KR20090089659A - 근접장 전기방사법을 이용한 정렬된 나노 구조체의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기방사법을 이용하여 나노 구조체를 원하는 장소에 원하는 형태로 배열하는 방법에 관한 것이고, 본 발명에 따른 방법은 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계; 유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 및 분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계를 포함한다. 이런 방법으로 제조된 정렬된 유-무기 나노 복합체는 그 상태로 또는 유기물이 제거된 무기 나노 구조체로 유기 박막 트랜지스터의 활성층 및 생화학 센서의 검출 소재로 사용될 수 있다.
전기방사법, 유-무기 나노 복합체, 바이오 생화학센서, 활성층, 검출

Description

근접장 전기방사법을 이용한 정렬된 나노 구조체의 제조방법{Method for Preparing Arrganged Nano Structure by Near-field Electro-Spinning Technique}
본 발명은 근접장 전기방사법을 이용한 정렬된 나노 구조체의 제조방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 근접장 전기방사법을 이용하여 유-무기 나노 복합체 또는 무기 나노 구조체를 배열하는 방법에 관한 것이다.
유기 반도체를 IT 분야에 사용하고자 하는 연구는 90년대 이후 활발히 진행되고 있으며, 유기 반도체는 플렉시블 디스플레이 구동소자 및 RF-ID 소자 등의 분야에서 상용화를 위한 연구용으로 수요가 급증하고 있다.
유기 반도체는 기존의 Si 반도체가 갖지 못하는 저가격, 저온공정 가능성, 가벼움, 치수 유연성(dimension flexibility), 롤투롤(roll-to-roll) 공정 가능 등의 많은 장점이 있고, 최근 차세대 디스플레이로 각광 받고 있는 OLED의 발광기술과 적합성도 높아 구동소자 개발에 많은 관심을 받고 있다. 유기 반도체의 이와 같은 장점은 센서 분야에도 적용되기 시작하였다.
유기 반도체는 이러한 장점에도 불구하고, 아직 전하 이동도가 낮아서 실용화하기에는 많은 제약 조건을 가지고 있으며, 현재 이러한 문제를 해결할 최적의 소재가 개발되고 있지 않다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법 중 하나로 무기물 나노 구조체가 대안으로 연구되고 있다. 일반적으로 무기물 나노 구조체는 탄소나노튜브 또는 나노와이어 등의 형태를 갖는다. 무기물 나노 구조체는 결정성으로 전하이동도가 높고 유기물에 비해 상대적으로 대기 중 안정성이 높으며, 물리적 길이가 수 μm를 넘지 않아 구부림이 가능한 플라스틱 기판 상에서도 소자를 제작할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 나노 구조체는 한 방향으로 정렬이 어렵고, 원하는 위치에만 정렬된 소재패턴을 형성하는 상용화된 공정 기술이 없는 상태이며, 마이크로미터급이나 서브마이크로미터급으로 패턴화하는 것이 용이하지 않으며, 원하는 위치에 원하는 방향으로 원하는 양만큼 배열하는 것도 어렵다.
종래 나노 구조체를 정렬하는 방법으로는 나노 구조체를 기판 상에 한 방향으로 정렬한 다음 전이(transfer) 기술을 이용하여 원하는 위치에 옮기는 랑무어(Langmure "LB")법을 이용하여 왔다. 그러나, 기판 상에 정렬하는 시간도 너무 많이 소요될 뿐만 아니라 전이하는데 별도의 기술을 필요로 하기 때문에, 양산화하기 어려운 실정이다.
또한, 패터닝 공정을 별도로 하지 않고 μm 두께의 유기 또는 무기 와이어를 형성할 수 있는 기술로는 전기 방사법(electro-spinning)이 있다. 전기 방사법은 형성하고자 하는 물질의 용액을 액적 형태로 만들어 기판과 이 액적 사이에 전기장 을 걸면, 이 전기장의 세기가 액적의 표면 장력보다 커지는 순간 액적이 실처럼 끌려 내려와 기판 상에 붙게 된다. 이 때 끌려 내려오는 액적의 폭을 조절하여 μm 두께로 조절할 수 있다. 그러나, 기존의 전기스핀 방식은 도 1과 같이 꿈틀거리는 벌레처럼 유-무기 나노 구조물은 가공되자마자 임의적으로 엉키게 되어, 수직 및 수평 방향으로 정렬된 나노 구조를 얻는 것이 어렵고, 원하는 위치에 원하는 길이로 원하는 방향의 패턴 형성이 어렵다.
