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마이크로나노버블 특징 및 생성메커니즘

살균 및 세정에 이용되는 마이크로나노 버블의 특징 및 발생 메커니즘 연구Ⅰ. 총론버블이 마이크로 혹은 나노 크기가 되었을 때 어떤 특징으로 인하여 최근에 살균 및 세척 등 다양한 분야에 이용되는지 알아보고, 이러한 마이크로나노 버블의 발생 메커니즘에 대하여 살펴보자.Ⅱ. 서론100nm부터 10㎛ 전후인 기포를 마이크로나노 버블이라고 정의하며, 최근에는 이를 이용하여 살균 및 세척 등 다양한 분야에 이용하거나 및 현재 상용화 단계에 있다. 예를 들어 하수종말 처리장 산기관, 수산관리장/농업/축산 수질 관리, 반도체와 같은 고정밀 장비의 세척, 모공피지제거를 통한 미용장비 등이 있다. 이제부터 이런 마이크로나노 버블에 대해서 알아보자.Ⅲ. 본론1. 마이크로나노 버블의 특징마이크로나노 버블은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.그림 직경에 따른 부피 및 표면적그림 직경에 따른 transfer efficiency(1) 버블의 표면적이 크다. 버블의 표면적과 부피의 비는(,,)와 같이 나타낼 수 있다. 즉 표면적이 직경에 반비례하여 커지게 되는 것이다. 이로 인해 버블 내의 공기와 유체가 닿는 면적이 커져서 반응이 잘 일어나게 된다. 또한 표면적이 크므로 인해(,,,)가 커지므로 transfer efficiency가 높다.(2) 물 속에 오랫동안 머무른다. 버블 크기에 따라 상승속도는 Stock's법칙을 따르고 직선으로 보여주는 관계는 Stock's 법칙으로 구한 이론값(,,,)에 따른다. 그림 4에서 보면 일반적인 버블는 물속에서 상승하여 표면에서 파열하지만 마이크로그림 크기에 따른 버블 상승 속도나노 버블은 수중에서 축소하여 결국은 소멸(완전 용해)되는 것이다. 즉 이로 인해 용해도가 더 높다.그림 크기에 따른 버블 상승 특징(3) 자기가압 효과가 뛰어나다. 자기가압 효과란 직경에 따라 반비례적으로 압력이 증가하는 것을 말하는데 보통 계면에 표면장력의 물리적인 작용으로 인해 버블 내부에 압력이 높아져서 직경이 10㎛인 경우 약 0.3기압, 1㎛는 약 3기압의 압력이 상승된다. 즉 이로 인해 용해도가 커지게 된다. 예를 들면 직경이 10 ㎛인 기포의 기체 용해 능력은 1 ㎜의 기포에 비해 약 20,000,000배가 된다.그림 버블의 zetapotential(4) Zetapotential이 큰 입자에 대해서도 부착력이 뛰어나다. 그림 5는 수중에 부유하는 입자의 표면에 작용하는 전위적 특성(Zetapotential)에 대한 개념도를 나타낸 것이다. Zetapotential이 크다는 것은 입자의 표면에 이온화된 물의 층(수화층)이 두껍다는 것을 의미하며, 작다는 것은 반대로 수화층이 얇다는 것을 의미한다. 따라서 입자에 버블을 부착시키기 위해서는 입자의 수화층이 얇아야 하고 버블의 크기가 작아야 하며 버블의 양이 많아야 한다. 그러므로 버블의 크기가 작아서 Zetapotential이 큰 입자에 대해서도 부착력이 뛰어나고 세정 효과가 크다. 또 아까 말했듯이 표면적이 커서 단위 체적당 산소량이 증대하여 살균효과도 커지게 되는 것이다.2. 버블 발생 메커니즘과 한계점그림 구멍이 뚫린 관에서 버블의 생성그림 버블의 생성 원리기본적인 버블 생성 메커니즘은 다음과 같다. 그림 6과 같이 구멍에 공기가 나오면서 그림 7과 같이 Young-Laplace 원리에 의해 표면장력으로 버블이 생성되는 것이다. 하지만 마이크로나노 버블은 다음과 같은 이유로 쉽게 만들어지지 않는다. 우선 기포가 커지면서 기포 생성시키는 구멍 표면에 붙어있으려는 anchor에 의해 크기가 제한되어야 한다. 하지만 기포가 커져서 부력이 anchor보다 커서 버블이 터지는 일이 발생한다. 