KR101473853B1 - 그래핀의 패턴 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

DNA 패턴을 형성하는 단계 및 상기 DNA 패턴 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하는 그래핀의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

Description

그래핀의 패턴 형성 방법{GRAPHENE PATTERNING METHOD}
본원은, DNA 패턴을 형성하는 단계 및 상기 DNA 패턴 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하는, 그래핀의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자가 육각형의 구조를 이루며 서로 연결된 벌집 모양의 2 차원 평면 구조를 가지는 물질로서 화학적으로 안정성이 높은 특성을 보인다. 또한, 실리콘보다 100 배 이상 우수한 전기적 전도성을 가지고, 유연하며(flexible) 투명하므로(transparent) 차세대 반도체 물질로서 많은 관심이 집중되고 있다.
그러나, 그래핀은 본래 금속성 특성을 가지고 있으므로, 반도체 특성을 갖도록 하기 위해서는 그래핀을 나노 스케일 선폭의 채널로 패터닝 하여야 한다. 최근에는 기재에 그래핀을 선택적으로 성장시켜 패턴을 형성하는 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어, "그래핀 패턴 형성 방법(대한민국 공개특허 2010-0010140호)" 등의 관련 연구가 있었다.
그러나, 종래 방법으로 그래핀 패턴을 제조하는 경우에는 균일한 폭이 형성되는 대면적의 소자를 제조하기 어려운 문제가 있었다. 특히, 주로 사용되는 금속 촉매 박막의 식각에 의한 선택적인 그래핀 성장 기술을 사용하는 경우, 식각 기술의 한계로 인하여 수 나노미터 수준의 정밀한 그래핀 패턴의 형성은 불가능하다는 한계가 있었다.
본원은, 그래핀을 목적하는 패턴 또는 목적하는 스케일로 성장시켜 그래핀 패턴을 수득하기 위한, 그래핀의 패턴 형성 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, DNA 패턴을 형성하는 단계 및 상기 DNA 패턴 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하는, 그래핀의 패턴 형성 방법을 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 양전하 패턴을 형성하고, 상기 양전하 패턴 상에 금속 입자와 결합된 DNA 구조(structure)를 흡착시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 양전하 패턴을 형성하고, 상기 양전하 패턴 상에 DNA 구조(structure)를 흡착시키고, 상기 DNA 구조 상에 금속 입자를 결합시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양전하 패턴은 APTMS(3-aminopropyltrimethoxysilane) 패턴, APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) 패턴, APDES (3-aminopropylmethyldiethoxysilane) 패턴, 또는 APDMS (3-aminopropylmethyldimethoxysilane) 패턴을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양전하 패턴은, 리소그래피 공정을 이용하여 기재 상의 패터닝하고자 하는 위치에 선택적으로 포토레지스트 물질을 도포하는 단계, 상기 기재 표면에 소수성 물질을 코팅하는 단계, 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 단계; 및, 상기 패터닝하고자 하는 위치에 양전하를 띠는 물질을 증착하는 단계를 포함하는 공정에 의하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 양전하를 띠는 물질은 APTMS(3-aminopropyltrimethoxysilane), APTES(3-aminopropyltriethoxysilane), APDES(3-aminopropylmethyldiethoxysilane), APDMS(3-aminopropylmethyldimethoxysilane), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소수성 물질은, 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, OTS), 폴리클로로 트리-플루오로에틸렌(PolyChloro Tri-Fluoroethylene, PCTFE), 테플론(Teflon), 비결정질 불소(CYTOP), 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 구조는 DNA 모티프를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 스트렙타비딘(streptavidin)과 결합된 것이고, 상기 DNA 모티프는 비오틴(Biotin)과 결합된 것이며, 상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자에 결합된 스트렙타비딘과 상기 DNA 모티프에 결합된 비오틴의 결합에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 DNA 가닥이 부착된 것이며, 상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자에 부착된 DNA 가닥과 상기 DNA 모티프의 결합에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 구조는 DNA 오리가미(origami)에 의하여 생성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 오리가미에 의하여 DNA 구조 상에 금속 입자 결합 부위가 생성되며, 상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자 결합 부위에 상기 금속 입자가 결합된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동, 스테인레스 스틸(stainless steel), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴은 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자 상에 그래핀이 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 그래핀이 형성되는 것은, 탄소계 물질을 상기 DNA 패턴 상에 도포하는 것 및 상기 탄소계 물질을 수소를 포함하는 가스 분위기 하에서 열처리하는 것에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 물질은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌, 메탄올, 벤젠, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 액상 또는 고상 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 그래핀이 형성되는 것은, 화학기상증착(chemical vapour deposition, CVD) 방법에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화학기상증착 방법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition, RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition, ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 방법을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원에 의하면, 그래핀을 목적하는 패턴에 따라 성장시켜 그래핀 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 종래의 그래핀 패턴 형성방법에 따른 그래핀이 균일한 폭을 가지기 힘들고 정밀한 패턴을 형성하기 어려운 것에 반해, 본원의 그래핀 패턴 방법에 의하면 나노 수준의 미세한 패턴을 균일한 폭으로 가지는 그래핀 패턴을 수득할 수 있다. 상기 그래핀 패턴의 형성방법에 의하여 형성된 그래핀 패턴은, 수 나노미터 수준의 집적된 소자를 제조하는 데 사용될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1f는, 본원의 일 구현예에 따른 그래핀의 패턴 형성 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 금속 입자와 DNA 구조의 결합을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 금속 입자와 DNA 구조의 결합을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 따른 DNA 구조의 형성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 따른 그래핀의 형성 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은, 본원의 일 구현예에 따른 그래핀의 형성 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 금속 입자의 제타 포텐셜 에너지를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 따라 DNA 상에 결합된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 따라 DNA 상에 결합된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 따라 DNA 상에 결합된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 16은, 본원의 일 실시예에 따라 DNA 상에 결합된 금속 입자의 주사전자현미경 이미지이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 따른 그래핀 성장에 사용된 PMMA의 주사전자현미경 이미지이다.
