KR102327635B1 - A method for preparing nano pore filter and the nano pore filter prepared thereby - Google Patents

A method for preparing nano pore filter and the nano pore filter prepared thereby Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀 등의 이차원 소재에 물리적, 화학적 식각 공정을 결합한 방식으로 식각공정을 진행하여 나노 포어 밀도와 크기를 모두 제어할 수 있는 나노 포어 필터 제조방법 및 이로부터 제조된 나노 포어 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanopore filter capable of controlling both the nanopore density and size by performing an etching process in a way that combines a physical and chemical etching process with a two-dimensional material such as graphene, and a nanopore filter manufactured therefrom will be.

Description

나노 포어 필터 제조방법 및 이로부터 제조된 나노 포어 필터{A method for preparing nano pore filter and the nano pore filter prepared thereby} Nanopore filter manufacturing method and nanopore filter prepared therefrom {A method for preparing nano pore filter and the nano pore filter prepared thereby}

본 발명은 그래핀 등의 이차원 소재에 물리적, 화학적 식각 공정을 결합한 방식으로 식각공정을 진행하여 나노 포어 밀도와 크기를 모두 제어할 수 있는 나노 포어 필터 제조방법 및 이로부터 제조된 나노 포어 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanopore filter capable of controlling both the nanopore density and size by performing an etching process in a way that combines a physical and chemical etching process with a two-dimensional material such as graphene, and a nanopore filter manufactured therefrom will be.

최근 나노 포어를 가지는 나노 필름 소재는 DNA sequencing, water desalination, protein analysis, gas separation, filtration 등 다양한 분야에 응용 가능성이 높아 활발히 연구되고 있다. Recently, nanofilm materials with nanopores are being actively studied because of their high application potential in various fields such as DNA sequencing, water desalination, protein analysis, gas separation, and filtration.

이러한 나노 포어를 가지는 나노 필름 소재의 응용 기술에 있어서 나노 포어의 크기와 밀도 조절 기술은 핵심적이라고 할 수 있다. 플라즈마 등을 이용한 물리적 식각방법은 나노 포어의 밀도 조절이 가능하나 나노 포어의 크기를 균일하게 제어하기 힘들기 때문에 다양한 크기의 나노 포어가 형성되는 문제점이 있다. Thermal oxidation, 식각 용액, Atomic Layer Etching(ALE) 등의 화학적 식각 방법은 나노 포어의 크기를 제어할 수 있으나 밀도 제어가 어려운 한계점이 존재한다. 그 외 Focused Ion Beam(FIB)나 Transmission Electron Microscopy(TEM)을 이용한 물리적 식각 방법은 나노 포어의 크기와 밀도를 조절할 수 있으나 가격이 매우 비싸고 생산성이 낮다. 따라서 낮은 공정 가격과 높은 생산성의 특성을 가지며 목적에 따라 밀도와 크기를 동시에 제어할 수 있는 나노 포어 형성 기술이 요구되고 있다.In the application technology of nano-film materials having such nano-pores, it can be said that the nano-pore size and density control technology are key. Although the physical etching method using plasma or the like can control the density of nanopores, it is difficult to uniformly control the size of the nanopores, so there is a problem in that nanopores of various sizes are formed. Chemical etching methods such as thermal oxidation, etching solution, and atomic layer etching (ALE) can control the size of nanopores, but there is a limitation in that it is difficult to control the density. In addition, physical etching methods using Focused Ion Beam (FIB) or Transmission Electron Microscopy (TEM) can control the size and density of nanopores, but they are very expensive and have low productivity. Therefore, there is a demand for a nanopore formation technology that has characteristics of low process price and high productivity and can simultaneously control density and size according to the purpose.

대표적인 예로써, As a representative example,

건강에 대한 관심이 점차 높아짐에 따라 질병의 진단과 예방이 매우 중요한 기술이 되어가고 있지만, 일부 질병의 바이오마커인 나노미터 수준의 작은 단백질 응집체에 대한 분석이 어려운 실정이다. 특히, 알츠하이머병의 경우에서처럼 질병의 경과에 따라 단백질 응집체의 크기가 나노미터 수준의 단위로 커지는 현상을 이용하여 질병에 대한 연구 및 진단과 예방 기술을 개발하기 위해서는 나노미터 크기에 따라 대상 물질을 분류하는 기술의 확보가 매우 중요하다.Diagnosis and prevention of diseases are becoming very important technologies as interest in health gradually increases, but it is difficult to analyze small protein aggregates at the nanometer level, which are biomarkers of some diseases. In particular, as in the case of Alzheimer's disease, in order to develop research and diagnosis and prevention technologies for diseases using the phenomenon that the size of protein aggregates increases to the nanometer level as the disease progresses, target substances are classified according to the nanometer size. It is very important to have the skills to

또한 본 발명과 관련하여, 대한민국 등록특허 10-1061551(등록일자 2011.08.26)호에 '혈장용 저밀도 단백질 분리장치, 혈장용 저밀도 단백질 분리장치의 제조방법 및 저밀도 단백질의 분리방법'에 대한 기술이 개시된 바 있다.In addition, in relation to the present invention, Korean Patent Registration No. 10-1061551 (registration date of August 26, 2011) discloses a technology for 'a low-density protein separation device for plasma, a method for manufacturing a low-density protein separation device for plasma, and a method for separating low-density protein' has been disclosed.

