KR100823809B1 - 나노 구조물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면에 색깔을 입히기 위하여 형성하는 나노구조물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 표면 상부에 형성되며, 나노 홀이 소정 간격으로 어레이 형상으로 형성된 나노 홀 어레이 구조물; 및 나노 홀들의 적어도 상부와 바닥면에 소정 두께로 형성된 금속층을 구비하는 나노 구조물을 제공한다.

나노 구조물, 양극산화

Description

나노 구조물 및 그 제조방법 {Nano Structure And Manufacturing Thereof}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조물의 개략적인 단면도이다.

도 2a와 도 2b는 도 1의 나노홀 어레이(20)가 형성된 일예의 평면도 및 단면도이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 나노구조물 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예들을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 다른 나노구조물 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실험예에 의한 사진들이다.

본 발명은 나노 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

나노는 10억분의 1을 나타내는 단위로, 난쟁이를 뜻하는 고대 그리스어 나노스(nanos)에서 유래되었으며 1나노미터(nm)는 10억분의 1m이다. 이처럼 물질의 크기가 대략 수~100 nm 일 때 나타나는 새로운 현상 및 특성을 이용하는 기술을 나노 기술이라고 한다. 수~100 nm 정도 크기는 분자 혹은 원자의 크기 수준으로써 나노기술은 초미세 극한 기술이다.

한편, 물질이 나노 수준에 이르면 나노 입자 구성 차이에 따라 같은 물질이더라도 색깔이 변하는 현상이 발생한다. 이는 색깔 없는 물질이 서로 다른 색깔을 만들어내는 것, 바로 '구조의 색'이 알려져 있다. 예를 들어, 공작새 수컷은 화려한 색깔로 포장한 가짜 눈들(날개)을 활짝 펴보여 천적을 위협한다. 파란 색으로부터 빨간 색에 이르기까지 그야말로 총천연색이다. 공작새 날개는 생물체에서 흔히 찾아볼 수 있는 단백질인 '멜라닌(melanin)'으로 구성된다. 멜라닌은 색깔이 없는 물질이다. 그 멜라닌을 서로 다른 크기(굵기)의 나노 막대 형태로, 서로 다른 거리(공간)로 떨어뜨려 배열함으로써 화려한 색깔을 내보인다. 사람이 볼 수 있는 모든 색을 가진 빛(가시광선)을 '같은 물질(멜라닌), 서로 다른 구성을 가진 날개'를 이용해 총천연색을 만들어내는 것이다. 구체적으로 공작새 날개 안쪽의 멜라닌 막대 굵기가 100나노미터이면 파란 색만 반사된다.

최근, 이러한 나노 기술을 이용한 다양한 적용방향에 대해 연구가 진행되고 있다. 그러나, 나노 기술을 이용하여 표면에 다양한 색채를 채색하기 위한 연구는 거의 없는 실정이고, 일명 '카멜레온 도료'라는 상용화된 제품이 판매되고 있으나, 그 제작 과정이 복잡한 문제점이 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 표면에 색채를 채색하기 위한 나노 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 표면에 색채를 채색되어 통상적인 안료 보다 수려한 색채가 구현되도록 하는 나노 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 저렴한 비용과 단순한 공정으로 표면 채색이 가능한 나노 구조물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 채색된 표면이 방향에 따라 다른 색깔을 나타내도록 하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 표면에 형성하여 색깔을 입히기 위한 나노구조물에 있어서, 표면 상부에 형성되며, 나노 홀이 소정 간격으로 어레이 형상으로 형성된 나노 홀 어레이 구조물; 및

상기 나노 홀들의 적어도 상부에 소정 두께로 형성된 금속층을 구비하는 나노 구조물을 제공한다. 바람직하게는, 상기 금속층은 상기 나노 홀들의 상부와 바닥면에 구비되거나, 상기 금속층은 상기 나노홀들의 상부, 바닥면, 및 측면에 구비된다.

