KR102459020B1 - 나노 구조를 이용한 소수성-친수성 복합 패턴 구조체 - Google Patents

나노 구조를 이용한 소수성-친수성 복합 패턴 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기판; 및 활성층을 포함하고, 상기 기판은, 나노 구조부; 및 홈부를 포함하고, 상기 홈부 내에 상기 활성층이 구비되고, 상기 홈부는 친수성이며, 상기 나노 구조부는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 젖음성이 극대화된 소수성-친수성 복합 패턴 구조체 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

나노 구조를 이용한 소수성-친수성 복합 패턴 구조체{Hydrophobic-hydrophilic composite pattern structure using nano structures}
본 발명은 나노 구조를 이용한 소수성-친수성 복합 패턴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 구조를 이용한 젖음성이 극대화된 소수성-친수성 복합 패턴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 전자 제품의 투명 전극의 재료로서 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)이 널리 이용되고 있다. 그러나 ITO는 휘거나 접는 물리적 유연성에 제한이 있고, 소재의 구성성분인 인듐은 고가의 희소성 자원이라는 점 등의 문제로 인해 이를 대체할 수 있는 물질 개발의 노력이 계속되고 있다.
지금까지 ITO 대체 물질로서 금속 메쉬(metal mesh), 금속 나노와이어(metal nanowire) 등과 같은 금속 나노소재, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene) 등과 같은 탄소소재 등이 제안되었다. 그 중에서 금속 메쉬 형태는 유연성 등 여러가지 장점으로 많이 사용되는 형태지만 수마이크로 이상의 크기의 금속선으로 이루어져 있어 마이크로 금속 사이에 빈 공간이 많아 사용이 터치패널이나 소형 히터 혹은 보조전극용으로 제한된다. 나노 금속선과 탄소소재는 나노급으로 코팅이 가능해서 주전극으로 사용이 가능하나 전도성 자체가 떨어지는 단점이 있다.
금속 메쉬의 경우 은 나노 와이어에 비해 자유로운 성능 조절과 간단한 제조 공정 등의 장점으로 인해 차세대 투명전극으로 주목을 받고 있고 제조 공정에 대한 연구도 많이 이루어지고 있고, 이러한 금속 메쉬 제작에 대한 여러 제조 공정 중 용액공정은 금속 증착이나 식각 공정, 전사 공정처럼 진공 공정을 생략할 수 있어서 제조 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 하지만 용액 공정의 특성상 여러 가지 후처리 공정이 필요하고, 제작할 수 있는 크기가 아직은 마이크로 크기에 머물러 있는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 이와 연관된 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 예시적 목적은, 소수성인 나노 구조 및 활성층이 구비된 친수성인 홈부를 포함하여 젖음성의 차이를 극대화한 소수성-친수성 복합 패턴 구조체를 제공하는 것이다.
본 명세서의 일 예시적 목적은, 나노 구조를 활용하여 젖음성의 차이가 극대화된 투명 도전체를 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 투명 도전체 및 이의 제조 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체는, 기판 및 활성층을 포함하고, 상기 기판은, 나노 구조부 및 홈부를 포함하고, 상기 홈부 내에 상기 활성층이 구비될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 나노 구조부는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 나노 구조부는 규칙적 또는 불규칙적으로 배열되는 나노섬(nanoislands), 나노기둥(nanoposts) 또는 나노홀(nanoholes)을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 소수성 재료는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 1종 이상의 CxFy 쇄(여기서, x 및 y는 정수) 형태의 불화탄소 화합물, 탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 소수성 코팅층은 탄화불소 또는 탄화수소를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부는 레이저 빔을 조사하여 형성되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부는 산소 플라즈마를 조사하여 형성되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부는 상기 기판의 계면보다 낮게 형성되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 투명 활성층 상에 선택적으로 코팅된 기능성층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조방법은, 기판 상에 나노 구조부를 형성하는 단계, 상기 나노 구조부를 식각하여 홈부를 형성하는 단계 및 상기 홈부 내에 활성 물질을 코팅하여 활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부를 형성하는 단계는 레이저 빔을 조사하여 나노 구조부를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부를 형성하는 단계는 산소 플라즈마를 조사하여 나노 구조부를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부를 형성하는 단계는 상기 기판의 계면보다 낮아지도록 나노 구조부를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 활성층 상에 선택적으로 기능성층을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체는 젖음성이 극대화되어 활성 물질의 코팅 시 명암비나 선택비를 크게 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체는 나노 구조의 초소수성 특성으로 인해, 기능성 물질이 활성층 상에만 선택적으로 코팅될 수 있어 효율적인 제조 공정이 가능하며, 도전 물질이 코팅될 경우, 광활성층 면적을 넓혀 엑시톤의 소멸을 효율적으로 방지하여, 고효율 및 장수명을 갖는 투명 도전체 및 소자를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체는 활성층 상에 반도체 물질, 바이오 활성 물질 등 다양한 기능성 물질이 선택적으로 코팅될 수 있는데, 바이오 센서, 터치 센서, 히터, 의료 진단용 키트 제작, RFID, 홀로그램 패턴 등에 응용이 가능한 장점이 있다.
