KR100597067B1 - 탐침 팁에의 나노물질 조립장치 및 이 장치가 적용된주사탐침 현미경 - Google Patents

탐침 팁에의 나노물질 조립장치 및 이 장치가 적용된주사탐침 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 물질을 원하는 탐침에 부착시키는 조립장치에 관한 것이다.
본 발명의 나노 물질 조립장치(100)에서는, 전극(120) 위에 다양한 형태의 나노 물질이 함유된 용액(300)을 적가한 후, 전원부(150)로부터 DC 혹은 AC의 전압을 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에 인가한다. 전압이 인가된 탐침(11)과 전극(120) 사이에는 전기장이 형성되게 된다. 이러한 전기장이 형성되면 전기화학적 특성에 의해 탐침(11)과 전극(120) 사이에 놓여진 용액(300) 안의 나노 물질은 전기장의 세기가 큰 곳으로 혹은 나노 물질의 대전된 전하와 반대극성을 가진 전극으로 끌려가서 부착된다.
특히, 이러한 나노 물질이 조립된 탐침을 원자력간 현미경(Atomic Force Microscope) 등에 적용하면 특별한 구조적, 전기적, 화학적 신호를 검출하는 데 활용할 수 있다.
AFM, 탐침, 나노 튜브, 조립장치, 전극

Description

탐침 팁에의 나노물질 조립장치 및 이 장치가 적용된 주사탐침 현미경{Device for Assembling Nano Material on Probe Tips and Scanning Probe Microscope Employed Therefor}
도 1은 일반적인 원자간력 현미경(AFM)의 구조도이다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 탐침 팁에의 나노물질 조립장치에 대한 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 탐침 팁에의 나노물질 조립장치에 대한 구성도이다.
도 3a는 여러개의 탐침을 동시에 장착할 수 있는 본 발명의 제3실시예에 따른 나노 물질 조립장치에 대한 구성도이고, 도 3b는 도 3a의 "A"부 확대도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 여러 가지 나노 물질들을 도시한 도면이다.
도 5a는 나노 물질 조립장치의 탐침 팀과 시료의 일부 확대도이고, 도 5b는 도 5a의 탐침 팁과 시료 사이의 간격에 따른 힘을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 조립장치에 의해 나노 튜브를 탐침 팁에 조립한 모습을 도시한 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 .... AFM 11 .... 탐침(Probe)
11a ... 탐침 팁(Tip) 12 .... 캔틸레버(Cantilever)
14 .... 시료 15 .... 스테이지(Stage)
100, 200 ... 조립장치 110, 210 ... 고정부
120, 220 ... 전극 130, 230 ... 이동스테이지
150, 250 ... 전원부 300 .... 용액
본 발명은 나노 물질을 원하는 탐침 팁 상에 조립시키는 장치 및 이 장치가 적용된 주사탐침 현미경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탐침 팁에 전압을 인가하여 탐침 팁에 다양한 나노물질을 부착시키는 조립장치 및 이 장치가 적용된 주사탐침 현미경에 관한 것이다.
얼마 전까지만 해도 원자 또는 분자 단위의 나노(nm)단위 차원의 세계는 너무나 미세하여 아무리 해상도가 높은 현미경으로도 볼 수 없는 미지의 영역이었다. 그러나, 1980년 대에 주사탐침 현미경(Scanning Probe Microscope; 이하, `SPM'라 한다)이 발명됨으로써 드디어 나노 세계의 구조를 확인할 수 있는 계기가 마련되었다. 주사탐침 현미경과 같은 원자현미경의 효시는 주사터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscope; STM)이며, 이외에도 분자나 원자 수준의 거동이나 형상, 물리적 특성을 측정, 관찰하기 위한 유사한 장치들로서 CFM(Chemical Force Microscope), LFM(Lateral Force Microscope), SNOM(Scannoing Near-Field Microscope), SCM(Scanning Capacitance Microscope), DPN(Dip pen nanolithograph) 등이 있다. 현재 계속적으로 새로운 특징을 가진 SPM이 개발되고 있지만, 가장 널리 쓰이는 원자현미경으로는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope; 이하, `AFM'라 한다)이 있다.
