KR20180031451A - 마찰대전 에너지하베스터 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

마찰대전 에너지하베스터 구조체 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20180031451A
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Abstract

본 발명은 반구 형상의 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판; 및 상기 유연기판의 일면 상에 형성된 금속박막; 을 포함하는 마찰대전 에너지하베스터 구조체를 제공한다.

Description

마찰대전 에너지하베스터 구조체 및 그 제조방법{Triboelectric energy harvester structure and method of fabricating the same}
본 발명은 에너지하베스터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 마찰대전 에너지하베스터 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지난 몇 십년간 화석 연료의 고갈로 인해 발생하는 에너지 부족 현상을 해소하기 위해 많은 연구가 진행되었다. 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료는 매장량이 한정되어 있고 화석 연료를 사용함으로써 많은 환경 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 친환경 대체 에너지에 관한 연구가 많이 이루어졌고, 그 중에서도 에너지 하베스팅이 많은 관심을 받고 있다. 에너지 하베스팅은 주변 환경에서 낭비되는 에너지원인 태양에너지, 열에너지, 기계적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 신재생 에너지 기술이다. 이 기술을 이용하면 기존에 사용했던 일회용의 화석 연료를 대체하여 에너지 수급이 가능하며 지속 가능한 에너지를 얻을 수 있다. 화석 연료 등의 에너지원에 대한 대규모 비용을 지불하는 발전소와는 달리, 에너지 하베스팅 기술은 버려지는 에너지를 이용하기 때문에 비용 소모가 거의 없다는 장점이 있다.
마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 정전기 유도 현상을 기본 원리로 에너지를 수확한다. 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅의 일반적인 메커니즘은 다음과 같다. 두 개의 서로 다른 물질이 접촉하면 마찰 대전에 의해 표면이 대전되는 현상이 나타난다. 두 물질이 분리되면 정전기 유도 현상에 의해 위ㅇ아래 전극에 보상 전하가 축적되고, 이에 따라 전하 균형이 맞을 때까지 외부 전극을 통해 전류가 흐르게 된다. 두 물질이 다시 가까워지면 축적되었던 보상 전하가 사라짐으로써 처음과는 반대 방향의 전류가 외부 전극을 통해 흐르게 되며, 반복되는 접촉 및 분리과정을 통해 양 전극 간에 지속적으로 교류 전류가 흐른다. 마찰 전기를 이용한 에너지 하베스팅 기술의 경우, 출력 값을 결정하는 세 가지 요소로서, 재료 선택, 구조 최적화, 나노표면의 형상이 있다.
마찰대전 나노발전기에 대한 표면 구조 유한요소법 분석에 의하면 나노발전기의 마찰면적이 증가할수록 출력이 증가하고 민감도가 매우 높아지며, 나노 패턴의 형상에 따라 출력에너지, 동작압력, 내구성에 영향을 미친다고 알려져 있다. 나노 패턴의 형상을 구현하기 위하여 몰드를 준비하고 전사 공정을 이용하지만, 이 과정에서 전사 공정이 용이하지 않고 패턴의 유실현상 및 구조제어 재현성이 급격히 떨어지는 문제가 발생하여, 소자의 내구성과 신뢰성 측면에서 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 마찰 신뢰성이 우수한 마찰대전 에너지하베스터 구조체를 제공하며, 양산성이 우수한 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체가 제공된다. 상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체는 반구 형상의 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판; 및 상기 유연기판의 일면 상에 형성된 금속박막;을 포함한다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체에서, 상기 유연기판의 상부 표면에서 상기 양각 패턴으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어지며, 상기 양각 패턴의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선 및 제 2 곡선이 부드럽게 연결되어 이루어지되, 상기 제 1 곡선은 상기 유연기판의 상부 표면과 부드럽게 연결되며, 상기 제 1 곡선과 상기 제 2 곡선이 만나는 지점은 변곡점을 형성할 수 있다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체에서, 상기 유연기판은 PDMS 기판을 포함하며, 상기 금속박막은 티타늄과 알루미늄의 적층박막, 탄탈륨과 구리의 적층박막, 티타늄과 은의 적층박막 또는 크롬과 금의 적층박막을 포함할 수 있다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체에서, 상기 유연기판은 제 1 유연기판 및 제 2 유연기판을 포함하되, 상기 제 1 유연기판의 양각패턴과 상기 제 2 유연기판의 양각패턴은 서로 마주보도록 배치되며, 상기 금속박막은 상기 제 1 유연기판의 양각패턴이 구현되는 면 상에 형성된 제 1 금속박막 및 상기 제 2 유연기판의 양각패턴이 구현되는 면의 반대면 상에 형성된 제 2 금속박막을 포함할 수있으며, 이 경우, 상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체는 상기 제 1 금속박막과 상기 제 2 금속박막을 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법이 제공된다. 