도 18a는, 본원의 일 실시예에 따라 금속 입자 상에 형성된 그래핀의 광학 현미경 이미지이고, 도 18b 내지 도 18d는, 상기 그래핀의 라만 맵핑 이미지이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 따라 금속 입자 상에 형성된 그래핀의 라만 스펙트럼 분석 그래프이다.
도 20은, 본원의 일 실시예에 따라 금속 입자 상에 형성된 그래핀의 라만 스펙트럼 분석 그래프이다.
도 21a 내지 도 21d는, 본원의 일 실시예에 따라 기재 상에 부착된 DNA의 원자간력 현미경 이미지이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로서 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원의 제 1 측면은, DNA 패턴을 형성하는 단계 및 상기 DNA 패턴 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하는 그래핀의 패턴 형성 방법을 제공할 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀의 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 이하에서는, 도 1a 내지 도 6을 참조하여 본원의 구현예에 따른 그래핀의 패턴 형성 방법에 대하여 상세히 설명한다.
예를 들어, 상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 양전하 또는 금속 이온 패턴을 형성하고, 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 금속 입자와 결합된 DNA 구조(structure)를 흡착시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 양전하 또는 금속 이온 패턴을 형성하고, 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 DNA 구조(structure)를 흡착시키고, 상기 DNA 구조에 금속 입자를 결합시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 패턴은 점, 선, 면, 규칙적인 형태, 또는 불규칙적인 형태를 가지는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 입자는 표면이 양전하를 띠는 것일 수 있으며, 양전하로 기능화된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 입자의 표면이 양전하를 띠는 경우, 인산기로 인하여 음전하를 띠는 DNA와 서로 정전기적 인력에 의하여 용이하게 결합될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 양전하 패턴을 형성하고, 상기 양전하 패턴 상에 금속 입자와 결합된 DNA 구조(structure)를 흡착시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 양전하 패턴을 형성하고, 상기 양전하 패턴 상에 DNA 구조(structure)를 흡착시키고, 상기 DNA 구조 상에 금속 입자를 결합시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양전하 패턴은 APTMS(3-aminopropyltrimethoxysilane) 패턴, APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) 패턴, APDES (3-aminopropylmethyldiethoxysilane) 패턴, 또는 APDMS (3-aminopropylmethyldimethoxysilane) 패턴을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이온은 금속 양이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 양이온은 마그네슘 또는 칼륨의 양이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴은, 리소그래피 공정을 이용하여 기재(110) 상의 패터닝하고자 하는 위치에 선택적으로 포토레지스트 물질(130)을 도포하는 단계(도 1a 참조), 상기 기재 표면에 소수성 물질(150)을 코팅하는 단계(도 1b 참조), 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 단계(도 1c 참조), 및 상기 패터닝하고자 하는 위치에 양전하를 띠는 물질(170) 또는 금속 이온을 증착하는 단계(도 1d 참조)를 포함하는 공정에 의하여 형성된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 리소그래피의 비제한적 예로서, 포토리소그래피(photolithography), 전자빔 리소그래피, 나노리소그래피, 소프트리소그래피 등을 포함할 수 있으며, 상기 리소그래피는 당업계에서 리소그래피 공정을 수행하기 위해 통상적으로 사용되는 방법을 특별히 제한 없이 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 포토리소그래피법을 이용하는 경우, 상기 기재 상에 포토레지스트 층을 형성하고, 상기 기재 상에 목적하는 패턴을 가지는 마스크를 적용한 뒤, 상기 기재를 자외선 노광 장치 등에 의해 노광하고, 상기 기재가 노광 장치 등에 인입되면, 노광 장치에서 자외선 등의 빛이 상기 기재의 마스크가 적용되지 않은 영역으로 조사될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 노광 장치에서 조사된 빛에 의하여 목적하는 패턴 모양으로 상기 포토레지스트가 제거될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이 경우, 마스크에 의하여 노광되지 않은 부분의 포토레지스트 층은 남게 되어, 마스크의 패턴에 따라 포토레지스트 층의 패턴을 생성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다..
