KR20090032437A - ＣＮＴｎｔ 상에 형성된 금속 박막을 가지는 독립한 금속성마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CNTnt 상에 형성된 일정한 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조에 관한 것으로, 이를 위하여 소정의 두께를 가지되 바람직하게는 0.41 nm 이하의 두께를 갖는 CNTnt 상에 금속 박막으로써 바람직하게는 Al 박막이 소정의 두께를 가지되 바람직하게는 50 - 100 nm 증착된 이중층 라미네이트를 포함하는 CNTnt 상에 형성된 일정한 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 제시한다.

또한, 본 발명은 CNTnt 상에 형성된 일정한 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 이용한 공진기 구조에 관한 것으로, 이를 위하여 소정의 폭과 소정의 길이를 가지되, 바람직하게는 2~3㎛ 의 폭과 5~50㎛ 의 길이를 갖는 현수된 이중 고정보 마이크로공진기(suspended doubly-clamped beam microresonators) 구조를 제시한다.

CNT, CNTnt,탄성계수,박막,나노튜브

Description

ＣＮＴｎｔ 상에 형성된 금속 박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조{THE FREE-STANDING METALLIC MICROMECHANICAL STRUCTURE WITH METAL THIN FILM FORMED ON CNTnt AND RESONATOR STRUCTURE USING THEREOF}

본 발명은 CNTnt 상에 형성된 일정한 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조에 관한 것으로, 이를 위하여 소정의 두께를 가지되 바람직하게는 0.41 nm 이하의 두께를 갖는 CNTnt 상에 금속 박막으로써 바람직하게는 Al 박막이 소정의 두께를 가지되 바람직하게는 50 - 100 nm 증착된 이중층 라미네이트를 포함하는 CNTnt 상에 형성된 일정한 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 제시한다.

본 발명은 동적 휨(dynamic flexural) 측정 및 연속체 역학(continuum mechanics)의 응용으로부터, 기계적 비선형이 현저하게 저지되고 CNTnt 상에 증착된 Al에 비해 2배 이상인 유효 영의 계수(Young’s modulus)(~280±50 GPa)에 주목한다. 이 같은 측정은 AFM 캔틸레버 팁(atomic force microscope cantilever tip), 준정적 휨측정(quasi-static flexural measurement)에 의해 실시되는 것처럼 포스 디프렉션 스펙트로스코피(force-deflection spectroscopy) 측정과 잘 일치한다.

CNT는 높은 강도와, 낮은 밀도, 수 나노미터 크기의 단면적과 결함이 없다는 구조적 특징, 금속성과 반도체의 성질을 가진 두 가지 속성을 가진 CNT가 존재하기 때문에 CNT 및 그와 관련된 연구는 지속되어 왔다. (G. C. Schatz, Proc . Natl . Acad. Sci . U. S. A. 104, 6885 (2007), R. H. Baughman, A. A. Zakhidov, W. A. de Heer, Science 297, 787 (2002).)

이와 더불어 CNT와 다른 물질과의 혼합물의 전기적, 기계적 특성 또한 많은 주목을 받아왔다. 주 요한 상업적 응용 중의 하나는 전기 전도도를 증가시키기 위해 폴리머매트릭스(polymer matrix)에 금속성 CNT를 통합한 것이다. 기계적 특성에서 보면, CNT-폴리머 인터페이스에 기여해온 합성물 강도(strength)는 실망스러운 값임에도 불구하고 CNT를 이용한 폴리머를 기계적으로 강화하기 위한 수많은 노력이 있었다 (J. N. Coleman, U. Khan, Y. Cun'ko, Advanced Materials 18, 689 (2006)).

또한, CNT-메탈 인터페이스는 많은 주목을 받아왔는데, 특히 CNT-메탈 합성물(B. Lim et al., Nanotechnology, 5759 (2006))의 기계적 특성에 관한 몇몇의 보고와 함께, 효과적인 옴 접촉(ohmic contact)(Z. Chen, J. Appenzeller, J. Knoch, Y. M. Lin, P. Avouris, Nano Letters 5, 1497 (2005))을 실현하기 위한 전자적 구조에 주목해 왔다.

이러한 CNTnt와 금속과의 합성물은 전기적, 열역학적 특성과 함께 높은 강도를 가질 수 있다는 특징 때문에 전기적 도체 금속선에서부터 마이크로전기역학계(MEMS)와 나노전기역학계(NEMS)구조의 소자에 이르기까지 소자의 재료로서 다양한 범위의 응용성을 가지고 있다.