상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법은 실리콘 기판의 일부에 대하여 습식 산화 공정을 수행하여 실리콘산화돔을 형성한 후에 상기 실리콘산화돔을 제거함으로써 구현된, 음각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 실리콘 마스터 몰드이며, 상기 실리콘 마스터 몰드의 상부 표면에서 상기 음각 패턴으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어지는, 실리콘 마스터 몰드를 준비하는 제 1 단계; 상기 실리콘 마스터 몰드 상에 폴리머, 유기물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 코팅전사하여 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판을 형성하는 제 2 단계; 및 상기 유연기판의 일면 상에 금속박막을 형성하는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서, 상기 제 1 단계는 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 블로킹패드 패턴을 형성하는 단계; 상기 블로킹패드 패턴에 의하여 노출되는 상기 실리콘 기판에 대하여 습식 산화 공정을 수행함으로써 상기 실리콘 기판의 일부로부터 실리콘산화돔(silicon oxide dome)을 형성하는 단계; 및 상기 실리콘산화돔을 제거함으로써 음각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서, 상기 실리콘산화돔을 형성하는 단계는 상기 실리콘산화돔의 측부가 상기 블로킹패드 패턴의 하부로 성장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법의 상기 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 실리콘 마스터 몰드는 상부 표면에서 상기 음각 패턴으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어질 수 있다.
상기 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법의 상기 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 음각 패턴의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선 및 제 2 곡선이 부드럽게 연결되어 이루어지되, 상기 제 1 곡선은 상기 실리콘 마스터 몰드의 상부 표면과 부드럽게 연결되며, 상기 제 1 곡선과 상기 제 2 곡선이 만나는 지점은 변곡점을 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 마찰 신뢰성이 우수한 마찰대전 에너지하베스터 구조체를 제공하며, 양산성이 우수한 제조방법을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에 적용되는 실리콘 마스터 몰드의 일부 단면을 도해하는 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에 적용되는 실리콘 마스터 몰드의 일부를 도해하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 실리콘 마스터 몰드와 이로부터 전사되는 유연기판을 도해하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 구현되는 반구 형상의 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판의 일부를 도해하는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 구현한 실리콘 마스터 몰드의 사진이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 구현한 반구 형상의 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판의 사진이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 단면을 도해하는 도면들이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에 채용된 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 방법을 도해하는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면들에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
명세서 전체에 걸쳐서, 층 또는 영역과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
또한, "상의" 또는 "하의" 와 같은 상대적인 위치를 나타내는 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 위치 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 나아가, 이러한 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향 뿐만 아니라 구성요소의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수도 있다. 예를 들어, 도면들에서 구성요소가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 언급되는 돔(dome)은 부드러운 굴곡면을 가지는 형상을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 언급되는 반구 형상이라 함은 유연기판의 상면으로부터 돌출된 면이, 그 자체로는, 모서리나 꼭지점을 가지지 않는 곡면의 형상을 가지며 전반적인 외표면의 형상이 대략적으로 구형의 적어도 일부의 형상을 가진다는 것을 의미할 뿐, 수학적으로 엄밀하게 정의된 대칭적 구형의 절반임을 의도하는 것으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체는 실리콘 마스터 몰드로부터 전사된 유연기판을 포함하므로 먼저 실리콘 마스터 몰드를 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에 적용되는 실리콘 마스터 몰드의 일부 단면을 도해하는 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 마스터 몰드의 일부(100)를 나타내는 도면이다. 도 1a에 도시된 단면은 도 1b의 A-A 라인을 따라 절취한 단면에 대응된다.
