KR101129873B1 - 나노입자 선 제조방법 및 나노입자 네트워크 제조방법과 이를 이용한 나노구조물 제조방법 - Google Patents

Abstract

나노입자 선 형성방법 및 나노입자 네트워크 형성방법과 이를 이용한 나노구조물 형성방법이 개시된다. 이에 의하면, 구조물이 패턴된 소수성(hydrophobic) 상부기판과 친수성(hydrophilic) 하부기판 사이로 모세관원리에 의해 주입된 콜로이드 용액이 구조물 내부에만 선택적으로 공동(air-cavity)을 형성하고, 용매 증발 때 공동 주변의 용액/공기 경계면들이 서로 수렴하며 콜로이드 입자들이 나열됨으로써 나노입자 선을 제조할 수 있고, 콜로이드 용액이 흐르는 방향과 구조물 안의 공동의 배열에 따라 다양한 나노입자 네트워크를 제조할 수 있으며, 나노입자 네트워크를 이용하여 다양한 모양과 기능을 갖는 나노 구조물을 제조할 수 있다.

Description

나노입자 선 제조방법 및 나노입자 네트워크 제조방법과 이를 이용한 나노구조물 제조방법{Methods for manufacturing nanoparticle lines and nanonetworks,and Methods for manufacturing nanostructures using the same}

본 발명은, 콜로이드용액 내부에 형성된 공동(Air-Cavity) 둘레의 용액/공기 경계면들이 용매 증발 때에 서로 수렴하는 현상을 이용함으로써 콜로이드 입자의 크기, 종류, 형태에 관계없이 나노입자를 나열시키도록 한 나노입자 선 제조방법 및 나노입자 네트워크 제조방법과 이를 이용한 나노구조물 제조방법에 관한 것이다.

최근 나노기술은 최소의 면적과 공간에 집적 밀도를 높여 다양한 기능을 수행하는 장치를 만들어내는 수준까지 발전하였다. 나노기술 중에서 가장 경쟁력 있고, 전도유망한 방법 중 하나가 나노입자를 이용하는 것이다. 나노입자는, 그 종류에 따라 다양한 기능성을 가지고 있을 뿐 아니라, 그 크기와 조성비율을 조절할 수 있어서 다양한 분야에 응용 가능하다. 특정파장의 빛을 투과하지 못하는 밴드갭(Band-Gap)을 갖는 삼차원 나노입자결정과 리소그래피 마스크(Lithography Mask)로 사용할 수 있는 이차원 나노입자층이 그 좋은 예이다. 또한, 일차원 나노입자 체인은, 빛과 전자의 통로가 될 수 있음이 밝혀짐으로써 각기 나노 전선과 웨이브가이드로서 응용 가능하다.

그런데 종래의 나노입자 선 제조방법은, 나노입자 사이즈에 맞는 형판을 제작하고, 그 형판 위에서 콜로이드 용액을 증발시킴으로써 나노입자가 형판 안으로 들어가서 배열되는 방법을 주로 사용하였다. 그러나 이러한 방법은, 형판을 제작하기 위한 나노 리소그래피가 반드시 필요하여 저가 공정을 구현하기가 어렵고, 형판 벽에 나노입자가 부착하여 나노입자 선이 자주 끊어지는 등 많은 문제점이 있었으므로 다양한 분야에 활용하는데 큰 제약이 있었다.

따라서 서로 잘 연결된 나노입자 선뿐 아니라 나노입자 선들이 서로 연결된 네트워크를 제조하는 기술을 확립한다면, 이러한 기술은, 전류 및 광신호 전달 및 생화학 물질의 탐지, 분석 그리고 재료 공학 및 에너지 변환, 저장 등 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 하지만 나노입자 네트워크에서 나노입자 선들이 끊어지지 않으면서도 나노입자 선들의 두께와 폭까지 제어하는 것은 쉽지 않은 것이 사실이다. 특히, 나노입자 사이의 연결이 끊어지지 않고, 주기성을 갖는 나노입자 네트워크를 제조하는 방법은 현재 전무한 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은, 나노입자가 서로 끊어지지 않으면서도 두께와 폭을 제어할 수 있는 나노입자 선의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 나노입자 선이 끊어지지 서로 않으면서도 주기성을 갖는 나노입자 네트워크의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 나노구조물 제조방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노입자 선 제조방법은, 하부기판 상에, 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계; 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 공동(air-cavity)을 형성하는 단계; 및 상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 용액은, 나노입자를 포함한 콜로이드 용액인 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 나노입자는, 나노와이어(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노리본(nanofibbon), 양자점(quantum dot), 나노튜브(nanotube), 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 폴리머(polymer), 단백질(protein), 리포좀(liposome), 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 간격을 조절함으로써 상기 나노입자 선의 층과 폭을 조절하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 구조물은, 채널 형태로 패턴될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1부분은, 상기 제2부분보다 상부기판과 하부기판 사이의 간격이 더 좁은 부분인 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 하부기판으로부터 상기 상부기판을 분리함으로써 상기 나노입자 선을 상기 하부기판에 남아 있게 하는 단계를 더 포함하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 하부기판은 친수성 기판이고, 상기 상부기판은 소수성 기판인 것이 가능하다.