특히 마이크로전기역학계(MEMS)와 나노전기역학계(NEMS)구조소자에 있어서 근자에는 상향식 및 하향식 제조기술의 발전으로, 감소된 질량과 크기를 가지는 결과 보다 높은 공진 주파수를 가지는 NEMS(H. G. Craighead, Science 290, 1532 (2000))가 최소의 힘과 변위를 측정하기 위해 집중적으로 연구되고 있다(K. C. Schwab, M. L. Roukes, Physics Today 58, 36 (2005)). 이러한 연구와 더불어 MEMS와 NEMS 구조를 금속만으로 실현하기 위하여 감소된 디멘젼에서 금속의 기계적 특성은 최근에 큰 주목을 받고 있다. 특히, Al 및 Au 독립(free-standing) 박막에 대한 소성변형(plastic deformation)으로부터의 회복은 Au 나노와이어의 항복강도(Yield strength)의 본질적인 증가와 함께 보고된다(B. Wu, A. Heidelberg, J. J. Boland, Nature Materials 4, 525 (2005)). 그러나 메탈필름은 단결정 반도체 및 그 산화물에 비해 높은 연성(ductility)을 가지므로, 효과적으로 메탈을 혼합하고 동적범위를 노이즈 플로어로부터 비선형의 징후를 보이는 범위까지 증가시킬 수단을 찾기 위해서는 금속성 NEMS 공진기가 반드시 안출되어야 한다.

본 발명은 CNTnt 상에 형성된 금속 박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조에 관한 것으로,

이를 위하여, 탄소 나노튜브 네트워크 템플릿(carbon nanotube network template (CNTnt))상에 금속으로써 바람직하게는 Al (<100 nm)의 박막(thin film) 증착에 의해 형성된 이중층 라미네이트(bilayer laminate)를 포함하는 CNTnt 상에 형성된 금속 박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조를 제시함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여, CNTnt 상에 금속박막이 일정 두께를 가지고 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조로써, 상기 CNTnt는 일정 두께로 적층된 금속박막 상에 CNT(carbon nano tube)의 자기조립체가 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 제시한다. 상기 CNT(carbon nano tube)의 자기조립체는 일정 두께의 단일층, 이중층 및 삼중층이 순차 적층되어 구성될 수 있으며, 상기 금속박막은 알루미늄(Al)으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 적층은 스퍼터링 증착에 의해 적층될 수 있다. 또한 이러한 구조를 이용하여 공진기 구조를 만들 수 있다.

본 발명에 의할 경우, CNT를 포함함으로써 금속성 박막 및 와이어에 대하여 탄성계수의 향상을 제공하고, 나아가 항복강도 및 동적 범위의 개선을 불러올 수 있는 CNTnt 상에 형성된 금속 박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조를 제시한다. 동적 휨 측정으로부터 주어진 기하학적 구조에 대해 일관되게 높은 기본 공진주파수를 갖고 Al/CNTnt에 대해 바이퍼케이션 징후를 발견하고, 연속체 역학을 적용함으로써, CNTnt의 활용에 의해 2배 이상의 영의 계수를 가질 수 있는 수단을 제시한다.

본 발명은 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조 및 이를 이용한 공진기 구조에 관한 것으로, 이를 위하여 일정 두께를 가지되 바람직하게는 0.41 nm 이하의 두께를 갖는 CNTnt 상에 금속 박막으로써 바람직하게는 Al 박막이 일정 두께를 가지되 바람직하게는 50 - 100 nm 증착된 이중층 라미네이트를 포함하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 제시한다.

또한, 본 발명은 CNTnt 상에 형성된 일정 두께의 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 이용한 공진기 구조에 관한 것으로, 이를 위하여 일정한 폭과 일정한 길이를 가지되, 바람직하게는 2~3㎛ 의 폭과 5~50㎛ 의 길이를 갖는 현수된 이중 고정보 마이크로공진기(suspended doubly-clamped beam microresonators) 구조를 제시한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 CNTnt 상에 형성된 일정 두께의 금속박막을 가지는 이중층 라미네이트 구조를 가진다. 또한, 상기한 CNTnt는 금속박막층 상에 CNT(carbon nano tube)의 자기조립체가 적층됨으로써 구성된다. 도시된 구조는 마이크로 공진기를 포함한 다양한 소자에 응용될 수 있으며, 이를 통해 소자의 탄성계수 및 항복강도의 개선을 도모하고, 나아가 동적범위를 확대할 수 있다.

이하에서, 상기 CNTnt의 자기조립 과정을 상세히 살피면 다음과 같다. 다만, 아래에서 설명하는 과정에 있어 사용된 단위들은 본 발명을 예시하기 위함이며 이에 한정되지 않음은 명백하다. 또한, 본 발명의 구조의 실현은 아래에 예시하는 방법에 한정되지 않음도 명백하다. CNTnt의 자기조립 과정은 도 2에 도시된 바와 같이 에피-레디(epi-ready) 세미 인슐레이터(semiinsulator) GaAs(001)기판 표면을 금속으로써 일정 두께로 적층하되,바람직하게는 10nm Al을 적층하고, 바람직하게는 스퍼터링 증착에 의해 조절한 후에, 상기 기판을 상온의 o-디클로로벤젠(o-dichlorobenzene)용매와, 일정 길이를 갖되 바람직하게는 2~3㎛ 길이를 갖는 단일벽 카본 나노튜브(single walled carbon nanotube,swCNT) 0.1 mg/ml 용액에 놓아둔다. 용액으로부터 기판을 제거 후에, 샘플은 액체질소에서 건조된다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 단계는 유효두께 0.19nm의 단일층, 이중층(0.35 nm) 및 삼중층(0.41 nm)을 생성하기 위해 반복함으로써 CNTnt를 생성한다. 또한, 상기한 CNTnt 상에는 한층 더 금속으로써 바람직하게는 50nm 내지 100nm의 Al을 적층하되, 바람직하게는 스퍼터링 증착에 의해 적층함으로써, 본 발명인 CNTnt 상에 형성된 일정한 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 구성할 수 있게된다.