상기 등록특허의 경우 FIB를 이용하여 SiN 필름에 나노 포어를 형성하는 기술을 포함하고 있다. FIB를 이용한 식각은 가격이 매우 높고 생산성이 낮은 문제점이 있다. 또한 플라즈마 식각과 같은 생산성이 높은 다른 공정을 이용하여 SiN 필름에 나노미터 수준의 나노 포어를 형성하는 것이 어려우며, 나노 포어 밀도와 크기를 동시 제어하는 것은 더욱 어렵다.In the case of the above registered patent, it includes a technique for forming nanopores in a SiN film using FIB. The etching using the FIB has a problem that the price is very high and the productivity is low. In addition, it is difficult to form nanometer-level nanopores on a SiN film using other highly productive processes such as plasma etching, and it is even more difficult to simultaneously control the nanopore density and size.

대한민국 등록특허 10-1061551(등록일자 2011.08.26)Republic of Korea Patent Registration 10-1061551 (Registration Date 2011.08.26)

본 발명은 다양한 활용 목적에 따라 나노 포어의 밀도와 크기를 제어하여 제조할 수 있는 나노 포어 필터의 제조방법 및 이로부터 제조된 나노 포어 필터를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nano-pore filter capable of manufacturing by controlling the density and size of nano-pores according to various application purposes, and a nano-pore filter manufactured therefrom.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명은 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,The present invention relates to a process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting a two-dimensional material to a physical etching process,

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정을 포함하는 나노 포어 필터 제조방법을 제공한다.Provided is a method for manufacturing a nanopore filter comprising the step of forming nanopores of a target size by additionally etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process.

또한 상기 제시된 나노 포어 필터 제조방법을 기본 핵심공정으로 하고, 상기 기본 핵심공정의 전(前) 또는 후(後)에 다른 공정이 부가된 나노 포어 필터 제조방법을 제공한다.In addition, it provides a nanopore filter manufacturing method in which the nanopore filter manufacturing method presented above is a basic core process, and another process is added before or after the basic core process.

즉, in other words,

기판에 개구부를 형성하는 과정과,The process of forming an opening in the substrate;

상기 기판의 개구부를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재를 대면적으로 전사하는 과정과,The process of transferring the two-dimensional material to a large area so as to cover the opening of the substrate as a whole;

상기 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,The two-dimensional material is subjected to a physical etching process to achieve a target density of nano A process of forming a crystal defect including a nanopore and a functional group, and

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정을 포함하는 나노 포어 필터 제조방법과,A method for manufacturing a nanopore filter comprising the step of further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision to form nanopores of a target size using a chemical etching process;

이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,The process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material to a physical etching process;

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정과,The process of forming nanopores of a target size by further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process;

필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재 표면의 친수성을 변경하는 과정을 포함하는 나노 포어 필터 제조방법과,A nanopore filter manufacturing method comprising the process of changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material through surface treatment to prevent deterioration of filter performance caused by the object to be filtered adsorbed to the surface of the two-dimensional material;

기판에 개구부를 형성하는 과정과,The process of forming an opening in the substrate;

상기 기판의 개구부를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재를 대면적으로 전사하는 과정과,The process of transferring the two-dimensional material to a large area so as to cover the opening of the substrate as a whole;

상기 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,A process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material to a physical etching process;

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정과,The process of forming nanopores of a target size by further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process;

필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재 표면의 친수성을 변경하는 과정을 포함하는 나노 포어 필터 제조방법을 제공한다.Provided is a method for manufacturing a nanopore filter comprising a process of changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material through surface treatment in order to prevent deterioration of filter performance caused by adsorption of an object to be filtered on the surface of the two-dimensional material.

그리고 상기 제시된 4가지 실시형태의 나노 포어 필터 제조방법에 따라 제조된 나노 포어 필터를 제공한다.And it provides a nano-pore filter manufactured according to the nano-pore filter manufacturing method of the four embodiments presented above.

