KR100942506B1

KR100942506B1 - 광학적 특성을 이용한 분석용 센서를 위한 기판 제조 방법및 그 기판

Info

Publication number: KR100942506B1
Application number: KR1020070128476A
Authority: KR
Inventors: 조용진; 김철진; 김종태; 최성욱; 김재호; 김효섭; 김진호
Original assignee: 한국식품연구원
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2010-02-12
Also published as: US20130260159A1; US20100239464A1; EP2220698A4; WO2009075471A1; CN101919080B; EP2220698B1; JP5162673B2; CN101919080A; EP2220698A1; US8414965B2; KR20090061455A; JP2011506960A

Abstract

분석용 센서 기판의 제조 방법 및 그 기판이 개시된다. 본 발명에 따른 분석용 센서 기판의 제조 방법은 (a) 미리 디자인된 일정한 나노미터 수준의 크기를 가진 나노입자를 유기 기능기로 표면 개질하여 휘발성 용매에 안정성 있는 나노입자 분산용액을 제조하는 단계와, (b) 상기 나노입자 분산용액을 사용하여 랭뮤어-블로제트 방법을 기초로 유기 기능기로 표면 개질된 나노입자 단일 막을 계면에 준비하고 상기 나노입자 단일 막을 고체 기판 상에 전이시키는 단계, 및 (c) 상기 나노입자 단일막이 전이된 기판 상에 진공 증착 법을 사용하여 금속 박막을 피막하고 나노입자는 제거하거나 제거하지 않음으로써 광학적 특성을 이용한 분석용 센서로서 사용되는 나노 구조물 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 분석용 센서 기판의 제조 방법에 따르면 랭뮤어-블로제트 방법을 사용하여 10ㅧ10 ㎠ 이상의 대면적 고체 기판 상에 나노입자를 균일하게 기판위에 고정할 수 있고 이를 통하여 크기, 거리, 형상이 조절되어 재생산과 대량생산이 가능한 분석용 센서로 사용되는 나노구조물을 제조할 수 있으며, 제조된 분석용 센서로서 사용되는 나노구조물 기판을 사용하여 센서의 감도 특성을 분석한 결과 높은 감도 향상이 가능하다.

분석용, 나노구조체, 랭뮤어-블로제트, 감도, 균일

Description

광학적 특성을 이용한 분석용 센서를 위한 기판 제조 방법 및 그 기판{Substrate manufacturing method for sensor applications using optical characteristics and the substrate therefrom}

본 발명은 광학적 특성을 이용한 분석용 센서로 사용되는 기판 제조 방법 및 그 기판에 관한 것으로 더 상세하게는 랭뮤어-블로제트(Langmuir-Blodgett : LB) 방법을 사용한 분석용 센서로 사용되는 기판 제조 방법 및 그 기판에 관한 것이다.

"광학적 특성을 이용한 분석용 센서" 기판이라 함은 표면플라즈몬공명(Surface Plasmon Resonance; 이하 "SPR"이라 칭한다)용 기판, 표면강화라만산란기판, 광학 바이오센서기판, 전기화학 센서기판, 기계적 센서기판 및 SPM(Scanning Probe Microscope) 센서기판 등을 일컫는다. 이하 "분석용 센서"로 약칭한다.

그 중, 분석용 센서 칩으로 주요하게 사용되는 표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속 박막과 유전체의 계면을 따라 진행하는 전자 밀도의 진동 현상을 일컫는 용어이다. 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행되는 전자기파인 표면 플라즈몬은 파의 벡터(wave vector) 크기가 유전체 내부에서 진행되는 광의 벡터보다 크기 때문에 유전체 내부로는 전달되지 않고 표면에서만 존재한다. 그러므로 표면 플라즈몬을 여기시키기 위해서는 파 벡터를 크게 하여야 한다. 파 벡터를 크게 하는 방법으로 높은 굴절률 프리즘을 이용하는 감쇠전반사 방법이 이용된다. 프리즘과 프리즘에 입혀진 금속박막을 이용하는데 금속박막이 프리즘으로 입사하는 광자가 금속박막을 통과할 수 있도록 얇아야 한다. 프리즘에서 금속박막을 입사하는 광자는 전반사각보다 큰 각으로 입사하여야 표면 플라즈몬을 여기 할 수 있다.

전반사각으로 크게 입사한 광자는 표면 플라즈몬 공명에 의해 특정한 각에서 금속박막과 유전체 경계면에서 전부 흡수된다. 표면 플라즈몬 공명은 금속박막과 유전체 경계면에서 강한 전기장을 발생시키며 이 전기장은 표면으로만 제어되고 수직으로는 지수함수로 감쇠한다. 이때의 전기장의 세기는 표면 플라즈몬이 여기 하지 않을 때보다 십 내지 백배 정도 큰 값을 가지게 된다.

이러한 표면 플라즈몬은 금속박막과 접해있는 유전체의 모양과 굴절률에 따라 크게 달라지기 때문에 이러한 성질을 이용하여 주기적 구조를 가지는 유전체와 평탄한 금속박막의 경계면에 의한 표면 플라즈몬 밴드 갭을 연구한다. 그 응용의 예로서 회절격자를 사용하는 센서는 프리즘을 사용하는 센서에 비해 측정변수가 강성적(intensive)으로 제한되는데 이것을 보완하기 위해 회절격자 주기가 점점 커지도록 입사하는 광을 면 방향으로 이동시키면 회절격자 주기에 의해 입사각이 작아지는 것을 알 수 있다.

