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[국내논문] 이광자 흡수 광환원 공정을 이용한 마이크로 금속형상 제작의 정밀화에 관한 연구
Improvement of Metallic Micro-Structure Precision Employing Two-photon Induced Photoreduction Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.9 = no.276, 2008년, pp.754 - 760  

손용 (한국과학기술원 기계항공시스템학부) ,  임태우 (한국과학기술원 기계항공시스템학부) ,  양동열 (한국과학기술원 기계항공시스템학부) ,  (한남대학교 생명정보신소재공학과) ,  이광섭 (한남대학교 생명정보신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A two-photon induced photoreduction process suggests a possibility for fabricating complicated metallic microstructures which can be applied to 3-D micro-circuits and optical devices, etc. The process employs the photoreduction of silver ions in a metallic solution which is composed of metallic salt...

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문제 정의

  • 본 연구에서는 금속이온을 균일하게 배열시켜 주는 기능성 고분자를 포함한 금속이온 수용액을 이용한 이광자 흡수 광환원 공정의 정밀화를 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 레이저 출력, 스캐닝 속도 등 주요 공정변수에 대하여 균일한 금속 형상을 제작할 수 있는 균일 제작조건(continuous fabrication window; CFW)을 도출 하였고 이광자 흡수 광환원 효율을 높이기 위한 금속이온 수용액의 초음파 가진을 통한 금속나노입자 생성방법(direct seed generation method; DSG)을 제안하여 마이크로 금속형상 제작에 대한 정밀도 개선을 수행하였다.
  • 여기서 스캐닝 속도는 안정적인 피에조 스테이지의 제어를 위해 단위 조사간격을 40 nm 로 고정하고 단위 조사시간을 변화시켜 제어 하였다. 이러한 공정변수의 변화가 실제 이광자 흡수 광환원 공정을 이용한 마이크로 금속형상 제작에 어떠한 영향을 미치는지 실험을 통하여 알아보았다. Fig.
  • 이광자 흡수 광환원 공정을 이용한 마이크로 금속형상 제작의 정밀도를 향상시키기 위해 금속 나노입자를 금속이온 수용액에 포함시켜 이광자 흡수 광환원 효율을 높이는 것에 대한 연구가 이루어졌다.(15) 이 경우 금속이온 수용액 내부에 금속 입자를 고르게 분산시키기 위해 금속입자 표면을 고분자로 코팅 시키기 위한 분산제의 개발 및 이에 따른 금속이온의 함유량 향상에 대한 어려움이 있어 이에 대한 연구가 더 필요한 상태이다.
