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문제 정의
- 양자점 함유 폴리머 패턴에 의한 발광 소자 개발을 위해 본 연구팀에서는 우레탄 아크릴레이트에 잘 섞이고 광 기능을 가지는 양자점을 설계하여 합성하였다. 양자점 물질들끼리의 뭉침(Aggregation)현상의 해결을 위하여, 무기 양자점에 광중합 가능하도록 유기 기능기를 연결하는 방식을 도입하여 양자점 물질들끼리의 뭉침 현상을 해결하였다.
- 본 논문은 KAIST 양동열 교수님 헌정세션을 위해 준비한 것으로 교수님의 실험실에서 개발한 나노급 정밀도를 가지는 3차원 형상제작 기술을 중심으로 정리한 것임을 알려드립니다.
제안 방법
- 1 nm의 정밀도로 800 × 800 × 250㎛ (xyz)의 제작 영역을 가진다. 3차원 형상의 정밀 제작을 위하여 단위 복셀의 세장비가 낮게 제작되는 개구수 (Numerical Aperture, N.A) 1.4인 대물렌즈로 레이저를 집광시켰다.
- 본 연구팀에서는 Fig. 4와 같이 마이크로 채널 속 3차원 믹서 구조체를 제작함으로써 기존의 2차원 믹서 구조 보다 고효율의 마이크로 믹서를 제작하였다.6 제안한 CMM (Crossing Manifold Micromixer)의 특성을 평가하기 위하여 마이크로 채널 내부에 두 유체 DI Water 와 색소 (Rhodamine B)가 0.
- 4와 같이 마이크로 채널 속 3차원 믹서 구조체를 제작함으로써 기존의 2차원 믹서 구조 보다 고효율의 마이크로 믹서를 제작하였다.6 제안한 CMM (Crossing Manifold Micromixer)의 특성을 평가하기 위하여 마이크로 채널 내부에 두 유체 DI Water 와 색소 (Rhodamine B)가 0.1 M 혼합된 에탄올을 주입하여 관찰 하였다. 유동 속도는 0.
- 수 마이크로 이하의 세라믹 형상 제작에 적합한 공정으로는 무기고분자 상태의 세라믹 전구체로부터 고화 (Crosslinking) 과정과 열처리 (Pyrolysis) 과정을 통한 세라믹 형상제작이 가장 적합한 기술로 알려져 있다. 이를 위해 UV 반응 특성을 가지는 세라믹 전구체에 이광자 흡수 색소를 섞어 마이크로 형상을 제작하였다. 그 후, 약 400-600℃에서 열처리 공정을 거쳤다.
- 양자점 함유 폴리머 패턴에 의한 발광 소자 개발을 위해 본 연구팀에서는 우레탄 아크릴레이트에 잘 섞이고 광 기능을 가지는 양자점을 설계하여 합성하였다. 양자점 물질들끼리의 뭉침(Aggregation)현상의 해결을 위하여, 무기 양자점에 광중합 가능하도록 유기 기능기를 연결하는 방식을 도입하여 양자점 물질들끼리의 뭉침 현상을 해결하였다. 또한 높은 형광 효율을 얻기 위해 다른 종류인 CdSe/ZnS의 양자점들을 코어쉘 형태로 합성하여 사용하였다.
- 양자점 물질들끼리의 뭉침(Aggregation)현상의 해결을 위하여, 무기 양자점에 광중합 가능하도록 유기 기능기를 연결하는 방식을 도입하여 양자점 물질들끼리의 뭉침 현상을 해결하였다. 또한 높은 형광 효율을 얻기 위해 다른 종류인 CdSe/ZnS의 양자점들을 코어쉘 형태로 합성하여 사용하였다.9
- 탄성 설계 기반의 구동요소는 마찰없이 정밀한 움직임을 얻을 수 있다.12 본 연구에서는, 탄성 설계 기반의 정밀 기본 구동 요소를 설계하였다(Figs. 7(a)-7(c)).
- 기본구동요소는 여러가지 마이크로 응용소자로 활용할 수 있다. 본 논문에서는 기본 구동 요소를 세포 조작을 위한 마이크로 구동 소자에 활용하였다.
- 원하는 패턴 제작을 위한 레이저 빔 스캐닝은 피에조 스테이지 및 옵티컬 셔터를 이용하여 800㎛ × 800㎛ 크기의 단일 제작 영역에 대해 패턴 제작을 하였다.
- 또한, 펨토초 레이저 소결 공정을 이용하여 6 cm × 6 cm 크기의 유연한 폴리머 기판 위에 금속패턴을 제작 하였다.
- 고농도 금속이온 혼합물 및 블록공중합체 고분자 매트릭스를 이용한 금속 패터닝 공정과 금속나노입자 소결공정을 이용하여 기능성 금속형상을 제작하였다. 미세 금속패턴 제작을 위해 기존에 주로 사용하였던 CW-UV 레이저 대신 열 영향부(Heat-Affected Zone)를 최소화 할 수 있는 펨토초 레이저 (Femtosecond Laser)를 광원으로 이용하였다.