한편, 표면 플라즈몬 공명은 입사각에 매우 민감하여 작은 회절격자 구조에도 사용할 수 있다. 이러한 연구는 정보저장 소자나 광학현미경 등과 광학센서에 크게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1에는 일반적인 SPR 시스템의 구조를 나타내었다. 도 1을 참조하면, 표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속 박막(100) 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동 현상으로, 이에 의하여 발생한 표면 플라즈몬파는 금속 박막(100)과 이에 인접한 유전 물질(104)의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파의 일종이다. 표면 플라즈몬 공명을 위한 배열에서 금속 박막(100)과 프리즘(102)의 계면에서 에버데슨트파 파수 벡터와 표면 플라즈몬 파수 벡터가 일치하는 입사광 특정 각도에서 표면 플라즈몬 공명이 일어난다.

여기서 나노미터 두께를 가진 금속박막(100) 상에 유전물질의 두께와 특성에 따라 표면플라즈몬공명 특성이 변화되는 것을 SPR센서에 활용한다. 따라서 SPR 센서를 바이오센서로 활용하기 위하여 금속 박막에 생화학적 활성물질을 코팅하고 생화학적 특이반응이 금속 박막에서 일어나도록 유도한다. 이러한 생체물질 등이 코팅된 금속박막 기판을 SPR 센서칩(Sensor chip)이라고 한다. 이때 SPR 센서의 감도를 향상시키기 위하여 다양한 형상의 금속박막을 제조한다. 종래에는 실리카 나노입자를 고체 기판에 배열하는 방법으로 스핀코팅(Spin coating)이나 분산용액을 뿌린 후 건조시키는 드로핑(dropping)법 등을 사용하였다. 이러한 종래의 방법은 간단하게 실리카 나노입자를 고체기판 상에 배열하여 박막을 만들 수 있으나 비교적 짧은 시간 내에 대면적으로 대량생산을 하는 공정으로 사용되기 어려우며 높은 감도를 가지는 균일한 기판을 제조하기 어렵다는 문제점이 있었다.

보다 구체적으로, 스핀코팅에 의한 기판 제조시 다양한 공정조건, 예컨대, 스핀의 속도, 시간, 분산용액에 공기방울의 포함 여부 및 분산용액의 과다 등의 조 건에 따라서, 다층막 및 단일막이 생겨 불균일한 기판이 형성되어 재현성의 문제가 있을 뿐만 아니라, 입자의 크기와 용액의 점도에 따라서 실험조건을 매번 조절해야 하는 어려움이 있다.

예컨대 스핀코팅을 사용하는 한 가지 방법에 따르면, 폴리스티렌 나노구로써 스핀코팅 방법에 의해 나노구 리소그러피 마스크를 생산하였을 때 제조된 기판중 일부의 면적만이 단일막(single layer)으로 형성되고 나머지 기판은 다층막(double layer)으로 형성됨을 알 수 있어서, 대면적에 의한 대량생산을 할 수 있는 균일한 기판을 생성됨이 어려움을 알 수 있다(John C. Hulteen, David A. Treichel, Matthew T. Smith, Michelle L. Duval, Traci R. Jensen, and Richard P. Van Duyne, "Nanosphere Lithography: Size-Tunable Silver Nanoparticle and Surface Cluster-Arrays", (J. Phys. Chem. B 1999, 103. 3854-3863)).

드로핑 방법에 의한 기판제조의 경우는 스핀코팅 방법에 의한 것보다도 더욱 문제점이 많아 거의 활용되지 않고 있음을 이 분야에 속하는 통상의 지식을 가지는 자는 익히 알고 있을 것이다.

보다 효과적인 최신의 방법으로는 건조시 생성되는 자기조립법(confined convective assembly)이라 칭할 수 있는 방법이 알려져 있다(Mun Ho Kim, Sang Hyuk In, and O Ok Park, "Rapid Fabrication of Two- and Three-Dimensional Colloidal Films via Confined Covective Assembly", Adv. Funct. Mater. 2005. 15, 1329-1335). 이 방법은 일정한 간격, 예컨대 100㎛의 거리를 두고 있는 기판들 사이로 분산용액을 넣고 한쪽 고체 기판을 올리면서 그 기판위에 분산용액 입자들 의 필름을 형성하는 방법이다. 그러나 이 방법에 의하는 경우는 기판을 끌어올리는 속도, 분산용액의 농도에 따라서 필름의 두께가 조절되는데, 단일막을 만들고자 할 때 물이 증발되면서 자연적으로 생기는 힘에 의해 입자들이 필름을 형성하는 것이기 때문에 부분적으로 생기는 다층막과 공백에 대해서 조절할 수 있는 여지가 없게 된다. 따라서 이 방법에 의하는 경우도 대면적의 균일한 단일막을 대량으로 형성하는데 어려움이 있게 된다.

