KR20160069009A - 전도성 패턴의 선별적 가열을 위한 마이크로파 공정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로 또는 나노 크기의 전도성 패턴을 갖는 구조체를 열처리하기 위한 마이크로파 공정 장치가 개시된다. 본 발명은 피가열 샘플을 열처리하기 위한 마이크로파 오븐; 상기 마이크로파 오븐에 마이크로파를 출력하기 위한 마그네트론; 상기 마그네트론에 펄스 전압을 인가하기 위한 펄스 전원; 및 상기 펄스 전원을 제어하는 마이크로파 오븐 제어기를 포함하며, 상기 마이크로파 오븐 제어기는 상기 마이크로파 오븐에 100ms이하의 펄스폭을 갖는 마이크로파를 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 주변 기재 또는 매트릭스의 손상 없이 전도성 패턴을 선별적으로 가열할 수 있는 마이크로파 공정 장치를 제공할 수 있게 된다.

Description

전도성 패턴의 선별적 가열을 위한 마이크로파 공정 장치 및 그 방법 {Microwave Processing Apparatus For Selective Heating of Micro-structured Conductive Patterns}

본 발명은 마이크로파 공정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 또는 나노 크기의 전도성 패턴을 갖는 구조체를 열처리하기 위한 마이크로파 공정 장치에 관한 것이다.

마이크로파는 극초단파라고도 불리는 전자기파의 일종으로, 파장이 1mm~1m, 주파수가 300MHz~300GHz 영역의 전자기파를 말한다.

마이크로파 가열은 마이크로파 주파수로 진동하는 전기장의 영향 하에서 극성 분자나 이온의 회전과 관련되어 있다. 즉, 진동하는 전기장 내에서 입자들은 전기장의 방향이나 위상에 맞추려고 하나 이러한 입자들의 운동은 입자 간의 상호작용이나 전기적 저항에 의해 제한을 받게 되며, 이것이 입자들의 무작위 운동을 일으켜 열을 발생하게 된다.

쌍극자 편극(dipolar polarization) 발열 메커니즘은 극성 분자들에서 열이 발생하는 프로세스이다. 적절한 주파수로 진동하는 전기장 하에서 극성 분자들이 전기장의 방향과 위상에 맞추려고 할 때, 분자 간 힘으로 인해 극성 분자들이 저항을 받아 전기장에 따라갈 수 없게 됨으로써 분자들의 무작위 운동을 야기하고 이것이 열을 발생시킨다.

전기 저항(electric conduction) 발열 메커니즘은 전류에 대한 저항으로 인해 열이 발생하는 프로세스이다. 진동하는 전기장은 전도체 내의 전자나 이온의 진동을 일으켜 전류를 만들어냄. 이 전류가 내부 저항에 의해 열을 발생시킨다.

마이크로파 가열은 가정용뿐만 아니라 산업용 장치에 두루 적용되고 있다. 1980년대 중반 마이크로파 가열은 화학 분석(ashing, extraction, digestion 등)에 적용되기 시작하였고, 1986년에는 마이크로파 가열을 이용하여 화학 합성을 시도하여 재래식 가열 방법보다 약 천배 빠르게 반응이 일어남을 보고하였다. 1990년대에는 마이크로파 화학 장치 업체에서 개발한 제품들이 기술적으로 발전하면서 널리 보급되었다.

최근에는 마이크로파 가열 기술을 적용 대상이 화학 반응을 넘어 나노 기술의 영역으로 적용하려는 시도가 있다. 마이크로파를 이용한 화학합성에서는 유전가열의 원리를 이용하여 유기용매를 주로 가열하는 방식이었다.

그러나, 나노 소재 및 나노 구조체의 가열에 마이크로파 가열 기술을 적용하게 되면 유전 가열뿐만 아니라 전도성 가열을 활용할 수 있게 될 것이다.