혹은 버블이 다른 버블과 합쳐져서 더 큰 버블이 되기도 하며, 그림 6과 같이 여러 구멍에서 버블을 생성될 때 첫 번째 구멍에 공기가 계속 들어가 큰 버블이 생성되는 문제가 생긴다. 그렇다면 마이크로나노 버블은 어떻게 만들어지는 것일까?3. 마이크로나노 버블 발생 메커니즘마이크로나노 버블 발생에 대해 논하기 전에 우선 공동(Cavitation)에 대해 알아보자. Cavitation이란 유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물속에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 물이 없는 빈공간이 생긴 것을 가리킨다. 이 때 버블이 생성되게 된다. 간단히 말해 물이 끓을 때 온도의 변화에 따라 기포가 생성되듯이 압력의 변화로 인해 버블이 생성되는 것이다.그림 cavitation시키기 위한 노즐(1) 압축된 공기를 액체에 용해시키는 방법 ? 그림 8과 같은 구조로 디자인 되어있는 노즐을 이용하여 Cavitation에 의해 버블 생성된다. 먼저 물이 유입되면서 나선상의 구멍으로 들어가게 되어 선회류로 변하는데 이 선회류의 중심은 진공상태가 되어 물에 용해된 공기 및 유입된 압축 공기가 버블이 되어서 방출된다. 이 때 물이 선회해서 유입하므로 소용돌이의 출구압력가 물의 증기압 가까이 떨어지므로 Cavitation이 잘 일어난다. 이 때 Cavitation수는(,,)로 낮을수록 Cavitation이 잘 일어난다.(2) 초음파를 이용한 원리 - 물에 연속파 초음파가 조사 될 때 정현파가 생성되고, 초음파의 음압은 집속 부위에서 매우 짧은 시간 안에 확장과 수축을 반복하게 된다. 강도가 높으면 수축 압력동안 물이 분열을 일으키게 되고 이 때 미세 버블이 생성되며 이 버블은 저주파로 갈수록 크기가 작아진다. Keller equation(액체 내부에 존재하는 하나의 기포가 완전한 구형의 형태이며 주변 압력 변화에 의해 진동함)에 의해 압력과 반지름과의 관계는(,)과 같으며, 압력 펄스는)과 같이 변한다.(3) 낮은 압력을 이용하여 air stream을 공급하고 기계적 진동과 같은 방법으로 버블을 끊어서 만드는 방법이 있는데 이와 같은 경우에는 압축된 공기를 이용하거나 초음파를 사용하는 것보다 에너지가 적게 드는 장점이 있다.그림 마이크로나노 버블 발생기그림 9의 마이크로나노 버블 발생기를 보자. 압력펌프의 전 단계에서 공기와 함께 흡입된 순환수는 물과 함께 혼합이 되어 마이크로-나노버블 발생장치 영역에서 유입된다. 유입된 혼합물은 좁아진 관을 통과하며 유속이 증대된다. 유속이 증가된 수류는 관벽에 설치된 관벽 돌기부와 부딪히며(기계적 진동 생성) 강력한 난류를 형성하여 순간적으로 0.1～10㎛ 크기의 버블을 발생시킨다.Ⅳ. 토의마이크로나노 버블의 특징과 발생 메커니즘에 대해서 알아보았다. 표면적이 커지는 등 나노 크기에서 물질에 일어나는 여러 가지 특성으로 인해 일반 버블이 다양한 분야에 응용이 가능해 진다. 현재 피부를 곱게 해주는 미용 분야와 정화 시설에 많이 사용되고 있는데 마이크로나노 버블을 세탁기에 응용하는 것도 괜찮다는 생각이 든다. 최근에 은나노의 살균력을 이용한 세탁기가 나왔는데 은나노 대신에 마이크로나노 버블을 이용하여 살균 작용을 사용하는 것이다. 세탁 후에 세탁물에 은나노가 남아있으면 그 세탁물을 나중에 입게 되었을 때 그 은나노가 몸속에 흡수될 수가 있다. 은나노와 같은 경우 크기가 모공보다 작으므로 몸속에 바로 흡수되고 은나노가 우리 몸에 어떤 해를 끼칠지도 잘 모르는 일이다. 하지만 마이크로나노 버블을 사용할 시에는 이런 일이 생길 염려가 없을뿐더러 세제의 사용량을 줄일 수 있으므로 더욱 더 효율적일 것이라고 생각된다. 또한 용해도가 높으므로 이를 이용 잠수함 같은 장비에서 산소 공급원으로 마이크로나노 버블을 이용, 산소를 물에 용해시켜 산소를 공급하는 방법도 또 하나의 응용 방법이라고 할 수 있겠다.