이하에서는, 본 발명의 CNTnt 상에 형성된 일정 두께의 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조에 대해 보다 상세한 설명을 위해 본 발명의 일 실시예로서, CNTnt 상에 형성된 일정 두께의 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조를 이용한 공진기 구조의 제조과정 및 그 구조의 동적측정에 대해 상술한다. 이를 통해 본 발명인 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조에 대해 보다 명확한 개시가 가능하다.

본 발명의 일 실시예로서, 마이크로공진기는 반도체 기판으로써 바람직하게는 GaAs 기판상에 위치한 소정의 두께를 가지되 바람직하게는 0.41 nm 이하의 두께를 갖는 CNTnt 상에 금속 박막으로써 바람직하게는 Al 박막이 소정의 두께를 가지되 바람직하게는 50 - 100 nm 증착된 이중층 라미네이트를 포함한다. 한편, 본 발명의 구체적 실시예를 제시함에 있어 상기 금속박막은 Al인 경우를 기술한다.

Al 및 Al/CNTnt 공진기는 동적 및 준정적으로 특성화된다. 동적특성에 있어서, 정전기적으로 공진을 위해 공진기를 비선형 응답에 달하도록, 충분한 진폭 및 바이어스를 가지고 사인파형으로 구동시킨다. 준정적 특성의 경우, AFM 캔틸레버 팁을 이용하여, 힘 및 변위를 기록하는 동안, 현수된 빔을 구부리기 위해 이용된다.

도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 (a)에서 Al/CNTnt 이중 고정보 제조방법의 개략도로써, (i) 기판상에 swCNT의 링크프리 조립 후, (ii)전자선묘화법 및 사진석판술에 의한 이중고정보 형태를 형성한 다음 Al의 스퍼터 증착 및 박리 후, (iii) 동적 휨 측정을 위한 전기적 결선을 도시하고, (b)에서 (i)과정 후 표면에 대응하는 0.41 nm 유효두께를 가지는 CNTnt의 AFM 이미지를 도시하며,(c)에서 (ii)과정 후 표면에 대응하는 Al/CNTnt 의 FE-SEM 마이크로그래프를 도시하며, (d)에서 테스트 샘플로부터 빔에 혼합된 실제적인 CNT를 도시하기 위한 현수된 CNTnt의 FE-SEM 이미지를 도시하며, (e) 2개의 이중 고정된 Al/CNTnt(3μm의 폭과 23 및 26μm의 길이를 및 50 nm 의 두께를 가지는 Al과 함께) SEM 이미지가 적절한 색상으로 Al/CNTnt 층과 함께 도시되며,(f)에서 스펙트럼 응답이 측정된 후에 특정한 Al/CNT 빔(100 nm x 3 μm x 17 μm)에 대하여, 첫 번째 기본 진동 모드는 공명진동수 f _o (20.88 MHz)의 일정한 정전기 파형이 인가되는 동안 샘플홀더를 광학적으로 xy 스캐닝함으로써 증명됨을 도시한다. 한편, 도 4에서 도시되는 현수된 이중 고정보의 보(beam)의 형상은 도 4에 도시된 형상에 한정되지 않는다. 따라서 본 발명의 범위를 벋어나지 않는 범위 내에서 보(beam)의 형상은 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다. 이러한 보(beam)의 형상은 전술한 전자선묘화법 및 사진석판술에 의한 이중고정보 형태를 형성하는 단계에서 다양한 형상으로 패턴될 수 있다.

한편, 독립된 MEMS 및 NEMS 구조의 실현은 물질에 대한 선택적 식각(etch-selective materials)의 활용이 요구된다. 비록 CNTs의 대부분이 화학적으로 비활성이지만 대다수의 산(acid) 기반의 Si계열 식각용액(echant)은 메탈을 쉽게 제거해버리므로, 마이크로공진기를 제조하기 위해 기판으로 GaAs를 사용한다(도 4에서 (a)참조). Al 및 Al/CNTnt 마이크로공진기는 유사한 방법으로 실현된다. GaAs 기판은 CNT 네트워크 템플릿을 형성하기 위한 단일 벽으로 된 링크프리(linker-free) 조립체를 촉진하기 위해 UHV 스퍼터링(UHV sputtering)을 이용해 Al (10 nm) 박막층을 형성한다.(도 4에서(b)참조)

Al 박막의 스퍼터 증착(Sputter-deposition)은 Al/CNTnt 이중 고정 공진기(doubly-clamped resonator)의 실현을 위해, 3번에 걸쳐 실행되는데, 첫번째로 CNTnt(소정의 두께를 가지되 바람직하게는 10 nm 이하의 두께로)의 자기조립의 개선을 위해, 두번째로, Al을 구성요소로한 이중층 라미네이트(소정의 두께를 가지되, 바람직하게는 50 내지 100 nm의 두께로)의 형성을 위해, 세번째로는 카운터 전극(counter electrode)(소정의 두께를 가지되 바람직하게는 5 nm 이하의 두께로)의 형성을 위해서이다. 상기한 모든 예에서, 스퍼터링 조건은 다음과 같다.

