KR20130057546A

KR20130057546A - 전도성고분자와 이종물질간 복합체의 3차원 미세와이어 제조 방법

Info

Publication number: KR20130057546A
Application number: KR1020110123310A
Authority: KR
Inventors: 설승권; 김대호; 정순신; 장원석
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-06-03

Abstract

본 발명은 전도성고분자와 이종물질간 복합체의 3차원 미세와이어를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 펜(fountain pen) 형태의 노즐을 이용한 국부성장방법을 통해 전도성고분자와 이종물질이 물리적으로 혼합된 미세와이어(특히, 마이크로와이어 또는 나노와이어)의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전도성고분자-이종물질 복합체 3차원 미세와이어를 제조하는 방법에 있어서, 펜(fountain pen) 형태의 노즐을 이용하는 국부성장방법을 이용하고, 펜에 잉크(Ink)로서 전도성고분자와 이종물질의 혼합 용액을 주입하는 것을 특징으로 하며, 상기 잉크용액의 혼합조합을 제어함으로써 전도성고분자-이종물질 복합체 3차원 미세와이어의 전기적, 기계적, 화학적 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 미세와이어 제조 방법을 제공한다.

Description

전도성고분자와 이종물질간 복합체의 3차원 미세와이어 제조 방법{Method for Manufacturing 3D Micro- and Nano-Wire having Mixture of Conductive Polymer and Heterogeneous Material}

본 발명은 전도성고분자와 이종물질간 복합체의 3차원 미세와이어를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 펜(fountain pen) 형태의 노즐을 이용한 국부성장방법을 통해 전도성고분자와 이종물질이 물리적으로 혼합된 미세와이어(특히, 마이크로와이어 또는 나노와이어)의 제조 방법에 관한 것이다.

전도성고분자와 이종물질간의 복합체는 밀도가 낮아 비전도율(Specific Conductivity)가 금속보다 높으며 혼합되는 이종물질의 농도에 따라 전기전도도를 조절할 수 있다는 장점이 있어 전기 전도성 재료로서 널리 사용되고 있다. 그리고 기계, 화학적인 측면에서도 전도성 고분자 자체보다 높은 강도와 화학적인 안정성을 가지며 금속과 비교해서는 금속보다 가공성이 월등히 뛰어나다는 장점과 유연하고, 무게가 가볍다는 장점을 가진다. 이러한 우수한 특성으로 인해 전도성고분자-이종물질 복합체는 생명과학 (life science), 바이오-의료 센서 (sensor), 미세전자공학 (microelectronics), 디스플레이 (display) 등과 같은 응용 분야에서 활용될 수 있다.

이와 같은 응용을 위해서는 전도성고분자-이종물질간 복합체의 3차원 구조물 제작, 정렬 공정이 필요하다. 특히 와이어 형태의 3차원 미세구조물은 복잡한 구조물 제작에 있어 기본 단위가 되며, 그 응용 범위가 광범위하다. 이러한 “마이크로 와이어” 또는 “나노 와이어”가 효과적으로 응용되기 위해 필요한 요건들은 다음과 같다. 먼저, 고 종횡비를 갖는 구조물이 요구되며, 구조물을 원하는 위치에 개별적으로 제작될 수 있어야 하고, 제작한 구조물의 특성 조작 (property modification)이 용이해야 한다. 마지막으로 공정이 간단하고 저렴해야 한다.

현재 가장 널리 사용되는 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어 제조 방법은 나노 템플레이트(template)에 전도성고분자와 이종물질이 용해된 용액을 채우고 전기화학방식으로 제조하는 것이다. 이 방법은 한 번에 다량의 와이어를 제작할 수 있다는 강점을 갖는다. 이때, 와이어의 크기와 수는 template가 갖는 포어(pore)의 크기와 수에 따라 조절이 가능하다. 하지만 전기화학방식을 기반으로 하기 때문에 사용되는 물질과 공정 조건의 제한이 있으며, 제조된 와이어를 원하는 위치에 정확히 정렬하는데 어려움이 있어 이를 위한 추가 공정이 필요하게 되는데 이 작업은 마이크로, 나노미터 단위에서 많은 기술적 어려움이 따른다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 전도성고분자-이종물질 복합체 3차원 미세와이어를 제조하기 위해 전도성고분자와 이종물질이 물리적으로 혼합된 용액을 사용하여 적용 가능한 물질의 한계가 없도록 할 수 있으며, 상기 용액의 조합을 제어함으로써 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 특성 제어가 가능하고, 미세와이어를 제조하는 방법에 있어서, 펜(fountain pen) 형태의 노즐을 이용하는 국부성장방법을 통해 공정 조건의 제한이 없다는 것과 단일 공정으로 제조된 와이어의 정확한 정렬이 가능하도록 한 미세와이어 제조 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 미세와이어의 제조방법은, 전도성고분자와 이종물질이 혼합된 잉크를 제조하는 단계; 제조된 상기 잉크를 일정 직경의 개구를 갖는 펜 형태의 노즐에 주입하는 단계; 및 상기 펜 형태의 노즐을 기판의 표적 위치에 접촉시킨 후 메니스커스(Meniscus)를 형성하면서 일정 속도로 상기 펜 형태의 노즐을 상, 좌, 혹은 우 방향으로 당겨 올리면서 미세와이어를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 펜 형태의 노즐의 상기 개구의 크기가 직경 10nm에서 500㎛의 범위에서 결정될 수 있다.

