KR20130060314A - 나노 구조체 장치, 이의 제조 방법과 사용 방법 - Google Patents

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조안나 아이젠베르그
토마스 니키타 크루펜킨
올렉산드르 시도렌코
조셉 애쉴리 테일러
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알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

장치가 제공된다. 일 실시에에서, 이 장치는 표면을 갖는 기판과, 각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 다수의 나노구조체를 포함하되, 다수의 나노구조체 각각의 제 1 단부는 상기 표면에 부착된다. 이 실시예에서, 다수의 나노구조체의 제 2 단부들 중 적어도 일부는 서로를 향해 휘어져 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프를 형성하고, 각 클럼프는 둘 이상의 나노구조체를 포함한다.

Description

나노 구조체 장치, 이의 제조 방법과 사용 방법{LARGE AREA INDUCED ASSEMBLY OF NANOSTRUCTURES}
본 출원은 2006년 8월 15일에 "LARGE AREA INDUCED ASSEMBLY OF NANOSTRUCTURES"라는 제목으로 출원된 미국 가출원번호 제 60/822,457 호를 우선권으로 주장하며, 이 가출원은 본 발명과 함께 공동으로 양도되었으며, 이를 본원에 참조로서 인용한다.
본 발명은 일반적으로 나노구조체에 관한 것이다.
나노구조체는 최근 다수의 용도에 사용되고 있다. 예를 들어, 나노구조체는 바이오칩, 랩-온-어-칩(labs-on-a-chip) 등을 포함하는 다양한 생물학적 용도에 사용되고 있다. 또한, 나노구조체는 전기적 상호접속 용도, 유체 이동성 용도, 배터리 용도 및 다수의 다른 용도에서 사용되고 있다. 현재 이와 같은 나노구조체의 추가적인 (예를 들어, 새로운) 용도를 찾을 필요가 있다.
따라서, 당분야에서는 새로운 나노구조체 장치, 이의 제조 방법 및/또는 이에 대한 용도가 필요하다.
장치가 제공된다. 일 실시예에서, 이 장치는, 표면을 갖는 기판, 및 각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 다수의 나노구조체를 포함하되, 다수의 나노구조체 각각의 제 1 단부는 표면에 부착된다. 이 실시예에서는, 적어도 다수의 나노구조체의 제 2 단부들 중 일부가 서로를 향해 휘어져, 유사하게 구성된 두 개 이상의 클럼프(clumps)를 형성하는데, 각각의 클럼프는 둘 이상의 나노구조체를 포함한다.
제조 방법이 또한 제공된다. 상기 제조 방법은 예를 들어 기판 위에 다수의 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있는데, 다수의 나노구조체 각각은 기판에 부착된 제 1 단부와, 제 2 단부를 구비한다. 상기 제조 방법은 제 2 단부들 중 적어도 일부를 함께 모아 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 유사하게 구성된 둘 이상의 클럼프 각각은 둘 이상의 나노구조체를 포함한다.
더 나아가, 사용 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 사용 방법은 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있는데, 이 장치는 1) 표면을 갖는 기판과, 2) 각각이 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하는 다수의 나노구조체(다수의 나노구조체 각각의 제 1 단부는 표면에 부착됨), 및 3) 제 1 단부를 에워싸는 부피-조절가능 물질을 포함한다. 사용 방법은 부피-조절가능 물질을 자극제(stimulus)에 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있는데, 이 자극제는 부피-조절가능 물질의 두께를 변화시킨다. 부피-조절가능 물질의 두께 변화는 제 2 단부들 중 적어도 일부가 함께 모이게 하여, 유사하게 구성되며 둘 이상의 나노구조체로 이루어진 둘 이상의 클럼프를 형성하도록 하거나, 또는 둘 이상의 나노구조체로 이루어진 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프의 제 2 단부들을 멀어지게 할 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 돕기 위해, 첨부한 도면과 연계하여 후속하는 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 장치의 일 실시예를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따라 장치를 제조할 수 있는 방법을 나타내는 흐름도,
도 3은 본 발명에 따라 제조되는 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 제조되는 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 장치를 제조할 수 있는 방법을 나타내는 흐름도.
[실시예]
도 1은 본 발명에 따라 제조되는 장치의 실시예를 나타낸다. 도 1의 장치(100)는 표면(120)을 갖는 기판(110)을 포함한다. 일 실시예에서, 기판(110)은 평면 기판을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 기판(110)은 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기판(110)은 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼를 포함할 수 있다. 따라서, SOI 웨이퍼는 일반적으로 상위 실리콘 층과 하위 실리콘 층 사이에 실리콘 이산화물의 절연 층을 구비할 수 있다. 또한, 기판(110)은 다른 실시예에서의 평탄화와는 달리, 지형학적으로 패터닝될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기판(110)은 그 밖의 다른 종래 물질로 구성되는 단일 층 또는 복수의 평면 층을 포함할 수 있다.