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소수성 물질은, 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, OTS), 폴리클로로 트리-플루오로에틸렌(PolyChloro Tri-Fluoroethylene, PCTFE), 테플론(Teflon), 비결정질 불소(CYTOP), 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 옥타데실트리클로로실란을 상기 기재 표면에 코팅함으로써 상기 기재의 표면이 소수성과 양전하를 띠게 되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 포토레지스트를 포함한 기재 표면 전체가 소수성 물질에 의하여 코팅되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 단계는 아세톤, 모노에탄올아민, 다이에탄올아민, 트리에탄올아민, 카본테트라클로라이드, 메틸에틸케톤, 또는 테트라하이드로퓨란 등을 이용하여 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 단계에 의하여 상기 기재 상의 패터닝하고자 하는 위치에 선택적으로 부착된 포토레지스트 물질만이 제거되고, 그 외의 부위의 코팅은 제거되지 않고 남아있을 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 아세톤을 이용하여 상기 포토레지스트 물질을 제거하는 경우, OTS 코팅에 손상을 주지 않고 포토레지스트만을 녹여 제거하는 것이 가능하다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 이온은 금속 양이온일 수 있으며, 상기 패터닝하고자 하는 위치를 제외하는 부위는 상기 옥타데실트리클로로실란에 의해 코팅되어 있기 때문에 양전하를 띠어 상기 금속 양이온의 증착을 방해하므로, 상기 패터닝하고자 하는 위치에만 상기 금속 양이온이 증착되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 금속 입자(210)와 결합한 DNA 구조(190)가 흡착되는 것(도 1e)에 있어서, 상기 DNA 구조(190)는 DNA 모티프를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
DNA는 아데닌(Adenine, A), 티민(Thimine, T), 구아닌(Guanine, G), 및 시토신(Cytosine, C)의 네 종류의 핵산 분자로 주로 이루어져 있으며, 상기 핵산 분자들은 아데닌과 티민이, 그리고 구아닌과 시토신이 각각 상보적으로 수소결합을 이루어 이중나선을 형성하는 성질을 가진다. DNA에 포함된 상기 핵산 분자들의 배열은 인공적으로 조절될 수 있으며, 상기 조절에 따라 DNA 이중나선을 구성하는 아데닌-티민 결합과 구아닌-시토신 결합의 결합각이 변하여 다양한 형태의 DNA구조를 제작할 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 모티프는 상기 DNA에 포함된 상기 핵산 분자들의 배열을 조절하여 DNA가 1 차원적 또는 2 차원적으로 특정 형태를 가지게 된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 모티프는 상기 금속 입자가 상기 DNA 모티프에 결합되는 것에 적합한 형태를 가지는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 구조는 한 종류 또는 두 종류 이상의 상기 DNA 모티프들이 조합되어 2 차원적 또는 3 차원적으로 특정 형태를 가지게 된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 DNA는 λ-DNA, 5 헬릭스 리본 DNA(5HR DNA), 8 헬릭스 튜브 DNA(8HT DNA), 또는 더블 크로스오버 크리스탈 DNA(double-crossover crystal DNA)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 스트렙타비딘(streptavidin)과 결합된 것이고, 상기 DNA 모티프는 비오틴(Biotin)과 결합된 것이며, 상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자에 결합된 스트렙타비딘과 상기 DNA 모티프에 결합된 비오틴의 결합에 의한 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다 (도 2 참조). 상기 스트렙타비딘과 상기 비오틴은 모두 단백질 분자로서, 서로 강력하게 결합하는 특성을 가진다. 예를 들어, 상기 스트렙타비딘과 결합된 상기 금속 입자와, 상기 비오틴과 결합된 상기 DNA 모티프가 서로 접촉될 경우 상기 스트렙타비딘과 상기 비오틴 간에 강한 특이적 결합이 이루어져 상기 금속 입자가 상기 DNA 모티프에 결합되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어 상기 DNA 구조는, 상기 금속 입자가 결합한 상기 DNA 모티프와 상기 금속 입자가 결합하지 않은 DNA 모티프를 구분하여 제조하고, 상기 DNA 모티프들을 조합하여 그물 형태의 구조를 만든 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다 (도 4 참조).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 DNA 가닥이 부착된 것이며, 상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자에 부착된 DNA 가닥과 상기 DNA 모티프의 결합에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 가닥의 한쪽 말단, 양쪽 말단, 또는 가닥 중간에 티올(thiol)기를 포함된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 티올기는 금속 입자와의 결합력이 강하여, 상기 티올기를 포함하는 DNA 가닥과 상기 금속 입자를 혼합할 경우 상기 DNA 가닥이 금속 입자에 부착될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다 (도 3 참조). 