또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노입자 네트워크 제조방법은, 하부기판 상에, 복수개의 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계; 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 복수개의 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 복수개의 공동(air-cavity)을 각각 형성하는 단계; 및 상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선이 서로 연결된 나노입자 네트워크를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 수렴현상이 일어날 때, 상기 용액의 흐름 방향을 조절함으로써 상기 나노입자 네트워크의 모양을 변형하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 나노입자 네트워크는, 육각형과 사각형 모양 중 어느 하나로 형성하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 구조물은, 우물 형태로 패턴될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1부분은, 상기 제2부분보다 상부기판과 하부기판 사이의 간격이 더 좁은 부분인 것이 가능하다.

또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노구조물 제조방법은, 하부기판 상에, 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계; 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 공동(air-cavity)을 형성하는 단계; 상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선을 형성하는 단계; 상기 하부기판으로부터 상기 상부기판을 분리함으로써 상기 나노입자 선을 상기 하부기판에 남아 있게 하는 단계; 및 상기 나노입자 선을 포함한 상기 하부기판 상에, 상기 나노입자의 물질과 다른 물질을 입혀 상기 나노입자 선의 각 나노입자의 상반구 상에만 입혀진 물질이 서로 연결된 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하부기판으로부터 상기 나노 구조물을 분리함으로써 상기 나노입자 선에 의해 가려졌던 영역의 하부기판이 노출되고 상기 영역 외부의 하부기판 상에 상기 나노입자의 물질과 다른 물질이 입혀진 나노 구조물을 남기는 단계를 더 포함하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 물질을 증착, 코팅 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.

