KR20170072630A - 금속층과 고분자층의 접착 방법 및 금속 전극의 형성 방법 - Google Patents

금속층과 고분자층의 접착 방법 및 금속 전극의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

금속과 고분자의 접착 방법은 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 나노다공성 금속 구조체 내로 고분자가 침투되도록, 상기 나노다공성 금속 구조체에 고분자층을 압축시키는 단계를 포함한다.

Description

금속층과 고분자층의 접착 방법 및 금속 전극의 형성 방법{ADHESION METHOD OF METAL LAYER AND POLYMER LAYER AND MANUFACTURING METHOD OF METAL ELECTRODE}
본 발명은 금속층과 고분자층의 접착 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 나노다공성 금속 구조체를 이용하여 금속층과 고분자층의 접착력을 증가시키는 방법 및 이를 이용한 금속 전극의 형성 방법에 관한 것이다.
고분자 필름과 금속의 접합체는 고분자의 유연성과 금속의 전도성을 모두 갖는다. 따라서, 인체 삽입형 또는 신체 부착용 소자 및 시스템, 플렉시블 터치 스크린, 금속 부식방지 등 다양한 분야에서 사용된다.
그런데, 금(Au) 또는 백금(Pt)과 같이 안정된 금속을 고분자에 접착하면, 결합력이 약하기 때문에 쉽게 분리가 되는 단점이 있다. 따라서, 종래에는 금(Au) 또는 백금(Pt)과 같은 금속과 고분자 간의 접착력을 증가시키기 위하여, 고분자와 상대적으로 접착력이 우수한 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등의 접착층을 금속과 고분자의 사이에 개재시킨다.
그러나, 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등의 접착층이 적용된 접합체의 경우, 장기간 사용 시에 체액, 땀, 수분, 반복되는 기계적 자극 등에 의해서 부식되거나 접착력이 약화되는 문제점이 있다. 또한, 궁극적으로 고분자 필름으로부터 금(Au) 또는 백금(Pt) 등의 금속이 박리되는 현상이 발생된다.
본 발명의 일 실시예는 접착층 없이 금속층과 고분자층 간의 접착력을 증가시키는 접착 방법 및 이를 이용한 금속 전극의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속과 고분자의 접착 방법은 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 나노다공성 금속 구조체 내로 고분자가 침투되도록, 상기 나노다공성 금속 구조체에 고분자층을 압축시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 전극의 형성 방법은 희생용 기판 상에, 언더컷 구조의 제1 개구부를 포함하는 제1 몰드를 형성하는 단계; 상기 제1 개구부 내에 금속 전극을 형성하는 단계; 상기 금속 전극을 노출시키는 제2 개구부를 포함하는 제2 몰드를 형성하는 단계; 상기 제2 개구부를 통해 노출된 상기 금속 전극의 제1면에 제1 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계; 상기 제1 나노다공성 금속 구조체 내로 고분자가 침투되도록, 상기 제1 나노다공성 금속 구조체에 제1 고분자층을 압축시키는 단계; 상기 금속 전극의 제2면을 노출시키도록 상기 희생용 기판을 제거하는 단계; 상기 금속 전극의 제2면을 노출시키는 제3 개구부를 포함하는 제3 몰드를 형성하는 단계; 및 상기 제3 개구부를 통해 노출된 상기 금속 전극의 제2면에 제2 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.