공학/기술| 2012.06.11| 6페이지| 1,000원| 조회(883)

유체, bubble, 마이크로 나노 버블, 기포, 마이크로 나노, zetapote..

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SiC박막 증착(RF Sputtering) 평가A+최고예요

RF Sputtering 을 이용한 SiC 박막 증착INDEX 1. Research Background 3. Results 4. Summary and conclusion 2 . Principle Experimental setup1. Research Background ◆ SiC(Silicon Carbide, 탄화규소 ) - 4 족 원소인 Si 와 C 와의 반응으로 생기는 유일한 화합물 강한 공유결합에 의해 경도가 다이아몬드 다음으로 큼 비중이 낮고 열팽창 계수가 작으며 열전도도 , 경도 , 파괴강도 , 열충격 저항성 등이 우수 특 성 내 용 기계적 특성 고경도 (28GPa) 고강도 (500MPa) 내마모성 고온 고강도 (1400℃ 까지 상온 강도 유지 ) 화학적 특성 내식성 ( 대부분의 산 , 염기와 반응하지 않음 ) 열 적 특성 내열성 고열충격저항성 전기적 특성 Wide bandgap semiconductor 절연파괴 , 전계강도 우수1. Research Background ◆ SiC 의 구조적 특성 4H-SiC α -SiC Hexagonal 구조 β -SiC (3C) Cubic 구조 6H-SiC 3C-SiC Polytype 3C 4H 6H 결정구조 Cubic Hexagonal Hexagonal 격자상수 (Å) 4.3596 3.0730 10.053 3.0730 15.11 밀도 (g/ ㎤ ) 3.21 3.21 3.21 Bandgap(eV) 2.36 3.23 3.051. Research Background ◆ SiC 의 응용분야 고경도 특성을 이용한 내마모 소재로 이용 : Abrasive( 연마제 ), Glinding tools, Bearings, nozzles 고강도 , 내열성 , 내식성을 이용한 기계 구조용 소재로 이용 : 우주항공소재 , 자동차용 소재 , 방탄소재 , 발열체 , 각종 필터 SiC 전력소자, 태양광 인버터, LED 로 사용 가능 SiC 의 박막 증착법 이용2. Principle Experimental Setup ◆ Condition of RF Sputtering Equipment Power(w) Pressure(mtorr) Gas Dep. Time(hour) Substrate Temperate( ℃) Substrate RF Sputtering 3 00 4 Ar(50sccm) 3 500 Si ◆ 실험 방법( RF sputtering annealing) 1. silicon 기판을 알코올 , 증류수 등으로 초음파 세척기를 이용하여 30 분간 세정 2. 기판을 chamber 내에 넣고 , 진공 펌프를 이용하여 3×10 -6 Torr 까지의 진공상태를 유지 3. 증착 전에 Target 에 형성되어있는 산화물층을 제거하기 위해 Ar 분위기에서 30 분간 Pre-treatment 를 실시 4. 아래 조건과 같이 증착 실시 5. 증착 후에 1200 ℃ 의 Ar 기체 하에 한시간 동안 어닐링 실시( 3-zone tube furnace, EM Tech co. 이용) RF (13.56 MHz)3. Result 2 Θ (deg) Miller indeces 36 (111) 42 (200) 60 (220) 72 (311) ◆ XRD Reference ◆ β -SiC 가 나타나는 지점3. Result ◆ 실험 결과 Equipment Power(w) Pressure(mtorr) Gas Dep. Time(hour) Substrate Temperate( ℃) Substrate RF Sputtering 3 00 4 Ar(50sccm) 3 500 Si - XRD - - SEM - SiC SiC4. Summary and Conclusion 박막 증착법으로 반도체에 응용 - RF sputtering 을 이용하여 Si 기판 위에 SiC 를 증착하였으며 XRD 와 SEM 으로 시편을 측정한 결과 SIC 가 증착한 것을 확인할 수 있었다. - SiC 는 높은 경도 및 좋은 내열성과 낮은 밴드갭으로 인하여 다양한 분야에서 이용되고 있다.THANK YOUQ A 1. XRD(x-ray radiation diffraction) 2. SEM(scanning electron microscopy) 결정에 X- 선을 쪼이고 결정을 구성하는 각 원자는 입사 X- 선을 모든 방향으로 산란한다. 이 때 산란된 X- 선들이 합쳐져 회절 X 선을 형성한다. 전자빔을 시료 표면에 분사, 이때 반사되는 이차전자를 모아서 이미지를 형성하는 방법 박막의 단면 및 표면의 morphology 를 관찰 할 수 있음 ◆ 결과 분석 장비 SiC 의 결정이 형성되었는지 확인가능 회절선의 위치는 결정의 기하학에 대한 정보를 포함 회절선의 세기는 결정 내 원자들의 형태 및 배열에 대해 나타냄 회절선의 폭은 결정성의 척도 Si wafer 에 증착된 SiC 결정형태 관찰 가능Q A ◆ 실험 결과 Equipment Power(w) Pressure(mtorr) Gas Dep. Time(hour) Substrate Temperate( ℃) Substrate RF Sputtering 3 00 4 Ar(50sccm) 3 4 00 Si - XRD - SiC SiC SiC SiCQ A ◆ 실험 결과 Equipment Power(w) Pressure(mtorr) Gas Dep. Time(hour) Substrate Temperate( ℃) Substrate RF Sputtering 3 00 4 Ar(50sccm) 3 1 00 Si - XRD - SiC SiC{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2011.12.21| 13페이지| 1,500원| 조회(320)

xrd, sem, SiC박막 증착, 박막 증착법, XRD Reference

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Etching (에칭)

