KR20220166315A - 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 배치식으로 제조하는 방법을 개시한다. 해당 방법은 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 제조하는 과정에서 결정립 구조 검측 단계를 추가하고, 후속 에칭 단계를 제어하여, 슬라이딩 블록 내부에 하나의 결정립계면만 있도록 함으로써, 이러한 슬라이딩 블록을 전단할 때 이들이 유일한 결정립계면을 통해 슬라이딩되도록 한다. 해당 방법으로 제조된 슬라이딩 블록 어레이는 균일한 슬라이딩면 및 높이를 구비하기 때문에 일치성이 우수하다.
Description
본 발명은 고체 구조 극평활 분야에 관한 것으로, 특히 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 배치식으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
오랫동안 마찰과 마모의 문제는 제조업과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 에너지, 환경 및 건강과도 직접적으로 관련되어 있다. 통계에 따르면, 전세계 약 3분의 1의 에너지는 마찰 과정에서 소모되고, 약 80%의 기계 부품의 고장은 모두 마모로 인해 발생된다. 구조 극평활(structure superlubricity)은 마찰과 마모의 문제를 해결하는 이상적인 방안 중의 하나이다. 구조 극평활이란 원자적으로 평활하고 부정합으로 접촉되는 두 개의 반데르발스 고체 표면(예를 들어 그래핀, 이황화몰리브덴 등 2차원 재료 표면) 사이의 마찰, 마모가 거의 0인 현상을 의미한다. 2004년 네덜란드 과학자 J. Frenken의 연구단은 실험 설계를 통해, 프로브에 접착된 크기가 수 나노미터(총 약 100 개의 탄소원자)인 하나의 그래파이트 시트가 고배향성 열분해 그래파이트(highly oriented pyrolytic graphite, HOPG)의 결정면에서 슬라이딩할 때의 마찰력을 측정하여, 최초로 실험을 통해 나노 스케일 극평활의 존재를 입증하였다. 2013년, Quanshui Zheng 교수는 처음으로 마이크론 스케일에서 HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite) 플레이크층 재료 사이의 극평활 현상을 발견하였고, 이는 극평활이 기초 연구에서 응용 가능한 기술 연구로 넘어간 것을 나타낸다.
기존의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조 과정에서, 고배향성 열분해 그래파이트(HOPG)는 다결정 구조를 갖고, 그의 내부에는 항상 여러 개의 결정립계가 포함되어 있으며, 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록은 그 중의 임의의 하나의 결정립계측이 쪼개져 극평활 슬라이딩할 수 있으므로, 슬라이딩 블록의 슬라이딩면의 위치를 확정하기 어렵다. 이러한 요소의 영향으로 인해, 기존의 방법을 통해 배치식으로 제조된 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 일치성이 좋지 못하다. 구체적으로 다음의 두 가지 문제가 존재한다.
1. 그래파이트 재료의 다결정 구조의 위치로 인해, 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록의 가공 과정에서, 하나의 슬라이딩 블록이 마침 결정립계를 크로스하는 위치에 가공될 수 있다. 이때, 슬라이딩 블록 내부에 종방향 결정립계가 존재하기에, 슬라이딩 블록을 밀어서 극평활 페어를 형성할 때, 해당 종방향 결정립계가 아주 큰 마찰을 일으켜, 해당 슬라이딩 블록이 극평활 슬라이딩을 실현하지 못하도록 함으로써, 해당 슬라이딩 블록이 고장나게 된다.
2. 또한, 슬라이딩 블록이 마침 하나의 단결정 영역의 내부에 가공되더라도, 에칭 깊이가 확정되지 않았기 때문에, 슬라이딩 블록은 슬라이딩 블록을 관통하는 여러 개의 수평 결정립계를 포함할 수 있다. 이러한 수평 결정립계는 슬라이딩 블록에서의 슬라이딩이 쉬운 면이고, 슬라이딩 블록을 밀 때, 슬라이딩 블록은 이러한 수평 결정립계 중의 임의의 하나를 통해 슬라이딩될 수 있으므로, 이의 슬라이딩면의 위치를 알 수 없다. 대량의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록을 배치식으로 생산할 때, 이들 각각의 슬라이딩면의 위치와 높이가 일치성을 구비하지 못하므로, 슬라이딩 블록의 품질이 일치하게 제어될 수 없다.
