WO2023140457A1 - 전도성 부유 마스크를 이용한 3차원 구조물의 제조방법 - Google Patents

전도성 부유 마스크를 이용한 3차원 구조물의 제조방법 Download PDF

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WO2023140457A1
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mask
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conductive mask
lower substrate
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최만수
브이.피키트사 피터
정윤호
신주연
정우익
허창녕
조원진
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재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단
서울대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a method for fabricating a three-dimensional structure having a controlled size and shape by focusing charged nanoparticles by adjusting an electric field between a conductive floating mask and a substrate.
  • 3-dimensional nanoprinting is a technology for fabricating micro- to nano-sized three-dimensional structures by selectively controlling, focusing, and depositing charged nanoparticles at a desired location. It is attracting attention as a next-generation smart manufacturing process in the aerospace industry, home appliance and consumer goods industries.
  • the three-dimensional structure is affected by the purity, composition, shape, and size of the components.
  • Conventional nanoprinting technology using ink has a low purity of components, requires a special environment such as a vacuum, and has limitations in that only one structure can be produced at a time.
  • the ion-based 3D nanoprinting technology developed to overcome these limitations is a dry process that does not contain impurities such as ink, so the purity of the structure is high, and more than thousands of nanostructures can be produced at a time at room temperature and pressure, so it is economical.
  • the ion-based nanoprinting process is performed in a deposition chamber including a non-conductive floating mask and a conductive substrate.
  • the non-conductive floating mask is made of a non-conductive material and has several thousand or more patterns to focus charged nanoparticles. For example, when a negative voltage is applied to a conductive substrate and positive ions and positively charged nanoparticles are injected into the deposition chamber, positive ions with a small mass are first accumulated on the surface of the non-conductive floating mask by an electric field in the chamber. When the positive ions accumulated on the surface of the mask distort the electric field around the pattern in a lens shape, the positively charged nanoparticles are focused along the distorted electrostatic lens, and 3D structures of various shapes can be fabricated through the 3D nanostage.
  • the present invention provides a method of inducing a change in size and shape of a finally obtained 3D structure by controlling an electric field between a mask and a substrate that replaces the role of ions in a 3D nanoprinting process.
  • a method for manufacturing a three-dimensional structure comprising at least one of the following steps (S4) and (S5) is provided:
  • a conductive mask disposed above the lower substrate and having a plurality of holes
  • an electric field application means for generating electric fields of different magnitudes in the conductive mask and the lower substrate to form an electrostatic lens around the hole of the mask
  • nanoparticle introducing means for introducing charged nanoparticles onto the conductive mask
  • an electric field adjusting means for adjusting the size of an electric field applied to the conductive mask and the lower substrate
  • a three-dimensional structure manufacturing apparatus including a transfer means for transferring the lower substrate in three dimensions is provided.
  • the degree to which charged nanoparticles are focused on the substrate through the holes of the mask can be determined according to the strength of the electric field, and the size and shape of the 3D structure formed as the nanoparticles are deposited on the substrate can be controlled according to the degree of focusing while the lower substrate is transferred in 3D.
  • FIG. 1 schematically illustrates a process in which a three-dimensional structure is manufactured inside a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • 2 to 5 are SEM images showing changes in height, thickness, and shape of a structure according to the strength of an electric field between a substrate and a mask in an embodiment.
  • FIG. 6 is a SEM picture showing control of the shape of a 3D nanostructure growing while transferring a lower substrate in 3D in Example.
  • 7 to 8 are graphs showing a change in size of a structure according to the strength of an electric field between a substrate and a mask in an embodiment.
  • One embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a 3D structure having a controlled size and shape by adjusting an electric field using a distance between a mask and a substrate, a potential difference, or a hole size of a mask.
  • FIG. 1 schematically illustrates a process for manufacturing a three-dimensional structure inside a reactor according to an embodiment of the present invention, and hereinafter, a method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 .
  • a three-dimensional structure may be fabricated in a reactor (deposition chamber) 1 having a main body grounded and including a lower substrate 10 and a conductive floating mask 20 therein.
  • the lower substrate 10 may be a substrate commonly used for nanopatterning, for example, a substrate made of a conductive material such as silicon (Si), indium tin oxide (ITO), silicon carbide (SiC), or a material in which layers of conductive and non-conductive materials are simultaneously present on one substrate, and a voltage may be applied by placing the substrate on the electrode layer 11 and connecting a power supply source.