"적어도 상부"라 함은 상부를 포함하되 바닥면과 측면은 각각 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있음을 의미하는 것이다. 한편, 금속층의 증착방법과 나노 홀의 깊이 등에 따라서 나노 홀들의 상부를 제외한 바닥면, 측면에 금속층이 형성되는 형태는 차이가 날 수 있다. 예를 들어 나노 홀의 깊이가 상대적으로 깊은 경우 증착방식에 따라서는 나노 홀의 바닥면까지 금속층이 도달하지 못할 수도 있고 상부와 인접한 측면의 일부에만 금속층이 형성될 수도 있다. 또한, 스텝 커버리지가 우수한 증착방식을 이용하면 나노 홀의 상부, 바닥면 및 측면에 모두 금속층이 증착될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 나노 홀 들 사이의 피치는 20 내지 500 nm, 각 나노 홀의 깊이는 3 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 1 ㎛ 이하 이다. 상기 금속층의 두께는 100nm 이하이다. 상술한 영역을 벗어나면 수려한 색채가 보이지 않거나 다소 색채의 수려함이 덜 해지는 경향이 있다.

바람직하게는, 상기 금속층 상부에는 보호막이 더 형성되어 있으며, 상기 표면을 가지는 하부 구조물은 상기 나노 홀 구조물과 동일 물질 또는 다른 물질로 이루어 질 수 있다.

본 발명의 제2 측면은 표면에 색깔을 입히기 위한 나노구조물의 제조방법에 있어서,

상기 표면 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계;

상기 금속층을 양극산화하여 그 상부에 나노 홀이 소정 간격으로 어레이 형상으로 형성된 나노 홀 어레이 구조물을 형성하는 단계; 및

상기 나노 홀들의 적어도 상부와 바닥면에 소정 두께로 제2 금속층을 형성하는 단계를 구비하는 나노 구조물의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 제1 금속층은 알루미늄, 알루미늄 합금, 탄탈리움(Ta), 하프니움(Hf) 또는 지르코늄(Zr)이고, 상기 제2 금속층은 특별히 한정되지 않은 다양한 종류가 가능하고, 예를 들어 Pt, Au, Ti/Ni/Au, 또는 Pd/Au이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 중복되는 요소에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노구조물의 개략적인 단면도이다.

본 나노 구조물은 하부 구조물(10) 상부에 나노홀 어레이(20)를 구비하고, 상기 전체 상부에는 금속층(30)이 형성되어 있다. 금속층(30)은 적어도 나노홀의 바닥면과 상부면에 적층되고, 도 1에는 측면에도 금속층(30)이 적층되어 있는 상황을 도시하고 있으나, 측면에는 금속층(30)이 반드시 적층되지 않아도 된다.

하부 구조물(10)은 특별히 한정되지 않고 그 상부에 나노홀 어레이(20)를 형 성할 수 있으면 가능하고, 예를 들어 나노홀 어레이(20)와 동일한 물질, 산화물, 또는 지지 기판 등이 가능하다.

나노홀 어레이(20)는 원형, 사각형 등의 형상인 홀들이 다수개 어레이 형태로 형성되어 있으며 그 일예가 도 2a와 도 2b에 도시되어 있다. 또한, 도 1의 D, L, t 등의 값을 보면, 각 홀 사이의 피치에 해당하는 "D"는 20 내지 500 nm, 각 홀의 깊이는 3 ㎛ 이하, 금속층(30)의 두께는 100nm 이하가 바람직한 범위에 해당한다. 바람직한 조건에서는 이들 값을 벗어나는 영역 보다 가시광선 영역에서 인간이 인지하기에 현란하고 수려한 색이 발현될 수 있음을 본 발명자들은 확인하였다.

다음으로, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나노구조물 제조방법을 설명한다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 하부구조물(100) 상부에 알루미늄층(120)을 형성한다. 알루미늄층(120)은 전자빔(E-Beam) 증착, 열증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 등을 이용하여 증착한다.