마이크로파의 선택적 가열 특성은 열에 약한 기판 위에서 특성 소재만을 가열할 수 있게 해 주지만, 열은 전도, 복사, 대류에 의해 퍼지므로 가열되는 대상 소재의 온도만을 아주 높은 온도로 올리기는 아주 어렵다. 특히 마이크로 또는 나노 크기의 소재만을 가열해야 하는 경우에는 기판으로의 열 전도 속도가 매우 빠르므로, 마이크로파로 천천히 가열하면 기판과의 온도 차가 거의 나지 않게 된다. 결국 전도 등에 의한 열의 확산은 마이크로파의 선택 가열 특성을 상쇄시키므로 반드시 해결해야 할 문제이다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 열의 확산 속도보다 더 빠른 속도로 열 에너지를 공급할 수 있는 마이크로파 공정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 높은 출력과 과도한 온도 상승으로 가열 소재뿐만 아니라 주변의 기판도 손상을 입히지 않는 마이크로파 공정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 순간적으로 높은 출력을 가하되 조사 시간을 제한하여 공급하는 총 열 에너지가 제어될 수 있는 마이크로파 공정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 높은 밀도의 마이크로파를 제공할 수 있는 마이크로 공정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전술한 마이크로파 장치로 전도성 패턴을 갖는 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 피가열 샘플을 열처리하기 위한 마이크로파 오븐; 상기 마이크로파 오븐에 마이크로파를 출력하기 위한 마그네트론; 상기 마그네트론에 펄스 전압을 인가하기 위한 펄스 전원; 및상기 펄스 전원을 제어하는 마이크로파 오븐 제어기를 포함하며, 상기 마이크로파 오븐 제어기는 상기 마이크로파 오븐에 100ms이하의 펄스폭을 갖는 마이크로파를 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치를 제공한다.

본 발명에서 상기 펄스폭은 10ms 이하로 설정될 수도 있다.

또한, 본 발명에서 상기 마이크로파는 단펄스(single pulse)이거나 소정 주기의 멀티 펄스(multi pulse)일 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 피가열 샘플은 기재 상에 형성된 전도성 패턴을 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 마이크로파 오븐은 마이크로파를 집중시키기 위한 마이크로파 유도 기구를 포함할 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 전도성 패턴이 형성된 고분자 필름 기재를 제공하는 단계; 상기 고분자 필름 기재에 펄스 폭이 100ms 이하인 펄스 마이크로파를 조사하여 상기 전도성 패턴을 전도성 가열하는 단계; 및상기 전도성 패턴의 최소한 일부를 상기 고분자 필름 기재에 매몰하는 단계를 포함하는 전도성 패턴 구조체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 펄스 파형은 펄스 폭이 100ms 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 전도성 패턴은 전도성 나노 패턴일 수 있고, 예컨대 상기 전도성 패턴은 카본 나노 패턴일 수 있다.

본 발명에 따르면, 주변 기재 또는 매트릭스의 손상 없이 전도성 패턴을 선별적으로 가열할 수 있는 마이크로파 공정 장치를 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 마이크로파 공정 장치는 유입되는 마이크로파에 비해 높은 밀도의 마이크로파를 국부적으로 집중시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 해당 영역에서 미세 구조물, 나노 소재 또는 나노 구조물에높은 출력의 마이크로파를 제공하여 단시간에 높은 온도로 가열할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 공정 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 오븐의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 유도 기구 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 오븐의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 마이크로파의 파형과 샘플의 온도 구배의 관계를 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 열전도에 의해 형성되는 온도 구배와 에너지 밀도와의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 펄스 파형과 기재 필름의 온도와의 관계를 실측한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 미세 구조물이 코팅된 고분자 필름 기재를 마이크로파 가열 처리하는 과정을 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 9는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 전도성 패턴의 제조 방법을 개념적으로 도시한 도면이다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 공정 장치의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 마이크로파 공정 장치(200)는 마이크로파 오븐(100), 마그네트론(210), 펄스 전원(230) 및 마이크로파 오븐 제어기(240)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서 펄스 전원(230)은 마그네트론(210)이 펄스 마이크로파를 발생시키도록 한다. 상기 마그네트론(210)에서 발생한 펄스 마이크로파는 도파관을 거쳐 마이크로파 오븐 챔버로 보내져서 챔버 내의 샘플을 가열한다.

