KR101390157B1 - 나노선 정렬용 광섬유, 이를 이용한 나노선 정렬 시스템 및 나노선 정렬방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노선 정렬용 광섬유, 이를 이용한 나노선 정렬 시스템 및 나노선 정렬방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유는 중심부에 길이 방향으로 길게 형성된 코어 및 상기 코어를 감싸면서 길이 방향으로 길게 형성된 클래딩을 포함하는 광섬유로서, 상기 광섬유의 한쪽 말단은 테이퍼 가공된 뾰족한 팁(tip) 형태이고, 상기 뾰족한 팁 형태의 광섬유 말단에는 열가소성 수지가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유는 기판 상에서 나노선을 자유로이 조작하고, 이동시킬 수 있으므로, 이를 포함한 나노선 정렬 시스템은 나노선을 일렬, 평행, 수직 구조 등 다양한 복합 나노선 구조로 정렬할 수 있어 나노선 소자, 나노선 센서 기술 분야에서 유용하게 활용할 수 있다. 또한, 종래 고가의 장비나 복잡한 공정을 이용하지 않고도 손쉽게 나노선을 정렬할 수 있는 장점을 갖고 있다.

Description

나노선 정렬용 광섬유, 이를 이용한 나노선 정렬 시스템 및 나노선 정렬방법{Photonic fibers for manipulating nanowire, Nanowire manipulation system using the same and Method of manipulating nanowire}

본 발명은 나노선을 자유로이 조작하고 이동시킬 수 있는 나노선 정렬용 광섬유, 이를 이용한 나노선 정렬 시스템 및 나노선 정렬방법에 관한 것이다.

최근 10년간 100 nm 내외의 직경을 갖는 1차원 구조의 반도체 물질의 합성 기술이 급속히 발달해왔다. 이를 이용해 제작한 1차원 구조의 반도체 나노선은 빛과 전자의 움직임을 축 이외의 방향으로는 제한하게 되며 그로 인해 본래 물질과는 다른 특성을 가지게 된다. 이러한 나노선의 물리적인 크기와 구조에 의한 특성을 활용하게 되면 나노선 레이저, 나노선 LED, 나노선 바이오센서 등의 광소자 및 전자소자로의 활용이 가능하다.

상기와 같은 소자를 제작하기 위해서는 나노선을 이용한 소자를 제작할 때 나노선을 자유롭게 이동시키고, 원하는 곳에 위치시키는 정렬 기술이 필수적이다. 그러나, 나노선의 합성과 소자 자체에 관한 연구는 활발히 이루어지고 있음에 반하여 소자를 제작하기 위해 필수적인 나노선 정렬 시스템 등에 관한 연구는 현재 미비한 실정이다.

기존의 방식으로는 빛을 이용하여 나노선을 광포획하는 방식[Ritesh Agarwal, Kosta Ladavac, Yael Roichman, Guiha Yu, Charles M. Lieber, and David G. Grier, "Manipulation and assembly of nanowires with holographic optical traps", Opt. Express, vol. 13(22), pp. 8906-8912, Oct. 2005], 전기적인 방식[J. Z. He, J. B. Xu, M. S. Xu, Z. Xie, I. H. Wilson, X. L. Ma, Q. Li, N. Wang, L. S. Hung, C. S. Lee, and S. T. Lee, "Dispersion, refinement, and manipulation of single silicon nanowires", Appl. Phys. Lett. vol. 80(10), pp. 1812-1814, Mar. 2002], 혹은 전자현미경을 이용한 방식[Kristian Molhave, Thomas Wich, Axel Kortschack and Peter Boggild, "Pick-and-place nanomanipulation using microfabricated grippers", Nanotechnology, vol. 17, pp. 2434-2411 (2006)] 등에 관한 연구가 발표되어왔다.

다만, 이러한 기존의 방식의 경우 광포획은 나노선의 조작이 유체환경에서만 적용되는 한계가 있으며, 전기적인 방식 역시 자유로운 나노선의 이동이 보장되지 않는 제한적인 방식이다. 전자현미경을 이용한 경우 미세구조의 나노와이어 집게를 이용해 높은 정밀도와 정확성을 자랑하지만 고가의 장비가 필요하기 때문에 비용측면에서 여전히 한계점을 가지고 있다.

