KR100997548B1 - 이차원 미립자 조립체 제조장치 및 방법 - Google Patents

이차원 미립자 조립체 제조장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 얇은 미립자층을 제조하기 위한 미립자 단층 제조장치(10) 및 방법에 관한 것으로, 미립자는 중력에 의해 댐(18) 앞의 램프(12)를 따라 유동하고, 램프(12)의 바닥에 유치되어 단층의 형태로 서로 적층되는 것을 특징으로 한다.

Description

이차원 미립자 조립체 제조장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR TWO DIMENSIONAL ASSEMBLY OF PARTICLES}
배경기술
기술분야
본 발명은 미립자나 분자로 된 단층을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 대규모 제조산업에 적합한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래기술
오늘날 기술이 고도로 발달한 산업에서, 전기회로의 소형화, 정보의 고밀도 저장, 디스플레이 스크린 및 다른 장치 등이 마이크로미터 이하의 수준(level)에 도달하고 있다. 10년 전만해도 소형 장치를 얻기 위해 다양한 방법이 개발되었고, 또 스미어링, 분무, 전단, 박편화, 롤러 사이에서 박판으로 통과시키거나 압출하는 등의 작업에서 밀리미터 이하의 수준으로 실시하는 실험이 있었다. 이러한 방법이 마이크로미터 단위에 도달하기는 하였지만, 구멍, 범프, 비방향성, 크랙 등의 결함이 발생하였다. 진공상태에서 재료를 승화시켜 층상의 제품을 제조하는 것은 무기질 재료에 대해 관심이 있고, 나노미터 두께의 층을 제조하게 되었다. 그러나 이는 처리과정에 관계되는 단백질이나 마그네틱 클러스터와 같이 약한 재료를 파괴할 정도로 높은 온도를 금속에 사용해야만 한다. 또한 방향성이나 또는 보다 일반적으로는 상기 접근방식에 따른 물질의 조직화가 불가능하고, 원자 또는 분자가 서로 불규칙하게 적층된다.
따라서, 미립자를 평면 위에 위치시켜 층을 형성하도록 나란히 패킹(packing)하는 방법이 대안으로 제시되었다. 이와 같이 얇은 층의 형태로 물질을 조직화하게 되면 광학장치, 전자장치, 생검출장치, 여과장치, 자기기억장치 등에서 흥미로운 특성을 보인다. 또한, 처리될 물체의 크기가 1밀리미터와 1/10 나노미터 사이가 된다. 따라서, 10년이 지나는 동안 상기 조직화를 얻기 위해 다양한 2D 조립방법이 개발되어 왔지만 그 중 대부분은 대규모 제조산업에는 적합하지 않은 것이었다.
첫 번째 2D 조립방법은 20세기 초에 발명되었다. 상기 방법은 단순히 평평한 가스-액체 계면에 미립자를 위치시키는 단계와 단층을 형성하기 위해 상기 미립자를 이동성 장벽에 결합하는 단계로 구성된다. 최초에 균일하고 결함이 없을 거라고 예상이 되었지만, 모든 방향에서 접근하는 미립자로 만들어진 단층에는 구멍과 국부적인 함몰부가 형성되었다.
1998년 12월 3일에 공개된 캐나다 특허출원 제2,291,825호에는 미립자 단층을 준비하기 위한 장치 및 방법이 공개되어 있다. 특히, 상기 문헌에는 부유상태의 미립자를 포함하는 액막이 회전 실린더로 분사되는 동적인 얇은 층류 유동(DTLF: a Dynamic Thin Laminar Flow) 방법이 개시되어 있다. 실린더의 회전은 회전 실린더에 연속적인 단층을 형성하도록 하나의 미립자를 다른 미립자쪽으로 민다. 상기 회전 실린더는 단층이 침전된 기판에 대해 길이방향으로 진행된다. 상기 방법에 따르면, 미립자를 다른 미립자쪽으로 이동시키는 데에 필요한 구동력을 발생시키기 위해 기계적 장치가 필요하게 된다. 또한, 회전 실린더의 크기는 상기 방법으로 생산할 수 있는 단층의 크기를 제한하게 된다. 상기 회전 실린더는 단층의 생산을 제어하는 데에 필요한 모니터링 영역을 제한하게 된다.
상기 특허출원에 기재된 방법이 효과적이기는 하나, 보다 용이한 모니터링과 제어를 위해 제조에 있어서 유연성을 제공할 수 있는 새로운 장치와 방법이 필요하다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 대규모 제조환경에서 얇은 미립자층을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조에 있어 유연성을 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 얇은 미립자층 제조의 제어를 용이하게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따라 표면을 형성하는 막, 표면을 형성하는 막에 유동유체의 막을 제공하는 유체 공급시스템, 유체가 표면형성 막을 따라 유동할 때 상기 막에 미립자를 위치시키기 위한 미립자 공급시스템, 미립자를 댐쪽으로 운반하는 유체막, 점진적으로 미립자층을 형성하기 위해 나란히 조립되도록 미립자를 수용하 는 댐을 포함하는 미립자 단층을 제조하기 위한 장치가 제공된다.