마이크로파 오븐 제어기(240)은 사전 설정된 펄스 마이크로파의 주기에 따라 펄스 전원의 파형을 결정하고 펄스 전원을 구동한다. 또한, 상기 마이크로파 오븐 제어기(240)는 트리거 신호에 의하여 상기 펄스 전원(230)과 온도 센서를 동기화 할 수 있다. 상기 마이크로파 오븐 제어기(240)는 펄스 파형과 동기화 된 온도 센서의 정보로부터 상기 펄스 전원으로 피드백 될 수 있다. 이를 위하여 본 발명의 장치는 온도 센서(220) 예컨대 IR 온도 센서를 구비할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 오븐의 일례를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2에서 상기 마이크로파 오븐(100)은 길이 방향으로 절단한 단면을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 상기 마이크로파 공정 장치(100)는 마이크로파를 장치 내로 도입하는 도파관(110)을 구비하고 있다. 상기 도파관(110)은 내부 공간에 마이크로파 공진부를 형성하도록 말단이 폐쇄된 구조를 갖는다. 또한, 상기 도파관은 마그네트론(210)으로부터 발생한 마이크로파가 도입되는 도입부(A) 및 마이크로파 공진부(B)를 형성한다. 본 발명에서 도파관은 사용하는 마이크로파의 주파수에 따라 표준화된 규격을 사용할 수 있다.

또한, 상기 마이크로파 오븐(100)의 내부에는 윈도우(120A, 120B)를 구비할 수 있다.

상기 윈도우(120A, 120B)는 샘플의 처리를 위한 환경을 제공한다. 특히 상기 윈도우는 진공 또는 고압 가스 분위기 등의 열처리 분위기를 유지하기 위한 밀폐 공간을 제공한다. 또한, 상기 윈도우는 마이크로파가 최소한의 손실로 투과할 수 있는 마이크로파 투과성 재질로 구성된다. 예컨대, 상기 윈도우는 쿼츠나 사파이어, 알루미나 등의 재질로 구성될 수 있다.

본 발명에서 상기 윈도우는 진공 또는 고압 가스 등의 열처리 분위기에 따른 압력을 견딜 수 있도록 그 두께는 적절히 선택될 수 있다. 윈도우의 두께에 따라 마이크로파의 반사율이 커지므로 윈도우는 설계 압력을 견딜 수 있는 최소한의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 마이크로파 오븐(100)은 마이크로파 유도 기구를 포함할 수 있다.

고밀도의 마이크로파를 피가열 샘플에 가하기 위해서는 마이크로파 공진부에 저장되는 에너지를 한 곳으로 집중시켜야 한다. 본 발명에서 마이크로파 유도 기구는 마이크로파 에너지를 피가열 샘플로 집중시킨다.

본 발명에서 상기 마이크로파 유도 기구는 도파관에서 마이크로파의 진행 방향과 수직방향(또는 마이크로파 전기장과 나란한 방향)으로 연장되어 위치하며, 선단에 마이크로파가 집중하도록 설계된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 유도 기구로 한 쌍의 마이크로파 유도체(130)를 도시하고 있다.

상기 한 쌍의 마이크로파 유도체(130)는 도파관(110) 내부의 대향면으로부터 각각 돌출 연장되어 그 사이에 소정 간격의 마이크로파 채널을 형성한다.

도 3은 상기 마이크로파 오븐의 마이크로파 유도체 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 도파관 내부 벽면으로부터 연장되는 한 쌍의 마이크로파 유도체(130)는 그 사이에 채널(C)을 형성하고 있다. 본 발명에서 상기 채널(C)은 소정의 체적을 갖는다. 상기 채널(C)의 체적은 상기 마이크로파 유도체(130) 각각의 폭(w) 및 두께(t), 그리고 상기 마이크로파 유도체 간의 간격(d)에 의해 규정될 수 있다.

