KR20220114469A - Method for manufacturing metal nanostructures - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 증강된 라만 신호를 제공하는 신규한 금속 나노구조체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a novel metal nanostructure that provides an enhanced Raman signal.
라만 산란(Raman scattering)이란 입사되는 광자의 에너지(hv)가 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 에너지(hv')로 산란하는 현상이며, 이때의 산란은 비탄성 산란에 속한다. 라만 산란은 광자와 상호작용하여 산란을 유도하는 분자구조에 따라 고유의 광자 에너지 변화(Raman shift) 형태를 나타내므로, 분자의 검출, 확인 및 분석을 하는데 효과적으로 사용할 수 있다. 라만 산란을 이용한 라만 분광법을 이용하면 분자의 유도 편극률 변화가 있는 비극성 분자의 경우에도 신호를 얻을 수 있고, 실제 거의 모든 유기 분자들은 고유의 라만 시프트(Raman shift)를 가지고 있다. 또한 물 분자에 의한 간섭의 영향을 받지 않으므로, 단백질, 유전자 등의 생체분자(biomolecules)의 검출에 더욱 적합하다.Raman scattering is a phenomenon in which the energy (hv) of an incident photon is scattered with energy (hv') of a different frequency while changing the vibrational state of the molecule, and the scattering at this time belongs to inelastic scattering. Since Raman scattering exhibits a unique photon energy change (Raman shift) form depending on a molecular structure that interacts with photons to induce scattering, it can be effectively used for detection, confirmation and analysis of molecules. By using Raman spectroscopy using Raman scattering, a signal can be obtained even for a non-polar molecule with an induced polarization change of the molecule, and virtually all organic molecules have an inherent Raman shift. In addition, since it is not affected by interference by water molecules, it is more suitable for the detection of biomolecules such as proteins and genes.
한편, 라만 방출 스펙트럼의 파장은 샘플 내의 광 흡수 분자의 화학 조성 및 구조 특성을 나타내므로, 이러한 라만 신호를 분석하면 분석 대상 물질을 직접적으로 분석할 수 있다.On the other hand, since the wavelength of the Raman emission spectrum indicates the chemical composition and structural characteristics of the light-absorbing molecules in the sample, the analysis target material can be directly analyzed by analyzing such a Raman signal.
이와 같이, 분석 대상 물질을 직접적으로 분석할 수 있다는 이점에도 불구하고, 신호의 세기가 매우 약해 실용화에 어려움이 있었다. 그러나, 1974년 Fleishmann 등에 의해 표면증강 라만 산란이 보고된 이래로 신호의 세기를 증폭시키기 위한 연구들이 지속적으로 증가하고 있다.As such, despite the advantage of being able to directly analyze the analyte material, the signal strength is very weak, making it difficult to put it into practical use. However, since surface-enhanced Raman scattering was reported by Fleishmann et al. in 1974, studies to amplify the signal intensity have been continuously increasing.
라만 산란은 본질적으로 신호가 약하여 분자의 검출을 위해서는 고출력의 레이저에 오랜 시간의 노출이 필요하며, 이와 같은 라만 신호를 강화하여 고감도 검출을 하기 위하여 사용되는 기술 중 하나가 표면 증강 라만 산란(surface enhanced Raman scattering, SERS) 분광법이다.Since Raman scattering is inherently weak in signal, it requires a long exposure to a high-power laser to detect a molecule. Raman scattering (SERS) spectroscopy.
한편, 라만 산란의 현저한 증강은 단일-분자 검출을 가능하게 하며, 이에 따라 가장 민감한 광학적 신호 중 하나를 제공할 수 있다. 표면 증강 라만 산란(Surface-enhanced Raman scattering; SERS)은 금속성 나노구조물들의 근처에 있는 국소화된 표면 플라즈몬들의 여기에 의해 유도되는 전자기장 증강에 주로 기인하므로, 강한 전자기장을 생성하는 금속성 나노구조를 설계 및 합성하려는 많은 노력이 수행되고 있다.On the other hand, the significant enhancement of Raman scattering enables single-molecule detection and thus can provide one of the most sensitive optical signals. Because surface-enhanced Raman scattering (SERS) is mainly due to electromagnetic field enhancement induced by excitation of localized surface plasmons in the vicinity of metallic nanostructures, design and synthesize metallic nanostructures that generate strong electromagnetic fields. Many efforts are being made to do so.
표면 증강 라만 산란(SERS)은 금, 은, 구리와 같은 귀금속 나노구조체에서 발생하는 국부 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)에 의해 플라즈모닉 나노구조체에 흡착된 분자의 라만 분광신호(Raman spectroscopy)를 106 이상 증폭시켜, ppb 이하의 극미량 시료의 라만 분석이 가능한 기술이다. 나노구조체 사이에 형성되는 나노갭(nanogap)에 분자가 존재하면, 기판상 인접한 나노구조체 사이에서 플라즈모닉 커플링(plasmonic coupling) 현상이 발생하여, 증강된 분자의 라만신호가 발생한다. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a Raman spectroscopy signal (Raman spectroscopy) of molecules adsorbed to plasmonic nanostructures by localized surface plasmon resonance (LSPR) generated in noble metal nanostructures such as gold, silver, and copper. ) is amplified to 10 6 or more, and it is a technology capable of Raman analysis of trace samples of ppb or less. When molecules exist in a nanogap formed between nanostructures, a plasmonic coupling phenomenon occurs between adjacent nanostructures on a substrate, thereby generating an enhanced Raman signal of the molecule.
도 1은 표면증강 라만 분광법의 원리 및 장점을 나타낸 것이다.1 shows the principle and advantages of surface-enhanced Raman spectroscopy.
도 1에 도시된 것과 같이 표면증강 라만 분광법(SERS)은 라만 신호(SERS signal)를 내는 분자(Molecules)가 금속 나노 구조체(Nanostructured substrate) 표면에 있을 때 신호의 세기가 단 분자 수준까지 검지할 수 있을 정도로 증강되는 현상을 이용하는 측정 방법이다. 일반적으로 금속 나노구조체를 구성하는 나노 입자들 사이의 거리 즉 나노 갭은 작을수록 표면증강 라만 분광법 (SERS)으로 생성되는 라만 신호의 강도가 증가하므로 나노 갭을 최소로 하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 1, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is capable of detecting the intensity of a signal down to the level of a single molecule when molecules emitting a Raman signal are on the surface of a metal nanostructured substrate. It is a measurement method that uses a phenomenon that is augmented to a certain extent. In general, the smaller the distance between nanoparticles constituting the metal nanostructure, that is, the nanogap, the higher the intensity of the Raman signal generated by surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Therefore, it is preferable to minimize the nanogap.
나노갭을 형성하는 나노구조체는 종래의 대표적인 기술인 (1) 실리콘 기판에 노광공정을 통한 마스크를 형성하고 플라즈마 에칭을 통해 실리콘 및 금속 나노로드(nanorod)를 형성하는 기술과, (2) 나노임프린트(nanoimprint) 공정을 적용하여 고종횡비 폴리머 및 금속 나노로드 형성 방법 등이 있다. 이외에도 종래에는 (3) 금속나노와이어에 의한 균일한 금속 나노로드를 형성하는 기술 등 다양한 나노공정을 적용하여 귀금속 나노구조체를 제조한 것이 있다.The nanostructure for forming the nanogap is a conventional representative technique, (1) forming a mask on a silicon substrate through an exposure process and forming silicon and metal nanorods through plasma etching, (2) nanoimprint ( nanoimprint) process to form high-aspect-ratio polymers and metal nanorods. In addition, in the prior art, there is a case in which noble metal nanostructures are manufactured by applying various nanoprocesses, such as (3) a technique for forming uniform metal nanorods by metal nanowires.
상기 (1)의 방법은 실리콘/귀금속 나노로드의 단위면적당 개수(밀도)가 최대 18 개/μm2로 이웃한 나노로드와 수십 nm떨어져 있어, 핫스팟인 나노갭이 형성되지 않는 구조이다. 따라서 나노갭을 형성시키기 위해 용매의 모세관 힘을 적용하여 고종횡비 금속나노로드 닫힘 현상을 이용하여 나노갭을 형성할 수 있다. 상기 (1)의 방법을 사용한 문헌으로 [Advanced Materials, 2012, 24, OP11-OP18]에 기재된 "Large area fabrication of leaning silicon nanopillars for surface enhanced Raman spectroscopy"가 있다. 이 기술은 실리콘 기판을 SF6가스를 플라즈마 상태에서 에칭하여 실리콘 나노로드가 지름 50-80 nm, 높이 600-1600 nm가 되는 고종횡비 실리콘 나노로드를 제조하였다. 이후 Ag 및 Au를 증착하여 플라즈모닉 나노로드를 형성하였다. 특허문헌으로는 미국 등록특허 US 8767202 B2가 있다.In the method of (1), the number (density) of silicon/noble metal nanorods per unit area is up to 18 pieces/μm 2 , which is tens of nm away from neighboring nanorods, so that a nanogap that is a hot spot is not formed. Therefore, in order to form a nanogap, a nanogap can be formed using the high aspect ratio metal nanorod closing phenomenon by applying a capillary force of a solvent. As a document using the method of (1), there is "Large area fabrication of leaning silicon nanopillars for surface enhanced Raman spectroscopy" described in [Advanced Materials, 2012, 24, OP11-OP18]. In this technique, high aspect ratio silicon nanorods having a diameter of 50-80 nm and a height of 600-1600 nm were manufactured by etching a silicon substrate with SF6 gas in a plasma state. Thereafter, Ag and Au were deposited to form plasmonic nanorods. As a patent document, there is a US registered patent US 8767202 B2.
상기 (2)의 방법은 귀금속 나노로드의 밀도가 최대 25 개/μm2로 나노로드 사이의 거리가 수십 nm로 떨어져 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 (1)과 마찬가지로 모세관 힘을 적용하여 고종횡비 금속나노로드의 닫힘 현상을 이용하여 나노갭을 형성할 수 있다. 상기 (2)의 방법을 사용한 문헌으로 [Nano Letters, 2011, 11, 2538-2542]에 기재된 “Hot-spot engineering in polygonal nanofinger assemblies for surface enhanced Raman spectroscopy" 가 있다. 이 기술은 나노임프린트 식각공정을 통해 형성된 폴리머 나노로드 상에 Au를 진공증착시킨 다. 특허문헌으로는 미국 공개특허 US 9279767 B2 및 US 8462333 B2등 다수가 있다. 상기 문헌 및 특허 문헌은 모두 나노임프린트 식각법에 의한 핫스팟 형성기술이다.The method of (2) is characterized in that the density of the noble metal nanorods is at most 25/μm 2 and the distance between the nanorods is separated by several tens of nm. Therefore, as in (1), it is possible to form a nanogap using the closing phenomenon of the high aspect ratio metal nanorods by applying a capillary force. As a document using the method of (2) above, there is “Hot-spot engineering in polygonal nanofinger assemblies for surface enhanced Raman spectroscopy” described in [Nano Letters, 2011, 11, 2538-2542]. Au is vacuum deposited on the polymer nanorods formed through .