본 발명에 따른 나노 포어 필터 제조방법과 나노 포어 필터는 다음의 효과를 갖는다.The nano-pore filter manufacturing method and nano-pore filter according to the present invention have the following effects.

첫째. 본 발명에서 제시되는 물리적 식각 공정과 화학적 식각 공정의 결합을 통해 이루어지는 나노 포어 필터 제조방법을 통해, 낮은 가격과 높은 생산성으로 나노 포어의 크기와 밀도를 모두 정밀하게 제어할 수 있다. first. Through the nanopore filter manufacturing method made through the combination of the physical etching process and the chemical etching process presented in the present invention, it is possible to precisely control both the size and density of the nanopores at a low price and high productivity.

둘째. 균일한 크기의 나노 포어를 갖는 필터들을 여러 개 제작하되 각 필터의 나노 포어 크기를 서브나노미터에서 수십 나노미터로 달리하여 단백질 응집체와 같은 필터링 대상 물질을 크기에 따라 분류할 수 있다.second. A plurality of filters having uniformly sized nanopores are manufactured, but the nanopore size of each filter is varied from sub-nanometers to several tens of nanometers, so that the filtering target material such as protein aggregates can be classified according to the size.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 나노 포어 필터 제조공정도.
도 2는 본 발명에 따라 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 함으로써 나노포어의 결정 결함(defect)이 형성된 상태(a)와 작용기(functional group)의 결정 결함(defect)이 형성된 상태(b)를 예시적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 나노 포어 필터 제조공정도.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 나노 포어 필터 제조공정에 사용되는 기판의 측단면도.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 나노 포어 필터 제조공정도.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 나노 포어 필터 제조공정도.
1 is a manufacturing process diagram of a nano-pore filter according to Example 1 of the present invention.
2 illustrates a state (a) in which crystal defects of nanopores are formed and a state (b) in which crystal defects of functional groups are formed by performing a physical etching process on a two-dimensional material according to the present invention; schematic drawing.
Figure 3 is a nano-pore filter manufacturing process diagram according to Example 2 of the present invention.
Figure 4 is a side cross-sectional view of the substrate used in the nano-pore filter manufacturing process according to Example 2 of the present invention.
Figure 5 is a nano-pore filter manufacturing process diagram according to Example 3 of the present invention.
Figure 6 is a nano-pore filter manufacturing process diagram according to Example 4 of the present invention.

이하, 4가지 실시형태로 제시되는 본 발명의 나노 포어 필터 제조방법에 따른 구체적인 기술 내용을 도면과 함께 살펴보도록 한다.Hereinafter, detailed technical contents according to the method for manufacturing a nano-pore filter of the present invention presented in four embodiments will be described with the drawings.

[ 실시예 1 ][Example 1]

도 1은 본 발명에 따른 나노 포어 필터 제조방법의 제1실시형태를 제시한 것으로서,1 shows a first embodiment of a method for manufacturing a nano-pore filter according to the present invention,

상기 실시예 1의 나노 포어 필터 제조방법은 이차원 소재(10)에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,In the nanopore filter manufacturing method of Example 1, a physical etching process is performed on the two-dimensional material 10 to form a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density. process and

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어(101)를 형성하는 과정을 포함한다.and further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process to form nanopores 101 having a target size.

상기 이차원 소재(10)는 그래핀; 그래핀 옥사이드; 환원 그래핀 옥사이드; h-BN; phosphorene; MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 또는 WTe2를 포함하는 전이금속 칼코겐화합물; 전이금속 산화물; 전이금속 카바이드/나이트라이드; silicene; germanene; arsenene; antimonene; borophene;을 포함하는, 평면 결정구조를 갖고 두께가 단일 원자층 수준 또는 다층인 물질 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.The two-dimensional material 10 is graphene; graphene oxide; reduced graphene oxide; h-BN; phosphorene; MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 or WTe 2 containing transition metal chalcogen compounds; transition metal oxides; transition metal carbides/nitrides; silicene; germanene; arsenene; antimonene; Any one or two or more materials selected from a material having a planar crystal structure and a thickness at the level of a single atomic layer or multiple layers, including borophene, are used.

상기 이차원 소재(10)에 결정 결함(defect)을 형성하기 위한 물리적 식각 공정은 Ar, O2, H2 또는 N2의 플라즈마; UV/ozone; 집속이온빔(Focused Ion Beam); 투과 전자현미경(Transmission Electron Microscopy); 주사탐침 현미경 팁(Scanning Probe Microscope tip); 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 이용한 식각 공정이다.A physical etching process for forming a crystal defect in the two-dimensional material 10 may include plasma of Ar, O 2 , H 2 or N 2 ; UV/ozone; Focused Ion Beam; Transmission Electron Microscopy; Scanning Probe Microscope tip; It is an etching process using any one or two or more selected from among.

