KR101369442B1 - 소프트 식각법을 사용하는 나노 단위 특징부의 형성 방법 - Google Patents

소프트 식각법을 사용하는 나노 단위 특징부의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소프트 식각법을 사용하는 분자막 형성 방법을 제공한다. 상기 방법은 성형 가능한 중합체 조성물로 적어도 1개의 나노 단위 특징부를 갖는 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패턴의 적어도 일부를 제1 기판 인접부에 배치하는 단계를 포함한다.
Figure R1020087023888
소프트 식각법, 분자막, 나노 단위

Description

소프트 식각법을 사용하는 나노 단위 특징부의 형성 방법{METHOD OF FORMING NANOSCALE FEATURES USING SOFT LITHOGRAPHY}
본 발명은 일반적으로 소프트 식각법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 소프트 식각법을 사용하는 나노 단위 특징부 (nanoscale feature)의 형성 방법에 관한 것이다.
사진 식각법은 전자 장치, 자기 장치, 기계 장치 및 광학 장치 뿐만 아니라, 생물 화학적 분석용으로 사용될 수 있는 장치를 제조하는 데 널리 사용된다. 예를 들면, 사진 식각법은 반도체 장치 중의 회로 부품의 특징부 및/또는 구성, 예컨대 1개 이상의 트랜지스터, 바이어스 (vias), 인터커넥트 등을 형성하는 데 사용될 수 있다. 다른 예를 들면, 사진 식각법은 광학 도파관 및 부품의 구조물 및/또는 동작 특징부를 형성하는 데에도 사용될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 사진 식각법은 이온 분리, 반응 촉매 등을 비롯한 화학 반응 부위 및/또는 분석 부위에 유체를 이송하고 제공하는 데 사용될 수 있는 구조물을 형성하는 데 사용될 수 있다. 종종 랩온어칩 (lab-on-a-chip)이라고 부르는 이들 구조물들은 반도체 장치, 센서, DNA 분리기, 분자막(分子膜) 등에 사용될 수 있다.
통상의 투사(透射) 방식의 사진 식각법에서는 포토레지스트 박막을 기판 표면에 첨부하여 포토레지스트의 선택된 부분들을 빛의 패턴에 노출시킨다. 예를 들면, 광원으로부터 기판 표면의 일부를 차폐하는 데 마스크 또는 마스킹층이 사용될 수 있다. 이 때, 포토레지스트층을 현상하여 포토레지스트층의 노출부 (또는 비노출부)를 에칭시킬 수 있다. 기존의 사진 식각법의 해상도는 비교적 고도의 정확도를 결정할 수 있는데, 그 이유의 적어도 일부는 기존의 사진 식각법이 양호하게 정의된 광학 기술을 채용하기 때문이다. 그러나, 기존의 사진 식각법의 해상도는 빛의 파장, 포토레지스트 및/또는 기판에서의 산란능, 포토레지스트층의 두께 및/또는 성질, 기타의 효과에 의하여 제한될 수 있다. 결론적으로, 투사 방식의 사진 식각법을 사용하여 크기 (또는 임계적 크기)가 약 100 나노미터 이하인 특징부를 제조하는 것은 일반적으로는 비경제적인 것으로 간주된다. 경제적 고려를 무시한다고 하더라도, 투사 방식의 사진 식각법을 사용하여 크기 (또는 임계적 크기)가 약 45 나노미터 미만인 특징부를 형성하는 것은 실질적으로 불가능할 수도 있다.
e빔(e-beam) 식각법, 딥 펜 식각법 및 각종 나노-임프린트 기법 등의 차세대 식각 (NGL) 기법이 구조물을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, e빔 식각법은 일명 레지스트라고 불리는 중합체를 단파 UV 복사선 또는 전자 빔에 레지스트를 노출시킴으로써 중합체 내에 패턴을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 이미징 복사선에 노출시키면, 중합체의 용해성이 변화되어, 중합체 필름의 노출부가 용매로 제거될 수 있다. 그러나, 이들 기술을 사용하여 크기가 100 nm 미만인 구조물을 제조하는 것은 비용이 많이 들고, 매우 특수한 이미징 도구와 재료를 사용하여야만 수행될 수 있다. 따라서, 이들 기술을 사용하는 대규모 상업적 생산은 경제적으로 불가능하다고 생각된다.
발명의 개요
본 발명은 전술한 문제점들 중의 한 가지 이상의 영향을 다루려는 것이다. 이하에서는, 본 발명의 몇 가지 관점들에 관한 기본적인 이해를 제시하기 위하여 본 발명의 개요를 제공한다. 이러한 본 발명의 개요는 본 발명을 철저히 개괄하는 것은 아니다. 본 발명의 주요소 또는 주구성 요소를 확정하거나, 본 발명의 범위를 서술하려는 것은 아니다. 본 발명의 유일한 목적은 후술하는 더 상세한 설명의 전제로서 간략한 형식으로 몇 가지 개념을 제공하려는 것이다.
본 발명의 하나의 실시 상태에 있어서, 소프트 식각법을 이용하여 분자막을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 성형 가능한 중합체 조성물에 1개 이상의 나노 단위 특징부가 구비된 패턴을 형성하는 단계와, 상기 패턴의 적어도 일부를 제1 기판 인접부에 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련한 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 이해될 수 있는데, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 소프트 식각법을 사용하여 분자막을 형성하기 위한 기술의 예시적인 실시 상태를 개념적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 분자막을 통하여 유체를 구동하기 위한 장치의 예시적인 실시 상태를 개념적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 분자막과 2개의 마이크로 채널의 형광 이미지를 도시 한 것이다.
