WO2017003006A1 - 나노포어 구조체, 나노포어 구조를 이용한 이온소자 및 나노멤브레인 구조체 제조방법 - Google Patents

나노포어 구조체, 나노포어 구조를 이용한 이온소자 및 나노멤브레인 구조체 제조방법 Download PDF

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insulating support
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김기범
유재석
김형준
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서울대학교산학협력단
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    • G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
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    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869—Methods for sequencing

Definitions

  • the present invention relates to a nanopore structure, an ion device using a nanopore structure and a method for manufacturing a nanomembrane structure, and more particularly, a nanopore structure using a nanopore structure formed on an insulating support member, an ion device using a nanopore structure And it relates to a method for producing nanomembrane structure.
  • Nanopore was first initiated with DNA sequencing technology using alpha-hemolysin, a protein with structurally nanosized pores. After the protein nanopores are placed in an electrolyte solution containing DNA, a voltage is applied to both electrodes, and the negatively charged DNA passes through the 1.5 nm nanopores. At this time, when measuring the current drop generated by blocking the flow of DNA ions, it is possible to know which nucleotide sequences have been passed, thereby analyzing the DNA sequencing.
  • protein nanopores are structurally fixed in size of 1.5nm nanopore, and has a fatal disadvantage that can be measured only for a short time of less than 1 hour because of poor stability.
  • silicon nitride (SiN) nanopores Through a silicon-based semiconductor process has been developed.
  • various biomolecules such as proteins, RNA, and viruses, It can be used as a tool for analyzing nanoparticles and the like.
  • an ion device using silicon nitride nanopores formed on a silicon substrate has a poor signal to noise ratio and thus has limitations in various applications and accurate analysis.
  • a method of reducing the exposed area of an aqueous electrolyte solution of a silicon nitride nanopore membrane, a method of coating or depositing a dielectric material such as silicon oxide (SiO 2) or polydimethylsiloxane (PDMS) on or below the silicon nitride nanopore membrane, or PDMS A typical method is to use an insulating support member such as polydimethylsiloxane or glass. Using these methods, the signal-to-noise ratio can be significantly improved while controlling the nanopore size and nanopore membrane thickness at the nanometer level.
  • the present invention has been made in an effort to provide a manufacturing method capable of easily forming a nanomembrane on an insulating support member, a nanopore structure, and an ion device using the nanopore structure.
  • an embodiment of the nanopore structure according to the present invention comprises at least one of silicon and a compound containing silicon, micropores penetrating one side and the other in the center portion An insulating support member formed; And a nanopore film made of silicon nitride (SiN), the nanopore film being disposed on the insulating support member and having a nanopore having a smaller size than the micropore so as to communicate with the micropore at a central portion thereof.
  • the nanopore film and the insulating support member are attached by a hydrophilic surface treatment.
  • the nanopore membrane and the insulating support member may be attached in water.
  • the insulating support member may include at least one of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN) and PDMS (polydimethylsiloxane).
  • the insulating support member comprises a silicon oxide substrate and an amorphous silicon layer formed on the silicon oxide substrate, the nanopore film and the amorphous A silicon layer can be attached.
  • the nanopore film may comprise silicon nitride formed by Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD).
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • the chamber comprising a first region and a second region; A first electrode positioned in the first region; A second electrode positioned in the second region opposite the first electrode; An insulating support member disposed between the first electrode and the second electrode and including at least one of silicon and a compound containing silicon, and having micropores penetrating one side and the other side in a central portion thereof; And a nanopore film made of silicon nitride (SiN), the nanopore film being disposed on the insulating support member and having a nanopore having a smaller size than the micropore so as to communicate with the micropore at a central portion thereof.
  • the nanopore membrane and the insulating support member are attached by a hydrophilic surface treatment, and generate ion movement through the nanopores by electrical signals applied to the first electrode and the second electrode. .
  • the nanopore membrane and the insulating support member may be attached in water.
  • the insulating support member comprises at least one of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN) and PDMS (polydimethylsiloxane) can do.
  • the insulating support member comprises a silicon oxide substrate and an amorphous silicon layer formed on the silicon oxide substrate, the nanopore A film and the amorphous silicon layer may be attached.
  • the nanopore film may include silicon nitride formed by Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD).
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • the electrolyte is accommodated in the chamber, the ion movement may be generated by the electrolyte contained in the electrolyte solution.
  • the ion movement through the nanopore by the electrical signal applied to the nanopore membrane, the first electrode and the second electrode generates Can be blocked or blocked.
  • One embodiment of the method for manufacturing a nano-membrane structure according to the present invention for solving the above technical problem is made of a substrate having a through-hole formed in the central portion, and silicon nitride (SiN) and on the substrate Preparing a temporary structure having a nanomembrane formed to cover the through hole and including a central region formed on the through hole and a peripheral region formed on the substrate; Preparing an insulating support member comprising at least one of silicon and a compound containing silicon and having micropores formed in a central portion thereof; After hydrophilic surface treatment of the surface of the nano-membrane and one surface of the insulating support member, at least a portion of the central region of the nano-membrane and the micropores are joined to form the composite structure by bonding the temporary structure and the insulating support member. Doing; And removing the substrate from the composite structure.
  • the forming of the composite structure may be performed in water.
  • between the forming of the composite structure and the step of removing the substrate may further have a step of drying the composite structure.
  • the method of manufacturing a nano-membrane according to the present invention may further have a step of forming a nano-pores in communication with the micropores in the central region of the nano-membrane and smaller than the micropores.
  • removing the substrate may physically remove the substrate.
  • the removing of the substrate may also remove the peripheral region of the nano-membrane when the substrate is removed.
  • the insulating support member may include at least one of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN), and polydimethylsiloxane (PDMS). .
  • the insulating support member comprises a silicon oxide substrate and an amorphous silicon layer formed on the silicon oxide substrate, and forming the composite structure. May be formed by bonding the nanomembrane and the amorphous silicon layer.
  • the nano-membrane may include silicon nitride formed by Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD).
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • the drying of the composite structure may be performed at a temperature of 100 degrees or less.
  • the method may further include etching the nanomembrane between drying the composite structure and forming the nanopores.
  • the forming of the nanopores may form nano-sized holes using an electron beam (E-beam).
  • E-beam electron beam
  • the substrate is a silicon substrate
  • the central region of the nano-membrane is a square shape of several mm size, it may be larger than the micropores.
  • the insulating support member and the nanomembrane can be easily attached by hydrophilic surface treatment and drying. This simple method can form a nanopore structure with a clean surface.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a nanopore structure according to the present invention.
  • FIGS. 2A to 2D are views for explaining a process of performing an embodiment of a method for manufacturing a nanomembrane structure according to the present invention.
  • 3A to 3C are views for explaining a process of manufacturing a temporary structure.
  • 4A to 4G are views for explaining a process of manufacturing an insulating support member.
  • FIG. 5A is a transmission electron microscopy (TEM) photograph of the surface of the nano-membrane structure prepared according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is an electron micrograph of the surface of the nano-membrane structure prepared using the transfer support layer.
  • TEM transmission electron microscopy
  • FIG. 6 is a view showing an embodiment of an ion device using a nanopore structure according to the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an operating principle of an ion device using a nanopore structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a nanopore structure according to the present invention.
  • the nanopore structure 100 includes an insulating support member 110 and a nanopore film 120.
  • the insulating support member 110 may be made of an insulating material including at least one of silicon and a compound containing silicon.
  • the insulating support member 110 may include, for example, at least one of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN), and polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the insulating support member 110 may be formed of a silicon oxide substrate 111 and an amorphous silicon layer 112 formed on the silicon oxide substrate 111.
  • the micropore 115 penetrating one side and the other side is formed at the center portion of the insulating support member 110.
  • the micropores 115 may be formed to a size of several micrometers.
  • the micropores 115 may be formed using an etching process.
  • the size of the micropores 115 is defined as the size of holes formed in the upper surface of the insulating support member 110, that is, the surface corresponding to the nanopore film 120, and toward the lower portion of the insulating support member 110.
  • the size of the micropores 115 can be large.
  • the size of the micropores 115 may be an amorphous silicon layer ( It is defined as the size of the hole formed in 112, the size may be a few micrometers, the size of the hole formed in the silicon oxide substrate 110 may be several tens to hundreds of micrometers.
