WO2012157822A1 - 나노 미세 기공의 가공방법 - Google Patents

나노 미세 기공의 가공방법 Download PDF

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이상현
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Lee Sanghyun
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Definitions

  • biochemical analysis chips for analyzing biomaterials.
  • DNA analysis can be performed using such a biochemical analysis chip.
  • the size of the nano-pores may be adjusted by adjusting a pulse duration of the femtosecond laser just before the first nano-channels and the n-th nano-channels contact each other. have.
  • the minimum size of the microchannels that can be formed by femtosecond laser processing is generally 100 to 500 nanometers, which is up to 100 times larger than the nanomicropores to be implemented. However, if both ends of the nano-micro channel to be in close contact with each other as in the present invention can form nano-pores much smaller than the diameter of the micro-channel.
  • a metal layer is formed on the base material by chemical vapor deposition, and the like, and a metal pattern having a desired shape is formed by using a mask, and then the top plate base material is bonded.
  • a method such as wet etching may be used, but is not limited thereto. In this process, since the fabrication and exposure of the mask is difficult to be made at the nano level, an additional special process is required to make the width or length of the metal pattern at the nano level.
  • Femtosecond laser processing has the characteristic of nonlinear optical destruction and cutting of the material in the laser focus regardless of the type of material when the energy intensity of the laser focus exceeds the band gap of the material. Fine processing is possible.
  • the metal pattern formed by lithography is further processed by femtosecond laser nanosurface processing in order to perform further processing at the nanoscale resolution. You can get it.
  • the femtosecond laser nanosurface processing method According to the femtosecond laser nanosurface processing method, a surface processing resolution of less than 100 nanometers can be obtained, and thus nanoscale patterns that are difficult to obtain in the lithography process can be easily realized.
  • the nano level metal pattern is not required, the micro level metal pattern formed inside the base material by the photography method may be used as it is.
  • the second nano fine channel 3 is processed in the other direction of the base material 1 using a femtosecond laser.
  • Adjusting the wavelength of the laser changes the critical energy value at which the substrate breaks down, and affects the determination of the focal size due to interference, thereby changing the size of the area causing the substrate breakdown.
  • the nano pulses may be formed more stably by controlling the pulse duration of the laser pulse.
  • the time width of the laser pulse is one of the important parameters of femtosecond laser processing.
  • the smaller the time width of the pulse the more favorable the conditions for causing multiphoton substrate destruction. Therefore, changing the time width of the pulse changes the critical energy value causing the base metal breakage, and also affects the formation of micropores. Since the time width of the pulse is determined according to the structure of the laser device and the type of material, it is not easy to freely change it during processing. However, the pulse width may be optically changed through a pulse compression device.
  • microchannels When the microchannels are in contact with each other to form micropores, it is almost impossible to monitor the size and formation of micropores in real time by an optical method. This is because the optically discernible minimum size is much larger than the micropores actually processed.
  • the metal pattern previously formed in the inside of the base material to be processed is one metal pattern until separated through processing. Accordingly, it may be determined whether the current is flowing through the metal pattern and separated into two electrodes.
  • the size of the micropores can be measured by the amount of current flowing through the microchannel. It is possible to calculate the size of the micropores through the conductivity of the (electrolyte) solution filling the inside of the microchannels and the physical size of the microchannels, and the measurement and comparison analysis of the micropore size may be necessary to increase the accuracy. .
  • Biochemical post-treatment may be performed on the nano-micropores including the formed nano-microelectrodes to change the surface properties, and the surface lamination may reduce the size of the micro-pores.
  • Biochemical coatings and laminations may be further applied to change the surface properties of the micropores. Since the micropores are similar in size to the thickness of these coating and laminated layers, the micropores can be reduced in size by this method.
  • biochemical coatings and lamination methods may be applied to reduce the size of micropores regardless of changes in surface properties.
  • the present invention can be widely applied to the field of biochemical analysis such as nanosensor, nano actuator, single cell analysis platform, bio drug development, stem cell related research, DNA analysis.

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Abstract

본 발명은 (a) 펨토초 레이저로 모재의 일 방향에서 제1 나노 미세 채널을 가공하는 단계; (b) 펨토초 레이저로 상기 모재의 다른 방향에서 제n 나노 미세 채널(n은 2 이상의 자연수)을 가공하는 단계; 및 (c) 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단이 서로 접촉하도록 하여 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널보다 더 작은 크기를 갖는 나노 미세 기공을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법을 제공한다.

