KR101120940B1 - 나노와이어를 이용한 고분자 나노 유체 채널의 제조 방법 - Google Patents

나노와이어를 이용한 고분자 나노 유체 채널의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노와이어를 템플릿으로 이용하여 간단하고 안정적인 방법으로 고분자 기반의 나노 유체 채널을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 1) 2개 이상의 전극이 형성된 기판 위에 나노와이어가 분산된 용액을 떨어뜨림으로써 나노와이어가 두 개의 전극 위에 걸쳐져 두 전극을 연결(bridging)하도록 하는 단계; 2) 상기 기판 위에 고분자 용액을 떨어뜨린 후 열경화시켜 고분자 막을 형성하는 단계; 3) 상기 기판과 고분자 막을 식각하여 분리하는 단계; 4) 상기 전극 및 고분자 막에 포함된 나노와이어를 식각하여 상기 나노와이어 패턴을 고분자로 전사시킴으로써 나노 유체 채널을 얻는 단계를 포함한다.

Description

나노와이어를 이용한 고분자 나노 유체 채널의 제조 방법 {Fabrication of monolithic polymer nanofluidic channels using nanowires}
본 발명은 나노와이어를 이용한 고분자 나노 유체 채널의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 나노와이어를 템플릿으로 이용하여 간단하고 안정적인 방법으로 고분자 기반의 나노 유체 채널을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 일차원 또는 다차원적인 영역에서 100 나노 미만의 크기를 가진 나노 유체 채널은 새로운 현상과 다양한 응용 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 채널 크기가 솔루션의 디바이 길이(Debye length)에 접근함에 따라 이온 또는 분자의 새로운 거동이 관찰되는데, 이는 이송된 물질과 채널의 표면 사이의 상호 작용이 이 영역에서 중요한 역할을 하기 때문이다. 또한 나노 유체는 화학 및 생물학적 분석, 이온 수송, 약물 전달, 그리고 DNA와 단백질 조작에 걸친 광범위한 분야에 걸쳐 적용될 수 있다. 따라서 간단하면서도 신뢰할 수 있는 나노 채널 제조 방법을 확립하는 것은 기초과학적인 관점뿐만 아니라 실용적인 관점에서도 중요하다.
벌크 마이크로머시닝 및 희생층 에칭 기술과 같은 종래 나노 채널 제조 기술은 복잡한 여러 단계를 필요로 한다. 더욱이 나노 채널의 폭을 감소시키기 위해서는 엑스선이나 극자외선파(EUV)을 이용하는 개량된 포토리소그래피(PL)을 이용하거나 전자빔(e-beam) 리소그래피, 직속이온빔 장치(FIB), 그리고 나노임프린트 리소그래피(NIL)과 같은 고가의 장비를 이용해야 한다.
반면에, 고분자 기반의 나노 유체 채널 제작은 플렉서블 하고 저렴한 장치를 이용하여 대량 생산이 가능하기 때문에 주목할만한 접근이다. 이미 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), SU-8, 그리고 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용하여 고분자 나노 유체 채널을 제조하는 방법은 제시된 바 있다.