본 발명에서 상기 마이크로파 유도체 사이에 형성되는 채널의 간격, 폭 및 두께는 각각 또는 조합하여 마이크로파를 집중시키기 위한 주요한 변수로 작용한다.

예를 들어, 마이크로파 유도체(130)가 내부 공간에서 많은 부분을 차지하게 된다면 마이크로파 유도체(130)에서 대부분의 마이크로파가 반사되어 마이크로파 공진부(B)에 마이크로파 에너지를 저장할 수 없게 된다. 따라서, 마이크로파 유도체(130)의 두께(t) 및 폭(w)은 적절하게 조절된다. 본 발명에서 상기 마이크로파 유도체의 두께는 마이크로파 파장의 1/4 이하로 하는 것이 바람직하고, 마이크로파 유도체의 폭은 마이크로파 파장의 1/2 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한 마이크로파 유도체의 두께와 폭의 비율은 가열하는 샘플의 형상에 따라 설계하는 것이 효과적인데, 예컨대 얇은 필름의 경우에는 고밀도 마이크로파가 필요한 영역도 필름과 유사한 형태가 되도록 두께는 폭 보다 작게 설계하는 것이 바람직하다.

이상 실시예의 설명에서는 한 쌍의 마이크로 유도체를 유도 기구로 사용한 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도파관 내부에 채널을 형성하기 위한 다양한 개수의 유도체가 사용될 수 있을 것임은 본 발명을 접한 이 기술 분야의 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.

한편, 다시 도 3을 참조하면, 상기 마이크로파 유도체 사이에는 피가열 샘플(142)이 위치된다.

본 발명에서 고밀도의 마이크로파는 마이크로파 유도체 사이의 채널에 형성된다. 전술한 바와 같이, 상기 채널에 형성되는 마이크로파의 세기는 채널의 간격 즉 마이크로파 유도체 사이의 간격에 의존한다. 마이크로파 유도체의 간격, 폭 및 두께의 최적화 정도에 따라 달라지지만, 본 발명에 따른 공정 장치는 표준 도파관에 형성되는 마이크로파의 세기에 비해 1000배 이상 증폭시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서 마이크로파 유도체의 간격, 폭 및 두께의 설계에 의한 마이크로파 유도체의 최적화는 가열하는 샘플의 특성에 따라 달리 구성될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 본 발명에서 상기 마이크로파 유도체 사이의 간격은 조정 가능하도록 설계될 수 있고, 상기 유도체의 간격은 도파관의 크기(폭) 또는 도파관 내벽 사이 거리의 1/2 이하로 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 마이크로파 유도체(130)는 바람직하게는 마이크로파 비투과성 재질을 사용하여 구현되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 마이크로파 유도체(130)는 구리, 황동, 알루미늄, 스테인레스 스틸 등의 도전성 금속에 의하여 구현될 수 있다.

본 발명의 마이크로파 오븐은 상기 마이크로파 유도체의 고밀도 마이크로파 채널에 피가열 샘플을 위치시키기 위한 샘플 지지대(140)를 포함할 수 있다. 상기 샘플 지지대는 알루미나, 쿼츠, 테프론 등과 같이 높은 마이크로파 투과성을 갖는 소재가 사용될 수 있다. 또한, 상기 샘플 지지대는 마이크로파 가열에 의해 발생되는 열을 견디도록 내열 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 상기 샘플 지지대는 마이크로파의 공진 특성에 최소한의 영향을 미치지 않도록 전체 부피를 최소화하는 것이 바람직하다.

또, 이상 별도의 샘플 지지대를 사용하는 경우를 설명하였지만, 별도의 샘플 지지대를 사용하지 않고 한 쌍 또는 그 이상의 마이크로파 유도체 중 어느 하나를 샘플 지지대로 겸용할 수도 있을 것이다.