본 발명의 보다 일반적인 관점에 따르면, 미립자를 성형 영역으로 운반하기 위해 표면을 따라 유동하는 운반유체 미립자를 위치시키는 단계, 얇은 층의 형태로 상기 미립자를 차례로 적층하기 위해 운반유체에 의해 성형 영역으로 이동된 미립자를 댐으로 막는 단계를 포함하는 미립자 단층 제조방법이 제공된다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 도면을 참고로 하여 본 발명에 대한 개괄적인 설명을 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 얇은 미립자층을 제조하기 위한 장치를 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 도시된 장치의 측면도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제 2 다공성 인젝터에 의해 운반유체에 위치된 미립자를 수송하기 위해 제 1 다공성 인젝터에 의해 운반유체가 분배된 친수성 플레이트를 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 제 1 다공성 인젝터를 제공하기 위한 운반 유제 공급 시스템을 도시한 도면,
도 5는 도 3에 도시된 제 2 다공성 인젝터를 제공하기 위한 부유물 공급 시스템을 도시한 도면,
도 6은 친수성 플레이트의 바닥에서 단층이 형성되는 모양을 모니터링하는 것을 도시한 도면 및
도 7은 단층 제조의 모니터링 뒤의 원리를 도시한 도면이다.
바람직한 실시예
도면을 참고로 하여 산업용의 얇은 미립자층을 제조하는 데에 적합한 장치(10) 및 방법을 설명한다. 후술하는 바와 같이, 상기 층은 2차원 배열 또는 결정형태로 정렬되거나, 또는 필요에 따라서는 무정형 또는 다공성으로 할 수도 있다.
장치(10)의 구조는 단순하다는 데에 특징이 있으며, 이는 또한 본 발명의 주요 특징이다. 도 1 및 도 2에서, 장치(10) 또는 단층 제조기는 적절한 경사를 갖는 램프(12) 형태의 친수성 표면, 램프(12)의 상단부에 위치되는 운반유체 공급시스템(14) 및 미립자 공급시스템(16), 램프(12)의 하단부에 위치되는 댐(18) 및 단층 수송장치(20)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 램프는 적절한 지지 구조체(22)에 의해 경사진 형태로 지지되는 사각형 플레이트(21)의 형태로 제공된다. 지지 구조체(22)는 필요에 따라 사각형 플레이트(21)의 경사를 변화시키도록 조정이 가능하다.
사각형 플레이트(21)는 운반유체 공급시스템(14)에 의해 계속해서 운반유체의 얇은 막(26)(1mm 보다 작다)이 제공되는 평평한 표면(24)을 갖는다. 운반유체는 측방으로 이격되어 배치되는 일련의 인젝터(27)를 통해 약간의 압력을 통해 경사진 표면(24)으로 위치된다. 수 cm 하류의 인젝터(27)에서 적절한 필터의 모세관 현상을 보이는 표면(24)의 폭 전반에 걸쳐 운반유체의 플럭스(flux)가 방출된다. 이 때, 유체의 유동으로 램프(12)의 표면 구멍을 균일하게 덮는다. 인젝터(27)의 수는 램프(12)의 폭에 따라 다르게 한다. 운반유체는 경사진 표면(24)을 따라 중력에 의해 아래로 유동하고 램프(12)의 바닥에 제공되는 유체 저장조(28)에 수용된다. 운반유체를 공급시스템(14)으로 되돌리기 위해 순환 유닛(도시하지 않음)이 제공된다. 운반유체의 특성은 미립자의 물리-화학적 특성에 따라 선택한다.
미립자 공급시스템(16)은 운반유체 공급시스템(14)과는 별개의 시스템으로 측방향으로 이격되어 배치되는 다수의 인젝터(30)를 포함한다. 상기 미립자 공급시스템은 약간의 압력차를 두어 인젝터(30)를 통해 운반유체의 막(26) 표면으로 겨냥되는 미립자 부유물(suspension)을 포함한다. 마찬가지로 인젝터(30)의 수는 램프의 폭에 대한 함수이다. 미립자를 주사한 후에 상기 미립자(32)는 운반유체의 전체표면을 통해 이동이 자유롭고 한 쪽 가장자리에서 다른 쪽 가장자리까지 표면(24)을 덮도록 모든 방향으로 방출된다.
운반유체 공급시스템(14)과 미립자 공급시스템(16)은 미립자 자기조립체특성(self-assembly property)을 고려하여 최종 층의 균일 및 균질함을 완성하도록 서로 연동한다.
운반유체는 램프(12)의 아래로 댐(18)까지 미립자(32)를 수송한다. 댐(18)은 저장조(28) 내의 운반유체의 풀(pool)에 의해 형성된다. 댐(18)의 주요 역할은 미립자가 나란히 적층되어 운반유체에 정렬된 미립자의 단층(34)을 점차적으로 형성하도록 램프(12)의 바닥에 미립자를 유지시키는 것이다. 도 1 및 도 2 에 도시한 바와 같이, 미립자 단층은 램프(12) 상에서 점차 위쪽으로 커진다.
본 발명의 다른 실시예(도시하지 않음)에 따르면, 댐(18)은 미립자(32)가 운반유체 위로 부유하는 것을 막고, 동시에 운반유체가 장벽의 하류로 유동하도록 하기 위해 운반유체의 유동 내에서 이동이 가능한 이동성 장벽으로 구성될 수도 있다. 미립자(32)를 램프(12)의 바닥으로부터 축적하기 위해 제공되는 다른 구조체도 사용이 가능하다.
단층 수송장치(20)는 컨베이어 벨트(36)의 형태로 제공되어 후속 처리 또는 저장을 위해 소정의 위치에 미립자 단층을 수송하는 기능을 한다.
