WO2021153818A1 - 나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법 및 나노선 제조 장치, 그리고 상기 방법으로 제조된 나노선 - Google Patents

나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법 및 나노선 제조 장치, 그리고 상기 방법으로 제조된 나노선 Download PDF

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WO2021153818A1
WO2021153818A1 PCT/KR2020/001387 KR2020001387W WO2021153818A1 WO 2021153818 A1 WO2021153818 A1 WO 2021153818A1 KR 2020001387 W KR2020001387 W KR 2020001387W WO 2021153818 A1 WO2021153818 A1 WO 2021153818A1
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WO
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nanopipette
distal end
optical fiber
nanowire
material solution
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PCT/KR2020/001387
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제정호
용문중
양운
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포항공과대학교 산학협력단
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Publication date
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
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    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
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    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a nanowire using a nanopipette, and more particularly, to a method for manufacturing a nanowire connected to a distal end of an optical fiber using a nanopipette, and an apparatus for implementing such a method; And it relates to a nanowire manufactured by the above method.
  • An optical fiber is an optical fiber made so that light transmitted to the center is totally reflected at the interface with the outer part by making the central part (core) of a material with a high refractive index and the outer part (clad) of a material with a low refractive index. Therefore, when light is transmitted through the center of the optical fiber, the transmission loss of data carried on the light is very low and the transmitted light is hardly affected by the external environment, so the optical fiber is widely used in the fields of optical communication and optical sensors. .
  • the optical fiber is generally manufactured with a diameter of 100 to 1000 ⁇ m in the body.
  • those having a core diameter of 10 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m are widely used as standard products. Making the diameter of the optical fiber, especially the diameter of the core smaller than this, has not been utilized because the manufacturing process is difficult.
  • a method for connecting nano-scale nanowires to the ends of optical fibers is being studied.
  • a conventional method of connecting a nanowire to the end of an optical fiber as known in Alessandro Tuniz et al., Nanophotonics, 2018, 7(7), pp1279-1298, a nanowire manufactured by a separate process is directly connected to the optical fiber there is something to do
  • this method there is a disadvantage that a large optical loss may occur at the connection point between the optical fiber and the nanowire.
  • FIG. 1A shows that a separately prepared Ag nanowire is connected to an optical fiber through the conventional method described above.
  • 1B shows that when light is injected at the other end of the optical fiber (Silica), light scattering occurs at the connection point between the optical fiber and the nanowire.
  • the experiment was conducted with light of a wavelength of 785 nm.
  • 1C shows a simulation result for such light scattering.
  • the optical loss is large at the connection point of the nanowire connected to the optical fiber, it is difficult to actually utilize the nanowire thus manufactured.
  • Korean Patent Registration No. 10-1583739 discloses a nanowire photodetector containing lead sulfide quantum dots and poly(3-hexylthiophene).
  • Korean Patent Registration No. 10-1583736 discloses a three-dimensional polymer nanowire optical wiring that blocks light loss by directly growing nanowires at a desired position.
  • the above patent documents are methods of directly growing nanowires, and have disadvantages in that the manufacturing process is complicated and expensive.
  • Korean Patent Registration No. 10-1969844 discloses a method of manufacturing a nanowire connected to an optical fiber using a micropipette.
  • a micro-scale pipette is used.
  • it is essential to coaxially align the axis of the micropipette with the axis of the optical fiber, and to align the distal end of the micropipette with the distal end of the optical fiber. It requires precision and takes a long time.
  • coaxial alignment of the axis of the micropipette and the axis of the fiber goes through two steps.
  • the first step is to align the longitudinal axis of the micropipette with a vertical line (yellow line in FIG. 2 ). This is completed through six steps, as shown in Fig. 2(a).
  • the second step is to align the longitudinal axis of the optical fiber with the vertical reference line of the micropipette.