상기 물리적 식각 공정에 의해 이차원 소재(10)를 표면처리하여, 화학적 반응성이 높은 결정 결함(defect)을 형성하는 것으로서, 이때 결함(defect)이라함은 나노미터 수준의 포어 또는 이상적인 2차원 물질에 존재하지 않는 원자의 공공(vacancy), 작용기 등을 포함하는 것을 의미한다.By surface-treating the two-dimensional material 10 by the physical etching process, a crystal defect with high chemical reactivity is formed. In this case, the defect is present in nanometer-level pores or an ideal two-dimensional material. It means including the vacancy of an atom, a functional group, and the like.

상기 물리적 식각 공정의 구체적인 예로써, 그래핀에 20 W의 O2 plasma를 1.5 초 동안 처리할 시 평균적으로 0.5~1 nm 크기의 나노 포어를 1 pore/100 nm2 밀도로 형성한다. 상기 플라즈마 처리시 파워와 시간을 조절하여 원하는 밀도의 나노 포어 또는 결정 결함(defect)을 형성한다. As a specific example of the physical etching process, when graphene is treated with 20 W of O 2 plasma for 1.5 seconds, nanopores having an average size of 0.5 to 1 nm are formed at a density of 1 pore/100 nm 2 . During the plasma treatment, by controlling the power and time, nanopores or crystal defects having a desired density are formed.

도 2는 본 발명에 따라 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 함으로써 형성되는 결정 결함(defect)을 예시적으로 도시한 도면이다. 나노포어의 결정 결함(defect)이 형성된 상태(a)와 작용기(functional group)의 결정 결함(defect)이 형성된 상태(b)의 예를 나타내고 있다.2 is a view exemplarily illustrating a crystal defect formed by performing a physical etching process on a two-dimensional material according to the present invention. An example of a state (a) in which crystal defects of nanopores are formed and a state in which crystal defects of functional groups are formed (b) are shown.

도 2에 도시된 바와 같이, 결정 결함(defect)이라 함은 탄소의 육각 구조가 깨지는 현상을 말한다. 이와 같이 형성된 결정 결함(defect) 부분에서 식각이 일어나고 포어(pore)가 형성된다.As shown in FIG. 2 , a crystal defect refers to a phenomenon in which the hexagonal structure of carbon is broken. Etching occurs in the portion of the crystal defect formed in this way, and a pore is formed.

2차원 물질은 이와 같은 물리적 식각 공정에 의해 형성된 결함(defect)을 제외한 평면(basal plane) 부분에서 화학적 반응성이 매우 낮다.The 2D material has very low chemical reactivity in a basal plane portion except for defects formed by such a physical etching process.

따라서 물리적 식각 공정을 통해 형성된 결함(defect)과 선택적으로 반응하는 화학적 식각 공정을 통해 결정 결함을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어(101)를 형성할 수 있다.Accordingly, it is possible to form nanopores 101 of a target size by further etching the crystal defects with sub-nanometer precision through a chemical etching process that selectively reacts with the defects formed through the physical etching process.

즉, 화학적 식각 공정에 의한 포어 크기 증가속도가 분당 0.5 ~ 0.8 nm가 되도록 정밀도를 높여 확장함으로써, 원하는 목표의 나노 포어(101) 사이즈를 효과적으로 형성할 수 있다.That is, by increasing the precision so that the pore size increase rate by the chemical etching process is 0.5 to 0.8 nm per minute, it is possible to effectively form the desired target size of the nanopores 101 .

상기 화학적 식각 공정은 열산화(thermal oxidation); 전기화학반응; KMnO4/H2SO4 또는 Zn/HCl을 포함하는 습식 식각; 또는 원자층 식각(atomic layer etching); 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 이용한 식각 공정이다.The chemical etching process may include thermal oxidation; electrochemical reaction; wet etching with KMnO 4 /H 2 SO 4 or Zn/HCl; or atomic layer etching; It is an etching process using any one or two or more selected from among.

상기 화학적 식각 공정의 구체적인 예로써, 800 ℃, 25 mTorr O2, 1 Torr 10% NH3 in Ar의 조건에서 열산화(thermal oxidation) 공정을 이용하여 그래핀의 나노 포어 크기를 0.5 ~ 0.8 nm/min의 증가속도로 나노 포어 사이즈를 확장할 수 있다.As a specific example of the chemical etching process, the nanopore size of graphene was reduced from 0.5 to 0.8 nm/ using a thermal oxidation process under the conditions of 800° C., 25 mTorr O 2 , 1 Torr 10% NH 3 in Ar. The nanopore size can be expanded at an increasing rate of min.