다만, 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1 내지 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 단면을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조 방법의 순서도를 나타내는 도면이다.
본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 명세서에서, "선택적인" 및 "선택적으로"의 표현들은 이어서 설명된 사건이나 환경이 일어날 수도 있고 일어나지 않을 수도 있다는 것과 그 설명이 사건이나 환경이 일어난 경우와 일어나지 않은 경우를 포함한다는 의미이다.
본 명세서에서, 막, 층, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, "나노"의 대상은 적어도 하나의 치수가 nm 범위인 대상을 말한다. 나노 크기의 대상은 광범한 형상들 중 어느 것을 가질 수 있고, 광범한 재료들로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 나노와이어, 나노튜브, 나노플라트렛, 나노입자, 및 다른 나노구조들을 포함한다.
본 명세서에서, "마이크로"의 대상은 적어도 하나의 치수가 μm 범위인 대상을 말한다. 전형적으로 마이크로 크기의 대상의 각 치수는 μm 범위이거나 μm 범위를 넘는다. 마이크로 크기의 대상은 광범한 형상들 중 어느 것을 가질 수 있고, 광범한 재료들로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 마이크로와이어, 마이크로튜브, 마이크로입자, 및 다른 마이크로구조들을 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 바람직한 실시예에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체 및 이의 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 도 2a에 도시된 것과 같이, 기판(110) 및 활성층(140)을 포함하는 소수성-친수성 복합 패턴 구조체(100)를 제공한다. 도 1a를 참조하면, 기판(110)은 나노 구조부(120) 및 홈부(130)를 포함할 수 있다. 홈부(130) 내에는 활성층(140)이 구비될 수 있다. 홈부(130)는 친수성이며, 나노 구조부(120)는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되는 것일 수 있다. 도 1b는 도 1a를 옆에서 본 모습이고, 도 2b는 도 2a를 옆에서 본 모습이다.
일 실시형태에 따르면, 기판은 광을 투과시킬 수 있는 투명한 재질 즉, 글래스 또는 투명 플라스틱 필름 또는 시트와 같은 투명 재질로 이루어지는 투명 기판일 수 있고 경우에 따라서는 적용에 적당한 불투명 재질로 이루어질 수 있다. 투명한 재질로는 예시적으로, 석영, 사파이어, 리튬 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물, 우레탄 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에스테르수지, (메타)아크릴레이트계 고분자 수지, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지 등 투명 기판으로서 사용가능한 것이면 모두 사용가능하다. 또한, 투명한 재질로는 예시적으로, PET(Polyethylene terephthalate), COP(cyclic olefin polymer), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyethersulfone), PC(polycarbonate), 아세틸 셀룰로이드와 같은 가시광 투과율 70% 이상의 필름일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 기판의 두께는 10μm 내지 200mm일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 기판의 종류에 따라 적절하게 사용 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 기판은 나노 구조부를 포함한다. 상기 나노 구조부는 규칙적 또는 불규칙적으로 배열되는 나노섬(nanoislands), 나노기둥(nanoposts) 또는 나노홀(nanoholes)을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 나노 구조부는 원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 임의의 다각형의 단면을 가지는 다각형 기둥 형상 또는 다각형 뿔 형상의 복수의 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀을 포함할 수 있다. 