기저압력이 ~2.4 x 10^-7 Torr에 도달한 후에 로드락(load-lock)을 통해 샘플이 스퍼터링 챔버내에 놓여진다. 스퍼터링 과정 중에 4 mTorr 의 백그라운드 Ar(99.999 %)압력이 유지된다. 샘플홀더는 챔버에 열적으로 결합된다. DC 마그네트론 소스(DC magnetron source) 상의 Al 타겟은 바람직하게는 0.335 nm/sec의 증착율로 100 W에서 스퍼터링된다. 증착율 및 박막 두께는 단면측정계(profilometer) 및 조정된 AFM에 의해 측정된다(Digital Instruments NanoScope IIIa).

상기한 과정에 있어서, 열적 스트레스를 평가해보면, Al 및 GaAs에 대한 선형 열팽창계수(α)는 각각 23.1 x 10^-6 K^-1 및 5.8 x 10^-6 K^-1이다. 3분간의 증착 동안 10 K의 △T를 가정하면, 온도변화에 의한 평면 내 스트레스를 그리피스([1]J. H. E. Griffiths, Physica 17, 253 (1951))에서와 같이

로 표현한다. 만일, Al 영의 계수(Young’s modulus)(70 GPa) 및 포아송량 (Poisson ration)(0.35)에 대해 벌크 값을 사용한다면, σ_T ~ 18 MPa이다. 이같은 평가치는 50 nm Al 이중 고정보 구조로부터 조절된 내부 스트레스 값에 근접한다. 실제적인 필름에서, 박막 내의 총 내부스트레스는 열적 스트레스 및 집합적 형태(morphology)의 합이다.

이하에서, CNTnt의 자기조립 및 이중 고정보의 제조방법을 상세히 살피면 다음과 같다. 다만, 아래에서 설명하는 제조방법에 있어 사용된 단위들은 본 발명을 예시하기 위함이며 이에 한정되지 않음은 명백하다.

CNTs의 링크프리 조립체는 도 2에 도시된다. 에피-레디(epi-ready) 세미 인슐레이터(semiinsulator) GaAs(001)기판 표면이 10nm Al의 스퍼터링 증착에 의해 조절된 후에, 기판은 상온의 o-디클로로벤젠(o-dichlorobenzene)용매와, 2~3㎛ 길이를 갖는 단일벽 카본 나노튜브(single walled carbon nanotube,swCNT) 0.1 mg/ml 용액에 놓여진다. 용액으로부터 기판을 제거 후에, 샘플은 액체질소에서 건조된다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 단계는 유효두께 0.19nm의 단일층, 이중층(0.35 nm) 및 삼중층(0.41 nm)을 생성하기 위해 반복된다.

~0.41 nm의 두께를 갖는 CNTnt의 형성 후에, 표준 전자선묘화법 및 사진평판술(photolithographic techniques)에 의해 이중 고정보 형상이 패턴되고, 뒤이어 Al의 스퍼터 증착 및 박리(lift-off)를 이용해 마이크로공진기를 패턴한다. 잔존하는 CNT는 자기정렬 식각마스크(self-aligning etch mask)로 기능하는 패턴된 빔을 이용해 반응성 이온 식각에 의해 제거된다. 빔 공진기는 등방성의 GaAs 화학적 식각용액인 묽은 시트르산/과산화수소 용액에 의해 기판으로부터 현수(suspended)된다. GaAs 식각용액이 사용된 경우 Al 및 CNT 양자는 화학적으로 비활성임이 판명되었다. 식각 후에는 즉각적으로 샘플을 임계점 건조기술에 의해 건조시킨다. 끝으로, 5 nm Al 버텀 카운터 전극층(bottom counter electrode layer)이 증착된다. 도 4(C-E).

즉, 상기한 swCNT의 링크프리 조립 후에, 전기적 리드(lead)를 따라 NEMS 공진기 구조를 패턴하기 위해, 이중층 레지스터 시스템(300 nm 두께의 copolymer 및 500 nm Poly methyl methacrylate(PMMA))를 제거하기위해, 전자선(e-beam)을 래스터(raster)하는 Nabity NPGS를 사용한, 열 방사 SEM에 의한 전자선묘화법(e-beam lithography)을 채용한다. MIBK/IPA(Methyl Isobutyl Ketone/Isopropyl Alcohol) 1:3 용액에서 형성한 후에, IPA에서 헹구고, N2에서 건조시킨 후에, 한층 더한 Al 스퍼터 증착(50 또는 100nm의 두께))후에 이중 고정보 및 대응하는 전기적 리드를 아세톤에서 박리함으로써 패턴된다. 이어서,75 W에서 SF₆ (~100 mTorr)를 이용한 반응성 이온식각(Reactive Ion etching)을 이용해 잠재적이고 노출된 CNT층을 제거한다. GaAs 기판으로부터 메탈/CNT NEMS 구조의 현수는 상기 과정에 사용되는 CNT 및 메탈에 거의 영향이 없는 것으로 증명된 GaAs에 대한 표준 식각용액에 의해 행해진다. GaAs층의 에칭과정을 위해, 습식 에찬트로서 시트르산/과산화수소 (5:1)혼합물을 사용한다. 비록 에치스톱(etch-stop)을 위해 기판에 헤테로구조층을 채용하지 않더라도, 에칭과정은 정규화된 식각율(~300nm/min.) 및 식각시간에 의해 제어될 수 있다. 식각과정 후에, 증착과정에서 용액의 표면장력에 의한 악영향을 최소화하기 위해 임계점 건조를 활용한다. 제조후에는 Al와이어에 의해 빔을 전기적으로 연결하기 위해 웨지 본더(wedge-bonder)가 이용된다.