  • the nanopore film 120 is disposed on the insulating support member 110.
  • the nanopore film 120 may include silicon nitride (SiN), and the nanopore 125 is formed at the center of the nanopore film 120.
  • the nanopores 125 are formed to communicate with the micropores 115 of the insulating support member 110, and the nanopores 125 are formed to have a size smaller than that of the micropores 115.
  • the nanopores 125 may be formed in a size of a nano size, and may be formed using an electron beam (E-beam).
  • the nanopore layer 120 may have a thickness of several nanometers to several tens of nanometers.
  • the nanopore film 120 may be silicon nitride formed by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method. Silicon nitride formed by the LPCVD method is denser than silicon nitride formed by the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method, and thus the silicon nitride may be used for a longer time without changing the size of the nanopores 125.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • the nanopore structure 100 is formed by attaching the aforementioned insulating support member 110 and the nanopore film 120 by hydrophilic surface treatment.
  • the nanopore structure 100 may be formed by bonding and drying the insulating support member 110 and the nanopore layer 120 after supplying moisture to the surface, respectively. To this end, the insulating support member 110 and the nanopore membrane 120 may be attached in water.
  • FIGS. 2A to 2D are views for explaining a process of performing an embodiment of a method for manufacturing a nanomembrane structure according to the present invention.
  • 3A to 3C are views for explaining a process of manufacturing a temporary structure.
  • 4A to 4G are views for explaining a process of manufacturing an insulating support member.
  • a temporary structure 210 and an insulating support member 260 are prepared.
  • the temporary structure 210 includes a substrate 220 and a nano membrane 230.
  • the substrate 220 may be a silicon substrate, and a through hole 225 is formed in the center of the substrate 220.
  • the nanomembrane 230 includes silicon nitride (SiN) and is disposed to cover the through hole 225 on the substrate 220.
  • the nano membrane 230 is divided into a central region 231 corresponding to the through hole 225 of the substrate 220 and a peripheral region 232 formed on the substrate 220.
  • the nanomembrane 230 may be silicon nitride formed by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, and the thickness of the nanomembrane 230 may be about tens to hundreds of nanometers.
  • the central region 231 of the nanomembrane 230 may have a square shape of several mm in size. For example, it may have a square shape having a width of 2 mm x 2 mm.
  • the temporary structure 210 can be manufactured by the method shown in FIGS. 3A-3C.
  • the nanomembrane 230 is formed on the upper portion of the substrate 220, and the first mask layer 240 is formed on the lower portion of the substrate 220.
  • the first mask layer 240 is for forming the through hole 225 in the substrate 220, and may be made of silicon nitride (SiN).
  • the nano membrane 230 and the first mask layer 240 may be formed by separate processes, or may be formed by one process. For example, when silicon nitride is deposited on the substrate 220 by the LPCVD method, the nanomembrane 230 and the first mask layer 240 are formed on the upper and lower portions of the substrate 220, respectively.
  • Formation of the first etching window 245 through etching of the first mask layer 240 may be performed using a photolithography process and a reactive ion etching process.
  • the through hole 225 is formed in the substrate 220 by etching the substrate 220 using the first etching window 245.
  • the through hole 225 may be formed using a wet etching process. Etching the substrate 220 proceeds until the lower surface of the nanomembrane 230 is exposed.
  • the through hole 225 may be formed using a wet etching process using KOH. In this case, a through hole 225 having a square cross section may be formed due to the silicon etching characteristic of KOH. The upper portion of the substrate 220 is protected by the nanomembrane 230.
  • the insulating support member 260 may be made of an insulating material including at least one of silicon and a compound containing silicon.
  • the insulating support member 260 may include, for example, at least one of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN), and polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the insulating support member 260 may be formed of a silicon oxide substrate 270 and an amorphous silicon layer 280 formed on the silicon oxide substrate 270.
  • the micropore 275 penetrating one side and the other side is formed at the center portion of the insulating support member 260.
  • the micropores 275 may be formed to a size of several micrometers.
  • the size of the micropores 275 is defined as the size of a hole formed in the upper surface of the insulating support member 260, and the size of the micropores 275 may be increased toward the lower portion of the insulating support member 260.
  • the size of the micropores 275 is an amorphous silicon layer ( It is defined as the size of the hole formed in 280, the size may be a few micrometers, the size of the hole formed in the silicon oxide substrate 270 may be several tens to hundreds of micrometers.
  • the insulating support member 260 made of the silicon oxide substrate 270 and the amorphous silicon layer 280 formed on the silicon oxide substrate 270 may be manufactured by the method illustrated in FIGS. 4A to 4G.
  • a second mask layer 291 is formed on the silicon oxide substrate 270, and a third mask layer 296 is formed on the lower portion of the silicon oxide substrate 270.
  • the second mask layer 291 and the third mask layer 296 are for forming the micropores 275 on the insulating support member 260 and may be made of amorphous silicon.
  • the second mask layer 291 and the third mask layer 296 may be formed by separate processes, or may be formed by one process.
  • the second etching window 292 may be formed by etching the second mask layer 291 using a photolithography process and a reactive ion etching process.
  • the second etching window 292 may be formed to a size of several micrometers.
  • an upper portion of the silicon oxide substrate 270 is etched using the second etching window 292 to form an upper hole 271 on the silicon oxide substrate 270.
  • the upper hole 271 may be formed by a wet etching process.
  • the upper hole 271 may be formed using hydrofluoric acid (HF).
  • HF hydrofluoric acid
  • an undercut occurs due to an isotropic etching so that the size of the upper hole 271 becomes larger than the second etching window 292.
  • the second etching window 292 has a size of several micrometers
  • the upper hole 271 may have a size of several tens of micrometers.
  • a protective layer 295 is formed on the second mask layer 291.
  • the protective layer 295 serves to protect the upper hole 271 when forming the lower hole 272 to be described later.
  • a portion of the third mask layer 296 is etched to form a third etching window 297.
  • the third etching window 297 may be formed by etching the third mask layer 296 in the same manner as the second etching window 292 is formed.
  • the third etching window 297 is formed to have a larger size than the second etching window 292.
  • the third etching window 297 may be formed to a size of several tens to hundreds of micrometers.
  • a lower portion of the silicon oxide substrate 270 is etched using the third etching window 297 to form a lower hole 272 under the silicon oxide substrate 270.
  • the lower hole 272 may be performed in the same manner as the upper hole 271 is formed.
  • the lower hole 272 may have a size larger than that of the upper hole 271, and the size of the lower hole 272 may be about several hundred microns.
  • the etching of the silicon oxide substrate 270 for forming the lower hole 272 is performed by the upper hole 271 and the lower hole 272 communicating with the micropores 275 defined as the upper hole 271 and the lower hole 272. Proceeds until) is formed.
  • the protective layer 295 is removed. Removing the protective layer 295 exposes the second mask layer 291 in which the second etching window 292 is formed, which corresponds to the amorphous silicon layer 280 of FIG. 2A.
  • the temporary structure 210 and the insulating support member 260 may be formed by the method illustrated in FIGS. 3A to 4G.
  • the nanostructure 230 and the amorphous silicon layer 280 of the temporary structure 210 are bonded to form the composite structure 250.
  • the composite structure 250 is formed by bonding the nanomembrane 230 and the amorphous silicon layer 280 after hydrophilic surface treatment.
  • the temporary structure 210 and the insulating support member 260 are bonded to each other such that at least a portion of the central region 231 of the nanomembrane 230 faces the micropores 275.
  • the temporary structure 210 and the insulating support member 260 are placed in water, and then the nanomembrane 230 and the amorphous silicon layer 280 are bonded. Can be joined by contact.
  • the composite structure 250 may be taken out into the air and dried. Drying of the composite structure 250 may be carried out at a temperature of less than 100 °C. At this time, as the water evaporates, the central region 231 of the nano-membrane 230 made of silicon nitride and the amorphous silicon layer 280 are firmly adsorbed. Although the amorphous silicon layer 280 is exemplified here, even when the insulating support member 260 is made of silicon or a silicon-containing compound, the central region 210 and the insulating support member 260 of the nano-membrane 230 containing silicon nitride are included. ) Is firmly adsorbed.