상기 (3)의 방법을 사용한 문헌으로 [Advanced materials, 2016, 28, 8695-8704]에 기재된"3D Cross-point Plasmonic Nano-architectures Containing Dense and Regular Hot Spots for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Analysis"가 있다. 이 기술은 나노와이어를 3D구조로 적층시켜 플라즈모닉 나노구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. As a document using the method of (3) above, there is "3D Cross-point Plasmonic Nano-architectures Containing Dense and Regular Hot Spots for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Analysis" described in [Advanced materials, 2016, 28, 8695-8704]. This technology is characterized by forming a plasmonic nanostructure by stacking nanowires in a 3D structure.
본 발명의 목적은 증강된 라만 신호를 제공하는 신규한 금속 나노구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a novel metal nanostructure providing an enhanced Raman signal.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 기판의 표면처리를 통해 기판의 표면에너지를 조절하고 그 위에 금속마스크를 증착하고 표면에너지에 따라 향상된 라만 신호를 제공하는 금속 나노구조체의 제조방법 및 이를 통해 제조된 금속 나노구조체를 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be solved by the present invention is a method of manufacturing a metal nanostructure that controls the surface energy of the substrate through surface treatment of the substrate, deposits a metal mask thereon, and provides an improved Raman signal according to the surface energy, and To provide a metal nanostructure manufactured through this.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 템플레이트 기판 또는 베이스 기판에 표면처리하는 단계;In order to achieve the above technical object, the present invention comprises the steps of surface-treating a template substrate or a base substrate;
상기 기판을 표면에너지 코팅하는 단계;coating the substrate with surface energy;
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계;depositing metal nanoparticles on the coated substrate;
상기 금속 나노입자가 형성된 기판을 에칭하여 나노구조체를 제조하는 단계; 및manufacturing a nanostructure by etching the substrate on which the metal nanoparticles are formed; and
상기 나노구조체가 형성된 기판 상에 국부 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 나타내는 금속을 증착시켜 금속 나노구조체를 만드는 단계;를 포함하는 금속 나노구조체의 제조방법을 제공한다.Depositing a metal exhibiting localized surface plasmon resonance (LSPR) on the substrate on which the nanostructure is formed to form a metal nanostructure; provides a method of manufacturing a metal nanostructure comprising a.
또한, 본 발명은 상기 금속 나노구조체의 제조방법에 의해서 제조되는 금속 나노구조체를 제공한다.In addition, the present invention provides a metal nanostructure manufactured by the method for manufacturing the metal nanostructure.
또한, 본 발명은 금속 나노구조체의 제조방법에 따라 제조되는 금속 나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면증강라만산란 분광용 기판을 제공한다.In addition, the present invention provides a substrate for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy, characterized in that it comprises a metal nanostructure manufactured according to a method for manufacturing a metal nanostructure.
본 발명에 따른 저표면에너지 기판과 금속마스크를 이용하는 고밀도 나노구조 표면증강 라만 분광기판 구조는 기판의 상부에 에칭(식각)공정을 통해 형성되는 다양한 디자인의 나노구조 금속 증착 박막으로 구성되고 상기 기판의 나노구조는 기판의 표면처리에 따라 서로 다른 모양의 나노금속입자를 갖는 금속마스크가 생성되고 금속마스크에 따라 다른 모양의 나노구조체를 형성 할 수 있다.The high-density nanostructured surface-enhanced Raman spectroscopy substrate structure using a low surface energy substrate and a metal mask according to the present invention consists of a nanostructured metal deposition thin film of various designs formed through an etching (etching) process on the upper portion of the substrate, and As for the nanostructure, a metal mask having nanometal particles of different shapes is generated according to the surface treatment of the substrate, and nanostructures having different shapes can be formed depending on the metal mask.
본 발명에 따른 저표면에너지 기판과 금속마스크를 이용하는 고밀도 나노구조를 갖는 표면증강 라만 분광기판의 제조방법은 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버의 내부에 설치된 저항가열식 보트를 이용하여 저표면에너지를 갖는 발수 코팅과 금속증착을 진행해 금속나노입자 마스크를 생성히는 방법으로, 서로 다른 크기의 복수의 금속나노입자를 마스크로 이용하여 식각공정을 진행하여 나노구조체를 형성한 기판이고 상기 기판의 상부에 동시에 또는 순차적으로 저항가열식코팅 또는 스퍼터링 고밀도 나노구조를 갖는 표면증강 라만 분광기판 형성단계를 수행한다.The method for manufacturing a surface-enhanced Raman spectroscopy substrate having a high-density nanostructure using a low surface energy substrate and a metal mask according to the present invention is a water-repellent coating having low surface energy using a process chamber and a resistance heating boat installed inside the process chamber. As a method of generating a metal nanoparticle mask by performing metal deposition with A surface-enhanced Raman spectroscopy substrate having a high-density nanostructure by resistance heating coating or sputtering is performed.
본 발명의 신규한 금속 나노구조체의 제조방법을 이용하여 제조된 금속 나노구조체를 활용하여 표면증강라만산란 분광분석을 진행하는 경우 라만 신호가 현저히 향상되어 검출 민감도가 현저히 향상되는 우수한 효과가 있다.When surface-enhanced Raman scattering spectroscopy is performed using the metal nanostructures manufactured using the novel metal nanostructure manufacturing method of the present invention, the Raman signal is remarkably improved and the detection sensitivity is remarkably improved.
도 1은 표면증강 라만 분광법의 원리 및 장점을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 금속나노입자 마스크를 이용하는 나노구조체 표면증강 라만 분광기판 구조의 일 실시예이다. 도 2 상단은 금속나노구조체의 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 금속나노구조체의 단면 이미지이고, 도 2 하단은 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 금속나노구조체의 표면 이미지 이다.
도 3은 기판의 표면에너지 차이에 따른 금속나노입자 마스크의 형태를 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 찍은 것을 나타낸다. 도 3(a)는 비교예 1의 방법으로 제조된 삼각구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태, 도 3(b)는 비교예 2의 방법으로 제조된 사각구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태, 도 3(c)는 실시예 1의 방법으로 제조된 버섯구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태이다. 각 도면의 왼쪽은 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 단면 이미지로 기판과 금속나노입자 마스크의 접촉각을 나타낸 것이고, 오른쪽은 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 금속나노입자 마스크의 표면 이미지이다.
도 4는 기판의 표면에너지 차이에 따른 금속나노입자 마스크를 이용하여 식각공정을 진행하였고, 이를 통해 제작된 나노구조체를 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 찍은 것을 나타낸다. 도 4(a)는 비교예 1의 방법으로 제조된 삼각구조를 갖는 나노구조체, 도 4(b)는 비교예 2의 방법으로 제조된 사각구조를 갖는 나노구조체, 도 4(c)는 실시예 1의 방법으로 제조된 버섯구조를 갖는 나노구조체이다.
도 5는 본 발명을 통해 제작된 각기 다른 구조의 표면증강 라만 분광기판으로 라만신호를 측정하여 비교한 예이다.
도 6 은 본 발명을 통해 제작된 버섯구조의 표면증강 라만 분광기판과 평평한(Flat) 구조 기판의 라만신호를 측정하여 비교한 예이다.
도 7은 기판의 표면처리에 따라 금속나노 입자의 형태가 달라지게 되고 에칭을 통해 특정 구조를 갖는 나노구조체를 만들 수 있음을 나타내는 것이다.
도 8은 기판의 에칭 시간 차이에 따른 라만신호 측정의 차이를 확인한 결과이다.1 shows the principle and advantages of surface-enhanced Raman spectroscopy.
2 is an embodiment of the structure of a nanostructure surface-enhanced Raman spectroscopy substrate using a plurality of metal nanoparticle masks according to the present invention. 2 is a cross-sectional image of a metal nanostructure analyzed by a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) of the metal nanostructure, and the bottom of FIG. 2 is a metal nanostructure analyzed by a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) It is a surface image.
3 shows the shape of the metal nanoparticle mask according to the difference in surface energy of the substrate taken with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). 3 (a) is a shape of a metal nanoparticle mask having a triangular structure manufactured by the method of Comparative Example 1, FIG. 3 (b) is a shape of a metal nanoparticle mask having a rectangular structure manufactured by the method of Comparative Example 2; 3(c) is a shape of a metal nanoparticle mask having a mushroom structure manufactured by the method of Example 1. The left side of each figure is a cross-sectional image analyzed with a field scanning electron microscope (FE-SEM), and the contact angle between the substrate and the metal nanoparticle mask is shown, and the right side is a metal nanoparticle analyzed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). This is the surface image of the particle mask.
4 shows that the etching process was performed using a metal nanoparticle mask according to the difference in surface energy of the substrate, and the nanostructures manufactured through this were taken with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). 4(a) is a nanostructure having a triangular structure prepared by the method of Comparative Example 1, FIG. 4(b) is a nanostructure having a rectangular structure prepared by the method of Comparative Example 2, FIG. 4(c) is an Example It is a nanostructure having a mushroom structure prepared by the method of 1.
5 is an example of measuring and comparing Raman signals with surface-enhanced Raman spectrometers of different structures fabricated through the present invention.
6 is an example of measuring and comparing the Raman signals of the mushroom-structured surface-enhanced Raman spectroscopy substrate and the flat-structured substrate manufactured through the present invention.
7 shows that the shape of metal nanoparticles is changed according to the surface treatment of the substrate, and a nanostructure having a specific structure can be prepared through etching.
8 is a result of confirming the difference in Raman signal measurement according to the difference in etching time of the substrate.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 기술적 핵심 사항은 기판의 상부에 각기 다른 표면에너지를 갖는 표면처리 코팅막을 형성하고 증착을 통해 금속나노입자 마스크를 생성하도록 하고, 식각공정을 통해 서로 다른 크기 및 모양의 나노구조체를 형성히는 것이다.The technical core of the present invention is to form a surface treatment coating film having different surface energy on the upper portion of the substrate, to create a metal nanoparticle mask through deposition, and to form nanostructures of different sizes and shapes through an etching process. will be
본 발명의 제조공정을 활용하여 크기, 높이, 간격 또는 모양이 서로 다른 복수의 금속나노입자 마스크를 통해 다양한 나노구조를 만들고 금, 은, 구리등의 금속을 증착시켜 금속나노구조체의 크기 및 나노 갭을 정밀하게 제어할 수 있고, 이를 통해 분석하고자하는 타겟 물질에 따라 최적화를 진행해 라만 신호를 향상시켜 검체의 검출 민감도를 최적화할 수 있다.Using the manufacturing process of the present invention, various nanostructures are made through a plurality of metal nanoparticle masks having different sizes, heights, intervals or shapes, and metals such as gold, silver, and copper are deposited to form metal nanostructures and nanogap can be precisely controlled, and through this, optimization can be carried out according to the target material to be analyzed, thereby optimizing the detection sensitivity of the sample by improving the Raman signal.