Etching 예비 리포트1. Etching의 정의식각(Etching) 공정은 기판 상에 미세회로를 형성하는 과정으로서 hard baking한 뒤 형성된 PR pattern과 동일한 metal(혹은 기타 deposition된 물질) pattern을 만든다. 식각 공정은 그 방식에 따라 크게 wet etching과 dry etching으로 구분할 수 있다. 또한 각각의 etching 방식은 선택적(selective) etching과 비선택적(nonselective) etching으로 나눌 수 있다.2. Wet Etching & Dry Etching▶ Wet EtchingWet Etching(습식 식각)이란 금속 등과 반응하여 부식시키는 산 혹은 염기성 계열의 화학 약품을 이용하여 thin film layer의 노출되어 있는(PR pattern이 없는) 부분을 녹여 내는 것을 방법이다. 절단한 웨이퍼의 표면 연마, 열산화막이나 에피층 등을 성장하기 전의 웨이퍼 세척, 그리고 최소 선폭의 크기가 3 ㎛ 이상인 반도체 소자의 제작 등에 많이 사용된다. 일반적으로 습식 식각은 등방성(isotropic)이다.Isotropicanisotropic우선 반응할 화학 물질(etchant)이 식각시키고자 하는 표면에 공급이 된다. 그 후에 표면에서 화학 반응이 일어난 후, 반응이 끝난 생성물질이 생성 된 후에 떨어져 나온다.장점으로는 높은 선택도(selectivity)와 substrate damage가 상대적으로 낮고 경제적이며, 신뢰성이 높으며 공정의자동화가 되어있다는 것이다.그러나 나노구조제작의 어려움 (1㎛이하의 세밀한 식각이 불가능)이 있고 등방성 식각 (용액을 이용하기 때문에 마스크 하부에도 진입해 언더컷이 일어난다)의 인한 문제점이 있다. 뿐만 아니라 식각 균일도의 문제 (스프레이 노즐에서 고점도 액을 토출할 때 얼룩이 생겨 에칭 균일성이 나빠진다), 화학적 조작에 따른 위험성, 경우에 따른 식각 용액의 높은 가격도 단점이다.▶ Dry EtchingDry Etching(건식 식각)은 이온을 가속화 시켜서 노출부분의 물질을 제거하는 방법으로 Plasma Etching, Reactive Ion Etching(RIE), Sputter Etching과 같이 3가지 방법이 있다.우선 비등방성 식각이 가능하여 미세한 패턴을 형성할 수 있으며 불순물 주입이 가능하다. 뿐만 아니라 포토레지스트와 바탕의 밀착성을 유지하기 쉽다. 그래서 습식법에서는 가공 불가능한 것을 가공할 수 있으며 종점(endpiont)의 확인 검출이 가능하다. 이 또한 자동화가 쉽다 (고 수율 , 고 생산). 저렴한 비용을 지니며(chemical을 사용하지 않음) 공해가 적고 작업자의 안전도가 높다. 마지막으로 재현성이 좋다.그런 반면 다음과 같은 단점을 지니고 있다. 공정변수가 많으며 결정에 원하지 않은 결함(불순물 침투, 격자구조 결함, 전하 형성)이 발생할 수 있고, 이 결함 소수 캐리어 수명을 줄이고, 큰 역방향 포화전류를 나타나게 만든다. 그래서 결함 발생 시 결함을 없애기 위한 열처리(annealing, 보통 900℃이상에서 수십 분 동안 수행함)가 필요하다. 건식식각이 어려운 물질 존재(ex. 구리, 백금)들이 몇 개 존재하며 이온 충격이나 라디칼에 의 손상 및 오염이 있을 수 있고 선택비가 wet etch에 비해 떨어진다①Plasma Etching구동 원리는 다음순서와 같다. 우선 에칭가스를 저압하에서 고주파 전계인가하면 방전되고, 주입기체가 플라즈마에 의해서 화학적인 반응성 species로 분해된다. 이 화학종이 wafer로 확산되고 흡착된다. 이후에 표면 화학층과 반응이 일어나고, 생성물이 표면에서부터 탈착된다. 마지막으로 gas stream에 의해서 제거된다.종류로는 대형 전극형 플라즈마와, 원통형 및 평행 플라즈마 에칭장치가 존재한다. ② Reactive Ion Etching(RIE)우선 etching 할 시료를 고주파 전력이 인가된 전극 상에 배치한다. 그러면 전극에 방전을 발생하고 전자와 이온의 이동도의 큰 차이에 의하여 음극 강하가 발생한다. 다음에 활성 가스이온은 전극 및 시료표면상의 수직한 관계를 따라 입사하는데 그 방향으로 reactive한 etching 이 진행된다.< RIE 장비의 기본구성 > < 평행 평판형 RIE 장비 >③ Sputter EtchingAr 등의 불활성기체를 주입하고 plasma여기용 고주파 전계하면 방전이 되면서 플라즈마가 형성된다. 다음에 고주파 전계에 의해 Ion 전자가 가속이 된 후에 방출이 되는데, 이 때 가속된 이온이 에칭을 하고자 하는 물질로 입사한다. 결국 가속에 의한 물리적 에너지와 이온이 가지는 화학적 에너지(반응)에 의해 해당 물질은 스퍼터링 과정으로 진행된다.

공학/기술| 2011.12.20| 5페이지| 1,000원| 조회(1,213)

wet etching, 에칭, dry etching, Etching (에칭), selective

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Photo lithography(포토 리소그래피)