상기 복수의 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀은 기판의 노출된 전체 표면에 걸쳐 골고루 형성될 수 있으며, 복수의 행들 및 복수의 열들로 배치될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 각 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀은 나노 사이즈를 가질 수 있다. 예시적으로, 각 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀은 약 10nm 내지 약 30μm의 지름(D)을 가지고, 인접한 두 개의 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀들 사이의 중심-대-중심의 거리(L)는 약 30nm 내지 약 300μm일 수 있다. 또한, 각 나노기둥은 약 50nm 내지 약 50μm 의 높이(H)를 가질 수 있으나, 응용 소자의 전기적 특성 요구치에 따라 각 나노기둥의 높이를 식각하여 조절하는 것이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 나노 구조부는 나노 임프린트 리소그래피 공정으로 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 유사 복제 몰딩에 의한 방법 또는 광학적인 광노광이나 레이저 리소 공정으로도 제조가 가능하다. 예시적으로, 전자빔(E-Beam)을 이용하여 나노 스케일의 구조를 갖는 원하는 패턴의 주형을 제작하고, 제작된 주형을 마스크로 기판에 찍어 패턴을 전사하여 제조될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 나노기둥은 기판의 상면의 일부를 식각하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 기판의 상면 상에 나노기둥을 선택적으로 성장시켜 구현할 수도 있다. 예시적으로, 기판의 상면 상에 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 일 군의 원소들 중 적어도 1종 이상의 원소를 포함하는 촉매를 형성한 후에, 반응가스를 공급하여 글로우 방전을 시키고, 글로우 방전에 의하여 이온화된 반응가스를 상기 촉매 상에 제공하여 나노 튜브 또는 나노 와이어를 성장시킴으로써 나노기둥을 구현할 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 나노 구조부는 기판과 동일한 물질을 포함하거나 기판과 상이한 물질을 포함할 수 있으며, 예시적으로, 유리, 아크릴, PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PMMA(Polymethylmethacrylate) 및 CPI(Colorless Polyimide), polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyurethane, polyether ether ketone, polythermide, polycarbonate, polyaniline, Cyclic olefin copolymer, 실크(silk) 등 투명하거나, 빛을 통과시킬 수 있는 폴리머 계열의 물질 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 복수의 나노기둥은 바람직하게는 투명 나노기둥으로 형성될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 나노 구조부는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되어 표면 에너지를 낮출 수 있다. 상기 나노 구조부가 소수성 재료를 포함할 경우 별도의 소수성 코팅층에 의한 코팅이 필요하지 않을 수 있다. 예시적으로, 상기 소수성 재료는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 불화탄소 화합물, 탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 상기 소수성 재료로서 고분자 및 저분자 물질을 모두 포함하는 분자 체인의 말단과 측쇄에 CF3- 혹은 CF2- 기 등을 하나 이상 포함하고 있는 물질이 사용될 수 있다. 예시적으로, 상기 불화탄소 화합물은 테트라플루오로메탄(CF4), 테트라플루오로에틸렌(C2F4), 헥사플루오로에탄(C2F6), 헥사플루오로프로필렌(C3F6), 플루오로부틸렌 (C4F6), 환형 옥타플루오로부탄(c-C4F8), 데카플루오로부탄(C4F10), 옥타플루오로프로판(C3F8) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 소수성 코팅층은 탄화불소, 탄화수소 또는 폴리디메틸실록산 을 포함하는 것일 수 있다. 상기 소수성 코팅층으로 실란커플링제가 사용될 수 있다. 