이에 본 발명자들은 나노 구조체를 용이하게 특정 장소에 원하는 형태로 배열하는 방법에 관한 연구를 진행하면서, 근접장 전기방사법을 이용하여 고전압이 인가된 분사노즐로부터 나노 구조체를 토출시켜 이를 접지 특성을 갖는 콜렉터에 정렬시키는 경우, 토출물이 처음 수 mm까지는 직선으로 토출되다가 공기의 저항 등으로 그 궤적이 불규칙적으로 바뀌게 되는 것에서 착안하여 분사노즐과 콜렉터의 거리를 근접하게 하는 경우 원하는 위치에 액적 물질을 선형으로 형상화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 제안하였다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 근접장 전기방사법을 이용하여 유-무기 나노 복합체를 원하는 장소에 원하는 형태로 배열하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 근접장 전기방사법을 이용하여 무기 나노 구조체를 원하는 장소에 원하는 형태로 배열하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계; 유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 및 분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계를 포함하는 유-무기 나노 복합체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계; 유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계; 및 증착물로부터 유기물을 제거하는 단계를 포함하는 무기 나노 구조체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 탄소 나노 튜브, 금속 산화물 또는 넓은 띠 간격 반도체 소재와 같은 무기 나노 소재를 기반으로 하여 근접장 전기방사법을 통하여 전하이동도 특성이 매우 높은 새로운 유-무기 나노 복합체를 제작할 수 있다.
둘째, 전하이동도 특성이 매우 높은 유-무기 나노 복합체를 플렉시블 디스플레이 구동용 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin-Film Tannsistor) 소재의 활성층 및 생화학 센서의 검출 소재로 사용함으로써 고속 트랜지스터 및 고감도 센서의 제작이 가능하다.
세째, 유-무기 나노 복합체의 제작을 위하여 용액 형태의 원재료를 사용함으로써, 플라스틱과 같은 구부릴 수 있는 기판 위에 소자를 제작함으로써, 휴대가 간편하고 사용 후 바로 버릴 수 있는 휴대용 생화학 센서 및 플렉시블 디스플레이용 유기 박막 트랜지스터 소자를 제작할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유-무기 나노 복합체의 제조방법을 나타낸 공정도이고, 도 3은 본 발명에 일실시예에 따른 무기 나노 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도이고, 도 4는 본 발명에 따른 유-무기 나노 복합체의 제조시 사용되는 근접장 전기방사장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유-무기 나노 복합체의 제조방법은 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계(S11); 유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계(S12); 및 분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계(S13)를 포함한다.
상기 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계(S11)에서, 무기 나노 소재로는 금속산화물, 넓은 띠 간격 반도체 또는 탄소 나노 튜브를 포함하며, 상기 금속 산화 물로는 ZnO, In2O3, V2O5 또는 SnO2가 사용될 수 있으며, 상기 넓은 띠 간격 반도체는 SiC, GaN 또는 다이아몬드가 사용될 수 있다. 이들의 형태는 일축 방향의 길이가 다른 방향보다 긴 나노 와이어, 나노 튜브 또는 나노 로드일 수 있다.
상기 ZnO, In2O3, V2O5 또는 SnO2와 같은 금속 산화물은 열적 화학증착(thermal CVD), 졸-겔(Sol-Gel), PLD(Pulsed Laser Deposition), 스퍼터링을 통해 성장하며, SiC, GaN 또는 다이아몬드와 같은 넓은 띠 간격 반도체는 MOCVD(금속 유기 화학증착) 또는 MBE(molecular beam epitaxy)를 통해 성장될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
또한, 유기 용제로는 상기 무기 나노 소재를 용해시킬 수 있는 것으로, 구체적으로 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 이소프로필 알콜 또는 물 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 나노 소재를 유기 용제에 용해시킨 유-무기 혼합 용액의 농도는 사용되는 분사노즐의 크기를 고려하여 분사노즐로부터 토출되기 적합한 농도로 선택될 수 있다.