Photo Lithography1. Photo Lithography의 정의▶Lithography란?Litho(돌) + graphy(그림, 글자)의 합성어로 석판술을 뜻하며 반도체 공정에서는 집적회로제조과정에서 마스크(mask)상의 회로패턴을 웨이퍼(wafer)의 위에 옮기는 공정이다. 시스템 집적 반도체를 포함한 기억소자, 마이크로프로세서 등의 실리콘 소자, LCD 및 MEMS 등에 이용된다. 종류로는 Photo Lithography, Soft Lithography 등이 있다.▶Photo Lithography광학적인 방법을 이용한 Lithography로 물질 위에 빛을 사용하여 패턴을 남긴다. 반도체에서는 회로를 빛을 이용하여 박막이 형성된 웨이퍼에 입히는 공정이다. 미세한 패턴을 사용하는 것이 집적도 향상에 직접적인 영향을 미친다.2. Photo Lithography의 공정우선 일반적으로 wafer cleaning과 barrier layer formation은 Photo Lithography전의 준비 단계로 그 이후부터가 진정한 공정이라 보면 되겠다.① wafer cleaning우선 photo resist전에 웨이퍼의 표면을 깨끗하게 하는 공정이다. 1970년 RCA사가 발표한 공정이 기본을 이루고 있으며, 현재도 이를 기본으로 다른 옵션을 첨가하여 많이 사용한다. 그래서 일반적으로 wafer cleaning process를 RCA process라 부르기도 한다. RCA 공정으로는 Piraha solution(Surfuricacid peroxide mixture; SPM) / DHF(Diluted HF) solution / rinse의 배합을 많이 사용한다.우선 Piranha solution(황산(H2SO4)과 과산화수소수(H2O2)를 적정비율로 섞어 사용(대체로 4:1))으로 wafer 표면의 유기물과 큰 먼지들을 제거한다. 다음으로 불산(HF)를 DI water에 1:10 혹은 1:100으로 희석한 DHF solution을 사용하는데 이 용액은 waferw)로 wafer 표면의 particle를 제거한다.▶DI water - 이온, 입자, 박테리아와 같은 오염 물질을 제거하는 순수한 물로 이론적으로 순수한 물의 저항은 25℃에서 18.3 Mohm-cm이다. 일반적인 Di water system은 0.25um보다 큰 입자가 없고, 밀리미터 당 박테리아 수가 1.2보다 적으면서 저항이 18 Mohm-cm이 되어야 한다▶wafer cleaning 공정시 일반적으로 사용하는 chemical complex의 종류 및 명칭removing particles : APM(Ammonia peroxide mixture) NH4OH/H2O2/H2O(DI) complexremoving organics : SPM(Surfuric acid peroxide mixture) H2SO4/H2O2/H2O(DI) complexremoving metal particles : HPM(Hydrochloric acid and peroxide mixture)HCl/H2O2/H2O(DI) complexremoving natural oxide and light metal : DHF(Diluted HF) HF/H2O(DI) complex② barrier layer formation실리콘 wafer에 장벽층으로 사용할 물질들을 도포하는데 장벽 부분에 Si3N4, 다결정 Si, 금속을 사용가능하며 일반적으로 SiO2를 이용한다. 초기 실리콘 웨이퍼는 금속성 회색을 띠나 여기에 실리콘 산화막 층이 형성되면 표면은 실리콘 산화막 층 두께에 따라 다른 색깔을 띠게 된다. 공정을 다 마친 웨이퍼의 경우는 부위별로 다양하게 두께가 달라지는데 각각의 영역이 다른 색깔을 띠게 된다.③ Photoresist applicationHMDS coating과 Photo Resist coating을 한다. 우선 wafer 표면(특히 산화막)과 Photo Resist간의 접착력을 증가시키기 위해 진공상태에서 HMDS를 N2 가압식으로 분사하여 처리하는 HMDS코팅을 한다. 이 wafer 전체를 도포시킨 후 일정온도에서 baking하여 PR의 용제(solvent)를 기화·제거시켜 단단하게 만드는 과정을 말한다.▶Photo Resist coating에 영향을 주는 요인 : 점성계수, 다중체 함량, 스핀속도 및 가속, 표면 청결도▶Photo Resist - 특정 파장대의 빛을 받으면 노광(photo exposure) 반응을 하는 일종의 감광 고분자 화합물(photosensitive polymer)이다. Photo Resist의 일정 부분이 노광 되었을 때 노광된 부분의 polymer 사슬이 끊어지거나 혹은 더 강하게 결합하는 것을 의미한다. 