또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노구조물 제조방법은, 하부기판 상에, 복수개의 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계; 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 복수개의 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 복수개의 공동(air-cavity)을 각각 형성하는 단계; 상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선이 서로 연결된 나노입자 네트워크를 형성하는 단계; 상기 하부기판으로부터 상기 상부기판을 분리함으로써 상기 나노입자 네트워크를 상기 하부기판에 남아 있게 하는 단계; 상기 나노입자 네트워크를 포함한 상기 하부기판 상에, 상기 나노입자의 물질과 다른 물질을 입혀 상기 나노입자 네트워크의 각 나노입자의 상반구 상에만 입혀진 물질이 서로 연결된 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하부기판으로부터 상기 나노 구조물을 분리함으로써 상기 나노입자 네트워크에 의해 가려졌던 영역의 하부기판이 노출되고 상기 영역 외부의 하부기판 상에 상기 나노입자의 물질과 다른 물질이 입혀진 나노 구조물을 남기는 단계를 더 포함하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 물질을 증착, 코팅 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 콜로이드 나노입자의 크기, 종류, 형태와 상관없이 서로 양호하게 연결된 나노입자 선을 제조할 수 있고, 나노입자 선들이 연결된 접합점을 준주기적으로 배열하여 나노입자 네트워크를 제조할 수 있고, 이를 이용하여 나노 구조물을 제조할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법을 개념적으로 나타낸 공정순서도로서, 도 1a는, 구조물이 패턴된 소수성 상부기판과, 친수성 하부기판의 틈 사이로 콜로이드 용액을 모세관 주입함으로써 공동(Air-Cavity)을 형성하는 단계를 나타내고, 도 1b는, 콜로이드 용액이 증발할 때 콜로이드 용액/공기 경계면이 수렴함으로써 나노입자들을 나열시키는 단계를 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법을 나타낸 공정순서도로서, 도 2a는, 마이크로 채널의 구조물이 패턴된 소수성 상부기판을 이용할 때, 도 1a의 과정으로 형성된 콜로이드 용액과 공동을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 2b는, 마이크로 채널의 구조물이 패턴된 소수성 상부기판을 이용할 때, 도 1b의 과정이 진행되고 있는 중인 콜로이드 용액과 공동을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 2c는, 도 2b의 과정이 진행 완료되고 소수성 상부기판을 친수성 하부기판으로부터 분리하기 전에, 선형으로 배열된 나노입자들을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 2d는, 도 2b의 과정이 진행 완료되고 소수성 상부기판을 친수성 하부기판으로부터 분리한 후에, 하부기판 상의 나노입자들이 연결된 나노입자 선을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법에 의해 제조된 나노입자 선을 나타낸 전자현미경 사진으로서, 도 3a는, 단일층 나노입자 선을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 3b는, 이층 나노입자 선을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 네트워크 제조방법을 나타낸 공정순서도로서, 도 4a는, 마이크로 사각 우물의 구조물이 패턴된 보조기판을 이용할 때, 도 1a의 과정이 완료된 후에 콜로이드 용액 내에 형성된 공동을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4b는, 마이크로 사각 우물의 구조물이 패턴된 보조기판을 이용하고 증발에 의한 콜로이드 용액의 흐름 방향이 사각형의 대각선 방향(하얀 화살표로 표시함)인 경우를 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4c는, 마이크로 사각 우물의 구조물이 패턴된 보조기판을 이용하고 증발에 의한 콜로이드 용액의 흐름 방향이 사각형 변의 방향(하얀 화살표로 표시함)인 경우를 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4d는, 도 4b의 과정으로 형성된 준주기적인 육각형 모양의 나노입자 네트워크를 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4e는, 도 4c의 과정으로 형성된 준주기적인 사각형 모양의 나노입자 네트워크를 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 네트워크 제조방법에 의해 제조된 나노입자 네트워크의 접합점을 나타낸 전자현미경 사진으로서, 도 5a는, 도 4d에 도시된 육각형 모양의 나노입자 네트워크의 접합점을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 5b는, 도 4e에 도시된 사각형 모양의 네트워크의 접합점을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노구조물 제조방법에 의해 제조된 나노구조물을 나타낸 도면으로서, 도 6a는, 나노입자 네트워크에 금속을 증착하여 나노구조물을 형성하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 6b는, 나노입자 네트워크에 금속을 증착한 나노 구조물을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 6c는, 금속을 증착한 나노입자 네트워크를 분리한 후의 나노 구조물을 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 7a는, 금속을 증착한 사각형 나노입자 네트워크의 광학특성을 다크필드 현미경(dark field microscopy)으로 관찰하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 7b는, 도 7a에 도시된 빛의 조사방향에 따른 나노입자 네트워크의 광학특성을 각각 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 8a는, 금속을 증착한 나노입자 네트워크를 분리한 기판에 백색광을 투과시켜 광학특성을 관찰하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 8b는, 도 8a에 도시된 백색광의 편광방향에 따른 투과 빛을 각각 나타낸 광학현미경 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법 및 나노입자 네트워크 제조방법과 이를 이용한 나노구조물 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법을 개념적으로 나타낸 공정순서도로서, 도 1a는, 구조물이 패턴된 소수성 상부기판과, 친수성 하부기판의 틈 사이로 콜로이드 용액을 모세관 주입함으로써 공동(Air-Cavity)을 형성하는 단계를 나타내고, 도 1b는, 콜로이드 용액이 증발할 때 콜로이드 용액/공기 경계면이 수렴함으로써 나노입자들을 나열시키는 단계를 나타낸다.

도 1a를 참조하면, 하부기판(10)과 상부기판(20)을 상하로 배치시킨다. 즉, 하부기판(10)의 상면과 상부기판(20)의 하면을 미세한 간격(G)을 두고 배치시킨다. 여기서, 하부기판(10)은 평기판이다. 상부기판(20)은, 용액 예를 들어, 콜로이드 용액(30) 내에 공동(40)을 형성하기 위한 구조물, 예를 들어 사각홈 형상의 채널(21)이 복수개 형성된 기판이다. 하부기판(10)은 바람직하게는, 친수성 기판이고, 상부기판(20)은 바람직하게는 소수성 기판이다.

하부기판(10)과 상부기판(20)이 배치되고 나면, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 틈으로 용액, 예를 들어 콜로이드 용액(30)을 주입시킨다. 여기서, 콜로이드 용액(30)은, 복수개의 나노입자, 예를 들어 콜로이드 입자(31)를 포함하고 있다.

콜로이드 용액(30)이 주입되고 나면, 콜로이드 용액(30)은, 모세관 현상에 의해 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격이 좁은 제1부분에만 채워져 위치하는 반면에 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격이 넓은 제2부분, 즉 하부기판(10)과 채널(21) 사이의 부분에 전혀 위치하지 않는다. 따라서 제2부분에서는 공동(air-cavity)(40)이 형성될 수가 있다.

도 1b를 참조하면, 이후, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 콜로이드 용액(30)을 증발시킨다. 이에 따라 콜로이드 용액(30)과 공동(40)의 경계면이 수렴한다. 이때, 콜로이드 용액(30)과 공동(40)의 경계면에서는, 콜로이드 입자(31)에 작용하는 모세관 힘(Capilary Force)(50)에 의해 콜로이드 입자(31)가 정렬한다. 따라서 콜로이드 입자(31)의 나노입자 선이 형성된다.