  • the substrate 220 of the temporary structure 210 is removed from the composite structure 250.
  • the substrate 220 may be physically removed.
  • the substrate 220 is easily removed even with a small physical force.
  • the peripheral region 232 of the nanomembrane 230 may also be removed.
  • the central region 231 of the nano-membrane 230 is firmly adsorbed with the amorphous silicon layer 280, so that the central region 231 of the nano-membrane 230 may be removed.
  • they remain on the insulating support member 260.
  • the nano membrane 230 having only the central region 231 is formed on the insulating support member 260.
  • the nanomembrane 230 may be etched, and the nanopore 234 may be formed in the center of the nanomembrane 230 to manufacture the nanomembrane structure 200 having the nanopores.
  • the nano-membrane 230 may be etched using a reactive ion etching process using carbon tetrafluoride (CF4).
  • CF4 carbon tetrafluoride
  • the nanomembrane 230 may have an etching rate of about 20 nm per minute.
  • the nanomembrane 230 may have a desired thickness.
  • the nano membrane 230 may be etched to a thickness of about 20 nm.
  • the nanopores 234 are formed to have a size smaller than that of the micropores 275 of the insulating support member 260, and are formed to communicate with the micropores 275.
  • the nanopores 234 may be formed using an electron beam (E-beam).
  • FIG. 5A is a transmission electron microscopy (TEM) photograph of the surface of the nano-membrane structure prepared according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is an electron micrograph of the surface of the nano-membrane structure prepared using the transfer support layer.
  • TEM transmission electron microscopy
  • Figure 5a and 5b it can be seen that the surface of the nano-membrane structure prepared in accordance with an embodiment of the present invention is significantly clean compared to the surface of the nano-membrane structure prepared using the transfer support layer.
  • FIG. 6 is a view showing an embodiment of an ion device using a nanopore structure according to the present invention.
  • the ion device 600 using the nanopore structure of the present embodiment includes a chamber 630, a first electrode 640, a second electrode 650, an insulating support member 610, and a nanopore film ( 620.
  • the first region 631 and the second region 632 of the chamber 630 are disposed at both sides of the nanopore film 620.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 are disposed in the first region 631 and the second region 632, respectively.
  • Nanopore membrane 620 includes nanopores 625, which may be located at the center of nanopore membrane 620, for example.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 may receive and output an electrical signal from the outside.
  • the chamber 630 may be separated into the first region 631 and the second region 632 by the nanopore film 620, and may be configured as separate chambers.
  • the chamber 630 is for accommodating an electrolyte solution, and the first electrode 640 and the second electrode 650 are disposed in each of the first region 631 and the second region 632 of the chamber 630.
  • the chamber 630 may be made of one or more materials of glass, polydimethylsiloxane (PDMS), and plastic.
  • Chamber 630 may contain a solution comprising an electrolyte, which solution may be prepared in a fluid state and any conductive solvent may be used.
  • the apparatus may further include an injection unit (not shown) and a discharge unit (not shown) capable of injecting and discharging the solution in the chamber 630 outside the chamber 630.
  • Chamber 630 may have a small capacity, and the length of either direction may have dimensions of several micrometers.
  • the first electrode 640 may be disposed in the first region 631 of the chamber 630, and the second electrode 650 may be disposed in the second region 632 of the chamber 630.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 may apply a voltage to a solution in the chamber 630 to flow ions in the solution, resulting in the flow of current.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 are aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), and manganese.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 may each be a single layer or a composite layer.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 may be a composite layer of silver (Ag) or silver chloride (AgCl).
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 may include the same material or may be configured to include different materials.
  • the first electrode 640 and the second electrode 650 may be disposed to be close to the nanopore film 620.
  • the insulating support member 610 may be made of an insulating material including at least one of silicon and a compound containing silicon.
  • the insulating support member 610 may include, for example, at least one of silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN), and polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the insulating support member 610 may be formed of a silicon oxide substrate 611 and an amorphous silicon layer 612 formed on the silicon oxide substrate 611.
  • the micropores 615 penetrating one side and the other side are formed at the center portion of the insulating support member 610.
  • the micropores 615 may be formed to a size of several micrometers.
  • the micropores 615 may be formed using an etching process.
  • the size of the micropores 615 is defined as the size of the hole formed in the upper surface of the insulating support member 610, that is, the surface corresponding to the nanopore film 620, and toward the bottom of the insulating support member 610.
  • the size of the micropores 615 can be large.
  • the size of the micropores 615 may be formed in the amorphous silicon layer 612. It is defined as the size of the formed hole, the size may be on the order of several micrometers, the size of the hole formed in the silicon oxide substrate 610 may be several tens to hundreds of micrometers.
  • the nanopore film 620 may include silicon nitride (SiN).
  • the nanopore membrane 620 includes a nanopore 625 formed in the center portion, the nanopore 625 penetrates through the nanopore membrane 620.
  • the nanopores 625 are formed to communicate with the micropores 615 of the insulating support member 610, the nanopores 625 is formed to a size smaller than the size of the micropores 615.
  • the nanopores 625 may be formed in a size of a nano size, and may be formed using an electron beam (E-beam).
  • the nanopore film 620 may have a thickness of several nanometers to several tens of nanometers.
  • the nanopore layer 620 may be silicon nitride formed by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method. Silicon nitride formed by the LPCVD method is denser than silicon nitride formed by the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method, and thus can be used for a longer period of time without changing the size of the nanopores 625.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • the insulating support member 610 and the nanopore film 620 are formed by being attached by hydrophilic surface treatment.
  • the insulating support member 610 and the nanopore film 620 may be formed by supplying moisture to the surface, and then adhering and drying the surfaces. To this end, the insulating support member 610 and the nanopore film 620 may be attached in water.
  • the nanopore layer 620, the first electrode 640, and the second electrode 650 are connected to an external device (not shown) to receive an electrical signal, for example, a voltage, from which an electrical signal, for example, For example, it can output a current.
  • the voltage applied to the nanopore film 620 is the gate voltage VG
  • the voltage applied to the first electrode 640 is the source voltage VS
  • the voltage applied to the second electrode 650 is the drain voltage VD. It may be referred to as.
  • the external device (not shown) may be electrically connected to the nanopore film 620, the first electrode 640, and the second electrode 650 through a conductive member, for example, a conductive wire, and in particular, the nanopore film 620. ) May be connected by a probe (not shown).
  • the conductive member may be a nanowire
  • the nanowire may be formed of a conductive pattern and then deposited as a conductive wire by using ion implantation or sputtering.
  • the ion device 600 may operate as an ionic field effect transistor (IFE).
  • IFE ionic field effect transistor
  • IFE field transistors are similar in principle to conventional semiconductor field effect transistors except that the carriers traveling through the channel are electrolyte ions, not electrons or holes. Therefore, the ion current flows due to the movement of the ions, not the movement of the electrons, and the nanopores 625 serve as channels for the movement of the ions.
  • ionized cations and anions may move in either direction by the source voltage VS and the drain voltage VD applied to the chamber 630, and the nanopores
  • the on state and the off state of the transistor may be controlled by the gate voltage VG applied to the film 620.
  • biomaterials such as DNA and RNA are present in the chamber 630, they carry a constant charge and are able to move like ions.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an operating principle of an ion device using a nanopore structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a predetermined voltage is applied to the first electrode 640, the second electrode 650, and / or the nanopore film 620 in an external device (not shown) (S710).
  • a positive gate voltage VG and a drain voltage VS and a negative source voltage VS may be applied.
  • S710 only the source voltage VS and the drain voltage VD may be applied without applying a separate voltage to the gate voltage VG.
  • step S720 may be performed in which an electrical double layer is formed inside the nanopores 625.
  • the gate voltage VG is applied, the surface of the side of the nano-pores 625 has a specific charge, and an electrical double layer composed of ions having opposite charges is formed. This phenomenon of masking the surface charge can be interpreted by Debye leghth, which is inversely proportional to the square root of the concentration of the electrolyte in the solution.
  • the interior of the nanopores 625 will have ion selectivity (S730).
  • the electrical double layer is overlapped inside the nanopores 625 so that the inside of the nanopores 625 is filled with counter ions, and the nanopores 625 have ion selectivity. I can have it.