금속층 상에 나노다공성 구조층 및 고분자 필름을 형성한 후, 고분자 필름에 열 또는 압력을 가하여 나노다공성 구조체으로 고분자를 침투시킨다. 이를 통해, 고분자 필름과 금속층 간의 물리적 결합력을 증가시켜 접착 내구성을 향상시킬 수 있다. 특히, 고분자 필름과 금속층 사이에 별도의 접착층을 개재시키지 않으므로, 부식, 박리 등이 발생하지 않는다. 따라서, 생체 내 또는 생체 외에서 장기간 접착 안정성을 유지할 수 있으며, 장기간 이식 안정성이 요구되는 인체 삽입용 전극, 신체 부착용 전극 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
또한, 나노다공성 구조체를 금속 전극에 적용함으로써 임피던스를 감소시켜 전기적 잡음을 감소시키고, 전하 주입 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접착 구조물의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층과 금속층의 접착 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노다공성 금 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 4a 내지 도 4n은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 및 전극 어레이 제작 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 또한, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접착 구조물의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접착 구조물은 고분자층(10), 나노 사이즈의 공극 내로 고분자가 침투된 나노다공성 금속 구조체(11) 및 금속층(12)을 포함한다. 여기서, 나노다공성 금속 구조체(11)는 고분자층(10)과 금속층(12)의 사이에 개재되며, 고분자층(10)과 금속층(12)의 접착력을 증가시킨다. 또한, 고분자층(10)은 유리 전이 온도(glass transition temperature) 및 용융점(melting point)을 갖는 물질로 형성되며, 예를 들어, FEP(Fluorinated Ethylene Propylene)를 포함하는 불소계 수지 고분자를 포함한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층과 금속층의 접착 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 희생용 기판(20) 상에 접착층(21)을 형성한 후, 접착층(21) 상에 금속층(22)을 형성한다. 희생용 기판(20)으로는 습식 식각이 용이한 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등과 같은 금속 기판을 사용하거나, 실리콘 기판, 유리 기판, ITO(Indium Tin Oxide)가 코팅된 유리 기판 등을 사용할 수 있다.
접착층(21)은 열 증착(thermal evaporation) 방식 또는 전자-빔 증착(electron-beam evaporation) 방식으로 형성될 수 있으며, 크롬(Cr)을 포함할 수 있다. 또한, 금속층(22)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 금속층(22) 상에 합금층(23)을 형성한다. 합금층(23)은 전착(electro-deposition) 방식으로 형성될 수 있으며, 제1 금속 및 제2 금속을 포함한다. 제1 금속 및 제2 금속은 특정 식각제에 대한 용해 여부에 따라 선택될 수 있다. 일 예로, 질산에 용해되는 은(Ag)을 제1 금속으로 선택하고 질산에 용해되지 않는 금(Au)을 제2 금속으로 선택하여, Ag-Au 합금층을 형성할 수 있다. 다른 예로, KI(Potassium Iodide)에 용해되는 금(Au)을 제1 금속으로 선택하고 KI에 용해되지 않는 백금(Pt)을 제2 금속으로 선택하여 Au-Pt 합금층을 형성할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 합금층(23)에 포함된 제1 금속을 선택적으로 제거한다. 이를 통해, '나노다공성'은 나노 사이즈의 공극을 다수 포함하는 나노다공성 금속 구조체(23A)가 형성된다. 이때, 특정 식각제를 이용하여 제1 금속을 선택적으로 용해시킬 수 있다. 일 예로, 은 식각제로 질산을 이용하여 Ag-Au 합금층의 은(Ag)을 선택적으로 용해시켜 나노다공성 금 구조체를 형성한다. 다른 예로, 금 식각제로 KI를 이용하여 금(Au)을 선택적으로 용해시켜 나노다공성 백금 구조체를 형성한다. 이 밖에도, 특정 성분만 선택적으로 제거할 수 있는 전기화학적 식각법을 이용하여, 제1 금속을 선택적으로 제거하는 것도 가능하다.
도 2d를 참조하면, 나노다공성 금속 구조체(23A)에 포함된 나노 사이즈 공극으로 고분자를 침투시킨다. 예를 들어, 나노다공성 금속 구조체(23A) 상에 고분자층(24)을 형성한 후, 열 또는 압력을 가하여 고분자층(24)에 포함된 고분자를 나노다공성 금속 구조체(23A) 내로 침투시킨다. 이때, 나노다공성 금속 구조체(23A) 내로 침투되는 고분자의 양을 고려하여, 고분자층(24)을 충분한 두께로 형성한다. 또한, 고분자의 유리 전이 온도(glass transition temperature) 이상의 일정한 온도에서 압력을 가한다. 이를 통해, 유리 전이된 고분자층(24)을 나노다공성 금속 구조체(23A)에 압축시켜, 고분자를 나노다공성 금속 구조체(23A) 내로 침투시킬 수 있다. 예를 들어, 50 내지 300℃의 온도에서 고분자층(24)을 나노다공성 금속 구조체(23A)로 압축시킨다. 본 도면에서는 프레스(25)를 이용하여 고분자를 침투시키는 경우에 대해 도시하였다.