상기 AFM은 기본적인 연구용 장비로서 나노미터(nm) 단위의 측정 또는 관찰을 위해 사용되기도 하지만, 나노 단위에서의 생산을 위한 공정 장비에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 AFM을 이용한 데이타 저장(Data Storage), SPL(Scanning Probe Lithography), DPT(Dip Pen Technology)와 같은 다양한 분야의 기술에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 AFM의 구조를 나타내고 있다. AFM(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(Cantilever, 12)라고 불리우는 작은 막대(100㎛×10㎛×1㎛) 끝에 피라미드 형상의 뾰족한 탐침(11) 팁(11a)이 형성되어 있다. 이들은 마이크로머시닝(Micromachining)으로 만들어진다. 상기 팁(11a)을 시료(14) 표면에 근접시키면, 팁(11a)과 시료(14) 표면의 원자들 사이에는 상호 작용력(척력 또는 인력)이 발생하게 된다. 이러한 작용력은 주로 반데르발스 힘(Van Der Waals Force)이며, 그 크기는 나노 뉴턴(Nano Newton)(10-9N) 이하 정도이다. 상기 작용력에 의해 캔틸레버(12)는 휘어지거나 공명진동수에 변화가 있게 된다. 이러한 캔틸레버(12)의 휘어짐과 공명진동수의 변화를 측정하여 시료(14)의 기하학적 형태를 결정할 수 있다. 그리고, 캔틸레버(12)의 휘어짐과 공명진동수의 변화는 레이저(16)와 포토다이오드(Photodiode, 18)를 이용하여 측정한다. 이때, 측정을 지속적으로 표면에 대해 유지하기 위해 피드백 제어부(Feedback Controller, 17)를 이용하여 제어한다. 따라서, 캔틸레버(12)가 달린 스테이지(Stage, 15)는 측정시료(14)와 탐침 팁(11a) 사이의 간격을 일정하게 유지하면서 캔틸레버(12)의 휘는 정도를 계속해서 측정하게 된다. 이렇게 얻어진 결과를 분석하면, X-Y스캔 제어부(13)에 의해 스테이지(15)가 이동됨에 따라 시료(14)의 표면 정보를 디스플레이(Display, 19)에 나타낼 수 있다.
이와 같은 AFM(10)은 SPM의 일종이며, 대부분의 SPM의 공통적인 특징은 미세한 탐침을 이용한다는 데 있다. 이러한 탐침은 각각 형상이나 물리적 특성이 다르지만, 끝단이 상대적으로 뾰족해서 분자 수준 이하의 측정이 가능하도록 제작되어진다.
또한, 이러한 미세 탐침은 그 자체적인 구조로 데이터 저장장치나 바이오 칩(Bio Chip) 등에 활용되기도 한다. 데이터 저장장치로는 IBM사(社)의 Millepede 모델에서 사용되고 있는 AFM 팁과 같이, 끝단이 뾰족한 구조의 팁이 캔틸레버 단부에 형성되는 구조이다. 이러한 캔틸레버 팁 상에는 전열장치를 부가하여 온도를 조정함으로써 기록 기판상에 정보를 기록하는 장치가 된다. 이러한 장치에서 캔틸레버의 끝단에 카본나노튜브와 같은 우수한 물성을 갖는 나노 물질을 부착하게 되면 보다 기록 성능이 향상되고, 사용가능 시간을 연장할 수 있는 장점이 있으므로 이에 대한 연구가 진행되고 있는 것이며, 바이오 칩이나 화학센서(Chemical Sensor)들은 대부분 캔틸레버의 구조를 가지고 그 끝단에 원하는 나노 물질을 부가함으로써 대상이 되는 시료의 화학적, 물리적 상태를 검출하는데 활용된다.