Description

나노 미세 기공의 가공방법
본 발명은 나노 미세 기공의 가공방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 펨토초 레이저를 이용하여 모재에 서로 다른 방향으로 복수개의 나노 미세 채널을 가공하여 끝단이 서로 맞닿도록 함으로써 원래의 나노 미세 채널보다 크기가 작은 나노 미세 기공을 형성하고, 모재 내부에 미리 금속 패턴을 형성한 후 펨토초 레이저를 이용하여 복수개의 나노 미세 채널을 가공하고 끝단이 금속 패턴에서 맞닿도록 함으로써 나노 미세 기공에 나노 미세 전극이 동시에 형성되도록 하여, 가공 관련 변수를 단순화시키고 가공이 용이하며, 적은 비용으로 보다 미세하면서도 빠른 시간에 정확하게 나노 미세 기공과 나노 미세 전극을 형성할 수 있음은 물론, 나노 미세 기공의 형성 여부와 나노 미세 전극의 형성 여부, 미세 채널과 금속 패턴간의 정렬 상태 등을 실시간으로 모니터링함으로써 보다 정확하게 나노 미세 기공을 형성할 수 있는 나노 미세 기공의 가공방법에 관한 것이다.
바이오 분야, 전기전자분야 및 나노가공분야 기술의 눈부신 발전에 힘입어 생체물질을 분석하기 위한 생화학 분석칩에 관한 연구가 활발하다. 특히, 이러한 생화학 분석칩을 이용하여 DNA 분석을 수행할 수 있다.
DNA 분석은 휴먼 게놈 프로젝트 이후 그 발전속도가 매우 비약적이며, DNA 증폭기술(PCR)이 고속화됨에 따라 분석시간과 비용의 절감이 이루어져 현재는 개인의 유전자 전체 구조를 분석하여 의료에 활용할 수 있을 정도로 기술이 발전하고 있다. 하지만, 개인의 전체 유전자 분석을 상용화하고 그 효율성을 극대화하려면 분석 시간을 더욱 단축하고 분석 비용을 줄여야 할 필요성이 있으며, 이를 위해서는 현재 주로 이용되고 있는 유전자 증폭기술과 젤 전기 영동 분리법(Gel electrophoresis) 등에 대한 업그레이드가 필수적이다.
최근, 유전자 증폭기술과 젤 전기 영동 분리법을 대체하여 구조적인 기반만으로 직접적인 유전자 분석을 가능하게 하는 신기술로 나노 미세 기공(nanopore)을 이용한 유전자 분석 방법이 주목받고 있다.
이러한 방법은 수 나노미터 스케일의 나노 미세 기공을 통해 DNA가 지나갈 때 유전자의 핵산을 구성하는 네 가지 염기(A, G, C, T)에 따라 나노 미세 기공으로 흐르는 전류차가 발생하는 것을 측정함으로써 유전자 배열을 분석하는 것이다. 개념적으로는 이러한 기법이 매우 혁신적인 것이나, 이를 유전자 분석에 상업화하기 위해서는 보다 간단하고 비용이 낮으며 보다 정확하게 원하는 위치에 인공적인 나노 미세 기공을 형성시킬 수 있는 신기술이 필요하다.
더불어, 유전자 배열을 분석하기 위해서는 상기에서 언급한 바와 같이 나노 미세 기공의 전류를 측정해야 하며, 보다 용이하고 정확한 측정을 위해 발생전류의 크기를 극대화시켜야 한다. 그러나, DNA를 구성하는 염기의 미세 구조차에 기인하는 전류의 크기 변화가 피코(pico) 암페어 수준인 관계로 너무 미세하여 측정에 큰 어려움이 있다.
이러한 상황에서 발생전류의 크기를 극대화하기 위한 방법으로 나노 미세 기공에 나노 미세 전극을 설치하여 DNA가 지나갈 때 발생하는 터널링 전류를 재는 방법이 각광을 받고 있다. 이 방법은 대략 나노(nano) 암페어 수준의 전류를 유도할 수 있어 나노 미세 기공을 기반으로 하는 유전자 분석기법의 상업적 가능성을 크게 높여주는 결과를 낳을 것으로 예상된다.