본 발명은 여러 가지 변형 및 다른 형태로도 가능하지만, 본 발명의 실시 상태들은 도면 중의 실시예에 나타나 있으며, 본 명세서에 상세히 설명되어 있다. 그러나, 본 명세서 중의 특정의 실시 상태의 설명은 본 발명을 개시된 특정의 형태로 한정하고자 하는 것이 아니고, 오히려 첨부된 청구의 범위에 의하여 정해지는 본 발명의 정신 및 범위 내에 속하는 모든 변형, 등가물 및 별법들을 포함시키고자 하는 것이라는 사실을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시 상태를 설명하고자 한다. 모든 실질적인 실시형태의 모든 특징들이 본 명세서에 기재되는 것은 아니라는 점을 명확히 한다. 물론, 이러한 실질적인 실시 상태를 개발함에 있어서, 한 가지 실행으로부터 다른 실행에까지 달라지게 되는 시스템 관련 및 영업 관련의 각종 제한 등에 순응하는 등, 개발자의 특정의 목적을 달성하기 위한 여러 가지 실행상의 특별한 결정들이 행해져야 한다는 사실이 이해될 것이다. 더욱이, 그러한 노력은 복잡하고 시간이 소요되는 것이지만, 이 개시의 이이을 향유하는 이 기술 분야의 숙련자들에게는 통상적인 일이라는 사실을 이해하게 될 것이다.
이제, 첨부 도면들을 참고로 하여 본 발명을 설명하겠다. 여러 가지 구조, 시스템 및 장치들은 오로지 설명의 목적상 본 발명이 불명확하게 되지 않도록 이 기술 분야의 숙련자들에게 잘 알려져 있는 세부 사항들과 함께 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 첨부 도면들은 본 발명의 설명에 도움이 되는 실시예를 묘사하고 설명하려고 포함시킨 것이다. 본 명세서에 사용된 단어 및 어구는 이 기술 분야의 숙련자들이 이해하는 단어 및 어구와 일치하는 의미를 내포하고 있는 것으로 이해되고 해석되어야 한다. 이 기술 분야의 숙련자가 이해하는 통상의 의미와 상이한 용어나 어구, 즉 정의에 대해서는 본 명세서에서의 용어 또는 어구와 일치하는 용례를 의미하려고 의도하는 것은 아니다. 어떤 용어나 어구가 특별한 의미, 즉 숙련자들이 이해하는 것 이외의 의미를 갖도록 한다는 경우에는, 그러한 특정의 정의는 그 용어나 어구에 대한 특정의 정의를 직접적으로 그리고 명백하게 제공하는 어휘의 개념 정리 방식으로 본 발명의 명세서에서 명료하게 설명될 것이다.
도 1은 소프트 식각법을 사용하여 나노 단위의 특징부 (105)를 포함하는 분자막을 형성하기 위한 기술의 예시적인 실시 상태 (100)를 개념적으로 도시하고 있다. 상기 예시적인 실시 상태에 있어서, 1개 이상의 나노 단위의 특징부 (105)는 기판 (110)의 표면 또는 인접부에 형성된다. 본 명세서에 사용되고 있는 바와 같이, "나노 단위 (nanoscale)"라는 용어는 적어도 1개의 길이 크기가 약 200 nm 미만인 것을 특징으로 하는 특징부를 가리키는 것으로 이해될 것이다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 나노 단위의 특징부는 그 길이 크기가 약 100 nm 미만이다. 예를 들어, 나노 단위의 특징부 (105)는 적어도 1개의 길이 크기가 약 5 nm 이하의 범위일 수 있다. 그러나, 이 기술 분야의 통상의 숙련자들은 나노 단위의 특징부 (105)가 100 nm보다 실질적으로 더 길 수 있다는 것도 이해하여야 한다. 예를 들어, 원통형 구조인 나노 단위 특징부 (105)는 그 직경이 약 5 nm 이하이고, 상기 원통의 축과 평행인 길이 크기는 실질적으로 200 nm보다 길 수 있다.
한 가지 실시 상태에 있어서, 기판 (110)은 실리콘 웨이퍼이고, 나노 단위 특징부 (105)는 단일벽 탄소 나노 튜브 (SWNT)이다. 기판 (110)은 상기 실리콘 웨이퍼 표면에 형성된 이산화실리콘 (SiO2) 층(도시되지 않음)을 포함하여, 상기 SWNT (105)의 접착 및 형성을 촉진할 수도 있다. 기판 (110)은 좋기로는, 나노 몰드가 구성될 수 있는 주형으로서 작용하는 작은 직경의 SWNT (105)로 된 고품질의 반단일층(半單一層)을 포함한다. SWNT (105)의 원통 횡단면 및 높은 종횡비, 규모가 수 마이크론 길이 이상인 원자 단위의 균일성, 이들의 화학적 불활성 및 일련의 기판 표면의 넓은 표면적 위에 걸쳐 이들을 다량 성장시키거나 침착시킬 수 있는 능력은, SWNT (105)로 하여금 본 발명의 방법에 사용하기에 적합하도록 해 준다. 그러나, 이 기술 분야의 숙련자들은 기판 (110)과 나노 단위 특징부 (105)는 각각 반드시 실리콘 및 단일벽 나노 튜브로 형성되어야 하는 것이 아니고, 별법의 실시 상태에서는, 기판 (110) 및/또는 나노 단위 특징부 (105)는 어떠한 재료를 사용하더라도 형성될 수 있다는 사실을 이해하여야 한다. 예를 들면, 나노 단위 특징부 (105)는 이중 벽 나노 튜브, 나노 와이어, e빔으로 형성된 특징부, 의도적으로 구성한 구조물 등을 사용하여 형성시킬 수도 있다.