이러한 경계면 수렴현상은, 콜로이드 용액(30)이 증발할 때, 공동(40)의 형태 및 배치와, 콜로이드 용액(30)의 흐름 방향에 따라 각각 다른 형태를 보이는데, 이는 다양한 모양의 나노입자 네트워크를 제작 가능하게 한다.

한편, 공동(40)을 형성하기 위하여, 보조기판의 역할을 하는 상부기판(20)을, 다양한 재질의 기판 위에 물리화학적 패터닝 기법에 의해 제작 가능하지만, 본 실시예에서는 쿼츠 웨이퍼(Quartz Wafer)(결정방향은 (100)이다)의 일부분을 포토리소그래피 공정을 통하여 식각한 후, 공동(40)의 형성을 더욱 용이하게 하기 위하여, 소수성을 띠는 분자, 예를 들어 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane: OTS)을 처리함으로써 제작하였다.

도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법을 나타낸 공정순서도로서, 도 2a는, 마이크로 채널의 구조물이 패턴된 소수성 상부기판을 이용할 때, 도 1a의 과정으로 형성된 콜로이드 용액과 공동을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 2b는, 마이크로 채널의 구조물이 패턴된 소수성 상부기판을 이용할 때, 도 1b의 과정이 진행되고 있는 중인 콜로이드 용액과 공동을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 2c는, 도 2b의 과정이 진행 완료되고 소수성 상부기판을 친수성 하부기판으로부터 분리하기 전에, 선형으로 배열된 나노입자들을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 2d는, 도 2b의 과정이 진행 완료되고 소수성 상부기판을 친수성 하부기판으로부터 분리한 후에, 하부기판 상의 나노입자들이 연결된 나노입자 선을 나타낸 광학현미경 사진이다.

도 2a를 참조하면, 먼저, 하부기판(10), 예를 들어 친수성 평기판 상에 상부기판(20), 예를 들어 소수성 기판을 배치한다. 여기서, 하부기판(10)을 향하는 상부기판(20)의 하면에, 구조물, 예를 들어 주기적인 마이크로 채널 모양의 구조물이 일방향으로 연장하도록 미리 패턴되어 있다. 한편, 마이크로 채널 모양의 구조물은, 단지 일 실시예를 위한 것일 뿐이고, 본 발명에서 제시하는 나노입자 선 제조방법 또는 나노입자 네트워크 제조방법은, 마이크로 채널 모양의 구조물 외에 다양한 구조물을 갖는 상부기판을 이용할 수가 있다.

이러한 상태에서, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 틈으로 용액, 예를 들어 콜로이드 용액(30)을 주입한다. 여기서, 콜로이드 용액(30)은, 나노입자인 콜로이드 입자, 예를 들어 약 300㎚ 크기의 폴리스티렌(polystyrene) 입자를 무게비 약 1%로 함유하고, 나노입자는, 나노와이어(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노리본(nanofibbon), 양자점(quantum dot), 나노튜브(nanotube), 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 폴리머(polymer), 단백질(protein), 리포좀(liposome), 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 이러한 선택은, 단지 일 실시예를 위한 것일 뿐이고, 다양한 크기, 형태, 농도, 종류에 관계없이 본 발명에서 제시하는 나노입자 선 제조방법 또는 나노입자 네트워크 제조방법에 적용 가능하다.

이에 따라, 콜로이드 용액(30)은, 모세관 현상에 의해 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격(gap)이 좁은 제1부분에만 선택적으로 위치하는 반면에, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격이 넓은 제2부분, 즉 채널 형태의 구조물이 형성된 부분에 전혀 위치하지 않는다. 그러므로 상부기판(20)의 채널 모양의 구조물에 공동(air-cavity)(40)이 형성된다. 이때, 콜로이드 용액(30)의 폭이 W1이고, 공동(40)의 폭이 W2이다.

도 2b를 참조하면, 이후, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 콜로이드 용액(30)을 증발시킨다. 이에 따라 콜로이드 용액(30)과, 공동(40) 내의 공기 사이의 경계면이 수렴현상을 나타낸다. 이때, 콜로이드 용액(30)과 공기 사이의 경계면에서 콜로이드 입자에 작용하는 모세관 힘(Capilary Force)(화살표로 표시됨)에 의해 콜로이드 입자가 일렬로 정렬한다. 이러한 경계면 수렴현상은, 콜로이드 용액(30)이 증발할 때, 공동의 형태 및 배치와, 콜로이드 용액의 흐름 방향에 따라 다른 형태를 보인다. 이는, 다양한 모양의 나노입자 네트워크를 제작 가능하게 해준다.

이때, 콜로이드 용액(30)의 폭이 W1에서 W3로 좁아지고, 공동(40)의 폭이 W2에서 W4로 넓어진다.