한편, 본 발명의 마이크로파 오븐(100)은 슬라이딩 쇼트를 더 포함할 수 있다. 상기 슬라이딩 쇼는 마이크로파 공진부(B)의 공진 주파수를 입력 마이크로파 주파수에 맞출 수 있도록 마이크로파 공진부의 크기를 조절한다.

도 4는 본 발명에서 슬라이딩 쇼트의 동작을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 슬라이딩 쇼트(150)는 도파관(110) 내에서 좌우로 이동 가능하도록 설계된다. 이를 위하여 상기 슬라이딩 쇼트에는 정밀 제어 가능한 모터 등의 구동 수단이 연결될 수 있다.

즉, 마이크로파 에너지를 저장하는 마이크로파 공진부(B)는 도파관 형태를 기본으로 하여 마이크로파 유도체와 슬라이딩 쇼트 사이에 형성된다. 본 발명의 장치에서 상기 도파관의 말단은 슬라이딩 쇼트로 막히고(short circuit) 타단은 마이크로파 유도체에 의해 열려있는(open circuit) 공진기의 형태를 갖는다. 이에 따라, 공진기에 저장되는 마이크로파 에너지가 마이크로파 유도체 사이의 채널에 집중될 수 있도록 한다. 여기서 마이크로파 유도체로부터 슬라이딩 쇼트까지의 거리는 이 공진기의 공진주파수를 결정하는 요소이다. 따라서, 상기 슬라이딩 쇼트는 모터 등의 이송 기구에 의해 미세하게 움직여 공진 주파수를 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 슬라이딩 쇼트는사용하는 마이크로파 주파수에 맞는 표준화된 크기를 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 마이크로파 공정 장치는 전도성 구조체의 합성이나 열처리에 적합하다. 특히, 상기 마이크로파 공정 장치는 기재 필름 상에 패턴된 전도성 혼합물을 가열하여 반응 생성물을 형성하거나 도포된 전도성 패턴을 기재 필름과 견고히 결합하는 데에 사용될 수 있다.

이하에서는 일례로서 본 발명의 실시예에 따른 전도성 패턴 구조체의 형성 방법을 설명한다.

도 5는 샘플에 조사된 마이크로파의 파형과 샘플의 온도 구배의 관계를 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 두께가 1mm인 폴리머 필름 기재 위에 전도성 나노 소재를 약 100nm 두께로 코팅한 시료를 마이크로파로 가열하는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션 한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 전도성 나노 소재를 마이크로파로 200℃ 이상으로 가열하는 상황을 가정하였을 때, 연속파형(continuous wave)의 마이크로파가 가해졌을 때에는 표면으로부터 내부까지 온도 구배가 직선적으로 변화하며 전도성 나노 소재와 폴리머 필름 기재의 배면(distance=1mm) 온도가 30℃ 밖에 나지 않으며, 필름 기재의 배면 온도가 170℃까지 상승하는 것을 알 수 있다. 이러한 정도의 높은 온도는 통상적인 폴리머 필름 기재의 유리온도 이상에 해당하므로 필름이 변형되거나 손상을 입게 된다. 그러나, 펄스 폭이 500 ㎲의 짧은 마이크로파 펄스를 주었을 경우에는 표면으로부터 멀어질수록 온도가 급격히 감소하며 폴리머 필름의 뒷면 온도는 상온에 머무름을 알 수 있다. 이 경우 가열되는 부분의 근처 약 0.1mm까지만 변형이 가능한 온도까지 올라가고 나머지 대부분의 영역은 그 온도 이하로 유지될 수 있다. 폴리머 필름의 변형이 가능한 온도까지 올라가는 시간은 1ms 정도로 매우 짧은 시간이므로 실제로는 필름 기재에는 변형이 발생하지 않을 것임을 알 수 있다.

도 6은 열전도에 의해 형성되는 온도 구배와 에너지 밀도와의 상관 관계를 도시한 그래프이다.