도 1a를 참조하면, 음각 패턴(122)의 돔형 어레이를 갖는 실리콘 마스터 몰드(120a)를 먼저 제공한다. 실리콘 마스터 몰드(120a)는 상부 표면(124) 및 음각 패턴(122)을 포함할 수 있다. 실리콘 마스터 몰드(120a)는 상부 표면(124)에서 음각 패턴(122)으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어진다. 음각 패턴(122)의 횡단면은 상부 표면(124)에서 이어지는 제 1 곡선(122a)과 제 1 곡선(122a)에서 이어지는 제 2 곡선(122b)으로 이루어진다. 음각 패턴(122)의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선(122a) 및 제 2 곡선(122b)이 부드럽게 연결되어 이루어진다. 제 1 곡선(122a)과 상부 표면(124)은 부드럽게 연결된다. 제 1 곡선(122a)과 제 2 곡선(122b)이 만나는 지점은 변곡점(I)을 형성한다. 본 명세서에서 곡선이나 곡면이 부드럽다는 것은 수학적으로 미분이 가능하다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 부드러운 곡면을 가지는 실리콘 마스터 몰드(120a)를 제공함으로써 전사 과정에서 패턴의 재현성이 불량해지거나 패턴이 유실되는 문제점을 극복할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 실리콘 마스터 몰드와 이로부터 전사되는 유연기판을 도해하는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 구현되는 반구 형상의 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판의 일부를 도해하는 사시도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에 따르면, 상술한 실리콘 마스터 몰드(120a)를 몰드로 사용하여 반구 형상의 양각 패턴(322)의 돔형 어레이를 갖는 유연기판(320)을 형성한다. 예를 들어, 실리콘 마스터 몰드(120a) 상에 리머, 유기물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 코팅전사하여 반구 형상의 양각 패턴(322)의 돔형 어레이를 갖는 유연기판(320)을 형성할 수 있다. 구체적인 예로서, 유연기판(320)은 PDMS 물질로 이루어진 기판을 포함할 수 있다.
실리콘 마스터 몰드(120a)로부터 전사되므로 유연기판(320)의 양각 패턴(322)의 형상은 상술한 실리콘 마스터 몰드(120a)의 음각 패턴(122)의 형상에 대응된다. 즉, 유연기판(320)의 상부 표면(324)에서 양각 패턴(322)으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어지며, 양각 패턴(322)의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선(322a) 및 제 2 곡선(322b)이 부드럽게 연결되어 이루어지되, 제 1 곡선(322a)은 유연기판(320)의 상부 표면(324)과 부드럽게 연결되며, 제 1 곡선(322a)과 제 2 곡선(322b)이 만나는 지점은 변곡점(II)을 형성한다.
본 명세서에서 곡선이나 곡면이 부드럽다는 것은 수학적으로 미분이 가능하다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 부드러운 곡면을 가지는 반구 형상의 양각 패턴(322)을 제공함으로써 마찰 내마모성 상승이 가능한 마찰대전 에너지하베스터 구조를 구현할 수 있으며, 곡면 형상의 대상체에 부착 사용이 가능하므로 웨어러블(wearable) 하베스팅 소자로 응용이 가능하다.
본 발명자는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 구현한 실리콘 마스터 몰드(120a) 및 이로부터 전사된 반구 형상의 양각 패턴(322)의 돔형 어레이를 갖는 유연기판(320)을 실제로 구현하였는 바, 도 4a 및 도 4b는 각각의 사진을 나타낸다. 도 4a에 도시된 실리콘 마스터 몰드(120a)의 각각의 음각 패턴은 반구 직경이 100nm 내지 1000nm의 범위를 가지며, 도 4b에 도시된 PDMS 유연기판(320)의 두께는 수백 ㎛의 범위를 가진다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 단면을 도해하는 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체(300)는 유연기판(320)의 일면 상에 형성된 금속박막(330)을 포함한다. 금속박막(330)은, 예를 들어, 티타늄과 알루미늄의 적층박막, 탄탈륨과 구리의 적층박막, 티타늄과 은의 적층박막 또는 크롬과 금의 적층박막을 포함할 수 있다. 금속박막(330)은 스퍼터링(sputtering)이나 증발(evaporating) 공정으로 증착될 수 있으며, 1 ㎛ 이내의 얇은 두께로 증착하여 유연성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체(300)는 상술한 실리콘 마스터 몰드(120a)로부터 전사된 제 1 유연기판(320-1)과 제 2 유연기판(320-2)을 포함한다. 나아가, 마찰대전 에너지하베스터 구조체(300)는 제 1 유연기판(320-1)과 제 2 유연기판(320-2)의 어느 면 상에 각각 형성된 제 1 금속박막(330-1)과 제 2 금속박막(330-2)을 더 포함하며, 제 1 금속박막(330-1)과 제 2 금속박막(330-2)을 전기적으로 연결하는 연결부(350)를 포함한다.