도 2c를 참조하면, 계속하여 콜로이드 용액(30)을 증발시켜 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 콜로이드 용액(30)을 없앤다. 따라서 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이에는 콜로이드 입자(61)가 일렬로 정렬하여 연결된 나노입자 선이 완성된다.

도 2d를 참조하면, 이어서, 상부기판(20)을 하부기판(10)으로부터 분리한다. 이때, 콜로이드 입자(61)가 일렬로 정렬한 나노입자 선이 하부기판(10) 상에 그대로 존재할 수 있다. 이것은, 상부기판(20)이 소수성 기판이고, 하부기판(10)이 친수성 기판이기 때문이다.

한편, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격을 조절함으로써 나노입자 선의 입자 층수 및 폭을 조절할 수 있는데, 이를 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 선 제조방법에 의해 제조된 나노입자 선을 나타낸 전자현미경 사진으로서, 도 3a는, 단일층 나노입자 선을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 3b는, 이층 나노입자 선을 나타낸 전자현미경 사진이다.

도 3a를 참조하면, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격이 h이고, 콜로이드 입자(71)의 크기가 s일 때, 1s < h < 2s 이면, 입자 층수가 1층이고, 입자 1개의 폭을 갖는 나노입자 선이 형성될 수 있다. 이러한 나노입자 선이 끊어지지 않고 연결되어 있는 것이 전자현미경 사진을 통하여 확인된다.

도 3b를 참조하면, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이의 간격이 h이고, 콜로이드 입자(71)의 크기가 s일 때, 2s < h < 3s 이면, 입자 층수가 2층이고, 입자 2개의 폭을 갖는 나노입자 선이 형성될 수 있다. 이러한 나노입자 선이 끊어지지 않고 연결되어 있는 것이 전자현미경 사진을 통하여 확인된다.

따라서 본 발명은, 다양한 층과 폭을 갖는 나노입자 선을 제조할 수 있다.

도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 네트워크 제조방법을 나타낸 공정순서도로서, 도 4a는, 마이크로 사각 우물의 구조물이 패턴된 보조기판을 이용할 때, 도 1a의 과정이 완료된 후에 콜로이드 용액 내에 형성된 공동을 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4b는, 마이크로 사각 우물의 구조물이 패턴된 보조기판을 이용하고 증발에 의한 콜로이드 용액의 흐름 방향이 사각형의 대각선 방향(하얀 화살표로 표시함)인 경우를 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4c는, 마이크로 사각 우물의 구조물이 패턴된 보조기판을 이용하고 증발에 의한 콜로이드 용액의 흐름 방향이 사각형 변의 방향(하얀 화살표로 표시함)인 경우를 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4d는, 도 4b의 과정으로 형성된 준주기적인 육각형 모양의 나노입자 네트워크를 나타낸 광학현미경 사진이고, 도 4e는, 도 4c의 과정으로 형성된 준주기적인 사각형 모양의 나노입자 네트워크를 나타낸 광학현미경 사진이다. 도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노입자 네트워크 제조방법에 의해 제조된 나노입자 네트워크의 접합점을 나타낸 전자현미경 사진으로서, 도 5a는, 도 4d에 도시된 육각형 모양의 나노입자 네트워크의 접합점을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 5b는, 도 4e에 도시된 사각형 모양의 네트워크의 접합점을 나타낸 전자현미경 사진이다.

도 4a를 참조하면, 먼저, 하부기판(110), 예를 들어 친수성 평기판 상에 상부기판(120), 예를 들어 소수성 기판을 배치한다. 여기서, 하부기판(110)을 향하는 상부기판(120)의 표면에는, 복수개의 공동(140)을 형성하기 위한 구조물, 즉 복수개의 마이크로 사각 우물(121)과 같은 구조물이 미리 패턴되어 있다. 한편, 마이크로 사각 우물과 같은 구조물은, 단지 실시예를 위한 것일 뿐이고, 본 발명에서 제시하는 나노입자 네트워크를 형성하기 위한 방법은 다양한 구조물을 가진 상부기판을 이용할 수 있음은 물론이다.

이러한 상태에서, 하부기판(110)과 상부기판(120) 사이의 틈으로 용액, 예를 들어 콜로이드 용액(130)을 주입한다. 여기서, 콜로이드 용액(130)은, 콜로이드 입자, 예를 들어 약 300㎚ 크기의 폴리스티렌(polystyrene) 입자를 무게비 약 1%로 함유한다. 이러한 콜로이드 용액(130)의 선택은, 단지 실시예를 위한 것일 뿐이고, 다양한 크기, 형태, 농도, 종류에 관계없이 본 발명에서 제시하는 나노입자 네트워크를 형성하기 위한 방법에 적용 가능하다.