본 발명은 기판에 표면처리하는 단계;The present invention comprises the steps of surface-treating a substrate;
상기 기판을 표면에너지 코팅하는 단계;coating the substrate with surface energy;
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계;depositing metal nanoparticles on the coated substrate;
상기 금속 나노입자가 형성된 기판을 에칭하여 나노구조체를 제조하는 단계; 및manufacturing a nanostructure by etching the substrate on which the metal nanoparticles are formed; and
상기 나노구조체가 형성된 기판 상에 상에 국부 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 나타내는 금속을 증착시켜 금속 나노구조체를 만드는 단계;를 포함하는 금속 나노구조체의 제조방법을 제공한다.Depositing a metal exhibiting localized surface plasmon resonance (LSPR) on the substrate on which the nanostructure is formed to form a metal nanostructure; provides a method of manufacturing a metal nanostructure comprising a.
도 1은 표면증강 라만 분광법의 원리 및 장점을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 금속 나노입자 마스크를 이용하는 금속 나노구조체 표면증강 라만 분광기판의 구조를 나타낸 것이다.1 shows the principle and advantages of surface-enhanced Raman spectroscopy, and FIG. 2 shows the structure of a surface-enhanced Raman spectroscopy substrate for metal nanostructures using a metal nanoparticle mask according to the present invention.
본 발명에 따른 금속 나노입자 마스크를 이용하는 표면증강 라만 분광기판의 구조는, 기판의 상부에 금속 나노입자 마스크를 통해 나노구조체를 형성하고, 그 위에 금속 증착막이 순서대로 배열되는 것을 특징으로 한다. The structure of the surface-enhanced Raman spectroscopy substrate using the metal nanoparticle mask according to the present invention is characterized in that the nanostructure is formed on the upper portion of the substrate through the metal nanoparticle mask, and the metal deposition film is sequentially arranged thereon.
상기 기판은 유리(Glass), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 유리(Glass), 석영(Quartz) 및 폴리머(Polymer)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 비금속 물질로 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.The substrate is made of at least one non-metal material selected from the group consisting of glass, silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), glass, quartz, and polymer. can
상기 표면에너지 코팅 단계에서 코팅막의 표면에너지는 18 mN/m 이하, 17 mN/m 이하, 3 내지 17 mN/m, 3 내지 18 mN/m, 5 내지 17 mN/m, 5 내지 18 mN/m, 13 내지 18 mN/m, 13 내지 32 mN/m인 것을 특징으로 할 수 있고, 바람직하게는 13 내지 17 mN/m일 수 있다.The surface energy of the coating film in the surface energy coating step is 18 mN/m or less, 17 mN/m or less, 3 to 17 mN/m, 3 to 18 mN/m, 5 to 17 mN/m, 5 to 18 mN/m , 13 to 18 mN/m, may be characterized as 13 to 32 mN/m, preferably 13 to 17 mN/m.
상기 표면에너지 코팅 단계에서 Glass 기판의 상압플라즈마 처리 과정을 통해 균일하고 밀착력이 우수한 저 표면에너지 코팅을 할 수 있다.In the surface energy coating step, a low surface energy coating having a uniform and excellent adhesion can be performed through the atmospheric pressure plasma treatment process of the glass substrate.
한편, 본 발명의 방법으로 제조된 금속 나노구초체는 상기 기판상에 형성된 저 표면에너지 코팅막 및 저 표면에너지 코팅막 상에 형성된 금속나노입자 마스크를 포함하고, 상기 기판상에 형성된 저 표면에너지 코팅막의 표면에너지에 비해 상기 금속 나노입자가 증착된 마스크의 표면에너지 차이가 100 mN/m 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.On the other hand, the metal nanospheres prepared by the method of the present invention include a low surface energy coating film formed on the substrate and a metal nanoparticle mask formed on the low surface energy coating film, and the surface of the low surface energy coating film formed on the substrate. It may be characterized in that the difference in surface energy of the mask on which the metal nanoparticles are deposited compared to the energy is 100 mN/m or more.
상기 기판을 표면에너지 코팅하는 단계에서 코팅제 처리를 통해 저 표면에너지 코팅막을 형성할 수 있고, 상기 코팅제는 퍼플루오로폴리에테르(Perfluoropolyether, PFPE), 탄화불소카복실산(fluorocarbon carboxylic acid), 탄화수소티올(alkanethiol), 이황화탄화수소(alkyldisulfide), 탄화불소티올(fluorocarbon thiol), 탄화불소실란(fluorocarbon silane), 탄화염소실란(chlorocarbon silane), 탄화불소 아민(fluorocarbon amine), 탄화불소 카복실산(fluorocarbon carboxylic acid), 탄화불소계고분자(fluorocarbon polymer) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of surface energy coating the substrate, a low surface energy coating film may be formed through a coating agent treatment, and the coating agent is perfluoropolyether (PFPE), fluorocarbon carboxylic acid, hydrocarbon thiol (alkanethiol) ), hydrocarbon disulfide (alkyldisulfide), fluorocarbon thiol, fluorocarbon silane, chlorocarbon silane, fluorocarbon amine, fluorocarbon carboxylic acid, carbonization It may be characterized in that at least one selected from the group consisting of fluorocarbon polymers and derivatives thereof.
상기 저 표면에너지 코팅막이 형성된 기판의 물접촉각은 80°이상일 수 있고, 상기 저 표면에너지 코팅막의 두께는 100 nm 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.The water contact angle of the substrate on which the low surface energy coating film is formed may be 80° or more, and the thickness of the low surface energy coating film may be 100 nm or less.
또한, 상기 저 표면에너지 코팅막은 진공증착 또는 기상증착 또는 용액공정으로 형성될 수 있다.In addition, the low surface energy coating film may be formed by vacuum deposition or vapor deposition or a solution process.
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계를 통해 상기 기판을 표면에너지 코팅하는 단계에서 형성된 저 표면에너지 코팅막에 금속을 증착시켜 나노입자 마스크를 제조할 수 있다.Through the step of depositing metal nanoparticles on the coated substrate, the nanoparticle mask can be manufactured by depositing a metal on the low surface energy coating film formed in the step of surface energy coating the substrate.
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계에서 금속은 은, 금, 백금, 알루미늄, 구리, 크롬, 납, 니켈, 철, 텅스텐 및 코발트로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 나노입자인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the metal is any one or more nanoparticles selected from the group consisting of silver, gold, platinum, aluminum, copper, chromium, lead, nickel, iron, tungsten and cobalt. can be characterized.
또한, 상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계에서 저항가열식 또는 스퍼터링 즉창 방법을 통해 나노 마스크가 제조될 수 있다.In addition, in the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the nanomask may be manufactured through a resistance heating method or a sputtering method.
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계에서 금속 나노입자는 1.0 Å/sec 이하의 증착 속도로 증착하고, 그 두께는 30 nm 이하 일 수 있다.In the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the metal nanoparticles are deposited at a deposition rate of 1.0 Å/sec or less, and the thickness may be 30 nm or less.
상기 금속나노입자 마스크는 상기 저 표면에너지 코팅막과의 표면에너지 차이에 따라 구형 또는 반구형으로 형성될 수 있다.The metal nanoparticle mask may be formed in a spherical or hemispherical shape according to a difference in surface energy with the low surface energy coating film.
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계에서 기판과 금속-나노입자 간의 접촉각은 50 내지 150˚인 것을 특징으로 할 수 있고, 바람직하게는 115 내지 150˚인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the contact angle between the substrate and the metal-nanoparticles may be 50 to 150˚, preferably 115 to 150˚.
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계에서 금속과 기판 사이의 두께는 5 내지 30 nm인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the thickness between the metal and the substrate may be 5 to 30 nm.
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계에서 금속 나노입자는 30 ~ 170 nm의 직경을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the metal nanoparticles may have a diameter of 30 to 170 nm.
상기 금속 나노입자가 형성된 기판을 에칭하여 나노구조체를 제조하는 단계에서는 상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계를 통해 제조된 금속 나노입자를 마스크로 활용하여 에칭을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of manufacturing the nanostructure by etching the substrate on which the metal nanoparticles are formed, etching is performed using the metal nanoparticles prepared through the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate as a mask. have.
상기 기판을 에칭하는 단계에서 에칭 에너지는 60 j/cm2 내지 360 j/cm2 인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of etching the substrate, the etching energy is 60 j/cm 2 to 360 j/cm 2 It may be characterized in that.
에칭에 사용되는 RF 플라즈마 Power의 밀도인 1.0 W/cm2 는 60 J/min/cm2 로 변환할 수 있다. 여기에 시간(min)을 곱하게 되면 에칭에너지 (j/cm2)를 구할 수 있다. The density of RF plasma power used for etching of 1.0 W/cm 2 can be converted to 60 J/min/cm 2 . If this is multiplied by the time (min), the etching energy (j/cm 2 ) can be obtained.
1[W/cm2]= 60[J/min/cm2] ; 1[W/cm 2 ]= 60[J/min/cm 2 ] ;
[J/min/cm2] x [Time(min)] = [j/cm2];[J/min/cm 2 ] x [Time(min)] = [j/cm 2 ];
RF 플라즈마 Power 밀도는 1.0 W/cm2 이며, 상기 조건에서의 최적 에칭시간은 2~5분이다. RF 플라즈마 Power밀도에 1~6분을 곱해 주면 60 j/cm2 에서 360 j/cm2 의 에칭에너지를 구할 수 있다.The RF plasma power density is 1.0 W/cm 2 , and the optimum etching time under the above conditions is 2 to 5 minutes. If the RF plasma power density is multiplied by 1 to 6 minutes, etching energy of 360 j/cm 2 can be obtained from 60 j/cm 2 .
60[J/min/cm2] x 1min = 60 j/cm2 ;60[J/min/cm 2 ] x 1min = 60 j/cm 2 ;
60[J/min/cm2] x 6min = 360 j/cm2;60[J/min/cm 2 ] x 6min = 360 j/cm 2 ;
상기 금속 나노입자를 마스크로 이용해 나노구조체를 가공하는 공정은 플라즈마 에칭(식각)을 통해 수행될 수 있다.The process of processing the nanostructure using the metal nanoparticles as a mask may be performed through plasma etching (etching).