제 1 유연기판(320-1)의 양각 패턴(322)과 제 2 유연기판(320-2)의 양각 패턴(322)은 서로 마주보도록 배치된다. 한편, 제 1 유연기판(320-1)에 형성된 제 1 금속박막(330-1)은 제 1 유연기판(320-1)의 양각 패턴(322)이 구현되는 면 상에 형성되며, 제 2 유연기판(320-2)에 형성된 제 2 금속박막(330-2)은 제 2 유연기판(320-2)의 양각 패턴(322)이 구현되는 면의 반대면 상에 형성된다. 나아가, 제 1 금속박막(330-1)과 제 2 금속박막(330-2)은 연결부(350)에 의하여 전기적으로 연결된다. 이로써 반구 양각형 PDMS 기판 기반의 마찰대전 에너지하베스터 구조체를 구현하였는 바, 연결부(350)로 전기적 연결을 하면 상호 마찰에 의한 전하 포집이 가능하게 된다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체(300)에서는 반구형 볼록 전극을 사용하여 마찰 내마모성 상승을 구현하며 실질적이면서 양산성이 있는 전극 구조를 구현하였다. 또한 유연한 기판 상에 금속박막을 증착하여 금속전극도 유연한 구조를 구현하였다. 이러한 구성을 가지는 마찰대전 에너지하베스터 구조체(300)는 각종 곡면 형상의 대상체에 부착 사용이 가능하여 웨어러블 하베스팅 소자로 응용이 가능하다.
마찰대전 에너지하베스터 구조체(300)는 실리콘 마스터 몰드(120a)로부터 전사되는 바, 결국, 본 발명의 중요한 기술적 사상 중의 하나는 실리콘 마스터 몰드(120a)이다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법에서 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 방법을 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 살펴본다.
도 6a를 참조하면, 실리콘 기판(120)을 준비하고 실리콘 기판(120) 상에 블로킹패드를 형성한다. 블로킹패드는 실리콘산화막(140) 및 실리콘질화막(160)을 순차적으로 형성함으로써 구현할 수 있다. 실리콘산화막(140)을 형성하기 전에 실리콘 기판(120)을 세정하는 단계를 먼저 수행할 수 있다.
실리콘산화막(140)은 고순도의 박막 특성이 필요하기 때문에 실리콘 기판(120) 상에 열산화(thermal oxidation) 공정으로 성장시킬 수 있다. 실리콘산화막(140)은 실리콘 기판(120)과 실리콘질화막(160) 간의 응력(stress)을 완화시킬 수 있다. 변형된 실시예에서 실리콘산화막(140)은 증착 공정으로 구현될 수도 있다. 실리콘질화막(160)은 후속의 실리콘산화돔을 형성하기 위한 산화공정에서 마스킹의 역할을 수행할 수 있다. 실리콘질화막(160)은, 예를 들어, LPCVD 증착 공정으로 형성될 수 있다. 실리콘이 산화되는 속도는 LPCVD 공정으로 구현된 실리콘질화막이 산화되는 속도에 비하여 약 25배 정도 빠르다. 본 발명에서는 이러한 선택적 산화 특성을 후속 공정에서 이용하기 위하여 실리콘질화막을 포함하는 블로킹패드를 제공한다. 다만, 극히 작은 양의 산화된 질화막은 제거하기 힘든 물질로 변질되는 특성이 있으므로 이것은 별도의 공정으로 제거가 필요하며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 6b를 참조하면, 블로킹패드 상에 감광층 패턴(170)을 형성한다. 먼저, 상기 블로킹패드 상에 감광층을 도포하고 상기 감광층 상에 리소그래피 공정을 수행함으로써 감광층 패턴(170)을 형성한다.