경사면(24)은 단층의 조립이 실시되는 위치라는 점에서 장치(10)의 핵심을 이룬다. 조립공정에 관여되는 물리적, 화학적 변수들이 많다고 가정할 때 미립자 유동 속력의 최종적인 조정은 램프(12)의 위치에 따라 달라진다. 사실, 이는 구동력의 중력방향 성분의 강도 조절을 가능하게 한다. 즉, 경사가 급할수록 미립자(32)는 더 빠르게 유동할 것이다. 유동속력을 결정짓는 인자로는 램프(12)의 경사도, 운반유체의 점성 및 램프(12)의 상부표면(24)과 분자 간의 점착력(adhesion)이 있고, 이들의 관계식은 V∝d.Sinθ/η A이고, 여기서 V는 속력, η는 점성, A는 경사면(24)과 운반유체 사이의 점성계수, d는 막두께이고 θ는 램프(12)가 수평면과 이루는 각도이다.
미립자(32)를 경사면(24)에 나란히 적층하기 위해 중력을 사용하게 되면 경사면(24)을 유동하는 운반유체의 표면에 미립자(32)를 조립하기 위해 필요한 구동력을 발생시키기 위한 기계적 장치가 필요 없다는 이점이 생긴다.
상기 방법의 성능은 아래에 기술되는 많은 특성에 의존한다.
1 - 운반유체를 전방으로 구동시키는 힘은 지구의 중력장에 의해 발생한다;
2 - 미립자(32)가 가스-액체 계면에 위치되어 전방으로 운반된다;
3 - 단층은 미립자(32)를 차례로 나란히 유체 계면에 적층하여 형성된다;
4 - 단층은 후속처리를 위해 컨베이어(36)로 수송된다;
다음은 본 발명이 종래의 방법 및 장치에 비해 향상된 특징이다.
1 - 단층을 준비하기 위한 이동성 부품이 필요하지 않다. 즉, 기계부품들을 불필요하게 제어하지 않고, 또한 비싼 기계의 작동이나 유지보수가 필요 없다.
2 - 평평한 부동의 패널 또는 플레이트의 경우에는 원형의 회전실린더보다 다양한 제조단계에서의 모니터링이 용이하다.
3 - 이동성 부품이 없기 때문에 현재의 그 어떤 방법보다도 큰 표면을 제조하는 것이 용이하다.
4 - 단층의 제조를 제어하기 위한 모니터링 영역을 필요한 만큼 크게 할 수 있다.
도 3에 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 운반유체 인젝터는 램프(12)의 상단를 가로질러 연장하는 다공성 원통형 인젝터(50)의 형태를 하고 있다. 상기 인젝터는 다공성 재료 또는 불투과성 재료로 형성되어 원주방향으로 연장하는 벽으로 형성되는 원통형 몸체를 갖고, 다수의 출구를 형성하도록 구멍이 뚫려있다. 천공관의 경우에, 다공성 필터 시트는 운반유체가 원통형 인젝터(50)의 반경방향의 외측으로 보다 균일하게 유동하도록 필터를 둘러싼다. 이렇게 함으로써, 운반유체는 표면의 난류유동 없이 램프(12)의 표면 전체에 걸쳐 아래로 유동한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 미립자는 부유 인젝터(52)에 의해 운반유체의 상부표면에 위치되어 운반된다. 부유 인젝터(52)는 운반유체를 분배시키는 인젝터와 유사하게 원통형 다공성 인젝터의 형태로 할 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 부유 인젝터(52)는 운반유체의 분사 지점 하류 즉, 실린더(50) 아래에 램프(12)를 가로질러 연장된다. 도시한 실시예에 따르면, 단층을 형성하도록 서로 조립되는 미립자는 액체 내에 부유상태로 있게 된다. 부유 액체는 인젝터(52)에 공급되어 벽을 통해 인젝터(52) 아래로 유동하는 운반유체로 반경방향의 외측으로 유동한다.
원통형 다공성 인젝터(50,52)는 유체의 유동이 가능하도록 각각 운반유체 공급시스템(54)과 부유 공급시스템(56)에 연결된다.
도 4에서, 운반유체 공급시스템(54)은 분배 유체 저장조(58), 제 1 및 제 2 운반유체 저장조(60,62) 및 정제 조정 저장조(64)에 각각 연결되는 가스 분배 및 조절 유닛(57)을 포함한다. 가스 분배 및 조절 유닛(57)의 역할은 상기 저장조(58,60,62,64)를 가압하고, 이 압력을 소정 값에서 유지시키는 것이다. 상기 압력은 소정의 출력유동에 따라 결정된다. 운반유체는 제 1 및 제 2 저장조(60,62)에 저장된다. 순환시스템(68)은 저장조(60,62) 중 하나를 선택적으로 개방하기 위해 제 1 및 제 2 저장조(60,62)에 연결된다. 이렇게 구성함으로써, 하나의 저장조가 꽉 채워진 경우, 시스템은 다른 저장조에 의해 계속 공급받을 수 있다. 만일 저장조를 하나만 사용하게 되면 시스템은 저장조를 채우기 위해 운전을 정지해야만 할 것이다. 따라서, 운반유체는 상기 저장조(60,62) 중 선택된 하나로부터 운반유체 혼합유닛(66)으로 유동하고, 상기 혼합유닛에서 운반유체는 정제 조정 저장조(64) 에서 공급되는 산성제제 등과 같은 첨가물과 혼합된다.