  • 이에 본 연구에서는 이광자 흡수 광환원 공정을 이용한 마이크로 금속형상제작 정밀화를 위하여 초음파 가진을 이용하여 금속이온 수용액 내부에 직접적으로 금속나노입자를 생성시키는(direct seed generation; DSG) 방법을 제안하였다. 이 방법을 이용하게 되면 인위적으로 분산제를 통해 금속 나노입자를 첨가할 필요 없이 금속이온 수용액 내부에 금속나노입자를 생성시킬 수 있으며 이렇게 생성된 금속나노입자는 이광자 흡수 광환원 효율을 높여 낮은 레이저 조사 조건에서 이광자 흡수 광환원을 가능하게 해주어 정밀한 마이크로 금속형상 제작에 유리하다.
  • 본 연구에서는 이광자 흡수 광환원 공정을 이용한 마이크로 금속형상 제작공정에 있어 그 형상 정밀도를 개선하기 위하여 균일하게 연결된 금속선을 제작할 수 있는 균일 제작영역(CFW)을 도출하였다. 또한 초음파 가진을 통한 금속이온 수용액 내부에 직접적으로 금속나노입자를 균일하게 생성시키는 DSG(direct seed generation) 방법을 제안하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
금속 미세 패터닝을 할 수 있는 대표적인 공정은? 물리적 증착방법(physical vapor deposition; PVD), 화학적 증착방법(chemical vapor deposition; CVD), 전기도금(electroplating)은 금속 미세 패터닝을 할 수 있는 대표적인 공정으로서 대면적 고정밀 패터닝에 매우 유리하다. 최근에는 고집적, 고효율 3차원 광/전자 소자 제작을 위하여 반복적인 패터닝 공정과 식각(etching) 공정이 주로 이용되고 있지만, 제작할 형상이 복잡해짐에 따라 많은 공정이 반복되어야 하며 완전한 3 차원 마이크로 금속 형상을 제작하기에는 어려움이 있다.
기존의 이광자 흡수 광환원 현상을 이용한 3 차원 마이크로 금속형상 제작 방법은 무엇이 있는가? 금속의 경우 이광자 흡수 광환원 현상(two-photon induced photoreduction)을 이용하여 원하는 위치에 금속이온을 환원시켜 3 차원 마이크로 금속형상을 제작할 수 있다. 기존의 이광자 흡수 광환원 현상을 이용한 3 차원 마이크로 금속형상 제작 방법으로는 크게 수용액 상태에서 금속이온을 환원 시키는 방법(11,12)과 금속이온 배열 향상을 위한 기능성 고분자를 이용하여 금속이온을 광환원 시키는 두 가지 방법(13,14)이 이용 되고 있다. 수용액 상태에서 금속이온을 환원시키는 방법은 환원제의 역할과 열 발생에 대한 안정화 역할을 하는 물 (H2O)을 이용하며, 금속이온 수용액에 다른 물질이 포함되지 않아 순수한 금속만의 형상을 얻을 수 있다.
수용액 상태에서 금속이온을 환원시키는 방법의 단점은? 수용액 상태에서 금속이온을 환원시키는 방법은 환원제의 역할과 열 발생에 대한 안정화 역할을 하는 물 (H2O)을 이용하며, 금속이온 수용액에 다른 물질이 포함되지 않아 순수한 금속만의 형상을 얻을 수 있다. 하지만 환원된 금속이 레이저에 의해 가열됨에 따라 금속이온 수용액 내부에 기포가 발생하기 쉬워 국부적인 광환원 결핍 현상이 일어나며 이에 따라 균일한 금속형상 제작이 어려운 단점이 있다. 금속이온 수용액에 기능성 고분자를 이용하는 방법은 금속이온을 금속 수용액 내에 균일하게 배열할 수 있으며 고상 상태에서 공정이 진행함에 따른 열 발생을 줄여 제작의 안정성을 높여 정밀한 마이크로 금속형상 제작에 유리하다.
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참고문헌 (17)