따라서, 인공 나노 미세 기공을 적은 비용으로 보다 미세하면서도 빠른 시간에 정확하게 제작함은 물론, 이에 더하여 삼차원 나노 미세 전극을 동시에 형성시킬 수 있는 가공법의 개발 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 가공 관련 변수가 단순하고, 가공 과정이 명료하며, 가공 시간이 매우 빠르고, 정확하고 정교하게 나노 미세 기공과 나노 미세 전극을 포함한 나노 미세 기공을 원하는 위치에 형성시킬 수 있는 나노 미세 기공의 가공방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 나노 미세 기공의 가공방법은 (a) 펨토초 레이저로 모재의 일 방향에서 제1 나노 미세 채널을 가공하는 단계; (b) 펨토초 레이저로 상기 모재의 다른 방향에서 제n 나노 미세 채널(n은 2 이상의 자연수)을 가공하는 단계; 및 (c) 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단이 서로 접촉하도록 하여 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널보다 더 작은 크기를 갖는 나노 미세 기공을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a)단계 이전에 상기 모재의 내부에 금속 패턴을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 패턴을 향하여 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널을 형성함으로써 상기 나노 미세 기공이 상기 금속 패턴의 일부와 접촉하도록 하여 나노 미세 전극을 생성할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 출력 또는 펄스 에너지를 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 파장을 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 펄스 반복도(pulse repetition rate)를 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 펄스 시간 폭(pulse duration)을 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 모재가 파괴되기 시작하는 임계 출력 미만으로 상기 펨토초 레이저의 출력을 낮추어, 상기 모재 중 출력을 낮춘 부위의 재료적 특성을 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 (c)단계 이후에 상기 나노 미세 기공의 형성여부를 실시간으로 모니터링하기 위해 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단에 전압을 인가하여 전류의 통전 여부를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널과 상기 금속 패턴의 초기 접촉 여부를 모니터링하기 위해 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단과 상기 금속 패턴에 전압을 인가하여 전류의 통전 여부를 측정할 수 있다.
본 발명에 의하면 펨토초 레이저를 이용하여 모재에 서로 다른 방향으로 복수개의 나노 미세 채널을 가공하여 끝단이 서로 맞닿도록 함으로써 원래의 나노 미세 채널보다 크기가 작은 나노 미세 기공을 형성하고, 모재 내부에 미리 금속 패턴을 형성한 후 펨토초 레이저를 이용하여 복수개의 나노 미세 채널을 가공하고 끝단이 금속 패턴에서 맞닿도록 함으로써 나노 미세 기공에 나노 미세 전극이 동시에 형성되도록 하여, 가공 관련 변수를 단순화시키고 가공이 용이하며, 적은 비용으로 보다 미세하면서도 빠른 시간에 정확하게 나노 미세 기공과 나노 미세 전극을 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 나노 미세 기공의 형성 여부와 나노 미세 전극의 형성 여부, 미세 채널과 금속 패턴간의 정렬 상태 등을 실시간으로 모니터링함으로써 보다 정확하게 나노 미세 기공을 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 미세 기공 제조방법의 개념도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 미세 전극이 내부에 포함된 나노 미세 기공 제조방법의 개념도,
도 3은 나노 미세 전극이 포함된 나노 미세 기공의 3차원 모식도이다.
(a) 펨토초 레이저로 모재의 일 방향에서 제1 나노 미세 채널을 가공하는 단계;
(b) 펨토초 레이저로 상기 모재의 다른 방향에서 제n 나노 미세 채널(n은 2 이상의 자연수)을 가공하는 단계; 및
(c) 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단이 서로 접촉하도록 하여 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널보다 더 작은 크기를 갖는 나노 미세 기공을 가공하는 단계를 포함하는 나노 미세 기공의 가공방법이 본 발명의 최선의 형태이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
펨토초 레이저는 펄스 레이저의 일종으로, 펄스 폭이 펨토초(10-15 ~ 10-12초) 영역인 레이저이다. 이러한 펨토초 레이저를 이용한 가공법에 의하면 펨토초 레이저를 이용하여 소재에 마이크로 미터에서 수백 나노미터의 해상도로 미세구조를 가공하는 기법으로, 자유로운 삼차원 가공이 가능하며 리소그래피 방식과 달리 청정실이 필요없고 본딩(bonding) 과정이 불필요하다.
끝단이 둥근(예컨대, 반구 형상) 둘 이상의 관을 끝단이 서로 맞닿아 일부가 겹치도록 하면 맞닿은 정도에 따라서 원래의 관의 지름보다 더 작은 구멍이 만들어진다. 이는 생화학 물질의 이동 통로인 미세 채널의 경우에도 마찬가지이다. 즉, 펨토초 레이저를 이용하여 양 방향에서 서로 마주보도록 모재에 나노 미세 채널을 가공하면, 한 쌍의 나노 미세 채널의 양 끝단이 서로 접촉하면서 나노 미세 기공이 생성된다.
나노 미세 채널이 원기둥 형상이고 끝단이 대략 반구형인 경우 나노 미세 기공은 반구와 반구가 만나 원 형상으로 형성된다. 물론, 나노 미세 채널이 각기둥 또는 타원기둥 형상이고 끝단이 반구형이 아닌 삼차원 도형일 경우, 다양한 형상의 나노 미세 기공이 형성될 수도 있다.