  • the lower substrate 10 may be combined with a 3D nano-stage 12 to control the growth direction of deposited nanoparticles.
  • the conductive mask 20 includes a form in which a single hole serving as a nozzle is present in a film coated with a metal thin film, a form in which a plurality of holes are provided in a pattern, or a form in which a plurality of holes are provided as a metal mesh. By applying voltages of different sizes to the plurality of holes, the electric fields of the plurality of nozzles can be individually controlled.
  • the conductive mask 20 may be spaced apart from the lower substrate 10 by a predetermined distance d.
  • the metal thin film or metal mesh may include chromium (Cr), gold (Au), or a mixture thereof, but is not limited thereto.
  • the separation distance d In a state where the separation distance d is maintained between the lower substrate 10 and the conductive mask 20, voltages of different magnitudes may be applied to the substrate and the mask to generate an electric field, and an electrostatic lens may be uniformly formed around the hole of the mask by the electric field.
  • the strength of the electric field may be adjusted by adjusting the separation distance in a state where the electric field is applied or by changing the size of the hole provided in the mask.
  • the electrostatic lens In the state in which the electrostatic lens is formed, when charged nanoparticles are introduced together with a carrier gas (e.g., nitrogen, helium, or argon) through the upper inlet of the reactor, the charged nanoparticles are focused while passing through the hole of the conductive mask 20 by the electrostatic lens, and are deposited on the lower substrate 10 to grow a structure of nanoparticles.
  • a carrier gas e.g., nitrogen, helium, or argon
  • the degree to which the nanoparticles pass through the holes of the mask and focus on the substrate that is, the width of the structure, may be determined according to the strength of the electric field between the conductive mask and the substrate.
  • the distance d between the conductive mask and the substrate the size of the voltage applied thereto, or the strength of the electric field generated using the hole size of the mask, the size, shape, and even the arrangement of the finally obtained 3D structure can be precisely controlled.
  • the hole diameter of the mask may be, for example, in the range of 500 nm to 10 ⁇ m, specifically 1 ⁇ m or more, 2 ⁇ m or more, 3 ⁇ m or more, 4 ⁇ m or more, and 9 ⁇ m or less, 8 ⁇ m or less, 7 ⁇ m or less, 6 ⁇ m or less, but is not limited thereto.
  • various types of 3D structures can be manufactured by controlling the growth direction, height, width, etc. of nanoparticles deposited on the substrate through the movement of the 3D nano-stage 12 coupled under the lower substrate 10.
  • this method is a dry process that does not use ink, it is advantageous in terms of processability because it does not contain impurities such as polymers.
  • the charged nanoparticles may be particles having a size of 1 to 10 nm generated by spark discharging a precursor, and the precursor may include a conductive material selected from palladium, gold, copper, tin, indium, ITO, graphite, and silver; a conductive material coated with a non-conductive material selected from cadmium oxide, iron oxide and tin oxide; or a semiconductor material selected from among silicon, GaAs and CdSe.
  • charged nanoparticles made through evaporation & condensation, electrospray ionization, etc. can be applied to this technology.
  • the separation distance (d) between the conductive mask and the substrate may be 0.5 to 20 ⁇ m, specifically 1.1 to 11 ⁇ m, and the voltage difference ( ⁇ V) applied to the conductive mask and the substrate may be 50 to 300 V, specifically 75 to 200 V.
  • the strength of the electric field between the conductive mask and the substrate may be 5V/ ⁇ m to 200V/ ⁇ m, for example, 16.67V/ ⁇ m to 100V/ ⁇ m.
  • an electric field of 25 to 75 V/ ⁇ m can be generated between the mask and the substrate.
  • the strength of the electric field generated using the separation distance (d) between the conductive mask and the substrate and the magnitude of each applied voltage can be expressed as the magnitude of the voltage applied to the substrate relative to the moving distance of the charged nanoparticles, that is, the distance between the substrate at the upper entrance of the reactor, as shown in Equation 1 below, which means the electric field intensity formed over the entire area of the reactor.
  • E nom substrate voltage (V)/movement distance of charged nanoparticles ( ⁇ m)
  • the degree to which nanoparticles pass through the hole of the mask and focus on the substrate i.e., the size of the width of the structure
  • the size of the finally obtained 3D structure can be predicted from their correlation.
  • the 3D structure manufactured by the method of the present invention may have a size that satisfies Equation 2 below.