다수의 (예를 들어, 일 실시예에서 어레이 형태의) 나노구조체(130), 예를 들어 연장된(elongated) 나노구조체가 기판(110)의 표면(120)에 부착된다. 본 명세서에서 사용되고 있는 "나노구조체"라는 용어는 1 마이크론 이하의 적어도 하나의 치수를 갖는, 표면 상의 사전정의된 돌출형 절연 특징부를 지칭한다. 다수의 나노구조체(130)는 예를 들어 실질적으로 동일한 나노포스트(nanopost)로 이루어진 규칙적인 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "포스트"라는 용어는 원형, 정사각형, 직사각형 또는 그 밖의 다른 단면을 갖는 임의의 구조체를 포함한다. 도 1에 도시되어 있는 다수의 나노구조체(130) 각각은 포스트 형상을 가지고, 보다 구체적으로는 원통형의 포스트이다. 이와 달리, 다수의 나노구조체(130)는 실질적으로 동일한 나노포스트로 이루어진 규칙적인 2차원 어레이, 실질적으로 동일한 나노포스트로 이루어진 다수의 또는 규칙적인 어레이(예를 들어, 1차원) 등일 수 있다. 따라서, 이들 실시예는 임의의 특정 나노구조체에 국한되지 않는다.
다수의 나노구조체(130) 각각은 제 1 단부(133) 및 제 2 단부(138)를 구비한다. 이 실시예에서, 다수의 나노구조체(130) 각각의 제 1 단부(133)는 표면(120)에 부착된다. 또한, 다수의 나노구조체(130)의 제 2 단부(138)들 중 적어도 일부는 서로를 향해 휘어져, 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(140)를 형성한다. 본 명세서에서 사용되고 있는 "유사하게 구성된"이라는 용어는 종래에서와 같이 랜덤한 나노구조체 클럼프와는 달리, 클럼프(140)가 서로에 대해 일반적인 유사성을 갖도록(예를 들어, 동일한 수의 나노구조체를 포함하거나, 다소 유사한 형상을 갖도록) 의도적으로 (예를 들어, 고의적으로) 형성된다는 것을 의미한다.
도 1의 실시예에서, 클럼프(140) 각각의 연관된 제 2 단부(138)들은 접촉된다. 예를 들어, 클럼프(140) 각각의 연관된 제 2 단부(138)들은 함께 고정될 수 있다. 이 실시예에서, 칼슘 카보네이트와 같은 접착제가 사용되어, 연관된 제 2 단부(138)를 해당 지점에 고정시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 접착제는 물방울로부터 구조체의 팁(tips)에 형성될 임의의 무기, 유기 또는 중합 물질, 예를 들어, 다양한 실시예에서 AgCl, CdS, 자철광, 콜로이드 입자 또는 중합체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 또 다른 구성이 사용되어, 연관된 제 2 단부(138)를 해당 지점에 고정시킬 수 있다. 아래에서 명백해지는 바와 같이, 연관된 제 2 단부(138)들은 항상 서로 접촉될 필요는 없으며, 또한 항상 해당 지점에 고정될 필요는 없다.
도 1의 실시예는 유사하게 구성된 클럼프(140) 각각이 단지 4개의 나노구조체(130)만을 포함하는 것으로 도시하고 있다. 클럼프(140) 각각이 4개 미만 또는 네 개 초과의 나노구조체(130)를 포함하는 또 다른 실시예가 존재한다. 예를 들어, 하나의 또 다른 실시예에서, 클럼프(140) 각각은 단지 두 개의 나노구조체(130)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 클럼프(140) 각각은 약 3개 내지 약 9개의 나노구조체를 포함할 수 있다. 다수의 나노구조체(130)가 서로를 향해 휘어져 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프를 형성하고 유사하게 구성된 클럼프 각각이 적어도 두 개의 나노구조체를 포함하는 한, 임의의 구성이 존재할 수 있다.
주어진 기판(110) 상에서 유사하게 구성된 클럼프(140)의 수는 또한 달라질 것이다. 일 실시예에서, 수백 또는 수천 개의 유사하게 구성된 클럼프(140)의 어레이가 주어진 기판 상에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 유사하게 구성된 클럼프의 한 세트로 이루어진 제 1 어레이 및 유사하게 구성된 클럼프의 다른 세트로 이루어진 제 2 어레이는 동일한 기판 상에 존재한다. 다수의 상이한 시나리오가 분명히 존재할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 장치를 제조할 수 있는 방법을 나타내는 흐름도(200)가 도시되어 있다. 설명을 위해, 도 1의 장치(100)와 유사한 장치가 도 2의 흐름도(200)를 참조하여 설명될 것이다. 그렇지만, 상이한 실시예에서, 도 2의 흐름도(200)는 도 1의 장치(100)와는 상이한 장치를 제조하는데 사용될 수 있다.