SWNT (105)는 비교적 고농도의 페리틴 촉매를 사용하는 메탄계 화학 증착법을 사용하여 형성시킬 수 있다. 형성된 SWNT (105)는 그 직경이 약 10 nm 이하, 좋기로는 그 직경이 약 5 nm 이하이고, SiO2/Si 웨이퍼 표면에서의 커버리지 (coverage)는 1~10 튜브/ m2 일 수 있다. 연속적 범위의 튜브 직경과 비교적 높은, 그러나 반단일층인 커버리지는 이들을 해상도 또는 규모 한계를 평가하기에 이상적으로 되게 해 준다. SWNT (105)의 원통형 구조 때문에 이들의 규모가 이들의 원자 구동 현미경(AFM)에 의한 높이 측정으로 간단히 특징지어질 수 있다. 이하에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, SWNT (105)는 경화된 중합체 몰드가 박리·제거될 때에 이들이 제거되지 않도록 충분한 강도로 기판 (110)에 SWNT (105)를 결합시키는 반 데르 발스 접착력에 의하여 SiO2/Si 기판 (110)에 결합된다. SWNT (105)는 넓은 영역에 중합체 잔기가 없고, 기판 (110) 표면에 형성된 고해상도 특징부의 복제가 가능하도록 해 주는 것이 좋다. 중합체 잔기가 없다는 것은, 몰드가 마스터 (master)를 오염시키지 않았다는 것과, 이에 따라 몰드 내의 특징부가 실제의 복제에 기인하고 재료 장애 (material failure)에 기인하는 것이 아니라는 사실을 가리키는 것일 수 있다. 필요에 따라, 제1 기판 위에 형성된 SWNT (105)는 그 위에 형성된 실란층을 포함할 수 있는데, 상기 실란층은 이형제로서 작용하여, 기판 (110)의 몰드를 형성하는 데 사용되는 중합체의 접착을 방지한다.
예시된 실시 상태에 있어서, 1개 이상의 마이크론 단위의 특징부 (115)도 역시 기판 (110)의 표면 또는 그 인접부에 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "마이크론 단위"라는 용어는 적어도 1개의 길이 크기가 약 200 nm 이상인 것이 특징인 특징부를 가리키고자 하는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들면, 마이크론 단위의 특징부 (115)는 폭이 대략 30 마이크론 및 높이가 11 마이크론인 마이크로 채널 (microchannel)일 수가 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 마이크론 단위 특징부 (115)는, 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 나노 단위의 특징부 (105) 및 마이크론 단위의 특징부 (110)를 사용하여 형성된 몰드가 유체를 이송하는 데 사용될 수 있도록 나노 단위의 특징부 (105)의 적어도 일부와 접촉되게 형성된다. 기판 (110)은 e빔 식각법, X선 식각법으로 제작된 몰드 등의 상기 기판 (110)의 내부, 표면 또는 인접부에 배치된 기타의 재료, 플라스틱 시트 표면의 생물학적 재료 등도 역시 포함할 수 있다.
1종 이상의 경화 조성물을 기판 (110), 나노 단위의 특징부 (105) 및 (존재하는 경우) 마이크론 단위의 특징부 (115)의 표면에 캐스팅하고 (완전히 또는 부분적으로) 경화시켜서, 몰드 (120)를 형성할 수 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 몰드 (120)는 다중층의 경화된 (가교 결합된) 중합체층 (125, 130)을 구비하는 복합체 몰드이다. 기판 (110) 표면에 형성된 제1층 (125)은 실록산을 함유하는 경화 조성물을 캐스팅하고 (완전히 또는 부분적으로) 경화시켜 형성하는 비교적 탄성율이 높은(~ 10 Mpa) 탄성 중합체(즉, 가교 결합된 중합체)일 수 있다. 실록산을 함유하는 경화 조성물을 (완전히 또는 부분적으로) 경화시킴으로써 형성되는 고탄성율의 탄성 중합체 (즉, 가교 결합된 중합체)는 h-PDMS라고 부를 수 있다. 그러나, 이 개시의 이익을 향유하는 이 기술 분야의 숙련자들은, 별법의 실시 상태에 있어서, 경화 조성물은 에폭시기, 비닐기, 하이드록시기 등의 작용기가 있는 실리콘 함유 단량체 또는 중합체의 사용법을 비롯한 여러 가지 상이한 방법을 사용하여 조제할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 경화 조성물은 비닐 작용기가 있는 실록산 및 촉매를 혼합함으로써 제조될 수도 있다. 다음에, 하이드로 작용성 실록산을 첨가하고 혼합하여, 실록산을 함유하는 경화 조성물을 형성할 수도 있다. 상기 경화 조성물은 스핀 캐스팅법에 의하여 또는 상기 경화 조성물을 기판 (110)의 표면에 침착시키는 방법에 의하여 캐스팅시킬 수 있다.
예시적인 실시 상태에 있어서, 경화 조성물은 예컨대 이 경화 조성물을 가열함으로써 부분적으로 경화된다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 촉매는 내구성 조성물 중의 비닐기 사이에 SiH 결합의 부가를 유도함으로써, SiCH2-CH2-Si 결합이 형성되도록 할 수 있다 (하이드로실릴화 반응이라고도 알려져 있음). 경화 조성물 중에 복수의 반응 부위가 있는 잔기가 적어도 1개 존재하면, 결합된 원자간의 상대적인 이동을 억제할 수 있는 3D 가교 결합이 가능하다. 상기 경화 조성물은 이 경화 조성물이 가교 결합을 유발하는 상태로 되기 전에, 마스터의 양각(陽刻) 구조물 내에 유입될 수 있다. 이 때, 실록산 골격의 순응성 (conformability)에 의하여 나노 단위의 특징부 (105) 및/또는 마이크론 단위의 특징부 (115) 등의 정교한 특징부의 복제가 가능하게 되게 된 것이다.