- 미세 금속패턴 제작을 위해 기존에 주로 사용하였던 CW-UV 레이저 대신 열 영향부(Heat-Affected Zone)를 최소화 할 수 있는 펨토초 레이저 (Femtosecond Laser)를 광원으로 이용하였다. 합성된 은 나노입자를 폴리머, 유리, 웨이퍼 등 다양한 기판위에 스핀 코팅하여 시편을 준비 하였으며, 정밀한 레이저 집광을 위해 고개구수 (NA 1.3)렌즈를 이용하여 레이저 빔 초점을 시편에 위치하였다. 원하는 패턴 제작을 위한 레이저 빔 스캐닝은 피에조 스테이지 및 옵티컬 셔터를 이용하여 800㎛ × 800㎛ 크기의 단일 제작 영역에 대해 패턴 제작을 하였다.
- 원하는 패턴 제작을 위한 레이저 빔 스캐닝은 피에조 스테이지 및 옵티컬 셔터를 이용하여 800㎛ × 800㎛ 크기의 단일 제작 영역에 대해 패턴 제작을 하였다. 레이저 소결 공정 이후 솔벤트를 이용한 현상 과정을 통해 기판위에 남아있는 금속 나노입자를 제거하였다.
- 본 연구에서 제안한 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정은 레이저 빔 초점 위치, 레이저 출력, 피에조 스테이지를 이용한 스캐닝 속도 조건을 공정변수로 제어할 수 있다. 사용된 펨토초 레이저의 펄스폭은 100 fs (Femtosecond, 10-15 s)로 일반적인 열확산 속도인 피코초 (Picosecond, 10-12 s)보다 빨라 공정시 생기는 열 영향부를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
- 본 공정으로 제작된 100 ㎛ 채널 폭, 10 ㎛ 채널 길이를 갖는 유기 전계효과 트랜지스터를 제작하였다. 제작된 유기 전계효과 트랜지스터는 프로브 스테이션 (HP4145B, Hewlett-Packard)을 이용하여 특성을 평가하였으며, 105 이상의 드레인 전류 on/off 비를 보이고 채널 길이 10 ㎛ 에서도 정상동작하는 유기 전계효과 트랜지스터 임을 확인하였다. 또한, 펨토초 레이저 소결 공정을 이용하여 6 cm × 6 cm 크기의 유연한 폴리머 기판 위에 금속패턴을 제작 하였다.
- 본 연구팀 개발한 나노스테레오리소 그래피 공정으로 고분자, 세라믹, 금속 재료를 활용한 극미세 3차원 응용소자를 제작하는 기술을 소개하고 디바이스를 제작/평가하였다. 유체를 효과적으로 혼합할 수 있는 3차원 믹서소자, 세라믹 및 양자점을 이용한 발광 소자, 마이크로 구동 소자 및 극미세 금속 디바이스 응용 등 다양한 분야로의 미세 3차원 응용소자 제작 기술 개발을 이루었으며 앞으로도 다양한 재료 및 공정 기술개발을 통하여 차세대 3차원 패터닝 공정 기술로 활용할 것이다.
대상 데이터
- 시스템은 크게 레이저 시스템부와 스테이지 위치 제어부로 나뉜다. 광원으로는 티타늄-사파이어 레이저 (Ti: Sapphire ModeLocked Laser)를 활용하였으며, 최대출력은 1W, 작동 주파수는 80 MHz, 펄스 폭은 100 fs, 파장은 780 nm이다. 스테이지 위치 제어부는 x, y, z 피에조 스테이지와 x, y 모터 스테이지로 구성된다.
- Fig. 3과 같이 3차원 CAD 형상 데이터를 이용하여 극미세 3차원 형상을 제작하였다. 제작이 단일 공정으로 가능하다.
- 우선 본 연구에서 제안한 CMM 구조의 기본적 특성인 다층류 (Multi-Lamination Flow)를 간단히 관찰 하기 위하여 Figs. 3-8와 같이 2층의 H-CMM (Horizontally Crossing Manifold Micromixer)와 8층의 V-CMM (Verticallly Crossing Manifold Micromixer)로 구성된 H/V-CMM을 제작하였다. 이 구조에 좌우로 나누어진 두 유체가 주입될 경우 H-CMM를 통과하면서 두 유체의 위치가 상하로 배치되고, 이후 VCMM을 통과하면서 좌우로 나누어진 8개의 층류가 발생하게 된다.
- 이 연구에 사용된 양자점은 안쪽에 Thiol 리간드를 그 다음은 Siloxane 층 그리고 바깥쪽에 광중합 가능한 Methacrylate로 구성되어 있다. 이렇게 합성된 양자점은 다양한 기판에 2D, 3D 패터닝이 가능하다.
- FEM 시뮬에이션 및 광포획력을 활용한 실험을 통해서, 제안된 탄성관절이 대변위의 정밀한 움직임을 갖는것을 확인하였다. 기본 구동요소는 나노스테레오리소그래피 공정을 활용하여 마이크로 이하 정밀도로 제작하였다. 기본구동요소는 여러가지 마이크로 응용소자로 활용할 수 있다.
