의 나노 구조를 확인하기 위한 High Resolution - Transmission electron microscope (HR-TEM) 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 주사기 15 : 노즐
20 : 기판 지지대 25 : 열공급수단
30 : 직류전원발생기 40 : 온도 조절기
50 : 유량 조절기 S : 기판

Claims (18)

  1. 실리카 전구체 및 기공형성물질을 포함하는 전구용액을 제조하는 제 1 단계;
    상기 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 이동시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 제 2 단계; 및
    상기 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막에서 기공형성물질을 제거하는 제 3 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 단계는
    가수분해된 실리카 졸을 제조하는 단계 a); 및
    상기 실리카 졸 및 기공형성물질을 혼합하는 단계 b)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 단계 a)는
    실리카 전구체; 유기용매; 산 또는 염기 촉매; 및 물을 혼합하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    실리카 전구체는 하기 화학식 1의 화합물인 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법:
    [화학식 1]
    (R1)nSi(OR2)4-n
    상기 식에서,
    R1는 수소원자, C1 내지 C12의 알킬기, 할로겐기 또는 C6 내지 C15의 아릴기이고,
    R2는 수소원자, C1 내지 C4의 알킬기 또는 C6 내지 C15의 아릴기로서,
    R1 및 OR2 중 적어도 하나는 가수분해 가능한 작용기이며;
    n은 0 내지 3의 정수이다.
  5. 제 3 항에 있어서,
    산 촉매는 염산, 질산, 황산, 벤젠 술폰산, 옥살산, 포름산 또는 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이고,
    염기 촉매는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 트리에틸아민, 탄산수소나트륨, 피 리딘 또는 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    단계 b)의 기공형성물질은 폴리카프로락톤(polycaprolactone), α-시클로덱스트린, β-시클로덱스트린, γㅡ시클로덱스트린 및 계면활성제로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    계면활성제는 설페이트, 설포네이트, 포스페이트, 카르복실산, 알킬암모니움염, 제미니 계면활성제, 세틸에틸피페리디늄 염, 디알킬디메틸암모늄, 1급 아민, 폴리(옥시에틸렌) 옥사이드, 옥타에틸렌 글리콜 모노데실 에테르, 옥타에틸렌글리콜 모노헥사데실 에테르 및 블록 공중합체계 계면활성제로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 단계 b)는
    전구용액의 농도가 임계미셀농도 이하가 되도록 유기용매를 추가로 혼합하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  9. 제 3 항 또는 제 8 항에 있어서,
    유기용매는 지방족 탄화수소 용매, 방향족계 탄화수소 용매, 케톤계 용매, 에테르계 용매, 아세테이트계 용매, 알코올계 용매, 아미드계 용매, 실리콘계 용매, 및 상기 용매들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 제 2 단계는
    전구용액을 분사시킬 수 있는 분사기; 기판을 지지하고, 상기 기판을 대전시킬 수 있는 기판 지지대; 및 상기 분사기와 및 기판 지지대에 전위차를 제공하는 전원발생기를 포함하는 분사 장치를 이용하여 전구용액을 기판 상으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    분사 장치는 기판에 열을 공급할 수 있도록 열공급 수단; 상기 기판의 온도를 조절하는 온도 조절기; 및 상기 전구용액의 분사량을 제어하는 유량 조절기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    기판의 온도는 65℃ ~ 100℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제 2 단계에서 형성된 하이브리드 박막을 숙성시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    숙성 단계는 상온에서 10 시간 이상 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 제 3 단계는
    제 2 단계에서 형성된 하이브리드 박막을 300 ~ 500℃의 기공형성물질 제거온도까지 승온시키는 단계 c); 및
    상기 기공형성물질 제거온도를 30분 이상 동안 유지시켜 기공형성물질을 제거하는 단계 d)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    단계 c)의 승온 속도는 2 ℃/min 이하인 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 제조방법.
  17. 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 두께 제어방법.
  18. 실리카 전구체를 포함하는 전구용액과 기판 사이에 형성된 정전기적 인력에 의해 상기 전구용액을 기판 상으로 분사시켜 실리카/기공형성물질 하이브리드 박막 을 형성시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 박막의 기공구조 제어방법.
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