본 발명의 동적 측정을 위해, 마이크로공진기는 가변 주파수, 진폭 및 바이 어스를 갖는 사인파 파형(

)을 출력하는 함수 발생기에 의해 정전기적으로 구동된다. 마이크로공진기의 시변환 변위 응답(time-varying displacement response)은 표준 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer) 유사 구성에서 마이크로공진기가 반사경(mirror)으로 작용하는 곳에서 광학적으로 검출된다. 중심부에서 빔 스플리터(splitter)를 갖는 간섭계의 또 다른 레그(legs)는, 수 nm 해상도를 갖는 압전 엑츄에이터에 의해 변화될 수 있는 초기 위치에서, 고정된 반사경 및 락인(lock in) 증폭기에 의해 판독되는 고 대역폭 광검출기를 포함한다.

상기한, 이중보의 동적 측정은 다음과 같다. 이중보와 기판간에 특정주파수의 전압신호를 인가함으로써, 기계적 구조는 의도된 주파수에서 구동된다. 만일 이같은 구동력이 역학적 모드의 기본주파수와 간섭된다면 빔은 나노미터 단위로 진동한다. 이같은 변위는 광학간섭계 측정에 의해 관찰될 수 있다(도 5). 동적 측정에서, 레이저빔은 샘플 표면에 도달하고 현수된 공진기에 의해 반사된다. 현수된 공진기가 움직임에 따라 대물렌즈의 초점이 패들(paddle) 표면으로부터 이동되고 반사된 빔반경은 발산한다. 따라서 NEMS 공진기 구조의 변위는 가우시안 빔 형태로 변화한다. 레이저빔 형태의 변화는 광검출기에 의해 검출되는 입사(incident) 빔 강도에 영향을 미친다. 광검출기는 입사 레이저 및 포토다이오드 상의 반사된 레이저간의 광학적 강도차를 감지한다. 이러한 점에서, 만일 공진기의 공진주파수에 대응하는 AC 바이어스에 의해 공진기를 구동하면 위치변화는 광검출기로부터의 전기적 신호에 영향을 미친다. RF 락인(rock in) 증폭기를 사용해 출력전압의 작은 변화도 감지될 수 있다. 고정된 미러는 물론 광학적 구성을 위해 10mW He-Ne 레이저를 이용한다. 10V 구동신호에 대해, 빔에 13.5 μN/m에 이르는 길이당 대응하는 힘을 인가한다. 광학적 측정은 상온에서 적정 진공상태(~100 Pa)로 행해진다.

100 kHz에서 80 Mhz에 걸친 스펙트럼 응답은, 기본모드에서 빔의 휨응답과 높은 고조파(harmonics) 및 2㎛ 미만의 언더애치(underetch)에 기인하는, 빔 클램프 부근의 불가피한 오버행(overhangs) 응답을 나타낸다. 한편, 공진기를 레이저 스폿(laser spot)에 각각 위치시킴으로써 빔으로부터 유래하는 특징을 증명하고, 광검출기의 강도는 기본모드에 대응하는 주어진 공진 주파수에 대하여 기대한 바와 같이 빔 중심부에서 최대화되는지 관찰한다(도 4에서 (f)). 주어진 기하학적 구조에서 Al/CNTnt 공진기는 Al 공진기에 비해 높은 공진 주파수를 보인다. 응답은 Al/CNT 및 Al 공진기간에 어떠한 통계학적 구별없이 110-190 Q-팩터 범위에서 로렌쯔 함수에 들어맞는다. 이 경우 기하학적 구조 및 주변환경에 의존한 감쇠 메카니즘은 어떠한 내부 에너지 손실 메카니즘 보다 더 주요함을 암시한다.

유사한 디멘젼 및 힘에 있어서, 유효한 영률 E의 차는

에서의 차를 쉽게 설명할 수 있음은 명백하다(A. N. Cleland, Foundation of Nanomechanics (Springer, Berlin, 2003)). 실용적 목적을 위해, CNT의 유효한 부피는 1% 미만이 어야 하고, 여기에서 두께 및 밀도는 유사한 것으로 가정한다.

강제 고조파 공진기(forced harmonic resonator)를 위해 다음과 같은 식을 제시한다.

, 여기에서 m은 질량, γ는 감쇠 계수,F _o 는 시변환 힘(time varying force)의 크기이다.

빔축(beam axis)은 X축으로, 진동축은 Z축으로 한 좌표계를 선택한다.