이와 같이 형성되는 나노 미세 기공은 나노 미세 채널의 크기(원기둥 형상인 경우 직경)보다 작은 크기를 갖게 되므로, 극히 미세한 통로를 얻을 수 있게 된다. 미리 형성한 금속 전극 패턴의 중심부에서 나노 미세 채널의 끝이 맞닿게 함으로써 나노 미세 기공의 양단에 나노 미세 전극이 형성되도록 할 수도 있다.
펨토초 레이저 가공법으로 형성할 수 있는 미세 채널의 최소 크기는 일반적으로 100 ~ 500 나노미터로, 구현하고자 하는 나노 미세 기공과 비교하면 최대 100배 정도 크다. 그러나 본 발명과 같이 나노 미세 채널의 양 끝단이 서로 정교하게 맞닿게 하면 미세 채널의 지름보다 훨씬 작은 나노 미세 기공을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 미세 기공 제조방법의 개념도이다.
먼저, 도 1(a)와 같이 펨토초 레이저로 모재(1)의 일 방향에서 제1 나노 미세 채널(2)을 가공한다. 이때, 제1 나노 미세 채널(2)의 끝단은 나노 미세 기공(10)을 형성하고자 하는 부분에 위치하도록 한다.
다음으로, 도 1(b)와 같이 펨토초 레이저를 이용하여 모재(1)의 다른 방향에서 제2 나노 미세 채널(3)을 가공해 나간다.
다음으로, 도 1(c)와 같이 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)의 끝단이 서로 접촉하도록 하여 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)보다 더 작은 크기를 갖는 나노 미세 기공(10)을 가공한다.
도시되지 않았으나, 둘 이상의 나노 미세 채널의 끝단이 서로 맞닿게 되면 복수개의 나노 미세 기공이 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 나노 미세 채널 내지 제3 나노 미세 채널이 서로 120도를 이루도록 각 끝단이 서로 맞닿게 하면 3개의 나노 미세 기공이 동시에 형성될 수 있다.
나노 미세 기공(10)의 크기(원형인 경우 지름)를 극소화하기 위해서는 제1 나노 미세 채널(2)의 끝단과 제2 나노 미세 채널(3)의 끝단이 겹쳐지는 부분을 최소화하여야 한다. 이를 위해 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)의 끝단이 겹치기 시작하는 순간, 제2 나노 미세 채널(3)의 가공을 중단할 필요가 있다. 이를 위해 나노 미세 채널의 양단이 만나서 나노 미세 기공을 형성할 때 나노 미세 기공의 형성 여부를 실시간으로 모니터링하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 미세 전극이 내부에 포함된 나노 미세 기공 제조방법의 개념도이다.
생체 분석칩 혹은 랩온어칩(Lab-On-a-Chip) 제조에서 전기운동학적 유체 구동과 전기화학적 센싱 등의 필수기능을 수행하도록 하기 위해서는 칩 내부의 정해진 위치에 전극을 설치하는 것이 필수적이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 나노 미세 전극이 내부에 포함된 나노 미세 기공을 형성하기 위해서는 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)을 가공하기 이전에 모재(1) 내부에 미리 금속 패턴(4)이 형성되어 있어야 한다.
이러한 미세 전극을 형성하기 위해서는 리소그래피 방법을 이용하는 것이 일반적이다. 리소그래피 방법을 이용하여 미세 전극을 형성하는 과정은 다음과 같다.
모재 상에 금속 레이어를 화학적 증착법 등을 이용하여 형성하고, 마스크를 이용하여 원하는 형상의 금속패턴을 형성한 후 상판 모재를 결합하는 과정을 거치게 된다. 금속패턴의 형성시에 습식에칭법(wet-etching) 등의 방법을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 과정에서는 마스크의 제작과 노광이 나노 수준에서 이루어지기 어렵기 때문에, 금속 패턴의 폭이나 길이를 나노 수준으로 하기 위해서 추가적으로 특수한 공정을 필요로 한다.
이를 해결하기 위해 펨토초 레이저를 이용하여 금속패턴을 추가로 가공하는 방법을 사용할 수 있다.
펨토초 레이저 가공법은 레이저 초점의 에너지 강도가 물질의 밴드갭(band gap)을 넘게 되면 물질의 종류에 무관하게 레이저 초점에 놓인 물질을 비선형 광학적으로 파괴 및 절삭하는 특성을 가지고 있고, 나노 스케일까지 삼차원적 미세가공이 가능하다.