도 2e를 참조하면, 희생용 기판(20) 상에, 접착층(21), 금속층(22), 고분자가 침투된 나노다공성 금속 구조체(23B) 및 고분자층(24A)이 차례로 적층되며, 별도의 접착층없이 금속층(22)과 고분자층(24A)이 견고하게 접착된다.
도 2f 및 도 2g를 참조하면, 희생용 기판(20) 및 접착층(21)을 차례로 제거한다. 예를 들어, 희생용 기판(20)으로 구리 기판을 사용한 경우, 염산:과산화수소수:물=1:1:4의 비율로 혼합된 식각액을 이용하여, 구리 기판을 선택적으로 제거할 수 있다. 이로써, 금속층(22), 고분자가 침투된 나노다공성 금속 구조체(23B) 및 고분자층(24A)이 차례로 적층된 접착 구조물이 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노다공성 금 구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 이를 통해, 나노다공성 금 구조체에 포함된 다수의 나노 사이즈의 공극을 확인할 수 있다.
도 4a 내지 도 4n은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 및 전극 어레이 제작 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 희생용 기판(40) 상에 리프트-오프 레지스트층(41) 및 네거티브 포토레지스트층(42)을 차례로 형성한다. 여기서, 희생용 기판(40)은 구리 기판일 수 있다. 예를 들어, 자외선에 민감하지 않은 리프트-오프 레지스트(lift-off resist, LOR)를 스핀 코팅(spin coating)한 후 열 처리를 하여 리프트-오프 레지스트 박막을 형성할 수 있다. 또한, 자외선에 민감한 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)를 스핀 코팅 및 열 처리를 하여, 광 패턴 형성이 가능한 네거티브 포토레지스트층(42)을 형성할 수 있다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 원하는 형태의 전극 패턴이 그려진 포토마스크(photomask;43) 및 자외선 노광 장치를 이용하여, 네거티브 포토레지스트층(42)에 일정시간 자외선을 조사한다. 이어서, 현상 용액을 이용하여 네거티브 포토레지스트층 중 자외선에 노출되지 않는 부분을 제거함과 동시에, 연속적으로 리프트 오프 레지스트층(41)을 제한적으로 용해시킨다. 이를 통해, 리프트-오프 레지스트층(41) 및 네거티브 포토레지스트층(42)이 리프트 오프 레지스트 패턴(41A) 및 네거티브 포토레지스트 패턴(42A)으로 패터닝된다. 따라서, 언더컷(undercut) 구조의 제1 개구부(OP1)를 포함하는 제1 몰드가 형성된다.
도 4d를 참조하면, 제1 개구부(OP1) 내에 접착층(44) 및 금속층(45)을 형성한다. 예를 들어, 열 증착법 또는 전자-빔 증착법을 이용하여 접착층(44) 및 금속층(45)을 형성할 수 있다. 접착층(44)은 크롬(Cr)을 포함하고 금속층(45)은 금(Au)을 포함할 수 있다. 또한, 금속층(45)은 금속 전극일 수 있다. 참고로, 리프트 오프 레지스트 패턴(41A) 및 네거티브 포토레지스트 패턴(42A) 상에도 접착층(44) 및 금속층(45)이 형성될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 리프트 오프 레지스트 패턴(41A) 및 네거티브 포토레지스트 패턴(42A)을 제거한다. 이때, 리프트 오프 레지스트 패턴(41A) 및 네거티브 포토레지스트 패턴(42A) 상에 형성된 접착층(44) 및 금속층(45)이 함께 제거된다.
도 4f를 참조하면, 접착층(44) 및 금속층(45)이 형성된 기판(40) 상에 포지티브 포토레지스트 패턴(46)을 형성한다. 예를 들어, 접착층(44) 및 금속층(45)을 덮는 두꺼운 두께로 포지티브 포트레지스트(positive photoresist) 박막을 형성한 후, 추가적인 포토마스크를 사용하여 포지티브 포트레지스트 박막을 패터닝한한다. 이를 통해, 접착층(44) 및 금속층(45)을 노출시키는 제2 개구부(OP2)를 포함하는 포지티브 포토레지스트 패턴(46), 즉, 제2 몰드가 형성된다.