  • the type and amount of ions present in the nanopores 625 do not change according to the concentration of the solution, so that a concentration section occurs to cause saturation of ion conductance.
  • Such ion selectivity is the basis for operating as an ion transistor. do.
  • the nanopores 625 have ion selectivity as described above, it is possible to control the flow of the ion current inside the nanopores 625 (S740).
  • the magnitude of the applied gate voltage VG, the source voltage VS, and the drain voltage VD ions of a specific charge may flow, and the amount of ion current may be controlled.
  • a positive voltage is applied to the gate voltage VG
  • a channel of anion may be formed in the nanopores 25.
  • Channels may be formed.
  • the ion device 600 using the nanopores may be used as a device for DNA analysis for the analysis of biomolecules.
  • a solution containing a biomolecule such as DNA is accommodated in the chamber 630.
  • the subject of analysis is not limited to DNA, but may be DNA, RNA, peptide or protein.
  • the solution may be an electrolyte solution such as hydrochloric acid (HCl), sodium chloride (NaCl) or potassium chloride (KCl).
  • nano-pore structure 110 100: nano-pore structure 110, 260, 610: insulating support member
  • first electrode 650 second electrode

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Abstract

본 발명은 절연성 지지부재 상에 형성된 나노포어 구조를 이용한 나노포어 구조체, 그 제조방법 및 나노포어 구조를 이용한 이온 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노포어 구조체는 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며 중앙부에 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재와, 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지며 상기 절연성 지지부재 상에 배치되고 중앙부에 상기 마이크로포어와 연통되도록 상기 마이크로포어보다 크기가 작은 나노포어가 형성되어 있는 나노포어 막을 구비하고, 상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 친수성 표면처리에 의해 부착된다.

Description

나노포어 구조체, 나노포어 구조를 이용한 이온소자 및 나노멤브레인 구조체 제조방법
본 발명은 나노포어 구조체, 나노포어 구조를 이용한 이온소자 및 나노멤브레인 구조체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연성 지지부재 상에 형성된 나노포어 구조를 이용한 나노포어 구조체, 나노포어 구조를 이용한 이온 소자 및 나노멤브레인 구조체 제조방법에 관한 것이다.
나노포어(nanopore)는 구조적으로 나노 사이즈의 구멍을 가지고 있는 형태의 단백질인 알파-해몰라이신(α-hemolysin)을 이용한 DNA 염기 서열 분석 기술로써 처음 시작되었다. 단백질 나노포어를 DNA가 담겨져 있는 전해질 수용액(electrolyte)에 넣은 후, 양쪽 전극에 전압을 걸어주게 되면 음전하를 갖고 있는 DNA가 1.5nm의 나노포어를 통과하게 된다. 이때, DNA가 이온의 흐름을 막으면서 발생하는 전류 하강(current drop)을 측정하게 되면 어떤 염기서열들이 지나갔는지를 알 수 있어 이를 통해 DNA 염기 서열을 분석할 수 있게 된다. 하지만, 단백질 나노포어는 구조적으로 나노포어의 크기가 1.5nm로 고정되어 있고, 안정성이 좋지 않아 1시간 미만의 단시간 동안만 측정이 가능하다는 치명적인 단점을 가지고 있다.
이런 한계점들을 극복하기 위해, 자유로운 포어 사이즈 조절성과 뛰어난 안정성을 가진 솔리드스테이트 나노포어(solid-state nanopore)가 등장하였다. 실리콘(Si)을 기반으로 한 반도체 공정을 통해 질화실리콘(SiN) 나노포어를 안정적으로 형성할 수 있는 방법이 개발되어, DNA 염기 서열 분석 외에도 단백질, RNA, 바이러스(virus) 등의 다양한 생체 분자나 나노 입자 등을 분석하는 도구로써 사용될 수 있게 되었다. 하지만, 실리콘 기판 위에 형성된 질화실리콘 나노포어를 이용한 이온 소자는 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 좋지 않아 다양한 활용과 정확한 분석에 있어서 한계가 있다.
이러한 실리콘 기반의 나노포어를 이용한 이온 소자의 잡음(noise) 문제를 해결하기 위해 다양한 시도들이 제시되어 왔다. 질화실리콘 나노포어 멤브레인의 전해질 수용액 상의 노출 면적을 줄이는 방법, 질화실리콘 나노포어 멤브레인 위쪽 혹은 아래쪽에 산화실리콘(SiO2)이나 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 유전 물질을 코팅하거나 증착하는 방법, 실리콘 대신에 PDMS(polydimethylsiloxane)나 유리(glass) 등의 절연성 지지부재를 이용하는 방법 등이 대표적이다. 이러한 방법들을 이용하게 되면, 나노포어의 크기와 나노포어 멤브레인 두께를 나노미터 수준에서 조절하면서 신호대잡음비를 현저하게 개선시킬 수 있게 된다.
그러나 절연성 지지부재 상에 질화실리콘 나노포어 멤브레인이 형성된 이온 소자의 경우, 질화실리콘 나노포어 멤브레인을 절연성 지지부재 상에 전사시키는 것이 용이치 않은 단점이 있다. 특히, 질화실리콘 나노포어 멤브레인의 전사지지층으로 이용되는 PMMA(Polymethyl methacrylate)가 질화실리콘 나노포어 멤브레인 전사 이후에도 완전히 제거되지 않고 잔여물로 남아 분석의 정확도를 떨어뜨리게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 절연성 지지부재 상에 나노 멤브레인을 용이하게 형성할 수 있는 제조방법, 나노포어 구조체 및 그 나노포어 구조를 이용한 이온 소자를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 나노포어 구조체에 대한 일 실시예는, 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며, 중앙부에 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재; 및 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지며, 상기 절연성 지지부재 상에 배치되고, 중앙부에 상기 마이크로포어와 연통되도록 상기 마이크로포어보다 크기가 작은 나노포어가 형성되어 있는 나노포어 막;을 구비하되, 상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 친수성 표면처리에 의해 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노포어 구조체의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 수중에서 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조체의 일부 실시예들에 있어서, 상기 절연성 지지부재는 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조체의 일부 실시예들에 있어서, 상기 절연성 지지부재는 산화실리콘 기판과, 상기 산화실리콘 기판 상에 형성되어 있는 아몰퍼스 실리콘층을 포함하여 이루어지며, 상기 나노포어 막과 상기 아몰퍼스 실리콘층이 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조체의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어 막은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 질화실리콘을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자에 대한 일 실시예는, 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버; 상기 제1 영역에 위치하는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 사이에 위치하고, 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며, 중앙부에 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재; 및 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지며, 상기 절연성 지지부재 상에 배치되고, 중앙부에 상기 마이크로포어와 연통되도록 상기 마이크로포어보다 크기가 작은 나노포어가 형성되어 있는 나노포어 막;을 구비하되, 상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 친수성 표면처리에 의해 부착되어 있으며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노포어를 통과하는 이온 이동을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 수중에서 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 일부 실시예들에 있어서, 상기 절연성 지지부재는 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 일부 실시예들에 있어서, 상기 절연성 지지부재는 산화실리콘 기판과, 상기 산화실리콘 기판 상에 형성되어 있는 아몰퍼스 실리콘층을 포함하여 이루어지며, 상기 나노포어 막과 상기 아몰퍼스 실리콘층이 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어 막은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 질화실리콘을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 일부 실시예들에 있어서, 상기 챔버에는 전해질 용액이 수용되며, 상기 전해질 용액에 포함된 전해질에 의해 상기 이온 이동이 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어 막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노포어를 통과하는 이온 이동을 발생시키거나 또는 차단시킬 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 나노 멤브레인 구조체 제조방법에 대한 일 실시예는, 중앙부에 관통홀이 형성되어 있는 기판과, 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지고 