제어 장치에 의해 제어되어, 상기 펜 형태의 노즐이 상기 표적 위치에 접촉된 후 당겨 올려지며, 상기 미세와이어를 형성하는 과정을 디지털 카메라로 촬영하여 디스플레이 장치로 디스플레이하여 사용자가 관찰하도록 할 수 있다.

상기 전도성고분자로서, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiopene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 또는 폴리아세틸렌(Polyacetylene)을 포함하고, 상기 이종물질로서, 탄노나노튜브, 그래핀, 금속 나노입자, 반도체 나노입자, 또는 고분자 나노입자를 포함하며, 형성되는 상기 미세 와이어의 일정 전기적, 화학적, 또는 기계적인 특성을 획득하기 위하여, 상기 전도성고분자와 상기 이종물질의 농도 비율이 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 미세와이어 제조 방법에 따르면, 전도성고분자-이종물질 복합체 3차원 미세와이어 제조 시 전도성고분자와 이종물질의 물리적인 혼합 용액을 사용하여 적용 가능한 물질의 한계가 없으며, 상기 용액의 조합을 제어함으로써 3차원 전도성고분자-이종물질 복합체의 특성 제어가 가능하고, 미세와이어를 제조하는 방법에 있어서, 펜(fountain pen) 형태의 노즐을 이용하는 국부성장방법을 통해 단일 공정으로 미세와이어의 제조와 정렬이 동시에 가능하다. 이는 다단계의 공정을 필요로 하며 적용할 수 있는 물질과 공정 조건의 한계를 가지고 있는 종래의 3차원 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어 제조 방법의 문제를 해결할 수 있는 방법을 제공한다.

도1은 본 발명에 따른 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어를 제조하는 국부성장방법의 모식도,
도2는 본 발명에 따른 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 제조 순서도,
도3은 본 발명에 따른 PEDOT:PSS와 금 나노입자가 혼합된 잉크용액을 이용하여 제조된 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 주사전자현미경(SEM) 사진,
도4는 본 발명에 따른 PEDOT:PSS와 탄소나노튜브가 혼합된 잉크용액을 이용하여 제조된 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 주사전자현미경(SEM) 사진.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명에서는, 전도성고분자와 이종물질이 물리적으로 혼합된 잉크를 이용하여 국부성장방법으로 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어를 제조하고자 하였고, 이러한 본 발명에 있어서 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 물리적, 화학적, 기계적 특성은 잉크용액의 조합을 변화시킴으로써 조절이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어를 제조하는 국부성장방법의 모식도이다. 도2는 본 발명에 따른 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 제조 순서도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 제조방법에 있어서, 먼저, 전도성고분자와 이종물질이 혼합된 잉크를 제조하고(S10), 제조된 잉크를 미세한 개구 크기를 갖는 펜(fountain pen) 형태의 노즐에 주입한다(S20). 여기서, 펜 형태의 노즐 개구의 크기는, 직경 10nm에서 500㎛의 범위에서 미리 결정될 수 있다. 잉크 주입 후 펜을 3차원 미세구조물이 제작되어야 하는 기판의 표적 위치에 접촉시킨다(S30). 접촉된 펜과 기판 사이에는 펜에서 유출된 잉크용액의 메니스커스(Meniscus)가 형성된다(S40). 메니스커스 형성 후 펜을 특정한 속도로 상, 좌, 혹은 우 방향으로 당기면 당기는 속도에 따라 특정한 크기를 갖는 미세와이어가 제조된다(S50). 이때 소정 제어 장치의 제어 명령에 따라 펜이 기판의 표적 위치로 이동되고 접촉된 후 미리 정해진 속도로 서서히 상, 좌, 혹은 우 방향으로 당겨져 미세와이어가 제조될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 제어장치를 통해 펜 형태의 노즐, 고분해능의 광학렌즈와 결합된 카메라, 및 LCD와 같은 디스플레이 장치를 제어하기 위한 명령들을 입력할 수 있으며, 기판 위에 미세와이어를 형성하는 동안 카메라가 촬영하는 영상을 LCD와 같은 디스플레이 장치를 통해 디스플레이함으로써 사용자가 미세와이어가 제조 과정을 관찰하도록 할 수 있다. 카메라는 동영상을 촬영할 수 있는 CMOS 이미지 센서, 또는 CCD 이미지 센서를 장착한 디지털 카메라일 수 있다.