상기 나노구조체를 플라즈마 에칭(식각)을 이용할 경우 아르곤, 산소, 수소, 헬륨, 질소, 불소 및 염소 기체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 기체를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.When plasma etching (etching) the nanostructure is used, it may be characterized by using any one or more gases selected from the group consisting of argon, oxygen, hydrogen, helium, nitrogen, fluorine and chlorine gas.
상기 나노구조체가 형성된 기판 상에 국부/국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance: LSPR)을 나타내는 금속을 증착시켜 금속 나노구조체 또는 금속박막이 된 나노구조체를 만드는 단계에서 금속은 은, 금, 백금, 알루미늄, 구리, 크롬, 납, 니켈, 철, 텅스텐, 코발트 및 이의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 또는 금속박막인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of making a metal nanostructure or a metal thin film by depositing a metal exhibiting localized surface plasmon resonance (LSPR) on the substrate on which the nanostructure is formed, the metal is silver, gold, platinum, It may be characterized in that it is any one or more metals or metal thin films selected from the group consisting of aluminum, copper, chromium, lead, nickel, iron, tungsten, cobalt, and alloys thereof.
상기 국부 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 금속을 증착시키는 단계에서 금속 나노 구조 사이의 나노 갭에 의해 표면 플라즈몬 공명이 강화되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of depositing the metal exhibiting the local surface plasmon resonance, it may be characterized in that the surface plasmon resonance is strengthened by the nano-gap between the metal nanostructures.
상기 나노구조체 위에 금속박막은 진공증착으로 형성되고, 나노구조체에 균일하게 증착되지만 증착이 진행될수록 상부에 집중되는 경향이 있을 수 있다.The metal thin film on the nanostructure is formed by vacuum deposition, and is uniformly deposited on the nanostructure, but may tend to be concentrated on the upper portion as the deposition proceeds.
상기 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation), 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 및 원자층 증착(atomic layer deposition) 중 어느 하나를 이용할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다.The vacuum deposition may use any one of sputtering, evaporation, chemical vapor deposition, and atomic layer deposition, but is not limited thereto.
상기 금속박막은 Al, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, 및 이의 합금 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속박막이 Au 또는 Ag를 적용하는게 적합할 수 있다.The metal thin film may use any one of Al, Au, Ag, Cu, Pt, Pd, and alloys thereof, but is not limited thereto. It may be suitable for the metal thin film to apply Au or Ag.
상기 금속박막은 상기 Au, Ag, 또는 이의 합금을 10 nm 이상으로 진공증착하여 형성될 수 있으며, 나노구조체의 간격에 따라 최적화 두께가 달라질 수 있다.The metal thin film may be formed by vacuum-depositing the Au, Ag, or an alloy thereof to a thickness of 10 nm or more, and the optimized thickness may vary according to the spacing of the nanostructures.
상기 최적화 두께는 나노갭의 크기로 결정된다. 나노갭의 크기는 10 nm이하로 형성되어야 적합하고, 이 때 금속 함유 나노구조체 사이에서 플라즈모닉 커플링(plasmonic coupling)을 발생시켜 표면 증강 라만 산란용 기판의 민감도를 현저하게 향상시킬 수 있다.The optimized thickness is determined by the size of the nanogap. The size of the nanogap is suitable to be formed to be 10 nm or less, and at this time, plasmonic coupling occurs between the metal-containing nanostructures to remarkably improve the sensitivity of the substrate for surface-enhanced Raman scattering.
상기 금속 나노구조체는 표면증강라만산란(SERS; Surface-Enhanced Raman Scattering) 분석에서 증가된 라만 신호를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.The metal nanostructure may be characterized in that it provides an increased Raman signal in a surface-enhanced Raman scattering (SERS) analysis.
상기 금속 나노구조체를 만드는 단계에서 금속 나노구조체는 표면증강라만산란(SERS) 기질용인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of making the metal nanostructure, the metal nanostructure may be characterized in that it is for a surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate.
본 발명은 상기 금속 나노구조체의 제조방법에 의해서 제조되는 금속 나노구조체를 제공한다.The present invention provides a metal nanostructure manufactured by the method for manufacturing the metal nanostructure.
상기 금속 나노구조체는 증가된 라만 신호를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.The metal nanostructure may be characterized in that it provides an increased Raman signal.
또한, 본 발명은 금속 나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만산란 분광용 기판을 제공한다.In addition, the present invention provides a substrate for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy, characterized in that it comprises a metal nanostructure.
또한, 본 발명은 i) 상기 금속 나노구조체의 표면에 검출하고자 하는 핵산에 상보적인 바이오분자를 기능화하는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of: i) functionalizing a biomolecule complementary to a nucleic acid to be detected on the surface of the metal nanostructure;
ii) 상기 기능화된 SERS 나노입자들을 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료와 반응시켜 혼성화를 수행하는 단계; 및ii) performing hybridization by reacting the functionalized SERS nanoparticles with a sample expected to contain a nucleic acid to be detected; and
iii) 라만 분광법을 수행하여 SERS 나노입자가 결합된 상기 검출하고자 하는 핵산의 존재, 양 또는 둘 모두를 확인하는 단계를 포함하는, 핵산 검출 방법을 제공한다.iii) performing Raman spectroscopy to confirm the presence, amount, or both of the nucleic acid to be detected to which the SERS nanoparticles are bound.
상기 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료는 채취한 시료 자체로 사용하거나, 이로부터 검출 하고자 하는 핵산을 분리, 정제 또는 증폭시켜 사용하는 것일 수 있다.The sample expected to contain the nucleic acid to be detected may be used as the collected sample itself, or used by separating, purifying, or amplifying the nucleic acid to be detected therefrom.
상기 핵산 검출방법은 질병의 진단, 신원확인, 혈연관계 확인, 세균이나 세포 동정 또는 동식물의 원산지 확인을 위한 핵산 검출방법인 것이 특징일 수 있다.The nucleic acid detection method may be characterized as a nucleic acid detection method for the diagnosis of disease, identification, confirmation of blood ties, identification of bacteria or cells, or confirmation of origin of animals and plants.
상기 핵산 검출방법은 단일 염기 다형성(SNP)의 검출방법인 것이 특징일 수 있다.The nucleic acid detection method may be characterized as a single nucleotide polymorphism (SNP) detection method.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 금속나노입자 마스크 SEM 사진이다. 3 is a SEM photograph of a metal nanoparticle mask according to an embodiment of the present invention.
도 3(a)는 비교예 1의 방법으로 제조된 삼각구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태, 도 3(b)는 비교예 2의 방법으로 제조된 사각구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태, 도 3(c)는 실시예 1의 방법으로 제조된 버섯구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태이다. 각 도면의 왼쪽은 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 단면 이미지로 기판과 금속나노입자 마스크의 접촉각을 나타낸 것이고, 오른쪽은 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 금속나노입자 마스크의 표면 이미지이다.3 (a) is a shape of a metal nanoparticle mask having a triangular structure manufactured by the method of Comparative Example 1, FIG. 3 (b) is a shape of a metal nanoparticle mask having a rectangular structure manufactured by the method of Comparative Example 2; 3(c) is a shape of a metal nanoparticle mask having a mushroom structure manufactured by the method of Example 1. The left side of each figure is a cross-sectional image analyzed with a field scanning electron microscope (FE-SEM), and the contact angle between the substrate and the metal nanoparticle mask is shown, and the right side is a metal nanoparticle analyzed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). This is the surface image of the particle mask.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 나노구조체가 형성된 기판의 SEM 사진이다. 공정 조건에 따라 삼각구조(비교예 1), 사각구조(비교예 2), 버섯구조(실시예 1) 등을 갖는다. 도 4(a)는 비교예 1의 방법으로 제조된 삼각구조를 갖는 나노구조체, 도 4(b)는 비교예 2의 방법으로 제조된 사각구조를 갖는 나노구조체, 도 4(c)는 실시예 1의 방법으로 제조된 버섯구조를 갖는 나노구조체이다.4 is an SEM photograph of a substrate on which a nanostructure is formed according to an embodiment of the present invention. It has a triangular structure (Comparative Example 1), a rectangular structure (Comparative Example 2), and a mushroom structure (Example 1) according to process conditions. 4(a) is a nanostructure having a triangular structure prepared by the method of Comparative Example 1, FIG. 4(b) is a nanostructure having a rectangular structure prepared by the method of Comparative Example 2, FIG. 4(c) is an Example It is a nanostructure having a mushroom structure prepared by the method of 1.
상기 삼각구조의 나노구조체 형성을 위한 금속나노입자 마스크 공정 조건(비교예 1 참조)은 예시적으로 다음과 같다.The metal nanoparticle mask process conditions (refer to Comparative Example 1) for forming the triangular nanostructure are illustratively as follows.
구체적으로, 유리 기판에 표면처리를 통해 기판의 물접촉각 90~100°로 만들고 저항가열방식으로 Ag를 진공 증착시킨다. 이때 진공증착 속도는 0.5 /sec 이하 이며, 증착 두께는 7~10 nm 일 수 있다. Specifically, through surface treatment on a glass substrate, the water contact angle of the substrate is made 90 to 100°, and Ag is vacuum-deposited by the resistance heating method. At this time, the vacuum deposition rate is 0.5 /sec or less, and the deposition thickness may be 7 to 10 nm.
도 3(a)는 비교예 1의 방법으로 제조된 삼각구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태를 나타내고, 삼각구조의 나노구조체 형성을 위한 금속나노입자 마스크로 반구형으로 형성된 것을 확인 할 수 있다. 이러한 반구형 금속나노입자를 CF4 가스를 이용해 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etching) 공정을 3분간 진행 하면 도 4(a)의 나노구조체를 형성 할 수 있다.3(a) shows the shape of a metal nanoparticle mask having a triangular structure manufactured by the method of Comparative Example 1, and it can be confirmed that the metal nanoparticle mask is formed in a hemispherical shape as a metal nanoparticle mask for forming a triangular nanostructure. When these hemispherical metal nanoparticles are subjected to a reactive ion etching process using CF 4 gas for 3 minutes, the nanostructure of FIG. 4(a) can be formed.
상기 사각구조의 나노구조체 형성을 위한 금속나노입자 마스크 공정 조건(비교예 2 참조)은 예시적으로 다음과 같다.The metal nanoparticle mask process conditions (refer to Comparative Example 2) for forming the rectangular nanostructure are illustratively as follows.