이때, 온도, 가스의 조합과 partial pressure, 처리 시간을 조절하여 원하는 크기의 나노 포어를 형성한다.At this time, the nanopores of the desired size are formed by controlling the combination of temperature, gas, partial pressure, and processing time.

이와 같이, 본 발명에 따른 나노 포어 필터 제조방법의 기술적 특징은 물리적 공정에 의해 나노 포어의 밀도(density)를 결정하고, 화학적 공정을 통해 나노 포어 크기(size)를 결정하는 것으로서, 물리적 식각 공정 후 화학적 식각 공정을 거침으로써 제어된 밀도와 크기의 나노 포어를 형성할 수 있다.As such, the technical feature of the method for manufacturing a nanopore filter according to the present invention is to determine the density of the nanopore by a physical process and to determine the nanopore size through a chemical process, after the physical etching process By undergoing a chemical etching process, nanopores of controlled density and size can be formed.

이와 같은 기술적 특징은 이후 설명하는 다른 실시예의 나노 포어 필터 제조방법에도 동일하게 적용된다.These technical features are equally applied to the method of manufacturing a nano-pore filter of another embodiment to be described later.

[ 실시예 2 ][Example 2]

도 3은 본 발명에 따른 나노 포어 필터 제조방법의 제2실시형태를 제시한 것으로서,3 shows a second embodiment of a method for manufacturing a nano-pore filter according to the present invention,

기판(100)에 개구부(110)를 형성하는 과정과,The process of forming the opening 110 in the substrate 100, and

상기 기판의 개구부(110)를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재(10)를 대면적으로 전사하는 과정과,The process of transferring the two-dimensional material 10 to a large area so as to cover the opening 110 of the substrate as a whole;

상기 이차원 소재(10)에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,The process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material 10 to a physical etching process;

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어(110)를 형성하는 과정을 포함한다.and further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process to form nanopores 110 of a target size.

상기 실시예 2에 따른 나노 포어 필터 제조방법은 상기 실시예 1의 나노 포어 필터 제조방법에 있어, 기판(100)에 개구부(110)를 형성하는 과정과, 상기 기판의 개구부(110)를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재(10)를 대면적으로 전사하는 과정에 차이가 있다. 나머지 과정은 동일하다.In the nanopore filter manufacturing method according to the second embodiment, in the nanopore filter manufacturing method of the first embodiment, the process of forming the opening 110 in the substrate 100, and the opening 110 of the substrate as a whole is covered There is a difference in the process of transferring the two-dimensional material 10 to a large area to cover. The rest of the process is the same.

상기 기판(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, Si 베이스 기판의 상부로 SiN 필름이 적층형성되어 일체를 이룬다.As shown in FIG. 4 , the substrate 100 is integrally formed by laminating a SiN film on an upper portion of the Si base substrate.

상기 기판(100)에 개구부(110)를 형성하는 과정을 더욱 상세하게 살펴보자면, P 타입 실리콘 웨이퍼(highly doped p-type Si wafer(525um))의 베이스 기판에 개구부(110)를 형성하기에 앞서, 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 이소프로필알콜(IPA)을 순차적으로 이용하여 세정한다.Looking at the process of forming the opening 110 in the substrate 100 in more detail, before forming the opening 110 in the base substrate of a highly doped p-type Si wafer (525um) , toluene, acetone, and isopropyl alcohol (IPA) sequentially to wash.

그리고 포토리소그래피(Photolithography)와 건식 에칭법을 이용하여 SiN 필름 위 개구부를 형성할 부분을 패터닝 한다. 이후 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 SiN 필름 하부의 Si 베이스 기판을 습식 식각하여 개구부(110)를 형성한다. 이때 개구부(110)의 크기와 형태는 활용하고자 하는 분야에 알맞게 조정할 수 있다.Then, a portion to form an opening on the SiN film is patterned using photolithography and dry etching. Thereafter, the opening 110 is formed by wet etching the Si base substrate under the SiN film using potassium hydroxide (KOH). In this case, the size and shape of the opening 110 can be adjusted to suit the field to be utilized.

상기 기판의 개구부(110)를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재(10)를 대면적으로 전사하는 과정은 이차원 소재(10)의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 구체적인 예를 제시하자면 다음과 같다.The process of transferring the two-dimensional material 10 to a large area so as to cover the opening 110 of the substrate as a whole may vary depending on the type of the two-dimensional material 10, but a specific example is given as follows.

1. 구리 포일(foil) 위 화학적 기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD)으로 성장된 그래핀(graphene)을 준비한다.1. Prepare graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) on copper foil.

2. 상기 그래핀 위로 PMMA 용액을 스핀 코팅 한 후 열처리를 통해 baking 한다.2. After spin coating the PMMA solution on the graphene, bake through heat treatment.