모재의 표면에 금속패턴을 형성시킨 후, 금속패턴을 나노수준의 해상도로 추가적인 가공을 수행하기 위해 리소그래피 기반으로 형성된 금속패턴을 펨토초 레이저 나노표면 가공법으로 추가 가공함으로써 더욱 정교한 나노 스케일 수준의 금속패턴을 얻을 수 있다.
이와 같이 펨토초 레이저를 이용하여 금속패턴만을 선택적으로 추가 가공할 수 있는 것은 금속과 유리의 밴드갭(band gap) 차이 때문이다. 금속과 유리의 밴드갭 차이를 이용하여 금속패턴만을 선택적으로 가공하기 위해서는 펨토초 레이저의 강도를 조절할 필요가 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 금속에 비해 상대적으로 밴드갭이 훨씬 큰 유리는 가공되지 않고 금속만 가공되도록 펨토초 레이저의 강도를 조절함으로써, 모재는 가공되지 않고 금속패턴만을 선택으로 가공하는 것이다.
펨토초 레이저 나노표면 가공법에 의하면 100 나노미터 이하의 표면가공 해상도를 얻을 수 있기 때문에, 리소그래피 공정으로는 얻기 어려운 나노수준의 패턴을 용이하게 구현할 수 있게 된다. 다만, 나노 수준의 금속 패턴을 필요로 하지 않는 경우에는 포토그래피 방법에 의해 모재 내부에 형성된 마이크로 수준의 금속 패턴을 그대로 이용할 수도 있음은 물론이다.
먼저, 도 2(a)와 같이 모재(1) 내부에 금속 패턴(4)을 형성한 후, 펨토초 레이저를 이용하여 모재(1)의 일 방향에서 제1 나노 미세 채널(2)을 가공한다. 이때에도 마찬가지로, 제1 나노 미세 채널(2)의 끝단은 나노 미세 기공(10)을 형성하고자 하는 부분에 위치하도록 하되, 금속 패턴(4) 상에 끝단이 위치하도록 한다.
다음으로, 도 2(b)와 같이 펨토초 레이저를 이용하여 모재(1)의 다른 방향에서 제2 나노 미세 채널(3)을 가공한다.
다음으로, 도 2(c)와 같이 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)의 끝단이 서로 접촉하도록 하여 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)보다 더 작은 크기를 갖는 나노 미세 기공(10)을 가공하되, 나노 미세 기공(10)이 금속 패턴(4) 상에 형성되도록 한다.
이와 같이 금속 패턴(4)이 모재(1)와 함께 가공되면 금속 패턴(4)의 중앙부에서 제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)의 양 끝단이 만나도록 하여, 미세 채널(2, 3)의 지름보다 더 작은 크기의 나노 미세 기공(1)과 나노 미세 전극(20, 30)이 동시에 형성되도록 할 수 있다.
도 3은 나노 미세 전극이 포함된 나노 미세 기공의 3차원 모식도이다.
도 3을 참조하면, 나노 미세 기공(10)의 양단에 나노 미세 전극(20, 30)이 형성된다. 이때, 미세 채널(2, 3)과 금속 패턴(4) 간에 전압을 인가하여 전류 통전 여부를 통해 금속 패턴(4)과 미세 채널(2, 3)의 초기 접촉 여부를 판단할 수 있다. 또한, 미세 채널(2, 3)과 금속 패턴(4) 간 전류 모니터링 방법을 통해 금속 패턴(4)을 미세 채널(2, 3)의 정중앙에 위치시키도록 할 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
이와 같이 함으로써, 나노 미세 채널보다 지름이 훨씬 작은 극미세 나노 미세 기공을 간단한 방법으로 정밀하게 형성하여 유전자 분석에 상업적으로 활용할 수 있으며, 나노 미세 전극이 포함된 나노 미세 기공을 이용하여 보다 더 큰 전류값 변화를 유도함으로써 유전자 분석의 상용화에 진일보한 공헌을 할 수 있을 것으로 기대된다.
다음으로, 상술한 기본 기술을 보다 정밀하게 제어하기 위한 응용 기술에 대해 설명한다.
(1) 펨토초 레이저의 출력 조절에 의한 나노 미세 기공의 크기 최적화
제1 나노 미세 채널(2)과 제2 나노 미세 채널(3)의 양단이 만나서 미세한 나노 미세 기공(10)을 형성할 때 펨토초 레이저의 출력을 조절하여 보다 미세하고 안정적으로 나노 미세 기공(10)이 형성되도록 할 수 있다.