이어서, 완전히 또는 부분적으로 경화된 h-PDMS층 (125)의 이면 인접부에 임의의 제2 중합체 (130)가 형성될 수 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 물리적으로 강성인 저탄성율의 탄성 중합체 (s-PDMS)층 (130)이 부분적으로 경화된 h-PDMS층 (125) 인접부에 형성되어, 몰드 (120)를 비교적 취급이 쉽도록 만들어 준다. 예컨대, s-PDMS층 (130)은 다우 코닝사 (Dow Corning Corporation)에서 시판 중인 실가드 (Sylgard) 184 등의 경화 조성물을 캐스팅하여 경화시킴으로써 형성될 수 있다. s-PDMS층 (130)을 형성한 후, 기판 (110) 표면의 중합체로 된 다중층 (125, 130)을 완전히 경화시켜, 복합체 몰드 (120)을 형성할 수 있다. 그러나, 이 기술 분야의 숙련자들은 제2층 (130)은 임의의 선택적인 것으로서 별법의 실시 상태에서는 포함되지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전술한 실시 상태에서는 실록산을 함유하는 경화 조성물을 사용하여 h-PDMS 및 s-PDMS 탄성 중합체를 형성할 수 있지만, 이 기술 분야의 숙련자들은, 본 발명은 이들 경화 조성물을 사용하여 몰드 (120)을 형성하는 데에 한정되는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 별법의 실시 상태에 있어서, 몰드 (120)는 성형 가능한 중합체를 형성하는 경화성 폴리에테르 조성물을 사용하여 형성될 수 있다. 경화성 폴리에테르 조성물의 예로서는 경화성 폴리플루오르화 폴리에테르 조성물 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 기타의 별법의 실시 상태에 있어서, 몰드 (120)는 경화성 또는 비경화성 수지를 사용하여 형성될 수 있다.
몰드 (120)는 성형 가능한 중합체를 형성하는 기타 경화성 실리콘 조성물을 사용하여 형성될 수도 있다. 경화성 실리콘 조성물의 예로서는 하이드로실릴화 경화성 실리콘 조성몰, 페록사이드 경화성 실리콘 조성물, 축합 반응 경화성 실리콘 조성물, 에폭시 경화성 실리콘 조성물, 자외선 복사선 경화성 실리콘 조성물 및 고에너지 복사선 경화성 실리콘 조성물이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기타의 실시 상태에 있어서, 유기 및 실록산 중합체의 공중합체를 함유하는 하이브리드 중합체는 경화 위치와 관련하여 사용되거나, 또는 유리 전이 온도가 높은 중합체를 이용하여 사용될 수 있다.
경화성 실리콘 조성물 및 이것의 제조 방법은 이 기술 분야에 잘 알려져 있다. 예컨대, 적당한 하이드로실릴화 경화성 실리콘 조성물은 통상 (i) 실리콘이 결합된 알케닐기를 분자당 평균 2개 이상 함유하는 유기 폴리실록산과, (ii) 실리콘이 결합된 수소 원자를 상기 조성물을 경화시키기에 충분한 양으로 분자당 평균 2개 이상 함유하는 유기 하이드로겐실록산 및 (iii) 하이드로실릴화 촉매로 이루어진다. 하이드로실릴화 촉매는 백금족 금속, 백금족 금속을 함유하는 화합물, 마이크로캡슐화 백금족 금속 함유 촉매로 이루어지는 잘 알려져 있는 하이드로실릴화 촉매 중 어떠한 것이라도 좋다. 백금족 금속에는 백금, 로듐, 루테늄, 팔라듐, 오스뮴 및 이리듐이 있다. 백금족 금속은, 이것의 하이드로실릴화 반응에 있어서의 높은 활성에 근거할 때 백금인 것이 좋다.
하이드로실릴화 경화성 실리콘 조성물은 일액형 (一液型) 조성물이거나, 이액형 (二液型) 이상으로 된 다액형 (多液型) 조성물일 수 있다. 실온에서 가황성 (加黃性) (RTV)인 조성물은 통상 이액형 성분을 함유하는데, 그 중 한 쪽의 일액형 성분은 유기 폴리실록산 및 촉매를 함유하는 것이고, 다른 쪽의 일액형 성분은 유기 하이드로겐실록산 및 임의 성분을 함유하는 것이다. 고온에서 경화되는 하이드로실릴화 경화성 실리콘 조성물은 일액형 조성물 또는 다액형 조성물로서 제제될 수 있다. 예를 들면, 유체 실리콘 고무 (LSR) 조성물은 통상 이액형으로서 제제된다. 일액형 조성물은 통상 적절한 보존 수명을 보장하기 위하여 백금 촉매 억제제를 함유한다.
적당한 페록사이드 경화성 실리콘 조성물은 통상 (i) 유기 폴리실록산 및 (ii) 유기 페록사이드를 포함한다. 유기 페록사이드의 예로서는, 디벤조일 페록사이드, 디-p-클로로벤조일 페록사이드 및 비스-2,4-디클로로벤조일 페록사이드 등의 디아로일 페록사이드; 디-t-부틸 페록사이드 및 2,5-디메틸-2,5-디-(t-부틸퍼옥시)헥산 등의 디알킬 페록사이드; 디큐밀 페록사이드와 같은 디아르알킬 페록사이드; t-부틸 큐밀 페록사이드 및 1,4-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠 등의 알킬 아르알킬 페록사이드; t-부틸 퍼벤조에이트, t-부틸 퍼아세테이트 및 t-부틸 퍼옥토에이트 등의 알킬 아로일 페록사이드가 있다.