종래 기술의 단점에 대하여, 본 발명은 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 제조하는 과정에서 결정립 구조 검측 단계를 추가하고, 후속 에칭 단계를 제어하여, 슬라이딩 블록 내부에 하나의 결정립계면만 있도록 함으로써, 이러한 슬라이딩 블록을 전단할 때 이들이 유일한 결정립계면을 통해 슬라이딩되도록 하는 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 발명의 목적을 구현하기 위해, 본 발명에서 제공한 기술방안은 다음과 같다. 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법은,
고배향성 열분해 그래파이트에 적어도 포토레지스트를 커버하는 단계1;
상기 포토레지스트를 패터닝하여, 여러 개의 포토레지스트 아일랜드를 보류하는 단계2;
상기 고배향성 열분해 그래파이트를 에칭하여, 포토레지스트에 의해 보호되지 않는 일부분의 고배향성 열분해 그래파이트를 제거함으로써, 여러 개의 아일랜드형 구조를 형성하는 단계3;
나머지 포토레지스트를 제거하여, 상기 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 획득하는 단계4; 를 포함하고,
단계1 전에, 고배향성 열분해 그래파이트 표면 부근의 3차원 결정립 구조를 검측하여, 그래파이트 표면 부근의 다결정 구조의 결정립 정보를 획득하고;
단계3에서, 검측된 상기 다결정 구조의 결정립 정보에 기반하여, 상기 에칭의 시간을 제어함으로써, 에칭 후의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록이 한 층의 수평 결정립계만을 포함하도록 하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 단계1에서, 상기 포토레지스트는 스핀 코팅의 방식으로 커버되는 것이 바람직하다.
더 나아가, 단계2에서 형성된 포토레지스트 아일랜드의 평균 직경은 1㎛~30㎛인 것이 바람직하고, 포토레지스트 아일랜드 사이의 평균 간격은 1㎛~100㎛인 것이 바람직하다.
더 나아가, 단계3에서 상기 에칭은 반응성 이온 에칭이다.
더 나아가, 상기 검측은 전자 후방 산란 회절, X선 산란 또는 타원 편광 검측이다.
더 나아가, 상기 결정립 정보는 결정립 두께이다.
더 나아가, 상기 에칭의 시간을 제어하여, 에칭 깊이가 마침 그래파이트의 최외층의 하나의 결정립의 두께보다 크고, 최외층에서 제2 결정립의 하부까지의 높이보다 작도록 한다.
더 나아가, 각 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록(7)의 최상부에는 하나의 그래파이트 아일랜드 최상부의 연결층(9)이 있다.
더 나아가, 상기 그래파이트 아일랜드 최상부의 연결층(9)은 플라즈마 화학기상증착법을 통해 연결층(8)을 상기 고배향성 열분해 그래파이트에 증착한 것이다.
더 나아가, 상기 연결층(8)의 재료는 SiO2인 것이 바람직하고, 두께는 50nm~500nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 기술방안으로부터 알 수 있듯이, 기존의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법은 가공 전의 결정립 구조 검측이 없으므로, 검측 정보에 따라 에칭 깊이를 엄격하게 제어할 수 없기에, 가공된 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이 내부에는 대량의 결정립계면(슬라이딩이 쉬운 면)이 포함되어 있다. 따라서 이러한 슬라이딩 블록은 일치성을 구비하지 않는다. 본 발명에서 제조한 슬라이딩 블록 어레이는 균일한 슬라이딩면 및 높이를 구비한다.
도 1은 본 발명의 고배향성 열분해 그래파이트의 무손상 3차원 검측의 전형적인 예상 결과 개략도이다.
도 2는 본 발명의 포토레지스트를 코팅하고 패터닝한 후의 샘플의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 기판을 에칭하여 아일랜드형 어레이를 형성한 후의 샘플의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 나머지 포토레지스트를 제거하여, 가공을 완성한 후의 샘플을 나타내는 개략도이고, 그래파이트 아일랜드 어레이는 균일한 높이의 슬라이딩이 쉬운 면을 구비하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 포토레지스트를 코팅하고 패터닝한 후의 연결층을 구비하는 샘플의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 연결층 및 기판을 에칭하여 아일랜드형 어레이를 형성한 후의 샘플의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 가공을 완성한 후의 연결층을 구비하는 샘플의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 포토레지스트를 코팅하고 패터닝한 후의 샘플의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 기판을 에칭하여 아일랜드형 어레이를 형성한 후의 샘플의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 나머지 포토레지스트를 제거하여, 가공을 완성한 후의 샘플을 나타내는 개략도이고, 그래파이트 아일랜드 어레이는 균일한 높이의 슬라이딩이 쉬운 면을 구비하는 것을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 포토레지스트를 코팅하고 패터닝한 후의 연결층을 구비하는 샘플의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 연결층 및 기판을 에칭하여 아일랜드형 어레이를 형성한 후의 샘플의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 가공을 완성한 후의 연결층을 구비하는 샘플의 개략도이다.
아래에서, 첨부된 도면을 결합하여 본 발명의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록의 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.
단계1, 고배향성 열분해 그래파이트(HOPG)를 선택하여, 해당 고배향성 열분해 그래파이트 재료가 상대적으로 평평한 표면과 층상 구조를 구비하고, 비교적 큰 단결정 크기와 두께를 구비하도록 한다.