그러나, 현재까지 개발된 기술로는 미세한 나노 물질을 미세 탐침의 일정 부 분에 구동기를 이용하여 부착하는 방식을 사용함으로써, 매우 시간 소모적이고, 값비싼 장치를 필요로 하며, 대량생산이 거의 불가능하다. 예를 들어, 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 안에 다축의 이송대(Manipulator)를 두고, 상기 이송대(Manipulator)의 구동부 끝단마다 AFM 팁을 부착하여 이 AFM 팁 끝을 이용해 나노 물질을 이동시켜 원하는 탐침부위에 부착하는 기술을 사용하여 왔다. 그러나, 이 방법은 나노 물질을 적용하는데 환경적인 제한이 있을 뿐아니라, 나노 물질의 형상이나 구조적 특징에 따라서도 제한적으로 적용이 가능하다. 또한, 한개의 나노 물질이 아닌 일정한 양을 부착하려고 할 때에는 거의 불가능한 방법이라고 할 수 있다. 따라서, 이러한 기존의 기술의 한계를 극복하고, 여하한 환경에서도 미세 탐침의 끝단에 원하는 나노 물질을 부착할 수 있는 장치는, 향후 나노 기술의 발전과 여러 나노 관련 제품을 조기에 상용화 하는데 매우 중요한 의미를 가진다고 할 수 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술과는 달리, 전기화학적 방법을 이용하여 원하는 다양한 나노 물질을 탐침에 부착하는 새로운 형태의 나노 물질 조립장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 동시에 여러 개의 탐침에 다양한 나노 물질을 부착할 수 있는 나노 물질 조립장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 그러한 조립장치가 적용된 주사탐침 현미경을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탐침(11)의 한쪽 끝을 고정하는 고정부(110)와; 상기 탐침의 팁(11a)과 일정한 거리를 두고 배치된 전극(120)과; 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(130)과; 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(140); 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에 나노물질을 함유한 용액(300)을 주사하기 위한 수단; 그리고 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(150)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정부(110)는 탐침(11)을 제외하고 전부를 절연체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극(120)은, 전극 고정부(122)에 탈부착이 가능하도록 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이동수단(130)에는 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 조절하기 위하여 스케일(Scale)이 부착되어 있는 마이크로 메타(Micrometer)가 설치되는 이동스테이지(Movable Stage)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이동수단(130)에는, 상기 고정부(110)나 전극고정부(122)를 이동시키기 위한 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것을 특징으로 하는 탐침 팁에의 나노 물질 조립장치.
또한, 상기 계측수단(140)은, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 변위값을 측정하기 위하여 상기 탐침 팁과 전극 사이의 접촉된 위치 또는 1㎛ 이하의 위치를 상기 팁과 전극 사이의 거리의 기준점으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계측수단은, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 화상으로 측정하기 위한 카메라(142)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 탐침에의 나노 물질 조립장치는, 고정베이스(218) 위에 설치되되, 중앙부는 고정베이스(218)와 힌지결합(214)되고, 일단부에는 스프링(216)이 장착되며, 타단부에는 고정베이스(218)에 삽입되는 탐침(11)을 가압하기 위한 핀(212)이 탈착 가능하도록 설치되어 다수의 탐침(11)의 한쪽 끝을 고정하는 다수의 고정부(210)와; 상기 각 탐침의 팁(11a)과 일정한 거리를 두고 배치된 각각의 전극(220)과; 상기 탐침의 팁과 상기 전극(220) 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(230)과; 상기 탐침의 팁과 상기 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(240); 그리고 상기 탐침과 상기 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(250)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 주사탐침 현미경은, 상기한 조립장치를 포함한 주사탐침 현미경에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노물질 조립장치에 대한 구성도이다. 상기 제1실시예에 따른 조립장치(100)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 탐침(11)을 고정하는 고정부(110)와, 상기 탐침(11)과 일정한 거리를 두고 배치된 전극(120)과, 상기 탐침과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(130)과, 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(140) 및 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(150)를 포함하여 구성된다.
본 발명에서 사용되는 탐침(11)은 뾰족한 팁(11a)을 형성한 기존의 탐침을 이용한다. 이러한 탐침(11)은 전도성을 갖고 있으며, 탐침의 한쪽 끝은 상기 고정부(110)에 장착된다.
