48 기계저널
나노소재는 벌크(bulk) 재료에서 나타나지 않는 훌 륭한 기계적, 전기적, 열적, 광학적 성질 등을 지닌다.
탄소 나노튜브의 경우 나노 스케일 통전 전극으로 사 용되거나, 트랜지스터에서 반도체 층으로 이용될 수 있으며, 금속 나노선은 태양전지, 유기발광 다이오드 등에 사용되는 투명전극인 ITO나 FTO를 대체할 수 있 는 잠재력이 있다. 그러나 이런 성질들을 충분히 이용 하기 위해서는 제어가 가능하고 적합한 방법으로 나 노소재를 기존의 디바이스나 모재에 통합하여야 한 다. 지금까지 개발된 대부분의 나노소재 디바이스는 개개의 나노소재를 디바이스 플랫폼에 조립하는 정도 에 지나지 않았다. 이런 이유로 디바이스의 수율이 매 우 낮고, 생산 비용이 높아질 뿐만 아니라 성능이 디바 이스마다 다른 단점이 있었다. 이에 많은 연구자들은 물리 화학적인 방법에 기초하여 박막의 형태로 만드 는 연구를 진행하였고, 그 결과 매우 안정적인 방법으 로 나노소재 박막을 제조할 수 있었다. 그러나 디바이 스나 모재 내에서 기능성 박막으로 이용되기 위해서 는 패터닝 기술 및 박막의 특성을 유지할 수 있는 적합 성이 필요하였다. 이에 루이지애나 공과대학교 (Louisiana Tech University)의 유리 리보프(Yuri Lvov) 교 수 와 미 네 소 타 대 학 교 (University of Minnesota)의 티엔홍 추(Tianhong Cui) 교수가 이끄
는 연구 그룹은 최초로 하향식의 마이크로 제조 공정 과 하향식의 나노 조립 공정의 융합을 통해 박막 트랜 지스터, 가스, 화학적 및 생물학적 센서 등의 다양한 기능성 나노소재 박막 디바이스를 선보였다. 이 글에 서는 마이크로 제조 공정과 나노 조립 공정을 소개하 고, 나노소재 박막의 선택적인 패터닝을 통해서 다양 한 디바이스를 구현한 연구를 개괄하고자 한다.
하향식 마이크로 제조 공정
대부분의 마이크로 제조 공정은 전통적인 IC 제조 공정에서 기인한다. 이는 기존의 반도체 공정 설비를 이용하여 대량생산을 통해 비용을 낮출 수 있다는 큰 장점이 있다. 전형적인 하향식 마이크로 제조 공정은 원하는 재료의 적층, 패턴의 전사, 그리고 선택적인 재 료 제거 등 일련의 반복 공정으로 원하는 구조를 기판 위에 구현하는 것을 골자로 한다. 패턴 전사의 일례로 가장 많이 쓰이는 사진 석판술(lithography)의 개략도 를 그림 1에 나타내었다. 포토마스크에 있는 마이크로 패턴이 광 감응형폴리머인포토레지스트(photoresist) 에 전사되고, 포토레지스트와 원하는 재료의 적용 순 서에 따라서 식각(a) 또는 리프트 오프(lift-off)방법(b) 을 이용하여 선택적으로 재료를 제거함으로써 패턴은
이 동 진 ㅣ 건국대학교 기계공학부 기계설계학전공 조교수ㅣ e-mail : [email protected] 고 승 환 ㅣ 한국과학기술원 기계공학과 부교수ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 하향식 마이크로 제조공정을 이용하여 디바이스 플랫폼을 만들고 상향식 자가조립으로 나노소재 박 막을 만드는 공정을 소개하고, 나노소재 박막의 선택적 패터닝을 통해 디바이스를 구현한 연구에 대해 소개하고자 한다.
THEME
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하향식 마이크로 제조공정과 상향식 자가조
립을 이용한 나노소재 박막 디바이스 구현
2012. 6., Vol. 52, No. 6 49
원하는 재료로 전사된다. 이 마이크로 제조 공정 기술 은 수십여 년 동안 발전되고 성숙된 기술로서 바이오, 환경 및 나노 등 다른 기술과의 융합을 통해 기술적인 돌파구를 마련하는 데 초석을 제공할 것으로 기대된 다.
상향식 자가조립 공정
다양한 소재의 박막을 제조하는 상향식 접근법은 주로 물리화학적인 방법에 기초하며, 랭뮤어-블로젯 (LB: Langmuir-Blodgett), 자가조립된단일층(SAM:
Self-Assembled Monolayer) 및 층간(LbL: Layer-By- Layer)자가조립 등이 있다. 그림 2에 많이 쓰이는 상향 식 자가조립법의 모식도를 나타내었다. LB는 양쪽 친 매성 종을 포함하는 용액에 평면의 기판을 담갔다 꺼 내어 유기 물질의 단층 및 다층 박막을 만든다. SAM 은 특별한 기능성 그룹을 가진 알칸의 단일층으로, 액
체 또는 기체 상태에서 친수성 머리 그룹이 기판에 화 학적으로 흡착하고 소수성의 꼬리 그룹은 기판과 특 정한 각도를 이루게 된다. LbL조립법은 기판을 고분 자 전해질에 반복적으로 담궈 정전기력, 반데르발스 (van der waals) 힘 그리고 소수성 상호작용 등에 의하 여 다층 박막을 형성한다. 데쳐(Decher)와 그의 동료 들이 분자 단위의 두께 정밀도를 가지고 고분자 전해 질의 다층 박막을 형성하는 것을 보임으로써 신개념 의 박막 센서 및 구동기, 생화학적 응용을 위한 표면개 질, 약물 전달 등의 분야에서 크게 각광을 받고 있다.
