KR20160000281A - 3차원 고분자 나노선 광배선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노선을 3차원으로 원하는 위치에 직접 성장시켜, 기판으로의 광손실을 원천적으로 차단하며 추가 조립공정에서 수반되는 공정의 복잡성과 물리적 손상 등의 문제들을 해결하는 새로운 광배선 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

3차원 고분자 나노선 광배선 및 그 제조방법{THREE-DIMENSIONAL PHOTONIC NANOWIRE BONDING, AND METHOD FOR MAKING THEREOF}

본 발명은 나노선을 광배선하는 방법에 관한 기술이고, 구체적으로는 고분자 나노선을 3차원으로 직접 성장시켜 3차원 광배선을 구현하는 방법에 관한 기술이다.

나노스케일 광학 구성요소들의 조립에 기반한 고밀도 광집적회로는 전자집적회로의 한계를 넘을 수 있는 새로운 미래기술이다. 지난 10여 년간 고밀도 광집적회로의 구현을 위해 다양한 종류의 나노스케일 광학 구성요소(nanoscale photonic elements)들이 개발되어 왔다. 이러한 구성요소들을 서로 연결하는 기술을 개발하는 것은, 나노스케일 광집적(nanoscale photonic integration)의 실현에 가장 기초가 되는 핵심과제이다. 나노스케일 구성요소 간 연결의 가장 유망한 접근방법은, 두 개의 떨어진 구성요소 사이에 나노선 광도파관(nanowire waveguide)을 집적시켜 에바네센트 결합(evanescent coupling)으로 신호를 주고받는 것이다.

현재까지 나노선 광도파관을 집적시키는 기술은, 이미 합성된 나노선을 평면상에서 수동으로 조립하는 방법(in-plane manual assembly)에 의존하고 있다. 하지만, 평면상에서의 조립은 나노선에서 기판으로의 광손실이 일어나고, 미세탐침(microprobe) 등을 이용하는 수동 조립은 공정이 매우 복잡하고 공정 중 나노선이 손상받기 쉽다는 문제점이 있었다.

국제특허 출원 WO 제2011/090226호에서는 마이크로 피펫 국부 화학 중합법을 이용한 고종횡비의 3차원 전도성 고분자 극미세 와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전도성 고분자 극미세 와이어와 배선에 관한 기술을 개시하였다.

본 발명은 나노선을 3차원으로 원하는 위치에 직접 성장시켜, 기판으로의 광손실을 원천적으로 차단하며 추가 조립공정에서 수반되는 공정의 복잡성과 물리적 손상 등의 문제들을 해결하는 새로운 광배선 방법 및 이에 사용되는 나노선과 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 나노선을 광배선하는 방법으로서, 광도파 기능이 있는 고분자물질을 연결하고자 하는 광학 구성요소 간에 3차원으로 직접 성장시켜 나노스케일 광배선을 구현할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태는 광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액을 마이크로 피펫에 충전하는 단계와, 상기 마이크로 피펫을 제1 접점에 접촉시키는 단계와, 상기 마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화된 광도파 고분자 나노선을 제작하는 단계와, 상기 마이크로 피펫을 제2 접점에 접촉시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 고분자 물질 용액은 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 용매에 광도파 기능이 있는 고분자를 용해시켜 제조한다.

바람직하게는, 상기 광도파 고분자는 폴리스틸렌(Polystyrene; PS), 폴리메타크릴산메틸(poly(methylmethacrylate); PMMA), 폴리카보네이트(Polycarbonate)로 이루어진 군에서 선택된 1종이다.

바람직하게는, 상기 마이크로 피펫의 개구부의 직경은 0.1 μm 내지 1 μm이다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는, 광도파 고분자 나노선을 제조하는 방법으로서, 광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액을 마이크로 피펫에 충전하는 단계, 상기 마이크로 피펫을 제1 접점에 접촉시키는 단계, 및 상기 마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 고분자 물질 용액은 상기 고분자 물질 용액은 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 용매에 광도파 기능이 있는 고분자를 용해시켜 제조한다.

바람직하게는, 상기 광도파 기능이 있는 고분자는 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종이다.

바람직하게는, 상기 마이크로 피펫의 개구부의 직경은 0.1 μm 내지 1 μm이다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는, 상기 방법 중 어느 하나로 제조된 광도파 고분자 나노선이다.

바람직하게는, 상기 나노선은 아치 형태이다.

또한 바람직하게는, 상기 나노선은 제1 접점에서 제2 접점으로 광신호를 전달한다.

본 발명에 따르면, 고분자 나노선 3차원 광배선 기술은 2차원 평면조립 기술의 근본적인 문제인 '기판으로의 광손실'과 '물리적 손상' 등을 효과적으로 해결할 수 있다. 배선기술에 있어서 3차원 공간을 활용하는 것은 기존의 문제를 해결하는 것 이상의 효과를 갖는다.