예를 들어, 상기 DNA 가닥은 상기 DNA 모티프에 포함된 DNA와 상보적인 핵산 서열을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 가닥이 부착된 상기 금속 입자와 상기 DNA 모티프를 포함하는 상기 DNA 구조가 서로 접촉될 경우 상기 DNA 가닥과 상기 DNA 모티프에 포함된 DNA 간의 상보적 결합이 생성되어 상기 금속 입자가 상기 DNA 모티프에 결합되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어 상기 DNA 구조는, 상기 금속 입자가 결합한 상기 DNA 모티프와 상기 금속 입자가 결합하지 않은 DNA 모티프를 구분하여 제조하고, 상기 DNA 모티프들을 조합하여 그물 형태의 구조를 만든 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다 (도 4 참조).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 금속 입자와 결합한 DNA 구조(structure)가 흡착되는 것은, 상기 양전하 또는 금속 이온과 상기 DNA 구조가 서로 다른 전하를 띠기 때문에 상기 서로 다른 전하 간에 인력이 작용하여 서로 흡착되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴이 형성되지 않은 부분에는 OTS 코팅으로 인하여 소수성 물질이 형성되어 있으므로, DNA 구조를 포함하는 버퍼, 혼합물, 또는 용액이 상기 OTS 코팅 부분이 아닌 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 부분에만 머물러 상기 DNA 구조가 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에만 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 이온은 금속 양이온일 수 있으며, 상기 DNA 구조를 이루는 DNA에 포함된 인산기가 음전하를 띠므로, 상기 금속 양이온과 상기 인산기의 음전하 간의 인력에 의하여 상기 양전하 또는 금속 이온과 상기 DNA 구조가 흡착될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 DNA 구조를 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 흡착시키는 것은, DNA 구조에 포함될 DNA 모티프를 버퍼 용액에 넣고 약 90℃까지 온도를 높인 후 천천히 식혀 버퍼 용액 상에서 DNA 구조를 형성하여 이를 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 흡착시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 구조를 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 흡착시키는 것은, DNA 구조에 포함될 DNA 모티프를 버퍼 용액에 넣고 상기 버퍼 용액을 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 적용한 후, 이를 열처리하여 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에서 상기 DNA 구조가 형성되는 동시에 상기 양전하 또는 금속 이온 패턴 상에 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 구조는 DNA 오리가미(origami)에 의하여 생성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 DNA 오리가미는, DNA에 포함된 핵산 분자들이 상보적으로 수소 결합을 이루는 성질을 가지는 것을 이용하여, 상기 DNA에 포함된 핵산 분자들의 배열을 인공적으로 조절하여 상기 DNA의 단일가닥이 2 차원 또는 3 차원 상의 특정 형태로 이중가닥을 이루어 접히도록 하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 오리가미에 의하여 DNA 구조 상에 금속 입자 결합 부위가 생성되며, 상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자 결합 부위에 상기 금속 입자가 결합된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동, 스테인레스 스틸(stainless steel), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴은 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자 상에 그래핀이 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀은 상기 금속 입자를 촉매로 하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 Ni는 그래핀 성장용 촉매로서 사용 시 다른 촉매 금속에 비하여 탄소 융해도가 높으므로, 상기 금속 입자가 Ni를 포함하는 경우, 상대적으로 다층 그래핀이 성장될 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 패턴은 상기 DNA 패턴 상에 포함된 DNA 구조 또는 DNA 오리가미 상에 결합된 금속 입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 DNA 패턴 상에 그래핀 패턴(230)을 형성하는 단계(도 1f 참조)에 있어서, 상기 그래핀이 형성되는 것은 탄소계 물질(250)을 상기 DNA 패턴 상에 도포하는 것, 및 상기 탄소계 물질을 수소와 아르곤을 포함하는 가스 분위기 하에서 약 500℃ 내지 약 1,500℃의 온도에서 약 30 초 내지 약 30 분간 열처리하는 것에 의하여 수행되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다 (도 5 참조). 