KR101454313B1 - 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법 - Google Patents

나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법은 미세튜브의 내부가 충진되도록 용액을 주입하는 제1 주입단계; 상기 용액과 화학적 반응을 하지않는 유체를 상기 용액의 중앙부를 관통하도록 주입하여 나노채널을 형성하는 제2 주입단계; 및, 상기 유체를 제거하는 제거단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 용액의 주입 및 경화의 간단한 공정만으로 나노채널을 형성할 수 있고, 별도의 표면가공이 필요치 않으며, 용액의 성분에 따라 나노채널의 화학적, 전기적 및 물리적 기능을 부여하는 것이 용이한 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법이 제공된다.

Description

나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF NANO STRUCTURE HAVING NANO CHANNEL}
본 발명은 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세튜브의 내부로 용액을 주입 및 경화 공정을 포함하는 간단한 공정만 나노채널이 형성된 나노구조체를 제조할 수 있는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법에 관한 것이다.
최근 초소형의 물리, 화학 센서와 기계적 구동소자를 개발하기 위해 고안된 미세기전소자 기술은 초고집적 반도체 기술의 발전에 따라 RLC 수동부품, 고주파 소자, 평면 디스플레이(flat panel display), 광통신 네트워크용 핵심 부품에의 적용에 이르기까지 그 응용범위가 나날이 확대되고 있다.
특히, 생명과학, 유전공학, 의료진단, 신약개발 분야에서 DNA 시퀀싱(DNA sequencing), 단백질 기능연구, 생체대사 물질, 반응물질의 극미량 측정을 위해 기존의 분석기기들을 미세 유체기술(microfluidics)로써 초소형화, 고성능화하는 유체 MEMS 기술이 활발히 연구되고 있다.
이중 랩-온-칩(lab-on-a-chip)은 DNA 칩, 단백질 칩, 면역분석(immuno assay) 기기 등 바이오 칩의 집적화, 시스템화를 위한 유체 플랫폼(platform)으로서 개발되고 있다.
이들 소자는 주로 마이크로 전극 또는 나노 전극을 매개로 전기영동(electrophoresis)이나 유전영동(dielectrophoresis)의 원리를 이용하여 반응물이나 액체 및 미세입자의 분리, 추출, 여과, 혼합, 이송의 기능을 수행하므로 다수의 나노채널 구조체를 기본으로 한 유체 네트워크로 구성되어 있다.
한편, 초소형 PCR 증폭장치, 미세 반응기 등의 구현을 위해서는 반응물이나 기체 또는 액체의 급속한 가열을 위한 고효율 마이크로 히터가 부가적으로 요구된다.
그리고 나노채널 구조체는 미세유체 분석시스템(micro total analysis system), 약물전달 장치, HPLC(high performance liquid chromatography) 등에서 마이크로 펌프(micro pump), 마이크로밸브(micro valve), 센서 등 미세 유체부품을 상호 연결하거나 분리 칼럼(column)으로서 사용되고, CPU, 적외선 소자, 고출력 반도체 레이저 등 전자부품의 냉각을 위한 히트 싱크(heat sink), 열교환기(heat exchanger) 부품으로 적용되고 있다.
이와 같은 다양한 용도를 가진 나노채널은, 도 1에서와 같이, 기판(110) 상에 소정의 박막(120)을 형성하고, 상기 박막(120)에 기판(110) 자체의 가공과 접합을 위주로 하는 벌크 미세가공 기술(bulk micromachining)이나 폴리머 미세가공기술(polymer micromachining), 기판 상부에 박막을 적층 및 식각하는 박막기술을 주로 하는 표면 미세가공 기술(surface micromachining)에 의해 제조된다.
예를 들면, 실리콘, 유리, 석영 기판을 식각 용액이나 건식 식각, 레이저 절단으로 국부적으로 가공하여 채널 패턴을 형성하고 그 상부에 양극, 용융, 확산접합, 솔더링(soldering) 등으로 다른 기판을 부착하여 나노채널을 밀봉한다.