  • W D is the diameter ( ⁇ m) of the stump of the three-dimensional structure
  • W is the spacing ( ⁇ m) between holes provided in the conductive mask
  • ⁇ V is the potential difference (V) between the conductive mask and the underlying substrate
  • d is the separation distance ( ⁇ m) between the conductive mask and the lower substrate
  • ⁇ is a constant
  • E nom is the strength of the electric field (V/ ⁇ m) generated by the potential difference between the conductive mask and the lower substrate.
  • the ⁇ is a factor for compensating for the electric field strength changed by the geometrical factor of the portion where the charged nanoparticles enter the upper part of the mask, and may have a value of 5, for example.
  • Equation 2 above predicts and controls the size and shape of the finally obtained 3D structure through the potential difference and separation distance between the substrate and the mask applied during the manufacturing process of the 3D structure, and the strength of the electric field generated therefrom. It can be usefully used.
  • the lower silicon substrate 10 was placed on the electrode layer 11 in the grounded reactor 1 and coupled to the piezo nano stage 12 .
  • a conductive floating mask 20 having a plurality of holes (4 ⁇ m in diameter) a Cr/Au coating film was disposed to be spaced apart from the silicon substrate.
  • a voltage of -1500 V was applied to the substrate, and a voltage of -1425V, -1400V, -1350V, and -1300V was applied to the surface of the mask, and charged nanoparticles of 5 nm or less obtained by spark discharge were introduced through the upper inlet of the reactor to prepare a three-dimensional structure in which nanoparticles were grown on the lower substrate 10.
  • Various conditions were applied to change the separation distance between the mask and the substrate and to change the moving speed and direction of the piezo nano stage 12 .
  • 2 to 6 are SEM photographs showing changes in the height, thickness, and shape of a structure according to the strength of an electric field between a substrate and a mask applied in an embodiment.
  • the width of the 3D structure is controlled from 650 nm to 310 nm by the potential difference ( ⁇ V) of 75V, 100V, 150V, and 200V.
  • the width of the 3D structure is controlled from 300 nm to 700 nm when the separation distance is changed to 2 ⁇ m and 6 ⁇ m under the condition that the potential difference between the conductive mask and the substrate is 100 V.
  • Figure 4 (a) is the result of an experiment with a hole size of 2 ⁇ m, a separation distance of 4 ⁇ m, and a potential difference of 200 V of the conductive mask, and it is confirmed that the thickness of the structure is controlled from 310 nm to 267 nm
  • Figure 4 (b) is a hole size of 2 ⁇ m, a separation distance of 2 ⁇ m, and a potential difference of 150 V. From the results of FIG. 4 , it can be confirmed that the thickness of the structure is controlled by adjusting the electric field strength (50 V/ ⁇ m to 75 V/ ⁇ m) even when the hole size is changed.
  • FIG. 5 is an illustration of a structure having a variety of thicknesses in one process in the same substrate
  • FIG. 5 (A) is another structure having a thickness change by applying a different potential difference in the process
  • FIG. 5 (B) is another structure having a different potential difference in the process
  • FIG. 12) moves and changes the electric field to exemplify the array formed by preparing a secondary structure to have a different thickness on the same substrate.
  • 3D structures are fabricated in various shapes such as (a) a slanted structure, (b) a downward structure, (c) a helix structure, and (d) a wall structure.
  • 7 and 8 are graphs showing changes in the size of a structure according to the strength of an electric field between a substrate and a mask applied in Examples, and the following Equation 2 was defined by deriving a correlation between each factor from these graphs.
  • W D is the diameter ( ⁇ m) of the stump of the three-dimensional structure
  • W is the spacing ( ⁇ m) between holes provided in the conductive mask
  • ⁇ V is the potential difference (V) between the conductive mask and the underlying substrate
  • d is the separation distance ( ⁇ m) between the conductive mask and the lower substrate
  • ⁇ is a constant, such as 5;
  • E nom is the strength of the electric field (V/ ⁇ m) generated by the potential difference between the conductive mask and the lower substrate.
  • Equation 2 above predicts and controls the size and shape of the finally obtained 3D structure through the potential difference and separation distance between the substrate and the mask applied during the manufacturing process of the 3D structure, and the strength of the electric field generated therefrom. It can be usefully used.

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Abstract

본 발명은 기판 및 전도성 마스크 간에 이격 거리(d)를 유지한 상태에서 기판 및 마스크의 각각에 상이한 전압을 인가하여 전위차에 의한 전기장을 형성하고, 상기 전기장의 세기에 따라 하전 나노입자들이 마스크의 홀을 통과하여 기판 상에 집속되는 정도를 결정할 수 있으며, 상기 집속 정도에 따라 나노입자들이 기판 위에 증착되면서 형성되는 3차원 구조물의 크기 및 형상을 제어할 수 있다.