운반유체는 첨가물과 혼합된 후 유체가 소정의 압력으로 다공성 인젝터(50)로 공급되도록 버퍼를 갖는 분배 저장조(58)로 이동된다. 제어시스템(도시하지 않음)에 연결된 밸브(도시하지 않음)는 다공성 인젝터(50)로 공급되는 유체의 유동을 조절하기 위해 분배 저장조(58)의 출구 포트에 결합된다. 또한 유체의 유동을 조절하기 위해 정제 조절 저장조(64)의 출구에도 제어밸브가 제공된다. 또한, 순환시스템(68)은 제 1 및 제 2 저장조(60,62)의 각각의 출구에 한 쌍의 밸브를 포함한다.
유동제한기(70)는 길이방향 직선경로를 따르는 유동에 반대하여 다공성 인젝터(50)의 반경방향 외측으로 운반유체의 주요부가 유동하도록 하기 위해 다공성 인젝터(50)의 하류에 제공된다. 그러나 상기 제한기(70)를 통해 유동하는 운반유체의 일부는 배수관(72)으로 흐르거나 또는 분배 저장조(58)로 되돌아간다.
도 5는 부유 공급 시스템(56)을 도시하고 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 부유 공급 시스템(56)은 시스템의 저장조의 내부 압력을 제어하는 가스 분배 및 조절 시스템(57')을 포함한다는 점에서 운반유체 공급시스템(54)과 유사하다. 시슨템은 제 1 및 제 2 저장조(60',62'), 분배 저장조(58'), 정제 조절 저장조(64') 및 부유 저장조(63)를 포함한다. 미립자는 부유 저장조(63) 내에 수용된 액체에 부유상태로 있게 된다. 부유 액체는 부유 혼합유닛(66')으로 공급되어 정제 조절 저장조(64')로부터 공급되는 첨가물과 혼합된다. 그 후, 다공성 인젝터(52)를 통해 길이방향으로 유동한 부유 액체는 재순환 유닛(74)으로 회수된다. 재순환 유 닛에는 제 1 및 제 2 저장조(60',62') 중 하나가 공급되고, 상기 저장조(60',62') 중 나머지 하나는 분배 저장조(58')에 유체의 유동이 가능하게 연결된다. 부유 분배 유닛(68')은 제 1 및 제 2 저장조(60',62')의 입구 및 출구 포트의 개폐를 제어하여 하나의 저장조에서 다른 저장조로 전환하도록 제공된다. 따라서, 제 1 저장조(60')가 채워지면 부유 분배 유닛(68')은 부유물을 포함하는 액체를 제 2 저장조에서 분배 저장조(58')로 유동하도록 제 2 저장조(62')의 출구 포트를 개방하게 된다. 부유물을 포함하는 액체의 분배 저장조로부터의 유동은 제어시스템에 연결되는 제어 밸브(도시하지 않음)에 의해 조절된다. 부유물을 포함하는 액체는 가스 분배 및 조절 유닛(57')에 의해 고정된 소정의 압력으로 분배 저장조(58')를 나와 다공성 인젝터(52)로 유입된다. 유동제한기(70')는 부유물을 포함하는 액체가 인젝터(52)의 다공성 벽을 통해 반경방향 외측으로 유동하도록 하기 위해 다공성 인젝터(52)의 하류에 제공된다.
도 6 및 도 7에서, 장치(10)는 단층 제조에서 온 라인 피드백을 얻기 위한 모니터링 시스템(80)을 포함한다. 단층의 생성은 단층 후단부에서 약 1 또는 2cm 상류의 운반유체 표면에서 파동(wave) 또는 물마루(crest)(82)의 발생을 동반한다. 상기 물마루 또는 파동은 단층의 성장에 이용된다. 물마루(82)의 위치를 추적함으로써 얼마나 많은 미립자들이 다른 미립자에 대해 적층되어 있는지를 확인할 수 있다. 이렇게 함으로써, 공급되는 미립자의 수가 배출 컨베이어에 의해 댐(18)으로부터 제거되는 단층 조립 미립자의 수와 같아지도록 미립자의 분배율은 물론 배출 컨베이어(20)의 속력을 제어할 수 있게 된다.
물마루의 위치, 즉 형성되는 단층 후단부의 위치는 예를 들어 제 2의 다공성 인젝터(52) 하류의 운반유체 표면에 광선 또는 초음파를 조사하고 반사광을 수용함으로써 검출된다. 도 7에 도시한 바와 같이, 물마루의 위치는 입사광의 반사각에 대한 함수로 결정된다.
실험
도 1에 따라 제작된 프로토타입을 본 방법의 실험에 사용하였다. 프로토타입에서, 각각 운반유체용과 미립자 부유 액체용 인젝터로 램프의 상부에 주사기를 위치시켰다. 각 주사기의 플런저는 일정속도의 나선회전에 의해 플런저 헤드에 힘을 가하는 플레이트를 포함하는 액추에이터에 의해 구동된다. 'Harvard Apparatus 22 syringe pusher'로 알려진 액추에이터를 사용할 수 있다. 분사에 앞서, 소정의 분사율을 제공하기 위해 플런저의 길이방향 이동의 속력을 결정하는 데에 각 주사기와 플런저 표면의 크기가 이용되었다. 각 주사기의 바늘은 공기-물 계면에 끝이 닿는 관으로 조정되었다. 운반유체는 램프를 따라 하류에서 그 표면에 미립자를 쉽게 끌도록 선택되었다. 상기 실시예에서 운반유체는 물을 사용했다.