도 6c를 참조하면, 도 6b에 도시된 감광층 패턴(170)에 의하여 노출되는 실리콘질화막(160)을 제거하고 계속하여 대응되는 하부의 실리콘산화막(140)을 제거함으로써 블로킹패드 패턴을 형성한다. 상기 블로킹패드 패턴은 실리콘산화막 패턴(140a) 및 실리콘질화막 패턴(160a)으로 구성될 수 있다. 즉, 감광층 패턴(170) 사이의 열린 공간(H1)을 통하여 노출되는 실리콘질화막(160) 및 실리콘산화막(140)을 제거함으로써 블로킹패드 패턴을 구현할 수 있다. 식각 공정을 통하여 실리콘산화막(140)이 제거되는 과정에서 실리콘 기판(120)이 손상을 받을 수 있으므로 실리콘의 손상층을 제거할 수 있는 추가적인 식각 공정(silicon light etch)을 더 진행할 수도 있다.
도 6e를 참조하면, 도 6c의 구조를 구현한 후에, 상기 블로킹패드 패턴에 의하여 노출되는 실리콘 기판(120)에 대하여 습식 산화(wet oxidation) 공정을 수행함으로써 실리콘 기판(120)의 일부로부터 실리콘산화돔(180, silicon oxide dome)을 형성한다. 실리콘산화돔(180)은 돔(dome) 형상의 실리콘산화물을 포함한다. 본 명세서에서 언급되는 '돔'은 부드러운 굴곡면을 가지는 형상을 의미할 뿐, 반드시 반구형이나 구형과 같은 대칭형상을 가지는 것은 아님을 명백히 이해해야 한다.
습식 산화 공정은, 예를 들어, 850 내지 1000℃의 범위에서 수행될 수 있으며, 이 경우, 실리콘산화돔(180)은 열산화법으로 성장된 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실리콘산화돔(180)을 형성하는 과정에서 실리콘산화돔(180)의 측부는 블로킹패드 패턴인 실리콘질화막 패턴(160a)의 하부로 성장될 수 있다. 실리콘 기판(120)에 대한 습식 산화 공정을 수행함으로써 자연적으로 발생하는 측면산화에 의한 형상은 각진 부분이 없는 부드러운 곡면을 가진다. 본 발명은 실리콘산화돔(180)의 형상과 크기를 조절할 수 있는 다양한 인자들을 제시한다.
실리콘산화돔(180)의 형상과 크기는 블로킹패드를 형성하는 단계에서 실리콘산화막(140) 및 실리콘질화막(160)의 상대적인 두께의 비를 결정함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 실리콘질화막(160)의 두께가 두꺼울수록 실리콘질화막 패턴(160a)의 하부로 성장되는 실리콘산화돔(180)의 측부의 크기는 작아진다. 또한, 실리콘산화막(140)의 두께가 얇을수록 실리콘질화막 패턴(160a)의 하부로 성장되는 실리콘산화돔(180)의 측부의 크기는 작아진다. 물론, 실리콘산화돔(180)의 형상과 크기는 실리콘산화돔(180)을 형성하는 습식 식각 공정의 산화량에 따라 제어될 수 있다.
한편, 실리콘산화돔(180)의 높낮이를 제어하기 위하여 실리콘산화돔(180)을 형성하기 이전에 실리콘 기판(120)의 일부가 리세스(recess)되도록 제거될 수도 있다. 도 6d를 참조하면, 도 6c의 구조를 구현한 후 도 6e에 도시된 공정을 수행하기 이전에, 블로킹패드 패턴(140a, 160a)에 의하여 노출된 실리콘 기판(120)을 소정의 깊이만큼 제거하는 단계를 수행할 수도 있다.
도 6f를 참조하면, 실리콘산화돔(180)을 형성한 후에 실리콘질화막 패턴(160a)을 제거할 수 있다. 실리콘질화막 패턴(160a)의 제거는 상당히 복잡한 과정을 거쳐 수행될 수 있다. 실리콘산화돔(180)을 형성하기 위한 습식 산화 과정에서 실리콘질화막 패턴(160a)의 상부는 200 내지 300Å 정도의 산질화막으로 변질되므로 질화물 습식 식각 용액과 다른 별도의 습식 식각 공정으로 제거하여야 한다. 계속하여 실리콘질화막 패턴(160a)의 나머지는 H3PO4와 같은 용액을 사용하여 습식 식각될 수 있다.
한편, 도 6a에 도시된 것과 달리, 본 발명의 변형된 실시예에서, 블로킹패드는 실리콘산화막(140) 및 실리콘질화막(160) 사이에 개재되는 폴리실리콘막을 더 포함할 수 있다. 폴리실리콘막을 도입함으로써 실리콘산화돔(180)을 형성하는 과정에서 유발되는 응력을 감소시킬 수 있으나, 실리콘 기판(120)의 러프니스 불량이 발생할 수 있는 바, 이를 적절히 제어하기 위하여 적절한 산화 공정이 필요할 수 있다.