상기 기판 상에 상기 관통홀이 덮이도록 형성되며 상기 관통홀 상에 형성된 중앙부 영역과 상기 기판 상에 형성된 주변부 영역을 포함하는 나노 멤브레인을 구비한 임시 구조체를 준비하는 단계; 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며, 중앙부에 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재를 준비하는 단계; 상기 나노 멤브레인의 표면과 상기 절연성 지지부재의 일면을 친수성 표면처리한 후, 상기 나노 멤브레인의 중앙부 영역 중 적어도 일부와 상기 마이크로포어가 마주하도록 상기 임시 구조체와 상기 절연성 지지부재를 접합시켜 복합 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 복합 구조체에서 기판을 제거하는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 구조체를 형성하는 단계는 수중에서 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 구조체를 형성하는 단계와 상기 기판을 제거하는 단계 사이에, 상기 복합 구조체를 건조시키는 단계를 더 가질 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 멤브레인의 중앙부 영역에 상기 마이크로포어와 연통되며 상기 마이크로포어보다 작은 크기의 나노포어를 형성하는 단계를 더 가질 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판을 제거하는 단계는 상기 기판을 물리적으로 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판을 제거하는 단계는 상기 기판 제거시에 상기 나노 멤브레인의 주변부 영역도 함께 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 절연성 지지부재는 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 절연성 지지부재는 산화실리콘 기판과 상기 산화실리콘 기판 상에 형성되어 있는 아몰퍼스 실리콘층을 포함하여 이루어지며, 상기 복합 구조체를 형성하는 단계는 상기 나노 멤브레인과 상기 아몰퍼스 실리콘층을 접합하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 멤브레인은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 질화실리콘을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 구조체를 건조시키는 단계는 100도 이하의 온도에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복합 구조체를 건조시키는 단계와 상기 나노포어를 형성하는 단계 사이에, 상기 나노 멤브레인을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어를 형성하는 단계는 전자빔(E-beam)을 이용하여 나노 크기의 구멍을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 멤브레인 제조방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판이고, 상기 나노 멤브레인의 중앙부 영역은 수 mm 크기의 정사각형 형태이며, 상기 마이크로포어보다 크기가 큰 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 절연성 지지부재와 나노 멤브레인을 친수성 표면처리와 건조 등으로 용이하게 부착시킬 수 있다. 이와 같은 간단한 방법을 통해 표면이 깨끗한 나노포어 구조체를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노포어 구조체에 대한 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 나노 멤브레인 구조체 제조방법에 대한 일 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a 내지 도 3c는 임시 구조체 제조방법의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a 내지 도 4g는 절연성 지지부재 제조방법의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노 멤브레인 구조체 표면의 전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy) 사진이고, 도 5b는 전사지지층을 이용하여 제조된 나노 멤브레인 구조체 표면의 전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자에 대한 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 기술적 사상에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 동작 원리를 도시하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 나노포어 구조체에 대한 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 나노포어 구조체(100)는 절연성 지지부재(110) 및 나노포어 막(120)을 구비한다.
절연성 지지부재(110)는 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 절연성 지지부재(110)는 예를 들어, 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절연성 지지부재(110)는 산화실리콘 기판(111)과 산화실리콘 기판(111) 상에 형성된 아몰퍼스(amorphous) 실리콘층(112)으로 이루어질 수 있다.
절연성 지지부재(110)의 중앙부에는 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어(115)가 형성된다. 마이크로포어(115)는 수 마이크로미터 정도의 크기로 형성될 수 있다. 마이크로포어(115)는 식각공정을 이용하여 형성할 수 있다. 여기서 마이크로포어(115)의 크기는 절연성 지지부재(110)의 상면, 즉 나노포어 막(120)과 대응되는 면에 형성되어 있는 구멍의 크기로 정의되며, 절연성 지지부재(110)의 하부로 갈수록 마이크로포어(115)의 크기는 커질 수 있다. 예컨대, 절연성 지지부재(110)가 산화실리콘 기판(111)과 산화실리콘 기판(111) 상에 형성된 아몰퍼스(amorphous) 실리콘층(112)으로 이루어진 경우, 마이크로포어(115)의 크기는 아몰퍼스 실리콘층(112)에 형성된 구멍의 크기로 정의되며, 그 크기는 수 마이크로미터 정도일 수 있고, 산화실리콘 기판(110)에 형성된 구멍의 크기는 수십에서 수백 마이크로미터일 수 있다.
나노포어 막(120)은 절연성 지지부재(110) 상에 배치된다. 나노포어 막(120)은 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 나노포어 막(120)의 중앙부에는 나노포어(125)가 형성된다. 나노포어(125)는 절연성 지지부재(110)의 마이크로포어(115)와 연통되도록 형성되며, 나노포어(125)는 마이크로포어(115)의 크기보다 작은 크기로 형성된다. 나노포어(125)는 나노 사이즈의 크기로 형성될 수 있으며, 전자빔(E-beam)을 이용하여 형성할 수 있다. 나노포어 막(120)의 두께는 수 나노미터에서 수십 나노미터의 두께일 수 있다.
나노포어 막(120)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성된 질화실리콘일 수 있다. LPCVD 방법에 의해 형성된 질화실리콘은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성된 질화실리콘에 비해 밀도가 높아, 나노포어(125) 크기 변화없이 보다 장시간 사용할 수 있게 된다.
나노포어 구조체(100)는 상술한 절연성 지지부재(110)와 나노포어 막(120)이 친수성 표면처리에 의해 부착되어 형성된다. 나노포어 구조체(100)는 절연성 지지부재(110)와 나노포어 막(120)은 각각 표면에 수분을 공급한 후 접착시키고 건조시켜 형성될 수 있다. 이를 위해, 수중에서 절연성 지지부재(110)와 나노포어 막(120)을 부착시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 나노 멤브레인 구조체 제조방법에 대한 일 실시예의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a 내지 도 3c는 임시 구조체 제조방법의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a 내지 도 4g는 절연성 지지부재 제조방법의 수행과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 실시예의 나노 멤브레인 구조체 제조방법은 우선, 도 2a에 도시된 바와 같이, 임시 구조체(210)와 절연성 지지부재(260)를 준비한다.
임시 구조체(210)는 기판(220)과 나노 멤브레인(230)을 구비한다. 기판(220)은 실리콘 기판일 수 있으며, 기판(220)의 중앙부에는 관통홀(225)이 형성된다. 나노 멤브레인(230)은 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지며, 기판(220) 상에 관통홀(225)이 덮이도록 배치된다. 나노 멤브레인(230)은 기판(220)의 관통홀(225)에 대응하는 중앙부 영역(231)과 기판(220) 상에 형성된 주변부 영역(232)으로 구분된다. 나노 멤브레인(230)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성된 질화실리콘일 수 있으며, 나노 멤브레인(230)의 두께는 수십에서 수백 나노미터 정도가 될 수 있다. 나노 멤브레인(230)의 중앙부 영역(231)은 크기가 수 mm인 정사각형 형태일 수 있다. 예를 들면 가로와 세로가 2mm×2mm인 정사각형 형태일 수 있다.
임시 구조체(210)는 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 나노 멤브레인(230)을 기판(220)의 상부에, 제1 마스크층(240)을 기판(220)의 하부에 형성한다. 제1 마스크층(240)은 기판(220)에 관통홀(225)을 형성하기 위한 것으로, 질화실리콘(SiN)으로 이루어질 수 있다. 나노 멤브레인(230)과 제1 마스크층(240)은 각각 별도의 공정에 의해 형성될 수도 있고, 하나의 공정에 의해 형성될 수도 있다. 예컨대, 기판(220)에 질화실리콘을 LPCVD 방법에 의해 증착시키면, 기판(220)의 상부와 하부에 각각 나노 멤브레인(230)과 제1 마스크층(240)이 형성되게 된다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 마스크층(240)의 일부를 식각하여 제1 식각창(245)을 형성한다. 제1 마스크층(240)의 식각을 통한 제1 식각창(245) 형성은 포토리쏘그라피(photolithography) 공정과 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 공정을 이용하여 수행할 수 있다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 식각창(245)을 이용하여 기판(220)을 식각하여 기판(220)에 관통홀(225)을 형성한다. 관통홀(225)은 습식 식각(wet etching) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 기판(220) 식각은 나노 멤브레인(230)의 하부 표면이 노출될 때까지 진행된다. 기판(220)이 실리콘으로 이루어졌을 경우, 관통홀(225)은 KOH를 이용한 습식 식각 공정을 이용해 형성할 수 있다. 이 경우, KOH의 실리콘 식각 특성상 단면이 정사각형 형태의 관통홀(225)이 형성될 수 있다. 기판(220)의 상부는 나노 멤브레인(230)에 의해 보호된다.