열원으로부터 열확산에 의한 온도 구배는 다음의 수식으로 구할 수 있다.

<수학식>

Q/A=k(ΔT/Δx)

(여기서, Q는 열량, A는 단면적, ΔT는 온도차, Δx는 열원으로부터의 거리임)

도 6은 위 수식 관계를 나타낸 그래프이다. 여기서, 열전도율은 0.2 mW/k로 가정하였다. 도 6에서 열원으로부터 동일한 거리(?) 떨어진 지점에서 높은 온도 구배를 얻기 위해서는 높은 에너지 밀도로 가열되어야 함을 알 수 있다. 즉, 도 6은 짧은 시간에 높은 에너지 밀도의 마이크로파로 전도성 소재를 가열하는 것이 기재의 손상을 없애는 데에 유리함을 보여준다. 그러므로, 도 2 내지 도 3과 관련하여 설명한 마이크로파 오븐은 높은 밀도의 마이크로파 에너지를 제공하므로 마이크로 크기 이하의 전도성 패턴을 고온으로 열처리할 때에 유리한 메커니즘을 제공할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 펄스 파형과 기재 필름의 온도와의 관계를 실측한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 실험에서 필름 기재로는 1mm 두께의 폴리카보네이트(polycarbonate) 필름을 사용하였고, 상기 필름 기재 표면에 카본 나노 튜브(carbon nanotubes; CNTs)를 100nm 두께로 코팅하였다.

대략 1.5~2W 출력의 100㎲ (A)와 400㎲ (B)의 단펄스(single pulse)로 가열하는 경우 CNT는 200℃ 이상으로 가열되며 CNT와 접한 주변의 폴리머 기재가 용융되어 CNT가 함침되어 있었지만, IR 온도 센서에 의해 측정한 필름 뒷면의 온도는 거의 올라가지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

펄스 마이크로파에 의한 가열 방법은 아주 짧은 시간 동안 제한된 양의 에너지만을 공급하므로, 가열이 필요한 부분은 순간적으로 고온으로 만들 수 있으면서 가열되지 않아야 하는 부분은 열 에너지 공급이 충분하지 않아서 제한적으로만 온도가 올라간다. 특히 마이크로 또는 나노 크기의 구조물을 선택적으로 가열해야 하는 경우에는, 가열 소재의 열용량은 대부분의 부피를 차지하는 기판의 열용량에 비해 현저히 작으므로 펄스 마이크로파에 의한 가열 방법은 매우 효과적으로 적용될 수 있다.

한편, 펄스 마이크로파에 의한 가열 방법은 상황에 따라 micro-seconds 수준의 짧은 시간 동안만 고온으로 가열하는 것이 가능하므로, 고온 가열에 의한 소재의 특성 및 구조 변화를 단계적으로 제어하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어 코팅된 CNTs 층을 폴리머 기판에 녹여 용접하듯이 함침시키려고 할 때, 폴리머가 녹아서 CNTs에 붙게 되는 시간을 펄스 마이크로파로 제어할 수 있으므로 함침되는 깊이를 제어할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 미세 구조물이 코팅된 고분자 필름 기재를 마이크로파 가열 처리하는 과정을 개략적으로 도시한 절차도이다.

도 8을 참조하면, 먼저 고분자 필름 기재 상에 코팅된 전도성 패턴이 제공된다(S110).

본 발명에서 상기 전도성 패턴은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예컨대 상기 전도성 나노 패턴은 상기 고분자 필름 기재 전체를 덮는 블랭킷 패턴일 수 있고, 배선 패턴과 같이 상기 고분자 필름 기재의 최소한 일부를 커버하는 패턴일 수 있다. 본 발명에서 상기 전도성 패턴으로는 다양한 재질이 사용될 수 있다. 탄소 나노 뉴브(CNT), 도전성 금속 등이 상기 전도성 패턴으로 사용될 수 있다. 본 발명에서 상기 전도성 패턴은 마이크로미터 크기의 구조물이거나 나노 크기의 구조물일 수 있다.