일반적으로 노광된 부분의 polymer 결합사슬이 끊어지는 PR을 positive PR이라 하며 그 반대의 경우를 negative PR이라 한다.NegativePositiveResolution1㎛ 이상1㎛ 이하도 가능Stepcoverage1.5㎛ 이상의 두께 사용 안됨(점성도가 높음)2~3㎛ 두께에서도 사용 가능(묽음)Image tone노광된 부분이 고분자화되어 현상액에 녹지 않음노광된 부분이 광변성을 통해 용해도 증가현상액에 녹음sensitivity빠름비교적 느림Dry-etch 내성매우 양호양호▶Photo Resist의 구성Solvent(용제) - 감광제가 기판에 도포되어 사용될 때까지 액체 상태 유지Polymer(다중체) - 결합체로 사용되어 막의 기계적 성질(두께, 유동성, 접착도, 열에 의한 흐름)을 결정Photoactive Agent(감응제) - 빛을 받아 광화학 반응을 일으켜서 패턴 형성에 기여④ Soft bakingPhoto Resist내의 solvent 증발시켜 감광막을 건조시키고 접착도를 향상시키며 열에 의한 annealing 효과로 응력을 완화 및 Photo Resist 고형화를 시키는 공정이다.Wafer 전면에 도포된 Photo Resist의 균일 도 유지를 위해 80~100℃의 hot plate 에서 웨이퍼에 비접촉방식(proximity)으로 열을 가해 여분의 Photo Resist를 제아도 다중화를 일으킬 수 있다.⑤ Mask Alignment and ExposureMask Alignment는 Wafer 위에 Photo Resist를 도포한 후 Photo Mask의 패턴을 Wafer 위에 전사하는 것이다. 이때 Mask Aligner(MA)를 사용하는데 미세회로 형상의 위치를 정밀하게 제어하는 것으로 매우 중요하다. 이후에 Exposure를 한다. Exposure(노광)이란 photo mask를 통해 자외선 영역의 빛을 조사함으로서 mask상에 형성된 미세회로 형상(pattern)을 coating된 Photo Resist에 전사하는 과정을 말한다. Mask의 pattern은 얇은 Cr 막으로 형성되어 있으며 Cr pattern 위에 조사된 빛은 반사되어 PR을 감광시키지 못하며 Cr이 없는 부분은 투과하여 Photo Resist을 감광시킴으로서 coating된 PR에 미세회로 형상을 전사시킨다.Photo Resist의 종류에 따라 mask 또한 negative 혹은 positive로 분류되며 positive Photo Resist에 positive mask를 사용하거나 negative Photo Resist에 negative mask를 사용하면 Photo Resist에는 원상(original image)이 형성되고 그 외의 경우에는 역상(reverse image)이 형성된다.▶Exposure(노광)의 세가지 유형Contact Printing : wafer가 물리적으로 photo mask와 접해있어서 매우 고해상도가 가능하다(1-micron features in 0.5 microns of positive resist). 그러나 파편이 문제가 되는데 photo resist와 mask 사이에서 결함이 생길 수 있다.Proximity Printing : Contact Printing과 비슷하나 10~25 micron의 갭이 wafer와 mask 사이에 존재한다. damage를 최소화 시킬 수 있으며 해상도는 2~4 micron를 지닌다.Projec 고해상도를 얻기 위해 작은 부위의 mask만 이미지화 된다. 이 작은 이미지 부분이 wafer에 scan되고 단계별로 계속 되어서 step-and-repeat system이라고도 한다. 해상도는 1-micron까지 가능하다.▶노광기 종류 세가지AlignerStepperScannerField SizeWafer size22(15)×22(15)cm26(25)×33mmMask Size6~7 in5~6 in6 inMag.1 : 15 : 14 : 1Feature한번에 노광함으로Throughput이 많다노광영역이 커서 균일하지 못하다Field영역 한정으로 균일성 향상Mask의 errror factor가 1/5가 됨Field내 Slit을 이용하여 노광함으로 균일성 더 향상Chip size의 대형화에 대응하는 Large Field 구성가능⑥ Development우선 Development하기 전에 PEB(post exposure baking)를 실시한다. 노광시에 빛의 반사 및 간섭으로 발생되는 정재파(standing wave) 현상 발생으로 노광부와 비노광부의 열확산을 CD(Critical Dimension) 균일도를 향상하기 위해 hot plate에 웨이퍼를 100~120℃로 굽는다. 다음에 실시하는 Development(현상)이란 노광 과정을 통해 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 Photo Resist을 용제를 사용하여 녹여내는 과정을 말하며 이러한 과정을 통해 형성된 Photo Resist의 형상을 Photo Resist pattern이라 한다.Positive Photo Resist의 경우 감광 작용에 의해 풀어진 고분자 사슬 부분이, Negative Photo Resist의 경우 감광 작용에 의해 결합이 강해진 부분에 비해 상대적으로 결합이 약한 부분(노광되지 않은 부분)이 녹아 없어진다(오른쪽 그림을 확인하면 높은 노광에너지에서 Positive가 낮은 에너지에서 Negative Resist가 남는 것을 알 수 있다.). 현상액으로는 크게 염기성의 수용액과 so한다.