절연성 지지부재(260)는 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 절연성 지지부재(260)는 예를 들어, 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절연성 지지부재(260)는 산화실리콘 기판(270)과 산화실리콘 기판(270) 상에 형성된 아몰퍼스(amorphous) 실리콘층(280)으로 이루어질 수 있다. 절연성 지지부재(260)의 중앙부에는 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어(275)가 형성된다. 마이크로포어(275)는 수 마이크로미터 정도의 크기로 형성될 수 있다. 여기서 마이크로포어(275)의 크기는 절연성 지지부재(260)의 상면에 형성되어 있는 구멍의 크기로 정의되며, 절연성 지지부재(260)의 하부로 갈수록 마이크로포어(275)의 크기는 커질 수 있다. 예컨대, 절연성 지지부재(260)가 산화실리콘 기판(270)과 산화실리콘 기판(270) 상에 형성된 아몰퍼스(amorphous) 실리콘층(280)으로 이루어진 경우, 마이크로포어(275)의 크기는 아몰퍼스 실리콘층(280)에 형성된 구멍의 크기로 정의되며, 그 크기는 수 마이크로미터 정도일 수 있고, 산화실리콘 기판(270)에 형성된 구멍의 크기는 수십에서 수백 마이크로미터일 수 있다.
산화실리콘 기판(270)과 산화실리콘 기판(270) 상에 형성된 아몰퍼스 실리콘층(280)으로 이루어진 절연성 지지부재(260)는 도 4a 내지 도 4g에 도시된 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2 마스크층(291)을 산화실리콘 기판(270)의 상부에, 제3 마스크층(296)을 산화실리콘 기판(270)의 하부에 형성한다. 제2 마스크층(291) 및 제3 마스크층(296)은 절연성 지지부재(260)에 마이크로포어(275)를 형성하기 위한 것으로, 아몰퍼스 실리콘으로 이루어질 수 있다. 제2 마스크층(291) 및 제3 마스크층(296)은 각각 별도의 공정에 의해 형성될 수도 있고, 하나의 공정에 의해 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2 마스크층(291)의 일부를 식각하여 제2 식각창(292)을 형성한다. 제2 마스크층(291)의 식각을 통한 제2 식각창(292) 형성은 포토리쏘그라피(photolithography) 공정과 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 공정을 이용하여 수행할 수 있다. 제2 식각창(292)은 수 마이크로미터의 크기로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2 식각창(292)을 이용하여 산화실리콘 기판(270)의 상부 일부를 식각하여, 산화실리콘 기판(270) 상부에 상부홀(271)을 형성한다. 상부홀(271)은 습식 식각(wet etching) 공정으로 형성할 수 있다. 예컨대 불산(HF)을 이용하여 상부홀(271)을 형성할 수 있다. 불산(HF)을 이용한 습식 식각 공정으로 상부홀(271)을 형성할 경우, 등방성 식각으로 인한 언더컷(undercut)이 발생하여 상부홀(271)의 크기는 제2 식각창(292)보다 커지게 된다. 예컨대, 제2 식각창(292)이 수 마이크로미터의 크기일 경우, 상부홀(271)은 수십 마이크로미터의 크기로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제2 마스크층(291) 상에 보호층(295)을 형성한다. 보호층(295)은 후술할 하부홀(272) 형성시에 상부홀(271)을 보호하는 역할을 한다.
다음으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 제3 마스크층(296)의 일부를 식각하여 제3 식각창(297)을 형성한다. 제3 마스크층(296)의 식각을 통한 제3 식각창(297) 형성은 제2 식각창(292) 형성 때와 동일한 방법으로 수행할 수 있다. 제3 식각창(297)은 제2 식각창(292)보다 큰 크기로 형성한다. 제3 식각창(297)은 수십 내지 수백 마이크로미터의 크기로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4f에 도시된 바와 같이, 제3 식각창(297)을 이용하여 산화실리콘 기판(270)의 하부 일부를 식각하여, 산화실리콘 기판(270) 하부에 하부홀(272)을 형성한다. 하부홀(272)은 상부홀(271) 형성 때와 동일한 방법으로 수행할 수 있다. 하부홀(272)의 크기는 상부홀(271)보다 큰 크기로 형성할 수 있으며, 그 크기는 수백 마이크로 정도로 형성할 수 있다. 하부홀(272)을 형성하기 위한 산화실리콘 기판(270)의 식각은 상부홀(271)과 하부홀(272)이 연통되어 상부홀(271)과 하부홀(272)로 정의되는 마이크로포어(275)가 형성될 때까지 진행된다.
다음으로, 도 4g에 도시된 바와 같이, 보호층(295)을 제거한다. 보호층(295)을 제거하면 제2 식각창(292)이 형성되어 있는 제2 마스크층(291)이 노출되게 되고, 이것은 도 2a의 아몰퍼스 실리콘층(280)에 대응된다.
상술한 바와 같이, 도 3a 내지 도 4g에 도시된 방법으로 임시 구조체(210)와 절연성 지지부재(260)를 형성할 수 있다.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 임시 구조체(210)의 나노 멤브레인(230)과 아몰퍼스 실리콘층(280)을 접합시켜 복합 구조체(250)을 형성한다. 복합 구조체(250)는 나노 멤브레인(230)과 아몰퍼스 실리콘층(280)을 친수성 표면처리한 후 접합시켜 형성한다. 이때 나노 멤브레인(230)의 중앙부 영역(231) 중 적어도 일부가 마이크로포어(275)와 마주하도록, 임시 구조체(210)와 절연성 지지부재(260)를 접합시킨다. 나노 멤브레인(230)과 아몰퍼스 실리콘층(280)을 친수성 표면처리하여 접합시키기 위해, 임시 구조체(210)와 절연성 지지부재(260)를 수중에 넣은 후 나노 멤브레인(230)과 아몰퍼스 실리콘층(280)을 접촉시켜 접합시킬 수 있다.
그리고 공기 중으로 복합 구조체(250)를 꺼내어 건조시킬 수 있다. 복합 구조체(250)의 건조는 100℃ 이하의 온도에서 수행할 수 있다. 이때 물이 증발하면서 질화실리콘으로 이루어진 나노 멤브레인(230)의 중앙부 영역(231)과 아몰퍼스 실리콘층(280) 사이가 견고하게 흡착된다. 여기서 아몰퍼스 실리콘층(280)을 예시로 들었지만, 절연성 지지부재(260)가 실리콘 또는 실리콘 함유 화합물로 이루어진 경우에도 질화실리콘을 함유하는 나노 멤브레인(230)의 중앙부 영역(210)과 절연성 지지부재(260)는 견고하게 흡착된다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 복합 구조체(250)에서 임시 구조체(210)의 기판(220)을 제거한다. 기판(220)은 물리적으로 제거할 수 있다. 기판(220)은 작은 물리적인 힘만으로도 용이하게 제거된다. 기판(220)을 물리적으로 제거할 때, 나노 멤브레인(230)의 주변부 영역(232)도 함께 제거될 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이, 나노 멤브레인(230)의 중앙부 영역(231)은 아몰퍼스 실리콘층(280)과 견고하게 흡착되어 있어, 나노 멤브레인(230)의 중앙부 영역(231)은 기판(220)이 제거될 때 함께 제거되지 않고 절연성 지지부재(260) 상에 남게 된다. 이로써 절연성 지지부재(260) 상에 중앙부 영역(231)만 남은 나노 멤브레인(230)이 형성된다.
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 나노 멤브레인(230)을 식각하고, 나노 멤브레인(230)의 중앙부에 나노포어(234)를 형성하여 나노포어를 갖는 나노 멤브레인 구조체(200)를 제조할 수 있다. 나노 멤브레인(230)은 사불화탄소(CF4)를 이용한 반응성 이온 식각 공정을 이용하여 식각할 수 있으며, RF power를 40W 정도로 조절하면 1분 당 20nm 정도의 식각속도를 갖도록 할 수 있다. 이를 통해 나노 멤브레인(230)을 원하는 두께를 갖도록 할 수 있다. 예를 들면, 나노 멤브레인(230)을 20nm 정도의 두께로 식각할 수 있다. 나노포어(234)는 절연성 지지부재(260)의 마이크로포어(275)의 크기보다 작은 크기로 형성하며, 마이크로포어(275)와 연통되도록 형성한다. 나노포어(234)는 전자빔(E-beam)을 이용하여 형성할 수 있다.