이어서, 실리콘산화돔(180)을 제거함으로써 도 1a에 도시된 음각 패턴(122)의 돔형 어레이를 갖는 실리콘 마스터 몰드(120a)를 형성할 수 있다. 실리콘 마스터 몰드(120a)는 실리콘 기판(120)에서 실리콘산화돔(180)을 제거함으로써 구현할 수 있다. 실리콘 마스터 몰드(120a)는, 실리콘 기판(120)의 상부면으로서 실리콘산화돔(180)이 형성되지 않은 상부 표면(124); 및 실리콘산화돔(180)을 제거하여 구현된 음각 패턴(122)을 포함할 수 있다.
상술한 단계들을 수행함으로써 구현된 실리콘 마스터 몰드(120a)는 상부 표면(124)에서 음각 패턴(122)으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어진다. 도 1a에 도시된 것처럼, 음각 패턴(122)의 횡단면은 상부 표면(124)에서 이어지는 제 1 곡선(122a)과 제 1 곡선(122a)에서 이어지는 제 2 곡선(122b)으로 이루어진다. 음각 패턴(122)의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선(122a) 및 제 2 곡선(122b)이 부드럽게 연결되어 이루어진다. 제 1 곡선(122a)과 상부 표면(124)은 부드럽게 연결된다. 제 1 곡선(122a)과 제 2 곡선(122b)이 만나는 지점은 변곡점(I)을 형성한다. 본 명세서에서 곡선이나 곡면이 부드럽다는 것은 수학적으로 미분이 가능하다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 부드러운 곡면을 가지는 실리콘 마스터 몰드(120a)를 제공함으로써 전사 과정에서 패턴의 재현성이 불량해지거나 패턴이 유실되는 문제점을 극복할 수 있다.
한편, 전사 과정에서의 상술한 문제점을 극복하기 위하여 실리콘 마스터 몰드(120a)의 상부 표면(124) 및 음각 패턴(122) 상에 표면처리층을 더 형성할 수 있다. 표면처리층은 절연막 또는 금속층을 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 실리콘 마스터 몰드(120a)에서 차지하는 어레이 형태의 음각 패턴(122)의 비율과 음각 패턴(122)의 깊이(B1), 폭(B2), 피치(B3)는 블로킹패드의 적층 구조, 블로킹패드 패턴을 구현하기 위한 리소그래피 공정, 실리콘산화돔(180)을 형성하기 위한 산화 공정의 조건에 의하여 조절될 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 마스터 몰드 및 그 제조방법을 설명하였다. 상기 대면적 실리콘기반 음각형 돔(dome) 형상을 갖는 미세 나노패턴 어레이 구조의 마스터 몰드는 물리적 진동을 이용, 반복적 접촉대전을 유도하여 전기에너지를 생산하는 마찰대전 에너지 하베스터 소자 제작에 적용할 수 있다. 마찰대전 나노발전기 소자 제작에 있어 실리콘 공정기술을 활용하면 초고밀도 나노구조를 통한 높은 출력에너지 특성과 정렬된 구조제어를 통한 높은 재현성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 나노발전기의 표면 구조 유한요소법 분석에 의하면 나노발전기의 마찰면적이 증가할수록 출력이 증가하고 민감도가 매우 높아지며, 돔형 또는 굴곡형 나노구조 어레이를 적용 시 높은 출력에너지와 동작압력, 내구성을 동시에 만족할 수 있다. 돔형 및 굴곡형 구조체를 제작하는데 있어 실리콘 상에 양각 형태 그대로 패터닝하여, 이를 대전 물질에 2회에 걸친 전사 과정을 거쳐 구현하는 것이 가능하지만, 폴리머(1차 음각전사)- 폴리머(2차 양각전사)간 전사 과정이 용이하지 않고 이 과정에서 패턴의 유실현상 및 구조제어 재현성이 급격히 떨어지는 문제가 발생하는 바, 본 발명은 소자의 내구성과 신뢰성 측면에서 대체 공정기법을 제공할 수 있다.