Description

전도성 부유 마스크를 이용한 3차원 구조물의 제조방법
본 출원은 2022년 1월 24일자로 출원된 한국특허출원 10-2022-0010066에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 특허문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전도성 부유 마스크와 기판 사이의 전기장을 조절하여 하전된 나노입자를 집속함으로써 크기 및 형상이 제어된 3차원 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
3차원 나노프린팅(3-dimensional nanoprinting)은 하전된 나노입자를 선택적으로 제어하여 원하는 위치에 집속(focusing) 및 증착시킴으로써 마이크로 내지 나노 크기의 3차원 구조물을 제작하는 기술로서, 항공우주 산업, 가전 및 소비재 산업 등에서 차세대 스마트 제조 공정으로 주목받고 있다.
상기 3차원 구조물은 구성 성분의 순도, 조성, 형상 및 크기에 영향을 받는데, 기존에 잉크를 이용한 나노프린팅 기술은 구성 성분의 순도가 낮고, 진공 등의 특수 환경이 필요하며, 한번에 1개의 구조물만이 제작되는 한계가 있었다.
이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 이온 기반의 3차원 나노프린팅 기술은 건식 공정으로 잉크 등 불순물이 들어가지 않아 구조물의 순도가 높고, 상온, 상압에서 한 번에 수 천개 이상의 나노 구조물을 제작할 수 있어 경제성이 우수하다는 장점이 있다.
상기 이온 기반의 나노프린팅은 비전도성 부유 마스크 및 전도성 기판을 포함하는 증착챔버 내에서 공정이 진행된다. 상기 비전도성 부유 마스크는 비전도성 물질로 이루어져 있고, 수 천개 이상의 패턴을 구비하여 하전된 나노입자를 집속시킬 수 있다. 예컨대, 전도성 기판에 음전압을 인가해주고 증착챔버 내부로 양이온과 양하전된 나노입자가 주입되면 질량이 작은 양이온이 챔버 내 전기장에 의해 먼저 비전도성 부유 마스크의 표면 위로 쌓이게 되고, 마스크 표면에 쌓인 양이온은 패턴 주변의 전기장을 렌즈 형태로 왜곡시키면, 양하전된 나노입자가 왜곡된 정전기 렌즈를 따라 집속되며 3차원 나노스테이지를 통해 다양한 형상의 3차원 구조물을 제작할 수 있다.
그러나, 이러한 이온 기반의 3차원 나노프린팅은 정전기 렌즈 형성에 중요한 비전도성 마스크에 축적된 이온의 양을 조절하기 어려워 나노구조물의 정밀한 크기 제어가 어렵다.
따라서, 3차원 나노프린팅에 있어서 최종 수득되는 구조물의 크기를 효율적으로 제어하여 균일한 형상을 유도할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 3차원 나노프린팅 과정에서 이온의 역할을 대신하는 마스크와 기판 사이의 전기장을 조절하여 최종 수득되는 3차원 구조물의 크기 및 형상 변화를 유도하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
(S1) 접지된 반응기 내에서 하부 기판 및 상기 기판의 위쪽에 복수의 홀을 구비한 전도성 부유 마스크를 이격시켜 배치하는 단계;
(S2) 상기 전도성 마스크 및 기판에 각각 서로 다른 크기의 전기장을 발생시켜 상기 마스크의 홀 주변으로 정전기 렌즈(electrostatic lens)를 형성하는 단계;
(S3) 상기 반응기의 상부 입구를 통해 하전 나노입자를 도입하여 상기 정전기 렌즈에 의한 마스크 홀의 통과 및 하부 기판상에 증착을 유도하는 단계; 및
하기 단계 (S4) 및 (S5) 중 하나 이상의 단계를 포함하는 3차원 구조물의 제조방법이 제공된다:
(S4) 상기 전도성 마스크 및 기판 사이의 전기장 세기를 조절하여 구조물의 크기 변화를 유도하는 단계; 및
(S5) 하부 기판을 3차원으로 이송시키면서 성장하는 3차원 나노구조물의 형상을 제어하는 단계.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 방법에 사용하기 위한 장치로서,
접지된 반응기,
상기 접지된 반응기 내에 위치한 하부 기판,
상기 접지된 반응기 내에서, 상기 하부 기판의 위쪽에 이격배치되며, 복수의 홀을 구비한 전도성 마스크,