도 4g를 참조하면, 포지티브 포토레지스트 패턴(46)의 제2 개구부(OP2) 내에 제1 합금층(47)을 형성한다. 예를 들어, 전착(electro-deposition) 방법을 이용하여, 금속층(45)의 제1면 상에 제1 합금층(47)을 형성한다. 여기서, 제1 합금층(47)은 제1 금속 및 제2 금속을 포함할 수 있으며, Au-Ag 합금일 수 있다.
도 4h를 참조하면, 포지티브 포토레지스트 패턴(46)을 제거한다. 예를 들어, 아세톤(acetone)과 같은 용제를 이용하여 포지티브 포토레지스트 패턴(46)을 제거한다.
도 4i를 참조하면, 제1 합금층(47)에 포함된 제1 금속을 선택적으로 제거하여 제1 나노다공성 금속 구조체(47A)를 형성한 후, 제1 나노다공성 금속 구조체(47A) 상에 고분자 기판(48)을 압착한다. 이때, 고분자 기판(48)에 열 또는 압력을 가하여 고분자 기판(48)에 포함된 고분자를 제1 나노다공성 금속 구조체(47A) 내로 침투시킨다. 이를 통해, 고분자 기판(48)과 금속층(45) 간의 접착력이 증가된다.
도 4j를 참조하면, 희생용 기판(40) 및 접착층(44)을 제거한다. 이후의 공정은 희생용 기판(40) 및 접착층(44)이 제거된 중간 결과물을 180도 회전시킨 상태에서 진행되므로, 본 도면에서는 중간 결과물이 180도 회전된 상태를 도시하였다.
도 4k를 참조하면, 금속층(45) 및 고분자 기판(48)에 고분자 필름(49)을 접착시킨다. 여기서, 고분자 필름(49)은 고분자 기판(48)과 동일 또는 유사한 유리 전이온도를 갖는 고분자 물질로 형성될 수 있다. 이어서, 유리 전이 온도 이상의 온도에서 고분자 필름(49)에 압력을 가하여, 금속층(45) 및 고분자 기판(48)에 고분자 필름(49)을 접착시킨다. 예를 들어, 프레스(50)를 이용하여 고분자 필름(49)을 접착시킨다.
도 4l을 참조하면, 고분자 필름(49)을 식각하여 금속층(45)의 제2면을 노출시키는 제3 개구부(OP3)를 형성한다. 이를 통해, 제3 개구부(OP3)를 포함하는 고분자 패턴(49A), 즉, 제3 몰드가 형성된다. 예를 들어, 산소 플라즈마에 대한 식각 저항력을 가지는 금속층, 예를 들어, 크롬(Cr) 층을 스퍼터링(sputtering) 방법으로 고분자 필름(49) 위에 형성한 후, 산소 플라즈마를 이용한 리소그래피 공정으로 제3 개구부(OP3)를 형성할 수 있다. 여기서, 크롬(Cr)층은 패시베이션(passivation)용 고분자층, 예를 들어, 노출될 전극을 제외한 나머지 영역을 보호하기 위한 것일 수 있다. 또한, 제3 개구부(OP3)는 금속층(45)에 비해 좁은 폭을 가질 수 있다.
도 4m을 참조하면, 제3 개구부(OP3) 내에 제2 합금층(51)을 형성한다. 예를 들어, 전착법으로 금속층(45)의 제2면 상에 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 제2 합금층(51)을 형성한다. 금속층(45)이 금(Au) 전극인 경우, Ag-Au 합금층을 형성할 수 있다.
도 4n을 참조하면, 제2 합금층(51)에 포함된 제1 금속을 선택적으로 제거하여 제2 나노다공성 금속 구조체(51A)를 형성한다. 예를 들어, 질산을 이용하여 Ag-Au 합금층에 포함된 은(Ag)을 선택적으로 용해시킴으로써, 나노다공성 금(Au) 전극을 형성할 수 있다. 이로써, 고분자 기판(48), 고분자가 공극 내로 침투된 제1 나노 다공성 구조체(47A), 금속층(45), 제2 나노 다공성 구조체(51A)가 차례로 적층된 접착 구조물이 형성된다.