한편, 나노 물질을 휘발성 유기 용매에 안정되게 분산하고 얻어진 분산액으로 나노 물질로 이루어진 랭뮤어-블로제트 막을 형성시킨 후 이 LB 막의 나노 물질을 홀더에 옮겨 부착하는 나노 물질의 부착 방법이 대한민국 등록특허 제10-0597280호에 개시되어 있다. 상기 특허에서는 랭뮤어-블로제트 방법(LB 방법)을 이용하여 탄소나노튜브 LB막을 홀더에 옮겨 부착하는 방법에 의해 일반 반도체 공정으로 제작할 수 있는 탄소나노튜브가 부착된 나노 구조물을 제작하여 다양한 물리적, 화학적 및 생물학적 신호를 검출할 수 있는 SPM(Scanning Probe Microscope) 프로브의 제작을 가능케 하는 것을 내용으로 하고 있다. 랭뮤어-블로제트(LB) 막은 일정면적을 가진 수면 위에 물에 녹지 않는 물질이 액상에 분산되어 형성되는 얇은 막을 칭하는 것으로 이러한 현상은 벤자민 프랭크린(Benjamin Franklin)에 의해 처음 발견된 것이다. 그 원리는 소위 양친매성 물질이 가진 특성인 한쪽은 소수성, 한쪽은 친수성 기능기를 가지는 특성에 의해 물 표면상(물-공기 계면)에 일정한 배향으로 정렬시켜 분자수준의 얇은 막을 제조하는 것이 가능하다는 것이다. 상기 등록 특허에서는 이러한 LB 막을 이용하여 탄소 나노 튜브를 SPM 프로브에 부착하고 있다.

하지만, 상기와 같은 등록 특허에 따른 랭뮤어-블로제트를 이용한 나노 물질의 부착방법은 분석용 센서칩 제조에 응용하기 위하여 요구되는 나노구조체에 전이되는 금속 박막에 대해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다. 또한, 분석용 센서칩 제조에 응용하기 위한 나노입자를 랭뮤어-블로제트 방법을 적용시에 기판 상에 단층으로 전이시키는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 따라서, 분석용 센서칩 제조에 응용할 수 있는 금속 박막을 포함한 나노구조체 기판을 대면적으로 대량생산할 수 있는 방법에 대한 필요성이 여전히 요구된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대면적에 의한 대량생산이 가능하며 균일한 분석용 센서에 사용되는 기판 제조 방법 및 그 기판을 제공하는 것이다.

본 발명을 보다 용이하게 설명하기 위하여 본명세서 및 도면에서는 분석용 센서로서 SPR용 기판을 예로 들고 있으나, 상기한 바와 같이 표면강화 라만산란기판, 광학 바이오센서 기판, 전기화학 센서기판, 기계적 센서기판 및 SPM (Scanning Probe Microscope) 센서기판 등도 본 발명의 범위에 포함됨은 당업자에게 자명하다.

또한, LB막을 형성하기 위하여 본원에서는 실리카 입자를 예로 들고 있으나, 실리카 입자 대신 나노입자로 사용되는 반도체물질입자, 폴리스티렌 등의 고분자 물질, 각종 금속, 예컨대, 금, 은, 구리, 알루미늄 및 플라티늄, 그리고 무기재료가 사용될 수 있음도 당업자에게 자명하다.

더 나아가, 템플레이트(template)는 실리카 입자 단일막이 전이된 기판에 금속 박막이 형성된 것으로부터 실리카 입자를 제거한 것과 제거하지 아니한 것을 통칭한다.

더욱, 싸이올기(thiol)로 표면개질하였다는 표현은 실란 및 아민 등과 같은 유기 기능기도 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

마지막으로, 클로로포름은 일반 유기용매도 포함하는 의미로 이해되어야 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 분석용 센서 기판 제조 방법은 (a) 나노입자에 대하여 유기 기능기를 고정함으로써 행해지는 표면 개질에 의하여 휘발성 유기용매에 안정하게 분산되는 나노입자 분산용액을 제조하는 단계; (b) 상기 나노입자 분산용액을 사용하여 랭뮤어-블로제트 방법을 기초로 물-공기 계면에 일정한 구조를 갖추고 있는 정렬된 나노입자 단일막을 준비하고, 상기 나노입자 단일막을 기판 상에 전이시키는 단계; 및 (c) 상기 나노입자 단일막이 전이된 기판 상에 진공 증착법을 사용하여 금속 박막을 피막함으로써 나노구조물 (나노필름)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 방법은 금속박막을 피막한 후에 실리카 입자를 제거하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 위에 언급한 대로 나노입자는 일반 반도체물질입자, 폴리스티렌 등의 고분자 물질, 각종 금속, 예컨 대, 금, 은, 구리, 알루미늄 및 플라티늄, 그리고 무기재료가 사용될 수 있다. 바람직하게는 실리카 입자이다.

유기 기능기는 실란, 아민, 및 싸이올 (thiol)기이다. 바람직하게는 싸이올기 이다.

분석용 센서는 표면플라즈몬공명 센서, 표면강화 라만산란 센서, 광학 바이오센서, 전기 화학센서, 기계적 센서 및 SPM (Scanning Probe Microscope)센서 등을 일컫는다. 바람직하게는 표면플라즈몬공명 센서이다.

휘발성 유기용매는 이 분야에 속하는 통상의 지식을 가지는 자에게 일반적으로 이해되는 용매로서, 바람직하게는 클로로포름이다.

진공 증착법은 바람직하게는 전자빔 증착법이다.

상기 금속 박막은 골드 박막인 것이 바람직하다.