예시적으로, 상기 실란커플링제는 탄화수소가 주성분인 Trichloro(octadecyl)silane, Trimethoxy(octadecyl)silane, Dichlorodimethylsilane 등이 있으며 말단과 측쇄에 CH3-, CH2- 기 등이 포함된다. 또한, 예시적으로 탄화불소의 실란코팅제는 Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecanethiol, 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilane 등이 있으며 역시 측쇄와 말단에 CF3-, CF2- 기 등이 포함되며 기판 반응부에는 -0H, -NH2, -SH, Vinyl group, -Cl, -OCH3,-0CH2CH3 등 다양한 기들이 사용가능하나 CF3-, CF2- 기가 측쇄와 말단에 포함된다. 또한, 예시적으로 Poly(dimethylsiloxane)유형의 코팅제는 bis(3-aminopropyl) terminated poly(dimethylsiloxane) [Poly(dimethylsiloxane), bis(3-aminopropyl) terminated]; hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane [Poly(dimethylsiloxane), hydroxy terminated] 등이 있으며 주 구성성분이 Poly(dimethylsiloxane)이고 기판 반응부에는 역시 -NH2, -SH, Vinyl group, -Cl, -OCH3, -0CH2CH3 등 다양한 기들이 사용될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층은 실란을 포함하는 코팅제 외에도 기상 및 액상 코팅 공정에 의해서 소수성을 구현할 수 있는 물질이면 사용이 가능하다. 예시적으로, 이형성이 좋은 CH2, CH3, C2H8 등과 같은 -CnHm 화합물(여기서 n, m은 정수), C2F4, C2F6, CF2, CF3 등과 같은 -CnFm 화합물(여기서 n, m은 정수), -Si-0-CH3 또는 SinHm 화합물(여기서 n, m은 정수) 의 화합물이면 소수성 코팅제로 사용이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 나노 구조부가 형성된 기판은 활성층이 구비된 홈부를 포함한다. 상기 홈부는 선, 격자, 홀 등 그 형태에 제한을 두지 않으나, 예를 들면, 홈부의 단면 형상이 사각형, 사다리꼴, 다각형 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부는 최대 폭(D)이 10㎛ 내지 500㎛일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 홈부는 최대 깊이(H)가 10nm 내지 500㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 응용 소자의 전기적 특성 요구치에 따라 홈부의 깊이를 조절하는 것이 가능하다. 즉, 홈부의 깊이는 기판의 계면의 높이보다 깊게 형성될 수 있으나(도 5 참조), 필요에 따라서 기판의 계면의 높이와 같게 형성되거나(도 4 참조), 기판의 계면의 높이보다 낮게 형성될 수도 있다. 이때, 상기 홈부의 최대 폭(D)은 홈부에 있어서 가장 넓은 너비를 의미하고, 상기 홈부의 최대 깊이(H)는 홈부의 바닥면에서 나노 구조부의 상부 표면까지의 높이를 의미한다. 도 5를 참조하면, 홈부의 깊이가 깊어 선택적 잉크 충진시 충진 물질 등이 모세관 힘에 의해 더 쉽게 들어갈 수 있는 장점이 있어 활성 물질 등의 코팅에 유리할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부는 나노 구조부를 선택적으로 식각 및 제거 하거나, 기계적 초미세 가공으로 수십 마이크로 크기의 홈을 형성는 방법으로 제조될 수 있다. 예시적으로, 식각 방법으로, 화학적기계연마(Chemical Mechanical Planarization, CMP), 이온-밀링(ion-milling), 반응성이온에칭(Reactive Ion Etching, RIE), 원자층에칭(Atomic Layer Etching, ALE) 또는 플라즈마에칭(Plasma Etching) 등의 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)을 사용하거나 두 개 이상의 서로 다른 방법을 혼합하여 사용할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 홈부는 나노 구조부가 형성된 기판에 레이저 빔을 조사하여 나노 구조부를 식각하여 제조될 수 있다. 강한 에너지의 레이저 식각을 사용하게 되면 소수성 부분의 일부를 레이저가 지나간 부분만 선택적으로 열분해시켜서 제거가 가능하다. 이 과정에서 레이저로 인한 제거된 부분의 표면 성질이 친수성으로 개질되고, 소수성의 나노 구조부에 친수성의 홈부가 형성되어 재료 표면의 젖음성(wetting properties)의 차이를 극대화할 수 있다.