흐름도(200)는 시작 단계(205)로 시작된다. 이 후, 단계(210)에서, 다수의 나노구조체(130)가 기판(110) 위에 형성된다. 다수의 나노구조체(130)는 다수의 상이한 공정을 통해 제조될 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 다수의 나노구조체(130)는 종래의 포토리소그래피 및 건식 반응성 이온 에칭(DRIE) 공정을 통해 실리콘 또는 SOI 기판의 표면으로부터 형성된다. 예를 들어, 본 명세서에서 완전히 다시 기술되는 것과 같이 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 번호 5,501,893에 개시되어 있는 보쉬(Bosch) 공정과 같은 DRIE 공정이 사용되어 다수의 나노구조체(130)를 정의할 수 있다. 그렇지만, 그 밖의 다른 공정, 예를 들어 중합체 물질로부터의 구조체의 몰딩이 사용되어 다수의 나노구조체(130)를 형성할 수 있다.
적어도 도 2의 실시예에서 다수의 나노구조체(130)는 실질적으로 동일한 나노구조체(130)의 규칙적인 어레이를 포함한다. 예를 들어, 다수의 나노구조체(130)는 약 200 내지 300nm의 직경, 약 5 내지 10㎛의 높이 및 약 2 내지 4㎛의 주기성을 갖는 잘 정의된 나노컬럼을 포함한다. 따라서, 다수의 나노구조체(130)는 격리되며 높은 종횡비의 고정된 구조체의 어레이(AIRS)이다.
기판(110) 상에서 다수의 나노구조체(130)의 레이아웃 및 기하학구조(크기)는 결과적인 장치(100)에 중요할 수 있다. 예를 들어, 다수의 나노구조체(130)의 레이아웃은 함께 모여 각각의 클럼프(140)를 형성하는 나노구조체(130)의 개수를 제어하는데 사용될 수 있다(단계(240)를 참조). 예를 들어, 단일 행 내의 각 나노구조체(130)의 피치(pitch), 폭 및 길이와, 인접 행들의 방사상 방향은 클럼프(140)를 구성하는데 사용될 수 있다. 한 행 내의 하나의 나노구조체(130)의 방사상 방향이 인접 행 내의 다른 나노구조체(130)와 일치하는 일 실시예에서, 다수의 나노구조체(130)는 2개의 클러스터를 형성할 수 있다. 이와 달리, 한 행 내의 하나의 나노구조체(130)의 방사상 방향이 인접 행 내의 다른 나노구조체(130)와 45도 각도를 이루는 일 실시예에서, 다수의 나노구조체(130)는 4개의 클러스터를 형성할 수 있다. 한 행 내의 나노구조체의 피치 및 인접 행의 방사상 방향을 수정함으로써 그 밖의 다른 구성이 얻어질 수 있다. 다수의 구조체(130)의 형성 및 크기는 또 다른 구성을 얻는데 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다. 나노구조체의 휨 정도는 액체 내에서 유도되는 모세관력(capillary forces)에 의해 제어될 수 있다.
예를 들어 보쉬 공정을 사용하여 다수의 나노구조체(130)를 정의한 후, 다수의 나노구조체(130)는 세정될 수 있다. 일 실시예에서, 다수의 나노구조체(130)는 아르곤(Ar) 플라즈마를 사용하여 세정되고, 그런 다음 실라놀 그룹의 형성을 유도하도록 구성된 조건에서 성숙된다. 표면에는 흔히 불소가 첨가되어 발수성(water-repelling), 소수성(hydrophobic) 어레이를 형성한다.
다수의 나노구조체(130)를 형성한 후, 단계(220)에서 다수의 나노구조체에 액체를 도포할 수 있다. 이 실시예에서, 액체는 하나 이상의 액체 방울로 형성되도록 구성되는 임의의 액체일 수 있고, 또한 궁극적으로는 하나 이상의 방울들이 다수의 나노구조체(130)의 연관된 제 2 단부들을 예를 들어 모세관력을 사용하여 함께 모아 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(140)를 형성하도록 하는 임의의 액체일 수 있다.