다음으로, 도 3b를 참조하면, 알루미늄층(120) 상부에 애노다이징 공정을 실시하여 산화알루미늄층(알루미나층)(200)이 예컨대 수십 나노 크기의 미세 홀들이 주기적으로 배열된 광결정 어레이를 형성한다. 광결정 격자 어레이를 가지는 산화알루미늄층(200)을 형성시키기 위한 애노다이징 공정은 우선 알루미늄 박막 표면의 거칠기를 감소시키기 위한 전해 연마를 수행한 후(실제 적용에 있어서는 전해연마를 수행하지 않을 수도 있음), 일정한 온도의 인산(Phosphoric acid)이나 옥살 산(Oxalic acid), 황산(Sulfuric acid) 또는 그 혼합용액 속에서 알루미늄을 양극으로 사용하여 5∼200V의 직류 전압을 인가함으로써 수십에서 수백 나노미터 크기의 미세 홀을 갖는 산화알루미늄층(200)의 패턴이 형성된다. 한편, 상술한 용액 이외의 다른 적은 양의 물질을 혼합하여 비슷한 특성을 얻을 수도 있다.

한편, 나노 홀은 알루미늄 이외에 알루미늄 합금과 같은 금속층을 재료로 하여 양극산화법에 의해 형성된 알루미나와 같은 금속 산화물로 제조할 수 있으며, 탄탈리움(Ta), 하프니움(Hf) 또는 지르코늄(Zr) 등이 이용될 수도 있다. 바람직하게는, 알루미늄층(120)은 1 내지 2 ㎛ 로 증착하는 데, 알루미늄층(120)의 두께가 너무 두꺼우면 공정비용이 증가하고 막질이 나빠질 수 있으며 너무 얇으면 홀을 형성하는 것이 용이하지 않을 수 있다.

또한, 상기 양극산화 공정에서는 홀의 주기성을 향상시키기 위하여 1차양극산화, 양극산화된 산화알루미늄의 제거, 및 2차 양극산화 순서로 공정을 진행하는 것도 가능하다. 이 경우는 1차 양극 산화공정후 양극산화된 산화알루미늄을 제거하면, 미세 홀들이 주기적으로 배열되기 위한 패턴이 잔류하여 이를 통해 2차 양극산화 공정에서 원활한 양극산화가 가능하게 된다.

도 3c를 참조하면, 상기 전체 상부에 금속층(300)을 증착한다. 금속층(300)은 전자빔(E-Beam) 증착, 열 증착(Thermal Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 등을 어느 하나 이상 사용하여 형성할 수 있고, 금속층(300)은 특별히 한정되지 않는 다양한 종류가 가능하나, 예를 들어, Pt, Au, Ti/Ni/Au, Pd/Au중 어느 하나의 금속을 증착할 수 있고, 필요에 따라서는, 질소 또는 산소를 포함하는 분위기의 퍼니 스(furnace)에서 예를 들어 500℃ 정도의 온도로 열처리를 추가로 수행하는 것도 가능하다.

한편, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예들을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1과의 차이점을 위주로 설명하면, 도 4a에서는 나노홀 어레이(20)의 홀 내부 측면에는 금속층(40)이 형성되지 않은 상황을 도시하고 있다. 이러한 구조는 일방향성으로 증착되는 증착도구를 사용하여 금속층(40)을 증착하는 경우 특히 유용하다. 즉, 나노홀의 측면에는 금속층(30)이 형성되지 않아도 나노 구조물에 의한 화려한 색채를 얻을 수 있다.

도 4b는 상부에 알루미늄층(12)이 형성되고 그 형성된 알루미늄층(12)의 일부가 양극산화되어 나노 홀 어레이(20)가 형성된 상황을 도시하고 있다. 즉, 도 3a 내지 도 3c는 증착된 알루미늄층이 전부 양극산화되어 산화알루미늄층으로 된 반면 도 4b는 증착된 알루미늄층의 상부 일부만 산화알루미늄층으로 되어 있다.

도 4c는 도 1의 전체 나노홀 구조물 상부에 보호막(50)이 형성되어 있다. 보호막(50)은 가시광선 영역에 투명하고 습기가 투과하지 못하도록 하는 특성을 가지는 물질이 유용하고, 예를 들어 폴리머 등의 물질로 코팅되는 것이 바람직하다. 폴리머 층의 두께는 예를 들어 수 내지 수십 ㎛로 도포하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 제조방법을 설명한다.