3. 구리 포일 뒷면에 성장된 그래핀을 O2 plasma 처리(150W, 60s)하여 제거한다.3. Graphene grown on the back side of the copper foil is removed by O 2 plasma treatment (150W, 60s).

4. PMMA/그래핀/구리 포일을 Na2S2O8/H2O(18g/200ml) 용액에 넣고 12h 동안 구리 포일을 식각한다. 식각 완료 후 그래핀 주위 이온을 제거하기 위해 DI water에 옮겨 띄운다.4. Put PMMA/graphene/copper foil in Na 2 S 2 O 8 /H 2 O (18g/200ml) solution and etch the copper foil for 12h. After the etching is completed, it is transferred and floated in DI water to remove ions around the graphene.

5. 물 위에 떠있는 PMMA/그래핀을 기판(10)의 개구부(110) 위에 위치하도록 전사한다.5. PMMA/graphene floating on water is transferred to be positioned on the opening 110 of the substrate 10 .

6. 8시간 이상 상온에서 물을 드라이한 후 아세톤에 넣어 PMMA를 제거한다.6. After drying water at room temperature for more than 8 hours, put it in acetone to remove PMMA.

7. 기판 위에 전사된 그래핀을 acetone, IPA, DI water, IPA 순으로 세정한 후 N2 gas 로 건조한다.7. The graphene transferred onto the substrate is washed in the order of acetone, IPA, DI water, and IPA, and then dried with N 2 gas.

이와 같이, 기판의 개구부(110)를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재(10)를 대면적으로 전사하는 과정을 거친 후에는, 상기 실시예 1을 통해 제시한 바와 동일한 공정을 거쳐 나노 포어 필터를 제조한다.In this way, after the process of transferring the two-dimensional material 10 to a large area so as to cover the opening 110 of the substrate as a whole, the nanopore filter is formed through the same process as that described in Example 1 above. manufacture

[ 실시예 3 ][Example 3]

도 5는 본 발명에 따른 나노 포어 필터 제조방법의 제3실시형태를 제시한 것으로서,5 shows a third embodiment of a method for manufacturing a nano-pore filter according to the present invention,

이차원 소재(10)에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,The process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material 10 to a physical etching process;

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어(101)를 형성하는 과정과,The process of forming nanopores 101 of a target size by further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process;

필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재 표면의 친수성을 변경하는 과정을 포함한다.and changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material through surface treatment to prevent deterioration of filter performance caused by the object to be filtered adsorbed to the surface of the two-dimensional material.

상기 실시예 3에 따른 나노 포어 필터 제조방법은 상기 실시예 1의 나노 포어 필터 제조방법에 있어, 필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재(10)의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재(10) 표면의 친수성을 변경하는 과정에 차이가 있다. 나머지 과정은 동일하다.In the nano-pore filter manufacturing method according to Example 3, in the nano-pore filter manufacturing method of Example 1, an object to be filtered is adsorbed on the surface of the two-dimensional material 10 to prevent deterioration of filter performance. There is a difference in the process of changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material 10 through the surface treatment. The rest of the process is the same.

상기 실시예 3에 따른 나노 포어 필터 제조방법에 따르면, 물리적 및 화학적 식각 공정을 거친 후, 필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재(10)의 표면에 흡착되어 필터링 성능이 떨어지는 현상을 방지하기 위해, 상기 이차원 소재(10)의 표면처리과정을 거친다.According to the nanopore filter manufacturing method according to the third embodiment, after the physical and chemical etching process, the object to be filtered is adsorbed to the surface of the two-dimensional material 10 to prevent the filtering performance from being deteriorated. A surface treatment process of the two-dimensional material 10 is performed.

즉, 나노 포어(101)가 형성된 이차원 소재(10)를 표면처리 함으로써, 상기 이차원 소재(10)의 표면이 친수성(hydrophilic)을 갖도록 한다.That is, by surface-treating the two-dimensional material 10 on which the nano-pores 101 are formed, the surface of the two-dimensional material 10 is hydrophilic.