단계2, 재료 무손상 검측 수단을 통해, 그래파이트 표면 부근의 결정립을 검측하고, 특히 표면 부근의 3차원 결정립 구조에 대한 무손상 검측을 수행하여, 그래파이트 표면 부근의 다결정 구조를 획득하며, 해당 무손상 검측 수단은 예를 들어, 전자 후방 산란 회절 기술, X선 산란 기술 또는 타원 편광 기술 등일 수 있다. 예상 측정 결과의 예시는 도 1에 도시된 바와 같고, 고배향성 그래파이트는 "벽돌 형상"과 유사한 다결정 모자이크식 구조를 가지며, 그래파이트 표면으로부터 내부로 연장되는 여러 개의 종방향 결정립계(1) 및 여러 개의 그래파이트 내부의 수평 결정립계(2)를 포함하고, 무손상 3차원 검측 기술을 통해 이러한 결정립계의 위치를 정확하게 측정할 수 있다. 검측 결과에 의해 제공되는 결정립 구조 정보에 따라, 고배향성 열분해 그래파이트의 표면에서 하나의 면적이 비교적 큰 단결정 영역(3)을 정확하게 선택하여, 후속 제조 단계에서 사용하도록 제공할 수 있다.
단계3, HOPG에 포토레지스트를 순차적으로 커버하고, 상기 포토레지스트는 스핀 코팅의 방식으로 커버될 수 있다.
단계4, 상기 포토레지스트를 패터닝하여, 여러 개의 포토레지스트 아일랜드를 보류한다. 포토레지스트를 패터닝하는 단계는 후속 단계에서 형성되는 아일랜드형 구조의 레이아웃을 확정한다. 예를 들어, 전자빔 에칭 방법으로 상기 포토레지스트를 패터닝할 수 있고, 형성된 포토레지스트 아일랜드는 예를 들어 평균 직경이 1μm~30μm이고, 포토레지스트 아일랜드 사이의 평균 간격이 1μm~100μm인 정사각형 또는 원형 어레이일 수 있기 때문에, 에칭된 아일랜드형 구조도 도 2에 도시된 바와 같이 상응하는 평균 직경과 평균 간격을 구비한다.
단계5, 상기 기판을 에칭하여, 포토레지스트에 의해 보호되지 않는 일부분의 기판을 제거함으로써, 여러 개의 아일랜드형 구조를 형성한다. 상기 에칭 방법은 예를 들어 반응성 이온 에칭일 수 있다. 단계2에서의 측정 데이터, 특히 아일랜드형 구조가 위치하는 영역의 결정립 두께 데이터에 기반하여, 에칭 과정에서 반응성 이온 에칭의 시간을 엄격하게 제어함으로써, 에칭 깊이가 도 3에 도시된 바와 같이 마침 그래파이트의 최외층의 하나의 결정립의 두께보다 크도록 한다.
단계6, 나머지 포토레지스트를 제거하여, 가공을 완성함으로써, 한 배치의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 획득하고, 원래 그래파이트 내부의 수평 결정립계는 현재 도 4에 도시된 바와 같이 그래파이트 아일랜드 어레이 내의 균일한 슬라이딩면으로 되었다. 동일한 배치의 어레이 내의 상이한 그래파이트 아일랜드는 슬라이딩할 때 동일한 높이에서 슬라이딩되므로 일치성을 구비한다.
특히, 각 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록은 예를 들어 SiO2인 연결층을 구비할 수도 있다. 구체적인 제조방법은 다음과 같다.
단계1, 고배향성 열분해 그래파이트를 선택하고, 해당 재료는 평평한 표면과 층상 구조를 구비하며, 비교적 큰 단결정 크기와 두께를 구비한다.
단계2, 재료 무손상 검측 수단을 통해, 그래파이트 표면 부근의 결정립을 검측하고, 특히 표면 부근의 3차원 결정립 구조에 대한 무손상 검측을 수행하여, 그래파이트 표면 부근의 다결정 구조를 획득하며, 도 1에 도시된 바와 같다. 고배향성 열분해 그래파이트의 표면에서 하나의 면적이 비교적 큰 단결정 영역(3)을 정확하게 선택하여, 후속 제조 단계에서 사용하도록 제공할 수 있다.
단계3, HOPG에 순차적으로 연결층을 증착하고 포토레지스트를 코팅하며, 상기 연결층은 SiO2일 수 있고, 두께는 예를 들어, 50nm~500nm일 수 있으며, 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 상기 SiO2 연결층을 증착할 수 있다. 상기 포토레지스트는 스핀 코팅의 방식으로 커버될 수 있다.