그러나 이러한 제조 과정에서 고가의 나노패턴이 템플릿으로 사용되었다. 또한 고분자 트렌치를 밀봉하기 위한 본딩(bonding) 과정이 필요한데, 부적절한 본딩은 종종 누수 문제를 야기시켜왔다. 따라서 이음매가 없는 고분자 나노 채널을 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 고가의 장비가 필요하지 않으며, 쉽고 안정적인 방법으로 누수 문제가 없는 고분자 기반의 단일체적인 나노 유체 채널을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 나노와이어를 템플릿으로 사용하여 고분자 나노 유체 채널을 제조하는 방법으로서,
1) 2개 이상의 전극이 형성된 기판 위에 나노와이어가 분산된 용액을 떨어뜨림으로써 나노와이어가 두 개의 전극 위에 걸쳐져 두 전극을 연결(bridging)하도록 하는 단계;
2) 상기 기판 위에 고분자 용액을 떨어뜨린 후 열경화시켜 고분자 막을 형성하는 단계;
3) 상기 기판과 고분자 막을 식각하여 분리하는 단계;
4) 상기 전극 및 고분자 막에 포함된 나노와이어를 식각하여 상기 나노와이어 패턴을 고분자로 전사시킴으로써 나노 유체 채널을 얻는 단계를 포함하는 나노 유체 채널의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 4) 단계 이후에 반응성 이온 식각을 통해 나노와이어 주변에 잔류하는 고분자 막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 전극은 산화아연(ZnO) 전극인 것이 바람직하며, 기판 상에 형성된 2개 이상의 전극은 소스와 드레인 전극인 것이 바람직하다. 이때, 소스와 드레인 전극은 기판 상에 리소그래피 방법으로 형성될 수 있으며, 기판은 실리콘다이옥사이드/실리콘(SiO2/Si) 기판인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 사용되는 나노와이어는 산화아연(ZnO) 나노와이어 또는 은(Ag) 나노와이어 중에서 선택되는 것이 바람직하며, 통상 사용되는 산화아연 나노와이어는 직경이 100 - 400nm 범위이며, 은 나노와이어의 직경은 직경 50 - 100nm 정도이다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 은 나노와이어는 질산은(AgNO3), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 테트라부틸암모늄 클로라이드를 무수 에틸렌글리콜에 용해시킨 후 교반하고, 120 - 180 ℃로 가열하여 합성될 수 있으며, 산화아연 나노와이어는 전기화학적 열수처리 방식(hydrothermal electrochemical method)으로 합성될 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 나노와이어가 분산된 용액의 용매는 이소프로필 알코올과 에탄올을 사용할 수 있으며, 상기 고분자는 폴리이미드 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트) 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 고분자 막의 열경화는 150 - 200℃에서 10 - 120분간 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 고분자 막과 전극의 식각은 불산(HF) 용액을 이용하여 수행될 수 있으며, 나노와이어의 식각은 과산화수소(H2O2)와 수산화암모늄(NH4OH)의 혼합용액을 이용하여 수행될 수 있다. 또한 반응성 이온 식각은 20 - 40초간 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 형성된 나노 유체 채널의 직경은 통상 50 - 100nm 범위이다.
본 발명에서는 나노와이어를 템플릿으로 이용하여 이음매가 없는 100 nm 이하의 나노 유체 채널을 성공적으로 제조하였다. 본 발명에 이용되는 나노와이어의 직경과 길이를 조절하여 생성되는 나노 유체 채널의 구조를 변화시킬 수 있으며, 제조 단계가 매우 간단하고, 안정적이며, 고가의 장비를 필요로 하지 않아 경제적이다. 또한 제조된 나노 유체 채널은 이음매가 없는 단일체 구조를 갖기 때문에 서로 다른 물질을 결합하는 방식으로 제조된 나노 유체 채널에서 일어날 수 있는 누수 문제가 발생하지 않는다.
도 1은 나노 유체 채널의 제조 과정을 각 단계별 광학현미경 사진과 함께 개략적으로 보여주고 있다.
도 2는 반응성 이온 식각의 수행 시간을 10, 20, 그리고 30초간 수행한 경우의 나노 유체 채널의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여준다.
도 3의 (a)와 (b)에서는 직속 이온빔 식각 전과 후의 나노 유체 구조의 모습을 주사전자현미경(SEM) 사진으로 보여준다.
도 4의 (a)는 SiO2/Si 기판에 놓여 있는 은 나노와이어의 SEM 사진을 나타내며, 도 4의 (b)와 (c)는 PMMA와 폴리이미드 위에 전사된 나노트렌치 구조의 원자현미경(AFM)과 주사전자현미경(SEM) 사진을 각각 보여준다. 도 4의 (d)는 두 개의 ZnO 전극을 연결하고 있는 직경이 약 65 nm인 은 나노와이어의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
이하 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에서는 화학적으로 합성된 나노와이어를 희생 템플릿을 이용하여, 새롭고 간단하며 저렴한 방식으로 단일 구조를 갖는 고분자 나노 유체 채널을 제조하는 방법을 개발하였다.