이와 같은 방법으로 나노포어를 갖는 나노 멤브레인 구조체(200)를 제조하게 되면, 기존의 PMMA(Polymethyl methacrylate)와 같은 전사지지층을 이용하지 않아도 되므로, 전사지지층이 나노 멤브레인 구조체에 잔존하는 문제점이 발생하지 않게 된다. 이를 도 5에 나타내었다. 도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노 멤브레인 구조체 표면의 전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy) 사진이고, 도 5b는 전사지지층을 이용하여 제조된 나노 멤브레인 구조체 표면의 전자현미경 사진이다. 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노 멤브레인 구조체 표면이 전사지지층을 이용하여 제조된 나노 멤브레인 구조체 표면에 비해 현저히 깨끗한 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자에 대한 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 나노포어 구조를 이용한 이온 소자(600)는 챔버(630), 제1 전극(640), 제2 전극(650), 절연성 지지부재(610), 나노포어 막(620)을 구비한다.
나노포어 막(620)의 양 측에 챔버(630)의 제1 영역(631) 및 제2 영역(632)이 배치된다. 제1 영역(631) 및 제2 영역(632) 내에는 각각 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)이 배치된다. 나노포어 막(620)은 나노포어(625)를 포함하며, 나노포어(625)는 예를 들어 나노포어 막(620)의 중앙에 위치할 수 있다. 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 외부로부터 전기적 신호를 인가 받고 출력할 수 있다.
챔버(630)는 나노포어 막(620)에 의해 제1 영역(631) 및 제2 영역(632)으로 분리될 수 있으며, 각각 별개의 챔버로 구성되는 것도 가능하다. 챔버(630)는 전해질 용액을 수용하기 위한 것으로, 챔버(630)의 제1 영역(631) 및 제2 영역(632) 각각에 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)을 배치한다. 챔버(630)는 유리, PDMS(polydimethylsiloxane) 및 플라스틱 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 챔버(630)는 전해질을 포함하는 용액을 수용할 수 있으며, 상기 용액은 유체 상태로 준비될 수 있고 임의의 전도성 용매가 사용될 수 있다. 챔버(630)의 외부에서 챔버(630) 내에 상기 용액을 주입 및 배출할 수 있는 주입부(미도시) 및 배출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 챔버(630)는 미소한 용량을 가질 수 있으며, 어느 한 방향의 길이가 수 마이크로 미터의 치수를 가질 수 있다.
제1 전극(640)은 챔버(630)의 제1 영역(631)에 배치될 수 있고, 제2 전극(650)은 챔버(630)의 제2 영역(632)에 배치될 수 있다. 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 챔버(630) 내의 용액에 전압을 인가하여, 상기 용액 내의 이온을 유동시켜 결과적으로 전류의 흐름을 발생시킬 수 있다. 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 각각 단일층이거나 또는 복합층일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(640) 및 제2전극(650)은 은(Ag) 또는 염화은(AgCl)의 복합층일 수 있다. 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 동일한 물질을 포함하거나 또는 서로 다른 물질을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 나노포어 막(620)에 근접하도록 배치될 수 있다.
절연성 지지부재(610)는 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 절연성 지지부재(610)는 예를 들어, 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절연성 지지부재(610)는 산화실리콘 기판(611)과 산화실리콘 기판(611) 상에 형성된 아몰퍼스(amorphous) 실리콘층(612)으로 이루어질 수 있다. 절연성 지지부재(610)의 중앙부에는 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어(615)가 형성된다. 마이크로포어(615)는 수 마이크로미터 정도의 크기로 형성될 수 있다. 마이크로포어(615)는 식각공정을 이용하여 형성할 수 있다. 여기서 마이크로포어(615)의 크기는 절연성 지지부재(610)의 상면, 즉 나노포어 막(620)과 대응되는 면에 형성되어 있는 구멍의 크기로 정의되며, 절연성 지지부재(610)의 하부로 갈수록 마이크로포어(615)의 크기는 커질 수 있다. 예컨대, 절연성 지지부재(610)가 산화실리콘 기판(611)과 산화실리콘 기판(611) 상에 형성된 아몰퍼스 실리콘층(612)으로 이루어진 경우, 마이크로포어(615)의 크기는 아몰퍼스 실리콘층(612)에 형성된 구멍의 크기로 정의되며, 그 크기는 수 마이크로미터 정도일 수 있고, 산화실리콘 기판(610)에 형성된 구멍의 크기는 수십에서 수백 마이크로미터일 수 있다.
나노포어 막(620)은 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어질 수 있다. 나노포어 막(620)은 중앙부에 형성된 나노포어(625)를 포함하며, 나노포어(625)는 나노포어 막(620)을 관통한다. 나노포어(625)는 절연성 지지부재(610)의 마이크로포어(615)와 연통되도록 형성되며, 나노포어(625)는 마이크로포어(615)의 크기보다 작은 크기로 형성된다. 나노포어(625)는 나노 사이즈의 크기로 형성될 수 있으며, 전자빔(E-beam)을 이용하여 형성할 수 있다. 나노포어 막(620)의 두께는 수 나노미터에서 수십 나노미터의 두께일 수 있다. 나노포어 막(620)은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성된 질화실리콘일 수 있다. LPCVD 방법에 의해 형성된 질화실리콘은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 형성된 질화실리콘에 비해 밀도가 높아, 나노포어(625) 크기 변화없이 보다 장기간 사용할 수 있게 된다.
절연성 지지부재(610)와 나노포어 막(620)은 친수성 표면처리에 의해 부착되어 형성된다. 절연성 지지부재(610)와 나노포어 막(620)은 각각 표면에 수분을 공급한 후 접착시키고 건조시켜 형성될 수 있다. 이를 위해, 수중에서 절연성 지지부재(610)와 나노포어 막(620)을 부착시킬 수 있다.
나노포어 막(620), 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)은 외부 장치(미도시)에 연결되어 각각에 전기적 신호, 예를 들어 전압을 인가받고, 이로부터 전기적 신호, 예를 들어 전류를 출력할 수 있다. 나노포어 막(620)에 인가되는 전압은 게이트 전압(VG), 제1 전극(640)에 인가되는 전압은 소스 전압(VS), 제2 전극(650)에 인가되는 전압은 드레인 전압(VD)으로 지칭할 수 있다. 외부 장치(미도시)는 도전성 부재, 예를 들어 도전성 와이어를 통해 나노포어 막(620), 제1 전극(640) 및 제2 전극(650)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 특히 나노포어 막(620)과 연결되는 부분은 탐침(probe)(미도시)에 의해 연결될 수 있다. 또는, 상기 도전성 부재는 나노 와이어일 수 있으며, 상기 나노 와이어는 금속으로 일정한 패턴을 형성한 후 이온 주입(ion implantation) 또는 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 도선으로 증착될 수 있다.
외부 장치(미도시)에 의해 인가되는 게이트 전압(VG), 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)에 의해 상기 이온 소자(600)는 이온 전계 트랜지스터(ionic field effect transistor, IFET)로 동작할 수 있다. 이온 전계 트랜지스터는 채널을 이동하는 캐리어들이 전자 또는 홀이 아닌 전해질 이온들이라는 점을 제외하고는 통상적인 반도체 전계 효과 트랜지스터와 그 원리가 유사하다. 따라서, 전자의 이동이 아닌 이온의 이동에 의한 이온 전류가 흐르게 되며 나노 포어(625)는 이온의 이동에 대한 채널로서 작용한다. 챔버(630) 내에 전해질 용액을 수용하는 경우, 이온화된 양이온 및 음이온이 챔버(630)에 인가되는 소스 전압(VS), 및 드레인 전압(VD)에 의해 어느 한 방향으로 이동할 수 있게 되며, 나노포어 막(620)에 인가되는 게이트 전압(VG)에 의해 트랜지스터의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 제어할 수 있다. 챔버(630) 내에 DNA 및 RNA와 같은 생체 물질이 존재하는 경우, 이들이 일정 전하를 띠게 되며, 이온과 마찬가지로 이동할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 기술적 사상에 따른 나노포어 구조를 이용한 이온 소자의 동작 원리를 도시하는 흐름도이다.