이에 따라, 콜로이드 용액(130)은, 모세관 현상에 의해 하부기판(110)과 상부기판(120) 사이의 간격(gap)이 좁은 제1부분에만 선택적으로 위치하는 반면에, 하부기판(110)과 상부기판(120) 사이의 간격이 넓은 제2부분, 즉 마이크로 사각 우물(121)과 같은 사각형 구조물이 형성된 부분에 전혀 위치하지 않는다. 따라서 상부기판(20)의 마이크로 사각 우물(121)에 공동(air-cavity)(140)이 형성된다. 이를 광학현미경을 통하여 확인할 수 있다.

이후, 하부기판(110)과 상부기판(120) 사이의 콜로이드 용액(130)을 증발시키기 시작한다. 이때, 공동(140)의 상대적 위치에 따른 콜로이드 용액(130)의 흐름 방향에 따라 콜로이드 용액(130)과, 공동(140) 내의 공기 사이의 경계면에서 콜로이드 입자에 작용하는 모세관 힘에 의해 다양한 형태의 수렴현상을 나타낸다.

이에 따라 나노입자 선이 서로 연결된 접합점을 갖는 나노입자 네트워크가 형성된다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 콜로이드 용액(130)의 흐름 방향이 사각형 구조물인 우물(121)의 대각선의 방향(백색 화살표로 표시된 방향)일 때, 육각형 모양의 나노입자 네크워크가 형성된다. 또는, 도 4c에 도시된 바와 같이, 콜로이드 용액(130)의 흐름 방향이 사각형 구조물인 우물(121)의 변의 방향(백색 화살표로 표시된 방향)일 때, 사각형 모양의 나노입자 네트워크가 형성된다.

계속하여 콜로이드 용액(130)을 증발시켜 하부기판(110)과 상부기판(120) 사이의 콜로이드 용액(130)을 완전히 없앤다. 따라서 하부기판(110)과 상부기판(120) 사이에는 나노입자 선이 서로 연결된 접합점을 갖는 나노입자 네트워크가 완성된다.

즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 콜로이드 용액(130)의 흐름 방향이 사각형 구조물인 우물(121)의 대각선의 방향(백색 화살표로 표시된 방향)인 경우에는, 도 4d에 도시된 바와 같이, 육각형 모양의 나노입자 네크워크가 준주기적인 배열을 이루며 완성된다. 이때, 육각형 모양의 나노입자 네트워크의 일부분인 접합점은 Y자 모양의 접합점이다.

또는, 도 4c에 도시된 바와 같이, 콜로이드 용액(130)의 흐름 방향이 사각형 구조물인 우물(121)의 변의 방향(백색 화살표로 표시된 방향)인 경우에는, 도 4e에 도시된 바와 같이, 사각형 모양의 나노입자 네트워크가 준주기적인 배열을 이루며 완성된다. 이때, 사각형 모양의 나노입자 네트워크의 일부분인 접합점은, X자 모양의 접합점이다.

그 다음에, 상부기판(120)을 하부기판(110)으로부터 분리함으로써 하부기판(110)에 도 4d 또는 도 4e에 도시된 바와 같은 나노입자 네트워크가 그대로 존재할 수 있다. 이는 상부기판(20)이 소수성 기판이고, 하부기판(10)이 친수성 기판이기 때문이다.

도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노구조물 제조방법에 의해 제조된 나노구조물을 나타낸 도면으로서, 도 6a는, 나노입자 네트워크에 금속을 증착하여 나노구조물을 형성하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 6b는, 나노입자 네트워크에 금속을 증착한 나노 구조물을 나타낸 전자현미경 사진이고, 도 6c는, 금속을 증착한 나노입자 네트워크를 분리한 후의 나노 구조물을 나타낸 전자현미경 사진이다.

도 6a를 참조하면, 먼저, 앞서 설명한 바와 같은 나노입자 네트워크 제조방법을 이용하되, 예를 들어 약 97㎚ 직경의 콜로이드 입자를 함유한 콜로이드 용액으로 나노입자 네트워크를 제조한다. 여기서, 나노입자 네트워크의 나노입자는 일렬로 서로 잘 연결되어 있음은 물론이다.

그런 다음, 예를 들어 금속증착(metal deposition)공정 등을 이용하여 나노입자 네트워크에 금속(M), 예를 들어 금(glod), 은(silver) 등을 증착한다. 이때, 금속(M)은, 나노입자 네트워크의 나노입자의 상반구에 증착될 뿐 아니라 나노입자 외측의 하부기판 부분 상에도 증착된다. 반면에, 금속(M)은, 나노입자의 하반구에 증착되지 않을 뿐 아니라 나노입자에 의해 가려진 하부기판 부분에도 증착되지 않는다. 그러므로 나노입자 상의 금속 나노반외피(half-nanoshell)는, 하부기판 상의 금속과 실질적으로 분리된 상태이다.