먼저, 도 5a는 기판(120)이 알루미늄 전체로 이루어진 경우 또는 알루미늄 블록인 경우를 도시하고 있다. 도 3a 내지 도 3c는 기판 상에 알루미늄층을 증착하는 구조인 반면, 도 5a 내지 도 5c는 따로 알루미늄층을 증착하지 않고 알루미늄 물질을 직접 이용한다는 점에서 차이가 있다. 전술한 바와 같이, 나노 홀 어레이를 이루는 금속으로는 알루미늄과 알루미늄 합금 이외에 탄탈리움(Ta), 하프니움(Hf) 또는 지르코늄(Zr) 등이 이용될 수 있으므로 기판(120)이 이러한 물질들도 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 5a의 다음 공정인 도 5b 및 도 5c의 공정은 앞서 설명한 것과 동일하므로, 설명의 편의를 위해 생략한다.

(제작예)

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실험예에 의한 사진들이다.

샘플의 제작 조건은 알루미늄 시편을 이용하여 그 상부를 애노다이징 공정을 실시하였다. 우선 알루미늄 박막 표면의 거칠기를 감소시키기 위한 전해 연마를 수행한 후, 인산(Phosphoric acid)이나 옥살산(Oxalic acid), 황산(Sulfuric acid) 또는 그 혼합용액 속에서 알루미늄을 양극으로 사용하여 20V의 직류 전압을 인가함으로써 40 내지 50 nm 크기의 미세 홀을 갖는 알루미나층의 패턴을 형성하였다.

그리고 난 후, 그 상부에 Pt 금속을 스퍼터링 방식을 이용하여 수십 nm 두께로 증착하였다.

이와 같은 공정에 의해서 제작된 시편은 도 6a 내지 도 6c에서 보는 바와 같이 미관상 매우 독특하고 수려한 빛깔을 물체 표면에 구현할 수 있다. 이러한 수려한 색깔은 나노구조물에서의 금속층의 두께와 각 나노홀 사이의 피치에 따라 다르게 구현될 수 있음은 본 발명자들은 발견하였다.

또한, 도 6b와 도 6c는 동일한 샘플을 서로 다른 방향에서 바라보았을 때 다른 색깔을 나타내고 있는 상황을 촬영한 사진이다. 이러한 현상을 이용하여 임의의 물체의 표면에 본 실시예에 따른 나노구조물을 형성하면 방향에 따라 다른 색깔을 해당 물체의 표면에 형성할 수 있게 되는 효과가 있다.

부가하여, 이상에서 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

본 발명에 의하면, 표면에 색채를 채색하기 위하여 간편하고 저렴한 비용과 단순한 공정이 가능한 나노 구조물을 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 나노구조물을 이용하면 채색된 표면이 방향에 따라 색깔이 변하도록 하여 사용자의 다양한 욕구를 충족시킬 수 있는 수단을 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 표면에 형성하여 색깔을 입히기 위한 나노구조물에 있어서,

   상기 표면 상부에 형성되며, 나노 홀이 간격을 가지고 어레이 형상으로 형성된 나노 홀 어레이 구조물; 및

   상기 나노 홀들의 적어도 상부에 형성된 금속층을 구비하는 나노 구조물.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 나노 홀 들 사이의 피치는 20 내지 500 nm인 나노 구조물.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 금속층 상부에는 보호막이 형성된 나노 구조물.
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,

   상기 금속층은 상기 나노 홀들의 상부와 바닥면에 구비되거나, 상기 금속층은 상기 나노홀들의 상부, 바닥면, 및 측면에 구비되는 나노 구조물.
6. 표면에 색깔을 입히기 위한 나노구조물의 제조방법에 있어서,

   상기 표면 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계;

   상기 금속층을 양극산화하여 그 상부에 나노 홀이 간격을 가지고 어레이 형상으로 형성된 나노 홀 어레이 구조물을 형성하는 단계; 및

   상기 나노 홀들의 적어도 상부에 제2 금속층을 형성하는 단계를 구비하는 나노 구조물의 제조방법.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 제1 금속층은 알루미늄, 알루미늄 합금, 탄탈리움(Ta), 하프니움(Hf) 또는 지르코늄(Zr)이고, 상기 제2 금속층은 Pt, Au, Ti/Ni/Au 또는 Pd/Au인 나노 구조물의 제조방법.
8. 제6 항에 있어서,

   상기 제2 금속층이 형성된 상부에 보호막을 형성하는 단계를 더 구비하는 나노 구조물의 제조방법.

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