상기 전극(120)은 전도체이면 무방하고, 특별히 그 형상은 한정되지 않는다. 상기 전극(120)은 탐침(11)의 팁(11a)과 서로 마주보고 위치하며, 전극 고정부(122)에 설치될 수 있으며, 전극(120)은 필요에 따라 전극 고정부(122)에 탈부착이 가능하도록 설치된다.
상기 고정부(110)는 조립장치(100)의 효율성을 높이고 기존의 기능과 상충되거나 영향을 주지 않기 위해 탐침(11)을 고정하는 부분의 일부 또는 탐침 고정부와 연결된 부분의 일부 또는 전부가 절연특성을 가진 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 이를 통하여 기존의 SPM장치의 활용도를 넓힐 수 있어 나노 물질의 조립과 관련된 나노 기술을 개발하는 도구로서 이용될 수 있다.
상기 계측수단(140)은, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 변위값을 측정하는 검출회로를 부착하여 상기 탐침 팁과 전극 사이의 접촉된 위치 또는 최대한 근접된 위치, 예컨대 1㎛ 이하 정도의 위치를 상기 팁과 전극 사이의 거리의 기준점으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 검출회로는 반복적인 위치 조절을 위해 탐침의 팁과 전극이 접촉되는 위치를 알기 위해서 일반적으로 SPM에 사용되는 터널링 전류(Tunneling Current), 반데르발스 힘, 커패시턴스(Capacitance), 온도와 같은 변위량을 이용해 탐침의 팁과 전극을 최대한 접근시킬 수 있다.
또한, 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에는 나노 물질을 함유한 용액을 주사 하기 위한 수단이 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 나노 물질 조립장치에서는 상기 계측수단으로서 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 화상으로 측정하기 위한 카메라(142)일 수 있다.
상기 이동수단(130)은 고정부(110)와 연결되어 상기 고정부(110)가 이동수단(130)을 따라 슬라이딩(Sliding)되도록 구성된다. 상기 팁(11)과 전극(120) 사이의 위치를 조절하기 위한 이동수단(130)에는 스케일(Scale)이 부착되어 있는 마이크로 메타(Micrometer, 미도시)가 설치된 이동스테이지(Movable Stage)일 수 있다. 또한, 상기 이동수단(130)에는 상기 팁(11)이나 전극(120) 중 적어도 하나를 이송할 수 있는 구동수단(미도시), 예컨대 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 나노 물질 조립장치에 대한 사시도이다. 상기 제3실시예는 탐침(11)을 다중으로 장착할 수 있는 나노물질 조립장치(200)이다. 이 조립장치(200)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 각 탐침(11)의 한쪽 끝을 고정하는 다수개의 고정부(210)와, 각 탐침의 팁(11a)과 일정한 거리를 두고 배치된 전극(220)과, 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(230)과, 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(240) 및 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(250)를 포함하여 구성된다.
상기 고정부(210)는, 한쪽 끝에 스프링(216)이 장착되고, 다른 쪽 끝에는 고 정베이스(218)에 삽입되는 탐침(11)을 가압하기 위한 핀(212)이 탈착 가능하도록 설치되며, 중간에 고정베이스(218)와 힌지결합(214)되어 있다. 이 고정부(210)는 고정베이스(218) 위에 설치될 수 있다. 상기 고정베이스(218)의 다수개의 홈에 각각 탐침(11)이 삽입된다. 상기 고정부(210)는 힌지결합되어 있기 때문에 한쪽의 스프링(216)에 반발력에 의해 각 탐침(11)은 핀(212)에 의해 눌리면서 고정부 베이스(218)에 고정된다.
앞의 제1, 제2실시예와는 달리 상기 제3실시예의 조립장치(200)는, 기본적으로 탐침의 고정부(210)가 각 탐침(11)을 다중으로 부착할 수 있다.
상기 전극(220)들은 도 3b에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(222)의 미세한 패턴(Pattern)으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이동수단(230)에는, 상기 전극(220)을 이동시키기 위한 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것이 바람직하다.