또한, 상기 홈부는 나노 구조부가 형성된 기판에 산소 플라즈마를 조사하여 나노 구조부를 식각하여 제조될 수 있다. 물리적 마스크를 사용하여 선택적 플라즈마 에칭을 사용하여 원하는 부분만 선택적으로 에칭하여 높이를 낮추거나 제거할 수 있다. 산소 플라즈마 처리는 소수성 표면을 친수성 표면으로 개질하는데 사용될 수 있다. 산소 플라즈마 처리되어 형성된 홈부는 친수성으로 개질되고, 이에 따라 소수성과 젖음성 차이가 극대화 될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 홈부(130) 내에 활성층(140)이 구비될 수 있다(도 1, 도 2 및 도 6 참조). 상기 활성층은 도전 물질, 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질 등과 같은 활성 물질을 포함할 수 있다. 도 6a는 기판에 형성된 홈부를, 도 6b는 홈부에 활성층이 구비된 모습을 예시적으로 나타낸 것이다. 예시적으로, 상기 활성층이 도전 물질을 포함할 경우 소수성-친수성 복합 패턴 구조체는 투명 도전체로서 기능할 수 있다. 상기 활성층에 포함된 물질의 기능에 따라서, 투명 도전체 외에도, 바이오 센서, 터치 센서, 히터, 의료 진단용 키트 제작, RFID, 홀로그램 패턴 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 활성층은 전도성과 감광성이 있는 투명한 도전 물질을 포함할 수 있으며, 도전 물질은 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO), 투명 전도성 고분자, 카본 전도성 물질, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 및 금속 산질화물 등 도전 물질을 모두 포함하는 개념이다. 상기 도전 물질은 예시적으로, 카본나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), PEDOT(Poly(3,4-Ethylene Di Oxy Thiophene)), PSS(Poly(Styrene-Sulfonate)), 은 나노와이어(Silver Nanowires, AGNW), 구리 나노와이어(Cu nanowire), Hybrid AGNW(CNT+AGNW), Hybrid 그래핀(AGNW+그래핀), Cu, Cu alloy, Ag, Ag alloy, Au, Al, pt, pd, Ti, Sn, Ni+Cr, Ni+Ni alloy, Mo/Ag, Mo/Al/Mo, Ni+Cr/Cu/Ni+Cr, Ni alloy/Cu, Ni alloy/Cu/Ni alloy, Mo/APC, Cu/Ni+Cu+Ti, Ni+Cu+Ti/Cu/Ni+Cu+Ti, 카본, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ATO(Antimony Tin oxide), AZO(Aluminium doped Zinc Oxide) 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 활성층은 실리콘과 같은 무기 반도체 물질, 유기 반도체 물질 또는 산화물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예시적으로, 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄 반도체 물질, GaP, GaAs, GaSb 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 또는 IZO(InZnO)계, IGO(InGaO)계, ITO(InSnO)계, IGZO(InGaZnO)계, IGZTO (InGaZnSnO)계, GZTO(GaZnSnO)계, GZO(GaZnO)계 및 ITZO(InSnZnO)계 산화물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 활성층은 바이오 활성 물질을 포함할 수 있다. 상기 바이오 활성 물질은 치료 분자와 같은 물질을 포함하여 의약/유전자 전달 벡터로서 기능할 수 있으며, 비오틴/아비딘 및/또는 다른 단백질을 포함하여 의약 및 바이오 마커로서도 기능할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 활성층은 상기 활성 물질을 상기 홈부에 코팅하여 형성된다. 활성층의 형성 방법은 제한되지 않으며 스핀코팅, 롤코팅, 스프레이코팅, 딥코팅, 잉크젯코팅, 모세관힘을 이용한 코팅방법이나 임프린팅코팅법 등과 같은 공지의 방법을 이용할 수 있다. 상기 홈부가 기판의 계면보다 낮게 형성된 경우 모세관 힘에 의해 활성 물질이 용이하게 충진될 수 있는 장점이 있다(도 5 참조).