축합 반응 경화성 실리콘 조성물은 통상 (i) 분자당 평균 2개 이상의 하이드록시기를 함유하는 유기 폴리실록산 및 (ii) 가수 분해성 Si-O 또는 Si-N 결합을 함유하는 3-작용기 또는 4-작용기 실란을 포함한다. 실란의 예로서는, CH3Si(OCH3)3, CH3Si(OCH2CH3)3, CH3Si(OCH2CH2CH3)3, CH3Si[O(CH2)3CH3]3, CH3CH2Si(OCH2CH3)3, C6H5Si(OCH3)3, C6H5CH2Si(OCH3)3, C6H5Si(OCH2CH3)3, CH2=CHSi(OCH3)3, CH2=CHCH2Si(OCH3)3, CF3CH2CH2Si(OCH3)3, CH3Si(OCH2CH2OCH3)3, CF3CH2CH2Si(OCH2CH2OCH3)3, CH2=CHSi(OCH2CH2OCH3)3, CH2=CHCH2Si(OCH2CH2OCH3)3, C6H5Si(OCH2CH2OCH3)3, Si(OCH3)4, Si(OC2H5)4 및 Si(OC3H7)4 등의 알콕시실란; CH3Si(OCOCH3)3, CH3CH2Si(OCOCH3)3와 CH2=CHSi(OCOCH3)3 등의 유기 아세톡시실란; CH3Si[O-N=C(CH3)CH2CH3]3, Si[O-N=C(CH3)CH2CH3]4 및 CH2=CHSi[O-N=C(CH3)CH2CH3]3 등의 유기 이미녹시실란; CH3Si[NHC(=O)CH3]3 및 C6H5Si[NHC(=O)CH3]3 등의 유기 아세트아미도실란; CH3Si[NH(s-C4H9)]3 및 CH3Si(NHC6H11)3 등의 아미노실란; 유기 아미노옥시실란이 있다.
축합 반응 경화성 실리콘 조성물은 축합 반응을 개시 및 촉진하기 위한 축합 반응 촉매를 함유할 수 있다. 축합 반응 촉매의 예로서는, 아민; 납, 주석, 아연 및 철과 카르복실산의 복합체가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 주석(II) 옥토에이트, 라우레이트 및 올리레이트 뿐만 아니라, 디부틸틴의 염이 특히 유용하다. 축합 반응 경화성 실리콘 조성물은 일액형 조성물일 수 있거나, 이액형 이상으로 된 성분을 함유하는 다액형 조성물일 수 있다. 예컨대, 실온에서 가황성 (RTV)인 조성물은 일액형 또는 이액형 조성물로서 제형될 수 있다. 이액형 조성물에 있어서, 하나의 일액형 성분은 통상 소량의 물을 포함한다.
적당한 에폭시 경화성 실리콘 조성물은 통상 (i) 분자당 평균 2개 이상의 에폭시 작용기를 함유하는 유기 폴리실록산 및 (ii) 경화제를 포함한다. 에폭시 작용기의 예로서는, 2-글리시드옥시에틸, 3-글리시드옥시프로필, 4-글리시드옥시부틸, 2,(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸, 3-(3,4-에폭시사이클로헥실)프로필, 2,3-에폭시프로필, 3,4-에폭시부틸 및 4,5-에폭시펜틸이 있다. 경화제의 예로서는, 프탈산 무수물, 헥사하이드로프탈산 무수물, 테트라하이드로프탈산 무수물 및 도데세닐숙신산 무수물 등의 무수물; 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라아민, 디에틸렌프로필아민, N-(2-하이드록시에틸)디에틸렌트리아민, N,N'-디(2-하이드록시에틸)디에틸렌트리아민, m-페닐렌디아민, 메틸렌디아닐린, 아미노에틸 피페라진, 4,4-디아미노디페닐 술폰, 벤질디메틸아민, 디시안디아미드와 2-메틸이미다졸 및 트리에틸아민 등의 폴리아민; 보론 트리플루오라이드 모노에틸아민 등의 루이스산; 폴리카르복실산; 폴리머캅탄; 폴리아미드; 아미도아민이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
적당한 자외선 복사 경화성 실리콘 조성물은 통상 (i) 복사선 감광 작용기를 함유하는 유기 폴리실록산 및 (ii) 광개시제를 포함한다. 복사선 감광 작용기의 예로서는 아크릴로일, 메타크릴로일, 머캅토, 에폭시 및 알케닐 에테르기가 있다. 광개시제의 예는 유기 폴리실록산 중의 복사선 감광기의 성질에 따라 좌우된다. 광개시제의 예로서는, 디아릴요오늄 염, 술포늄 염, 아세토페논, 벤조페논 및 벤조인과 이들 유도체가 있다.
적당한 고에너지 복사선 경화성 실리콘 조성물은 유기 폴리실록산 중합체로 이루어진다. 유기 폴리실록산 중합체의 예로서는, 폴리디메틸실록산, 폴리(메틸비닐실록산) 및 유기하이드로겐폴리실록산이 있다. 고에너지 복사선의 예로서는 γ선과 전자 빔을 들 수 있다.