이때 표면처리는 오존(Ozone), UV/ozone, O2 플라즈마 또는 SAM(Self Assembled Monolayer)을 포함하는, 표면의 친수성을 변경하는 공정들 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 이용한 식각 공정을 통해 이루어진다.At this time, the surface treatment is an etching process using any one or two or more selected from processes for changing the hydrophilicity of the surface, including ozone, UV/ozone, O 2 plasma, or SAM (Self Assembled Monolayer). done through

상기 표면처리를 예시적으로 살펴보면, 나노 포어(101)가 형성된 그래핀 필름을 오존 처리 장치에 넣고 오존과 산소를 1:9 비율로 흘려보내준다. 이때 기체의 partial pressure는 30 Torr 이며, 80 ℃에서 10 분간 오존 처리를 진행할 시 그래핀의 식각 없이 친수성을 가지는 표면을 만들 수 있다.Looking at the surface treatment as an example, the graphene film on which the nano-pores 101 are formed is put into an ozone treatment device, and ozone and oxygen are flowed in a ratio of 1:9. At this time, the partial pressure of the gas is 30 Torr, and when ozone treatment is performed at 80 ° C. for 10 minutes, a hydrophilic surface can be formed without etching graphene.

이와 같은 표면처리를 통해 상기 목표 물질이 단백질 응집체가 상기 나노 포어를 통과하지 않고 이차원 소재(10)의 표면과 결합하여 노이즈가 발생되는 것을 차단할 수 있다.Through such a surface treatment, it is possible to block the generation of noise by combining the target material with the surface of the two-dimensional material 10 without the protein aggregate passing through the nanopores.

[ 실시예 4 ][Example 4]

도 6은 본 발명에 따른 나노 포어 필터 제조방법의 제4실시형태를 제시한 것으로서,6 shows a fourth embodiment of a method for manufacturing a nano-pore filter according to the present invention,

기판(100)에 개구부(110)를 형성하는 과정과,The process of forming the opening 110 in the substrate 100, and

상기 기판(100)의 개구부(110)를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재를 대면적으로 전사하는 과정과,The process of transferring the two-dimensional material to a large area so as to cover the opening 110 of the substrate 100 as a whole;

상기 이차원 소재(10)에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,The process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material 10 to a physical etching process;

화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어(101)를 형성하는 과정과,The process of forming nanopores 101 of a target size by further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process;

필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재(10)의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재 표면의 친수성을 변경하는 과정을 포함한다.and changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material 10 through surface treatment to prevent deterioration of filter performance caused by the object to be filtered adsorbed to the surface of the two-dimensional material 10 .

상기 실시예 4에 따른 나노 포어 필터 제조방법은 실시예 1의 기본 핵심공정에 실시예 2 및 실시예 3에서 부가된 공정을 모두 포함한다.The nanopore filter manufacturing method according to Example 4 includes all of the processes added in Examples 2 and 3 to the basic core process of Example 1.

이때 부가된 공정은 실시예 2 및 실시예 3을 통해 살펴본 내용과 동일하기 때문에 추가 설명은 생략한다.At this time, since the added process is the same as that described in Examples 2 and 3, additional descriptions will be omitted.

본 발명에서 제시되는 물리적 식각 공정과 화학적 식각 공정의 결합을 통해 이루어지는 나노 포어 필터 제조방법을 이용해, 낮은 가겨과 높은 생산성으로 나노 포어의 크기와 밀도를 모두 정밀도 있게 조절할 수 있다. 본 발명에서 제시되는 나노 포어 필터 제조방법을 통해 균일한 크기의 나노 포어를 갖는 필터들을 여러 개 제작하되 각 필터의 나노 포어 크기를 서브나노미터에서 수십 나노미터로 달리하여 단백질 응집체와 같은 필터링 대상 물질을 크기에 따라 분류할 수 있다. 이러한 필터들을 이용하여 알츠하이머와 같이 질병의 진행단계에 따라 크기가 커지는 바이오마커의 크기 분포를 분석할 수 있고, 분석 결과는 질병에 대한 연구 및 진단 기술 개발에 활용될 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 높다.By using the nanopore filter manufacturing method made through the combination of the physical etching process and the chemical etching process presented in the present invention, both the size and density of the nanopores can be precisely controlled with low thickness and high productivity. Through the nanopore filter manufacturing method presented in the present invention, several filters having a uniform size of nanopores are manufactured, but the nanopore size of each filter is varied from sub-nanometers to tens of nanometers to filter target substances such as protein aggregates. can be classified according to size. Using these filters, it is possible to analyze the size distribution of biomarkers that increase in size according to the stage of disease, such as Alzheimer's disease, and the analysis results can be used for research on diseases and development of diagnostic technology, so industrial applicability is very high. high.