이러한 제3실시예에 따른 나노 물질 조립장치는 제조 비용을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 탐침에 나노 물질을 조립장치의 작용 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4에 본 발명의 조립장치에 적용 가능한 대표적인 나노 물질들을 도시하였다. 이러한 나노 물질들은 크게 무기물과 유기물로 나눌 수 있으며, 대개 그 크기가 1㎛ 이하의 크기를 갖는다. 무기물의 대표적인 나노 물질로는 나노 탄소, 나노 보론, 펩타이트(Petide) 등을 포함한 나노 튜브(Nanotube, 도 4a 참조), 벌크 볼(Buckyball, 도 4b 참조), 나노 와이어(Nanowire), 금속 콜로이달(Metal Colloid), 금속분말(Metal Powder), 광결정(Photonic Crystal), 나노 입자(Nano Particles) 등과 같은 볼형태(도 4c 참조)가 있으며, 유기물의 대표적인 나노 물질로는 DNA(도 4d 참조), 단백질(Protein) 등이 있다. 이와 같은 나노 물질은 그 자체적으로 전도성이나 비전도성, 혹은 유전 특성(Dielectricity) 여부에 관계없이 탐침과 전극 사이에 가해지는 전압에 의해 한쪽 또는 양쪽 방향으로 끌려오게 된다.
본 발명에 따른 조립장치에서 상기한 나노 물질이 탐침에 부착되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 2a에 도시된 조립장치(100)에서 전극(120) 위에 상기한 나노 물질이 함유된 용액(300)을 적가한 후, 전원부(150)로부터 DC 혹은 AC의 전압을 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에 인가하면, 탐침(11)과 전극(120) 사이에 전기장이 형성되게 된다. 이러한 전기장이 형성되면 전기화학적 특성에 의해 탐침과 전극 사이에 놓여진 용액 안의 나노 물질은 전기장의 세기가 큰 곳으로 혹은 나노 물질의 대전된 전하와 반대극성을 가진 전극으로 끌려가게 된다. 또한, 불균일한 전기장에 놓인 나노 물질은 쌍극자 모멘트(Dipole Moment)가 발생하게 되어 전기장의 구배를 따라 비전기이동력(Dielectrophoretic Force)이 발생하게 된다.
본 발명의 조립장치에서 탐침 팁과 전극 사이에서의 접촉점을 파악하기 위해 상기 계측수단(140)을 통해 신호를 검출하는 것이 중요하다. 즉, 탐침 팁과 전극 사이의 접촉점 또는 예컨대 1㎛ 이하의 위치를 파악하여 기준점을 설정하면, 탐침 팁과 전극 사이의 거리를 매 조립마다 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 계획된 조립을 동일한 조건에서 반복적으로 수행하여 동일한 조립결과를 얻을 수 있기 때문에 조립장치의 조립 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산성을 높일 수 있다.
본 발명에서는 상기 탐침 팁과 전극 사이에 완전한 접촉 위치를 확인하기 위해서 전압, 저항, 전류 등의 변위량을 측정함으로써 접촉여부를 확인할 수 있다. 그러나, 탐침의 팁은 매우 뾰족하여 전극과 물리적으로 접촉하는 경우에 탐침 팁이 손상될 우려가 있으므로, 최대한 가까운 위치를 찾는게 중요하다. 따라서, 이를 실현하기 위해 원자간의 터널링 전류나 반 데르 발스 힘을 측정하여 접촉점에 최대한 가까이 가는 방법을 이용하면 매우 효과적이다.