유리 기판에 표면처리를 통해 기판의 물접촉각 100~110°로 만들고 저항가열방식으로 Ag를 진공 증착 시킨다. 이때 진공증착 속도는 0.5 /sec 이하 이며, 증착 두께는 12~15nm 일 수 있다. Through surface treatment on the glass substrate, the water contact angle of the substrate is made 100~110°, and Ag is vacuum-deposited by the resistance heating method. At this time, the vacuum deposition rate is 0.5 /sec or less, and the deposition thickness may be 12-15 nm.
도 3(b)는 비교예 2의 방법으로 제조된 사각구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태를 나타내고, 사각구조의 나노구조체 형성을 위한 금속나노입자 마스크의 접촉각이 107°로 형성된 것을 확인 할 수 있다. 이러한 금속나노입자를 CF4 가스를 이용해 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etching) 공정을 3분간 진행 하면 도 4(b)의 나노구조체를 형성 할 수 있다.3(b) shows the shape of the metal nanoparticle mask having a rectangular structure manufactured by the method of Comparative Example 2, and it can be confirmed that the contact angle of the metal nanoparticle mask for the formation of the rectangular structure nanostructure is formed at 107°. have. When these metal nanoparticles are subjected to a reactive ion etching process using CF 4 gas for 3 minutes, the nanostructure of FIG. 4(b) can be formed.
상기 버섯구조의 나노구조체 형성을 위한 금속나노입자 마스크 공정 조건(실시예 1 참조)은 예시적으로 다음과 같다.The metal nanoparticle mask process conditions (refer to Example 1) for forming the mushroom-structured nanostructure are illustratively as follows.
유리 기판에 표면처리를 통해 기판의 물접촉각 110~120°로 만들고 저항가열방식으로 Ag를 진공 증착 시킨다. 이때 진공증착 속도는 0.5 /sec 이하 이고, 증착 두께는 20 nm일 수 있다. 상기 물접촉각은 금속나노입자 증착 전 물을 사용해 측정한 물과 기판 사이의 접촉각을 의미할 수 있다.Through surface treatment on the glass substrate, the water contact angle of the substrate is made 110~120°, and Ag is vacuum-deposited by the resistance heating method. At this time, the vacuum deposition rate is 0.5 /sec or less, and the deposition thickness may be 20 nm. The water contact angle may mean a contact angle between water and a substrate measured using water before metal nanoparticle deposition.
도 3(c)는 실시예 1의 방법으로 제조된 버섯구조를 갖는 금속나노입자 마스크의 형태를 나타내고, 버섯구조의 나노구조체 형성을 위한 금속나노입자 마스크로 구형으로 형성된 것을 확인 할 수 있다. 이러한 구형 금속나노입자를 CF4 가스를 이용해 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etching) 공정을 3분간 진행 하면 도 4(c)의 나노구조체를 형성 할 수 있다.Figure 3(c) shows the shape of the metal nanoparticle mask having a mushroom structure manufactured by the method of Example 1, and it can be confirmed that the metal nanoparticle mask for forming the mushroom structure nanostructure was formed in a spherical shape. When these spherical metal nanoparticles are subjected to a reactive ion etching process using CF 4 gas for 3 minutes, the nanostructure of FIG. 4(c) can be formed.
상기 나노구조체 형성을 위한 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 공정 조건은 예시적으로 다음과 같다.Reactive ion etching (RIE) process conditions for forming the nanostructures are illustratively as follows.
-초기 진공도 : 10 mTorr -Initial vacuum degree: 10 mTorr
-공정 가스 : CF4 40 sccm-Process gas: CF 4 40 sccm
-공정 압력 : 150 mTorr-Process pressure: 150 mTorr
-RF 플라즈마 Power 밀도: 1.0 W/㎠-RF plasma power density: 1.0 W/cm2
도 7은 기판의 표면처리에 따라 금속나노 입자의 형태가 달라지게 되고 에칭을 통해 특정 구조를 갖는 나노구조체를 만들 수 있음을 나타내는 모식도이다.7 is a schematic view showing that the shape of metal nanoparticles is changed according to the surface treatment of the substrate, and a nanostructure having a specific structure can be prepared through etching.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 이용하는 다중 나노구조체 표면증강 라만 분광기판의 라만 분광 특성을 각 나노구조체 모양에 따라 비교하여 평가한 결과를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the results of evaluation by comparing the Raman spectroscopic characteristics of the multi-nanostructure surface-enhanced Raman spectrometer substrate according to an embodiment of the present invention according to the shape of each nanostructure.
20μM 의 메틸렌블루 용액(MB)이 포함되어 있는 에탄올 용액 3μL를 각각의 SERS 기판에 점적시킨 후, 1시간 건조시켜 에탄올 용매를 증발시키면 MB만 선택적으로 Au 나노구조에 화학적으로 흡착된다. 이후 휴대형 라만분광기를 이용하여 각SERS 기판에서 측정된 MB의 라만신호 세기를 비교 평가하였다.After dripping 3 μL of ethanol solution containing 20 μM methylene blue solution (MB) onto each SERS substrate, drying for 1 hour and evaporating the ethanol solvent, only MB is selectively chemically adsorbed to Au nanostructures. Thereafter, the Raman signal intensity of MB measured on each SERS substrate was compared and evaluated using a portable Raman spectrometer.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 의한 버섯구조를 갖는 나노구조체 표면증강 라만 분광기판(실시예 1)과 평판(Flat) 기판의 라만 시프트(Raman Shift, cm-1)(비교예 3)에 따른 신호증강도를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 버섯구조를 갖는 나노구조체에 흡착된 분자의 라만 분광신호(Raman spectroscopy)를 106 이상 증폭시켜, ppb 이하의 극미량 시료의 라만 분석이 가능하다.6 is a Raman Shift (Raman Shift, cm -1 ) of a nanostructure surface-enhanced Raman spectroscopic substrate (Example 1) and a flat substrate having a mushroom structure according to an embodiment of the present invention (Comparative Example 3) The results of comparing the signal intensity according to the following are shown. By amplifying the Raman spectroscopy signal of the molecule adsorbed to the nanostructure having a mushroom structure to 10 6 or more, Raman analysis of trace samples of ppb or less is possible.
한편, 적절한 표면에너지는 은-나노입자를 형성시키고 이를 이용하여 특수한 나노구조를 만들 수 있는 중요한 요소임이 알려져 있다.On the other hand, it is known that an appropriate surface energy is an important factor for forming silver-nanoparticles and making special nanostructures using them.
표 2에는 각각의 표면에너지에 따른 은-나노입자 마스크의 접촉각이 나타나 있다. 표 2에 의하면 35 N/m 이상의 표면에너지로 표면처리 시 은-나노입자 마스크 형성이 되지 않고 필름 형태로 증착되었고, 10 N/m 이하로 너무 낮은 표면에너지로 표면처리 시 은(Ag) 증착이 전혀 이루어지지 않았다. 상기 필름형태로 증착 되거나 은(Ag)증착이 이루어지지 않는 경우 은-나노입자 마스크가 생성되지 않아 이를 이용한 나노구조 제작을 진행할 수 없는 문제가 발생한다.Table 2 shows the contact angle of the silver-nanoparticle mask according to each surface energy. According to Table 2, when surface-treated with a surface energy of 35 N/m or higher, the silver-nanoparticle mask was not formed and deposited in the form of a film, and silver (Ag) deposition was not done at all When the film is deposited in the form of a film or silver (Ag) is not deposited, a silver-nanoparticle mask is not generated, so that a nanostructure manufacturing using the same cannot be performed.
표 3은 각각의 에칭 시간에 따른 라만 신호를 측정 및 분석한 결과를 나타낸 것이다. 표 3에 나타난 것과 같이, 2분 이하로 에칭을 수행한 경우 나노구조의 높이가 너무 작아서 라만 신호증강이 원활하게 되지 않은 문제가 있었다. 또한, 5분 이상의 과한 에칭을 진행할 경우 먼저, 은-나노입자 마스크가 모두 에칭되어 없어지고 에칭을 통해 생성되었던 나노구조 역시 같이 에칭이 되어, 나노구조의 높이가 다시 감소하며 그에 따라 라만 신호증강 역시 감소하게 되었다.Table 3 shows the results of measuring and analyzing Raman signals according to each etching time. As shown in Table 3, when the etching was performed in 2 minutes or less, there was a problem that the Raman signal enhancement was not smooth because the height of the nanostructure was too small. In addition, if excessive etching is performed for more than 5 minutes, first, all the silver-nanoparticle masks are etched away and the nanostructures created through etching are also etched, so that the height of the nanostructures decreases again, and accordingly, the Raman signal enhancement is also has decreased
한편, 은-나노입자를 마스크로 이용해 에칭을 할 때 에칭가스는 Si 에칭에 유리하고 인체에 해롭지않은 CF4 가스를 사용하였고, 초기 진공도인 10 mTorr 는 로터리펌프를 이용하는 RIE 장비의 기본 스펙이고, 공정압력은 공정가스의 주입양과 스로틀벨브로 조절이 가능할 수 있다. 하지만 공정 압력이 높아지면 에칭 속도가 감소하고, 공정 압력이 높으면 직진성이 강한 빠른에칭으로 원하는 구조물을 만들기가 어려우므로 공정압력은 100~200 mTorr가 적절하다. 공정압력 150 mTorr 에서 진행 할 때 33 nm/min의 에칭 속도로 3분 진행 시 100 nm가 에칭 된다. On the other hand, when etching using silver-nano particles as a mask, the etching gas used CF4 gas, which is advantageous for Si etching and is not harmful to the human body. The pressure may be adjustable with the amount of process gas injected and the throttle valve. However, when the process pressure increases, the etching rate decreases, and when the process pressure is high, it is difficult to form a desired structure through fast etching with strong straightness. At a process pressure of 150 mTorr, 100 nm is etched at an etching rate of 33 nm/min for 3 minutes.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples and Experimental Examples.
다만, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples only illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.