이렇게 나노입자를 제거하는 단계를 포함하는 나노필름은 이를 템플레이트(template)로 사용하여 예컨대, 표면플라즈몬공명 측정용 기판으로 사용될 수 있는 나노구조물(나노필름)을 제조할 수 있게 된다. 또한 실리카 입자를 제거하지 않은 나노구조물은 이를 템플레이트로 사용하여 예컨대, 표면강화라만산란기판으로 사용될 수 있다. 본 발명자들은 본 발명에 의하여 대면적, 예컨대 10x10cm², 또는 그이상의 균일한 기판을 만들 수 있음을 확인하였다.

또한, 상기 (a) 단계의 나노입자, 특히 실리카 입자는 암모니아수를 촉매로 하여 규소를 포함하는 유기물 분자인 테트라에틸오르토실리케이트 (tetraethylorthosilicate: TEOS)를 자기 조립 반응시켜 제조된 것이 바람직하다.

상기 실리카 입자를 제조하기 위한 (a) 단계는,

(a-1) 암모니아수를 촉매로 하여 규소를 포함하는 유기물 분자인 테트라에틸오르토실리케이트 (tetraethylorthosilicate: TEOS)를 자기 조립 반응시켜 실리카 입자를 제조하는 단계; 및 (a-2) 상기 (a-1) 단계에서 제조된 실리카 입자를 원심분리기에 의하여 일정크기의 입자만을 선별하는 것을 목적으로 원심 분리하여 침지시킨 후 상층액을 버리고 상전이 온도 이상의 일정 온도로 소정 시간 건조하는 단계;를 포함하여 실리카 입자를 제조하고, (a-3) EDC(1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride) / NHS(N-hydroxysuccinimide) 물질을 아미노벤조싸이올(aminobenzothiol: ABT)이라는 아민기와 싸이올 그룹을 가지고 있는 물질과 초음파를 가하면서 반응시킴으로써 ABT를 실리카 입자 표면에 고정화하여 ABT가 고정된 실리카 입자 분산 용액을 준비하는 단계; 및 (a-4) 상기 (a-3) 단계에서 ABT가 고정된 실리카 입자 분산 용액을 일정크기의 입자만을 선별하는 것을 목적으로 원심 분리 과정에 의하여 에탄올과 클로로포름으로 세척되어 랭뮤어-블로제트 공정용으로 사용되는 용액으로 제조한다.

또한, 상기 (b) 단계는 (b-1) 싸이올기를 가진 유기 분자로 표면이 개질되고 클로로포름에 분산된 일정 크기의 실리카 나노입자 분산용액을 수면 위에 살포하는 단계; (b-2) 상기 수면의 표면에 배리어(barrier)를 두어 실리카 입자를 모아 일정한 배열상태가 되도록 박막을 형성하는 단계; 및 (b-3) 박막 형태의 실리카 입자들을 구조 및 배열상태가 변하지 않도록 골드기판 위에 전이하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다. 실리카 입자를 싸이올기로 표면개질된 것은 한쪽은 소수성을 띄어, 수면 상에 살포되었을 때 균일한 막을 형성하게 된다. 이때 배리어에 가해지는 압력은 35-45 mN/m가 적합하다.

또한, 상기 (c) 단계는 (c-1) PR용 커버글라스와 같은 고체기판 상에 진공 증착 방식을 사용하여 두께별로 평평하게 골드 박막을 형성하고 이 기판 상에 실리카 입자를 전이하는 단계; (c-2) 실리카 입자가 전이된 기판 상에 소정의 두께로 골드 박막을 증착 형성함으로써 골드 실리카 구조체가 형성된 기판을 제조하는 단계; 및 (c-3) 초음파 세척기를 이용하여 실리카 입자를 제거하거나 제거하지 않는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 랭뮤어-블로제트 방법을 사용하여 10×10 ㎠ 이상의 대면적 고체기판 상에 입자간의 거리, 간격, 및 배열 등이 균일한 나노입자를 기판 상에 고정할 수 있다. 이렇게 제조된 나노필름을 분석용 센서 기판으로 사용할 수 있으며, 제조된 분석용 센서 기판을 사용하여 분석 감도 특성을 분석한 결과 높은 감도 향상이 가능함을 확인하였다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다. 첨부된 도면들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서는 표면플라즈마공명 특성을 향상시키기 위하여 SPR 센서칩 상에 실리카 입자를 배열하고 이 입자들이 SPR 감응 특성이 우수한 새로운 형상을 가진 금속박막을 제조하여 이것을 템플레이트로 활용함으로써 나노구조물을 제조하는데 사용된다.

표면플라즈몬공명 측정용 기판을 제조하는 과정에서 랭뮤어-블로제트 방법은 상기한 바와 같이, 수면 상에 외압을 주는 조건에서 수면 상에 존재하는 물질이 균일한 단층이 형성되도록 유도하는 좋은 방법으로 알려져 있다. 본 발명에 따르면 이러한 랭뮤어-블로제트 방법을 기초로 하여 실리카 입자를 기판위에 고정한다. 또한, 랭뮤어-블로제트 방법을 적용하기 위하여 실리카 입자를 소수성 및 휘발성 유기 용매에 분산하여야 하는데 이를 위해서 실리카 입자의 표면을 소정의 유기 기능기를 사용하여 소수성으로 개질시킨다. 본 발명자들은 다양한 유기 기능기를 사용하였지만 그중에서 짧은 유기분자를 가지는 싸이올기로 개질시키는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다.