펨토초 레이저의 출력을 조절하면 펄스 에너지가 조절되고, 그에 따라 가공되는 크기가 조절된다. 이는 미세 채널이 맞닿은 정도에 따라 미세 기공의 크기가 조절되는 원리와 더불어, 미세 기공의 크기를 추가로 조절할 수 있는 직접적인 변수로 작용한다.
미세 채널의 가공에 가장 적합한 레이저 출력이 존재하듯이, 생성하고자 하는 미세 기공의 크기에 따라 가장 적합한 레이저 출력이 존재한다. 따라서, 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 펨토초 레이저의 출력을 조절하여 펄스 에너지를 적절한 값으로 변화시켜 주면 보다 안정적으로 원하는 크기의 나노 미세 기공을 형성할 수 있다.
예컨대, 500 nm의 크기를 갖는 미세 채널을 가공하기 위해서는 대략 14 nJ의 펄스 에너지가 적절하며, 이러한 미세 채널이 서로 맞닿아 나노 미세 기공을 형성하기 직전에 펄스 에너지를 5 nJ 정도로 낮추어 주면 보다 미세한 기공의 형성이 가능해진다.
또한, 원하는 미세 기공의 크기에 따라서 펄스 에너지를 5 nJ에서 14 nJ 사이의 값으로 변화시키면 특정 크기의 미세 기공 형성에 최적화된 펄스 에너지 조건을 제공할 수 있다.
(2) 펨토초 레이저의 파장 조절에 의한 나노 미세 기공의 크기 최적화
미세 채널의 양단이 만나서 미세 기공을 형성할 때 펨토초 레이저의 파장을 조절하여 보다 미세하고 안정적으로 나노 미세 기공이 형성되도록 할 수 있다.
레이저의 파장을 조절하면 모재의 파괴(ablation)가 일어나는 임계 에너지 값이 바뀌게 되며, 간섭에 의한 초점 크기의 결정에 영향을 주게 되어 모재 파괴를 일으키는 영역의 크기가 변화하게 된다.
이러한 원리를 이용하여 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 레이저의 파장을 조절하면 특정 크기의 미세 기공을 형성하는 데 보다 안정적이고 적절한 조건을 제공할 수 있다.
예컨대, 1024 nm의 파장을 갖는 펨토초 레이저에 이중 주파수 증폭(frequency doubling)과 삼중 주파수 증폭(frequency tripling)에 의해 추가 파장(512 nm와 341.3 nm)을 이용하여 가공하되, 보다 넓은 부위는 긴 파장(1024 nm)을 이용하여 가공하고, 미세 채널은 이중 주파수 증폭에 의한 512 nm 파장을 이용하여 가공하며, 미세 기공의 형성시에는 341.3 nm의 가장 짧은 파장을 사용하여 가공하면 보다 효율적이면서 정확하고 미세한 기공 형성이 가능하다.
(3) 펨토초 레이저의 펄스 반복도 조절에 의한 나노 미세 기공의 크기 최적화
미세 채널의 양단이 만나서 미세한 나노 미세 기공을 형성할 때 레이저 펄스의 반복도(pulse repetition rate)를 조절하여 빠르거나 느리게 혹은 단일 펄스를 가하여 보다 미세하고 안정적으로 나노 미세 기공이 형성되도록 할 수 있다.
레이저의 펄스 반복도는 펨토초 레이저 가공 시 내부의 유체 흐름에 중요한 영향을 준다. 펄스 반복도가 너무 빠르게 되면 가공 부위로의 유체 흐름이 나빠지게 되어 상대적으로 마른 상태가 유지되며, 너무 느리게 되면 가해주는 에너지의 양이 그만큼 줄게 되므로 가공 효과가 떨어진다.
이러한 현상은 미세 채널이 맞닿아 형성되는 미세 기공에도 영향을 준다. 가공 부위에 물과 같은 유체의 존재는 가공시 발생하는 파편들의 효율적 제거에 큰 도움을 준다. 하지만, 물이 파괴되면서 발생하는 강한 기포가 매우 얇은 미세 기공 형성 면에 압력을 가하여 파괴를 유도할 수 있다. 따라서, 펄스 반복도를 조절하여 유체의 흐름을 조절하는 것이 필요하며, 추가적으로 펄스 에너지 조절을 통해서 기포의 형성을 조절하는 것이 필요하다.
(4) 펨토초 레이저의 펄스 시간 폭 조절에 의한 나노 미세 기공의 크기 최적화
미세 채널의 양단이 만나서 미세한 나노 미세 기공을 형성할 때 레이저 펄스의 시간 폭(pulse duration)을 조절하여 보다 미세하고 안정적으로 나노 미세 기공이 형성되도록 할 수 있다.