먼저 나노와이어 기반의 전계효과트랜지스터(NW-FET) 같은 구조를 제조하는데, 이 구조에 소스/드레인 전극을 형성하고, 나노와이어로 이들을 연결한다. 그 다음 NW-FET과 유사한 희생 템플릿 위에 고분자 용액을 부어서 경화시킨다. 마지막으로 고분자에 대해 선택적으로 나노와이어와 전극 템플릿을 식각하여 나노 유체 채널과 마이크로유체 도관이 외부의 액체 저장소로 각각 연결되도록 한다.
구체적으로 본 발명에 따른 나노와이어를 템플릿으로 사용하여 고분자 나노 유체 채널을 제조하는 방법은
1) 2개 이상의 전극이 형성된 기판 위에 나노와이어가 분산된 용액을 떨어뜨림으로써 나노와이어가 두 개의 전극 위에 걸쳐져 두 전극을 연결(bridging)하도록 하는 단계;
2) 상기 기판 위에 고분자 용액을 떨어뜨린 후 열경화시켜 고분자 막을 형성하는 단계;
3) 상기 기판과 고분자 막을 식각하여 분리하는 단계;
4) 상기 전극 및 고분자 막에 포함된 나노와이어를 식각하여 상기 나노와이어 패턴을 고분자로 전사시킴으로써 나노 유체 채널을 얻는 단계를 포함하는 포함하는 것이 특징이다.
본 발명은 4) 단계 이후에 반응성 이온 식각 방식으로 나노와이어 주변에 잔류하는 고분자 막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 전극은 산화아연(ZnO) 전극인 것이 바람직하며, 기판 상에 형성된 2개 이상의 전극은 소스와 드레인 전극인 것이 바람직하다. 이때, 소스와 드레인 전극은 기판 상에 리소그래피 방법으로 형성될 수 있으며, 기판은 실리콘다이옥사이드/실리콘(SiO2/Si) 기판인 것이 바람직하다. 특히 산화아연 전극은 산성 용액에서 쉽게 제거할 수 있다는 특징이 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 사용되는 나노와이어는 산화아연(ZnO) 나노와이어 또는 은(Ag) 나노와이어 중에서 선택되는 것이 바람직하며, 통상 사용되는 산화아연 나노와이어는 직경이 100 - 400nm 범위이며, 은 나노와이어의 직경은 직경 50 - 100nm 정도이다. 이 범위의 직경을 갖는 나노와이어를 사용하는 것이 바람직한 이유는 채널 크기가 솔루션의 디바이 길이(Debye length)에 접근함에 따라 이온 또는 분자의 새로운 거동이 관찰되는데, 이는 이송된 물질과 채널의 표면 사이의 상호 작용이 이 영역에서 중요한 역할을 하기 때문이다. 수용액 전해질의 디바이 길이가 보통 100 nm 이하이다. 산화아연(ZnO) 또는 은(Ag) 나노와이어를 사용하는 이유는 직경과 길이를 쉽게 조절할 수 있으면서 화학적 합성을 통해 저렴하게 생산할 수 있기 때문에 유용하다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 은 나노와이어는 질산은(AgNO3), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 테트라부틸암모늄 클로라이드를 무수 에틸렌글리콜에 용해시킨 후 교반하고, 120 - 180 ℃로 가열하여 합성될 수 있으며, 산화아연 나노와이어는 전기화학적 열수처리 방식(hydrothermal electrochemical method)으로 합성될 수 있다. 산화아연 나노와이어는 10-4 M 정도의 질산아연 수용액에서 전기화학적으로 성장시킨다. 은/염화은 전극을 기준전극으로 백금을 상대전극으로 사용하였다. 얇은 산화아연막/백금막/크롬막이 코팅된 기판이 나노와이어를 성장시키는 작업전극으로 사용되었다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 나노와이어가 분산된 용액의 용매는 이소프로필 알코올과 에탄올을 사용할 수 있으며, 상기 고분자는 폴리이미드(PI) 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 이 중에서 폴리이미드는 여러 다양한 고분자 중에서 화학적 안정성과 우수한 유전 특성, 그리고 강한 기계적 특성 때문에 더욱 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 고분자 막의 열경화는 150 - 200℃에서 10 - 120분간 수행되는 것이 바람직하다. 또한 고분자 막과 전극의 식각은 불산(HF) 용액을 이용하여 수행될 수 있으며, 나노와이어의 식각은 과산화수소(H2O2)와 수산화암모늄(NH4OH)의 혼합용액을 이용하여 수행될 수 있다. 또한 반응성 이온 식각은 20 - 40초 간 수행되는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명에 따라 형성된 나노트렌치의 직경은 통상 50 - 100nm 범위이다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1-1: 은 나노와이어와 산화아연 나노와이어의 합성
실험에 사용된 시약 중 별도의 언급이 없는 모든 시약은 시그마-알드리치사의 제품을 사용하였다.