또한, 상기 무기 나노 소재는 유기 반도체 물질 또는 고분자 소재와 혼합될 수 있으며, 유기 반도체 물질로는 이것으로 제한되는 것은 아니지만, P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 또는 PPE(polyphenylene ether) 등이 사용될 수 있으며, 상기 고분자 소재로는 PVA(Polyvinyl Acetate) 또는 PVP(Polyvinyl Pyrrolidone) 등이 있으며, 이들은 이것으로 제한되는 것은 아니지만 무기 나노 소재에 대하여 ~ 3 내지 ~ 9 중량 %의 범위 내에서 혼합될 수 있다.
상기 유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계(S12) 및 분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계(S13)에서 도 4의 근접장 전기 방사 장치가 사용될 수 있다. 도 4에 따른 근접장 전기 방사 장치는 미세한 섬유가 나오는 분사 노즐(10), 분사하고자 하는 유-무기 혼합 용액을 분사 노즐(10)로부터 토출시키는 시린지 부분(20), 용액이 분출되는 노즐(10)에 전압을 인가하기 위한 고전압 전력 공급 장치(30), 및 노즐에 가해진 고전압에 대하여 상대적으로 접지(ground) 특성을 갖도록 하여 노즐로부터 분사된 섬유가 증착 및 정렬 구조를 이루는 접지 콜렉터(40)로 구성된다.
즉, 무기 나노 소재가 유기 용제 중에 혼합된 용액은 시린지(20) 내부로부터 시린지 펌프(50)에 의하여 분사 노즐(10)로부터 토출시킬 수 있도록 분사 노즐의 주사바늘 부분으로 투입되어 주사바늘 끝단에서 조그만 형태의 액적을 형성한다. 이 주사바늘에 고전압 전력 공급 장치(30)에 의하여 DC 전압을 인가하면 (일반적으로 5 ~ 30 kV) 전하를 띤 용액형태로 분사되는데, 노즐 끝에서부터 분사된 액적은 표면 장력에 의하여 흩어지지 않고, 주사바늘에 가해진 전압에 대한 정전기 반발에 의하여 분사와 동시에 접지 콜렉터(40)에 달라붙는다.
여기서, 노즐(10)은 금속 또는 플라스틱 재질로 제작된 지름 1㎛ 내지 1㎜인 것이 사용될 수 있으며, 시린지는 분사 노즐로부터 홀(hole) 당 수 ㎖ 내지 수 ㎕/분의 속도로 토출시킬 수 있는 것이 사용될 수 있으며, 전력 공급 장치는 수십 내 지 수천 볼트의 고전압을 인가하는 것이 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
따라서, 노즐(10)과 접지 콜렉터(40) 사이의 거리를 기존의 5 ~ 30 cm 보다도 아주 가깝게 수 mm 이내로 조절하고, 노즐의 XYZ 방향으로의 이동 속도, 인가전압 및 노즐의 크기를 조절하면서 직접 라이팅(direct writing) 방식으로 유-무기 나노 복합체를 섬유 형태로 제작함으로써, 원하는 위치에 원하는 방향으로 정렬된 유기-무기 하이브리드 패턴을 형성할 수 있다. 이 패턴의 폭은 형성 조건에 따라 마이크로미터 급이나 서브 마이크로미터급이 될 수 있다. 이렇게 형성된 액적 패턴 속에 존재하는 무기 나노 구조물은 그 길이가 수 마이크로미터급이므로 그 길이 방향이 액적 패턴이 형성된 방향으로 자동 정렬된다. 이를 도식화하여 나타낸 것이 도 5이다. 도 5에 따르면, 액적 패턴(201) 속에 존재하는 무기 나노 구조물(202)이 길이 방향으로 정렬된다.
예를 들면, 전기방사 장치의 노즐과 콜렉터 사이의 거리를 500 ㎛이하로 근거리로 조절하고, 금속 팁(metal tip) 내부의 노즐 반경을 30㎛이하로 작게 조절한 상태에서 노즐과 콜렉터 사이의 인가전압을 3 내지 15kV로 조절하고, 노즐의 XYZ 방향으로의 이동속도를 5 내지 15㎝/sec로 조절함으로써 서브 마이크로미터(sub-㎛) 패턴 폭을 가지는 섬유 형태의 유-무기 나노 복합체를 제작할 수 있다.