예를 들어, 상기 탄소계 물질은 그래핀 성장에 있어서 탄소 소스(source)의 역할을 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 500℃ 내지 약 1,500℃, 약 800℃ 내지 약 1,500℃, 약 1,200℃ 내지 약 1,500℃, 약 500℃ 내지 약 1,200℃, 약 500℃ 내지 약 800℃, 또는 약 800℃ 내지 약 1,000℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 30 초 내지 약 30 분, 약 1 분 내지 약 30 분, 약 5 분 내지 약 30 분, 약 10 분 내지 약 30 분, 약 20 분 내지 약 30 분, 약 30 초 내지 약 20 분, 약 30 초 내지 약 10 분, 또는 약 30 초 내지 약 5 분간 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 DNA 패턴 상에 도포된 탄소계 물질은, 확산방지층(diffusion blocking layer, 270)이 상기 탄소계 물질 상에 형성된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀이 형성되는 것은, 상기 탄소계 폴리머 물질을 상기 DNA 패턴 상에 도포한 후 이를 수소가스와 함께 약 800℃ 이상의 온도에서 약 10 분간 열처리함으로써, 상기 탄소계 폴리머 물질 내의 탄소가 확산을 통해 이동하여 상기 DNA 패턴에 포함된 상기 금속 입자 상에 응집하여 그래핀이 형성되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 물질은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌, 메탄올, 벤젠, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 액상 또는 고상 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 그래핀이 형성되는 것은, 화학기상증착(chemical vapour deposition, CVD) 방법에 의하여 수행되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀이 형성되는 것은, 상기 DNA 패턴 상에 탄소 소스로서 메탄가스를 주입한 후 약 400℃ 내지 약 2,000℃에서 열처리하여 상기 DNA 패턴에 포함된 상기 금속 입자 상에 상기 메탄가스의 탄소가 응집하여 그래핀이 형성되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다(도 6 참조). 예를 들어, 상기 열처리의 온도는 약 400℃ 내지 약 2,000℃, 약 800℃ 내지 약 2,000℃, 약 1,200℃ 내지 약 2,000, 약 1,600℃ 내지 약 2,000℃, 약 400℃ 내지 약 1,600℃, 약 400℃ 내지 약 1,200℃, 또는 약 400℃ 내지 약 800℃일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀이 형성되는 것은, 그래핀 형성 과정에서 주입되는 수소가스의 흐름율(throughput rate), 탄소계 물질 또는 탄소 소스의 탄소 함유량, 및/또는 열처리 시의 온도 조절을 통하여 상기 그래핀의 품질, 크기, 및/또는 두께를 조절하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화학기상증착 방법은 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition, RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition, ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 방법을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 본원에 따른 그래핀의 패턴 형성 방법에 의하여 형성된 그래핀의 패턴은, 종래의 그래핀 패턴 형성방법에 따른 그래핀 패턴이 균일한 폭을 가지기 힘들고 정밀한 패턴을 형성하기 어려운 것에 반해, 나노 수준의 미세한 패턴을 균일한 폭으로 가질 수 있다. 또한, 상기 본원의 그래핀 패턴의 형성방법에 의하여 형성된 그래핀 패턴은, 수 나노미터 수준의 집적된 소자를 제조하는 데 사용될 수도 있다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 보다 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[ 실시예 ]
금속 입자의 합성
니켈 금속 입자 전구체인 니켈(아세틸아세토네이트)₂[Ni(acetylacetonate)₂] 0.52 g과, 용매이자 안정제인 올레일아민(Oleylamine) 2 mL을 혼합한 후, 상기 혼합물을 아르곤 분위기 하에서 100℃ 까지 가열하였다. 이후, 상기 혼합물에 환원제인 TPP(트리페닐포스파인) 5 g 또는 TOP(트리옥틸포스파인) 5 g을 추가한 후, 215℃ 까지 가열하였다.
상기 혼합물을 200℃ 에서 30 분 동안 유지하며 가열한 후, 상온까지 냉각시켰다. 에탄올을 이용하여 합성된 니켈 입자를 분리한 후, 상기 니켈 입자를 클로로포름 내에 분산시켰다. 이후, DMAET(2-dimethylaminoethanethiol) 용액을 이용하여 상기 니켈 입자의 표면을 기능화하여 양전하로 치환하였다.
상기 환원제로 사용되는 포스파인(phosphine, 인화수소)은 종류에 따라 다른 환원력을 가지는데, 환원력이 강할수록 입자의 핵 성장이 주로 일어나고, 환원력이 약할수록 입자의 핵 성장보다는 입자의 크기 성장이 주로 일어난다. 따라서, 상대적으로 강한 환원력을 가지는 TOP를 사용할 경우 평균 약 2 nm 크기의 금속 입자가 생성되었으며, 상대적으로 약한 환원력을 가지는 TPP를 사용할 경우 평균 약 7 nm 크기의 금속 입자가 생성되었다.
상기 기능화된 니켈 입자와 기능화되지 않은 니켈 입자를 주사전자현미경으로 관찰한 결과는 도 7에 나타나 있다. 기능화되지 않은 니켈 입자(도 7a)는 응집 현상이 일어난 것이 관찰되나, 기능화된 니켈 입자 (도 7b)는 정상적으로 분산되어 있는 것이 관찰되었다.