더욱이, 상향식 자가조립으로 형성된 박막은 열역학 적으로 안정하고 다목적으로 사용 가능하며 저가라는 점에서 무한한 잠재력을 가지고 있다. 박막을 형성하 는 메커니즘을 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 음 으로 하전된 기판은 양의 폴리이온(polyion) 용액에 넣으면 표면 흡착에 의하여 박막이 형성되고 약하게 결합된 고분자를 씻어서 제거하고 건조하면 기판은 정전기적으로 반대인 양으로 하전된다. 이에 다음 단 하향식 마이크로 제조공정과 상향식 자가조립을 이용한 나노소재 박막 디바이스 구현
그림 1마이크로 제조 공정에서 패턴 전사: (a) 식각 (b) 리프 트 오프(lift-off)
그림 2물리화학적 방법에 기초한 상향식 자가조립 공정의 개략도: (a) 랭뮤어-블로젯(LB), (b) 자가조립된단일 층(SAM), (c) 층간자가조립 공정
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계에서 음의 폴리이온을 같은 방법으로 적층할 수 있 다. 이렇게 반복함으로써 다재 다능한 다층 박막을 만 들 수 있다. 최근에는 고분자 전해질뿐만 아니라, 생 분자 및 나노 소재의 박막을 만드는 데 널리 이용되고 있다. 상향식의 나노조립 공정을 통해 생성된 탄소나 노튜브, 실리카나노입자, 산화인듐나노입자 및 그래 핀박막의 전자현미경 사진을 그림 3에 나타내었다.
상향식과 하향식의 혼합 공정
전통적인 마이크로 제조 공정에서 증 착(evaporation), 스퍼터(sputter) 또는 화학 증착(chemical vapor deposition) 등으로 이루어지는 원하는 재료의 적층 공정은 앞서 언급한 상향식 자가조립법 으로 형성된 나노소재 박막으로 대체가 가능하다. 그러나 나노소재 박막의 디바 이스 응용을 위해서는 소재의 선택적인 적층이 필수 불가결하며, 이를 식각이나 리프트 오프 등의 마이크로 제조 공정으 로 마이크로 패턴을 만드는 것이 매우 효 과적인 방법임이 루이지애나 공과대학 교(Louisiana Tech University)의 유리 리 보프(Yuri Lvov) 교수와 미네소타 대학 교(University of Minnesota)의 티엔홍 추 (Tianhong Cui) 교수의 연구 그룹에 의 해 밝혀졌다. 특히, 이 혼합공정은 매우 단순하고, 다재 다능하며 고도의 재생산 이 가능하다. 또한 자가조립된 나노소재 박막 위에 금속의 증착 및 가스 플라즈마 식각이 가능함을 보여 두 개의 독립된 기 술이 서로 호환이 되고, 나노소재의 참신 한 특성을 이용할 수 있는 기술적인 돌파 구를 마련하였다. 나노 조립을 위한 나노 빌딩 블록의 선택 및 하전을 위한 다양한 표면 기능화 기술은 다방면에서 혁신적인 디바이스를 만들 수 있 는 가능성을 제시한다. 마이크로 패턴된 포토리지스 트 희생층 위에 나노소재 박막을 형성한 후에 리프트 오프를 적용하면 나노소재 박막의 마이크로 패턴이 만들어진다. 반대로, 나노소재 박막을 기판 위에 생성 시킨 후 포토레지스트 마이크로 패턴 마스크를 이용 하여 플라즈마 식각을 통해 패턴을 형성할 수 있다.
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나노기반 융합기술
그림 3상향식의 나노조립 공정을 통해 생성된 나노 소재 박막의 예: (a) 탄소 나노튜브, (b) 실리카나노입자, (c) 산화인듐나노입자, (d) 그래핀 박막
그림 4하향식 마이크로 공정과 상향식 자가조립으로 만들어진 디바이스의 예: 나노튜브 박막 전기화학적 글루코스 센서(a, b) 및 마이크로 패턴 (c), 한 방향으로 정렬된 나노튜브(d, e) 및 띄워진 나노튜브 박막 보(f)
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이 때 수평적인 크기는 석판술에 의해 서, 그리고 수직적인 크기는 LbL 기법 에 의해서 결정된다. 하향식 마이크로 제조 공정과 하향식 나노 조립 공정으 로 생성된 나노튜브 박막 전기화학적 글루코스 센서(a, b) 및 마이크로 패턴 (c), 한 방향으로 정렬된 나노튜브(d, e) 및 나노 스위치 등의 구동기 응용을 위한 띄워진 나노튜브 박막 보(f) 등 디 바이스의 예를 그림 4에 나타내었다.
응용분야
살펴 본 바와 같이 하향식 마이크로 공정으로 만들 어진 디바이스 플랫폼은 새로운 나노소재를 박막의 형태로 선택적으로 적층할 수 있게 해 준다. 이는 기 존의 제품 구현 방식과 달리 화학적으로 나노소재를 도입한다는 점에서 제조 공정의 패러다임을 전환케 한다. 결론적으로 하향식 마이크로 제조 공정과 상향
식 나노 조립 공정의 융합은 그림 5에 나타낸 바와 같 이 전기 전자 디바이스, 센서 및 구동기, 생물학 및 생 화학적으로 기능성이 있는 박막의 제조, 표면 개질 등 의 넓은 분야에서 응용이 가능하다는 점에서 무한한 잠재력을 가지고 있다.
하향식 마이크로 제조공정과 상향식 자가조립을 이용한 나노소재 박막 디바이스 구현
그림 5하향식 마이크로 공정과 상향식 나노조립 공정의 혼합으로 만들어진 디바이스 응용의 예