도 6과 함께, 도 7을 참조하면, 먼저 외부 장치(미도시)에서 제1 전극(640), 제2 전극(650) 및/또는 나노포어 막(620)에 일정 전압을 인가하는 단계(S710)가 진행된다. 예를 들어, 양의 게이트 전압(VG) 및 드레인 전압(VD)과 음의 소스 전압(VS)을 인가할 수 있다. 본 단계(S710)에서 게이트 전압(VG)에 별도의 전압을 인가하지 않고, 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)만을 인가할 수도 있다.
전압이 인가되면, 나노 포어(625) 내부에 전기적 이중층이 형성되는 단계(S720)가 진행될 수 있다. 게이트 전압(VG)이 인가되면, 나노 포어(625) 측면의 표면이 특정 전하를 띠게 되며, 반대 전하를 갖는 이온들로 구성된 전기적 이중층이 형성된다. 이와 같이 표면 전하를 가리는 현상은 드바이 길이(Debye leghth)에 의해 해석 가능하며, 드바이 길이는 용액 내의 전해질의 농도의 제곱근에 반비례한다.
상기 전기적 이중층이 형성되면, 나노포어(625) 내부는 이온 선택성을 갖게 된다(S730). 나노포어(625)의 크기가 작은 경우, 나노포어(625)의 내부에서 전기적 이중층이 겹쳐지게 되어 나노포어(625)의 내부가 반대 이온들에 의해 채워지며, 나노포어(625)가 이온 선택성을 가질 수 있게 된다. 이 경우, 나노포어(625) 내에 존재하는 이온의 종류와 양이 용액의 농도에 따라 변하지 않게 되어 이온 컨덕턴스의 포화가 일어나게 농도 구간이 발생하게 되며, 이와 같은 이온 선택성은 이온 트랜지스터로 동작하는 기반이 된다.
나노포어(625)가 상기와 같이 이온 선택성을 갖게 되면, 나노포어(625) 내부의 이온 전류의 흐름을 제어할 수 있게 된다(S740). 인가되는 게이트 전압(VG), 소스 전압(VS) 및 드레인 전압(VD)의 크기에 따라 특정 전하의 이온을 흐르게 할 수 있으며, 이온 전류의 양도 제어할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압(VG)에 양의 전압을 인가하는 경우, 나노 포어(25) 내에 음이온의 채널이 형성될 수 있으며, 상기 게이트 전압(VG)에 음의 전압을 인가하는 경우, 양이온의 채널이 형성될 수 있다.
일 실시예에서 나노포어를 이용한 이온 소자(600)은 생체 분자의 분석을 위한 DNA 분석용 장치로 사용될 수도 있다. 이 경우, 챔버(630)의 내부에는 DNA와 같은 생체 분자를 포함하는 용액이 수용된다. 분석의 대상은 DNA에 한정되지 않으며, DNA, RNA, 펩타이드(peptide) 또는 단백질일 수 있다. 상기 용액은 염산(HCl), 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼륨(KCl) 등의 전해질 용액을 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
[부호의 설명]
100 : 나노포어 구조체 110, 260, 610 : 절연성 지지부재
115, 225, 615 : 마이크로포어 120, 620 : 나노포어 막
125, 234, 625 : 나노포어 230 : 나노멤브레인
600 : 이온 소자 630 챔버
640 : 제1 전극 650 : 제2 전극

Claims (25)

  1. 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며, 중앙부에 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재; 및
    질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지며, 상기 절연성 지지부재 상에 배치되고, 중앙부에 상기 마이크로포어와 연통되도록 상기 마이크로포어보다 크기가 작은 나노포어가 형성되어 있는 나노포어 막;을 포함하되,
    상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 친수성 표면처리에 의해 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 수중에서 부착되는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연성 지지부재는 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연성 지지부재는 산화실리콘 기판과, 상기 산화실리콘 기판 상에 형성되어 있는 아몰퍼스 실리콘층을 포함하여 이루어지며,
    상기 나노포어 막과 상기 아몰퍼스 실리콘층이 부착되는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노포어 막은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 질화실리콘을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노포어 구조체.
  6. 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 챔버;
    상기 제1 영역에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극에 대향하여 상기 제2 영역에 위치하는 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 사이에 위치하고, 실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며, 중앙부에 일측과 타측을 관통하는 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재; 및
    질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지며, 상기 절연성 지지부재 상에 배치되고, 중앙부에 상기 마이크로포어와 연통되도록 상기 마이크로포어보다 크기가 작은 나노포어가 형성되어 있는 나노포어 막;을 포함하되,
    상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 친수성 표면처리에 의해 부착되어 있으며,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노포어를 통과하는 이온 이동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노포어를 이용한 이온 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노포어 막과 상기 절연성 지지부재는 수중에서 부착되는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조를 이용한 이온 소자.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 절연성 지지부재는 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조를 이용한 이온 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연성 지지부재는 산화실리콘 기판과, 상기 산화실리콘 기판 상에 형성되어 있는 아몰퍼스 실리콘층을 포함하여 이루어지며,
    상기 나노포어 막과 상기 아몰퍼스 실리콘층이 부착되는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조를 이용한 이온 소자.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 나노포어 막은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 질화실리콘을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노포어 구조를 이용한 이온 소자.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 챔버에는 전해질 용액이 수용되며, 상기 전해질 용액에 포함된 전해질에 의해 상기 이온 이동이 발생되는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조를 이용한 이온 소자.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 나노포어 막, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전기적 신호에 의해 상기 나노포어를 통과하는 이온 이동을 발생시키거나 또는 차단시키는 것을 특징으로 하는 나노포어 구조를 이용한 이온 소자.
  13. 중앙부에 관통홀이 형성되어 있는 기판과, 질화실리콘(SiN)을 포함하여 이루어지고 상기 기판 상에 상기 관통홀이 덮이도록 형성되며 상기 관통홀 상에 형성된 중앙부 영역과 상기 기판 상에 형성된 주변부 영역을 포함하는 나노 멤브레인을 구비한 임시 구조체를 준비하는 단계;
    실리콘 및 실리콘을 함유하는 화합물 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지며, 중앙부에 마이크로포어가 형성되어 있는 절연성 지지부재를 준비하는 단계;
    상기 나노 멤브레인의 표면과 상기 절연성 지지부재의 일면을 친수성 표면처리한 후, 상기 나노 멤브레인의 중앙부 영역 중 적어도 일부와 상기 마이크로포어가 마주하도록 상기 임시 구조체와 상기 절연성 지지부재를 접합시켜 복합 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 복합 구조체에서 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복합 구조체를 형성하는 단계는 수중에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 복합 구조체를 형성하는 단계와 상기 기판을 제거하는 단계 사이에,
    상기 복합 구조체를 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 나노 멤브레인의 중앙부 영역에 상기 마이크로포어와 연통되며 상기 마이크로포어보다 작은 크기의 나노포어를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기판을 제거하는 단계는 상기 기판을 물리적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 기판을 제거하는 단계는 상기 기판 제거시에 상기 나노 멤브레인의 주변부 영역도 함께 제거되는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 절연성 지지부재는 실리콘(Si), 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 절연성 지지부재는 산화실리콘 기판과 상기 산화실리콘 기판 상에 형성되어 있는 아몰퍼스 실리콘층을 포함하여 이루어지며,
    상기 복합 구조체를 형성하는 단계는 상기 나노 멤브레인과 상기 아몰퍼스 실리콘층을 접합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 나노 멤브레인은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 질화실리콘을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 복합 구조체를 건조시키는 단계는 100도 이하의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 복합 구조체를 건조시키는 단계와 상기 나노포어를 형성하는 단계 사이에,
    상기 나노 멤브레인을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 나노포어를 형성하는 단계는 전자빔(E-beam)을 이용하여 나노 크기의 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 멤브레인 구조체 제조방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 나노 멤브레인의 중앙부 영역은 수 mm 크기의 정사각형 형태이며, 상기 마이크로포어보다 크기가 큰 것을 특징으로 하는 나노포어 구조체 제조방법.
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