다른 형태로는 기판상에 두꺼운 폴리머막을 도포하고 자외선을 조사하여 채널 패턴을 형성한 후 그 위에 다른 기판을 접착하거나, 다시 폴리머막을 도포하고 식각구멍을 패터닝하여 하부의 희생층 폴리머를 제거하여 나노채널을 형성한다.
그리고 실리콘 기판상에서 산화막 또는 감광막을 희생층으로 하여 채널이 형성될 부위를 채우고 그 위에 채널 외벽용의 박막을 증착하거나 전기도금한 후 식각액으로 희생층을 제거하여 나노채널을 완성하는 방법이 있다.
또한, 기판 상부에 얇은 마스킹 박막을 슬롯(slot) 형태로 패터닝하고 이를 통해 식각용액으로 기판을 이방성 식각하여 채널영역을 형성한 후 박막을 증착하여 입구부를 밀봉하는 방법이 있다.
상기에서 언급한 종래의 기술은 채널 패턴이 식각된 기판 위에 또는 두꺼운 폴리머 필름상에 또 다른 기판을 접합하여 나노채널을 형성하기 때문에 접합계면에서 미세기공이 발생하기 쉽고 채널 크기를 조절하기 어려워 폭이 수십 ㎛ 이하인 나노채널 제작에는 적용하는데 어려움이 있었다.
또한, 실리콘 기판상에 증착 또는 도포된 희생층을 사용하는 경우는 반도체 공정에 의한 희생층 박막을 수 ㎛ 이상 증착하기 어려우므로 채널 깊이가 극히 얇고 채널패턴의 단차에 의해 추후의 노광 공정이 영향을 받게 되는 문제점이 있었다.
그리고 종래의 기판 내부에 채널을 형성하는 방법은 채널 형상이 기판의 결정에 따른 식각율 차이에 의해 결정되고 수십 ㎛ 폭의 비교적 큰 크기의 채널이 형성되는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제2013-0036856호
본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세튜브의 내부로 용액을 주입, 경화 및 세척만의 간단한 공정으로 나노채널을 형성할 수 있는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 용액의 주입, 경화 및 세척만으로 나노채널을 형성하여 별도의 표면가공이 필요치 않는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 용액의 성분에 따라 나노채널의 화학적, 전기적 및 물리적 기능을 부여하는 것이 용이한 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제는 본 발명의 일 실시예에 따라, 미세튜브의 내부가 충진되도록 용액을 주입하는 제1 주입단계; 상기 용액과 화학적 반응을 하지않는 유체를 상기 용액의 중앙부를 관통하도록 주입하여 나노채널을 형성하는 제2 주입단계; 및, 상기 유체를 제거하는 제거단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기 과제는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 미세튜브 내부로 용액을 주입하는 주입단계; 상기 미세튜브를 회전시켜 상기 용액의 중앙부에 길이방향을 따라 나노채널이 형성되면서 상기 미세튜브의 내벽에 일정한 두께로 형성되도록 하는 회전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 미세튜브가 다공성 재질인 경우에는 상기 나노채널이 형성된 이후에 상기 미세튜브를 제거하지 않고, 상기 미세튜브가 다공정 재질이 아닌 경우에는 상기 나노채널이 형성된 이후에 상기 미세튜브를 제거하는 미세튜브 제거단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세튜브는 상기 용액과 화학적으로 반응하지 않는 재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세튜브는 수용성 고분자 재질인 것이 바람직하다.
또한, 상기 용액은 블록공중합체(Block Copolymer)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 용액은 층류를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 미세튜브의 내부로 용액을 주입, 경화 및 세척만의 간단한 공정으로 나노채널을 형성할 수 있는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법이 제공된다.
또한, 용액의 주입, 경화 및 세척만으로 나노채널을 형성하여 별도의 표면가공이 필요치 않는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법이 제공된다.
또한, 용액의 성분에 따라 나노채널의 화학적, 전기적 및 물리적 기능을 부여하는 것이 용이한 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법이 제공된다.