진동의 진폭을 구하기 위해,

는 실수부를 갖는 로렌쯔 함수인 점에서 식

을 제시한다. 여기에서

=

, Q =

이다.

이어서, 운동방정식

을 적용한다. 여기에서 I는 2^nd 관성모멘텀,

는 구조 내에 내부스트레스, A는 횡단면적이다.

최근에

가 나노메커니즘 공진기에서 중요한 역할을 함이 밝혀졌다.

이어서, 길이 L을 가진 빔에 대해 적절한 경계조건을 고려하면, 유효 스프링 상수 k 및 및 두께 t를 갖는 박막 빔에 대한

는 하기식과 같이 표현할 수 있다.([28]S. S. Verbridge, D. F. Shapiro, H. G. Craighead, J. M. Parpia, Nano Letters 7, 1728 (2007)).

(식1)

(식2)

상기 식은 선현영역에서 유효하다. 기하학적 구조를 고려한다면, 비선형은 역학적항 및 강제항에 영향을 주는 전기적인 항에 기인한다. 전자에 있어서 σ-ε곡선의 경사는 복원력이 증가되는 진폭과 함께 커짐에 따라 큰 스트레인에 대해 비선형이며, 후자의 경우 단순한 병렬 캐페시터모델로부터의 편차에 대해 비선형이다. 주목할 것은 길이 비에 대한 새그(sag)가 1보다 매우 작은 현수된(suspended) 케이블에 유사한 기하학적 구조의 경우에는,

인 경우에서와 마찬가지로 팽팽한 실(taut string)과 같이

이라는 점이다.

시종속 강제항(forcing term)의 진폭이 증가함에 따라 광검출기 신호도 대응하여 증가함을 알 수 있다. 상기한 소정의 진폭에서 Al 마이크로 공진기의 경우 같은 힘이 인가되는 동안 최대변위와 관련된 주파수(

)에서 현저한 시프트(shift) 또는 증가를 보이는데, 이같은 주파수에서의 시프트는 Al/CNTnt 공진기에서 줄어든다. 이는 빔의 비선형 응답으로부터 설명되어진다. 일반적으로 비선형 스프링력은

로 표현된다. 여기에서 k는 선형스프링 상수(식 1), k _n 은 n ^th차 보정(correction)이며, 이 경우

이고,

,

이다. 만일, V _DC = 0인 기계적, 전기적인 항으로부터 야기된 비선형만을 고려한다면,

이다. 1차 기계적 보정은

이고 전기적/캐패시턴스 보정은 V _DC = 0에 대해

이다. 이제

인 경우, 더핑 오실레이터(Duffing oscillator)로 기술되는 식을 취하는데,(J. S. Aldridge, A. N. Cleland, Phys. Rev. Lett . 94, 156403 (2005), R. L. Badzey, P. Mohanty, Nature 437, 995 (2005)) 이는 최근에 새로운 센서검출 및 신호처리 방안을 도시하기 위한 NEMS 이중 고정 공진기로 설명된다. 우선,

가 V _AC (‘경화’(hardening))로 증가될 것인지 감소(‘연화’(softening))될 것인지는 k ₂ 신호에 달려있다(V. Kaajakari, T. Mattila, A. Oja, H. Seppa, Journal of Microelectromechanical Systems 13, 715 (2004)). 정전기력은 기하학적으로 종속적이고 거의 동일하기 때문에, Al 및 Al/CNTnt 마이크로공진기에 대한 힘 항(force term)은 단지 유효한 E에 종속적인 기계적 복원력(또는 평형 지점으로부터의 변위)에 의해 지연된다.

도 6에서는 본 발명의 일실시예에 따라 동일 디멘젼(50 nm x 3 μm x 14 μm)의 Al(a-c) 및 Al/CNTnt (d-f) 이중 고정보에 대한 첫번째 기본모드 부근에서의 동적 휨 응답이 도시된다. 낮은 V _AC를 가지고 V _DC = 0 (a,b,d,e)인 경우에, 로렌 쯔함수에 잘 적용되는 측정점을 찾는다. 증가하는 힘 진폭(force amplitude)(V _AC = 4, 10 and 19)을 가지는 Al빔에 대해, 응답은 “경화”(hardneing)를 갖는 비대칭이지만(b), Al/CNTnt의 경우는 반대로 “연화”(softening)를 갖는 대칭이다(e). 이같은 거동은 Al 이중 고정보를 특징지우는 기계적 비선형성을 나타낸다. 비선형 응답은 Al 빔에 대해 V _DC= 5인 경우 Al/CNTnt 빔(e) 보다 분명하다(c). 거의 동일한 구동 정전기력에서 Al 빔의 변위는 Al/CNTnt보다 기계적으로 큰데, 이러한 차이는 Al 빔의 기계적 비선형 ‘경화’응답에 의해 증대된다. 큰 변형이론(deformation theory)을 이용한

의 계산이 매우 어려움에도 불구하고, E의 정확한 값을 정량화하는 것이 상기 응답으로부터 가능하다 하더라도 첫 번째 휨 모드(flexural mode)의 응답주파수의 의미에 중점을 두기로 한다. 주어진 빔의 폭에 대해 변화된 길이를 비교함으로써

는 L에 상당히 종속적임을 증명한다. 100 nm Al/CNTnt 및 Al 공진기에 대해 Al 두께를 50 nm ~ 100 nm로 변화시킬 때, L > 20㎛인 경우

인 반면 L < 20㎛인 경우

임을 알 수 있다. 반면에, 50 nm Al/CNTnt 및 Al 공진기의

는 쉽게 상기 식2에 적용된다.