전술한 바와 같은 제조 방법을 이용하면, 금속 전극의 제1면과 제2면, 즉, 금속 전극의 양면에 제1 및 제2 나노다공성 금속 구조체(47A, 51A)를 형성할 수 있다. 따라서, 금속 전극과 고분자층을 견고하게 접착시킬 수 있다. 또한, 이러한 금속 전극을 다수 포함하는 전극 어레이를 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대하여 상세하게 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 본 발명은 본 상세한 설명에 기재된 것에 한정되지 않은 것으로 이해되어야만 한다.
본 발명의 권리범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 실시형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 고분자층 11: 나노다공성 금속 구조체
12: 금속층 20: 희생용 기판
21: 접착층 22: 금속층
23: 합금층 23A: 나노다공성 금속 구조체
24: 고분자층 25: 프레스

Claims (12)

  1. 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층 상에 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 나노다공성 금속 구조체 내로 고분자가 침투되도록, 상기 나노다공성 금속 구조체에 고분자층을 압축시키는 단계
    를 포함하는 금속층과 고분자층의 접착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 금속층 상에, 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 합금층을 형성하는 단계;
    식각제를 이용하여 상기 제1 금속을 선택적으로 용해시키는 단계를 포함하는
    금속층과 고분자층의 접착 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 합금층을 형성하는 단계는 전착(electro-deposition) 방법을 이용하는
    금속층과 고분자층의 접착 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 금속은 금이고 상기 제2 금속은 은이고, 은 식각제를 이용하여 상기 은을 선택적으로 용해시키는
    금속층과 고분자층의 접착 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 금속은 금이고 상기 제2 금속은 백금이고, 금 식각제를 이용하여 상기 금을 선택적으로 용해시키는
    금속층과 고분자층의 접착 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자층을 압축시키는 단계는,
    상기 나노다공성 금속 구조체에 유리 전이된 상기 고분자층을 압축시키는
    금속층과 고분자층의 접착 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고분자층을 압축시키는 단계는,
    50 내지 300℃ 온도에서 수행되는
    금속층과 고분자층의 접착 방법.
  8. 희생용 기판 상에, 언더컷 구조의 제1 개구부를 포함하는 제1 몰드를 형성하는 단계;
    상기 제1 개구부 내에 금속 전극을 형성하는 단계;
    상기 금속 전극을 노출시키는 제2 개구부를 포함하는 제2 몰드를 형성하는 단계;
    상기 제2 개구부를 통해 노출된 상기 금속 전극의 제1면에 제1 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계;
    상기 제1 나노다공성 금속 구조체 내로 고분자가 침투되도록, 상기 제1 나노다공성 금속 구조체에 제1 고분자층을 압축시키는 단계;
    상기 금속 전극의 제2면을 노출시키도록 상기 희생용 기판을 제거하는 단계;
    상기 금속 전극의 제2면을 노출시키는 제3 개구부를 포함하는 제3 몰드를 형성하는 단계; 및
    상기 제3 개구부를 통해 노출된 상기 금속 전극의 제2면에 제2 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계
    를 포함하는 금속 전극의 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 금속 전극 상에, 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 합금층을 형성하는 단계;
    식각제를 이용하여 상기 제1 금속을 선택적으로 용해시키는 단계를 포함하는
    금속 전극의 형성 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 나노다공성 금속 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 금속 전극 상에, 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 합금층을 형성하는 단계;
    식각제를 이용하여 상기 제1 금속을 선택적으로 용해시키는 단계를 포함하는
    금속 전극의 형성 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 고분자층을 압축시키는 단계는,
    상기 제1 나노다공성 금속 구조체에 유리 전이된 상기 제1 고분자층을 압축시키는
    금속 전극의 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자층을 압축시키는 단계는,
    50 내지 300℃ 온도에서 수행되는
    금속 전극의 형성 방법.
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