2.5 mmol의 질산은(AgNO3, 99 %), 3.75 mmol 의 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mw 약 55,000), 그리고 0.025 mmol 의 테트라부틸암모늄 클로라이드(TBAC, ≥ 97 %)을 50 ml의 무수 에틸렌글리콜(EG, 99.5 %)에 녹인 후 상온(25 ℃)에서 5분간 교반시켰다.
그 후 온도를 150 ℃로 올려 15분간 열을 가해주면, 용액의 색깔이 황색에서 갈색으로 변화한다. 이 갈색 용액 중에는 은 나노와이어와 은 나노입자가 함께 존재하기 때문에, 원심분리를 이용하여 나노와이어를 분리했다. 150 ml 의 아세톤을 합성한 용액에 추가하여 2000 rpm의 속도로 20분간 원심분리시킨 후, 은 나노입자가 포함되어 있는 상층액을 버리고 침전물에 대해서는 다시 두 번의 원심분리 과정을 추가적으로 수행했다.
원심분리 과정을 통하여 직경 68 nm, 표준편차 15 nm의 은 나노와이어를 얻을 수 있었다. 은 나노와이어는 과산화수소수(H2O2, 30%)와 수산화암모늄(NH4OH, 30 %) 용액이 1:1로 섞인 혼합액에서 5분간 식각을 하였다. 한편 전기화학적 열수법(hydrothermal electrochemical method)을 이용하면 직경 298 nm, 표준편차 67 nm의 산화아연 나노와이어를 얻을 수 있다. 산화아연의 경우 불산(HF, 30 %, J T Baker)을 이용하여 식각하였다.
실시예 1-2: 산화아연 나노와이어 구조물의 제작
산화아연 전극은 AZ 1512 포토레지스트(Karl-suss MA6 Mask Aligner)를 이용하여 SiO2/Si 기판 위에 포토리소그래픽 방법으로 형성하였다. 포토레지스트에 노출된 부분은 AZ MIF 300(AZ electronic Materials)와 탈이온수 혼합용액에서 70초 동안 현상한 후 탈이온수를 이용하여 세척하였다. 120 W 전력, 10 mTorr의 내부 압력, 그리고 10 sccm의 아르곤을 흘려 주면서 스퍼터링 증착을 이용하여 전극을 형성하였다. 아세톤을 이용하여 리프트오프를 시킨 후에, 1.2 μm 두께의 산화아연 전극을 얻었다. 소스와 드레인 전극 사이의 간격은 대략 3 ~ 5 μm 정도였다.
산화아연 나노와이어와 은 나노와이어를 각각 아이소프로필알콜(IPA)와 에탄올에 분산시켰다. 나노와이어가 분산되어 있는 용액을 각각의 산화아연 나노와이어와 은 나노와이어가 소스와 드레인 전극에 걸쳐질 때까지, 실리콘다이옥사이드/실리콘 기판 위에 형성된 산화아연 전극 위에 떨어뜨렸다.