도 1은 종래 나노채널 형성된 나노구조체의 개략도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조공정도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조공정도이고,
도 4는 도 3의 제조공정에 따라 제조된 나노구조체의 단면도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 나노채널이 형성된 튜브의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 실시예에서는 용액의 중앙부로 주입되는 유체가 용액인 경우에 대해서 설명하며, 이를 구분하기 위해 제1용액과 제2용액으로 명명하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조공정도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법은, 먼저 미세튜브(10)를 준비하여 미세튜브(10)의 내부가 충진되도록 제1용액(20)을 주입한다(S10).
여기서, 상기 미세튜브(10)는 폴리비닐알콜(PVA, PolyVinyl Alcohol) 등의 수용성 고분자 재질로 마련되고, 그 직경이 수백㎛ ~ 수 mm의 직경을 가지도록 형성된다.
상기 제1용액(20)은 상기 미세튜브(10)와 화학적으로 반응하지 않는 블록공중합체(Block Copolymer)로서, 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Plyproplene), 폴리스티렌(PS, polystyrene), 폴리알킬(메타)아크릴레이트 및 폴리에스테르(Polyester)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소수성 고분자와, 폴리에틸렌옥사이드(PEO, polyethyleneoxide), 폴리페닐렌옥사이드(PPO, polyphenylene oxide), 폴리에틸렌글리콜(PEG, polyethyleneglycol), 폴리아크릴산(PAA, polyacrylic acid) 및 폴리비닐알콜(PVA)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 친수성 고분자의 공중합체이다.
이때, 소수성 고분자 : 친수성 고분자의 조성비는 0.70~0.65:0.30~0.35 또는 0.30~0.35:0.70~0.65일 때, 블록공중합체가 형성된다.
또한, 상기 제1용액(20)은 레이놀즈 수가 2000 미만인 용액으로서, 층류를 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제1용액(20)이 미세튜브(10) 내에 충진된 상태에서, 제2용액(30) 또는 가스를 상기 제1용액(20)의 중앙부를 관통하도록 주입한다(S20).
이때, 제2용액(30)은 제1용액(20)과 화학적 반응을 하지 않는 물질이면 어떠한 것도 가능하며, 바람직하게는 OOO일 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2용액(30)이 주입시에는 상기 미세튜브(10)의 직경 크기에 의해 미세튜브(10)의 내부에서는 주입되는 제1용액(20)과 제2용액(30) 간에는 혼합이 잘 이뤄지지 않을 수 있다.
아울러, 제2용액(30) 주입시에 제1용액(20)은 층류를 형성하므로 제2용액(30)과 제1용액(20) 사이에 계면이 발생하면서 제1용액(20)은 미세튜브(10)의 내벽 측으로 밀려나게 된다.
또한, 제1용액(20)은 미세튜브(10) 내벽 및 내벽과 인접한 영역에는 논슬립 경계조건(non-slip boundary condition)이 적용되어, 미세튜브(10)의 내벽 및 그 인접영역에만 제1용액(20)이 위치하게 되어, 미세튜브(10)의 내벽 전체에 균일한 두께로 형성된다.
그리고, 일정시간이 경과되도록 하여 제1용액(20)이 경화된 후, 경화된 제1용액(20)의 내부에 존재하는 제2용액(30)을 세척을 통해 제거하여 제2용액(30)이 차지하고 있던 영역에 나노채널(40)이 형성된다(S30). 이때, 세척액은 에탄올, 아세톤 등이 사용될 수 있다.
이어, 미세튜브(10)의 재질에 따라 선택적으로 미세튜브(10)를 제거하여 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조를 완료한다.
이때, 미세튜브(10)가 다공성 재질로 형성된 경우에는 미세튜브(10) 자체가 제1용액(20)의 경화에 따른 지지체와 같은 역할을 할 수 있어 미세튜브(10)를 제거하는 공정을 실행하지 않을 수 있다.