이어서, 전도성 패턴이 형성된 고분자 필름 기재에 펄스 마이크로파를 조사한다(S120). 펄스 마이크로파의 조사에 의하여 상기 전도성 패턴은 전도성 가열된다. 또한, 짧은 시간 동안의 급격한 가열로 전도성 패턴과 접하는 기재의 폴리머는 용융되고 상기 전도성 패턴은 폴리머 내부로 함몰한다. 본 발명에서 상기 펄스 마이크로파는 바람직하게는 100 ms 이하 또는 10 ms 이하의 펄스 폭을 갖는 것이 바람직하다. 밀리초(ms) 수준의 펄스 폭을 갖는 저출력의 마이크로파는 가열 대상과 비가열 대상과의 사이에 유의한 온도 구배를 형성한다.

또한, 상기 펄스 마이크로파는 소정의 반복 주기를 갖는 펄스 파형일 수 있다. 반복 펄스 파형의 경우 듀티비(duty ratio)가 50% 이하인 것이 바람직하다.

그 결과, 상기 전도성 패턴의 일부 또는 전부가 함몰되어 기재와 견고히 결합한 고분자 필름을 얻을 수 있게 된다.

도 9는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 전도성 패턴의 제조 방법을 개념적으로 도시한 도면이다.

전도성 패턴(예컨대 CNT 패턴)이 도포된 고분자 필름 기재(도 9의 (a))를 펄스 마이크로파로 조사하는 경우 짧은 시간의 조사로 전도성 패턴의 일부가 상기 고분자 필름 기재 내로 함침되도록 할 수 있다(도 9의 (b)). 또한, 단일 펄스(single pulse)가 아니라 소정 주기를 갖는 멀티 펄스(multi pulse) 파형의 마이크로파를 지속적으로 조사함으로써 기재의 변형을 유발하지 않으면서도 전도성 패턴의 대부분 또는 전부가 기재 내부로 함몰된 형태의 구조물을 얻을 수도 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 장치를 설명하였지만, 상술한 예시는 본 발명은 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

100 마이크로파 오븐
110 도파관
120A, 120B 윈도우
130 마이크로파 유도체
140 샘플 지지대
150 슬라이딩 쇼트
210 마그네트론
220 온도센서
230 펄스 전원
240 마이크로파 오븐 제어기

Claims (10)

1. 피가열 샘플을 열처리하기 위한 마이크로파 오븐;
   상기 마이크로파 오븐에 마이크로파를 출력하기 위한 마그네트론;
   상기 마그네트론에 펄스 전압을 인가하기 위한 펄스 전원; 및
   상기 펄스 전원을 제어하는 마이크로파 오븐 제어기를 포함하며,
   상기 마이크로파 오븐 제어기는 상기 마이크로파 오븐에 100ms이하의 펄스폭을 갖는 마이크로파를 인가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 펄스폭은 10ms 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파는 단펄스인 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치..
4. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파는 소정 주기의 멀티 펄스인 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 피가열 샘플은 전도성 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 오븐은 마이크로파를 집중시키기 위한 마이크로파 유도 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 공정 장치.
7. 전도성 패턴이 형성된 고분자 필름 기재를 제공하는 단계;
   상기 고분자 필름 기재에 펄스 폭이 100ms이하인 펄스 마이크로파를 조사하여 상기 전도성 패턴을 전도성 가열하는 단계; 및
   상기 전도성 패턴의 최소한 일부를 상기 고분자 필름 기재에 매몰하는 단계를 포함하는 전도성 패턴 구조체의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 펄스 파형은 펄스 폭이 10ms이하인 것을 특징으로 하는 전도성 패턴 구조체의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 전도성 패턴은 전도성 나노 패턴인 것을 특징으로 하는 전도성 패턴 구조체의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서,
    상기 전도성 패턴은 카본 나노 패턴인 것을 특징으로 하는 전도성 패턴 구조물의 제조 방법.

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