도 8은 TOP를 환원제로 사용하여 합성한 약 2 nm 크기의 니켈 입자를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 상단 및 중단의 사진은 100,000 배 확대한 사진이고, 하단의 사진은 200,000 배 확대한 사진이다.
도 9는 TPP를 환원제로 사용하여 합성한 약 7 nm 크기의 니켈 입자를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 상단의 사진은 100,000 배 확대한 사진이고, 하단의 사진은 150,000 배 확대한 사진이다.
구리 입자의 합성을 위해서는, 구리 전구체로서 구리(아세틸아세토네이트)₂[Cu(acetylacetonate)₂]를 사용하였다는 것만 제외하고 니켈 입자의 합성과 동일한 방법을 이용하였다. 환원제로서 TOP를 이용하여 합성된 구리 입자의 주사전자현미경 사진은 도 10에 나타나 있다.
금 입자의 합성을 위하여, HAuCl4 0.04 wt% 를 21 mL의 증류수 내에 혼합하고, 이를 80℃까지 중탕 가열하였다. 이후, 아닐린 15 ㎕를 포함한 증류수 1.5 mL을 주입하고 금 입자를 약 20 분간 성장시켰다. 금 입자 성장이 완료된 후, 상기 금 입자를 포함하는 합성액을 원심분리기를 이용하여 15,000 rpm으로 20 분간 원심분리하였다. 이어서, 원심분리로 인하여 생성된 앙금은 제거하고, 금 입자가 포함된 상층액을 채취하여 사용하였다. 상기 아닐린은 HAuCl4에 포함된 금 입자 표면에 리간드를 형성하여 상기 금 입자의 표면이 양전하를 띠도록 기능화시키기 위하여 사용되었다.
도 11은 본 실시예에 의하여 합성된 금 입자의 제타 포텐셜 에너지를 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 11에 따르면, 상기 금 입자가 양전하를 띠도록 기능화되었음을 확인할 수 있었다. 도 12는 상기 금 입자를 주사전자현미경을 이용하여 100,000 배 확대하여 관찰한 이미지이다. 도 12에 따르면, 아닐린에 의하여 기능화된 금 입자가 안정적으로 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
양전하를 띠는 물질을 이용한 기재 상의 DNA 패턴 형성
본 실시예에서는, 기재 상에 DNA를 선택적으로 부착시켜 DNA 패턴을 형성하기 위하여, OTS(Octadecyltrichlorosilane) 및 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane) 처리를 하였다. 먼저 Si 웨이퍼 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 웨이퍼를 OTS를 이용하여 코팅하였다. 상기 OTS 코팅을 위하여, 헥세인(hexane) 용액 50 mL과 OTS 용액 1.5 ㎕의 혼합 용액을 이용하여 상기 웨이퍼를 코팅한 후 1 시간 동안 처리하였다. 이어서 아세톤을 이용하여 상기 포토레지스트를 제거하여, OTS에 의하여 코팅되어 있지 않은 패턴을 노출시켰다. 이후 상기 웨이퍼에 피라나(Piranha) 처리를 한 후 APTES 코팅을 하여, OTS 및 APTES에 의하여 패터닝된 기재를 준비하였다. 상기 APTES 코팅을 위하여, 1 mL의 APTES 용액과 50 mL의 톨루엔을 혼합한 용액에 상기 웨이퍼를 5 분간 침지한 후, 이를 증류수로 세척하고 질소 가스를 이용하여 건조시켰다.
상기 피라나 처리는 황산과 과산화수소를 2 : 1로 혼합한 용액을 이용하여 수행하였으며, 구체적으로, 상기 웨이퍼를 상기 혼합 용액에 15 초 동안 침지한 후, 이를 증류수로 세척하고 질소 가스를 이용하여 건조시킴으로써 수행되었다. 특히, 상기 피라나 처리로 인하여 포토레지스트가 제거된 부분에 OH기가 형성되고, 이로 인하여 양전하를 띠는 APTES 처리가 용이해질 수 있었다.
이후 상기 웨이퍼 상의 APTES의 양전하를 이용하여 상기 APTES 상에 λ-DNA를 부착시킴으로써, 상기 웨이퍼 상에 DNA 패턴을 형성하였다. 구체적으로, λ-DNA 50 ㎕ 및 TE 버퍼 (1x) 4.5 mL을 혼합한 용액에 상기 웨이퍼를 침지하여 결합법(combining method)으로 APTES 코팅 부분에 DNA를 부착시켰다. 이 때, 웨이퍼 상에서 APTES가 아닌 OTS로 코팅된 부분은 소수성을 띠므로, 친수성인 λ-DNA는 APTES로 코팅된 부분에만 선택적으로 부착되어 패턴을 형성하였다. 특히, APTES는 양전하를 띠므로, 인산기에 의하여 음전하를 띠는 DNA가 정전기적 상호작용에 의하여 상기 APTES 코팅 부분에 선택적으로 용이하게 부착될 수 있었다.