따라서 하부기판에는, 도 6b의 전자현미경 사진에 도시된 바와 같이, 금속 나노반외피(half-nanoshell)가 서로 연결된 나노입자 네트워크와 같은 나노 구조물을 제조할 수가 있다.

또한, 금속 나노반외피(half-nanoshell)가 서로 연결된 나노입자 네트워크를 하부기판으로부터 분리해내고 나면, 하부기판에는 도 6c의 전자현미경에 도시된 바와 같이, 유전체 디스크들(dielectric disks)이 연결된 네트워크와 같은 나노 구조물을 남길 수도 있다.

따라서 본 발명은, 이러한 나노 구조물을 제조하는데 있어서, 기존의 이온빔(ino beam), 전자빔(electron beam) 등의 나노 리소그래피가 필요하지 않을 뿐 아니라 콜로이드 입자의 크기가 곧 나노입자 선의 폭을 결정하기 때문에 나노 리소그래피의 한계 해상도 이상까지 구현 가능하다.

한편, 금속의 증착은 일 실시예를 위한 것일 뿐이고, 본 발명에서 제시하는 나노입자 네트워크를 이용한 나노 구조물 형성방법은, 유기물, 무기물 등 다양한 물질을 사용할 수 있고, 또한 코팅 및 주조 방법을 적용하는 것도 가능하다.

도 7a는, 금속을 증착한 사각형 나노입자 네트워크의 광학특성을 다크필드 현미경(dark field microscopy)으로 관찰하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 7b는, 도 7a에 도시된 빛의 조사방향에 따른 나노입자 네트워크의 광학특성을 각각 나타낸 광학현미경 사진이다.

도 7a를 참조하면, 도 6a에 도시된 바와 같이 제조된 금속 나노반외피 구조의 네트워크는, 가시광 영역에서 동작하는 옵티컬 안테나로서 응용할 수가 있다. 이러한 금속 나노반외피 구조의 네트워크를 다크필드(dark field) 현미경으로 관찰하면, 즉, 백색광(white light)을 불투명판(opaque plate)과 렌즈(lens)를 통하여 기판, 예를 들어 글래스(glass) 기판의 하면에서 상면으로 향상하는 방향으로 조사하고, 대물렌즈(objective lens)를 통하여 기판의 상면 상의 금속 나노반외피 구조의 네트워크(금(gold)이 증착됨)를 관찰하면, 도 7b의 광학현미경 사진에 도시된 바와 같이, 조사하는 광의 방향에 수직한 선들만이 표면 플라즈몬 파(Surface Plasmon Polariton)의 보강간섭조건을 만족함으로써 스캐터링(Scattering)을 통해 밝게 빛나는 현상을 확인할 수 있다.

이러한 금속 나노반외피 구조의 네트워크와 같은 나노 구조물은, 주위 환경의 변화에 민감하기 때문에, 다양한 용도의 각종 생화학물질, 가스 센서 등으로 응용 가능하다.

도 8a는, 금속을 증착한 나노입자 네트워크를 분리한 기판에 백색광을 투과시켜 광학특성을 관찰하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 8b는, 도 8a에 도시된 백색광의 편광방향에 따른 투과 빛을 각각 나타낸 광학현미경 사진이다.

도 8a를 참조하면, 도 6c에 도시된 바와 같이 제조된 유전체 디스크 네트워크는 연결부의 날카로운 팁(tip) 구조에 의해 편광방향에 따라 투과영역을 조절하는 슬릿(slit)으로 사용할 수가 있다. 이러한 유전체 디스크 네트워크를 관찰하면, 즉, 백색광(white light)을 편광기(polarizer)를 통하여 기판, 예를 들어 글래스(glass) 기판의 하면에서 상면으로 향상하는 방향으로 조사하고, 대물렌즈(objective lens)를 통하여 기판 상면 상의 유전체 디스크 네트워크(은(silver)이 증착됨)를 관찰하면, 유전체 디스크 네트워크는, 연결부의 뾰족한 팁(tip)구조가 주기적으로 있기 때문에 백색광의 편광방향에 따라 표면 플라즈몬 파의 진동 모드가 달라짐으로써 슬릿을 투과하는 빛의 파장을 조절할 수가 있다. 도 8b의 광학현미경 사진에 도시된 바와 같이, 편광방향에 따라 투과하는 빛이 달라지는 현상을 확인할 수가 있다.

따라서 유전체 디스크 네트워크는, 주위 환경의 변화에 민감하기 때문에, 다양한 용도의 각종 생화학물질, 가스 센서 등 여러 용도의 센서로 응용될 수 있을 뿐 아니라 전류가 흐르는 전기회로, 표면 플라즈몬 파의 형태로 빛을 진행시키는 웨이브가이드(Wave Guide), 표면 플라즈몬 파 발생기 등으로도 사용 가능하다.