본 발명의 경화성 실리콘 조성물은 추가의 성분을 함유할 수 있다. 추가의 성분의 예로서는, 접착 촉진제, 용매, 무기 충전재 (充塡材), 광감작제, 항산화제, 안정제, 안료 및 계면 활성제가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기 충전재의 예로서는, 결정질 실리카, 결정질 실리카 분말 및 규조토 실리카 등의 천연 실리카; 용융 실리카, 실리카 겔, 피로제닉 실리카 및 침강 실리카 등의 합성 실리카; 운모, 규회석, 장석 및 하석 섬장암 등의 규산염; 산화 알루미늄, 이산화티탄, 산화마그네슘, 이산화철, 산화베릴륨, 이산화크롬, 및 산화아연 등의 금속 산화물; 질화보론, 질화실리콘 및 질화알루미늄 등의 금속 질화물; 보론 카바이드, 티탄 카바이드 및 실리콘 카바이드 등의 금속 카바이드; 카본 블랙; 탄산칼슘 등의 알칼리 토금속 탄산염; 황산칼슘, 황산마그네슘 및 황산바륨 등의 알칼리 토금속 황산염; 이황산몰리브데늄; 황산아연; 카올린; 탈크; 유리 섬유; 중공 (中空) 유리 소구체 (小球體) 및 속이 찬(solid) 유리 소구체 등의 유리 비드 (beads); 알루미늄 삼수화물; 아스베스토스와, 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 및 은 분말 등의 금속 분말이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실리콘 조성물은 특정의 경화 메카니즘에 따라 주변 온도, 고온, 습기 또는 복사선에 노출시킴으로써 경화될 수 있다. 예를 들면, 일액형 하이드로실릴화 경화성 실리콘 조성물은 통상 고온에서 경화된다. 이액형 하이드로실릴화 경화성 실리콘 조성물은 통상 실온 또는 고온에서 경화된다. 일액형 축합 반응 경화성 실리콘 조성물은 통상 실온에서 대기 중의 습기에 노출시킴으로써 경화되지만, 경화는 열을 가함으로써 및/또는 고습도에 노출시킴으로써 촉진시킬 수 있다. 이액형 축합 반응 경화성 실리콘 조성물은 통상 실온에서 경화된다. 그러나, 경화는 열을 가함으로써 촉진될 수도 있다. 페록사이드 경화성 실리콘 조성물은 통상 고온에서 경화된다. 에폭시 경화성 실리콘 조성물은 통상 실온 또는 고온에서 경화된다. 특정의 제형에 따라, 복사선 경화성 실리콘 조성물은 통상 복사선에 노출시킴으로써, 예를 들면 자외선, 감마선 또는 전자 빔에 노출시킴으로써 경화된다.
경화 또는 부분적 경화 후에, 몰드 (120)는 기판 (110)으로부터 제거하여도 좋다. 예시된 실시 상태에 있어서, 몰드 (120)는 기판 (110) 위에 형성된 나노 단위의 특징부 (105)에 대응하는 분자막 (135)을 포함한다. 따라서, 분자막 (135)은 나노 단위의 특징부를 1개 이상 포함한다. 몰드 (120)는 기판 (110) 위에 형성된 마이크론 단위의 특징부 (115)에 해당하는 마이크로 채널 (140, 145)을 1개 이상 포함할 수도 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 마이크로 채널 (140, 145)은, 분자막 (135) 인접부에 형성되므로, 유체는 분자막 (135)을 통과하여 마이크로 채널 (140, 145) 사이를 흐를 수 있다.
기판 (110)으로부터 제거된 후에, 몰드 (120)는 표면 (150) 위에 배치될 수 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 표면 (150)은 실리콘 웨이퍼로 구성된 편평한 표면이다. 예를 들면, 표면 (150)은 몰드 (120)와 관련된 특징적 길이 규모에 걸쳐, 예컨대 나노 단위의 특징부 (105)를 형성하는 데 사용된 1개 이상의 단일벽의 나노 튜브의 특징적 길이에 걸쳐 편평하여도 좋다. 그러나, 이 기술 분야의 숙련자들은, 표면 (150)이 반드시 편평하지 않아도 좋다는 것을 이해하여야 한다. 별법의 실시 상태에 있어서, 표면 (150)의 일부는 만곡형일 수 있다. 예컨대, 1개 이상의 나노 단위 특징부 (105)의 특징적 길이에 비하여 비교적 작은 길이 규모에 걸쳐 만곡형일 수 있다. 더구나, 표면 (150)의 구성은 디자인 선택의 문제이지, 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 별법의 실시 상태에 있어서, 임의의 재료로 형성된 적절한 표면 (150)이 사용될 수 있다.
몰드 (120)는 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140, 145) 내의 임의의 유체가 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140, 145) 내에 실질적으로 구속되어 잔류하도록 표면 (150)에 접합시킬 수 있다. 이 기술 분야의 숙련자들은 "실질적으로 구속(substantially constrained)"이라는 용어는 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140, 145) 내에 들어 있는 모든 유체가 빠져나가는 것을 방지하는 것이 어렵거나 불가능할 수 있음으로 해서, 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140) 내의 유체의 일부가 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140)로부터 빠져나갈 수도 있다는 것을 가리킴을 이해하여야 한다. 그러나, 유체가 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140, 145) 내에 실질적으로 구속되어 잔류하는 경우에, 그 유체의 대부분은 분자막 (135) 및/또는 마이크로 채널 (140, 145) 내에 잔류한다.
1개 이상의 포트 원도우 (port windoiw, 155)를 마이크로 채널 (140, 145) 중의 1개 이상의 부분 위에 개방시킬 수 있다. 예를 들면, 포트 윈도우 (155)를 마이크로 채널 (140, 145)의 말단 위에 개방시켜, 유체가 마이크로 채널 (140, 145) 내로 주입되거나 그로부터 회수될 수 있게 할 수 있다. 포트 윈도우 (155)는 몰드 (120)의 일부를 에칭하는 것을 비롯한 임의의 양호한 기술을 사용하여 개방시킬 수 있다. 이 기술 분야의 숙련자들은 포트 윈도우 (155)의 크기는 디자인 선택의 문제이고, 본 발명에 필수적인 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 포트 윈도우 (155)의 크기는 마이크로 채널 (140, 145) 중 일부의 1개 이상의 크기에 해당할 수 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 유체는 1개 이상의 포트 윈도우 (155)에 제공될 수 있으며, 그 유체의 일부는 마이크로 채널 (140)로부터 분자막 (135) 내에, 그리고 마이크로 채널 (145) 내에 유입된 다음에, 후술하는 바와 같이 관련된 포트 윈도우를 통하여 유출될 수 있다.