또한, 이런 전기 방사 장치를 이용하여 특정한 패턴과 패턴 사이를 연결하는 패터닝도 가능하다.
섬유 형태의 유-무기 나노 복합체는 정렬되는 방향으로 전극을 형성하여 센 서나 트랜지스터 등의 전기적 소자에 사용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 무기 나노 구조체의 제조방법은 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계(S21); 유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계(S22); 분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계(S23); 및 증착물로부터 유기물을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계(S21), 분사 노즐로부터 토출시키는 단계(S22) 및 접지 콜렉터에 정렬시키면서 증착시키는 단계(S23)은 상기 유-무기 나노 복합체의 제조방법에서 설명된 바와 같다.
다만 접지 콜렉터에 증착된 유-무기 나노 복합체로부터 유기물을 제거하는 단계(S24)를 통해 유기물을 제거함으로써 무기 나노 구조체 만을 얻을 수 있다. 이 때, 유기물의 제거방법은 이 분야의 일반적인 방법, 예를 들면, 열처리, 플라즈마 처리, 또는 UV O3 처리 등을 통하여 수행될 수 있다.
이러한 기술을 사용하여 나노입자, 나노섬유, 미세 다공성 박막 제조, 입자 코팅, 다공성 박막 코팅을 행할 수 있다.
이와 같은 유-무기 나노 복합체 및 무기 나노 구조체는 생화학 센서의 검출 소재 및 플렉시블 디스플레이 구동용 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin-Film Tannsistor)의 활성층으로 사용함으로써, 검출 감도가 뛰어난 고 감도 센서 및 전하 이동속도가 매우 빠른 고속 트랜지스터 등을 제작할 수 있다.
도 1은 종래 전기방사법에 의한 유기물 나노구조의 정렬 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유-무기 나노 복합체의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명에 일실시예에 따른 무기 나노 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 복합체의 제조시 사용되는 근접장 전기방사장치를 개략적으로 나타낸 개략도(a) 및 실제 장치 도면(b)이다.
도 5는 본 발명의 나노 복합체의 제조시 이용되는 전기방사장치에서 방사된 선형 액체 속에 포함된 무기 나노 구조체의 모양을 나타낸 개략도이다.

Claims (10)

  1. 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계;
    유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계; 및
    분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계를 포함하는 유-무기 나노 복합체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 나노 소재는 금속산화물, 넓은 띠 간격 반도체 또는 탄소 나노 튜브을 포함하는 유-무기 나노복합체의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 용제로는 이소프로필 알콜 또는 물을 포함하는 유-무기 나노복합체의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 나노 소재는 P3HT 또는 PPE의 유기 반도체 또는 PVA 또는 PVP의 고분자 소재와 혼합되어 사용되는 유-무기 나노복합체의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 나노 소재의 형태는 나노 와이어, 나노 로드 또는 나노 튜브인 유-무기 나노복합체의 제조방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 금속 산화물로는 ZnO, In2O3, V2O5 또는 SnO2이고, 상기 넓은 띠 간격 반도체는 SiC, GaN 또는 다이아몬드인 유-무기 나노복합체의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 분사 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 10mm 이하로 조절되고, 노즐의 직경은 1㎛ 내지 1㎜의 범위 내에서 선택되는 유-무기 나노복합체의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 분사 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 서브 마이크로미터 패턴 폭을 갖도록 500㎛ 이하의 근거리로 조절하고, 노즐 반경을 30㎛ 이하로 조절하는 유-무기 나노 복합체의 제조방법.
  9. 무기 나노 소재를 유기 용제 중에 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 준비하는 단계;
    유-무기 혼합 용액을 전압이 인가된 상태로 분사 노즐로부터 토출시키는 단계;
    분사 노즐로부터 하전된 토출물을 접지 특성을 갖는 콜렉터에 의해 정렬시키면서 증착시키는 단계; 및
    증착물로부터 유기물을 제거하는 단계를 포함하는 무기 나노 구조체의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 유기물은 열처리, 플라즈마 처리 또는 UV O3 처리를 통해 제거되는 무 기 나노 구조체의 제조방법.
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