도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면플라즈몬공명 측정용 기판 제조 방법의 주요 단계들을 흐름도로써 나타내었다. 도 3에는 도 2의 과정을 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 2는 이하에서 수시로 참조된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면플라즈몬공명 측정용 기판 제조 방법에서는 먼저 실리카 입자에 대한 싸이올(thiol)기 표면개질에 의하여 유기 용매에 안정성 있는 실리카 입자 분산용액을 제조한다(단계 S20). 유기 기능기 표면 개질에 의하여 유기 용매에 안정성 있는 실리카 입자를 제조하는 방법은 다양한 실시예가 있을 수 있으며, 단계(S20)의 과정의 일예를 보다 상세히 설명 한다.

먼저, 실리카 입자를 제조하는 과정을 설명한다. 실리카 입자의 구조를 이루게 되는 단량체인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 활성화하기 위한 촉매인 암모니아수를 에탄올과 물에 희석하고 교반기에 의하여 교반하면서 TEOS 용액을 첨가한다. 일정시간, 한 가지 예로, 2시간 동안 교반을 하면 TEOS의 에톡시기들이 암모니아와 물에 의하여 활성화되면서 자기 조립 반응을 하게 되며, 이로써 실리카 입자가 형성된다. 이와 같이 암모니아수를 촉매로 하여 규소를 포함하는 유기물 분자인 TEOS를 자기 조립 반응을 통하여 실리카 입자를 제조하는 것이 가능하다. 이때 이하의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 사용되는 TEOS, 암모니아수 등의 상대농도, 비율 및 반응조건을 조절하여 입자의 크기를 조절할 수 있다.

예컨대, 300nm 크기의 실리카 입자를 합성하기 위해서는, 실온에서 에탄올 40㎖에 암모니아수 8.3㎖, 증류수 1.7㎖를 섞은 용액을 플라스크 안에서 교반하면서 TEOS 1㎖를 첨가한 후 2시간 동안 반응시킨다. 그 후 원심분리를 통해 불순물을 제거하고 용액을 실리콘 웨이퍼 기판에 떨어뜨린 후 건조하여 스캐닝 일렉트론 마이크로스코피(scanning electron microscopy: SEM)를 통해서 사이즈를 확인한다.

또한 130nm 크기의 실리카 파티클을 합성하기 위해서는, 실온에서 에탄올 100㎖에 암모니아수 2㎖, 증류수 18㎖를 섞은 용액을 플라스크 안에서 교반하면서 TEOS 9㎖를 첨가한 후 2시간 동안 반응시킨다. 그 후 원심분리를 통해 불순물을 제거하고 용액을 실리콘 웨이퍼 기판에 떨어뜨린 후 건조하여 스캐닝 일렉트론 마 이크로스코피(scanning electron microscopy: SEM)을 통해서 사이즈를 확인한다.

다음으로, 위에서 형성된 실리카 입자를 원심분리기에 의하여 원심분리하여 침지시킨 후, 상층액을 버리고 오븐(미도시)에서 상전이 온도 이상의 일정 온도, 일 예로, 110℃로 소정 시간, 일예로, 약 12시간 정도 건조한다. 이러한 과정에서 실리카 입자의 모노머들 간의 결합이 안정화되어 유기 용매와의 화학 반응에서의 안정성이 확보되게 된다.

상기와 같은 공정을 통하여 만들어진 건조된 실리카 입자들에 랭뮤어-불로제트 공정을 적용하기 위해서는 유기용매 상에 분산시켜야 하는데 위 과정에서 만들어진 실리카 입자는 TEOS에 의하여 표면에 극성을 띄는 하이드록시기를 많이 포함하고 있어 유기용매 상에서는 분산이 되지 않는다. 따라서 유기용매에서 분산될 수 있도록 실리카 입자들의 표면을 개질하기 위한 단계를 수행한다. 유기용매로는 클로로포름을 사용하는 것이 특히 적합하다.

표면 개질은 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 일예로, 다음과 같은 단계들에 의하여 이루어질 수 있다. 먼저, 합성된 실리카 입자 용액에 화학적인 촉매 작용을 위하여 주로 사용되는 EDC/NHS 물질을 아미노벤조싸이올(aminobenzothiol: ABT)이라는 아민기와 싸이올 그룹을 가지고 있는 물질과 초음파를 가하면서 반응시킴으로써 실리카 입자 표면에 ABT가 고정화된 실리카 입자가 제조되고 이에 따라 유기용매에 균일하게 분산된 용액, 즉, 싸이올기를 가진 짧은 유기분자로 표면이 개질된 실리콘입자들이 유기용매 상에 고르게 분산된 용액이 준비된다.

다음으로, ABT가 고정된 실리카 입자 분산용액을 원심분리 과정에 의하여 에 탄올과 클로로포름으로 세척함으로써 랭뮤어-블로제트 공정용으로 사용되는 일정한 크기를 가지는 실리카 나노입자-분산 용액이 제조된다. 이와 같은 프로세스를 사용하는 것은 반응 공정이 비교적 간단할 뿐만 아니라 상기한 바와 같이, TEOS 및 암모니아수의 농도와 반응조건들을 조절함에 의하여 다양한 입자 크기의 실리카를 합성할 수 있어 바람직하다.