액체는 다수의 상이한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서의 액체는 물이다. 또 다른 실시예에서, 액체는 물 내의 칼슘 염화물 용액이고 탄소 이산화물은 그 용액내에서 확산되어 칼슘 카보네이트 침착물을 형성한다. 또 다른 실시예에서, 액체는 온도 또는 UV 방사물에 반응하여 팁에서 중합되는 단량체의 수용액과, 팁에서 증발 및 침착되는 물 내의 임의의 무기 염류 또는 산화물(예를 들어, 염화 나트륨, 브롬화은, 황화카드뮴, 산화아연, 산화철, 팁에서 콜로이드 입자를 방출하고 이들을 반데르발스의 힘을 통해 함께 유지시키는 콜로이드 현탁액 및 다른 관련 액체)의 용액을 포함한다. 액체는 다수의 다양한 공정을 통해 다수의 나노구조체(130)와 접촉할 수 있다. 일 실시예에서, 다수의 나노구조체(130)를 구비한 기판(110)은 액체 용기 내에 담겨진다. 또 다른 실시예에서, 낙차식 메카니즘(dropper type mechanism)이 사용되어 다수의 나노구조체(130)를 갖는 기판(110) 상에 직접 분배한다. 다른 공정이 또한 사용될 수 있다.
단계(230)에서, 액체는 하나 이상의 방울을 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 하나 이상의 방울 각각은 둘 이상의 연관된 나노구조체(130) 사이에 배치될 수 있다. 나노구조체(130)가 궁극적으로 네 개의 나노구조체(130)로 클럼핑되는 경우, 액체 방울은 연관된 네 개의 나노구조체(130)의 각각 사이에 존재할 수 있다. 나노구조체(130)가 궁극적으로 두 개의 나노구조체(130)로 클럼핑되는 경우, 액체 방울은 연관된 두 개의 나노구조체(130)의 각각 사이에 존재할 수 있다.
액체의 제 1 방울의 형성은 추가적인 방울에 대한 상태(tone)를 설정하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 액체의 제 1 방울이 네 개의 연관된 나노구조체(130) 사이의 특정 위치에서 형성되는 경우, 액체의 추가적인 방울들은 그 초기 위치로부터 유사한 구성으로 전파되고 자가-복제 클럼프의 규칙적인 어레이를 형성할 수 있다. 따라서, 도 1의 실시예에서, 액체의 방울들은 이 초기 위치로부터 전파되고 네 개의 나노구조체(130)의 연관된 그룹 사이에 위치될 수 있다. 액체의 초기 방울이 오직 두 개의 나노구조체(130) 사이에 형성된다면, 그것은 전형적으로 이 초기 위치로부터 두 개의 나노구조체(130)의 쌍으로 전파할 수 있다.
소정의 경우, 방울 형성은 둘 이상의 상이한 위치로부터 전파될 것이다. 이 시나리오는 전파 기법에서 결점을 자주 야기할 수 있고 장치 내에서 다소 결정입계(grain boundary)와 같이 동작한다. 이러한 구성이 바람직하지 못한 실시예에서, 나노구조체(130)가 형성되는 단계(210) 동안에는 특별한 주의가 요구된다. 예를 들어, 다수의 나노구조체(130)의 정확한 위치 및 제 1 방울의 배치는 일반적으로 단일 전파만을 설정할 것이다.
단계(240)에서, 액체 방울 각각의 모세관력은 연관된 나노구조체(130)의 제 2 단부(138)들을 함께 모아 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(140)를 형성한다. 예를 들어, 모세관력으로 인해 (예를 들어, 액체의 방울이 모세관 내에서 가장 작은 직경으로 이동되어야 하는 필요성으로 인해), 연관된 제 2 단부(138)들이 함께 모여, 둘 이상의 나노구조체(130)의 유사하게 구성된 클럼프(140)를 형성한다. 모세관에 능숙한 당업자라면 일어나는 현상을 이해할 수 있을 것이며, 또한 모세관력을 제어 및/또는 수정하는데 사용될 수 있는 추가적인 과정 또는 기법을 이해할 수 있다.
단계(230,240)는 동시에 발생할 수 있고/있거나 그들 사이에 매우 짧은 시간을 두고 발생할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 소정의 경우, 액체의 제 1 방울이 형성되면, 그것은 그의 모세관 움직임을 시작할 것이다. 후속하는 방울 및 각 방울의 후속하는 모세관 이동이 이어질 수 있다. 일 실시예에서, 특히 상이한 방울과 이들의 모세관 움직임을 비교하는 경우 단계(230,240)의 순서는 고정되지 않는다.
이후, 단계(250)에서, 그리고 모세관력이 여전히 다수의 나노구조체(130)를 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(140)로 유지하는 동안, 접착제가 그에 도포되어 다수의 나노구조체(130)의 연관된 제 2 단부(138)를 고정시킨다. 일 실시예에서, 둘 이상의 (어레이의) 유사하게 구성된 클럼프(140)는 특정 구성으로 고정된다. 전술한 바와 같이, 특히 칼슘 카보네이트, 다른 이온 염류, 콜로이드 입자, 나노튜브, 중합체, 금속 산화물 및 수산화물과 같은 접착제가 사용되어 유사하게 구성된 클럼프(140)를 고정할 수 있다.
