Perfect Position Registry of Microparticles by Dry Rubbing Process and Its Applications

Abstract

기존에는 입자를 배열시키기 위해 용매에 입자를 섞은 액체 콜로이드 용액을 이용한 방법을 많이 사용하였다. 이 방법으로는 마이크로 이하 단위의 작은 입자를 개별적으로 움직이게 할 수 없기에, 용매 안에서 모세관력 등을 통한 자기조립을 유도하였다. 하지만 이런 공정을 사용 하였을 경우, 입자가 자가 조립되면서 결정을 생성할 때 결정이 동시에 여러 군데에서 생기게 되므로 다결정 형태가 될 수밖에 없다. 또 용매가 증발되는 만큼의 시간이 걸리며, 증발 속도에 결정의 질에 중대한 영향을 끼치기 때문에 까다로운 온도나 습도의 조절이 필요하다 본 논문에서는 파우더 입자를 사용하여 빠른 시간 안에 넓은 면적의 단결정, 단층 입자결정의 제조와 몇 가지 응용에 대해 기술하고 있다. 탄력성 있는 기판 위에 입자 파우더를 뿌려준 후 단축으로 비벼줌으로써 마이크로 입자 단결정 단층을 쉽게 생성할 수 있다. 입자 크기와 기판의 점성에 따른 비벼주는 속도와 압력만 결정되면 대면적의 (사실상 면적에 제한이 없음) 단결정을 형성할 수 있다. 이는 곡면이나 굴곡진 표면에도 동일하게 적용이 가능하며, 물리적인 단차가 존재하는 기판 등을 사용하여 결함이 거의 없는 완전 단결정 입자 단층 역시 형성이 가능하다. 단차가 존재하는 패턴 된 기판은 위에 올라가 있는 입자를 다른 기판으로 전사함으로써 세척 과정 없이 반영구적으로 재사용할 수 있다. 패턴 역시 탄성체 이므로 입자의 균일도가 불량하여도 (표준편차 10이상) 기판의 탄성에 의한 주기성의 관용 (패턴의 변형으로 인한 스트레스 완화) 덕분에 단결정 조밀충전이 가능하다. 또한 이 방법을 통하여 단결정이 아닌 마이크로입자의 위치 제어가 손쉽게 가능하다. 우물 모양의 패턴 위에 입자를 배치시키고, 단차 차이를 이용하여 상대적으로 높이 위치해 있는 입자들만 선택적으로 제거해주어, 우물 바닥에 있는 입자만 남기게 할 수 있다. 위에 설명된 모든 공정은 상온에서 용액 없이 진행되므로 마이크로입자와 기판만 준비되어 있다면 어디서든지 가능하다. 배열된 입자들은 다양하게 응용될 수 있는데 우선적으로 입자 단결정을 통한 구조적 색칠이 있다. 마이크로입자의 주기적인 배열로 인해 빛의 파장에 따라 다른 각도로 회절반사가 일어나게 된다. 이 구조에 의해 다양한 색을 나타내게 되고 입자의 배열 방향을 조절하여 구현되는 색깔 역시 조절할 수 있다. 게다가 보는 각도나 거리에 따라 눈에 들어오는 회절된 빛의 파장대가 변하게 되어 같은 그림도 다른 색으로 보이도록 할 수 있다. 또한 입자 단층을 그 자체로 포토마스크로써 사용할 수 있다. 마이크로 입자의 경우 자외선 파장에 비해 지름이 굉장히 크므로, 빛이 입자를 만나면서 회절 되기보다는 입자 하나하나가 그 자체로 볼록렌즈 역할을 하여 중심부로 빛을 모을 수 있다. 입자들의 크기로 회절 정도나 렌즈 굴곡을 조절하거나 입자 종류로 굴절률을 조절하여 다양한 형태의 포토레지스트 패턴이 구현 가능하다. 마지막으로 마이크로입자에 전도성 있는 물질을 코팅하여 전도성을 띄게 하면 압력 센서 같은 소자에 사용될 수 있다. 입자 크기에 맞는 구멍을 가진 스텐실에 입자를 넣어주어 상하부 전극과 연결시켜주면, 압력에 의해 마이크로입자가 찌그러지면서 전극과의 접촉면이 늘어나게 되어 전류에 변화가 생기는데 그것을 읽음으로써 압력 센서로 이용될 수 있다.