따라서, 나노선이 위치한 환경의 제약을 받지 않으면서, 나노선을 자유로이 조작할 수 있는 나노선 정렬 시스템에 대한 개발이 절실히 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기판 상에서 나노선을 자유로이 조작하고 이동시킬 수 있는 나노선 정렬용 광섬유 및 상기 나노선 정렬용 광섬유를 포함하는 나노선 정렬 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 나노선 정렬 시스템을 이용한 나노선 정렬 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

중심부에 길이 방향으로 길게 형성된 코어; 및 상기 코어를 감싸면서 길이 방향으로 길게 형성된 클래딩;을 포함하는 광섬유로서,

상기 광섬유의 한쪽 말단은 테이퍼 가공된 뾰족한 팁(tip) 형태이고, 상기 뾰족한 팁 형태의 광섬유 말단에는 열가소성 수지가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 나노선 정렬용 광섬유를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광섬유의 직경은 100-150 ㎛이고, 상기 뾰족한 형태의 광섬유 말단의 직경은 1.0-5.0 ㎛일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열가소성 수지는 광 흡수 염료 물질을 포함할 수 있다.

상기 광섬유의 코어를 통하여 광이 전달되면 열가소성 수지는 접착성을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

나노선 정렬이 이루어지는 스테이지;

상기 스테이지에 광을 조사하는 제1 광원;

상기 스테이지에서 이루어지는 나노선 정렬 조작을 확인하는 이미지 검출용 CCD 카메라;

상기 스테이지에서 나노선을 조작하고 이동시키기 위한 상기 나노선 정렬용 광섬유; 및

상기 나노선 정렬용 광섬유의 코어에 광을 전달시키기 위한 제2 광원;을 포함하는 나노선 정렬 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시스템은 나노선 정렬 후에 나노선과 나노선 정렬용 광섬유를 분리하기 위하여 나노선 분리용 광섬유를 더 포함할 수 있다.

상기 나노선 분리용 광섬유는 상기 나노선 정렬용 광섬유와 동일하고, 다만, 뾰족한 팁 형태의 말단에 열가소성 수지가 코팅되어 있지 않은 광섬유인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 스테이지와 상기 CCD 카메라 사이에 위치하고, 상기 광원으로부터 조사되는 광의 경로에 위치하는 광분배기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 스테이지와 상기 광분배기 사이, 상기 CCD 카메라와 상기 광분배기 사이에는 각각 광을 집속하기 위한 대물렌즈를 더 포함하는 나노선 정렬 시스템.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

상기 나노선 정렬 시스템을 이용하여 나노선을 정렬하는 방법으로서,

(a) 나노선이 놓여진 스테이지 상에서 나노선 정렬용 광섬유를 이용하여 나노선을 정렬시키는 단계; 및

(b) 나노선 분리용 광섬유를 이용하여 정렬된 나노선과 나노선 정렬용 광섬유를 분리시키는 단계;를 포함하는 나노선 정렬 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계 이전에 나노선 정렬용 광섬유의 코어에 광을 전달하여 광섬유 말단에 코팅된 열가소성 수지에 접착성을 부여하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계를 반복 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유는 기판 상에서 나노선을 자유로이 조작하고, 이동시킬 수 있으므로, 이를 포함한 나노선 정렬 시스템은 나노선을 일렬, 평행, 수직 구조 등 다양한 복합 나노선 구조로 정렬할 수 있어 나노선 소자, 나노선 센서 기술 분야에서 유용하게 활용할 수 있다. 또한, 종래 고가의 장비나 복잡한 공정을 이용하지 않고도 손쉽게 나노선을 정렬할 수 있는 장점을 갖고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 나노선 졍렬용 광섬유를 나타낸 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노선 정렬용 광섬유를 보여주는 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노선 정렬용 광섬유의 끝단을 열가소성 수지로 코팅하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따라 스테이지 상에서 나노선을 추출 조작하고, 분리하여 나노선을 정렬하는 시스템의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 나노선 정렬용 광섬유와 나노선 분리용 광섬유를 이용하여 기판 상에서 나노선을 추출하고, 분리하여 다양한 나노선 구조를 형성하는 모습을 보여준 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노선 정렬용 광섬유에 고정된 ZnO 나노선을 보여주는 개념도 및 실제 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 ZnO 나노선을 정렬하는 모습을 보여주는 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 정렬된 ZnO 나노선을 보여주는 이미지이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 측면은 나노선을 자유로이 조작하고 이동시킬 수 있는 나노선 정렬용 광섬유에 관한 것이다.