레이저 펄스의 시간 폭은 펨토초 레이저 가공의 중요한 변수 중 하나로, 펄스의 시간 폭이 작을수록 다광자 모재 파괴를 일으키는 데 유리한 조건이 된다. 따라서, 펄스의 시간 폭을 변경하면 모재 파괴를 일으키는 임계 에너지 값이 바뀌게 되고, 미세 기공의 형성에도 영향을 주게 된다. 펄스의 시간 폭은 레이저 장치의 구조와 물질의 종류에 따라서 결정되므로 가공 중 자유롭게 변화시키는 것이 쉽지는 않으나, 펄스 압축장치 등을 통해 광학적으로 변화시키는 것이 가능하므로 실제로 적용할 수 있다.
(5) 펨토초 레이저 가공부위의 재료적 특성을 변화시켜 화학적 후처리 등을 통해 나노 미세 기공 형성
펨토초 레이저의 출력을 모재 파괴가 일어나는 임계점 이하로 조절하면 모재의 파괴는 일어나지 않지만 모재의 성질을 변화시키게 된다. 즉, 제1 나노 미세 채널과 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 모재가 파괴되기 시작하는 임계 출력 미만으로 펨토초 레이저의 출력을 낮추어, 모재 중 출력을 낮춘 부위의 재료적 특성을 변화시키는 것이다.
변화되는 모재의 성질 중 가장 대표적인 것으로 모재의 광학적 굴절률 값이 바뀌게 되며, HF를 이용한 화학적 가공법 등에 대한 성질이 변화될 수도 있다. 이러한 성질을 이용하여 펨토초 레이저를 이용한 직접적인 물리적 가공이 아닌, 화학적 후처리를 이용하기 위한 전처리 과정으로서 응용이 가능하다.
미세 기공을 형성할 때에는 미세 기공이 형성되기 직전에 펄스 에너지를 가공 임계점 미만으로 줄인 뒤, 미세 기공이 형성될 부분에 펨토초 레이저를 가해주면 이 부분의 화학적 가공성이 상대적으로 더 커지게 된다. 따라서, HF를 이용한 화학적 후처리 시 미세 기공 부분만 화학적으로 제거할 수 있다. 이때, 화학적 후처리 시간을 조절함으로써 미세 기공의 크기를 제어하는 것이 가능해진다.
(6) 나노 미세 기공의 형성여부를 실시간으로 모니터링하는 방법
미세 채널의 양단이 만나서 나노 미세 기공을 형성할 때 미세 채널의 양단이 접촉되기 시작하는 순간 형성되는 나노 미세 기공의 크기가 가장 작다. 따라서, 나노 미세 기공의 형성 여부를 모니터링할 수 있으면 나노 미세 기공의 크기를 최소화할 수 있다.
전압 인가 등을 통해 나노 미세 기공의 형성 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이를 위해 가공 중 미세 채널의 양단에 일정한 전압을 인가하여 미세 채널을 통해 흐르는 전류의 통전 여부를 측정하여 나노 미세 기공의 형성여부를 판단할 수 있다.
미세 채널이 맞닿아 미세 기공을 형성할 때 미세 기공의 크기와 형성 여부를 광학적 방법으로 실시간 모니터링하는 것은 거의 불가능하다. 이는 광학적으로 식별할 수 있는 최소 크기가 실제 가공되는 미세 기공보다 훨씬 크기 때문이다.
이를 해결하기 위해 미세 채널의 양단에 전압을 인가하고 가공을 진행하면, 미세 채널이 맞닿아 미세 기공이 형성되는 순간 전류가 흐르게 된다. 이때 전류의 통전 여부가 미세 기공의 형성 여부를 나타내며, 흐르는 전류의 양을 통해 미세 기공의 크기를 측정할 수 있다.
(7) 금속 패턴과 미세 채널의 초기 접촉 여부를 판단하는 방법
미세 채널과 금속 패턴 간에 전압을 인가하여 전류의 통전 여부를 체크함으로써 금속 패턴과 미세 채널의 초기 접촉 여부를 판단할 수 있다. 가공 대상 모재의 내부에 미리 형성되어 있는 금속 패턴은 가공을 통해 분리되기 전까지는 하나의 금속 패턴이다. 따라서, 금속 패턴을 통해 흐르는 전류의 통전 여부를 통해 두 개의 전극으로 분리되었는지 여부를 확인할 수 있다.
또한, 금속 패턴과 미세 채널 간 전압을 인가하여 가공 중 미세 채널이 금속 패턴과 닿게 되면 전류가 흐르도록 하여 미세 채널과 금속 패턴 간의 접촉 여부를 판단할 수 있다.