상기에서, 비선형성이 나타난다는 것은 Al이 크게 움직일 때나 외부에서 큰 힘이 주어져 많이 휘어있어 영의 계수(young's modulus)가 바뀐다는 것을 의미한다. 그러나 Al/CNTnt의 경우에는 상기한 Al과 같이 크게 움직인 경우나 큰 힘이 주어진 경우에라도 같은 강도를 유지할 수 있고, 그 결과 Al/CNTnt에서 비선형성이 사라졌으므로 Al보다 더 큰 강도를 가진다는 것을 의미한다.

도 7에서는 본 발명의 일실시예에 따라 (a)에서는 2 및 3μm 폭을 가지는 100 nm Al (붉은 원으로 표시) 및 Al/CNT (푸른 원으로 표시) 공진기에 대해, (b)에서는 2μm 폭을 갖는 50 nm Al 및 Al/CNTnt 공진기에 대해, (c)에서는 3μm 폭을 가지는 50 nm Al/CNTnt 공진기에 대해 구성된 빔 길이(l)의 작용으로서의 공진주파수(f _o )의 플롯을 도시한다. 도시된 바와 같이 100 nm Al 및 Al/CNT 이중보에 대해, l < ~20μm 이면 Al 및 Al/CNTnt 공진기는

이고, l > ~20 μm이면

이다. 50 nm Al 및 Al/CNT 이중 고정보에 대해, 5 μm

l

50 μm 범위에서 식2를 적용하면 Al(붉은색) 및 Al/CNTnt(푸른색) 라인에 의해 도시된다.

이같은 고찰은

인 경우에 증착시간(deposition time)(Al/GaAs의 선형 열평형계수 ~4.18)을 갖는 증가된 내부 필름 스트레스(

) 로 설명되어질 수 있고, 보다 긴 빔 구조에 있어서

는 구조가 거의 자유롭게 현수됨에 따라 제거된다는 것으로 설명되어질 수 있다. 따라서 100 nm Al 및 Al/CNTnt로부터 E 및

의 값을 결정하기 위해 상기한 식2를 적용하는 것은 어렵다. 유일한 조정계수로서 E 및

를 갖는 2(및 3)㎛ 폭의 50 nm Al 및 Al/CNTnt 응답을 위한 조정은 유 사한 내부 스트레스에서 E _{50nmAl / CNT} = 224± 15 GPa (280±51 GPa) 및 E _50nmAl =100±12 GPa (127±51 GPa):

=22MPa±3 MPa (22MPa±10 MPa) 및

=15MPa±2.5 MPa (18±4 MPa) 또는 E _{Al / CNT} /E _Al

2.2 및

이다.

이같은 기본적 응답모드의 동적 휨 측정치들은 CNTnt 상에 50 nm Al이 증착된 빔 구조에 대한 유효한 E 보다 2배 이상 크다는 것을 보여준다. 100 nm Al 샘플의 경우 L에 종속적인 큰

로 인하여 E에 대해 상기한 식2를 적용하기는 곤란하다. 감소된 디멘젼에서 AFM 켄틸레버 팁을 이용한 포스 스펙트로스코피는 나노와이어 및 나노로드의 기계적인 특성을 측정하는데 성공적이었다. 따라서, 중심부에서의 빔의 준정적 휨 측정은 E를 정량화 하는데 이용된다. 빔의 중심부에서변위는

로 표현되는데, 여기서 Z _piezo 는 AFM에 MLGO 가동되는 거리이고, Z _deflection 는 광검출기에 의해 측정된 캔틸레버의 편향(deflection)으로서 기판을 측정(i.e. Z _beam = 0)함으로써 조정된다. 평형 지점(equilibrium position) 부근에서 빔(m _beam ) 및 기판(m _sub ) 상의 힘 대 변위(force vs. displacement) 측정치의 기울기로부터 단순히 후크의 법칙을 적용하고 스프링 상수

를 도출한다. 휨 부하(flexural loading)의 기하학적 구조 및 k _eff 로부터

이다. 8~22㎛의 L을 가지는 빔에 대해, 동적 휨 측정치와 일치하는 준정적 측정으로부터 E _{100nmAl / CNT} = 212±58 GPa 및 E _100nmAl = 135.88±50 GPa를 평가한다.

도 8에서는 (a)부분에서는 포스 디프렉션 스펙트로스코리의 개략도가 도시되고, (b)부분에서는 Al빔(100 nm x 3 μm x 17 μm) 에 대한 포스 디프렉션 커브가 도시되며, (c)부분에서는 Al/CNTnt빔(100 nm x 3 μm x 22 μm) 에 대한 포스 디프렉션 커브가 도시된다. 포스 디프렉션 커브의 모든 기울기는

부근에서 조절된다.