실시예 1-3: 나노와이어 구조 패턴의 고분자 막으로의 전사
약 50-60 μl 의 폴리이미드 용액(PI 2556, HD Microsystems)을 0.7 cm x 0.7 cm 크기의 기판 위에 형성된 나노와이어 구조체에 떨어뜨린다. 폴리이미드를 떨어뜨린 기판을 500 sccm의 아르곤이 흐르는 환경에서 200 ℃의 온도로 30분간 경화시켜 줌으로써, 폴리이미드 막을 형성한다. 불산을 이용하여 기판인 폴리이미드 막을 분리시켰다. 이 과정에서 산화아연 전극 또한 불산에 의해 용해되며, 이를 통해 유체 채널이 폴리이미드 막에 형성된다.
PMMA를 사용하는 경우에는 495 K PMMA 용액(6 % in Anisole, Microchem Corp.)을 은 나노와이어가 놓여있는 기판에 떨어뜨려 180℃에서 1분간 경화시킨다. PMMA 막은 불산을 이용하여 기판과 분리시키고, 1:1로 섞인 과산화수소수(H2O2)와 수산화암모늄(NH4OH) 용액을 이용하여 5분간 선택적으로 은 나노와이어를 식각함으로써, PMMA에 형성된 나노 유체 채널을 얻을 수 있었다.
실시예 1-4: 반응성 이온 식각과 직속이온빔 처리
반응성 이온 식각(Reactive Ion Beam, RIE, advanced vacuum)은 산화아연 전극의 식각 이후에 나노와이어 주변에 남아있는 폴리이미드층을 제가하기 위하여 사용한다. 산소(O2)와 테트라플루오르메탄(CF4) 가스는 각각 10 sccm과 30 sccm으로 반응성 이온 식각 챔버에 도입되었다. 전력은 200 W이고, 내부 압력은 40 mTorr로 유지해주었다. 직속 이온빔 장치(FIB)는 갈륨(Ga) 액-고상 이온소스를 사용하였으며, 가속 전압 30 kV와 프로브 전류 50 pA에서 작동시켰다.
식각 과정에서 관련 영역을 보존하기 위하여 텅스텐 헥사카보닐 (W(CO)6) 가스 전구체를 환원시킴으로써 FIB 챔버 내부에서 동시에 100 nm의 텅스텐이 증착되었다.
본 발명자는 상기 실시예를 통해 고가의 나노단위 패터닝 과정 및 장치에 의존하지 않으면서 이음매가 없는 50 nm 이하의 직경을 가진 나노 채널을 성공적으로 제조하였다. 본 발명에서는 폴리이미드 나노 유체 채널이 희생 템플릿과 같은 나노와이어 트랜지스터를 이용하여 제조될 수 있음을 보여준다.
도 1은 나노 유체 채널의 제조 과정을 각 단계의 광학현미경(Carl Zeiss AxioImager.A1m) 사진과 함께 개략적으로 보여주고 있다. 포토리소그래픽 방법으로 패턴이 형성된 산화아연 소스/드레인 전극 위에 산화아연 나노와이어 또는 은 나노와이어를 증착함으로써 전계효과트랜지스터(FET)와 유사한 구조물이 제조되었다(도 1(a)). 도 1a의 우측 사진은 산화아연 나노와이어가 산화아연으로 이루어진 소스와 드레인 전극을 연결해주고 있음을 보여주는 상면도이다. 나노와이어는 높이 1.2 mm의 전극 위에 놓여져 있으며, 이 나노와이어의 가운데 부분은 기판에서 떨어져 있음을 보여준다.
도 1의 (b) 사진은 폴리이미드 용액을 기판 상에 떨어뜨려 주조한 후 경화 과정을 통해, 결과적으로 폴리이미드가 나노와이어와 나노와이어가 놓여있는 기판을 덮고 있는 것을 보여준다. 우측 광학현미경 사진은 폴리이미드 코팅층 아래에 떠 있는 나노와이어의 모습을 보여준다.