하기 도 1은 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유를 나타낸 구조도로서, 중심부에 길이 방향으로 길게 형성된 코어(11) 및 상기 코어를 감싸면서 길이 방향으로 길게 형성된 클래딩(12)을 포함한다. 상기 광섬유의 한쪽 말단은 테이퍼 가공된 뾰족한 팁(tip) 형태이고, 상기 뾰족한 팁 형태의 광섬유 말단에는 열가소성 수지(13)가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광섬유의 직경은 100-150 ㎛이고, 상기 뾰족한 형태의 광섬유 말단의 직경은 1.0-5.0 ㎛인 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유는 100-150 ㎛크기를 갖는 원통형 구조에서 한쪽 말단을 테이퍼링 가공하여 1.0-5.0 ㎛의 직경을 갖도록 한 원뿔형 구조이다.

또한, 상기 테이퍼링 가공된 말단은 열가소성 수지(13)로 코팅되어 있고, 상기 열가소성 수지는 특정 광을 흡수할 수 있는 광 흡수 염료물질을 포함한다. 반대편 코어를 통하여 레이져 광이 조사되면, 열가소성 수지는 녹아서 접착성을 가지게 되고 이에 의해서 정렬하고자 하는 나노선을 이동시킬 수 있다.

상기 열가소성 수지는 EVA(Ethylenevinylacetate), PC(Polycarbonate), COC(Cyclo-olefine copolymer), PMMA(Polymethylmethancrylate) 등 다양한 열가소성 수지가 적용될 수 있고, 이하의 구체적인 제조예에서는 EVA 수지를 사용하였다.

상기 광 흡수 염료 물질은 상기 나노선 정렬용 광섬유로 전달되는 레이져 광에 따라서 특정 파장의 광을 흡수하는 염료이면 모두 적용이 가능하고, 이하의 구체적인 제조예에서는 1061 nm 부근의 빛을 흡수하는 염료인 Sigma-Aldrich사의 infrared Dyes IR-1061을 사용하였다.

본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유의 구체적인 일 제조예는 다음과 같다.

(1) 원통형 구조로서, 1060 nm에서 단일모드를 가지는 광섬유(코닝사, HI1060) 양쪽을 홀더에 고정한 후에, 테이퍼링 가공하고자 하는 특정 부위에 2000 ℃ 정도의 열을 가하여 광섬유를 녹임과 동시에 양 홀더를 초당 6 ㎛(6 ㎛/s) 속도로 잡아 당기는 장력을 광섬유에 가하였다. 이후 열이 가해진 부위가 얇고 길게 늘어지게 되면서 절단되어, 광섬유가 테이퍼링 가공되어 끝단이 뾰족한 팁(tip) 형태인 광섬유를 제조하였다.

(2) 다음으로 뾰족한 팁 형태의 광섬유 말단에 열가소성 수지를 코팅하기 위하여 하기 도 3에 나타나 있는 방법으로 코팅시켰다.

먼저, 고체 형태의 에틸렌비닐아세테이트를 톨루엔과 혼합하고, 여기에 1084 nm 광을 흡수하는 염료(1061 nm 부근의 빛을 흡수하는 염료인 Sigma-Aldrich사의 infrared Dyes IR-1061)를 첨가한 후, 1 시간 동안 자력교반기와 히터를 통해서 교반한 후에, 90 ℃에서 건조시켜 톨루엔을 제거하여, 염료가 내재된 열가소성 수지를 제조하였다.

(3) 다음으로 상기 광섬유의 뾰족한 팁 부분을 열가소성 수지에 접촉시킨 후, 반대편 코어를 통하여 1084 nm 레이져를 100 mW 이상의 세기로 전달시켜 주고, 접촉부위의 열가소성 수지가 녹게 되면서 팁 부분에 열가소성 수지가 코팅되었고, 이후 열가소성 수지로부터 광섬유를 분리하고 레이져 전달을 중지시켜서 열가소성 수지가 팁 부분에 코팅된 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유를 제조하였다.