소정의 예에서, 접착제는 제거 및/또는 방출될 수 있는 것으로 선택된다. 예를 들어, 접착제로서 칼슘 카보네이트가 사용되는 실시예에서, 접착제는 약 150℃의 온도에 놓이게 하거나 또는 산성(acid)에 노출시킴으로써 제거될 수 있다. 명확히, 또 다른 접착제가 사용되는 경우, 다른 과정이 사용되어 그들의 접착제를 제거할 수 있다. 단계(250)를 완료한 이후의 소정의 시점에서, 과정은 정지 단계(255)에서 종료될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 장치(300)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 3의 장치(300)는 도 1의 장치(100)와 유사하나 약간의 변경이 존재한다. 장치(300)는 제 1 단부(333) 및 제 2 단부(338)를 구비하며 기판(310)의 표면(320)에 결합된 다수의 나노구조체(330)를 포함한다. 그러나, 나노구조체(130)의 제 2 단부(138)와는 달리, 나노구조체(330)의 제 2 단부(338)들은 접촉하지 않으며, 서로를 향해 휘어진 상태로 유지된다.
이러한 약간의 변경은 다수의 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 소성 변형(plastic deformation)을 갖는 다수의 나노구조체(330)의 적어도 일부분에 물질이 부가될 수 있다. 이 실시예에서, 다수의 나노구조체(330)는 도 2에서 기술한 바와 유사한 과정을 통해 함께 모여질 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 접착제가 방출된 이후 (또는, 접착제가 형성되지 않는 실시예에서, 모세관력이 깨진 이후), 나노구조체(330) 내의 소성 변형은, 이들의 연관된 제 2 단부(338)들이 적어도 부분적으로 서로를 향해 휘어진 채로 유지되게 한다. 이러한 시나리오는 도 3의 클럼프(340)로 도시되어 있다.
소성 변형 부분에 첨가되는 물질은 달라질 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 이 물질은 등급이 주어진 금/실리콘의 층이다. 이 실시예에서, 접착제(이 접착제는 부착 접착제일 수도 있고 또는 모세관 접착제일 수도 있음)를 방출한 후, 실리콘은 곧게 유지될 수 있고 금은 적어도 부분적으로 변형된 채로 유지될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 물질은 중합 코팅일 수 있고, 또는 구리, 은, 크롬 등과 같은 다른 금속 또는 금속 산화물일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 다수의 상이한 물질이 또한 사용될 수 있다. 당업자라면 소성 변형 부분에 첨가되는 물질을 포함시키는데 필요한 공정을 이해할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 제조되는 장치(400)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도시되어 있는 바와 같이, 도 4는 일 구성에서의 장치(400)를 도시하고, 도 5는 또 다른 구성의 동일한 장치(400)를 나타내고 있다. 장치(400)는 표면(420)을 갖는 기판(410)을 포함한다. 기판(410)의 표면(420)에는 다수의 나노구조체(430)가 부착된다. 보다 구체적으로, 다수의 나노구조체(430) 각각의 제 1 단부(433)는 표면(420)에 부착된다. 기판(410) 및 나노구조체(430)는 실질적으로 전술한 기판 및 나노구조체와 유사하다.
도 4 및 도 5의 장치(400)는 부피-조절가능 물질(450)을 더 포함한다. 예시적인 실시예에서, 부피-조절가능 물질(450)은 기판(410) 위에 위치하고, 다수의 나노구조체(430)의 적어도 제 1 단부(433)를 포함한다. 소정의 실시예에서, 도시되어 있지는 않지만, 부피-조절가능 물질(450)은 앵커 층(anchoring layer)을 사용하여 기판(410)의 표면(420)에 부착된다. 이 실시예에서, 앵커 층은 기판(410)과 부피-조절가능 물질(450)을 부착하도록 구성된 접착 층으로서 동작한다. 일 실시예에서, 폴리(golycidylmethacrylate)(PGMA)의 앵커 층은 기판(410) 및 부피-조절가능 물질(450) 모두에 공유 결합될 수 있다(예를 들어, 폴리아크릴아미드 히드로겔의 하나). PGMA 층을 형성하고 그것을 폴리아크릴아미드 히드로겔 층에 결합하는 예는 미국 특허 출원 번호 제 10/773,120 호 및 11/239,973에 개시되어 있으며, 이 미국 특허 출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
부피-조절가능 물질(450)은 자극이 가해지는 경우 두께가 달라지게 되는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 부피-조절가능 물질(450)은 중합체 층을 포함한다. 이 중합체 층은 유기 또는 무기 층일 수 있다. 그러나, 또 다른 실시예에서, 중합체 층은 히드로겔 층이다. 그럼에도 불구하고, 중합체 층은 다른 공지된 물질 또는 이하에서 기술되는 바와 같이 부피-조절가능 물질(450)로서 기능을 하는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 중합체가 아닌 다른 부피-조절가능 물질(450)이 사용될 수 있다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 부피-조절가능 물질(450)이 예를 들어 제 1 두께(t1)를 갖는 제 1 상태에 있는 경우, 다수의 나노구조체(430)의 연관된 제 2 단부(438)들은 서로를 향해 휘어진다. 이 상태에서, 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(440)가 존재하고, 각각의 클럼프는 둘 이상의 나노구조체(430)를 포함한다. 실지로, 도 4의 실시예에서, 각각이 네 개의 나노구조체(430)만을 포함하는 세 개의 유사하게 구성된 클럼프(440)가 존재한다.