일 실시형태에 따르면, 도 3을 참조하면, 상기 활성층 상에 선택적으로 코팅된 기능성층(150)을 더 포함하는 소수성-친수성 복합 패턴 구조체를 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면, 나노 구조부의 초소수성(superhydrophobic) 혹은 젖음성이 좋지 않은 특성으로 인하여 나노 구조부 상에는 기능성층 코팅이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 활성층 상에만 선택적으로 기능성층을 코팅하는 것이 가능하여 원하는 곳에만 선택적으로 코팅할 수 있고, 별도의 세정 공정이 필요하지 않게 되어 보다 실용적이고 효율적인 공정이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 기능성층은 도전 물질, 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질을 포함할 수 있다. 상기 도전 물질, 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질은 앞서 예시한 바와 같으며, 상기 기능성층이 도전 물질을 포함할 경우, 투명 도전체에 있어서, 광활성층의 면적을 증가시킬 수 있어, 엑시톤의 소멸(quenching)을 방지할 수 있고, 전하 및/또는 엑시톤 이동과 에너지 흐름이 원활이 이루어져, 고효율 및 장수명을 갖는 소자를 구현할 수 있는 장점이 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 도전 물질로는 가시광선 영역 뿐만 아니라 특정 파장의 광을 선택적으로 투과할 수 있는 물질이면 제한 없이 이용 가능하며, 금속 물질, 탄소 물질 또는 고분자 물질 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에만 제한되는 것은 아니다. 예시적으로, 도전 물질은 PEDOT(Poly(3,4-Ethylene Di Oxy Thiophene)), PSS(Poly(Styrene-Sulfonate)), 폴리아닐린, 카본나노튜브(CNT), 그래핀, 은 나노와이어(AGNW), 구리 나노와이어, Hybrid AGNW(CNT+AGNW), Hybrid 그래핀(AGNW+그래핀), 은 메쉬(Ag mesh), 구리 메쉬(Cu mesh), ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ATO(Antimony Tin oxide), 텅스텐산화물(WO3), 비스무스바나듐산화물(BiVO4), 실리콘 산화물(SiOx), 지르코늄산화물(ZrO2), 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2), 양자점, 보로핀(borophene), 2D 질화붕소(boron nitride, BN), 보론 카본나이트라이드(Boron carbonitride, BCN), 이황화몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2), 이황화하프늄(Hafnium disulfide, HfS2) 등을 포함할 수 있다. 상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, PbTe, Cu(In,Ga)S, Cu(In,Ga)Se, Cu(Zn, Sn)(S,Se), Pb(S,Se) 및 Cd(S,Se)로 표시되는 화합물 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 도전 물질은 바람직하게는 광투과도 기준 80% 이상, 면 저항 기준 1000Ω 이하, 바람직하게는 0.1Ω 이상 1000Ω 이하일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 기능성층의 두께는 10 내지 200nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시형태에 따르면, 기능성층은 도전 물질, 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질을 활성층 상에 코팅하여 형성될 수 있으며, 형성 방법은 제한되지 않으며, 화학 기상 증착법, 물리 기상 증착법, 용액 공정 등 적용에 적당한 방법을 이용할 수 있다. 예시적으로, ITO, FTO, IZO 등의 소재들은 기상증착법이 가능하고 액상으로도 가능하다. 화학 기상 증착법으로써, 열 화학기상증착법(Thermal CVD), 급속가열 화학기상증착법(Rapid Thermal CVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착법(Inductively Coupled Plasma CVD), 표면파플라주마 화학기상증착법(Surface Wave Plasma CVD) 등 또는, 물리 기상 증착법으로써, 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation), 레이저 분자빔 증착법(laser molecular beam epiraxy), 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition) 등을 이용할 수 있다. 또한, 은나노와이어, 구리나노와이어, 카본나노튜브, 그래핀, 투명전도성고분자(PEDOT/PSS 등) 등의 소재들은 용액 공정이 주로 사용되며, 예시적으로, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 바 코팅(bar coating), 스크린 프린팅(screen printing), 슬라이드 코팅(slide coating), 롤 코팅(roll coating), 슬릿 코팅(slit coating), 스프레이 코팅(spray coating), 침지(dipping), 잉크젯(ink-jet) 인쇄 등을 이용할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체를 포함하는 투명 도전체를 제공할 수 있다. 또한 상기 투명 도전체를 포함하는 각종 소자를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체를 포함하는 투명 도전체는 각종 전자소자의 투명 전극으로 채용될 수 있다. 예시적으로, EMI 실딩(shielding), 전기 발광 램프, 터치 스크린, 광전변환소자(photovoltaic devices) 및 평판 디스플레이(flat panel displays)용 회로 및 투명 전극으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조 방법(S100)은, 도 7을 참조하면, 기판(110) 상에 나노 구조부(120)를 형성하는 단계(S110); 상기 나노 구조부를 식각하여 홈부(130)를 형성하는 단계(S120); 및 상기 홈부 내에 활성 물질을 코팅하여 활성층(140)을 형성하는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 상기 홈부는 친수성이며, 상기 나노 구조부는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되는 것일 수 있다.