  1. Genack, A.Z., Garcia, N., 1991, “Observation of Photon Localization in a Three-Dimensional Disordered System,” Phys. Rev. Lett., Vol. 66, No. 16, pp. 2064-2067 

  2. Sigalas, M.M., Chan, C.T., Ho, K.M., Soukoulis, C. M., 1995, “Metallic Photonic Band-Gap Materials,” Phys. Rev. B, Vol. 52, No. 16, pp. 11744-11751 

  3. Pendry, J.B., 2000, “Negative Refraction Makes a Perfect Lens,” Phys. Rev. Lett., Vol. 85, No. 18, pp. 3966-3969 

  4. Kawata, S., Sun, H.B., Tanaka , T., and Takada, K., 2001, “Finer Features for Functional Microdevices,” Nature, Vol. 412, No. 16, pp. 697-698 

  5. Serbin, J., Egbert, A., Ostendorf, A., and Chichkov, B.N., 2003, “Femtosecond Laser-Induced Two-Photon Polymerization of Inorganic Organic Hybrid Materials for Applications in Photonics,” Opt. Lett., Vol. 28, No. 5, pp. 301-303 

  6. Yang, D.Y., Park, S.H., Lim, T.W., Kong, H.J., Yi, S.W., Yang, H.K., Lee, K.S., 2007, “Ultraprecise Micro-Reproduction of a Three-Dimensional Artistic Sculpture by Multipath Scanning Method in Two-photon Photopolymerization,” Appl. Phys. Lett., Vol. 90, No. 1, pp. 013113 

  7. Pham, A.T., Kim, D.P., Lim, T.W., Park, S.H., Yang, D.Y., and Lee, K.S., 2006, “Three-Dimensional SiCN Ceramic Microstructures via Nano-Stereolithography of Inorganic Polymer Photoresists,” Adv. Func. Mater. Vol. 16, No. 9, pp. 1235-1241 

  8. Wu, P.W., Cheng, W., Martini, I.B., Dunn, B., Schwartz, B.J., Yablonovitch, E., 2000, “Two-Photon Photographic Production of Three Dimensional Metallic Structures Within a Dielectric Matrix,” Adv. Mater., Vol. 12, No. 19, pp. 1438-1441 

  9. Kaneko, K., Sun, H.B., Duan, X.M., Kawata, S., 2003, “Two-Photon Photoreduction of Metallic Nanoparticle Gratings in a Polymer Matrix,” Appl. Phys. Lett., Vol.83, No. 7, pp. 1426-1428 

  10. Baldacchini, T., Pons, A.C., Pons, J., LaFratta, C., Fourkas, J., Sun, Y., Naughton, M., 2005, “Multiphoton Laser Direct Writing of Two-Dimensional Silver Structures,” Optics Express, Vol. 13, No. 4, pp.1275-1280 

  11. Tanaka, T., Ishikawa, A., Kawata, S., 2006, “Two-Photon-Induced Reduction of Metal Ions for Fabricating Three-Dimensional Electrically Conductive Metallic Microstructure,” Appl. Phys. Lett., Vol. 88, No. 8, pp. 081107-1-081107-3 

  12. Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S., 2006, “Improvement in the Reduction of Silver Ions in Aqueous Solution Using Two-Photon Sensitive Dye,” Appl. Phys. Lett., Vol. 89, No. 11, pp. 113102-1-113102-3 

  13. Tosa, N., Bosson, J., Pierre, M., Rambaud, C., Bouriau, M., Vitrant, G., Stephan, O., Astilean, S., Baldeck, P.L., 2006, “Optical Properties of Metallic Nanostructures Fabricated by Two-Photon Induced Photoreduction,” Proc. of SPIE, Vol. 6195, pp. 619501-1-619501-8 

  14. Vitrant, G., Bosson, J., Tosa, N., Rosenzveig, T., Stephan, O., Astilean, S., Baldeck, P.L., 2007, “Observation of Optical Dispersion Effects in Metallic Nanostructures Fabricated by Laser Illumination of an Organic Polymer Matrix Doped with Metallic Salts,” Proc. of SPIE, Vol. 6470, pp. 647000-1-647000-9 

  15. Stellacci, F., Bauer, C.A., Friedrichsen, T.M., Wenseleers, W., Alain, V., Kuebler, S.M., Pond, S.J.K., Zhang, Y., Marder, S.R., Perry, J.W., 2002, “Laser and Electron-Beam Induced Growth of Nanoparticles for 2D and 3D Metal Patterning,” Adv. Mater., Vol. 14, No. 3, pp. 194-198 

  16. Salkar, R.A., Jeevanandam, P., Aruna, S.T., Koltypin, Y., Gedanken, A., 1999, “The Sonochemical Preparation of Amorphous Silver Nanoparticles,” J. Mater. Chem., Vol. 9, No. 6, pp. 1333-1335 

  17. Yin, Y., Li, Z.Y., Zhong, Z. Gates, B., Xia, Y., Venkateswaran, S., 2002, “Synthesis and Characterization of Stable Aqueous Dispersions of Silver Nanoparticles Through the Tollens Process,” J. Mater. Chem., Vol. 12, No. 3, pp. 522-527 

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