상기 전도성 마스크 및 하부 기판에 각각 서로 다른 크기의 전기장을 발생시켜 상기 마스크의 홀 주변으로 정전기 렌즈(electrostatic lens)를 형성하기 위한 전기장 인가 수단;
상기 전도성 마스크 상부로 하전된 나노 입자를 도입하기 위한 나노 입자 도입 수단;
상기 전도성 마스크 및 하부 기판에 인가되는 전기장의 크기를 조절하기 위한 전기장 조절 수단; 및
상기 하부 기판을 3차원으로 이송시키기 위한 이송 수단을 포함하는 3차원 구조물 제조 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 3차원 구조물의 제조시에 기판 및 전도성 마스크 각각에 상이한 전기장을 형성하고, 상기 전기장의 세기에 따라 하전 나노입자들이 마스크의 홀을 통과하여 기판 상에 집속되는 정도를 결정할 수 있으며, 하부기판을 3차원으로 이송시키면서 상기 집속 정도에 따라 나노입자들이 기판 위에 증착되면서 형성되는 3차원 구조물의 크기 및 형상을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 반응기 내부에서 3차원 구조물이 제조되는 과정을 개략적으로 예시한 것이다.
도 2 내지 5는 실시예에서 기판과 마스크 간의 전기장 세기에 따른 구조물의 높이, 두께 및 형상 변화를 보여주는 SEM 사진이다.
도 6은 실시예에서 하부 기판을 3차원으로 이송시키면서 성장하는 3차원 나노구조물의 형상을 제어하는 것을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7 내지 8은 실시예에서 기판과 마스크 간의 전기장 세기에 따른 구조물의 크기 변화를 보여주는 그래프다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시형태는 마스크와 기판 사이의 거리, 전위차, 또는 마스크의 홀 크기를 이용하는 전기장 조절을 통해 크기 및 형상이 제어된 3차원 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 반응기 내부에서 3차원 구조물이 제조되는 과정을 개략적으로 예시한 것으로, 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 구조물의 제조 방법을 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조할 때, 본 발명에서 3차원 구조물은 본체가 접지되고 내부에 하부 기판(10) 및 전도성 부유 마스크(20)를 포함하는 반응기(증착 챔버)(1)에서 제조될 수 있다.
상기 하부 기판(10)은 나노패터닝에 통상적으로 사용되는 기판, 예컨대 실리콘(Si), 인듐틴 옥사이드(ITO), 실리콘 카바이드(SiC) 등 전도성 물질, 전도성과 비전도성 물질의 층이 동시에 한 기판에 존재하는 형태 등의 재질로 된 기판일 수 있으며, 상기 기판을 전극층(11) 위에 놓고 전원 공급원을 연결함으로써 전압을 인가할 수 있다. 또한, 상기 하부 기판(10)은 증착되는 나노입자의 성장 방향을 제어하기 위해 3차원 나노스테이지(12)와 결합될 수 있다.
상기 전도성 마스크(20)는 금속 박막이 코팅된 필름에 노즐 역할을 하는 단수의 홀이 존재하는 형태, 복수의 홀이 패턴으로 구비된 형태 또는 금속 메쉬로서 복수의 홀을 구비하는 형태를 포함하며, 복수의 홀에 각각 다른 크기의 전압을 인가하여 상기 복수 노즐의 전기장을 개별적으로 제어할 수 있도록 할 수 있다. 상기 전도성 마스크(20)는 하부 기판(10)으로부터 소정 거리(d)로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 금속 박막 또는 금속 메쉬는 크롬(Cr), 금(Au) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
상기 하부 기판(10) 및 전도성 마스크(20) 간에 이격 거리(d)를 유지한 상태에서, 기판 및 마스크에 각각 서로 다른 크기의 전압을 인가하여 전기장을 발생시킬 수 있으며, 상기 전기장에 의해 마스크의 홀 주변으로 정전기 렌즈(electrostatic lens)가 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 반대로 전기장을 유치한 상태에서 이격 거리를 조절하거나, 마스크에 구비된 홀의 크기를 변경하여 전기장의 세기를 조절할 수 있다.