10: 이차원 소재
101: 나노 포어
100: 기판
110: 개구부
10: two-dimensional material
101: nano pores
100: substrate
110: opening

Claims (9)

이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,
화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
The process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material to a physical etching process;
and further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process to form nanopores of a target size.
기판에 개구부를 형성하는 과정과,
상기 기판의 개구부를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재를 대면적으로 전사하는 과정과,
상기 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,
화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
The process of forming an opening in the substrate;
The process of transferring the two-dimensional material to a large area so as to cover the opening of the substrate as a whole;
A process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material to a physical etching process;
and further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process to form nanopores of a target size.
이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,
화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정과,
필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재 표면의 친수성을 변경하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
The process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material to a physical etching process;
The process of forming nanopores of a target size by further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process;
A method of manufacturing a nanopore filter comprising the step of changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material through surface treatment to prevent deterioration of filter performance caused by adsorption of an object to be filtered on the surface of the two-dimensional material.
기판에 개구부를 형성하는 과정과,
상기 기판의 개구부를 전체적으로 커버(cover)하도록 이차원 소재를 대면적으로 전사하는 과정과,
상기 이차원 소재에 물리적 식각 공정 처리를 하여 목표로 하는 밀도의 나노 포어(nano pore) 및 작용기(functional group)를 포함하는 결정 결함(defect)을 형성하는 과정과,
화학적 식각 공정을 이용하여 상기 형성된 결정 결함(defect)을 서브 나노미터의 정밀도로 추가 식각하여 목표로 하는 크기의 나노 포어를 형성하는 과정과,
필터링하고자 하는 대상체가 상기 이차원 소재의 표면에 흡착하여 발생하는 필터 성능 저하를 방지하기 위하여 표면처리를 통해 상기 이차원 소재 표면의 친수성을 변경하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
The process of forming an opening in the substrate;
The process of transferring the two-dimensional material to a large area so as to cover the opening of the substrate as a whole;
A process of forming a crystal defect including nanopores and functional groups of a target density by subjecting the two-dimensional material to a physical etching process;
The process of forming nanopores of a target size by further etching the formed crystal defects with sub-nanometer precision using a chemical etching process;
A method of manufacturing a nanopore filter comprising the step of changing the hydrophilicity of the surface of the two-dimensional material through surface treatment to prevent deterioration of filter performance caused by adsorption of an object to be filtered on the surface of the two-dimensional material.
청구항 1 내지 청구항 4 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
이차원 소재는 그래핀; 그래핀 옥사이드; 환원 그래핀 옥사이드; h-BN; phosphorene; MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 또는 WTe2를 포함하는 전이금속 칼코겐화합물; 전이금속 산화물; 전이금속 카바이드/나이트라이드; silicene; germanene; arsenene; antimonene; borophene;을 포함하는, 평면 결정구조를 갖고 두께가 단일 원자층 수준 또는 다층인 물질 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Two-dimensional materials include graphene; graphene oxide; reduced graphene oxide; h-BN; phosphorene; MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 or WTe 2 containing transition metal chalcogen compounds; transition metal oxides; transition metal carbides/nitrides; silicene; germanene; arsenene; antimonene; borophene; has a planar crystal structure and has a thickness of a single atomic layer level or a multi-layered material, comprising any one or two or more selected from a nanopore filter manufacturing method.
청구항 1 내지 청구항 4 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
물리적 식각 공정은 Ar, O2, H2 또는 N2의 플라즈마; UV/ozone; 집속이온빔(Focused Ion Beam); 투과 전자현미경(Transmission Electron Microscopy); 주사탐침 현미경 팁(Scanning Probe Microscope tip); 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 이용한 식각 공정인 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The physical etching process may include plasma of Ar, O 2 , H 2 or N 2 ; UV/ozone; Focused Ion Beam; Transmission Electron Microscopy; Scanning Probe Microscope tip; Nanopore filter manufacturing method, characterized in that the etching process using any one or two or more selected from among.
청구항 1 내지 청구항 4 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
화학적 식각 공정은 열산화(thermal oxidation); 전기화학반응; KMnO4/H2SO4 또는 Zn/HCl을 포함하는 습식 식각; 또는 원자층 식각(atomic layer etching); 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 이용한 식각 공정인 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Chemical etching processes include thermal oxidation; electrochemical reaction; wet etching with KMnO 4 /H 2 SO 4 or Zn/HCl; or atomic layer etching; Nanopore filter manufacturing method, characterized in that the etching process using any one or two or more selected from among.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
표면처리는 오존(Ozone), UV/ozone, O2 플라즈마 또는 SAM(Self Assembled Monolayer)을 포함하는, 표면의 친수성을 변경하는 공정들 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 이용한 식각 공정인 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터 제조방법.
5. The method according to claim 3 or 4,
Surface treatment is an etching process using any one or two or more selected from processes for changing the hydrophilicity of the surface, including ozone, UV/ozone, O 2 plasma, or SAM (Self Assembled Monolayer). Nanopore filter manufacturing method characterized in that.
청구항 1 내지 청구항 4 중 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 나노 포어 필터.
Nanopore filter, characterized in that manufactured by the method of any one of claims 1 to 4 selected.
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