도 1의 (c)에서는 불산 에칭에 의한 ZnO 전극의 용해 및 SiO2/Si 기판으로부터 막의 분리를 통해 SiO2/Si 기판 위의 ZnO 전극 패턴이 성공적으로 폴리미미드막에 전사되었음을 알 수 있다. 특히 폴리이미드막으로 전사된 나노와이어는 도 1 (c)의 우측 사진으로부터 확인할 수 있다.
템플릿 기판의 높은 부분은 폴리이미드 막의 낮은 부분으로, 기판의 낮은 부분은 폴리이미드 막의 높은 부분으로 각각 전사되었다. 따라서 원래SiO2/Si 기판으로부터 떠 있던 나노와이어는 전사 단계 후에 고분자 속에 묻히게 되었다. 기대와는 달리, 불산을 통한 식각 과정 이후에 산화아연 전극은 완전히 제거가 되었지만, 나노와이어는 완전히 제거되지 않았다. 폴리이미드 용액이 ZnO 나노와이어 바닥으로 스며들 수 있으며, 경화과정 동안 나노와이어를 덮을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이에 따라 반응성 이온 식각을 통하여 ZnO 나노와이어 위의 폴리이미드 코팅물을 제거하고, 불산 식각을 통하여 산화아연 나노와이어를 노출시켰다. 마지막으로 도 1의 (d)에서 보는 바와 같이 추가적인 불산 식각 과정을 마친 후, 폴리이미드 나노 유체 채널을 얻었다.
도 2는 반응성 이온 식각의 수행 시간을 최적화하여 나노와이어의 주변을 덮고 있는 폴리이미드를 효과적으로 제거하는 것을 보여준다. 본 실험에서는 10, 20, 그리고 30초 세 단계의 다른 시간 동안 식각하였다. 식각 후, 불산을 이용하여 나노와이어를 제거한 다음 나노 유체 채널을 제조하였다. 도 2는 결과를 나타내는 주사전자현미경(SEM, Hitach S-4300) 사진을 보여준다. 도 2의 (a)는 반응성 이온 식각을 10초간 진행한 후, 불산을 이용하여 식각한 사진으로서, 나노와이어 주변의 표면 코팅층이 아직 남아있어, 불산 식각에 의해 나노와이어가 식각되지 않은 것을 보여준다. 도 2의 (b)는 반응성 이온 식각 시간을 20초로 늘린 후 불산으로 나노와이어를 처리한 사진으로서, 나노와이어를 덮고 있는 곳을 부분적으로 식각 하였지만, 완전하지 못한 것을 알 수 있다. 도 2의 (c)에서 보듯이 반응성 이온 식각 시간을 30초로 한 경우에는 주변에 덮인 부분을 완전히 제거하여 나노 유체 채널이 선명히 드러났다. 따라서 나노와이어 주변의 고분자 코팅층을 제대로 식각하기 위해서는 반응성 이온 식각을 20~30초 동안 진행해야 한다는 것을 알 수 있다.
도 3에서는 나노 채널의 형성을 증명하기 위해 직속 이온빔 장치를 이용하여 나노 유체 채널이 묻혀 있는 고분자층의 일부를 제거하였다. 각각의 이온밀링 과정 이후, 샘플을 관찰하였으며, 나노 유체 트렌치가 노출될 때까지 식각을 진행하였다. 도 3의 (a)와 (b)에서는 직속이온빔 식각 전과 후의 나노 유체 구조의 모습을 주사전자현미경 사진으로 보여준다.