(8) 금속 패턴이 미세 채널의 정중앙에 위치하였는지 여부를 판단하는 방법
미세 채널-금속 패턴 간 전류 모니터링 방법을 통해 금속 패턴을 미세 채널의 정중앙에 위치시키기 위한 피드백(feed back) 정보를 얻을 수 있다.
미세 채널의 금속 패턴에 대한 상대적 높이를 변화시키면서 전류 통전 여부를 모니터링하면 금속 패턴이 미세 채널의 중앙에 있을 때 가장 먼저 통전이 일어나게 되므로, 금속 패턴과 미세 채널 간의 상대적인 높이 조절을 위한 피드백 정보로 사용할 수 있다.
(9) 나노 미세 기공의 크기를 측정하는 방법
형성된 나노 미세 기공을 통해 흐르는 전류와 나노 미세 전극을 통해 흐르는 전류를 이용하여 나노 미세 기공의 크기를 측정할 수 있다.
첫째, 미세 채널을 통해 흐르는 전류의 양을 통해 미세 기공의 크기 측정이 가능하다. 미세 채널의 내부를 채우고 있는 (전해)용액의 전도도와 미세 채널의 물리적 크기를 통해 미세 기공의 크기를 계산하는 것이 가능하며, 보다 정확도를 높이기 위해 미세 기공 크기의 실측값과 비교 분석이 필요할 수 있다.
둘째, 미세 전극을 통해 흐르는 전류의 양을 통해 미세 기공의 크기 측정이 가능하다. 미세 전극의 간격은 수 나노에서 수십 나노 미터 정도이므로 터널링 전류가 나타나게 된다. 이러한 터널링 전류는 전극의 간격에 매우 민감하게 변화하기 때문에 미세 채널을 통해 흐르는 전류의 양에 의해 나노 미세 기공의 크기를 측정하는 것보다 더 높은 해상도를 얻을 수 있다.
(10) 나노 미세 기공을 추가적으로 가공하는 방법
형성된 나노 미세 전극이 포함된 나노 미세 기공에 생화학적 후처리를 통해 표면 성질을 바꾸고, 표면 적층을 통해 미세 기공의 크기를 줄일 수 있다. 미세 기공의 표면 성질을 변화시키기 위해 생화학적 코팅 및 적층을 추가로 적용할 수 있다. 미세 기공이 크기가 이러한 코팅 및 적층 레이어의 두께와 비슷한 수준이므로, 이러한 방법에 의해 미세 기공이 크기가 줄어들 수 있다. 또한, 생화학적 코팅 및 적층법은 표면 성질의 변화와 상관없이 미세 기공의 크기를 줄이기 위해 적용될 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 나노센서, 나노작동기, 단일세포 분석용 플랫폼, 바이오 신약 개발, 줄기세포 관련연구, DNA 분석분야 등 생화학 분석 분야에 광범위하게 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. (a) 펨토초 레이저로 모재의 일 방향에서 제1 나노 미세 채널을 가공하는 단계;
    (b) 펨토초 레이저로 상기 모재의 다른 방향에서 제n 나노 미세 채널(n은 2 이상의 자연수)을 가공하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단이 서로 접촉하도록 하여 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널보다 더 작은 크기를 갖는 나노 미세 기공을 가공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계 이전에 상기 모재의 내부에 금속 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 패턴을 향하여 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널을 형성함으로써 상기 나노 미세 기공이 상기 금속 패턴의 일부와 접촉하도록 하여 나노 미세 전극을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 출력 또는 펄스 에너지를 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 파장을 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 펄스 반복도(pulse repetition rate)를 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 펨토초 레이저의 펄스 시간 폭(pulse duration)을 조절하여 상기 나노 미세 기공의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널이 서로 맞닿기 직전에 상기 모재가 파괴되기 시작하는 임계 출력 미만으로 상기 펨토초 레이저의 출력을 낮추어, 상기 모재 중 출력을 낮춘 부위의 재료적 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계 이후에 상기 나노 미세 기공의 형성여부를 실시간으로 모니터링하기 위해 상기 제1 나노 미세 채널과 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단에 전압을 인가하여 전류의 통전 여부를 측정하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널과 상기 금속 패턴의 초기 접촉 여부를 모니터링하기 위해 상기 제1 나노 미세 채널 및 상기 제n 나노 미세 채널의 끝단과 상기 금속 패턴에 전압을 인가하여 전류의 통전 여부를 측정하는 것을 특징으로 하는 나노 미세 기공의 가공방법.
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WO2021201496A1 (ko) * 2020-03-31 2021-10-07 경북대학교 산학협력단 레이저를 이용한 초소수성 패턴 형성 방법

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