맨눈으로 확인할 수 있는 광학적 효과를 발생시키기 위해 미세한 미립자를 선택하였다. 액체의 표면을 우유빛에서 무지개빛으로 변화시킨 것은 박막의 형성을 모니터링하기 위한 것이다.
처리과정은 램프의 상부면을 따라 중력에 의해 유동하는 운반유체의 표면에 미립자를 겨냥하는 것으로 구성된다. 댐이 이동성 장벽의 형태로 램프의 바닥에 위치될 때 나타나는 무지개빛은 운반유체의 표면에서 박막이 형성되고 있음을 나타낸다. 상기 실험에서, 충분히 큰 막 또는 단층 표면이 생성된 직후 미립자공급이 중단되었다. 램프의 상부면에서 운반유체가 기화한 후, 얻어진 막은 균일했고 가시적인 결함이 없었으며 무지개빛이 지속되었다.
동일한 방식으로, 액체의 단층을 준비하였다. 단층은 친양쪽성 분자, 디올레오일포스파티딜콜린(DOPC)을 사용하였다. 상기 분자는 상기 인젝터를 이용하여 공기-물 계면에 위치된 용액(보통 10-4M) 및 벤젠과 혼합되었다. 농도는 인젝터 유동과 단층 생성율을 약 1mm/s로 균형을 맞추어 조절하였다. 단층으로 수송되는 기판의 소수성으로 단층이 있음을 알 수 있다. 단층 생성 효율은 분사되는 용액의 용적, 용액의 농도 및 분자면적 및 덮이는 고체 기판의 총 표면으로 결정된다.
단층 및 복합층 수집시스템
단층의 수집에는 다음의 두 가지 경우가 있다.
(a) 첫 번째 경우, 미립자층은 램프에 직접 수집될 수 있고, 이로써 기판으로 수송할 필요가 없게 된다. 이러한 상태에서, 램프의 바닥에 위치되는 장벽은 단층이 상향으로 생성되도록 미립자의 유동을 유지한다. 처리과정이 정지되면 운반유체는 증발, 장벽의 아래로 유동, 램프에 의해 흡수 또는 (냉각, 중합 또는 다른 처리에 의해) 고체화된다. 이 과정 후 코팅된 플레이트가 제거된다.
(b)두 번째 경우, 장벽은 단층이 위치되는 기판을 유지하는 지지수단에 의해 위치된다. 상기 기판은 강체, 유연성 물체 또는 유체일 수도 있다. 마이크로스코프 슬라이드와 같은 강체 기판인 경우, 제조되는 단층의 크기는 기판 자체의 크기에 한정된다. 기판이 유체인 경우에는 그 한계가 덮여지는 표면적에 있게된다. 한편, 감긴 형태의 플라스틱 밴드, 테플론, 종이 또는 실크(이에 한정되지는 않는다)와 같은 유연성 기판을 사용하면 분사 성능에만 한정되는 미립자의 제조 및 수송이 가능하게 된다.
세 개의 물질, 즉 조립 미립자, 운반유체 및 기판 사이의 상호작용을 조정하여 단층을 운반유체의 표면에서 기판으로 이동시킨다. 상기 상호작용의 예로는 척력 또는 인력, 소수성, 소수성 또는 화학적 친화도, 전하 또는 자기장에 기인한 상호작용이 있다. 또한 상기 처리과정으로 얻어진 연속층을 겹쳐서 복합층을 얻을 수 있다.
미립자의 종류
본 발명에는 어떠한 크기 및 모양의 미립자도 사용이 가능하다. 산업용 최종제품은 미립자의 크기, 모양, 특성, 구성 및 표면특성을 결정짓는다. 미립자는 1 나노미터(지방산, 지방알콜, C60, 색소, 마그네틱 클러스터), 수 나노미터(단백질:효소,분자펌프, 이온통로, 항체), 수십 나노미터(바이러스, 거대분자, 작은 금속성 및 비금속성 콜로이드), 수백 나노미터(라텍스 미립자, 중간 콜로이드, 거대 바이러스), 수 미크론 미립자(박테리아, 소형세포, 유리구슬, 광미립자) 및 십 미 크론 미립자(세포, 거대 콜로이드, 섬유, 렌즈)의 작은 크기를 가질 수 있다.
중력장: 지구의 중력장을 사용한다. 그러나 어떤 큰 물체는 그 자체의 중력장을 생성할 수도 있다. 또한, 미래에는 인공 중력장 또는 질량에 유사한 효과를 발생시키는 물리적 효과(예를 들면, 원심력)와 같이 운반유체에 동일한 구동력을 발생시키는 데에 적합한 것을 생각할 수 있다.
미립자를 전방으로 운반하는 유체는 때로는 서브페이즈(subphase)라 하는 등의 어떠한 유체도 가능하다. 상기 유체는 수성이거나 혹은 비수성, 순수, 용융금속, 액화질소 등으로 할 수 있다. 상기 유체의 역할은 아르키메데스, 정전기, 자기, 부력, 소수성 등의 힘을 조합하여 미립자를 유체 표면에 유지시키는 것이다.