그러나, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 부피-조절가능 물질(450)이 예를 들어 제 2 두께(t2)를 갖는 제 2 상태에 있는 경우, 다수의 나노구조체(430)의 연관된 제 2 단부(438)들은 서로를 향해 상기와 같이 휘어지지는 않는다. 예를 들어, 도 5의 예에서, 다수의 나노구조체(430)의 연관된 제 2 단부(438)들은 서로를 향해 전혀 휘어지지 않고, 따라서 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(440)는 존재하지 않는다.
다수의 상이한 자극제가 사용되어 예를 들어 도 4 및 도 5의 구성 사이에서 물질 조성에 의거하여 부피-조절가능 물질(450)의 두께를 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 부피-조절가능 물질(450)은 습도 변화에 반응할 수 있다. 예를 들어, 습기로 구성된 자극제가 사용되어 부피-조절가능 물질(450)의 두께를 변경하고 다수의 나노구조체(430)가 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 클럼핑 또는 클럼핑 해제되도록 한다. 그러나, 이와 달리, 부피-조절가능 물질(450)은 온도 변화에 반응할 수 있다. 예를 들어, 부피-조절가능 물질(450)은 온도가 약 37℃ 위에서 32℃ 아래로 떨어짐(예를 들어, 적어도 약 5℃의 온도 변화)에 따라 적어도 약 5번 팽창될 수 있는 N-이소프로필아크릴아미드 및 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드와 같은 히드로겔을 포함할 수 있다.
또한, 부피-조절가능 물질(450)은 배치된 유체의 pH의 변화에 반응하여 현저히 팽창 및 수축하는 물질을 포함할 수 있다. pH-감응 부피-조절가능 물질은 히드록시에틸메타크릴레이트-코-메타크릴산 및 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트의 중합체를 포함한다. 이들 중합체는 산성 조건에서보다는 기본 조건에서 보다 실질적으로 팽창할 수 있다. 이와 달리, 부피-조절가능 물질(450)은 배치된 유체의 금속 이온 농도의 변화, 예를 들어 Cu, Ni, Co 및 Pd 이온 농도의 변동에 반응하여 현저히 팽창 및 수축될 수 있다. 이러한 금속 이온-감응 부피-조절가능 물질(450)의 예는 아크릴 아미드-코-2-비닐피리딘 및 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드의 중합체를 포함한다.
부피-조절가능 물질(450)의 두께가 제 1 두께(t1)에서 제 2 두께(t2)로 또는 그 반대로 변경된 이후, 부피-조절가능 물질(450)의 두께는 그의 이전 상태로 되돌아 갈 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 이러한 회귀를 통해 다수의 나노구조체(140)는 완전히는 아니지만 제 1 배향으로 되돌아갈 수 있다. 따라서, 장치(400)는 계속해서 활성화될 수 있고, 매번 다수의 나노구조체(430)는 본래의 상태로 되돌아 가게 되어, 클럼핑된 상태에서 개방된 상태가 된다.
당업자라면 예상할 수 있는 바와 같이, 부피-조절가능 물질(450)의 두께가 그의 이전의 상태로 되돌아가는 것은 처음의 자극제와는 반대되는 자극제를 부피-조절가능 물질(450)에 적용하거나, 또는 처음 자극제의 존재를 제거함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 부피-조절가능 물질(450)의 두께를 변경하기 위해 가열한 경우, 이 부피-조절가능 물질(450)을 냉각시켜 그의 이전 두께로 복귀시킬 수 있다. 이와 달리, 습기가 사용되어 두께의 초기 변화를 야기한 경우, 이 환경에서는 건조가 허용될 수 있고, 그에 따라 부피-조절가능 물질(450)은 그의 이전의 상태로 복귀할 수 있다.