배선 기술에 있어서, 3차원 공간을 활용하는 것은 기존의 문제를 해결하는 것 이상의 효과를 갖는다. 우선, 3차원 형태로 배선함으로서 신호 혼선(cross-talk)없이 적층 집적(overlapped stacking)이 가능하다. 적층 집적을 활용하면 회로 디자인이 매우 간단해지며 집적 밀도가 비약적으로 향상된다. 또한 본 발명에 의하면 유격이나 단차를 갖는 기판들 위에 배선을 연결할 수 있기 때문에 기판 간 배선(inter-chip interconnection) 등에 즉시 활용될 수 있다.

기존의 평면조립 기술은 나노선의 성장과 후 조립공정의 두 공정으로 분리된 복잡한 공정이었다. 하지만 본 발명에서 제시된 3차원 광배선 기술은 성장과 조립이 동시에 일어나는 원스텝 공정으로 간단하고 빨라서 광집적 분야의 핵심 기초기술로 이용될 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명은 산업적으로 기술적 가치가 크다. 해당 분야의 근본적인 문제를 해결할 수 있는 원천기술인 동시에, 독자적인 장점을 지니며, 즉시 적용할 수 있는 응용분야가 존재하고, 기존 기술대비 높은 생산성을 기대할 수 있기 때문이다.

도 1은 본 발명의 광도파 기능이 있는 고분자를 이용하여 3차원 나노선으로 광배선하는 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다양한 추가적 기능을 도시한 것이다. 도 2a는 신호혼선 없는 3차원 적층구조를 나타내며, 도 2b는 유격이 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타내며, 도 2c는 단차가 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타낸다.
도 3은 도 2에서 도시한 구조의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도 3a는 신호혼선 없는 3차원 적층구조와 나노선의 교차 부분을 확대한 구조를 나타내며, 도 3b는 유격이 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타내며, 도 3c는 단차가 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 광도파 고분자 3차원 구조의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 실제 광배선의 실시예로 광신호 전달기능을 시현하는 사진을 나타낸다. 레이져 조사에 대해 인광 특성을 보이는 ZnO 나노선으로부터 임의의 떨어진 지점까지 폴리스틸렌으로 광배선을 구현하였다.
도 6은 ZnO의 여기(excitation)에 따른 인광(photoluminescence)이 광배선으로 전달되어 떨어진 또 다른 ZnO에서 검출되는 것을 나타내는, 암시야(dark-field) 사진을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 중, 광학측정(도 5 및 도 6)을 시행한 실험장비의 개략도를 나타낸다. 국부적인 레이져 조사에 따른 인광 및 산란 특성을 측정하는 장비이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.

본 발명에서 "메니스커스(meniscus)"란, 계면장력에 의해 관 속의 액면이 이루는 곡면을 의미한다. 액체의 성질에 따라 액면이 오목하거나 볼록해진다.

본 발명에서 "광도파 기능"이란, 광신호를 효율적으로 전송하는 기능으로, 도파되는 빛의 파장에 대해 높은 투과도를 가지는 것을 의미한다. 또한, 본 발명에서 "광도파관"은 광신호를 효율적으로 전송하는 섬유로서, 도파되는 빛에 대해 높은 투과도를 가져서 빛의 진행에 따른 감쇄 손실이 적은 섬유를 의미한다.

본 발명은 나노선을 광배선하는 방법으로서, 광도파 기능이 있는 고분자 물질을 연결하고자 하는 광학 구성요소 간에 3차원으로 직접 성장시켜 나노스케일의 광배선을 구현하기 위한 것이다.

본 발명은 도 1에서 도시한 바와 같이, 나노선을 광배선하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액을 마이크로 피펫에 충전하는 단계(도 1a), 상기 마이크로 피펫을 제1 접점에 접촉시키는 단계(도 1b), 상기 마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화된 광도파 고분자 나노선을 제작하는 단계(도 1c), 및 상기 마이크로 피펫을 제2 접점에 접촉시키는 단계(도 1d)를 포함한다.

광도파 기능이 있는 고분자 물질은 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.

광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액은, 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 용매에 상기 광도파 기능이 있는 고분자 물질을 용해시켜 제조된다. 다만, 상기 용매에 한정되는 것은 아니며, 사용가능한 고분자 물질을 용해시킬 수 있는 특성이 있는 모든 용매를 포함할 것이다. 용해시키는 고분자 물질의 농도는 증발 속도와 점도의 차이 등의 요인에 의하여 변할 수 있다. 폴리스틸렌을 자일렌에 용해시키는 경우에는, 전체 용액의 중량에 대하여 0.1 내지 1.0 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 0.5 중량%인 것이 바람직하다. 농도가 너무 높을 경우 점도가 높아져서 메니스커스 형성이 불가하며, 농도가 너무 낮을 경우 나노선 구조 유지가 불가능하다.