단층의 처리
단층의 기계적, 열적, 전기적, 자기적, 광학적, 화학적 및 생물학적 특성은 미립자의 방향성 및 선택성에 의해 결정된다. 단층이 너무 얇은 것과 미립자의 방향성은 열의 빠른 분산, 높은 커패시턴스, 높은 침투성, 유효질량, 화학적 그리고 생검출, 2D 결정, 양자 점배열, 터널링 효과, 고도의 정보 밀도, 초전도 등의 이례적인 성능을 제공한다.
전자기복사와 같이 미립자에 물리적 또는 화학적 처리를 병행함으로써 순차적으로 미립자를 나란히 적층할 수 있다. 상기 전자기복사에 의한 처리는 용융, 이온화, 중합화, 산화 등을 위해 전자파와 감마선 사이에 있다. 효소, 화학반응물, 촉매반응, 입자간 내부 결속을 위한 결합제, 청정제, 솔벤트 등을 첨가한다.
단층과 복합층의 종류
단층은 이차원계이다. 상기 계에서, 미립자는 가스 내에서 자유롭게 운동하거나, 또는 액체에서와 같이 약간의 제약을 받거나, 또는 고체에서와 같이 고정된다. 고체는 무정형 또는 결정화된다.
본 방법은 매우 큰 산업용 제조에서 수 미터 크기의 단층을 연속적으로 만들 수 있다. 반대로, 극소전자 및 생화학적 검출의 경우, 단층 띠는 마이크로미터 크기밖에 되지 않는다. 본 방법의 다양성과 빠른 속도로 인해 단층을 형성하는 미립자의 종류는 단층을 다른 종류의 물질로 만드는 제조과정 동안 변환될 수 있다. 처리과정의 조절은 제품의 주축에 평행 또는 수직하게 다른 종류의 띠를 만들기 위해 사용될 수 있다.
본 방법은 액체 또는 고체 등 어떠한 종류의 표면에도 어떠한 종류의 단층을 위치시킬 수 있다. 이와 같은 코팅에 있어서의 융통성은 그 적용예에 있어 커다란 잠재성을 제공한다. 표면은 소수성 또는 친수성 모두 가능하다. 또한, 표면의 조도는 단층을 표면에 수송하는 효율에 있어서는 중요하지 않다. 사실 어떠한 표면도 본 방법에 의해 코팅할 수 있다.
하나의 단층이 생성되면, 다른 층이 그 위에 위치될 수 있다. 이와 같이 층을 배치시키는 것을 복합층(multilayer)이라 한다. 본 방법이 매우 빠르고 연속적이기 때문에, 휠을 랩핑함으로써 무제한적으로 위치시킬 수 있다. 본 방법은 동일하거나 또는 다른 종류의 물질로 만들어진 단층을 겹칠 수 있다. 이와 같은 겹침 또는 미립자의 방향정렬을 미립자 건축술이라 한다.
적용예
상기한 바와 같이, 단층은 미립자로 만들어진다. 단층은 단층을 만드는 한 종류의 미립자로 만들어질 수 있지만, 또한 단층에 특별한 소정의 효과를 제공하기 위해 미립자의 조합을 이룰 수도 있다. 또한, 현재 물리화학적 실험기술로 합성할 수 있는 미립자를 포함하여 현재 시장에서 다양한 선택을 할 수 있는 미립자는 본 방법에 사용하는 미립자 및 단층에 대해 거의 무한한 선택을 할 수 있게 한다.
기계적 특성
본 방법은 결함이 없는 단층을 제공한다. 미립자는 연성 또는 강성, 이동형 또는 고정형을 선택할 수 있다. 따라서 표면특성은 마찰이 없는 상태에서 마찰이 큰 상태까지, 무점성에서 점성까지, 강성에서 연성까지, 소성에서 탄성까지 제어할 수 있다.
단층이 얇기 때문에 외부물체와 접촉하였을 때 단위면적당의 비질량, 파장의 속력 및 탄성과 같은 기계적 특성이 크게 간섭을 받게 된다. 이와 같은 고유의 특성은 먼지, 바이러스와 같은 작은 물체나 특히 점성이 있는 물질(항체, 또는 화학 반응물)의 검출에 유용하다.
열적 특성
부피에 대한 표면적의 비가 매우 크기 때문에 단층은 매우 빠른 열방산 능력을 갖는다. 이와 같은 특성은 현재 컴퓨터 산업이 직면한 열 벽(heat wall)을 극복하는 한 방법이 될 수 있다.
화학적 특성
질량에 대한 표면적의 비가 매우 크기 때문에 고체 결정이 단층 조직화과정에서 더욱 활성화 된다. 반응물과 생성물을 수송하는 것이 보다 쉬워지고 유체센서를 보다 민감하게 할 수 있다.
단층 또는 복합층은 계면에서 반응을 제어 및 촉진시키기 위해 두 개의 다른 유체상 사이에 위치될 수 있다. 이를 잘 보여주는 예로는 자연계에서의 광합성을 들 수 있다. 잎은 태양에너지 전환을 위해 나노팩토리(nanofactory)를 만드는 단백질이 포함된 지질 이중층으로 형성된다. 이러한 잎은 지구의 모든 생명체에 산소와 식량을 공급하는 나노-전해질 세포이다. 따라서, 나노팩토리를 포함하는 단층에 기초한 인공적인 화학적 또는 생화학적 장치를 만들 수 있다.