S120 단계에 있어서, 레이저 빔을 조사하여 나노 구조부를 식각하여 홈부를 형성할 수 있다. 또는, 산소 플라즈마를 조사하여 나노 구조부를 식각하여 홈부를 형성할 수 있다. 이 단계에서 홈부의 표면은 친수성으로 개질될 수 있어 기판의 표면의 젖음성의 차이를 극대화할 수 있다.
S120 단계에 있어서, 활성 물질과의 접착력을 향상시키기 위하여 추가의 첨가제를 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 폴리에틸렌 이민 또는 에틸렌과 아크릴산의 공중합체일 수 있다.
S120 단계에 있어서, 나노 구조부를 기판의 계면의 높이(두께)보다 깊게 형성되도록 식각할 수 있다(도 8a 참조). 이 경우 선택적 잉크 충진시 충진 물질 등이 모세관 힘에 의해 더 쉽게 들어갈 수 있는 장점이 있다. 필요에 따라서, 나노 구조부를 기판의 계면의 높이와 같게 형성되도록 식각할 수 있다(도 8b 참조).
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 기판;
    활성층; 및
    상기 활성층 상에 코팅된 기능성층을 포함하고,
    상기 기판은,
    상기 기판 상에 형성된 나노 구조부; 및
    상기 나노 구조부가 형성되지 않은 부분에 형성된 마이크로 크기의 홈부를 포함하고,
    상기 홈부는 상기 기판의 계면보다 낮게 형성되고,
    상기 홈부 내에 상기 활성층이 구비되고,
    상기 홈부는 친수성이며, 상기 나노 구조부는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되며, 초소수성인 것을 특징으로 하고,
    상기 기능성층은 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성층은 도전 물질, 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소수성 재료는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 1종 이상의 CxFy 쇄(여기서, x 및 y는 정수) 형태의 불화탄소 화합물, 탄화수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 불화탄소 화합물은 테트라플루오로메탄(CF4), 테트라플루오로에틸렌(C2F4), 헥사플루오로에탄(C2F6), 헥사플루오로프로필렌(C3F6), 플루오로부틸렌 (C4F6), 환형 옥타플루오로부탄(c-C4F8), 데카플루오로부탄(C4F10), 옥타플루오로프로판(C3F8) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소수성 코팅층은 탄화불소, 탄화수소 또는 폴리디메틸실록산을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 소수성 코팅층은 Trichloro(octadecyl)silane, Trimethoxy(octadecyl)silane, Dichlorodimethylsilane, Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecanethiol, 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilane, bis(3-aminopropyl) terminated poly(dimethylsiloxane) [Poly(dimethylsiloxane), bis(3-aminopropyl) terminated]; hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane [Poly(dimethylsiloxane), hydroxy terminated] 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 기판 상에 나노 구조부를 형성하는 단계;
    상기 기판의 계면보다 낮아지도록 상기 나노 구조부를 식각하여 마이크로 크기의 홈부를 형성하는 단계;
    상기 홈부 내에 활성 물질을 코팅하여 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 기능성층을 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 홈부는 친수성이며, 상기 나노 구조부는 소수성 재료를 포함하거나 소수성 코팅층에 의해 코팅되며, 초소수성인 것을 특징으로 하고,
    상기 기능성층은 반도체 물질 또는 바이오 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 홈부를 형성하는 단계는 레이저 빔을 조사하여 나노 구조부를 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 홈부를 형성하는 단계는 산소 플라즈마를 조사하여 나노 구조부를 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체로서, 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 의한 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체의 제조방법에 의하여 제조된, 초소수성-친수성 복합 패턴 구조체.
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