제조 공정 중 펜과 기판 사이에서는 두 가지 현상이 발생하는데, 첫째는 펜에서 대기 중으로 유출되어 만들어진 잉크용액 메니스커스에서의 수분 증발이고 둘째는 펜을 당기는 속도에 따른 메니스커스 지름의 변화이다. 펜을 당기는 속도가 증가할수록 잉크용액의 메니스커스 지름은 작아지게 되고 이때 메니스커스의 표면적은 상대적으로 증가하여 수분 증발은 가속된다. 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어는 상기 두 가지 현상에 의해 형성된다. 즉, 공정 중 전도성고분자-이종물질 복합체를 형성시키기 위해 인위적인 에너지 공급을 필요로 하지 않는다. 이때, 제조된 미세와이어의 전기적, 화학적, 기계적인 특성은 잉크용액의 조합(전도성고분자와 이종물질의 농도 비율)을 변화시킴으로써 조절된다.

S10 단계에서, 전도성고분자와 이종물질이 혼합된 잉크를 제조할 때, 사용되는 전도성고분자는, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiopene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리아세틸렌(Polyacetylene) 등을 포함할 수 있다. 또한, 잉크에 포함되는 이종물질은 탄노나노튜브, 그래핀, 금속 나노입자, 반도체 나노입자, 고분자 나노입자 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어 제조 방법에 따른 구체적인 실시예를 설명하면 다음과 같다. 구체적인 실시 예에 있어서, 전도성고분자로는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)에 폴리스티렌설포네이트(PSS)가 첨가된 PEDOT:PS을 사용하고, 이종물질로는 금 나노입자와 탄소나노튜브(CNT)를 사용하였다.

<실시예1>

도3은 본 발명에 따른 PEDOT:PSS와 금 나노입자가 혼합된 잉크용액을 이용하여 제조된 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 주사전자현미경(SEM)(Scanning Electron Microscope) 사진이다.

1.3wt%의 PEDOT:PSS용액 100L와 800L의 금 나노입자 분산 용액이 혼합된 잉크를 펜에 주입하고 국부성장방법을 이용하여 PEDOT:PSS(전도성고분자)-금 나노입자(이종물질)의 복합체 미세와이어를 제조하였다. 도3에서 제조된 와이어의 뿌리(Root)는 기판과 결합되어 있으며 금 나노입자가 PEDOT:PSS에 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있다.

<실시예2>

도4는 본 발명에 따른 PEDOT:PSS와 탄소나노튜브가 혼합된 잉크용액을 이용하여 제조된 전도성고분자-이종물질 복합체 미세와이어의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

1.3wt%의 PEDOT:PSS용액 500?L 와 2.0wt%의 탄소나노튜브 분산용액 500?L가 혼합된 잉크를 펜에 주입하고 국부성장방법을 이용하여 PED0OT:PSS(전도성고분자)-탄소나노튜브(이종물질)의 복합체 미세와이어를 제조하였다. 도4에서 제조된 와이어의 뿌리(Root)는 기판과 결합되어 있으며 탄소나노튜브가 PEDOT:PSS에 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

메니스커스(Meniscus)
SEM(Scanning Electron Microscope)

Claims

전도성고분자와 이종물질이 혼합된 잉크를 제조하는 단계;
제조된 상기 잉크를 일정 직경의 개구를 갖는 펜 형태의 노즐에 주입하는 단계; 및
상기 펜 형태의 노즐을 기판의 표적 위치에 접촉시킨 후 메니스커스(Meniscus)를 형성하면서 일정 속도로 상기 펜 형태의 노즐을 상, 좌, 혹은 우 방향으로 당겨 올리면서 미세와이어를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세와이어의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 펜 형태의 노즐의 상기 개구의 크기가 직경 10nm에서 500㎛의 범위에서 결정된 것을 특징으로 하는 미세와이어의 제조방법.
제1항에 있어서,
제어 장치에 의해 제어되어, 상기 펜 형태의 노즐이 상기 표적 위치에 접촉된 후 당겨 올려지며, 상기 미세와이어를 형성하는 과정을 디지털 카메라로 촬영하여 디스플레이 장치로 디스플레이하여 사용자가 관찰하도록 하는 것을 특징으로 하는 미세와이어의 제조방법.
제1항에 있어서,상기 전도성고분자로서, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiopene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 또는 폴리아세틸렌(Polyacetylene)을 포함하고,
상기 이종물질로서, 탄노나노튜브, 그래핀, 금속 나노입자, 반도체 나노입자, 또는 고분자 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세와이어의 제조방법.
제1항에 있어서,
형성되는 상기 미세 와이어의 일정 전기적, 화학적, 또는 기계적인 특성을 획득하기 위하여, 상기 전도성고분자와 상기 이종물질의 농도 비율이 조절되는 것을 특징으로 하는 미세와이어의 제조방법.