전기적 특성
전도성 물질을 선택하여 얇은 전도체를 제작한다. 이러한 포일을 비전도성 물질의 단층으로 대체하는 것은 나노미터 두께의 절연체와 분리된 큰 표면을 의미한다. 그러나 단층의 질은 전하가 흐르는 결함이 발생하지 않을 정도로 높아야 한다. 일예로, 신경성 섬유의 외피를 형성하는 지질 이중층은 두께가 약 4나노미터 에 지나지 않지만 0.2V의 전압을 견디며, 상기 전압은 미터당 백만볼트의 전기장을 만든다. 본 방법은 집적회로의 실리콘에 높은 커패시턴스 조립체를 직접 제조하는 방법을 제공한다.
전자적 특성
본 방법은 보다 나은 장효과 트랜지스터(a field effect transitor)에 대해 매우 얇은 절연층을 제공한다. 단층의 질이 높고 절연물질의 선택의 폭이 넓기 때문에 전하를 오래 유지하고 재충전 에너지를 작게 할 수 있다. 이는 오랜 수명의 정전기적 메모리에 있어서 중요하다.
근래에 나노리토그래피에서는 분자 단층에 선을 그으면 상기 단층의 두께가 극히 얇기 때문에 선이 보다 날카로워진다는 것을 밝혀냈다. 수 나노미터 크기의 선 및 다른 것을 그리면 나노공학에서 새로운 돌파구를 열게 되는 것이다. 본 방법은 균일한 코팅을 제공하여 상당히 고밀도의 회로를 생산할 수 있다. 또한, 단층을 서로 겹쳐놓을 수 있게 됨으로써 이렇게 적층된 단층에 의해 상기 나노회로의 밀집상태를 복합층으로 할 수 있다.
나노미터 단위의 크기는 전자 터널링과 같이 양자전자공학에 이득을 가져오는 것을 의미한다.
자기적 특성
단층과 같이 매우 얇은 멤브레인을 가로지르는 자기유도가 더 빠르고 쉬우며 더욱 강력하다. 보다 많은 수의 코일을 주어진 공간에 위치시킬 수 있다.
단층은 홀효과와 양자자기장을 측정 및 이용하는 얇은 장치를 제공할 수 있다.
본 방법은 많은 데이터 저장소용 자기 도메인의 표면 밀도를 높게 하는 자기 미립자의 침전에 대한 높은 조절능력 및 완벽한 제어방법을 제공한다.
초전도체
현재 초전도체 연구경향에 따르면, 최고의 초전도체는 2차원 전도체이다. 본 방법은 재료의 선택 및 두께의 범위가 큰 범위 내에서 양질의 2차원 구조체, 결정체, 준결정체 또는 비결정체를 제공한다. 복합층 조립체를 형성하기 위해 2차원 초전도체, 전도체 또는 특정 자기특성을 갖는 절연체의 단층을 임의의 방식으로 겹쳐놓을 수 있다.
광학적 특성
단층의 얇은 정도는 간섭필터, X선에서 적외선 파장까지의 렌즈 또는 반사기 등의 큰 범위에서 조절할 수 있다. 이렇게 조절된 두께는 광학적 터널링 효과에 있어 임계치를 형성한다.
키랄 또는 복굴절 물질을 사용하는 경우, 타원형편광효과 및 커어효과를 포함하여 많은 키랄효과가 있다.
본 방법이 광미립자와 2D 결정을 위치시키는 데에 있어 높은 조절능력 및 완 벽한 제어를 제공하기 때문에 미립자를 2차원(2D) 배열함으로써 간섭효과를 얻을 수 있다.
상기 모든 효과는 홀로그래피, 평면 전자 디스플레이 및 다른 이미지화 장치에 이용할 수 있다.
최첨단 단층 조합은 다른 어떠한 방법을 통해서도 최고의 표면을 형성할 수 있다. 따라서, 본 방법은 특히 신용카드, 현금카드, 지폐, 신분증, 키 락, 보안장치 및 다른 식별표면에 적절하다.
여과
단층에 분자 펌프 또는 이온 통로를 형성하거나 또는 특정 미립자를 제거하여 소정의 크기, 모양, 화학적 특성을 갖는 세공(pore)을 형성할 수 있다. 따라서, 세공의 길이가 짧기 때문에 유체가 단층을 바르게 통과할 수 있다. 본 방법에서, 조립체가 양호하게 제어되기 때문에 세공은 동일하고 최적화된다. 또한, 미립자의 자기 조립특성을 이용하는 본 방법은 나노미터 크기로 그 배치형태를 제어하고, 균일 및 균질한 분배를 최적화 한다.
세공의 직경 및 형상, 이온, 작은 분자, 단백질, 세포, 먼지 및 기타 공기중의 미립자의 선택에 따라 물 또는 다른 유체가 유지되거나 또는 선택적으로 통과할 수 있다. 통로, 세공 또는 단층을 가로지르는 소정의 기타 구멍 등으로 다양하기 때문에, 대규모 여과, 초여과, 삼투 및 투석에 이용할 수 있다. 단층의 두께가 얇기 때문에 바른 유동을 위해 미소한 압력하강이 필요하다.
건강, 음식 및 환경
본 발명은 단층을 형성하는 동안 계면에서 매우 짧은 시간의 천이가 발생가기 때문에 부드러운 물질을 다루는 데에 특히 적합하다. 따라서, 생체계에 관련한 성분을 사용함으로써 단백질과 같은 분자 및 바이러스, 종양 또는 박테리아와 같은 전체 생체계에 생물학적 기능을 이용할 수 있다. 단층의 큰 면적 대 볼륨의 비와 함께 고감도 바이오센서를 얻을 수 있다.