따라서 본 발명에 따른 나노입자 네트워크 및 이를 이용한 나노 구조물은 그 기능성에 따라 전기적 회로, 광학장치, 생화학센서, 에너지변환장치 등에 활용될 수 있다.

한편, 전술한 내용은 후술하는 본 발명의 특허청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 실시예를 중심으로 기술하였다. 본 발명의 특허청구범위는 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음은 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용될 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

10,110: 하부기판 20,120: 상부기판
21: 채널 121: 사각 우물
30,130: 콜로이드 용액 31,61,71: 콜로이드 입자
40,140 : 공동 50: 모세관 힘
M: 금속

Claims (19)

1. 하부기판 상에, 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계;
   상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 공동(air-cavity)을 형성하는 단계; 및
   상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용액은, 나노입자를 포함한 콜로이드 용액인 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노입자는, 나노와이어(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노리본(nanofibbon), 양자점(quantum dot), 나노튜브(nanotube), 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene), 폴리머(polymer), 단백질(protein), 리포좀(liposome), 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 간격을 조절함으로써 상기 나노입자 선의 층과 폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 구조물은, 채널 형태로 패턴된 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1부분은, 상기 제2부분보다 상부기판과 하부기판 사이의 간격이 더 좁은 부분인 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 하부기판으로부터 상기 상부기판을 분리함으로써 상기 나노입자 선을 상기 하부기판에 남아 있게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 하부기판은 친수성 기판이고, 상기 상부기판은 소수성 기판인 것을 특징으로 하는 나노입자 선 제조방법.
9. 하부기판 상에, 복수개의 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계;
   상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 복수개의 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 복수개의 공동(air-cavity)을 각각 형성하는 단계; 및
   상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선이 서로 연결된 나노입자 네트워크를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 네트워크 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 수렴현상이 일어날 때, 상기 용액의 흐름 방향을 조절함으로써 상기 나노입자 네트워크의 모양을 변형하는 것을 특징으로 하는 나노입자 네트워크 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 나노입자 네트워크를 육각형과 사각형 모양 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노입자 네트워크 제조방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 구조물은, 우물 형태로 패턴된 것을 특징으로 하는 나노입자 네트워크 제조방법.
13. 제9항에 있어서, 상기 제1부분은, 상기 제2부분보다 상부기판과 하부기판 사이의 간격이 더 좁은 부분인 것을 특징으로 하는 나노입자 네트워크 제조방법.
14. 하부기판 상에, 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계;
    상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 공동(air-cavity)을 형성하는 단계;
    상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선을 형성하는 단계;
    상기 하부기판으로부터 상기 상부기판을 분리함으로써 상기 나노입자 선을 상기 하부기판에 남아 있게 하는 단계; 및
    상기 나노입자 선을 포함한 상기 하부기판 상에, 상기 나노입자의 물질과 다른 물질을 입혀 상기 나노입자 선의 각 나노입자의 상반구 상에만 입혀진 물질이 서로 연결된 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물 제조방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 하부기판으로부터 상기 나노 구조물을 분리함으로써 상기 나노입자 선에 의해 가려졌던 영역의 하부기판이 노출되고 상기 영역 외부의 하부기판 상에 상기 나노입자의 물질과 다른 물질이 입혀진 나노 구조물을 남기는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물 제조방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 물질을 증착, 코팅 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물 제조방법.
17. 하부기판 상에, 복수개의 구조물이 패턴된 상부기판을 배치하는 단계;
    상기 하부기판과 상기 상부기판 사이의 틈으로 나노입자를 포함한 용액을 주입함으로써 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제1부분에 상기 용액을 위치시키고, 상기 복수개의 구조물에 대응하는, 상기 상부기판과 상기 하부기판 사이의 제2부분에 복수개의 공동(air-cavity)을 각각 형성하는 단계;
    상기 용액과 상기 공동 사이의 경계면에서 수렴현상을 일으키게 함으로써 상기 나노입자를 정렬한 나노입자 선이 서로 연결된 나노입자 네트워크를 형성하는 단계;
    상기 하부기판으로부터 상기 상부기판을 분리함으로써 상기 나노입자 네트워크를 상기 하부기판에 남아 있게 하는 단계;
    상기 나노입자 네트워크를 포함한 상기 하부기판 상에, 상기 나노입자의 물질과 다른 물질을 입혀 상기 나노입자 네트워크의 각 나노입자의 상반구 상에만 입혀진 물질이 서로 연결된 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물 제조방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 하부기판으로부터 상기 나노 구조물을 분리함으로써 상기 나노입자 네트워크에 의해 가려졌던 영역의 하부기판이 노출되고 상기 영역 외부의 하부기판 상에 상기 나노입자의 물질과 다른 물질이 입혀진 나노 구조물을 남기는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물 제조방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 물질을 증착, 코팅 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물 제조방법.

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