상기 정전기 렌즈가 형성된 상태에서, 반응기의 상부 입구를 통해 하전 나노입자를 캐리어 가스(예컨대, 질소, 헬륨 또는 아르곤)와 함께 도입하면 하전된 나노입자들이 정전기 렌즈에 의해 전도성 마스크(20)의 홀을 통과하면서 집속되고 하부 기판(10) 위에 증착되어 나노입자들의 구조물이 성장하게 된다. 이때, 전도성 마스크와 기판 사이의 전기장의 세기에 따라 나노입자들이 마스크의 홀을 통과하여 기판 상에 집속되는 정도, 즉 구조물의 폭 크기가 결정될 수 있다.
따라서, 전도성 마스크와 기판 사이에 이격 거리(d), 이에 인가되는 전압의 크기, 또는 마스크의 홀 크기를 이용하여 발생되는 전기장의 세기를 조절함으로써, 최종 수득되는 3차원 구조물의 크기, 형상 및 나아가 배열 형태까지 정밀하게 제어할 수 있다.
상기 마스크의 홀 직경은 예컨대, 500nm 내지 10㎛의 범위일 수 있고, 구체적으로 1㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상 그리고 9 ㎛ 이하, 8 ㎛ 이하, 7 ㎛ 이하, 6 ㎛ 이하 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
추가로, 하부 기판(10) 아래에 결합된 3차원 나노스테이지(12)의 움직임을 통해 기판에 증착되는 나노입자의 성장 방향, 높이, 폭 등을 제어함으로써 다양한 형태의 3차원 구조물을 제조할 수 있다. 또한, 이러한 방식은 잉크를 사용하지 않는 건식 공정이므로 폴리머 등의 불순물이 함유되지 않아 공정성에서도 유리하다.
상기 하전 나노입자는 전구체를 스파크 방전시켜 생성된 1 내지 10 nm 크기의 입자일 수 있으며, 상기 전구체는 팔라듐, 금, 구리, 주석, 인듐, ITO, 흑연 및 은 중에서 선택된 전도성 물질; 카드뮴 산화물, 산화철 및 산화주석 중에서 선택된 부도체 물질로 코팅된 전도성 물질; 또는 실리콘, GaAs 및 CdSe 중에서 선택된 반도체 물질일 수 있다. 또는 증발응축(evaporation & condensation), 전기방사이온화법(electrospray ionization) 등을 통해 만들어진 하전된 형태의 나노입자라면 본 기술에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 마스크 및 기판의 이격 거리(d)는 0.5 내지 20 ㎛, 상세하게는 1.1 내지 11 ㎛일 수 있고, 상기 전도성 마스크 및 기판에 인가되는 전압의 차이(ΔV)는 50 내지 300 V, 상세하게는 75 내지 200 V일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 마스크 및 기판 사이의 전기장 세기는 5V/㎛ 내지 200V/㎛ 일 수 있고, 예컨대 16.67V/㎛ 내지 100V/㎛ 일 수 있다.
예컨대, 상기 전도성 마스크 및 기판의 이격 거리(d)를 2 내지 4㎛로 유지한 상태에서 마스크에 -1400V 및 기판에 -1500V로 상이한 전압을 인가하는 경우, 마스크와 기판 사이에 25 내지 75 V/㎛의 전기장을 발생시킬 수 있다.
본 발명에서 전도성 마스크와 기판 사이에 이격 거리(d) 및 각각 인가되는 전압의 크기를 이용하여 발생되는 전기장의 세기는, 하기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 하전 나노입자의 이동거리, 즉 반응기의 상부 입구에서 기판 사이의 거리에 대한 기판에 인가되는 전압의 크기로 나타낼 수 있으며, 이는 반응기 전체 영역에 형성된 전기장 세기를 의미한다.
[수학식 1]
Enom = 기판의 전압(V)/하전 나노입자의 이동거리(㎛)
또한 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 전도성 마스크와 기판 사이의 전기장의 세기에 따라 나노입자들이 마스크의 홀을 통과하여 기판 상에 집속되는 정도(즉, 구조물의 폭 크기)가 결정될 수 있으므로, 이들의 상관관계로부터 최종 수득되는 3차원 구조물의 크기를 예측할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 방법으로 제조된 3차원 구조물은 하기 수학식 2를 만족하는 크기를 가질 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2022013955-appb-img-000001
상기 식에서,
WD는 3차원 구조물의 밑기둥(stump)의 지름(㎛)이고,
W는 전도성 마스크에 구비된 홀 사이의 간격(㎛)이고,
ΔV는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 전위차(V)이고,
d는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 이격 거리(㎛)이고,
α는 상수이며,
Enom는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 전위차에 의해 발생된 전기장의 세기(V/㎛)이다.