금속 이온을 이용한 기재 상의 DNA 패턴 형성
본 실시예에서는, 웨이퍼 상에 부착된 금속 이온 상에 DNA를 부착시켰다. 먼저, 300 nm의 SiO2가 형성된 Si 기재를 황산과 과산화수소가 2 : 1 비율로 혼합된 피라나 용액에 30 분 동안 침지시켰다. 상기 기재를 증류수를 이용하여 세척한 후, 질소 가스를 이용하여 건조시켰다. 상기 건조된 기재를 10 x TAE/Mg2 +가 1 ml 포함된 용액에 3 시간 동안 침지한 후, 이를 다시 증류수를 이용하여 세척한 후 질소 가스를 이용하여 건조시켰다. 상기 건조된 기재의 표면은 Mg2 + 이온에 의하여 양전하를 띠게 되었다.
이후, 상기 양전하 처리된 웨이퍼를 λ-DNA, 5HR DNA, 8HT DNA, 또는 DX tile DNA와 1 x TAE/Mg2 + 버퍼가 혼합된 200 nM 농도의 용액에 침지시킨 뒤, 이를 95℃까지 가열하고, 다시 20℃ 까지 냉각시켰다. 상기 과정에 의하여, 상기 버퍼 내의 DNA 구조가 상기 기재 내에 흡착되었다.
도 21a 내지 도 21d는 본 실시예에 의하여 기재 상에 부착된 DNA의 원자간력 현미경 이미지이다. 구체적으로, 도 21a는 기재 상에 부착된 λ-DNA, 도 21b는 기재 상에 부착된 5HR DNA, 도 21c는 기재 상에 부착된 8HT DNA, 및 도 21d는 기재 상에 부착된 DS tile DNA의 원자간력 현미경 이미지이다. 도 21a 내지 도 21d에 나타난 바에 따르면, DNA가 기재 상에 안정적으로 부착되어 있음을 확인할 수 있었다.
DNA 상에 금속 입자의 결합
본 실시예에서는, 웨이퍼 상에 패터닝된 DNA 상에 금속 입자를 결합시켰다. 먼저, DNA 패터닝된 기재 상에 상기 실시예에 의하여 제조된 금속 입자 용액을 분무하고 약 10 분 내지 약 20 분 가량 대기한 뒤, 질소 가스를 이용하여 상기 용액을 건조시킴으로써 DNA 상에 금속 입자를 결합시켰다. 이 때, 상기 DNA에 포함된 인산기는 음전하를 띠고, 본원의 실시예에 의하여 제조된 금속 입자는 기능화되어 양전하를 띠므로, 상기 DNA와 상기 금속 입자는 정전기적 인력에 의하여 결합되었다.
도 13 내지 도 15는 웨이퍼 상에 패터닝된 λ-DNA (폭 2 nm) 상에 금 입자 (10 nm 내지 50 nm 크기)가 정전기적 인력에 의하여 결합되어 와이어(wire) 형태로 배치된 주사전자현미경 이미지이다. 도 13은 20,000 배 확대한 이미지이고, 도 14의 상단 이미지는 20,000 배, 하단 이미지는 50,000 배 확대한 이미지이며, 도 15의 상단 이미지는 50,000 배, 하단 이미지는 20,000 배 확대한 이미지이다.
도 16은 웨이퍼 상의 λ-DNA 상에 구리 입자가 부착된 것을 확인할 수 있는 주사전자현미경 이미지이다. 도 16의 상단 이미지는 5,000 배 확대한 이미지이고, 도 16의 하단 이미지는 20,000 배 확대한 이미지이다.
금속 입자 상의 그래핀 합성
피라나(Piranha) 처리된 Si 웨이퍼 상에 200 nm 두께의 SiO2를 형성한 후, 상기 SiO2 상에 Ni 입자를 증착하였다. 상기 SiO2 및 상기 Ni 입자 상에 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 그래핀 성장을 위한 탄소 소스(source)인 PMMA(polymethyl methacrylate)를 증착하였다. 상기 PMMA는 약 21 nm 두께로 증착되었으며, 상기 증착된 PMMA를 50,000 배 배율로 관찰한 주사전자현미경 이미지는 도 17에 나타나 있다. 다음으로, 상기 웨이퍼를 로(furnace)에 삽입하여 수소 및 아르곤 분위기 하에서 1,000℃로 어닐링 하여 상기 Ni 입자 상에 그래핀을 성장시켰다. 상기 그래핀의 성장이 완료된 후, 아세톤을 이용하여 PMMA를 제거하여 그래핀 합성을 완료하였다.