도 3의 (a) 사진의 경우, 나노 채널의 가운데 부분은 원래 고분자 아래에 묻혀 있다. 고분자의 직사각형 영역을 이온 밀링 후에는, 나노 유체 채널이 드러나 있다. 나노 채널의 직경은 템플릿의 직경인 250 nm와 일치하였다. 도 3의 (a)와 (b)에서 이온빔은 직사각형의 부분에 집중 될 뿐 아니라 주변 영역에도 영향을 주었다. 이러한 의도하지 않은 주변의 식각 때문에 트렌치를 덮고 있는 고분자의 왼쪽과 오른쪽에서도 약간의 식각이 일어났다. 그러므로 이러한 의도하지 않은 노출 때문에 나노트렌치는 좀더 선명하게 보인다.(도 3의 (a)와 (b))
본 발명에 따른 제조 기술은 산화아연 나노와이어와 폴리이미드에만 국한 되지 않고, 다른 재료에도 확장될 수 있다. 이러한 과정으로, 본 발명자는 은나노와이어가 폴리이미드와 PMMA에서의 나노트렌치 형성을 위한 템플릿으로 사용될 수 있음을 보여준다. 도 4의 (a)는 SiO2/Si 기판에 놓여 있는 은 나노와이어의 SEM 사진을 나타낸다. 도 4의 (b)와 (c)는 PMMA와 폴리이미드 위에 전사된 나노트렌치 구조의 원자현미경(atomic force microscope, AFM, Park Systems)과 주사전자현미경(SEM) 사진을 각각 보여준다. 식각 과정의 높은 선택성에 의하여, 나노트렌치의 직경(100 nm이하 )은 나노와이어의 직경과 거의 일치한다. 도 4의 (d)는 두개의 ZnO 전극을 연결하고 있는 직경이 약 65 nm 인 은 나노와이어의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
또한 본 발명에 사용된 기술을 이용하여 여러 다른 재료의 결합에 기반을 둔 나노 유체 채널을 제조할 수도 있을 것이며, 본 발명에 따른 간단한 나노와이어 식각에 의해 정밀도가 높은 다수의 나노 채널의 정렬이 곧 실현될 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 나노와이어를 템플릿으로 사용하여 고분자 나노 유체 채널을 제조하는 방법으로서,
    1) 2개 이상의 전극이 형성된 기판 위에 나노와이어가 분산된 용액을 떨어뜨림으로써 나노와이어가 두 개의 전극 위에 걸쳐져 두 전극을 연결(bridging)하도록 하는 단계;
    2) 상기 기판 위에 고분자 용액을 떨어뜨린 후 열경화시켜 고분자 막을 형성하는 단계;
    3) 상기 기판과 고분자 막을 식각하여 분리하는 단계;
    4) 상기 전극 및 고분자 막에 포함된 나노와이어를 식각하여 상기 나노와이어 패턴을 고분자로 전사시킴으로써 나노 유체 채널을 얻는 단계를 포함하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4) 단계 이후에 5) 반응성 이온 식각을 통해 나노와이어 주변에 잔류하는 고분자 막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 산화아연(ZnO) 전극인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2개 이상의 전극은 소스와 드레인 전극인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소스와 드레인 전극은 기판 상에 리소그래피 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘다이옥사이드/실리콘(SiO2/Si) 기판인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어는 산화아연(ZnO) 나노와이어 또는 은(Ag) 나노와이어 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산화아연 나노와이어는 직경이 100 - 400 nm인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 은 나노와이어의 직경은 직경 50 - 100nm인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 은 나노와이어는 질산은(AgNO3), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 테트라부틸암모늄 클로라이드를 무수 에틸렌글리콜에 용해시킨 후 교반하고, 120 - 180 ℃로 가열하여 합성되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 산화아연 나노와이어는 전기화학적 열수처리 방식(hydrothermal electrochemical method)으로 합성되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어가 분산된 용액의 용매는 이소프로필 알코올과 에탄올인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리이미드 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 막의 열경화는 150 - 200℃에서 10 - 120분간 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 막과 전극의 식각은 불산(HF) 용액을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 나노와이어의 식각은 과산화수소(H2O2)와 수산화암모늄(NH4OH)의 혼합용액을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 반응성 이온 식각은 20 - 40초간 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 형성된 나노 유체 채널의 직경은 50 - 100nm 범위인 것을 특징으로 하는 나노 유체 채널의 제조 방법.
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