이로써, 상기 실리카 입자 분산용액을 사용하여 랭뮤어-블로제트 방법을 기초로 유기 기능기 표면 개질된 실리카 입자 단일막을 준비할 수 있다(단계 S22). 단계(S22)의 과정의 일예를 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 단계(S20)에 의하여 만들어진 실리카 입자 분산용액을 수면위에 살포한다. 여기서 상기 실리카 입자 분산용액은 싸이올기를 가진 유기분자로 표면이 개질된 실리카 입자들이 클로로포름에 고르게 분산된 상태이다. 이때, 상기 수면의 표면에 배리어(barrier)를 두고 상기 배리어를 실리카 입자들이 서로 모여지는 방향으로 움직여 실리카 입자가 떠 있는 면적을 서서히 감소시킴으로 인하여 실리카 입자들이 박막형태로 모여진다. 이 때 실리카 입자들의 배열상태와 막 형성상태를 표면압으로 실리카 막의 구조를 조절한다. 배리어에 가해지는 압력을 전이압력이라 칭하는데, 본 발명자들은 이 압력이 35 mN/m-45 mN/m에서 실리카 입자가 비는 공간 또는 다층이 형성되지 않는 균일한 층이 형성된다는 사실을 발견하였다.

다음으로 디퍼에 골드기판을 고정하여 끌어올림으로써 상기 골드기판 위에 수면 상에 고르게 배열되어 있는 박막 형태의 실리카 입자들을 부착시킨다. 여기서, 대조적으로, 개질되지 않은 실리카 입자들의 경우에는 유기용매에 분산시켜 수 면에 뿌리면 입자들의 표면과 수면의 작용에 의하여 불균일한 박막을 형성하거나 물속으로 침전되는데 반하여 이와 같이 유기 기능기 표면 개질을 통한 실리카 입자 용액은 매우 균일한 단층 박막을 형성된다는 것에 주목할 필요가 있다. 골드기판은 커버 글래스 상에 진공 증착방식을 이용하여 일정한 두께, 예컨대 20 내지 100 나노미터 두께로 평평하게 골드를 증착함으로써 형성된다.

이와 관련하여, 도 4a에는 전이압력에 따른 실리카 입자 전이 상태를 촬영한 주사전자현미경 (SEM) 사진을 나타내었다. 도 4a의 (a)를 참조하면, 전이 압력이 35 mN/m미만, 예컨대, 30mN/m에서는 실리카 입자가 없는 빈 공간(400)이 발생하고 (b), (c) 및 (d)를 참조하면 35-45mN/m 부근에서 실리카 입자들이 빈틈없이 고르게 2차원적 결정형태를 가진 단일박막으로 기판에 전이된다. 또한, (e)를 참조하면 45mN/m를 초과, 예컨대, 50mN/m의 경우에는 일부 영역에서 단층 실리카막이 무너져 불규칙적인 다층으로 형성되는 부분(402)이 발생된다. 도 4(c)에는 조밀한 단일층으로 잘 형성된 실리카 입자 전이 상태를 촬영한 주사전자현미경 사진을 나타내었다.

다음으로, 실리카 입자 LB 박막이 전이된 골드기판 상에 진공 증착법, 예컨대 전자빔 증착법에 의하여 다시 한 번 골드 박막을 성막시킨다(단계 S24). 보다 상세히 설명하면, 상기한 바와 같이 형성된 골드기판 상에 직경이 약 300nm 입자 크기를 가지는 실리카 입자를 LB기법으로 전이하는 단계이다. 약 300nm 입자 크기 이외에 금 기판 상에 제조되는 나노구조물의 크기, 형상, 및 구조물간의 거리등을 체계적으로 조절하기 위하여 사용하는 실리카 입자 크기를 다르게, 예컨대 100, 130, 300 및 500nm 등의 크기로 조절할 수 있다.

골드 박막을 성막하기 위해서는 전기 화학적인 환원법이 가능하지만 불순물이 혼입되는 문제점뿐만 아니라 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따르면 제조 공정이 간단하고 오염의 우려가 적은 건식 성막 기법으로서 골드를 증발원이 되도록 하고 상기 증발된 금원자가 기 준비된 실리카 입자 LB 박막 상에 증착되는 방법을 사용한다. 본 기술에서는 진공 증착 중 특히 전자빔 증착법을 사용한다. 도 4c에는 증착 과정을 설명하기 위한 모식도를 나타내었다. 플라즈마 방식의 이온 증착법을 사용하면 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 불활성 기체가 존재하게 되어 이온화된 골드 입자들이 기체와의 충돌로 인하여 산란되면서 퍼지듯이 증착됨에 따라 나노 스케일의 리소그래피 패턴을 형성하기가 용이하기 않다. 반면에, 전자빔을 이용한 증착법은 기체와의 충돌 없이 누적적으로 증착됨에 따라 실리카 스케일의 리소그래피 패턴을 형성하기에 바람직하다. 도 4d에는 골드 증착 후의 주사전자현미경 사진을 나타내었다. 도 4d를 참조하면, 도전성 금속인 금이 증착된 상태에서는 보다 고배율로 선명하게 관찰하는 것이 가능함을 알 수 있다.

이제, 초음파 처리에 의하여 실리카 입자를 제거함으로써 실리카 구조의 골드 구조체가 만들어진다(단계 S26). 실리카 입자를 제거할 경우는, 실리카 입자가 전이된 기판 상에 다시 전자 빔 방식을 사용하여 20nm, 50nm, 및 100nm 두께로 골드 박막을 증착 형성하고 에탄올이 담긴 초음파 세척기 내에서 약 5분간 세척하여 실리카 입자를 제거함으로써 골드로 형성된 나노구조물(나노필름)이 형성된 기판이 준비된다. 실리카 입자가 제거되지 않은 기판을 템플레이트로 사용할 수도 있기 때문에 이 단계는 생략할 수 있다.