상술한 실시예에서는 제1용액의 중앙부로 주입되는 유체가 용액인 경우에 대해서 설명한 것이고, 상기 유체가 용액 대신에 질소 등의 가스인 경우에는 제1용액의 중앙부로 가스를 주입한 후, 주입된 가스를 외부로 방출함으로써 나노채널이 형성될 수 있다. 이때에는 가스 방출 후 나노채널 내부를 세척하는 별도의 세척공정이 불필요하다.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조공정도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 나노채널(40)이 형성된 나노구조체의 제조방법은, 미세튜브(10)를 준비하여 상기 미세튜브(10) 내부로 제1용액(20)을 주입한다(S10). 이때, 상기 미세튜브(10)와 상기 제1용액(20)은 제1실시예와 동일한 재질로 마련된다.
그리고, 상기 미세튜브(10)를 소정의 회전수단을 이용하여 회전시켜 원심력에 의해 제1용액(20)이 미세튜브(10)의 내벽에 일정한 두께로 도포되도록 한다(S21). 이때, 제1용액(20)의 중앙부에는 길이방향을 따라 나노채널(40)이 형성된다.
상기와 같이 제1용액(20)이 미세튜브(10)의 내벽에 도포되면, 제1용액(20)은 논슬립 경계조건(non-slip boundary condition)이 적용되므로 미세튜브(10)의 내벽에 일정한 두께로 부착된 상태를 유지하게 되며, 이 상태로 일정시간이 경과되도록 하여 제1용액(20)이 경화되도록 한다.
이어, 미세튜브(10)를 제거함으로써 나노채널(40)이 형성된 나노구조체의 제조를 완료할 수 있다. 이때에도, 제1실시예에서와 같이, 미세튜브(10)가 다공성 재질로 형성되는 경우에는 별도로 미세튜브(10)를 제거하는 공정을 실행하지 않고 도 4에서와 같이 미세튜브(10)가 외측의 지지체와 같은 역할을 하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은, 블록공중합체를 이용하여 나노채널을 제조하면 용액의 주입, 경화 및 세척의 간단한 공정만으로 나노채널을 형성할 수 있다.
또한, 종래와 같이 별도의 표면가공이 필요치 않아 제조공정상 정밀도가 향상될 수 있다. 아울러, 용액의 성분에 따라 나노채널의 화학적, 전기적 및 물리적 기능을 부여하는 것이 용이할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 미세튜브 20 : 제1용액
30 : 제2용액 40 : 나노채널

Claims (7)

  1. 미세튜브의 내부가 충진되도록 용액을 주입하는 제1 주입단계;
    상기 용액과 화학적 반응을 하지않는 유체를 상기 용액의 중앙부를 관통하도록 주입하여 나노채널을 형성하는 제2 주입단계; 및,
    상기 유체를 제거하는 제거단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.
  2. 미세튜브 내부로 용액을 주입하는 주입단계;
    상기 미세튜브를 회전시켜 상기 용액의 중앙부에 길이방향을 따라 나노채널이 형성되면서 상기 미세튜브의 내벽에 일정한 두께로 형성되도록 하는 회전 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 미세튜브가 다공성 재질인 경우에는 상기 나노채널이 형성된 이후에 상기 미세튜브를 제거하지 않고, 상기 미세튜브가 다공정 재질이 아닌 경우에는 상기 나노채널이 형성된 이후에 상기 미세튜브를 제거하는 미세튜브 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 미세튜브는 상기 용액과 화학적으로 반응하지 않는 재질인 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 미세튜브는 수용성 고분자 재질인 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 용액은 블록공중합체(Block Copolymer)인 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 용액은 층류를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노채널이 형성된 나노구조체의 제조방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Nanoprocessing Based on Bicontinuous Microdomains of Block Copolymers: Nanochannels Coated with Metals, Langmuir 1997, Vol. 13, 6869-6872. *
Nanostructures of functional block copolymers, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 1998, Vol. 3, pp. 200-208. *

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