마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시키며 인출하는 경우, 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화된 광도파 고분자 나노선이 제조된다. 구체적으로, 마이크로 피펫을 메니스커스를 유도할 정도의 간격으로 이격하면서 인출하는 경우, 내부의 액체가 빠르게 증발하면서 용해되었던 고분자가 응고되어 고분자 기둥 형태를 이루게 되는 것이다.

마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화된 광도파 고분자 나노선을 제작하는 단계에서, 나노선의 직경 및 길이를 조절할 수 있다. 즉, 마이크로 피펫을 인출시키는 속도 및 거리를 변화시킴으로써, 나노선의 직경 및 길이가 조절될 수 있다.

마이크로 피펫을 인출시키는 속도는 2.5 μm/sec 내지 25 μm/sec가 바람직하다. 인출 속도는 고분자 용액의 농도에 영향을 받을 수 있다. 인출 속도가 너무 빠를 경우 나노선의 직경이 너무 얇아져서 안정적인 구조물을 형성하지 못하고, 인출 속도가 너무 느릴 경우 응고가 나노선의 성장보다 빨리 일어나 거친 표면이 형성될 수 있다.

또한, 마이크로 피펫의 개구부의 직경은 0.1 μm 내지 1 μm가 바람직하다. 너무 작은 직경을 이용하면 나노선의 직경이 너무 얇아져서 안정적인 구조물을 형성하지 못하고, 너무 큰 직경을 이용하면 기판에 인접한 접합 부분과 나노선의 중간 부분의 직경차가 크게 발생하여 광도파 기능에 문제가 있을 수 있다.

도 2는 본 발명의 다양한 추가적 기능을 도시한 것이다. 도 2a는 신호혼선 없는 3차원 적층구조를 나타내며, 도 2b는 유격이 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타내며, 도 2c는 단차가 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타낸다. 또한, 도 3은 도 2에서 도시한 구조의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도 3a는 신호혼선 없는 3차원 적층구조와 나노선의 교차 부분을 확대한 구조를 나타내며, 도 3b는 유격이 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타내며, 도 3c는 단차가 있는 기판 사이를 배선하는 구조를 나타낸다. 즉, 본 발명을 이용하면, 3차원 형태로 배선됨으로써, 적층 구조로 배선할 수 있으므로 집적 밀도를 향상시킬 수 있으며, 기판 간에 간격이 있거나 단차를 갖는 경우에도 쉽게 배선할 수 있다.

또한, 본 발명은 광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액을 마이크로 피펫에 충전하는 단계, 상기 마이크로 피펫을 제1 접점에 접촉시키는 단계, 및 상기 마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화시키는 단계를 포함하는 광도파 고분자 나노선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

이와 같은 방법으로 제조된 나노선은 아치 형태일 수 있다. 또한, 나노선은 제1 접점에서 제2 접점으로 광신호를 전달할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 의하여 제조된 고분자 나노선의 3차원 구조의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 주사전자 현미경(FE-SEM, PHILIPS XL30SFEG)을 이용하여 측정하였다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

1. 제조 방법

폴리스티렌 분말을 0.5 중량%의 농도에서 자일렌 용매에 용해시켰다. 그 다음 용액을 팁 직경 ~ 0.5 ㎛의 유리 마이크로피펫에 채웠다. 용액이 채워진 마이크로피펫을 기판에 접촉시키면, 폴리스틸렌 용액의 메니스커스가 팁의 개구부의 바깥쪽으로 생성되었다. 마이크로피펫을 수직 방향으로 인출함으로써, 메니스커스 용액이 수직 방향으로 늘어나고, 용매는 빠르게 증발하여, 폴리스틸렌 나노선을 성장시켰다. 그 다음, 마이크로피펫을 또 다른 접점에 접촉시켜 3차원 나노선 광배선을 완성하였다.

2. 결과

도 5는 본 발명에 따라 제조된 실제 광배선의 실시예로 광신호 전달기능을 시현하는 사진을 나타낸다. 구체적으로, 도 5a는 광배선의 사이드 뷰를 나타내고, 도 5b는 광배선의 탑뷰를 나타내고, 도 5c는 암시야 조건 하에서의 광배선의 탑뷰를 나타낸다. 하나의 ZnO 나노선으로부터 임의의 떨어진 지점까지 폴리스틸렌으로 광배선을 구현하였다. 국부 레이져 조사에 의해 여기된 ZnO는 인광을 발생시키고, 발생한 인광이 광배선을 따라 떨어진 목적지까지 광신호를 전달한다. 도면에 표시된 산란 표시자는, ZnO의 여기에 의해 발생한 인광이 산란에 의해 목적지에 도달하는 것이 아니라 광배선에 의해 전달되는 것임을 증명한다. 도 5에 나타난 바와 같이, 광배선 목적지가 산란 표시자들보다 더 멀리 있음에도 더 강하게 발광하는 것을 통하여, 해당 발광이 광배선에 의한 신호전달임을 알 수 있다. 본 결과는 도 7에 도시화한, 국부 레이져 여기가 가능한 광학시스템을 이용하여 촬영하였다.