공학/기술| 2011.12.20| 5페이지| 1,000원| 조회(836)

공정, 반도체 공정, lithography, Photo Lithography, Resolution

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Energy Harvesting Technology

Piezoelectric Energy Generation Technology1) Energy harvesting technology의 정의에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에서 버려지는 에너지를 우리가 쓸 수 있는 전기에너지로 변환하여 이용하는 것으로써, 전자제품이나 여러 기기들의 에너지 효율을 크게 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라 궁극적으로는 추가적인 에너지 공급 없이 주변의 에너지를 이용하여 독립적으로(Stand-alone) 구동이 가능하도록 하는 기술이다. 최근에는 태양광을 이용한 '태양광발전'과 온도차를 이용해 전기 에너지를 얻는 '열전발전'이나 주변의 진동이나 충격 등 운동 에너지로부터 전기 에너지를 얻는 '압전발전'도 각광받고 있다.2) Piezoelectric Effect(압전 효과)란?압전 직접효과라고 하는 것은 압전 소자에 외부 응력, 진동변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며, 또 역압전 효과라고 하는 것은 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말하며, 공학 분야에서는 엄밀하게 구별하지는 않으며 묶어서 압전 효과라고 부르고 있다.그림 1은 압전 직접효과를 설명하고 있다. (a)그림은 압전 소자에 외부 응력이 주어져 있지 않으므로 이 상태에서는 출력 전압 e [V]는 발생하지 않는다. 그러나 그림(b)와 같이 F 인 압축력을 주면 위쪽의 전극에 플러스, 아래쪽의 전극에 마이너스의 전압이 발생하고 소자의 두께는의 관계가 된다. 또 (c)그림과 같이 F 인 신장력을 주면 이번에는 위쪽의 전극에 마이너스, 아래쪽의 전극에 플러스의 전압이 발생하며, 이 때 소자의 두께는의 관계가 되어 앞의 경우와 반대로 된다.그림 1 압전 직접효과그림 2는 역 압전효과를 설명하기 위한 원리도이며, 여기서는 직류전압과 교류전압을 인가한 경우의 기본 동작을 각각 나타내고 있다. (a)그림은 압전 소자에 외부로부터 구동 전압이 인가되어 있지 않으므로 이 상태에서는 전혀 변위를 나타내지 않는다. 다음 (b)그림은염 티탄산염 세라믹 / 연성재료 [Pb(Ti,Zr)O3]일반적으로 이것이 소위 "PZT"라고 불리는 것이다. 이것은 강유전체의 납 지르콘산염(PbZrO3)과 비-강유전체의 납 티타늄(PbTiO3)의 합금이다. 이것은 세라믹으로 구워지기가 쉽다. 일반적으로, 연성 재료의 기계적 Q는 낮으며, 압전부하와 전압상수가 고 절연 상수에서 높은 재료 그룹이다.② 납 지르콘산염 티탄산염 / HARD MATERIALS [Pb(Ti,Zr)O3]일반적으로, 기계적 Q가 높고 탄성손실이 작기 때문에, 발열 등의 손실은 전기적으로 높은 전원을 지닌 전동장치와 관련한 PZT의 강성 재질이 부족한 재료그룹이다.③ LEAD TITANATE CERAMICS [PbTiO3]큐리 온도가 높고 전압을 위한 높은 저항을 지닌 재료이다. 명확한 축선안에서 견고성으로 위한 다른 방향이 있기 위하여 단순한 진동의 성분에는 얻을 수 있는 재질이다.④ LEAD METANIOBATE CERAMICS [PbNb2O6]큐리온도가 높고 다른 방향의 극축에서 사프트방향에 재료이다. 매우 낮은 기계적 Q와 자기 폐기로 인하여 초음파 전송과 수신사용에서 속도감있는 감쇄를 만들기 위한 사용에 적합하다.4) 압전 에너지 하베스팅의 원리Piezoelectric Energy Harvesting은 기본적으로 압전소자에 가해지는 외부충격이나 전계 인가에 의한 진동에 의해서 압전소자에 전원을 발생시켜 압전소자에 접속된 축전지를 통해서 super-capacitor 등의 전원에 충전하는 방식이다. 자세히 보면 다음과 같다.1. 기본적으로 외부의 기계적 에너지를 압전 재료에 전달하는 단계2. 전달된 기계적 에너지를 압전 재료를 이용하여 전기 에너지로 변환하는 단계3. 변환된 에너지를 전기적인 회로를 통하여 Super-capacitor나 2차 전지에 축전하는 단계그림 3 압전 에너지 하베스터 3단계 에너지 변환 및 에너지 Coupling.5) 압전 에너지 하베스팅시 효과적인 에너지 변환에 필요조건① 기계적인 에너지 → 전기적 에너지로 , 이는 에너지 하베스터에 사용되는 압전재료의 물성과 관련이 깊다. 그림 3의 2단계에서 얘기하는 Mechanical to Electrical coupling은 압전 재료의 에너지 변환 효율을 나타내는 전기-기계결합 계수를 의미한다고 볼 수 있다. 즉 압전 하베스터의 에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 하베스터에 사용되는 재료 자체의 에너지 변환효율을 높이는 것이 필요하며, 하베스터에 적합한 압전 재료를 개발하는 것이 필요하다.③ 생성된 전기 에너지 → 외부회로에 효율적으로 전달Electrical to Electrical coupling이 필요하다. 교류형태로 발생된 전기 에너지를 이용하거나 충전하기위해서는 정류회로를 이용하여 직류로 변환하기는 것이 필요한데, 이때 정류회류를 지나면서 생기는 에너지 손실을 최소화하는 것이 필요하며, 이를 위해서는 저손실 정류회로에 대한 연구 또한 이루어져야 된다. 