그러나 일반적인 건식/습식 에칭 방법을 이용하여 실리콘 상에 최초 음각 형태를 갖는 돔형 나노 구조체를 구현하는 것은 쉽지 않으며, 건식 식각 방법을 이용한 홀(hole) 구조 어레이를 구현해 내는 정도의 공정기법에 의해서는 상술한 문제점을 극복하는 것이 용이하지 않음을 발견하였다. 본 발명에서는 실리콘 상에 단순한 홀 형태가 아닌 음각 형태의 돔 혹은 굴곡 패턴을 형성하여 이를 마스터 몰드(master mold)로 활용, 실리콘(음각구조) - 폴리머(양각전사) 1회 전사만으로 대전 물질에 최종 돔형 또는 굴곡형 패터닝을 완성하는 기술을 제안한다. 본 발명의 실시예에서 제안하는 나노발전기용 마스터 몰드는 접촉분리형 하베스터, 슬라이딩형 하베스터, 단일전극형 하베스터 등에 모두 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 반구 형상의 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판; 및
    상기 유연기판의 일면 상에 형성된 금속박막;
    을 포함하는 마찰대전 에너지하베스터 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연기판의 상부 표면에서 상기 양각 패턴으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어지며, 상기 양각 패턴의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선 및 제 2 곡선이 부드럽게 연결되어 이루어지되, 상기 제 1 곡선은 상기 유연기판의 상부 표면과 부드럽게 연결되며, 상기 제 1 곡선과 상기 제 2 곡선이 만나는 지점은 변곡점을 형성하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연기판은 PDMS 기판을 포함하며, 상기 금속박막은 티타늄과 알루미늄의 적층박막, 탄탈륨과 구리의 적층박막, 티타늄과 은의 적층박막 또는 크롬과 금의 적층박막을 포함하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유연기판은 제 1 유연기판 및 제 2 유연기판을 포함하되, 상기 제 1 유연기판의 양각패턴과 상기 제 2 유연기판의 양각패턴은 서로 마주보도록 배치되며,
    상기 금속박막은 상기 제 1 유연기판의 양각패턴이 구현되는 면 상에 형성된 제 1 금속박막 및 상기 제 2 유연기판의 양각패턴이 구현되는 면의 반대면 상에 형성된 제 2 금속박막을 포함하며,
    상기 제 1 금속박막과 상기 제 2 금속박막을 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체.
  5. 실리콘 기판의 일부에 대하여 습식 산화 공정을 수행하여 실리콘산화돔을 형성한 후에 상기 실리콘산화돔을 제거함으로써 구현된, 음각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 실리콘 마스터 몰드이며, 상기 실리콘 마스터 몰드의 상부 표면에서 상기 음각 패턴으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어지는, 실리콘 마스터 몰드를 준비하는 제 1 단계;
    상기 실리콘 마스터 몰드 상에 폴리머, 유기물질 또는 유전체 물질 중 적어도 어느 하나를 코팅전사하여 양각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 유연기판을 형성하는 제 2 단계;
    상기 유연기판의 일면 상에 금속박막을 형성하는 제 3 단계;
    를 포함하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 블로킹패드 패턴을 형성하는 단계; 상기 블로킹패드 패턴에 의하여 노출되는 상기 실리콘 기판에 대하여 습식 산화 공정을 수행함으로써 상기 실리콘 기판의 일부로부터 실리콘산화돔(silicon oxide dome)을 형성하는 단계; 및 상기 실리콘산화돔을 제거함으로써 음각 패턴의 돔형 어레이를 갖는 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 단계;를 포함하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리콘산화돔을 형성하는 단계는 상기 실리콘산화돔의 측부가 상기 블로킹패드 패턴의 하부로 성장하는 단계를 포함하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 실리콘 마스터 몰드는 상부 표면에서 상기 음각 패턴으로 연결되는 부분이 부드러운 곡면으로 이루어지는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리콘 마스터 몰드를 형성하는 단계에서, 상기 음각 패턴의 횡단면은 각진 부분이 없이 제 1 곡선 및 제 2 곡선이 부드럽게 연결되어 이루어지되, 상기 제 1 곡선은 상기 실리콘 마스터 몰드의 상부 표면과 부드럽게 연결되며, 상기 제 1 곡선과 상기 제 2 곡선이 만나는 지점은 변곡점을 형성하는, 마찰대전 에너지하베스터 구조체의 제조방법.











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