하기 도 2에 상기 제조예에 따라 제조된 나노선 정렬용 광섬유를 나타내었다.

본 발명의 다른 측면은 상기 나노선 정렬용 광섬유를 포함하는 나노선 정렬 시스템에 관한 것이다.

하기 도 4는 본 발명에 따라 스테이지 상에서 나노선을 추출 조작하고, 분리하여 나노선을 정렬하는 시스템의 구조도이다.

본 발명에 따른 나노선 정렬 시스템은 나노선(20)이 놓여지고 정렬이 이루어지는 스테이지(21), 상기 스테이지(21)에 광을 조사하는 제1 광원(50), 상기 스테이지(21)에서 이루어지는 나노선 정렬 조작을 확인하는 이미지 검출용 CCD(charge-coupled device) 카메라(40), 상기 스테이지(21)에서 나노선(20)을 정렬하는 나노선 정렬용 광섬유(10) 및 상기 나노선 정렬용 광섬유의 코어에 광을 전달시키기 위한 제2 광원(14)을 포함하는 현미경 시스템이다.

또한, 상기 스테이지(21)와 상기 CCD 카메라(40) 사이에 위치하고, 상기 제1 광원(50)으로부터 조사되는 광의 경로에 위치하는 광분배기(30)를 더 포함한다.

또한, 상기 스테이지(21)와 상기 광분배기(50) 사이, 상기 CCD 카메라(40)와 상기 광분배기(50) 사이에는 각각 광을 집속하기 위한 대물렌즈(60)를 더 포함한다.

본 발명은 상기와 같은 현미경 시스템을 통하여 나노선의 관측과 동시에 나노선의 위치를 이동시킬 수 있다. 열가소성 수지(13)로 코팅된 나노선 정렬용 광섬유(10)의 팁 부분을 나노선(20)에 접촉시킨 상태에서 광섬유를 통하여 레이져를 전달하면 접촉면에서 열가소성 수지가 접착성을 갖게 되고, 이에 의해서 나노선(20)이 나노선 정렬용 광섬유(10)에 고정되어 나노선을 자유로이 이동시킬 수 있다.

하기 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노선이 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유에 고정되어 있는 모습을 보여주는 이미지이다.

본 발명에 따른 나노선 정렬 시스템은 나노선(20) 원하는 위치에 정렬한 후에 나노선(20)과 나노선 정렬용 광섬유(10)를 분리하기 위하여 나노선 분리용 광섬유를 더 포함한다.

상기 나노선 분리용 광섬유는 나노선 정렬용 광섬유와 동일하나, 뾰족한 팁 형태의 말단에 열가소성 수지가 코팅되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

즉, 하기 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 나노선 정렬용 광섬유(19)에 고정된 나노선(20)을 고정된 상태에서 기판에서 정렬한 후에 이를 나노선 정렬용 광섬유(19)에서 분리하거나, 또는 고정된 상태로 다른 기판에 이동시킨 후에 이를 분리하기 위하여 분리용 광섬유(22)를 더 포함한다.

따라서, 동일 기판 상에서, 또는 각각 다른 기판을 나노선을 이동시켜서 나노선을 일렬, 평행, 혹인 수직 등 다양한 구조로 복합 나노선 구조를 형성할 수 있게 된다.

하기 도 7은 본 발명의 일 실시예 따라 나노선을 정렬하는 모습을 보여주는 이미지로서, 먼저, (a) 분리되어 있는 두 개의 ZnO 나노선에서, (b) 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유에 하나의 ZnO 나노선을 고정시킨 후 이동 시켜 수직 구조의 ZnO 나노선으로 정렬하고, (c) 본 발명에 따른 나노선 분리용 광섬유를 이용하여 수직의 나노선 구조를 형성하였다.