상기 α는 마스크 상부에서 하전된 나노입자가 들어오는 부위의 기하학적 요소에 의해 변화되는 전기장 세기를 보완하기 위한 인자로서, 예컨대 5의 값을 가질 수 있다.
상기 수학식 2은 3차원 구조물의 제조 과정에서 적용된 기판과 마스크 간의 전위차 및 이격거리, 그리고 이로부터 발생된 전기장의 세기 등을 통해 최종 수득되는 3차원 구조물의 크기 및 형상을 예측하고 제어하는데 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1:
도 1에 나타낸 바와 같이, 접지된 반응기(1) 내에서 전극층(11) 위에 하부 실리콘 기판(10)을 놓고, 피에조 나노스테이지(12)와 결합시켰다. 복수의 홀(직경 4㎛)을 구비한 전도성 부유 마스크(20)로서 Cr/Au 코팅 필름을 상기 실리콘 기판과 이격되도록 배치하였다. 상기 기판에는 -1500 V 전압을 인가하고, 마스크의 표면에는 전압을 -1425V, -1400V, -1350V 및 -1300V로 변화시켜 인가하면서, 상기 반응기의 상부 입구를 통해 스파크 방전으로 얻은 5nm 이하의 하전 나노입자를 도입하여, 하부 기판(10) 상에 나노입자가 성장한 3차원 구조물을 제조하였다. 상기 마스크와 기판 간의 이격 거리를 변화시키고, 상기 피에조 나노스테이지(12)의 이동 속도 및 방향을 변화시키는 다양한 조건을 적용하였다.
도 2 내지 6은 실시예에서 적용된 기판과 마스크 간의 전기장 세기에 따른 구조물의 높이, 두께 및 형상 변화를 보여주는 SEM 사진이다.
도 2에서, 전도성 마스크와 기판의 이격 거리가 4㎛인 경우 75V, 100V, 150V 및 200V의 전위차(ΔV)에 의해 3차원 구조물의 폭이 650nm에서 310nm까지 제어됨을 확인할 수 있다.
도 3에서, 전도성 마스크와 기판 간의 전위차가 100V인 조건에서 이격 거리가 2㎛ 및 6㎛로 변화시킨 경우, 3차원 구조물의 폭이 300nm에서 700nm까지 제어됨을 확인할 수 있다.
도 4의 (a)는 전도성 마스크의 홀 사이즈를 2㎛, 이격거리 4㎛, 전위차 200V로 실험한 결과, 구조물의 두께가 310nm에서 267nm까지 제어됨을 확인한 결과이며, 도 4의 (b)는 홀 사이즈 2㎛, 이격거리 2㎛, 전위차 150V로 하여 구조물의 두께가 98nm 까지 제어됨을 확인한 결과이다. 도 4의 결과로부터 홀 사이즈를 바꾸어도 전기장 세기 조절(50V/㎛ 부터 75V/㎛)에 따라 구조물의 두께가 제어됨을 확인할 수 있다.
도 5는 동일 기판에서 한번의 공정으로 다양한 두께를 갖는 구조물이 제작된 것을 예시한 것으로, 도 5(a)는 공정 중에 상이한 전위차를 적용하여 두께 변화를 갖는 구조물을, 도 5(b)는 공정 중에 상이한 전위차를 적용하여 두께 변화를 갖는 또 다른 구조물, 그리고 도 5(c)는 상기 구조물 사이 공간으로 피에조 나노스테이지(12)를 이동하고 전기장을 변화시켜 동일한 기판 위에 서로 다른 두께를 갖도록 2차 구조물을 제조하여 형성된 어레이를 예시한 것이다.
도 6에서, 전도성 마스크와 기판 간의 전기장 세기를 제어하면서 피에조 나노스테이지(12)의 이동 속도 및 방향을 변화시킨 결과, (a) 한방향으로 기울어진 구조(slanted structure), (b) 하향 구조 (downward structure) (c) 꺽인 구조(helix structure), (d) 월 구조(wall structure)의 다양한 형상으로 3차원 구조물이 제조됨을 확인할 수 있다.