도 2는 분자막 (205)을 통하여 유체를 구동시키기 위한 장치 (200)의 예시적인 실시 상태를 개념적으로 도시하고 있다. 이 예시적인 실시 상태에 있어서, 분자막 (205)은 전술한 바에 따라 형성한 나노 단위의 구조물을 포함한다. 유체는 저장조 (210(1-4))에 저장되었다가, 분자막 (205)에 제공하거나 또는 이로부터 회수될 수 있다. 상기 예시적인 실시 상태에 있어서, 전압 (215)이 저장조 (210(1-2))와 저장조 (210(3-4)) 사이에 인가될 수 있다. 인가된 전압 (215)은 저장조 (210(1-2))로부터 포트 윈도우 (220)를 통하여, 마이크로 채널 (225)에 유체를 구동시킬 수 있다. 이 때, 유체의 일부는 분자막 (205)을 통하여, 마이크로 채널 (230)에, 그리고 포트 윈도우 (235)를 경유하여 저장조 (210(3-4))에 통과할 수 있다. 예컨대, 양성자 (즉, H+ 이온)는 인가되는 전압 (215)에 의하여 분자막 (205)을 통하여 회수될 수 있다.
도 3은 분자막 (300) 및 2개의 마이크로 채널 (305(1-2))의 형광 이미지를 나타내고 있다. 이 예시적인 실시 상태에 있어서, 분자막 (300) 및 마이크로 채널 (305(1-2))은 단일벽 탄소 나노 튜브 위에 PDMS 중합체를 캐스팅 및 경화시켜 형성한 스탬프 (stamp)를 사용함으로써 형성된다. 마이크로 채널 (305(1-2))에는 50 mM 인산염으로 완충시킨 식염수 (PBS) 완충액을 함유하는 0.01 nM Snarf-1 용액을 채운다. 마이크로 채널 (305(1-2)) 사이에 전압을 인가함으로써, 분자막 (300)을 통하여 양성자를 이송시킨다. 변화되는 형광도는, 양성자가 분자막 (300)을 통하여 마이크로 채널 (305(1))로부터 마이크로 채널 (305(2))로 이송되었음을 나타내는 것이다.
도 2 및 도 3은 나노 단위 특징부를 포함하는 분자막을 통하여 유체를 이송하는 데 사용될 수 있는 나노 유체 채널을 개념적으로 설명하고 있으나, 본 발명은 나노 유체 채널을 형성하는 것에 한정되는 것은 아니다. 이 기술 분야의 숙련자들은, 성형 가능한 중합체 조성물에 나노 단위의 특징부를 형성하고, 이어서 다양한 조건에서 사용될 수 있는 기판 및/또는 표면 위에 경화된 중합체 또는 탄성 중합체를 배치하기 위한 기술들의 실시 상태를 이해하여야 한다. 여러 가지 실시 상태에 있어서, 나노 단위의 특징부를 포함하는 성형 가능한 중합체 조성물은 유체를 이송하는 데, 또는 이온 분리, 반응 촉매 등을 비롯한 화학 반응 및/또는 분석용 부위들을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 나노 단위의 특징부를 포함하는 경화 조성물은 반도체 장치, 센서, DNA 분리기 등의 일부로서 이용될 수 있는 랩온어칩형의 장치를 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명은, 이 기술 분야의 숙련자들에게 자명한 것으로서, 상이하지만 동등한 방식으로 변형되고 실시될 수 있기 때문에 이상의 특정의 실시 상태들은 단지 설명하기 위한 것일 뿐이다. 나아가, 첨부된 특허 청구 범위에 기재된 것 이외에, 본 명세서에 제시된 구성 또는 디자인에 관한 상세한 사항에는 한정을 두지 아니한다. 그러므로, 전술한 실시 상태들은 변경 또는 수정될 수 있으며, 이들 변경 및 수정은 모두 본 발명의 범위 및 정신 내에 속하는 것으로 간주된다. 따라서, 본 발명에서 보호받고자 하는 사항은 이하의 특허 청구 범위에 기재된 바와 같다.

Claims (34)

1개 이상의 나노 단위 (nanoscale) 특징부를 구비하는 분자막과 상기 분자막의 인접부에 위치한 복수개의 마이크론 단위 채널을 포함하는 패턴을 성형가능한 중합체 조성물 내에 형성하는 단계; 및
상기 복수개의 마이크론 단위 채널들 중 적어도 1개의 채널로부터 상기 분자막 내로 유체가 유입되고, 상기 유체가 상기 분자막으로부터 상기 복수개의 마이크론 단위 채널들 중 적어도 1개의 다른 채널 내로 유입되도록, 상기 패턴의 적어도 일부를 제1 기판 인접부에 배치하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 나노 단위 특징부를 구비하는 패턴을 형성하는 단계는 제2 기판 위에 1개 이상의 나노 단위 특징부를 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 상기 제2 기판 위에 1개 이상의 나노 단위 특징부를 형성하는 단계는 제2 기판 위에 1개 이상의 단일벽 탄소 나노 튜브를 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 상기 제2 기판 위에 제1 경화 조성물을 캐스팅하는 것을 포함하는 것인 방법.
제4항에 있어서, 상기 제2 기판 위에 제1 경화 조성물을 캐스팅하는 단계는 상기 제2 기판 위에 실록산을 함유하는 제1 경화 조성물을 캐스팅하는 것을 포함하 는 것인 방법.
제4항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 제1 경화 조성물을 적어도 부분적으로 경화시키는 것을 포함하는 것인 방법.