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 CNTnt 상에 형성된 금속 박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 세미인슐레이터(SI) GaAs(001) 기판상에 swCNT 의 링크프리의 개략도를 도시한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 0.41 nm CNTnt층에 대하여 Al/CNTnT의 SEM이미지를 가지는 GaAs 기판상에서의 swCNT 링크프리 AFM이미지를 도시한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 (a)에서 Al/CNTnt 이중 고정보 제조방법의 개략도로써, (i) 기판상에 swCNT의 링크프리 조립 후, (ii)전자선묘화법 및 사진평판술 공정 후에 Al의 스퍼터 증착 및 박리 후, (iii) 동적 휨 측정을 위한 전기적 결선을 도시하고, (b)에서 (i)과정 후 표면에 대응하는 0.41 nm 유효두께를 가지는 CNTnt의 AFM 이미지를 도시하며,(c)에서 (ii)과정 후 표면에 대응하는 Al/CNTnt 의 FE-SEM 마이크로그래프를 도시하며, (d)에서 테스트 샘플로부터 빔에 혼합된 실제적인 CNT를 도시하기 위한 현수된 CNTnt의 FE-SEM 이미지를 도시하며, (e) 2개의 이중 고정된 Al/CNTnt(3μm의 폭과 23 및 26μm의 길이를 및 50 nm 의 두께를 가지는 Al과 함께) SEM 이미지가 적절한 색상으로 Al/CNTnt 층과 함께 도시하며,(f)에서 스펙트럼 응답이 측정된 후에 특정한 Al/CNT 빔(100 nm x 3 μm x 17 μm)에 대하여, 첫 번째 기본 진동 모드는 공명진동수 f _o (20.88 MHz)의 일정한 정전기 파형이 인가되는 동안 샘플홀더를 광학적으로 xy 스캐닝함으로써 증명됨을 도시한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 동적 휨측정 구성의 개략도를 도시한다.

도 6는 본 발명의 일실시예에 따라 동일 디멘젼(50 nm x 3 μm x 14 μm)의 Al(a-c) 및 Al/CNTnt (d-f) 이중 고정보에 대한 첫 번째 기본모드 부근에서의 동적 휨 응답이 도시된다. 낮은 V _AC를 가지고 V _DC = 0 (a,b,d,e)인 경우에, 로렌쯔함수에 잘 적용되는 측정점을 찾는다. 증가하는 힘 진폭(force amplitude)(V _AC = 4, 10 and 19)을 가지는 Al빔에 대해, 응답은 “경화”(hardneing)를 갖는 비대칭이지만(b), Al/CNTnt의 경우는 반대로 “연화”(softening)를 갖는 대칭이다(e). 이같은 거동은 Al 이중 고정보를 특징지우는 기계적 비선형성을 나타낸다. 비선형 응답은 Al 빔에 대해 V _DC= 5인 경우 Al/CNTnt 빔(e) 보다 분명하다(c).

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 (a)에서는 2 및 3μm 폭을 가지는 100 nm Al (붉은 원으로 표시) 및 Al/CNT (푸른 원으로 표시) 공진기에 대해, (b)에서는 2μm 폭을 갖는 50 nm Al 및 Al/CNTnt 공진기에 대해, (c)에서는 3μm 폭을 가지는 50 nm Al/CNTnt 공진기에 대해 구성된 빔 길이(l)의 작용으로서의 공진주파수(f _o )의 플롯을 도시한다. 도시된 바와 같이 100 nm Al 및 Al/CNT 이중보에 대해, l < ~20μm 이면 Al 및 Al/CNTnt 공진기는

이고, l > ~20 μm이면

이다. 50 nm Al 및 Al/CNT 이중 고정보에 대해, 5 μm

l

50 μm 범위에서 식2를 적용하면 Al(붉은색) 및 Al/CNTnt(푸른색) 라인에 의해 도시된다.

도 8에서는 (a)부분에서는 포스 디프렉션 스펙트로스코피의 개략도가 도시되고, (b)부분에서는 Al빔(100 nm x 3 μm x 17 μm) 에 대한 포스 디프렉션 커브가 도시되며, (c)부분에서는 Al/CNTnt빔(100 nm x 3 μm x 22 μm) 에 대한 포스 디프렉션 커브가 도시된다. 포스 디프렉션 커브의 모든 기울기는

부근에서 조절된다.

Claims (8)

1. CNTnt 상에 금속박막이 일정 두께를 가지고 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 CNTnt는 일정 두께로 적층된 금속박막 상에 CNT(carbon nano tube)의 자기조립체가 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 CNT(carbon nano tube)의 자기조립체는 일정 두께의 단일층, 이중층 및 삼중층이 순차 적층되어 구성됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 금속박막은 알루미늄(Al)으로 구성됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금 속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 적층은 스퍼터링 증착에 의해 적층됨을 특징으로 하는 CNTnt 상에 형성된 금속박막을 가지는 독립한 금속성 마이크로메카니컬 구조.
6. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 구조를 이용한 공진기 구조.
7. 제 4항에 의한 구조를 이용한 공진기 구조.
8. 제 5항에 의한 구조를 이용한 공진기 구조.

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