도 5는 이러한 측정원리를 구체적으로 설명하기 위해 나노 물질 조립장치(100)의 탐침 팀(11a)과 시료(14)의 일부 확대한 도면이고, 도 5b는 상기 탐침 팁과 시료 사이의 간격에 따른 힘을 도시한 그래프이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 탐침 팁(11a)와 시료 용액(300)을 원자 한두개 크기의 간격으로 접근시킨 후 양단간에 적당한 전압을 걸어주면, 전자가 에너지벽을 뚫고 지나가 전류가 흐르는 양자역학적 터널링 현상이 일어난다. 그러나, 탐침 팁과 시료 간격이 멀어지면 이 전류가 급격히 줄어들게 된다. 도 5b는 상기 탐침 팁과 전극 사이의 간격에 따른 이러한 힘을 나타내고 있다. 이러한 현상을 이용하면 탐침 팁과 전극 사이의 간격을 나노미터(nm) 단위의 차원으로 근접하도록 할 수 있어 탐침 팁과 전극 사이의 간격을 재는 기준점으로 활용할 수 있다.
한편, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 재는 기준점을 측정하기 위해서 도 2와 같은 조립장치에서와 같이, 검출회로로 구성된 계측수단(140)이나 화상으로 측정하기 위한 카메라(142)를 설치하여 행할 수도 있다.
그리고, 실제 상기 탐침 팁과 전극 사이의 간격 조정은, 상기 이동스테이지(130)에 장착된 마이크로 메타(Micrometer), 정밀이송모터나 피에조 구동기(Piezo Actuator)를 통해 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 조립장치에 의해 탐침 팁에 나노 물질을 조립한 후, 조립된 탐침 팁을 도 1과 같은 AFM(10)의 켄틸레버(12)에 설치하여, 피드백 제어를 통해 시료과 일정한 거리를 유지하도록 함으로써 시료의 표면 정보를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 나노 물질이 부착된 탐침(11)을 사용하면, 기존의 측정보다 훨씬 정교한 측정이 가능하거나 특정한 물질에 반응하는 특성을 이용해 특수한 신호를 검출할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 조립장치에 의해 조립된 탐침을 사용하면, 나노미터(Nanometer)는 물론 서브 마이크로(Submicro) 정도의 크기를 갖는 표면을 정확히 해석할 수 있게 된다.
한편, 제1, 2실시예와는 달리 상기 제3실시예의 조립장치(200)는, 기본적으로 여러 개의 탐침(11) 팁(11a)에 나노 물질을 동시에 부착할 수 있다. 즉, 제3실시예의 조립장치(200)에서는, 각각의 탐침(11)을 고정부 베이스(218)의 측면에 형성된 홈에 삽입한 후, 고정부(210)의 핀(212)에 의해 각 탐침(11)을 누른 상태에서 전극(220)과 탐침(11) 사이에 나노 물질이 함유된 용액(300)을 적가하고, 상기 전극(220)과 탐침(11)에 전압을 가하면, 제1, 2실시예에서와 같이 나노 물질이 각 탐 침 팁(11a)에 부착될 수 있다.
상기한 제1, 2실시예에 따른 나노물질 조립장치들은 실제로 기존에 활용하고 있는 AFM, STM 등과 같은 주사탐침 현미경(SPM)에 부가함으로써 본 발명을 실현할 수도 있다. 예컨대, 도 1과 같은 AFM의 탐침 팁에 전도성 팁을 부착하고, 반대편 고정부에도 전극판을 올려놓은 상태에서 팁과 전극 사이의 간격은 AFM이나 STM의 원리를 이용해 조절한 후, 상기 팁과 전극 사이에 원하는 전압을 인가하고, 용액을 주사할 수 있다. 따라서, 기존의 SPM에서, 탐침의 반대편에 탈부착 가능한 전극을 추가하면, 상기 조립장치를 적용한 SPM가 얻어진다.
이하, 본 발명의 나노물질 조립장치를 이용하여 나노물질을 기존의 AFM 탐침에 부착한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
[실시예]
도 2a에서와 같은 조립장치를 이용하여 탐침 팁에 나노물질을 부착하였다. 먼저, 금속으로 코팅된 AFM의 탐침(11)을 고정부(110)에 장착한 후에, 상기 탐침 팁의 끝단에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)가 내재된 용액을 탐침과 전극 사이에 떨어뜨린 다음, 탐침과 전극 사이에 AC전압을 걸어주어 전기화학적 힘에 의해 상기 카본 나노튜브를 AFM 탐침 팁 끝단에 부착시켰다.