단계4, 상기 포토레지스트를 패터닝하여, 여러 개의 포토레지스트 아일랜드를 보류한다. 예를 들어, 전자빔 에칭 방법으로 상기 포토레지스트를 패터닝할 수 있고, 형성된 포토레지스트 아일랜드는 예를 들어 평균 직경이 1μm~30μm이고, 포토레지스트 아일랜드 사이의 평균 간격이 1μm~100μm일 수 있기 때문에, 에칭된 아일랜드형 구조도 상응하는 평균 직경과 평균 간격을 구비한다. 포토레지스트를 패터닝한 후의 샘플은 도 5에 도시된 바와 같다.
단계5, 상기 연결층 및 상기 그래파이트 기판을 순차적으로 에칭하여, 포토레지스트에 의해 보호되지 않는 연결층 및 일부분의 그래파이트를 제거함으로써, 연결층을 구비한 여러 개의 아일랜드형 구조를 형성한다. 상기 에칭은 예를 들어 반응성 이온 에칭일 수 있다. 그래파이트 기판을 에칭할 때, 단계2에서의 측정 데이터에 기반하여, 반응성 이온 에칭의 시간을 엄격하게 제어함으로써, 에칭 깊이가 도 6에 도시된 바와 같이 마침 그래파이트의 최외층의 하나의 결정립의 두께보다 크고, 최외층에서 제2 결정립의 하부까지의 높이보다 작도록 한다.
단계6, 나머지 포토레지스트를 제거하여, 가공을 완성함으로써, 한 배치의 연결층을 구비하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 획득하고, 도 7에 도시된 바와 같이 이들은 균일한 슬라이딩면을 구비한다.
상술한 내용은 단지 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐이며, 본 발명의 권리범위 내에서 진행한 균등 변화와 수식은 본 발명의 청구항의 포함 범위에 속해야 한다.
1: 그래파이트 표면으로부터 내부로 연장되는 종방향 결정립계
2: 그래파이트 내부의 수평 결정립계
3: 면적이 비교적 큰 단결정 영역, 4: 패터닝한 후의 포토레지스트
5: 그래파이트 아일랜드에서의 슬라이딩이 쉬운 면
6: 그래파이트 아일랜드 기판
7: 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록
8: 연결층
9: 그래파이트 아일랜드 최상부의 연결층
2: 그래파이트 내부의 수평 결정립계
3: 면적이 비교적 큰 단결정 영역, 4: 패터닝한 후의 포토레지스트
5: 그래파이트 아일랜드에서의 슬라이딩이 쉬운 면
6: 그래파이트 아일랜드 기판
7: 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록
8: 연결층
9: 그래파이트 아일랜드 최상부의 연결층
Claims (10)
- 고배향성 열분해 그래파이트에 적어도 포토레지스트를 커버하는 단계1;
상기 포토레지스트를 패터닝하여, 여러 개의 포토레지스트 아일랜드를 보류하는 단계2;
상기 고배향성 열분해 그래파이트를 에칭하여, 포토레지스트에 의해 보호되지 않는 일부분의 고배향성 열분해 그래파이트를 제거함으로써, 여러 개의 아일랜드형 구조를 형성하는 단계3;
나머지 포토레지스트를 제거하여, 상기 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이를 획득하는 단계4; 를 포함하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법에 있어서,
단계1 전에, 고배향성 열분해 그래파이트 표면 부근의 3차원 결정립 구조를 검측하여, 그래파이트 표면 부근의 다결정 구조의 결정립 정보를 획득하고;
단계3에서, 검측된 상기 다결정 구조의 결정립 정보에 기반하여, 상기 에칭을 제어함으로써, 에칭 후의 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록(7)이 한 층의 수평 결정립계만을 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
단계1에서 상기 포토레지스트는 스핀 코팅의 방식으로 커버되는 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
단계2에서 형성된 포토레지스트 아일랜드의 평균 직경은 1㎛~30㎛인 것이 바람직하고, 포토레지스트 아일랜드 사이의 평균 간격은 1㎛~100㎛인 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계3에서 상기 에칭은 반응성 이온 에칭인 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검측은 전자 후방 산란 회절, X선 산란 또는 타원 편광 검측인 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정립 정보는 결정립 두께인 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 에칭의 시간을 제어하여, 에칭 깊이가 마침 그래파이트의 최외층의 하나의 결정립의 두께보다 크고, 최외층에서 제2 결정립의 하부까지의 높이보다 작도록 하는 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
각 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록(7)의 최상부에는 하나의 그래파이트 아일랜드 최상부의 연결층(9)이 있는 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 그래파이트 아일랜드 최상부의 연결층(9)은 플라즈마 화학기상증착법을 통해 연결층(8)을 상기 고배향성 열분해 그래파이트에 증착한 것임을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 연결층(8)의 재료는 SiO2인 것이 바람직하고, 두께는 50nm~500nm인 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 그래파이트 아일랜드 슬라이딩 블록 어레이의 제조방법.
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