도 5a 및 도 5b에는 본 발명의 실시예에 따라 전자 빔 방식을 사용하여 증착된 골드 구조체의 표면을 각각 원자력현미경 (Atomic force microscopy: AFM)과 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope : SEM)을 사용하여 촬영한 결과를 나타내었다. 또한, 도 5c에는 본 발명의 실시예에 따라 전자 빔 방식을 사용하여 증착된 골드 구조체의 단면 구조를 모식도로써 나타내었다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전자 빔 증착 방법을 사용하면 골드 입자들이 기체 분자와의 충돌 없이 실리카 입자들의 틈 사이로 들어가기 때문에 실리카 입자들의 틈 사이에만 골드가 높은 형태로 쌓이게 되어 다양한 증착 조건으로 입자들의 크기, 거리 및 배향이 일정한 대면적 기판을 제작함으로써 분석용 센서를 대량생산 하는 것이 가능함을 확인할 수 있다.

이제, 상기 방법에 의하여 만들어진 골드 실리카 구조체가 형성된 기판을 SPR 장비에 장착하고 증류수를 넣어 용액중 SPR 신호를 측정하였다. 도 6 및 도 7에는 20nm 두께와 50nm 두께로 골드를 증착한 경우에 바닥 골드층의 두께 변화에 의한 SPR의 공명 곡선을 나타내었다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 20nm 두께와 50nm 두께로 골드를 증착한 경우에는 바닥 골드층의 두께 변화에 의하여 SPR의 공명 곡선이 변화함을 알 수 있다. 또한, 30, 40, 및 50nm 바닥 두께의 기판 모두 충분하게 SPR 곡선 모양을 나타냄을 확인하고 에탄올 수용액을 통해 감도 향상을 측정하였다.

도 8에는 100nm 두께로 골드를 증착한 경우에 바닥 골드층의 두께 변화에 의한 SPR의 공명 곡선을 나타내었다. 도 8을 참조하면, 100nm 두께로 골드 박막을 다시 증착한 경우에는 모든 바닥 골드 두께의 기판에서 SPR 곡선이 나타나지 않는다. 따라서, 골드 박막은 100nm 두께 미만으로 형성하는 것이 바람직하다.

전자빔을 사용하여 20nm 및 50nm 두께의 골드를 실리카 입자 LB 박막이 전이된 골드기판에 다시 증착하여 만들어진 실리카 구조체 기판을 SPR을 통해 증류수와 20 %(w/v) 에탄올 수용액을 이용하여 굴절율 차이에 의한 공명각 이동을 비교한 결과를 도 9와 도 10에 표시하였다. 도 9와 도 10에 표시된 수평선은 실리카 나노입자를 템플레이트로 사용하여 금 나노구조를 증착하지 않고 50nm 두께의 바닥골드층에서 SPR 값을 측정한 것이고 신호 변화율을 0 %로 정한 것이다.

300nm 실리카 입자 LB 박막을 템플레이트(template)로 하여 50nm의 골드를 증착한 경우, 50nm 두께의 기존 SPR 기판에 비하여 신호 향상을 평가하였다. 도 9에는 50nm 두께로 증착한 실리카 구조체 기판과 비교하여 바닥 골드의 두께별 SPR 감도의 비율을 측정한 결과를 그래프로써 나타내었다. 도 9를 참조하면, 실리카 LB 박막을 템플레이트로 사용하여 금 나노

구조물을 제조한 경우 40nm 바닥 두께의 기판에서만 50nm 두께의 기존 SPR 기판에 비하여 31 % 가량의 신호증가를 나타내고 나머지 조건에서는 오히려 신호 감도가 저하되는 것으로 나타난다.

다음으로, 300nm 실리카 입자 LB 박막을 템플레이트(template)로 사용하여 20nm 두께의 골드가 증착된 기판의 조건에서의 신호 향상을 평가하였다. 도 10에는 20nm 두께로 증착한 실리카 구조체 기판에 대하여 바닥 골드의 두께별 SPR 감도의 비율을 측정한 결과를 그래프로써 나타내었다. 도 9 결과와 비교하면 50nm 두께의 골드가 증착된 경우 신호가 향상된 것을 확인하였다. 도 9와 도 10의 결과에 의하면, 300nm 실리카 입자 LB 박막을 템플레이트로 사용하여 20nm 두께의 골드가 증착된 기판의 조건에서는 신호의 증가 효과가 큰 것으로 나타난다. 그 중에서 50nm 바닥 골드 두께에서 300nm 실리카 입자 LB 박막을 템플레이트로 사용하여 20nm 두께의 골드를 증착한 기판은 약 45% 정도의 신호 향상이 있는 것으로 나타났으며, 기존 SPR 골드기판의 증류수와 20%(w/v) 에탄올 수용액의 SPR 곡선 변화와의 비교를 통하여 가장 높은 신호 향상이 나타나는 조건임을 확인하였다.