실시예 1. 버섯구조를 갖는 표면 증강 라만 산란 나노구조Example 1. Surface-enhanced Raman scattering nanostructure with mushroom structure
1-1. 표면처리 공정1-1. Surface treatment process
Sodalime Glass 기판(TASCO, 100 X 100 X 1.1 mmTh)을 준비하고 상압플라즈마((주)에이피피, ILP-450S)장비로 공정을 진행하였다. 상압플라즈마 장비를 통해 대기압에서 Ar, O2 가스를 주입해 RF 파워로 플라즈마를 생성한다. Glass 기판이 플라즈마에 노출되면 표면에너지가 높아져서 기판에 코팅을 진행하면 기판과 코팅 막의 밀착력이 향상된다. 상기 상압플라즈마 공정 조건은 330 W RF 파워, Ar 4 L/min 및 O2 30 mL/min의 유량으로 선형 플라즈마를 띄우고 2 m/min의 속도로 4회 노출시켰다. 상기 Glass 기판의 상압플라즈마 처리 과정을 통해 균일하고 밀착력이 우수한 저 표면에너지 코팅을 할 수 있다.Sodalime Glass substrate (TASCO, 100 X 100 X 1.1 mmTh) was prepared and the process was carried out with atmospheric plasma (APP Co., Ltd., ILP-450S) equipment. Ar, O 2 gas is injected at atmospheric pressure through atmospheric plasma equipment to generate plasma with RF power. When the glass substrate is exposed to plasma, the surface energy increases, so that when the substrate is coated, the adhesion between the substrate and the coating film is improved. The atmospheric plasma process conditions were 330 W RF power, Ar 4 L/min and O 2 A linear plasma was floated at a flow rate of 30 mL/min and exposed four times at a rate of 2 m/min. Through the atmospheric pressure plasma treatment process of the glass substrate, it is possible to achieve a uniform and low surface energy coating with excellent adhesion.
*상압플라즈마 공정조건*Atmospheric pressure plasma process conditions
공정파워: 330 WProcess power: 330 W
가스유량: Ar 4 L/min & O2 30 ml/minGas flow rate: Ar 4 L/min & O 2 30 ml/min
속도: 2 m/min 2회 왕복 처리Speed: 2 m/
1-2. 저 표면에너지 코팅 공정1-2. Low surface energy coating process
저 표면에너지 코팅제는 하기와 같은 합성 공정을 통해 준비되었다.The low surface energy coating agent was prepared through the following synthesis process.
구체적으로, Cesium fluoride(Aldrich, CsF 99.9%)와 Tetraethylene glycol dimethyl ether(Aldrich, TG 99%)를 몰비로 1:1로 투입하여 교반시킨 후, Hexafluoropropylene oxide(3M, HFPO 99.9%)를 반응온도 35℃에서 반응기에 주입하였다. 이 때 hexafluoropropylene(3 M, HFP 99.9%)가 용매로 사용되었다. 상기 반응으로 얻어지는 Perfluoropolyether(PFPE)에 실란 커플링제 도입 반응을 적용하였다. 1몰의 실란커플링제 3-glycidoxypropyltrimethoxy silane (Aldrich, GOPTMS)을 1몰의 PFPE 합성물에 첨가하여 35℃에서 7시간 동안 반응시킨 후, 이를 진공 건조하여 최종 생성물인 저 표면에너지 코팅제를 얻었다.Specifically, Cesium fluoride (Aldrich, CsF 99.9%) and Tetraethylene glycol dimethyl ether (Aldrich, TG 99%) were added in a molar ratio of 1:1 and stirred, and then Hexafluoropropylene oxide (3M, HFPO 99.9%) was added at a reaction temperature of 35 It was injected into the reactor at ℃. At this time, hexafluoropropylene (3 M, HFP 99.9%) was used as a solvent. A silane coupling agent introduction reaction was applied to the perfluoropolyether (PFPE) obtained by the above reaction. 1 mol of the silane coupling agent 3-glycidoxypropyltrimethoxy silane (Aldrich, GOPTMS) was added to 1 mol of the PFPE compound, reacted at 35° C. for 7 hours, and then vacuum dried to obtain a final product, a low surface energy coating agent.
PFPE에는 불소가 포함되어 있어 Glass 기판이 아주 낮은 표면에너지를 갖도록 하고, 실란기는 Glass 기판과 저표면에너지 코팅제의 밀착력을 높이도록 도와준다. 상기 합성 공정을 통해 얻은 저 표면에너지 코팅제와 스핀코터(랍도스, SE-150LED)를 이용해 1-1 표면처리 공정에서 상압플라즈마 처리가 된 Glass 기판에 코팅을 진행했다. 스핀코터는 저 표면에너지 코팅제 5 mL를 Glass 기판에 떨어뜨리고 2000rpm의 속도로 10초간 진행했으며, 그 두께는 10~20 nm 로 얇고 균일한 막을 형성했다. Since PFPE contains fluorine, the glass substrate has a very low surface energy, and the silane group helps to increase the adhesion between the glass substrate and the low surface energy coating agent. Coating was carried out on the glass substrate subjected to atmospheric pressure plasma treatment in the 1-1 surface treatment process using the low surface energy coating agent obtained through the above synthesis process and a spin coater (Rhabdos, SE-150LED). The spin coater dropped 5 mL of the low surface energy coating agent onto the glass substrate and proceeded for 10 seconds at a speed of 2000 rpm, forming a thin and uniform film with a thickness of 10 to 20 nm.
*공정방법: 스핀코팅*Processing method: spin coating
속도: 2000 rpmSpeed: 2000 rpm
시간: 10초Time: 10 seconds
기판의 표면에너지: 15 mN/mSurface energy of substrate: 15 mN/m
1-3. 나노 마스크 공정1-3. nano mask process
1-2 저 표면에너지 코팅 공정에서 저 표면에너지가 코팅된 기판을 1.0 x 10-5 Torr 이하의 고진공상태에서 저항가열식 증착 방법(Thermal Evaporator (ULTECH, EasyDEP-3))을 통해 은(Ag)(TASCO, EAG0LT0006)을 0.5 Å/sec 이하의 증착 속도로 20 nm 두께가 되도록 증착시켰다. 이때 Glass 기판의 낮은 표면에너지와 0.5 Å/sec 이하로 천천히 증착되는 Ag의 표면에너지 차이에 의해 Ag 증착이 박막으로 형성되지 않고 나노입자로 형성되었다. 상기 제조된 나노입자를 전계방출형 주사현미경(FE-SEM)(JEOL, JSM-7500F)을 이용해 표면 분석하여 50~150 nm의 크기를 갖는 나노입자들이 형성되었음을 확인하였고, FE-SEM 단면 분석으로 기판과 은-나노입자 간의 접촉각이 120~135˚임을 확인하였다(도 3 (C)). 1-2 In the low surface energy coating process, the substrate coated with low surface energy is coated with silver (Ag) ( TASCO, EAG0LT0006) was deposited to a thickness of 20 nm at a deposition rate of 0.5 Å/sec or less. At this time, due to the difference in surface energy between the low surface energy of the glass substrate and the slowly deposited Ag at 0.5 Å/sec or less, the Ag deposition was not formed as a thin film but as nanoparticles. Surface analysis of the prepared nanoparticles using a field emission scanning microscope (FE-SEM) (JEOL, JSM-7500F) confirmed that nanoparticles having a size of 50 to 150 nm were formed, and by FE-SEM cross-sectional analysis It was confirmed that the contact angle between the substrate and the silver-nanoparticle was 120 to 135˚ (FIG. 3 (C)).
*공정방법: 저항가열식 증착 방법*Processing method: resistance heating deposition method
초기 진공도: 1.0 x 10-5 TorrInitial vacuum: 1.0 x 10 -5 Torr
증착속도: 0.5 Å/secDeposition rate: 0.5 Å/sec
두께: 20 nmThickness: 20 nm
1-4. 에칭 공정1-4. Etching process
에칭 공정에서는 1-3 나노 마스크 공정을 통해 제조한 120~135˚의 높은 접촉각을 갖는 은-나노입자를 마스크로 활용했다. Reactive ion etching(아텍시스템, RIE)장비를 이용하여 본 에칭 공정을 진행하였다. Glass 기판 위에 은-나노입자가 마스크 역할을 하여 은-나노입자가 형성된 곳은 에칭이 되지 않고 은-나노입자 형성되지 않은 곳은 에칭이 진행 되어 나노구조가 형성 된다. 이때 높은 접촉각을 갖는 구형의 은-나노입자 마스크로 인해 버섯모양의 나노구조가 제조되었다(도 4(c)). In the etching process, silver-nanoparticles having a high contact angle of 120 to 135˚ manufactured through the 1-3 nano mask process were used as a mask. This etching process was performed using reactive ion etching (Artek Systems, RIE) equipment. The silver-nano-particles on the glass substrate act as a mask, so that where silver-nano-particles are formed, etching is not performed, and where silver-nano-particles are not formed, etching proceeds to form nanostructures. At this time, a mushroom-shaped nanostructure was prepared due to the spherical silver-nanoparticle mask having a high contact angle (Fig. 4(c)).
한편, 은-나노입자 마스크가 낮은 접촉각을 갖게 되면 마스크가 같이 에칭 되면서 삼각구조 또는 사각 구조를 형성 하게 된다(도 4(d)). On the other hand, when the silver-nanoparticle mask has a low contact angle, the mask is etched together to form a triangular or rectangular structure (FIG. 4(d)).
RIE 장비를 이용한 에칭 공정 조건은 다음과 같다. RIE 장비의 초기 진공도 10 mtorr에서 Glass 에칭에 적합한 공정 가스인 CF4(MS가스, CF4)를 40 sccm 주입하여 150 mtorr의 공정 압력을 만들고, 1-3. 나노 마스크 공정에서 산출된 기판에 RF 플라즈마 파워 밀도를 1.0 W/㎠ 으로 3분 간 에칭을 진행했다. The etching process conditions using the RIE equipment are as follows. At the initial vacuum degree of 10 mtorr of the RIE equipment, CF 4 (MS gas, CF 4 ), a process gas suitable for glass etching, was injected 40 sccm to create a process pressure of 150 mtorr, 1-3. The substrate calculated in the nanomask process was etched for 3 minutes at an RF plasma power density of 1.0 W/
상기 에칭 결과물을 FE-SEM으로 확인한 결과 Glass 기판은 33 nm/min의 에칭 속도로 평균 100 nm가 에칭 되어 버섯모양의 나노구조가 형성되었다(도 4(C)). As a result of confirming the etching result by FE-SEM, the glass substrate was etched with an average of 100 nm at an etching rate of 33 nm/min to form a mushroom-shaped nanostructure (FIG. 4(C)).