제4항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 상기 적어도 부분적으로 경화된 제1 경화 조성물 위에 제2 경화 조성물을 캐스팅하는 것을 포함하는 것인 방법.
제7항에 있어서, 상기 적어도 부분적으로 경화된 제1 경화 조성물 위에 제2 경화 조성물을 캐스팅하는 것은 상기 적어도 부분적으로 경화된 제1 경화 조성물 위에 실록산을 함유하는 제2 경화 조성물을 캐스팅하는 것을 포함하는 것인 방법.
제7항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 제1 및 제2 경화 조성물을 경화시키는 것을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 상기 제1 나노 단위 특징부 인접부에 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
제10항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 유체가 1개 이상의 마이크론 단위 특징부로부터 1개 이상의 나노 단위 특징부로 유입될 수 있도록 상기 1개 이 상의 나노 단위 특징부 인접부에 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
제10항에 있어서, 상기 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 형성하는 단계는 1개 이상의 마이크로 채널을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
제10항에 있어서, 상기 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 형성하는 단계는 제2 기판 위에 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 기판 인접부에 패턴의 적어도 일부를 배치하는 단계는, 제2 기판으로부터 패턴을 제거하는 단계와, 제1 기판 인접부에 패턴의 적어도 일부를 배치하는 것을 포함하는 것인 방법.
제14항에 있어서, 상기 제1 기판 인접부에 패턴의 적어도 일부를 배치하는 것은 유체가 패턴 내에 실질적으로 구속되어 유동하도록 상기 제1 기판 인접부에 패턴의 적어도 일부를 배치하는 것을 포함하는 것인 방법.
제1 기판; 및
성형 가능한 중합체 조성물 중에 형성된 패턴으로서: 상기 패턴은 1개 이상의 나노 단위 특징부를 구비하는 분자막과 상기 분자막의 인접부에 위치한 복수개의 마이크론 단위 채널을 포함하고, 상기 패턴은 상기 복수개의 마이크론 단위 채널들 중 적어도 1개의 채널로부터 상기 분자막 내로 유체가 유입되고, 상기 유체가 상기 분자막으로부터 상기 복수개의 마이크론 단위 채널들 중 적어도 1개의 다른 채널 내로 유입되도록, 상기 제1 기판 인접부에 배치되어 있는 것인 패턴
을 포함하는 장치.
제16항에 있어서, 상기 1개 이상의 나노 단위 특징부는 제2 기판 위에 형성된 1개 이상의 단일벽 탄소 나노 튜브에 해당하는 것인 장치.
제17항에 있어서, 상기 패턴은 제1 경화 조성물을 포함하는 것인 장치.
제18항에 있어서, 상기 제1 경화 조성물은 h-PDMS를 포함하는 것인 장치.
삭제
제18항에 있어서, 상기 패턴은 제2 경화 조성물을 포함하는 것인 장치.
제21항에 있어서, 상기 제2 경화 조성물은 s-PDMS를 포함하는 것인 장치.
제16항에 있어서, 상기 패턴은 1개 이상의 나노 단위 특징부 인접부에 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 포함하는 것인 장치.
제23항에 있어서, 상기 패턴은 유체가 1개 이상의 마이크론 단위 특징부로부 터 1개 이상의 나노 단위 특징부로 유입될 수 있도록, 상기 1개 이상의 나노 단위 특징부 인접부에 1개 이상의 마이크론 단위 특징부를 포함하는 것인 장치.
제23항에 있어서, 상기 1개 이상의 마이크론 단위 특징부는 1개 이상의 마이크로 채널을 포함하는 것인 장치.
제16항에 있어서, 유체가 패턴 내에서 실질적으로 구속되어 유동하도록 제1 기판 인접부에 패턴이 배치되는 것인 장치.
제1기판;
상기 제1 기판 인접부에 배치되어 있고, 성형 가능한 중합체 조성물 중에 형성된 1개 이상의 나노 단위 특징부를 포함하는 분자막; 및
복수개의 마이크론 단위 채널들 중 적어도 1개의 채널로부터 상기 분자막 내로 유체가 유입되고, 상기 유체가 상기 분자막으로부터 상기 복수개의 마이크론 단위 채널들 중 적어도 1개의 다른 채널 내로 유입되도록, 상기 분자막에 유체를 제공하기 위한 복수개의 마이크론 단위 채널
을 포함하는 유체 이송용 시스템으로서, 상기 분자막과 상기 복수개의 마이크론 단위 채널이 패턴을 형성하는 것인 유체 이송용 시스템.
제27항에 있어서, 상기 1개 이상의 나노 단위 특징부는 제2 기판 위에 형성된 1개 이상의 단일벽 나노 튜브에 해당하는 것인 유체 이송용 시스템.
제28항에 있어서, 상기 분자막은 제1 경화 조성물을 포함하는 것인 유체 이송용 시스템.
제29항에 있어서, 상기 제1 경화 조성물은 고탄성율의 유기 실리콘 탄성 중합체를 포함하는 것인 유체 이송용 시스템.
제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 분자막은 제2 경화 조성물을 포함하는 것인 유체 이송용 시스템.
제31항에 있어서, 상기 제2 경화 조성물은 제1 경화 조성물에 함유된 유기 실리콘 탄성 중합체보다 탄성율이 낮은 유기 실리콘 탄성 중합체를 포함하는 것인 유체 이송용 시스템.
제27항에 있어서, 상기 1개 이상의 마이크론 단위 특징부는 1개 이상의 마이크로 채널을 포함하는 것인 유체 이송용 시스템.
제27항에 있어서, 유체가 패턴 내에서 실질적으로 구속되어 유동하도록 제1 기판 인접부에 분자막이 배치되는 것인 유체 이송용 시스템.
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