합성된 그래핀의 특성분석
상기 실시예에 따라 Ni 금속 입자 패턴 상에 합성된 그래핀 패턴을 라만 맵핑 분석하였다. 도 18a는 상기 실시예에 따라 금속 입자 상에 형성된 그래핀의 광학 이미지이고, 도 18b는 D 피크를 나타낸 라만 맵핑 이미지이고, 도 18c는 G 피크를 나타낸 라만 맵핑 이미지이며, 도 18d는 2D 피크를 나타낸 라만 맵핑 이미지이다. 라만 맵핑을 위하여 532 nm 파장의 레이저를 사용하였으며, 포톤(photon) 카운트는 50 내지 200 스케일로 진행되었다. 도 18a 내지 도 18d에 나타난 바에 따르면, 광학 이미지상 관찰되는 어두운 부분인 그래핀 및 Ni 입자의 패턴대로 피크가 관찰되는 것을 확인하였다.
도 19는 광학 이미지상에서 그래핀이 합성된 부분과 그래핀이 합성되지 않은 부분을 각각 라만 스펙트럼 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 19에 나타낸 바에 따르면, 광학 이미지상 그래핀이 합성된 부분의 스펙트럼은 G 피크와 2D 피크가 뚜렷이 나타나 정상적으로 그래핀이 합성되었음을 확인할 수 있으나, 광학 이미지상 그래핀이 합성되지 않은 부분은 특별히 구분되는 피크가 관찰되지 않음을 확인할 수 있었다.
도 20은 도 19에 나타난 그래핀 라만 스펙트럼의 강도 스케일을 조정하여 나타낸 것이다. 본 실시예에 따라 합성된 그래핀은 금속 박막 상에 합성된 것이 아니라 금속 나노입자 상에 합성된 것이므로, SiO2 기재의 피크에 의하여 그래핀의 피크가 상대적으로 묻히게 되어 강도가 약하게 나타났다. 그러나, 뚜렷한 2D 피크가 관찰되었으며, G 피크/2D 피크 비율은 약 2.121로 나타나, 수 층의 그래핀이 형성된 것으로 분석되었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 기재
130: 포토레지스트
150: 소수성 물질
170: 양전하를 띠는 물질
190: DNA 구조
210: 금속 입자
230: 그래핀 패턴
250: 탄소계 물질
270: 확산방지층

Claims (10)

  1. DNA 패턴을 형성하는 단계, 및
    상기 DNA 패턴 상에 그래핀을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 DNA 패턴을 형성하는 단계는, 기재 상에 금속 이온 패턴 또는 양전하 패턴을 형성하고, 상기 금속 이온 패턴 또는 양전하 패턴 상에 DNA 구조(structure)를 흡착시키고, 상기 DNA 구조 상에 금속 입자를 결합시키는 것을 포함하는 공정에 의하여 수행되는 것인,
    그래핀의 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양전하 패턴은 APTMS(3-aminopropyltrimethoxysilane) 패턴, APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) 패턴, APDES (3-aminopropylmethyldiethoxysilane) 패턴, 또는 APDMS (3-aminopropylmethyldimethoxysilane) 패턴을 포함하는 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 이온 또는 양전하 패턴은,
    리소그래피 공정을 이용하여 기재 상의 패터닝하고자 하는 위치에 선택적으로 포토레지스트 물질을 도포하는 단계;
    상기 기재 표면에 소수성 물질을 코팅하는 단계;
    상기 포토레지스트 물질을 제거하는 단계; 및,
    상기 패터닝하고자 하는 위치에 금속 이온 또는 양전하를 띠는 물질을 증착하는 단계
    를 포함하는 공정에 의하여 형성된 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소수성 물질은,
    옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, OTS), 폴리클로로 트리-플루오로에틸렌(PolyChloro Tri-Fluoroethylene, PCTFE), 테플론(Teflon), 비결정질 불소(CYTOP), 지르코늄 산화물, 지르코늄 질화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 DNA 구조는 DNA 모티프를 포함하는 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 스트렙타비딘(streptavidin)과 결합된 것이고,
    상기 DNA 모티프는 비오틴(Biotin)과 결합된 것이며,
    상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자에 결합된 스트렙타비딘과 상기 DNA 모티프에 결합된 비오틴의 결합에 의한 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 DNA 가닥이 부착된 것이며,
    상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자에 부착된 DNA 가닥과 상기 DNA 모티프의 결합에 의한 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 DNA 구조는 DNA 오리가미(origami)에 의하여 생성되는 것을 포함하는 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 DNA 오리가미에 의하여 DNA 구조 상에 금속 입자 결합 부위가 생성되며,
    상기 금속 입자와 상기 DNA 구조의 결합은, 상기 금속 입자 결합 부위에 상기 금속 입자가 결합된 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 입자는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동, 스테인레스 스틸(stainless steel), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함하는 것인, 그래핀의 패턴 형성 방법.
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