도 6은 그 결과를 보여준 사진이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 탐침 팁에 탄소 나노튜브가 부착된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 나노물질이 부착된 AFM 탐침의 경우 팁의 끝단이 큰 종횡비(High-aspect-ratio)를 가지기 때문에 도랑(Trench)이나 곡선(Curved) 구조의 형상을 측정하는데 유리하다. 또한, 본 발명의 조립장치 를 사용하면, 직경이 1nm 가까운 단일벽 나노튜브(Single Wall Nanotube)를 부착할 경우에는 분해능을 서브나노미터까지 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 나노 물질 조립장치에 의하면, 여러 형상의 나노 물질을 탐침의 끝단에 부착하여 탐침의 성능을 향상시키거나 새로운 기능을 부가하는 탐침을 제작할 수 있으며, 이러한 나노 물질이 조립된 특별한 탐침을 이용하면 기존의 SPM의 측정대상을 대폭 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 탐침들 자체를 이용해 물리적, 전기적, 화학적, 생물학적 신호 등을 검출하는 센서로도 활용이 가능하다.

Claims (13)

  1. 탐침(11)의 한쪽 끝을 고정하는 고정부(110)와;
    상기 탐침의 팁(11a)과 일정한 거리를 두고 배치된 전극(120)과;
    상기 탐침의 팁과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(130)과;
    상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(140);
    상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에 나노물질을 함유한 용액(300)을 주사하기 위한 수단; 그리고
    상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(150)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 탐침에의 나노 물질 조립장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정부(110)는 탐침(11)을 제외하고 전부를 절연체인 것을 특징으로 하는 탐침에의 나노 물질 조립장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극(120)은, 전극 고정부(122)에 탈부착이 가능하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 탐침에의 나노 물질 조립장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이동수단(130)에는 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 조절하기 위하여 스케일(Scale)이 부착되어 있는 마이크로 메타(Micrometer)가 설치되는 이 동스테이지(Movable Stage)인 것을 특징으로 하는 탐침 팁에의 나노 물질 조립장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이동수단(130)에는, 상기 고정부(110)나 전극고정부(122)를 이동시키기 위한 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것을 특징으로 하는 탐침 팁에의 나노 물질 조립장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 계측수단(140)은, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 변위값을 측정하기 위하여 상기 탐침 팁과 전극 사이의 접촉된 위치 또는 1㎛ 이하의 위치를 상기 팁과 전극 사이의 거리의 기준점으로 하는 것을 특징으로 하는 탐침 팁에의 나노 물질 조립장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계측수단은, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 화상으로 측정하기 위한 카메라(142)인 것을 특징으로 하는 탐침 팁에의 나노 물질 조립장치.
  8. 삭제
  9. 고정베이스(218) 위에 설치되되, 중앙부는 고정베이스(218)와 힌지결합(214)되고, 일단부에는 스프링(216)이 장착되며, 타단부에는 고정베이스(218)에 삽입되는 탐침(11)을 가압하기 위한 핀(212)이 탈착 가능하도록 설치되어 다수의 탐침(11)의 한쪽 끝을 고정하는 다수의 고정부(210)와;
    상기 각 탐침의 팁(11a)과 일정한 거리를 두고 배치된 각각의 전극(220)과;
    상기 탐침의 팁과 상기 전극(220) 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(230)과;
    상기 탐침의 팁과 상기 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(240); 그리고
    상기 탐침과 상기 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(250)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탐침에의 나노 물질 조립장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전극(220)은 인쇄회로기판(222)의 패턴(Pattern)인 것을 특징으로 하는 탐침에의 나노 물질 조립장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 이동수단(230)에는, 상기 전극(230)을 이동시키기 위한 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것을 특징으로 하는 탐침 팁에의 나노 물질 조립장치.
  13. 주사탐침 현미경에 있어서,
    제1항, 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 따른 조립장치를 포함한 것을 특징으로 하는 주사탐침 현미경.
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