*공정방법: RIE*Process method: RIE
초기 진공도: 10 mTorrInitial vacuum: 10 mTorr
공정 가스: CF4 40 sccmProcess gas: CF 4 40 sccm
공정 압력: 150 mTorrProcess pressure: 150 mTorr
RF 플라즈마 Power 밀도: 1.0 W/㎠RF Plasma Power Density: 1.0 W/cm2
공정 시간: 3분Process time: 3 minutes
1-5. 증착 공정1-5. deposition process
1-4 에칭 공정을 통해 형성된 나노 버섯구조에 골드(Au)(TASCO, EAU0KI0001)를 증착시켜 표면증강 라만 분광기판을 제조하였다. 상기 골드 증착 과정은 1.0 x 10-5 Torr 이하의 고진공상태에서 저항가열식 증착 방법(Thermal Evaporator (ULTECH, EasyDEP-3))을 통해 1.5 Å/sec 의 증착 속도로 120 nm 증착을 진행하였다. 골드의 두께가 증가하면서 나노구조 사이의 간격이 좁아지게 되면 표면증강 라만분광 기판으로서의 성능이 우수해지게 된다. 나노구조 사이의 간격이 1 nm까지 좁아지면 증강지수가 108까지 증가한다고 알려져 있다. 골드를 점차 두껍게 증착하게 되면 증강지수(Enhancement Factor)가 증가하다가 일정 두께 이상에서 나노구조사이의 간격이 없어지고 나노구조가 아닌 필름 형태로 증착되어 표면증강 라만분광 기판으로서의 성능이 떨어지게 된다. 최종적으로 증착 골드의 두께는 120 nm로 최적화하였다.A surface-enhanced Raman spectrometer was manufactured by depositing gold (Au) (TASCO, EAU0KI0001) on the nano mushroom structure formed through the 1-4 etching process. In the gold deposition process, 120 nm deposition was performed at a deposition rate of 1.5 Å/sec through a resistance heating deposition method (Thermal Evaporator (ULTECH, EasyDEP-3)) in a high vacuum of 1.0 x 10 -5 Torr or less. As the thickness of gold increases and the gap between nanostructures becomes narrower, the performance as a surface-enhanced Raman spectroscopy substrate is improved. It is known that the enhancement index increases to 108 when the spacing between nanostructures is narrowed to 1 nm. When gold is gradually deposited thickly, the enhancement factor increases, and the gap between the nanostructures disappears above a certain thickness and is deposited in the form of a film rather than a nanostructure, resulting in poor performance as a surface-enhanced Raman spectroscopy substrate. Finally, the thickness of the deposited gold was optimized to 120 nm.
실시예 1과 같은 방법으로 제조된 버섯구조를 갖는 표면증강 라만분광기판으로 라만신호 측정을 진행하였다. 메틸렌블루(MB)(삼전순약, M0796)를 에탄올(삼전순약, EtOH 99%)에 희석시켜 20 μM의 농도를 만들었고, 라만분석 결과 메인 피크인 1624 cm-1에서 약 69000의 신호 세기를 확인할 수 있었다(시험예 1 및 도 5).Raman signal measurement was carried out using a surface-enhanced Raman spectrometer having a mushroom structure prepared in the same manner as in Example 1. Methylene blue (MB) (Samjeon pure medicine, M0796) was diluted in ethanol (Samjeon pure medicine, EtOH 99%) to make a concentration of 20 μM, and as a result of Raman analysis, a signal strength of about 69000 can be confirmed at the main peak, 1624 cm -1 . There was (Test Example 1 and FIG. 5).
*공정 방법: 저항가열식 증착법*Process method: resistance heating deposition method
초기 진공도: 1.0 x 10-5 TorrInitial vacuum: 1.0 x 10 -5 Torr
증착 속도: 1.5 Å/secDeposition rate: 1.5 Å/sec
두께: 120 nmThickness: 120 nm
메틸렌블루 20 μM 라만분석(at 1624cm-1): 69,889 intensity(a.u.)Methylene blue 20 μM Raman analysis (at 1624cm -1 ): 69,889 intensity (au)
비교예 1. 삼각구조를 갖는 표면 증강 라만 산란 나노구조Comparative Example 1. Surface-enhanced Raman scattering nanostructure with triangular structure
실시예 1과 같은 방법으로 나노구조를 제조하되, 1-2 저표면에너지 코팅 공정 진행 후 1-1 상압플라즈마 처리를 통해 표면에너지가 25 mN/m로 되도록 하였다. 상기 상압플라즈마 공정 조건은 330 W RF 파워, Ar 4 L/min 및 O2 30 mL/min 유량으로 선형 플라즈마를 띄우고 10 m/min의 속도로 2회 플라즈마에 노출시켰다. 플라즈마에 노출되면 표면에너지가 증가하는 특성을 이용하여 표면에너지 차이를 만들었고, 실시예 1의 1-3 나노 마스크 공정에서 은(Ag) 20 nm 증착을 10 nm의 두께로 줄여 진행하여 70~80˚의 접촉각을 갖는 은-나노입자 마스크를 제작하였다(도 3(a)).A nanostructure was prepared in the same manner as in Example 1, but 1-2 After the low surface energy coating process, the surface energy was set to 25 mN/m through 1-1 atmospheric plasma treatment. The atmospheric pressure plasma process conditions were 330 W RF power, Ar 4 L/min and O 2 A linear plasma was floated at a flow rate of 30 mL/min and exposed to the plasma twice at a rate of 10 m/min. When exposed to plasma, a difference in surface energy was made by using the characteristic of increasing surface energy, and in the 1-3 nano mask process of Example 1, 20 nm silver (Ag) deposition was reduced to a thickness of 10 nm and proceeded to 70~80˚ A silver-nanoparticle mask having a contact angle of was prepared (Fig. 3(a)).
그 결과, 도 4(a)에서 볼 수 있는 것과 같이 삼각구조를 갖는 표면증강 라만산란 나노구조가 제조되었다.As a result, as shown in Fig. 4(a), a surface-enhanced Raman scattering nanostructure having a triangular structure was prepared.
*표면에너지: 25~30 mN/m*Surface energy: 25~30 mN/m
*메틸렌블루 20μM 라만분석(at 1624cm-1): 6235 intensity(a.u.)*Methylene blue 20μM Raman analysis (at 1624cm -1 ): 6235 intensity (au)
비교예 2. 사각구조를 갖는 표면 증강 라만 산란 나노입자Comparative Example 2. Surface-enhanced Raman scattering nanoparticles having a rectangular structure
실시예 1과 같은 방법으로 나노구조를 제조하되, 1-2 저표면에너지 코팅 공정 진행 후 1-1 상압플라즈마 처리를 통해 표면에너지가 20 mN/m로 되도록 조절하였다. 상기 상압플라즈마 공정 조건은 330 W RF 파워, Ar 4 L/min 및 O2 30 mL/min 유량으로 선형 플라즈마를 띄우고 10 m/min의 속도로 1회 플라즈마에 노출시켰다. 플라즈마에 노출되면 표면에너지가 증가하는 특성을 이용하여 표면에너지 차이를 만들었고, 실시예 1의 1-3 나노 마스크 공정에서 은(Ag) 20 nm 증착을 15 nm의 두께로 줄여 진행하여 100~110˚의 접촉각을 갖는 은-나노입자 마스크를 제작하였다(도 3(b)).A nanostructure was prepared in the same manner as in Example 1, but 1-2 After the low surface energy coating process, the surface energy was adjusted to 20 mN/m through 1-1 atmospheric pressure plasma treatment. The atmospheric pressure plasma process conditions were 330 W RF power, Ar 4 L/min, and O 2 A linear plasma was floated at a flow rate of 30 mL/min and exposed to plasma once at a rate of 10 m/min. The surface energy difference was made by using the property that the surface energy increases when exposed to plasma, and in the 1-3 nano mask process of Example 1, silver (Ag) 20 nm deposition was reduced to a thickness of 15 nm and proceeded to 100~110˚ A silver-nanoparticle mask having a contact angle of was prepared (Fig. 3(b)).
그 결과, 도 4(b)에서 볼 수 있는 것과 같이 사각구조를 갖는 표면증강 라만산란 나노구조가 제조되었다.As a result, a surface-enhanced Raman scattering nanostructure having a rectangular structure as shown in FIG. 4(b) was prepared.
*표면에너지: 20 mN/m*Surface energy: 20 mN/m
*메틸렌블루 20μM 라만분석(at 1624cm-1): 40,175 intensity(a.u.)*Methylene blue 20μM Raman analysis (at 1624cm -1 ): 40,175 intensity (au)
비교예 3. 평면구조를 갖는 기판Comparative Example 3. Substrate having a planar structure
실시예 1-1 표면처리공정, 1-2 저 표면에너지 코팅 공정, 1-3 나노 마스크 공정 및 1-4 에칭 공정을 생략하고, 1-5 증착 공정만 진행하여 평면구조를 갖는 골드기판을 제작하였다. Sodalime Glass 기판(TASCO, 100 X 100 X 1.1mmTh)에 골드(Au)(TASCO, EAU0KI0001)를 120 nm 증착하였다. 그 결과, 평면구조를 갖는 골드 기판이 제조되었다.Example 1-1 Surface treatment process, 1-2 low surface energy coating process, 1-3 nano mask process, and 1-4 etching process are omitted, and only 1-5 deposition process is performed to manufacture a gold substrate having a planar structure did. Gold (Au) (TASCO, EAU0KI0001) was deposited at 120 nm on a Sodalime Glass substrate (TASCO, 100 X 100 X 1.1 mmTh). As a result, a gold substrate having a planar structure was manufactured.
*메틸렌블루 20μM 라만분석(at 1624cm-1): 20 intensity(a.u.)*Methylene blue 20μM Raman analysis (at 1624cm -1 ): 20 intensity (au)
시험예 1. 라만신호 측정 분석Test Example 1. Raman signal measurement and analysis
실시예 1 및 비교예 1 내지 3과 같은 방법으로 제조된 서로 다른 은-나노입자를 마스크로 이용하여 각기 다른 나노구조의 표면증강 라만 분광기판을 제조하였다.Different silver nanoparticles prepared in the same manner as in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were used as masks to prepare surface-enhanced Raman spectroscopic substrates having different nanostructures.
상기 제조한 서로 다른 나노구조의 표면증강 라만 분광기판을 이용하여 메틸렌블루(MB)(삼전순약, M0796)를 분석하였다. 메틸렌블루는 에탄올(삼전순약, EtOH 99%)에 20 μM 의 농도로 희석하여 라만신호를 측정했다.Methylene blue (MB) (Samjeon Soonyak, M0796) was analyzed using the surface-enhanced Raman spectrometer of different nanostructures prepared above. Methylene blue was diluted in ethanol (Samjeon Pure Chemical, EtOH 99%) to a concentration of 20 μM to measure the Raman signal.
본 실시예에서의 측정 조건은 다음과 같다.The measurement conditions in this example are as follows.