다양한 실시예에 유일하게, 장치(400)는 매우 빠른 응답 시간을 달성할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 수축된 상태의 부피-조절가능 물질(450) 상에 물방물이 놓여지는 경우, 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 팽창된 상태가 되는데 걸리는 시간은 단지 약 6/100 초일 수 있다. 또한, 부피-조절가능 물질(450)이 건조되지 않는 경우에 다시 수축된 상태로 되돌아가는데 걸리는 시간은 단지 약 4초이다. 명확히, 이 시간은 시스템 내에서 공기흐름을 통한 및/또는 온도 상승을 통한 건조 과정이 촉진되는 경우에는 현저히 가속화될 수 있다. 다수의 다른 실시예에 대해 유사한 스위칭 속도가 얻어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 도 다른 실시예에 따라 장치를 제조할 수 있는 방법을 나타내는 흐름도(600)를 도시한다. 설명을 위해, 도 4 및 도 5의 장치와 유사한 장치가 도 6의 흐름도(600)를 사용하여 제조될 것이다. 그럼에도 불구하고, 상이한 실시예에서, 도 6의 흐름도(600)는 도 4 및 도 5의 장치(400)와는 다른 장치를 제조하는데 사용될 수 있다.
흐름도(600)는 흐름도(200)에 사용된 동일한 제조 단계들 중 다수를 이용한다. 따라서, 유사한 참조번호가 사용되어 유사한 단계를 나타낸다. 실지로, 흐름도(200)와 흐름도(600) 간의 예시된 차이점은 단지 흐름도(600)가 도 2의 단계(250)를 도 6의 새로운 단계(610)로 교환한다는 것이다.
이전 단계(240) 이후에 발생하는 새로운 단계(610)는 다수의 나노구조체(430)의 제 1 단부(433) 주위에 (예를 들어, 에워싸며) 부피-조절가능 물질(450)을 형성하는 단계를 포함한다. 부피-조절가능 물질(450)은 다양한 과정을 통해 형성될 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 부피-조절가능 물질(450)은 기판(410)과 상위 한정 표면(미도시) 사이에서 중합 용액을 스위칭함으로써 형성된다. 따라서, 다수의 나노구조체(430)는 중합 용액으로 둘러싸여질 수 있다. 중합 용액은 기판(410)과 상위 한정 표면 사이에서 다수의 상이한 과정을 통해 배치될 수 있지만, 일 실시예에서, 중합 용액은 침지 코팅(dip coating) 또는 드롭 캐스팅(drop casting)을 통해 그 사이에 증착된다. 그럼에도 불구하고, 다른 배치 방법이 사용될 수 있다.
장치의 설계에 따라, 중합 용액은 달라질 수 있다. 그러나, 도 4 및 도 5의 주어진 실시예에서, 중합 용액은 교차 결합 작용제(예를 들어, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드 (비스-AA)) 및 기폭제(예를 들어, 과황산 암모늄 (APS))와 함께, 수용액 내의 아크릴아미드 (AA)를 포함한다. 이 실시예에서, 중합 용액은 AA의 약 40 중량%, 비스-AA의 약 2 중량% 및 APS의 약 2 중량%를 물 내에 포함할 수 있다. 이러한 중합 용액은 부피-조절가능 물질(450)로 하여금 습기 변화에 기초하여 그의 두께를 변화시키도록 할 수 있다. 중합체 화학에 능숙한 당업자라면 본 명세서에서 사용될 수 있는 다른 중합 용액을 이해할 수 있다.
이 후, 중합 용액은 열에 의해 개시되는 중합 단계에 놓이게 되어, 부피-조절가능 물질(450)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 열에 의해 개시되는 중합 단계는 중합 용액을 갖는 장치(400)를 가열원 내에 배치하고 장치를 약 1 시간 동안 약 50℃에서 어닐링하여 중합을 개시한다. 그러나, 당업자라면 중합 반응을 위한 시간은 최종 부피-조절가능 물질(450)의 원하는 두께에 따라 달라질 수 있음을 이해한다. 따라서, 개시되어 있는 시간은 단지 하나의 예에 불과하다.
열에 의해 개시되는 중합 단계를 수행한 후, 장치(400)를 헹구어 반응되지 않은 단량체 및 교차 결합 분자를 제거할 수 있다. 이 후, 장치(400)는 진공에서 건조될 수 있고, 그에 따라 도 4에 도시되어 있는 수축된 부피-조절가능 물질(450)을 생성한다. 그런 다음, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 적용된 자극제가 사용되어 부피-조절가능 물질(450)을 팽창시킬 수 있다.
전술한 제조 방법에 따라 장치를 형성하는데 사용된 공정에 대한 추가적인 세부사항은 "Environmentally Sensitive Nanostructured Surfaces"라는 제목의 미국 특허 출원 제 11/279,220 호에서 알 수 있으며, 이 미국 특허 출원 전체를 본원에 참조로서 인용한다.