도 1은 일반적인 SPR 시스템의 구조를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분석용 측정용 기판 제조 방법의 주요 단계들을 나타낸 흐름도,

도 3은 도 2의 과정을 설명하기 위한 도면,

도 4a는 전이 압력에 따른 실리카 입자 전이 상태를 촬영한 주사전자현미경 사진,

도 4b는 조밀한 단일층으로 잘 형성된 실리카 입자 전이 상태를 촬영한 주사전자현미경 사진,

도 4c는 증착 과정을 설명하기 위한 모식도,

도 4d는 골드 증착 후의 주사전자현미경 사진,

도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 진공증착 방식을 사용하여 증착된 골드 구조체의 표면을 원자힘현미경(AFM)을 사용하여 촬영한 결과,

도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 전자 빔 방식을 사용하여 증착된 골드 구조체의 표면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope : SEM)을 사용하여 촬영한 결과,

도 5c는 본 발명의 실시예에 따라 전자 빔 방식을 사용하여 증착된 골드 구조체의 단면 구조를 나타낸 모식도,

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 20nm 두께와 50nm 두께로 골드를 증착한 경우에 바닥 골드층의 두께 변화에 의한 SPR의 공명 곡선을 나타낸 그래프,

도 8은 100nm 두께로 골드를 증착한 경우에 바닥 골드층의 두께 변화에 의한 SPR의 공명 곡선을 나타낸 그래프,

도 9는 50nm 두께로 증착한 실리카 구조체 기판에 대하여 바닥 골드의 두께별 SPR 감도의 비율을 측정한 결과를 나타낸 그래프, 및

도 10은 20nm 두께로 증착한 실리카 구조체 기판에 대하여 바닥 골드의 두께별 SPR 감도의 비율을 측정한 결과를 나타낸 그래프.

Claims

(a) 나노입자에 대하여 유기 기능기로 표면개질하고 이를 휘발성 유기용매에 분산시킴으로써 나노입자 분산용액을 제조하는 단계;

(b) 상기 나노입자 분산용액을 사용하여 랭뮤어-블로제트 방법을 기초로 유기 기능기로 표면 개질된 나노입자 단일막을 준비하고 상기 나노입자 단일막을 기판 상에 전이시키는 단계; 및

(c) 상기 나노입자 단일막이 전이된 기판 상에 진공 증착법을 사용하여 금속 박막을 피막하는 것을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1항에 있어서, 진공 증착법을 사용하여 금속박막을 피막하는 단계 후에 나노입자를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1 또는 2항에 있어서, 상기 나노입자는 실리카 입자임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1 또는 2항에 있어서, 상기 유기 기능기는 싸이올기임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1 또는 2항에 있어서, 상기 유기용매는 클로로포름임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 박막은 골드 박막인 것을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 진공 증착법은 전자빔 증착법임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 (a)단계의 실리카 입자는,

암모니아수를 촉매로 하여 규소를 포함하는 유기물 분자인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 자기 조립 반응시켜 제조된 것을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는,

(a-1) 암모니아수를 촉매로 하여 규소를 포함하는 유기물 분자인 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 자기 조립 반응시켜 실리카 입자를 제조하는 단계; 및

(a-2) 상기 (a-1) 단계에서 제조된 실리카 입자를 원심분리기에 의하여 원심 분리하여 침지시킨 후 상층액을 버리고 상전이 온도 이상의 일정 온도로 소정 시간 건조하는 단계;를 포함하여 실리카 입자를 제조하고,

(a-3) EDC/NHS 물질을 아미노벤조싸이올(aminobenzothiol: ABT)이라는 아민기와 유기 기능기를 가지고 있는 물질과 초음파를 가하면서 반응시킴으로써 ABT를 실리카 입자 표면에 고정화하여 ABT가 고정된 실리카 입자 분산용액을 준비하는 단계; 및

(a-4) 상기 (a-3) 단계에서 ABT가 고정된 실리카 입자 용액을 원심 분리 과정에 의하여 에탄올과 클로로포름으로 세척되어 랭뮤어-블로제트 공정용으로 사용되는 용액으로 제조함으로써 표면 개질시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 분석용 센서의 기판 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,

(b-1) 유기 기능기를 가진 유기분자로 표면이 개질된 나노입자들이 유기용매에 분산된 나노입자 용액을 수면위에 살포하는 단계;

(b-2) 상기 수면의 표면에 배리어(barrier)를 두어 나노입자를 모아 박막형태가 되도록 하는 단계; 및

(b-3) 박막 형태의 나노입자들을 골드기판 위에 전이하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석용 센서 기판 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 배리어에 가해지는 전이압력은 35-45 mN/m 임을 특징 으로 하는 분석용 센서 기판 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 나노입자는 실리카 입자임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 유기 기능기는 싸이올기임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 유기용매는 클로로포름임을 특징으로 하는 분석용 센서 기판의 제조방법
삭제
제1항, 제2항, 제9항 내지 제14항의 어느 한 항에 기재된 분석용 센서 기판의 제조방법에 의하여 제조된 거리, 간격 및 배열이 균일한 나노입자를 기판상에 고정시키고, 금속체 높이는 20-50nm이며, 기판의 두께는 30nm 이상 50nm 이하임을 특징으로 하는 나노필름을 템플레이트로 사용하여 제조된 나노구조물.
제1항, 제2항, 제9항 내지 제14항의 어느 한 항에 기재된 분석용 센서 기판의 제조방법에 의하여 제조된 거리, 간격 및 배열이 균일한 나노입자를 기판상에 고정시키고, 금속체 높이는 20-50nm이며, 기판의 두께는 30nm 이상 50nm 이하임을 특징으로 하는 나노필름을 포함하는 표면플라즈몬공명 측정용 기판.