- 측정 분자: 20 μM 메틸렌블루 (Methylene Blue, MB)- Measured molecule: 20 μM methylene blue (Methylene Blue, MB)
- 여기 레이저 파장(excitation laser wavelength): 633 nm- excitation laser wavelength: 633 nm
- 레이저 파워 및 측정시간: 5 mW 및 1초- Laser power and measurement time: 5 mW and 1 second
- 스팟 사이즈(spot size): 20 μm- spot size: 20 μm
- 측정장비: 라만분광기 (PRISM, NOST)- Measuring equipment: Raman spectrometer (PRISM, NOST)
그 결과, 도 5에 나타난 것과 같이 실시예 1과 같은 방법으로 제조한 버섯모양의 나노구조에서 가장 강한 라만신호가 확인(메인 피크인 1624 cm-1에서 약 69000의 신호 세기)되었고, 사각구조(비교예 2), 삼각구조(비교예 1) 순으로 강한 라만신호가 확인되었다. 메인 픽 1624cm-1에서 버섯구조는 69889 intensity(a.u.), 사각구조는 40175 intensity(a.u.), 삼각 구조는 6235 intensity(a.u.)의 라만신호를 나타내었다.As a result, as shown in FIG. 5, the strongest Raman signal was confirmed in the mushroom-shaped nanostructure prepared in the same manner as in Example 1 (signal intensity of about 69000 at the main peak, 1624 cm -1 ), and a rectangular structure ( A strong Raman signal was confirmed in the order of Comparative Example 2) and the triangular structure (Comparative Example 1). At 1624cm -1 of the main pick, the mushroom structure exhibited Raman signals of 69889 intensity (au), the rectangular structure 40175 intensity (au), and the triangular structure 6235 intensity (au).
또한, 도 6에 나타난 것과 같이 평면 골드기판(비교예 3)에서는 100 intensity(a.u.) 이하의 라만 신호로 아주 낮게 측정되었다. 평면 골드기판에서 라만신호를 확인하기 위해 나노구조기판보다 높은 농도의 메틸렌블루, 30초의 레이저 조사시간이 적용되었다.In addition, as shown in FIG. 6 , in the flat gold substrate (Comparative Example 3), a Raman signal of less than 100 intensity (a.u.) was measured to be very low. In order to confirm the Raman signal on the flat gold substrate, a higher concentration of methylene blue than the nanostructured substrate and a laser irradiation time of 30 seconds were applied.
평면 골드기판에서 라만신호를 확인한 조건은 다음과 같다.The conditions for confirming the Raman signal on the flat gold substrate are as follows.
- 측정 분자: 100μM 메틸렌블루 (Methylene Blue, MB)- Measured molecule: 100μM methylene blue (Methylene Blue, MB)
- 여기 레이저 파장(excitation laser wavelength): 633 nm- excitation laser wavelength: 633 nm
- 레이저 파워 및 측정시간: 5mW 및 30초- Laser power and measurement time: 5mW and 30 seconds
- 스팟 사이즈(spot size): 20 μm- spot size: 20 μm
- 측정장비: 라만분광기 (PRISM, NOST)- Measuring equipment: Raman spectrometer (PRISM, NOST)
표 1은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3과 같은 방법으로 제조된 서로 다른 은-나노입자를 마스크로 이용하여 제조된 각기 다른 나노구조의 표면증강 라만 분광기판의 라만 시프트(Raman Shift, cm-1)에 따른 신호증강도를 각 나노구조체 모양에 따라 비교한 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the Raman shift (Raman Shift, cm - The results of comparing the signal intensity according to 1 ) according to the shape of each nanostructure are shown.
버섯구조 신호 증가율Triangular structure contrast
Mushroom structure signal increase rate
도 5 및 표 1에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 의해 제조된 표면증강 라만 분광기판은 MB의 라만 시프트에 관계없이 다른 나노구조체에 비해서 11배 내지 22배의 신호증강이 있었다.As can be seen in Figure 5 and Table 1, the surface-enhanced Raman spectroscopy substrate manufactured by the present invention had a signal enhancement of 11 to 22 times compared to other nanostructures regardless of the Raman shift of MB.
시험예 2. 표면에너지 수치 범위Test Example 2. Surface Energy Numerical Range
실시예 1과 같은 방법으로 나노구조를 제조하되, 1-2 저표면에너지 코팅 공정 진행 후 1-1 상압플라즈마 처리를 하였고, 이때 각각 처리한 표면에너지는 표 2와 같다. 각각 제조된 서로 다른 은-나노입자를 마스크로 이용하여 각기 다른 나노구조의 표면증강 라만 분광기판을 제조하였고, 시험예 1과 같은 방법으로 라만신호를 측정 및 분석하였다.A nanostructure was prepared in the same manner as in Example 1, but 1-2 After the low surface energy coating process, 1-1 atmospheric pressure plasma treatment was performed, and the surface energy treated at this time is shown in Table 2. Surface-enhanced Raman spectroscopy substrates having different nanostructures were prepared using different silver-nanoparticles prepared respectively as masks, and Raman signals were measured and analyzed in the same manner as in Test Example 1.
그 결과 표 2에 나타난 것과 같이, 35 N/m 이상의 표면에너지에서 진행 시 은-나노입자 마스크 형성이 되지 않았고 필름 형태로 증착되었고, 10 N/m 이하로 너무 낮은 표면에너지에서는 은(Ag) 증착이 전혀 이루어지지 않았다.As a result, as shown in Table 2, when proceeding at a surface energy of 35 N/m or higher, the silver-nanoparticle mask was not formed and was deposited in the form of a film, and silver (Ag) was deposited at a surface energy that was too low (10 N/m or less). This was not done at all.
시험예 3. 에칭 시간 범위Test Example 3. Etching time range
실시예 1과 같은 방법으로 나노구조를 제조하되, 1-4 에칭 공정의 에칭 시간을 표 3과 같이 각각 변화시켰다. 각각 제조된 서로 다른 은-나노입자를 마스크로 이용하여 각기 다른 나노구조의 표면증강 라만 분광기판을 제조하였고, 시험예 1과 같은 방법으로 라만신호를 측정 및 분석하였다.A nanostructure was prepared in the same manner as in Example 1, but the etching times of the 1-4 etching processes were changed as shown in Table 3, respectively. Surface-enhanced Raman spectroscopy substrates having different nanostructures were prepared using different silver-nanoparticles prepared respectively as masks, and Raman signals were measured and analyzed in the same manner as in Test Example 1.
그 결과 표 3에 나타난 것과 같이, 2분 이하로 에칭을 수행한 경우 나노구조의 높이가 너무 작아서 라만 신호증강이 원활하게 되지 않은 문제가 있었다. 또한, 5분 이상의 과한 에칭을 진행할 경우 먼저, 은-나노입자 마스크가 모두 에칭되어 없어지고 에칭을 통해 생성되었던 나노구조 역시 같이 에칭이 되어, 나노구조의 높이가 다시 감소하는 문제가 발생하였다.As a result, as shown in Table 3, when the etching was performed in 2 minutes or less, there was a problem in that the height of the nanostructure was too small, so that the Raman signal enhancement was not smooth. In addition, when excessive etching is performed for more than 5 minutes, first, all of the silver-nanoparticle masks are etched away and the nanostructures generated through the etching are also etched, causing a problem in that the height of the nanostructures is reduced again.
Claims (19)
상기 기판을 표면에너지 코팅하는 단계;
상기 코팅된 기판상에 금속 나노입자를 증착시키는 단계;
상기 금속 나노입자가 형성된 기판을 에칭하여 나노구조체를 제조하는 단계; 및
상기 나노구조체가 형성된 기판 상에 상에 국부 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 나타내는 금속을 증착시켜 금속 나노구조체를 만드는 단계;를 포함하는 금속 나노구조체의 제조방법.
surface treatment on the substrate;
coating the substrate with surface energy;
depositing metal nanoparticles on the coated substrate;
manufacturing a nanostructure by etching the substrate on which the metal nanoparticles are formed; and
and depositing a metal exhibiting localized surface plasmon resonance (LSPR) on the substrate on which the nanostructure is formed to form a metal nanostructure.
The method of claim 1, wherein the surface energy in the surface energy coating step is 13 to 32 mN/m or less.
The method of claim 1, wherein the surface energy in the surface energy coating step is 13 to 18 mN/m or less.
According to claim 1, wherein the coating agent used in the surface energy coating step perfluoropolyether (Perfluoropolyether, PFPE), fluorocarbon carboxylic acid (fluorocarbon carboxylic acid), hydrocarbon thiol (alkanethiol), hydrocarbon disulfide (alkyldisulfide), fluorocarbon thiol (fluorocarbon thiol), fluorocarbon silane (fluorocarbon silane), chlorocarbon silane (chlorocarbon silane), fluorocarbon amine (fluorocarbon amine) fluorocarbon carboxylic acid (fluorocarbon carboxylic acid) and fluorocarbon polymer selected from the group consisting of (fluorocarbon polymer) Any one or more, characterized in that the manufacturing method of a metal nanostructure.
The method of claim 1, wherein in the step of depositing the metal nanoparticles, the metal is any one or more nanoparticles selected from the group consisting of silver, gold, platinum, aluminum, copper, chromium, lead, nickel, iron, tungsten and cobalt. A method of manufacturing a metal nanostructure, characterized in that.
The method of claim 1 , wherein in the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the contact angle between the substrate and the metal-nanoparticles is 50 to 150°.
The method of claim 1, wherein in the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the contact angle between the substrate and the metal-nanoparticles is 115 to 150°.
The method of claim 1, wherein the thickness between the metal and the substrate in the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate is 5 to 30 nm.
The method of claim 1, wherein in the step of depositing the metal nanoparticles on the coated substrate, the metal nanoparticles have a diameter of 30 to 170 nm.
The method of claim 1, wherein the etching energy in the step of etching the substrate is 60 j/cm 2 to 360 j/cm 2 .
According to claim 1, wherein in the step of etching the substrate, any one or more gases selected from the group consisting of argon, oxygen, hydrogen, helium, nitrogen, fluorine and chlorine gas is used, the production of metal nanostructures Way.
According to claim 1, wherein in the step of depositing the metal exhibiting the localized surface plasmon resonance, the metal is any one or more of silver, gold, platinum, aluminum, copper, lead, and alloys thereof, characterized in that the metal nanostructures manufacturing method.
The method of claim 1 , wherein, in the step of depositing the metal exhibiting the local surface plasmon resonance, the surface plasmon resonance is strengthened by the nano-gap between the metal nanostructures.
The metal of claim 1, wherein the substrate is made of a non-metal material selected from the group consisting of glass, silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), quartz and polymer. A method for manufacturing a nanostructure.
The method of claim 1 , wherein the metal nanostructure provides an increased Raman signal in Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) analysis.
The method of claim 1, wherein in the step of making the metal nanostructures, the metal nanostructures are for surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates.
A metal nanostructure manufactured by the method of claim 1 .
18. The metal nanostructure of claim 17, wherein the metal nanostructure provides an increased Raman signal.
A substrate for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy, characterized in that it comprises a metal nanostructure prepared according to any one of claims 1 to 16.
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