또한, 하기 도 8 역시 본 발명의 일 실시예에 따라 ZnO 나노선을 정렬한 모습이다. 나노선은 웨이퍼 기판 위에 놓여져 있고 도 8a는 웨이퍼 위에 하나의 나노선(나노선 a)이 놓여진 모습이다. 나노선 a의 좌측에 다른 기판에 있던 나노선(나노선b)을 본 발명에 따른 나노선 정렬 시스템을 통하여 옮겨온 모습이다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 서로 다른 기판 상의 나노선을 원하는 위치로 옮길 수 있게 되어 서로 다른 조건을 통해 성장 혹은 처리되어 특성이 상이한 나노선을 배열할 수도 있는 바 원하고자 하는 형태의 다양한 하이브리드 소자까지도 제작할 수게 된다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 나노선 정렬 시스템을 이용하여 나노선을 정렬하는 방법으로서 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

(a) 나노선이 놓여진 스테이지 상에서 나노선 정렬용 광섬유를 이용하여 나노선을 정렬시키는 단계,

(b) 나노선 분리용 광섬유를 이용하여 정렬된 나노선과 나노선 정렬용 광섬유를 분리시키는 단계.

또한, 본 발명에 따른 나노선 정렬 방법은 상기 (a) 단계 이전에 나노선 정렬용 광섬유의 코어에 광을 전달하여 광섬유 말단에 코팅된 열가소성 수지에 접착성을 부여하는 단계를 더 포함하고, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 나노선 정렬용 광섬유, 이를 포함하는 나노선 정렬 시스템 및 그 정렬방법과 이에 따른 실시예를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

1. 중심부에 길이 방향으로 길게 형성된 코어; 및 상기 코어를 감싸면서 길이 방향으로 길게 형성된 클래딩;을 포함하는 광섬유로서,
   상기 광섬유의 한쪽 말단은 테이퍼 가공된 뾰족한 팁(tip) 형태이고, 상기 뾰족한 팁 형태의 광섬유 말단에는 열가소성 수지가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 나노선 정렬용 광섬유.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광섬유의 직경은 100-150 ㎛이고, 상기 뾰족한 형태의 광섬유 말단의 직경은 1.0-5.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 나노선 정렬용 광섬유.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열가소성 수지는 광 흡수 염료 물질을 포함하고, 상기 광섬유의 코어를 통하여 광이 전달되면 접착성을 갖는 것을 특징으로 하는 나노선 정렬용 광섬유.
4. 나노선 정렬이 이루어지는 스테이지;
   상기 스테이지에 광을 조사하는 제1 광원;
   상기 스테이지에서 이루어지는 나노선 정렬 조작을 확인하는 이미지 검출용 CCD 카메라;
   상기 스테이지에서 나노선을 정렬하는 제1항에 따른 나노선 정렬용 광섬유; 및
   상기 나노선 정렬용 광섬유의 코어에 광을 전달시키기 위한 제2 광원;을 포함하는 나노선 정렬 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 시스템은 나노선 정렬 후에 나노선과 나노선 정렬용 광섬유를 분리하기 위하여 나노선 분리용 광섬유를 더 포함하고,
   상기 나노선 분리용 광섬유는 뾰족한 팁 형태의 말단에 열가소성 수지가 코팅되어 있지 않은 제1항에 따른 나노선 정렬용 광섬유인 것을 특징으로 하는 나노선 정렬 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 스테이지와 상기 CCD 카메라 사이에 위치하고, 상기 제1 광원으로부터 조사되는 광의 경로에 위치하는 광분배기를 더 포함하는 나노선 정렬 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 스테이지와 상기 광분배기 사이, 상기 CCD 카메라와 상기 광분배기 사이에는 각각 광을 집속하기 위한 대물렌즈를 더 포함하는 나노선 정렬 시스템.
8. 제4항에 따른 나노선 정렬 시스템을 이용하여 나노선을 정렬하는 방법으로서,
   (a) 나노선이 놓여진 스테이지 상에서 나노선 정렬용 광섬유를 이용하여 나노선을 정렬시키는 단계; 및
   (b) 나노선 분리용 광섬유를 이용하여 정렬된 나노선과 나노선 정렬용 광섬유를 분리시키는 단계;를 포함하는 나노선 정렬 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 (a) 단계 이전에 나노선 정렬용 광섬유의 코어에 광을 전달하여 광섬유 말단에 코팅된 열가소성 수지에 접착성을 부여하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 정렬 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계 및 (b) 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 나노선 정렬 방법.

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