본 방법은 단백질의 2D 결정화에 매우 적합하다. 이는 단백질의 특성화 및 정화를 위한 처리가 될 수 있다.
랭뮤어 방법과 같이, 본 방법은 생체계를 연구하기 위한 생물측정학적 모델을 만드는 데에 이용할 수 있다. 본 방법이 보다 빠르고 생물학적 물질에 덜 공격적이기 때문에 보다 나은 방법이라 할 수 있다. 휘발성 솔벤트를 사용할 필요는 없다.
단층 필터의 효율은 오염제의 효과적인 제어를 위한 에너지 비용을 적게 한다.

Claims (26)

  1. 미립자의 단층을 형성하기 위한 미립자 단층 제조장치에 있어서,
    표면을 형성하는 막, 상기 표면을 형성하는 막에 이동 유체막을 설치하는 유체 공급시스템, 유체가 상기 표면을 형성하는 막을 따라 유동할 때 상기 막에 미립자를 위치시키는 미립자 공급시스템을 포함하고,
    상기 유체의 막은 상기 미립자를 댐으로 향하여 전방에서 운반하고,
    상기 댐은 들어오는 미립자를 나란히 모아서 미립자의 단일층을 점진적으로 형성하며,
    댐의 하류에 위치되어 층이 형성될 때 하나의 미립자층을 연속해서 수용하는 정지된 단일층 수송장치를 포함하고,
    상기 단일층 수송장치는 흐름을 방해하지 않고 미립자 층을 수용하고,
    제어시스템은 막의 후단부가 성장하는 운반유체 바로 상부의 표면에서 물마루의 위치를 모니터링하고,
    상기 제어시스템은 운반유체와 미립자가 분배되는 비율과 램프위의 물마루의 위치 함수로서 상기 단일층 수송장치에 막이 제거된 비율을 조정하는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 공급시스템은 상기 이동 유체가 중력에 의해 상기 표면을 형성하는 막 상에서 유동하도록 상기 댐보다 높은 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면을 형성하는 막은 경사면을 포함하고, 상기 유체 공급시스템 및 상기 미립자 공급시스템은 상기 유체와 상기 미립자가 상기 댐을 향해 상기 경사면 아래로 이동하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 경사면은 고정된 경사 위치 사이에서 탈착이 가능한 램프부를 형성하는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면을 형성하는 막은 미립자가 평면상에서 유동하는 이동 유체에 의해 이동할 때 정지상태에 있는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면을 형성하는 막은 소정 각도의 경사로 고정되는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 평면은 친수성 표면인 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 공급시스템은 표면을 형성하는 필름을 가로지르며 연장하는 다공성 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다공성 인젝터는 이동 유체를 수용하기 위한 중앙통로를 형성하는 원통형으로 설치되고, 상기 중앙통로는 이동 유체를 통과시키는 다공성 벽에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 공급시스템은 상기 유체를 저장하기 위한 가압상태의 저장조를 하나 이상 포함하고, 상기 저장조의 내압은 상기 표면을 형상하는 막 상의 이동 유체의 소정 유동율에 따라 고정된 값으로 유지되는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유체 공급시스템은 혼합물을 제공하기 위해 정제 조정 저장조로부터 수용된 첨가제와 상기 하나 이상의 가압 저장조로부터 수용된 유체를 혼합하는 운반유체 혼합유닛을 포함하고, 상기 혼합물은 상기 표면을 형성하는 막에 분배되기 전에 가압상태의 분배 저장조로 보내지는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 운반유체 혼합유닛은 제 1 가압 저장조가 꽉 차더라도 상기 제조장치가 계속 운전되도록 제 2 가압 저장조에 선택적으로 연결 가능한 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체 공급시스템은 상기 분배 저장조와 유체의 유동이 가능하게 연결되는 중앙통로를 형성하는 벽을 갖는 다공성 인젝터 및 상기 벽을 통해 상기 중앙통로로부터의 유체의 유동을 유도하기 위한 상기 다공성 인젝터의 하류 유동제한기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 미립자 공급시스템 부유된 상태의 미립자를 포함하는 액체의 유동을 수용하기 위한 다공성 인젝터를 포함하고, 상기 다공성 인젝터는 상기 표면을 형성하는 막 상에서 상기 다공성 인젝터 아래로 유동하는 이동 유체의 표면에 미립자를 분배시키도록 위치되는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 미립자 공급시스템은 부유 저장조 및 분배 저장조와 유체의 유동이 가능하게 연결되는 부유 혼합유닛과 유체의 유동이 가능하게 연결되어 선택적으로 위치되는 정제 조정 저장조를 포함하고, 상기 정제 조정 저장조는 부유 액체에 첨가되는 첨가제를 포함하고, 가압유닛은 소정 압력으로 상기 부유 저장조, 상기 정제 조정 저장조 및 상기 분배 저장조를 유지시키는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 미립자 공급시스템은 상기 다공성 인젝터의 벽을 통해 바깥으로 유동하도록 액체와 미립자의 주요부가 다공성 인젝터를 향하도록하는 유동제한기 및 유동제한기를 통과하는 유체부분을 수용하는 재순환유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 재순환유닛은 분배 저장조와 유체의 유동이 가능하도록 선택적으로 연결되는 한 쌍의 저장조 중 하나에 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 미립자 단층 제조장치.
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