도 6은 기판 위에 임의로 흩어져있는 두 ZnO 나노선 간의 광신호 전달의 실시예를 나타내는 암시야 현미경 사진이다. 구체적으로, 도 6은 ZnO의 여기에 따른 인광이 광배선으로 전달되어 떨어진 또 다른 ZnO에서 검출되는 것을 나타낸다. 두 개의 떨어진 ZnO 나노선을 폴리스틸렌을 이용하여 광배선을 구현하였다. 본 결과는 도 7에 도시화된, 국부 레이져 여기가 가능한 광학시스템을 이용하여 촬영하였다.

상기 도면을 통하여, 본 방법으로 제조된 나노선을 이용하여 광신호가 효율적으로 전달되는 것을 알 수 있다. 본 발명에 의하면 나노선 광배선이 기판에 전혀 닿지 않고 3차원 적으로 이루어지므로, 기판에 의한 손실을 완전히 배제할 수 있고, 후 조립공정이 불필요하므로 나노선의 물리적 손상을 원천적으로 제거할 수 있으며, 나아가 3차원의 구조적 장점으로부터 3차원 적층배선, 유격간 배선, 단차간 배선 등의 구현이 가능하다.

참조문헌

1. Law, M. et al. Nanoribbon waveguides for subwavelength photonics integration. Science 305, 1269-1273 (2004).

2. Yan, R., Gargas, D. & Yang, P. Nanowire photonics. Nature Photon. 3, 569-576 (2009).

3. Benedetto, F. D. et al. Patterning of light-emitting conjugated polymer nanofibres. Nature Nanotech. 3, 614-619 (2008).

4. O'Carroll, D., Lieberwirth, I. & Redmond, G. Microcavity effects and optically pumped lasing in single conjugated polymer nanowires. Nature Nanotech. 2, 180-184 (2007).

5. Yan, R., Pausauskie, P., Huang, J. & Yang, P. Direct photonic-plasmonic coupling and routing in single nanowires. Proc. Natl. Acad. Soc. USA 106, 21045-21050 (2009).

6. Guo, X. et al. Direct coupling of plasmonic and photonic nanowires for hybrid nanophotonic components and circuits. Nano Lett. 9, 4515-4519 (2009).

7. Gu, F., Yu, H., Wang, P., Yang, Z. & Tong, L. Light-emitting polymer single nanofibers via waveguiding excitation. ACS Nano 4, 5332-5338 (2010).

8. Kim, J. T. et al. Three-dimensional writing of conducting polymer nanowire arrays by meniscus-guided polymerization. Adv. Mater. 23, 1968-1970 (2011).

Claims (11)

1. 광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액을 마이크로 피펫에 충전하는 단계,
   상기 마이크로 피펫을 제1 접점에 접촉시키는 단계,
   상기 마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화된 광도파 고분자 나노선을 제작하는 단계, 및
   상기 마이크로 피펫을 제2 접점에 접촉시키는 단계를 포함하는, 나노선을 광배선하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 물질 용액은 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 용매에 광도파 기능이 있는 고분자를 용해시켜 제조하는, 나노선을 광배선하는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광도파 기능이 있는 고분자는 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 나노선을 광배선하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 피펫의 개구부의 직경은 0.1 μm 내지 1 μm인, 나노선을 광배선하는 방법.
5. 광도파 기능이 있는 고분자 물질 용액을 마이크로 피펫에 충전하는 단계,
   상기 마이크로 피펫을 제1 접점에 접촉시키는 단계, 및
   상기 마이크로 피펫을 제1 접점으로부터 이격시켜 마이크로 피펫과 제1 접점 간의 증발에 의해 고형화시키는 단계를 포함하는, 광도파 고분자 나노선을 제조하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 고분자 물질 용액은 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 용매에 광도파 기능이 있는 고분자를 용해시켜 제조하는, 광도파 고분자 나노선을 제조하는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 광도파 기능이 있는 고분자는 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종인, 광도파 고분자 나노선을 제조하는 방법.
8. 상기 마이크로 피펫의 개구부의 직경은 0.1 μm 내지 1 μm인, 광도파 고분자 나노선을 제조하는 방법.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 광도파 고분자 나노선.
10. 제9항에 있어서,
    상기 나노선은 아치 형태인, 광도파 고분자 나노선.
11. 제9항에 있어서,
    상기 나노선은 제1 접점에서 제2 접점으로 광신호를 전달하는, 광도파 고분자 나노선.

Images