뿐만 아니라 회로와 압전체 사이의 Impedance matching 통해 회로와 압전체 사이의 Impedance 불일치에서 오는 에너지 손실을 최소화할 필요가 있다.♨ 현재까지의 연구들을 종합적으로 살펴보면, 위의 3단계와 관련된 분야, 즉 기계, 재료, 전기회로의 융합적인 형태로 연구가 이루어지고 있으며, 에너지 하베스터의 변환효율을 최대화하기 위해서는 위의 어느 한 단계의 연구가 필요한 것이 아니라 각 단계별 에너지 효율을 최대화 시켜야 된다. 즉, 3단계의 총체적이고 융합적인 연구를 통해서만이 높은 에너지 변환 효율을 가지는 에너지 하베스터를 개발할 수 있다.6) Micro scale 압전 에너지 발전 동향압전 에너지 하베스터에서 최대 에너지를 얻기 위해서는 에너지 하베스터가 주변 진동과 공진을 이루어야 한다. 그리고 우리 주변에 얻을 수 있는 대부분의 진동 에너지들의 주파수는 200 Hz 이하가 거의 대부분이다. 그러나 Micro-scale 압전 에너지 하베스터의 경우, 아래의 캔틸레버의 고유진동수를 나타낸 식 (1)에서 알 수 있는 것처럼, 캔틸레버의 고유진식 (2)에서와 같이 에너지 하베스터의 출력이 압전 상수 d에 하고, 3d₃₁ ? d₃₃ < d₁5 인 관계임을 볼 때, d31 모드를 사용하는 일반적인 캔틸레버나, d33모드를 사용하는 IDT 타입의 에너지 하베스터에 비해서 더 큰 출력을 나타내었다.그림 4 Spiral 형태의 MEMS 압전 에너지 하베스터② Frequency pumping주변 진동과 Micro-scale 압전 에너지 하베스터의 고유 진동수를 Tuning하기 위한 또 다른 방법이다. 그림 5에 나타낸 것처럼 빗 형태의 구조물을 이용하여, 직접적으로 타격을 하거나 자석을 이용하여 진동을 전달함으로써,구조물의 가지의 갯수배 만큼 진동을 Pumping 시킬 수가 있다. 이 경우 에너지 하베스터의 출력(P)이 진동수(f)에도 비례하기 때문에 에너지 하베스터의 출력 또한 향상시킬 수 있다.그림 5Frequency pumping7) 나노선 에너지 하베스팅 기술 개발 동향압전 소재를 활용한 에너지 하베스팅 기술이 발전함에 따라 위와같이 Micro Scale의 압전 발전장치가 나오고 있지만 부피가 커서 작은 힘이나 진동에는 반응성이 매우 낮아 응용범위가 상대적으로 매우 제한적이다. 그러나 1차원 나노선 구조의 에너지 하베스팅 소자는 압전효율이 높고 아주 미세한 압력과 진동에도 반응하기 때문에 응용가능성이 매우 높은 장점이 있지만, 발전 출력이 낮아 주전원으로 사용하기 어려운 한계를 가지고 있다. 또한 세라믹 소재가 가지는 고유한 결정성으로 인하여 나노선의 기판 상 성장 기술 (On wafer)의 제어가 어려운 단점을 가지고 있다. 20세기 후반 들어 전 세계적인 반도체 산업의 활성화와 더불어 반도체 소재의 개발에 관한 연구가 많이 이루어지면서 산화아연 (ZnO)과 같은 압전성과 반도성을 동시에 가지는 소재의 나노선 개발연구가 밀레니엄 시대에 접어들면서 왕성한 연구가 이루어지고 있다.Wurtzite 구조를 가지는 ZnO는 II-VI화합물 반도체로서 3.37 eV의 비교적 큰 밴드갭과 60meV의 큰 엑시톤 뀌게 된다. 이 때 정방향 바이어스 (Forward bias) 발생 시 압전효과에 의한 발전 현상이 발생하게 된다. 이로부터 나노선의 전극과의 계면구조로부터 Schottky 접합 특성을 향상시키려는 연구가 지속적 로 이루어지고 있으며 Zigzag 전극구조, 엠보싱 구조, 탄소나노튜브를 활용한 전극구조, 그래핀 등 다양한 전극구조의 개발에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.그림 6 ZnO 나노선에 의한 전류발생 메커니즘이러한 나노선 기반의 압전 발전기에 관한 최근의 연구는 대부분 ZnO를 이용하고 있지만, 반도체 산화물인 ZnO (압전전하상수 d=~12 pC/N)의 압전특성은 매우 낮아 고출력을 위한 압전 나노선 에너지 하베스팅을 위해서는 보다 높은 압전특성을 가지는 나노선 구조의 새로운 압전소재의 개발이 필요하며 수년 전부터 미국에서는 BaTiO3 나노선 소재의에너지 하베스팅 기술 개발 연구가 시작되었으며 Bi,(Na,K)TiO3, PVDF 압전소재를 비롯한 다양한 압전나노선 기반 소재개발에 관한 연구가 한창이다.BaTiO3 나노와이어를 이용하여 나노스케일의 센서에 전원 공급을 위한 압전 나노발전기를 제작하는 방법 중에 최근에 나온 것은 PVDF를 이용하여 각종 의류나 직류에 포함될 수 있는 섬유 나노발전기를 생산한 것이다. 이 압전 나노섬유들은 의류 형태로 제작되어 기계적 힘에 의한 변형을 통해 전기 에너지로 전화되어 소형 전자기기에 전력을 제공할 수 있다. 이들 나노크기의 발전기들은 미활용 되고 있는 신체의 미세한 움직임만으로도 간단한 전자기기를 구동할 수 있으며 이들 나노섬유들은 유기물질로부터 제작이 가능하여 낮은 단가로 제작이 가능하기 때문에 경제적일 뿐만 아니라 유연하기 때문에 더욱 가치가 있다.8) Piezoelectric Energy Generation Harvesting을 이용한 응용①TAS(Tunnel Advertisement System)로의 응용Piezoelectric Energy Generation Harvesting을 어떻게 이용할까 있다.

공학/기술| 2011.12.20| 9페이지| 1,000원| 조회(387)

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