- 고농도 금속이온 혼합물 및 블록공중합체 고분자 매트릭스를 이용한 금속 패터닝 공정과 금속나노입자 소결공정을 이용하여 기능성 금속형상을 제작하였다. 미세 금속패턴 제작을 위해 기존에 주로 사용하였던 CW-UV 레이저 대신 열 영향부(Heat-Affected Zone)를 최소화 할 수 있는 펨토초 레이저 (Femtosecond Laser)를 광원으로 이용하였다. 합성된 은 나노입자를 폴리머, 유리, 웨이퍼 등 다양한 기판위에 스핀 코팅하여 시편을 준비 하였으며, 정밀한 레이저 집광을 위해 고개구수 (NA 1.
- 본 공정으로 제작된 100 ㎛ 채널 폭, 10 ㎛ 채널 길이를 갖는 유기 전계효과 트랜지스터를 제작하였다. 제작된 유기 전계효과 트랜지스터는 프로브 스테이션 (HP4145B, Hewlett-Packard)을 이용하여 특성을 평가하였으며, 105 이상의 드레인 전류 on/off 비를 보이고 채널 길이 10 ㎛ 에서도 정상동작하는 유기 전계효과 트랜지스터 임을 확인하였다.
성능/효과
- 이 구조에 좌우로 나누어진 두 유체가 주입될 경우 H-CMM를 통과하면서 두 유체의 위치가 상하로 배치되고, 이후 VCMM을 통과하면서 좌우로 나누어진 8개의 층류가 발생하게 된다. 두 유체 DI water 와 색소가 혼합된 에탄올의 주입 결과, Fig. 4와 같이 8층의 다층류가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 기존 연구 사례의 경우 다층류를 형성하기 위하여 분리 후 재결합 (Split and Recombine) 과정을 여러 차례 반복해야 했으나 유체의 배치 및 층수가 단일 H/V-CMM에 의해 배치 될 수 있게 되는 장점이 있다.
- 6). 이와 같이 본 연구에서 개발한 다양한 양자점 물질을 함유한 레진을 이용하여 다양한 3차원 형상 제작이 가능함을 보였다.10 이러한 구조물은 태양전지 및 발광 등의 응용소자로 사용될 것으로 사료된다.
- 7(b)와 같이 정밀 회전이 가능한 CrossSpring 구조에 나선형 구조를 추가함으로써, 기존의 Cross-Spring에 비해 큰 회전각을 가지는 회전관절을 설계하였다. 유한요소 해석을 통해 나선형 구조의 회전수가 증가할수록 회전각이 더 커짐을 확인 하였고, 나노스테레오리소그래피 공정으로 제작하고 및 광포획력을 이용한 실험을 함으로써 본 연구팀이 제안한 회전관절 설계가 큰 회전각을 가지는 정밀 회전 움직임을 가짐을 확인하였다.13
- 종래의 선형 관절과 다르게 마찰 없이 정밀한 병진 운동이 가능하면서, 특히 큰 변형량이 가능한 선형 관절의 설계가 가능하다.14 나노스테레오리소그래피 공정으로 제작하고, 광포획력으로 구동하여 본 연구팀이 제안한 선형관절 설계가 큰 변위를 가지면서 정밀구동 가능함을 확인하였다.
- FEM 시뮬에이션 및 광포획력을 활용한 실험을 통해서, 제안된 탄성관절이 대변위의 정밀한 움직임을 갖는것을 확인하였다. 기본 구동요소는 나노스테레오리소그래피 공정을 활용하여 마이크로 이하 정밀도로 제작하였다.
- 또한, 펨토초 레이저 소결 공정을 이용하여 6 cm × 6 cm 크기의 유연한 폴리머 기판 위에 금속패턴을 제작 하였다. 제작된 금속패턴과 기판과의 부착력이 좋아 제작 후 구부리거나 휘더라도 금속패턴이 떨어지지 않음을 확인 하였다(Fig. 8).
후속연구
- 이와 같이 수 mm의 긴 채널 길이가 요구되는 기존의 믹서에 비해 매우 짧은 길이에서 혼합 할 수 있는 믹서로서, 통합 분석 시스템 (µ-TAS), 랩온어 칩 (Lab-On-A-Chip) 등의 고집적화에 활용 될 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 개발한 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정은 전자소자 제작 공정으로 활용할 수 있다.15,16
- 본 연구팀 개발한 나노스테레오리소 그래피 공정으로 고분자, 세라믹, 금속 재료를 활용한 극미세 3차원 응용소자를 제작하는 기술을 소개하고 디바이스를 제작/평가하였다. 유체를 효과적으로 혼합할 수 있는 3차원 믹서소자, 세라믹 및 양자점을 이용한 발광 소자, 마이크로 구동 소자 및 극미세 금속 디바이스 응용 등 다양한 분야로의 미세 3차원 응용소자 제작 기술 개발을 이루었으며 앞으로도 다양한 재료 및 공정 기술개발을 통하여 차세대 3차원 패터닝 공정 기술로 활용할 것이다.
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