도 7 내지 8은 실시예에서 적용된 기판과 마스크 간의 전기장 세기에 따른 구조물의 크기 변화를 보여주는 그래프이며, 이들 그래프로부터 각 인자들간의 상관관계를 도출하여 하기 수학식 2를 정의하였다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2022013955-appb-img-000002
상기 식에서,
상기 식에서,
WD는 3차원 구조물의 밑기둥(stump)의 지름(㎛)이고,
W는 전도성 마스크에 구비된 홀 사이의 간격(㎛)이고,
ΔV는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 전위차(V)이고,
d는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 이격 거리(㎛)이고,
α는 상수, 예컨대 5이며,
Enom는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 전위차에 의해 발생된 전기장의 세기(V/㎛)이다.
상기 수학식 2는 3차원 구조물의 제조 과정에서 적용된 기판과 마스크 간의 전위차 및 이격거리, 그리고 이로부터 발생된 전기장의 세기 등을 통해 최종 수득되는 3차원 구조물의 크기 및 형상을 예측하고 제어하는데 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. (S1) 접지된 반응기 내에서 하부 기판 및 상기 하부 기판의 위쪽에 복수의 홀을 구비한 전도성 마스크를 이격시켜 배치하는 단계;
    (S2) 상기 전도성 마스크 및 하부 기판에 각각 서로 다른 크기의 전기장을 발생시켜 상기 마스크의 홀 주변으로 정전기 렌즈(electrostatic lens)를 형성하는 단계;
    (S3) 상기 반응기의 상부 입구를 통해 하전 나노입자를 도입하여 상기 정전기 렌즈에 의한 마스크 홀의 통과 및 하부 기판상에 증착을 유도하는 단계; 및
    하기 단계 (S4) 및 (S5) 중 하나 이상의 단계를 포함하는 3차원 구조물의 제조 방법:
    (S4) 상기 전도성 마스크 및 기판 사이의 전기장 세기를 조절하여 구조물의 크기 변화를 유도하는 단계; 및
    (S5) 하부 기판을 3차원으로 이송시키면서 성장하는 3차원 나노구조물의 형상을 제어하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 마스크는 필름 기재의 일면 또는 양면에 금속 박막 코팅층을 구비하는 형태이거나 금속 메쉬 형태인 것인 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 박막 코팅층 또는 금속 메쉬는 크롬(Cr), 금(Au) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것인 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘(Si), 인듐틴 옥사이드(ITO) 또는 실리콘 카바이드(SiC)으로 이루어진 것인 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전도성 마스크 및 기판 사이의 전기장 세기는 5V/㎛ 내지 200V/㎛ 인 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전도성 마스크 및 기판 사이의 전기장 세기는 16.67V/㎛ 내지 100V/㎛인 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계(S2)에서 발생된 전기장의 세기(Enom)는 하기 수학식 1을 만족하는 제조방법:
    [수학식 1]
    Enom = 기판의 전압(V)/하전 나노입자의 이동거리(㎛)
  8. 제7항에 있어서, 상기 하전 나노입자의 이동거리는 반응기의 상부 입구에서 기판 사이의 거리인 제조방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 3차원 구조물로서, 하기 수학식 2를 만족하는 크기를 갖는 3차원 구조물:
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2022013955-appb-img-000003
    상기 식에서,
    WD는 3차원 구조물의 밑기둥(stump)의 지름(㎛)이고,
    W는 전도성 마스크에 구비된 홀 사이의 간격(㎛)이고,
    ΔV는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 전위차(V)이고,
    d는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 이격 거리(㎛)이고,
    α는 상수이며,
    Enom는 전도성 마스크와 하부 기판 간의 전위차에 의해 발생된 전기장의 세기(V/㎛)이다.
  10. 제9항에서, 상기 수학식 2에서 α의 값이 5인 3차원 구조물.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법에 사용하기 위한 장치로서,
    접지된 반응기,
    상기 접지된 반응기 내에 위치한 하부 기판,
    상기 접지된 반응기 내에서, 상기 하부 기판의 위쪽에 이격배치되며, 복수의 홀을 구비한 전도성 마스크,
    상기 전도성 마스크 및 하부 기판에 각각 서로 다른 크기의 전기장을 발생시켜 상기 마스크의 홀 주변으로 정전기 렌즈(electrostatic lens)를 형성하기 위한 전기장 인가 수단;
    상기 전도성 마스크 상부로 하전된 나노 입자를 도입하기 위한 나노 입자 도입 수단;
    상기 전도성 마스크 및 하부 기판에 인가되는 전기장의 크기를 조절하기 위한 전기장 조절 수단; 및
    상기 하부 기판을 3차원으로 이송시키기 위한 이송 수단을 포함하는 3차원 구조물 제조 장치.
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