위의 문단에서 기술한 장치, 및 본 발명에 의해 포괄되지만 구체적으로 기술되지는 않은 장치와 같은 장치는 다수의 상이한 용도를 가질 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 장치는 그들의 광학 특성을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 조정가능 회절 격자로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 장치는 다른 3-d 포토닉 구조에 대해 사용될 수 있다. 상이한 실시예에서, 장치는 구조를 특징짓는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 생물학적 셀이 클럼프형 구조 상에 배치될 수 있고, 팁을 이동시킴으로써, 셀의 기계적 반응을 측정할 수 있다. 다른 실시예에서, 장치는 물질 또는 약제 방출 시스템으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 부피-조절가능 물질을 자극제에 노출시키게 되면, 클럼프가 개방되어 클럼프 내에 저장된 활성 입자가 방출되게 된다. 규모가 마이크론 이하인 치수를 가지고 개방 및 폐쇄 기능을 갖는 상이하게 구성된 클럼프의 규칙적인 어레이를 구비한 장치는 다른 종래의 나노구조 제조 기법에서는 얻어질 수 없다.
본 명세서에서 사용되는 "장치를 제공"이라는 문구는, 장치가 이미 제조된 특징부를 갖는 부분으로부터 얻어질 수 있다는 것을 의미하거나, 또는 자체적으로 특징부를 제조하고 이것을 그의 의도한 목적으로 제공한다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명이 자세히 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 가장 넓은 형식으로 본 발명에 대해 다양한 변화, 대체 및 변형을 취할 수 있다.

Claims (10)

  1. 표면을 갖는 기판, 및
    각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 다수의 나노구조체
    를 포함하되,
    상기 다수의 나노구조체 각각의 제 1 단부는 상기 표면에 부착되고,
    상기 다수의 나노구조체의 제 2 단부들 중 적어도 일부는 서로를 향해 휘어져, 각각 둘 이상의 나노구조체를 포함하는 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프(clumps)를 형성하는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프의 제 2 단부들이 접촉하는(touching)
    장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프의 제 2 단부들이 접착제로 함께 고정된
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 나노구조체 각각의 제 1 단부가 부피-조절가능 물질 내에 배치되고, 상기 부피-조절가능 물질은 상기 다수의 나노구조체의 제 2 단부들을 휘게 하여 서로에 대해 가까워지거나 멀어지게 하도록 구성되는 것인
    장치.
  5. 기판 위에 다수의 나노구조체를 형성하되, 상기 다수의 나노구조체 각각이, 상기 기판에 부착된 제 1 단부, 및 제 2 단부를 구비하도록 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 단부들 중 적어도 일부가 함께 모여 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프를 형성하고, 이때 상기 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프 각각이 둘 이상의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 나노구조체의 제 2 단부들 중 적어도 일부가 서로를 향해 휘어지는 단계
    를 포함하는, 나노구조체를 포함하는 장치의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 함께 모이게 하는 단계는 상기 둘 이상의 나노구조체와 액체 방울 사이의 모세관력을 사용하여 함께 모이게 하는 것을 포함하는
    제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 단부들 중 적어도 일부에서의 소성 변형(plastic deformation)이, 상기 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프의 제 2 단부들 중 적어도 일부가 함께 모이게 된 이후에 서로를 향해 적어도 부분적으로 휘어진 채 유지되도록 하는
    제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 나노구조체 각각의 제 1 단부 주위에 부피-조절가능 물질을 형성하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 부피-조절가능 물질은 자신의 부피 변화를 통해 나노구조체의 제 2 단부들 중 적어도 일부가 서로를 향해 가까워지도록 또는 멀어지도록 휘게 만드는
    제조 방법.
  9. 표면을 갖는 기판,
    각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖되 각각의 제 1 단부가 상기 표면에 부착된 다수의 나노구조체, 및
    상기 제 1 단부를 에워싸는 부피-조절가능 물질
    을 포함하는 장치를 제공하는 단계; 및
    상기 부피-조절가능 물질을 자극제에 노출시키는 단계
    를 포함하되,
    상기 자극제는 상기 부피-조절가능 물질의 두께를 변화시킴으로써, 상기 제 2 단부 중 적어도 일부가 함께 모이게 하여 둘 이상의 나노구조체로 이루어진 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프를 형성하고, 상기 다수의 나노구조체의 제 2 단부들 중 적어도 일부가 서로를 향해 휘어지거나, 또는 상기 둘 이상의 나노구조체로 이루어진 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프의 제 2 단부들이 서로 멀어지게 하는
    나노구조체를 포함하는 장치의 사용 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 부피-조절가능 물질을 상기 자극제에 노출시키는 단계는, 상기 부피-조절가능 물질의 두께를 증가시켜, 상기 둘 이상의 유사하게 구성된 클럼프의 제 2 단부들이 멀어지도록 하여 활성 입자가 방출되도록 하는
    사용 방법.
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