  • step (i) finds the axis of the optical fiber (i), rotating the optical fiber to align the optical fiber axis vertically on the XZ plane (ii), horizontally moving the optical fiber to match the optical fiber axis with the vertical reference line (iii), rotating the optical fiber to vertically align the axis on the YZ plane (iv)-(v), and horizontally moving the optical fiber to align the axis of the optical fiber with a vertical reference line (vi).
  • a device for rotating the optical fiber about each of the X-axis and the Y-axis and a device for horizontally moving the optical fiber along the X-axis and Y-axis are required.
  • the step of forming a meniscus in a nanowire material solution is essential. That is, since the inner diameter of the micropipette is larger than the diameter of the optical fiber or the nanowire, a meniscus is formed in the liquid nanowire material solution at the end of the micropipette when the end of the micropipette and the end of the optical fiber are approached, and the micropipette is removed. When spaced apart from the end of the optical fiber, the nanowire is manufactured by drawing out the nanowire while maintaining the meniscus and extending it.
  • FIG. 3 is a method for manufacturing a nanowire according to a conventional method.
  • a method of forming a nanowire connected from an optical fiber by separating a pipette and an optical fiber from each other while maintaining a meniscus in a solution at the end of the micropipette. shows
  • the diameter of the solution discharged from the end of the pipette is larger than that of the nanowire. Therefore, when bringing the micropipette into contact with the optical fiber and spaced apart from each other to form nanowires continuously (e.g., fixing the optical fiber and lifting the micropipette), the meniscus to prevent the solution from breaking from the tip of the pipette It is essential to keep the cursor.
  • the diameter of the nanowire is controlled by the moving speed of the micropipette, the speed at which the micropipette is spaced apart must be controlled differently depending on the type of material for manufacturing the nanowire and the external environment at the time of manufacture. , the process of manufacturing the nanowire is very complicated, and precise control is required.
  • FIG. 3A shows the shape of a nanowire by vertically moving the micropipette in a state where the axis of the micropipette and the axis of the optical fiber are coaxially aligned, and the simulation results of light scattering in this case.
  • the nanowire was grown in a state where the axis of the micropipette and the axis of the optical fiber were precisely coaxially aligned, good connection was realized in which light scattering was hardly observed at the connection point of the nanowire.
  • the step of coaxial alignment is essential.
  • the method of manufacturing a nanowire using a micropipette includes the steps of coaxially aligning the axis of the micropipette and the axis of the optical fiber and the meniscus, which control procedures must be very complicated and precise. It can be seen that the step of spaced apart while maintaining is essential.
  • an object of the present invention is to provide a method for forming a nanowire through a simpler and faster process compared to the prior art, and an apparatus for implementing such a method.
  • an embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a nanowire using a nanopipette.
  • the method comprises the steps of: (a) preparing an optical fiber having a distal end; (b) preparing a nanopipette having a distal end having an inner diameter substantially equal to the diameter of the distal end of the optical fiber and into which a portion of the distal end of the optical fiber can be inserted; (c) aligning the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette gripped by the gripping means to one X-Y coordinate value on the X-Y plane; (d) filling a nanowire material solution into the nanopipette aligned with the distal end of the optical fiber; (e) lowering the nanopipette until the nanowire material solution at least contacts the distal end of the optical fiber; and (f) moving the nanopipette away from the distal end of the optical fiber, during which the solvent of the nanowire material solution extending from the
  • the step (e) may further include inserting at least a portion of the distal end of the optical fiber into the distal end of the nanopipette.
  • lowering the nanopipette in step (e) may be moving along the Z-axis of the X-Y plane.
  • moving the nanopipette away from the distal end of the optical fiber in step (f) may be moving in any direction including the Z-axis direction of the X-Y plane.
  • the step (d) may include separating the nanopipette from the gripping means, filling the separated nanopipette with a nanowire material solution, and gripping the filled nanopipette with the gripping means again.
  • the diameter of the body of the optical fiber is larger than the inner diameter of the distal end of the nanopipette, and the optical fiber is thin to a diameter such that a portion of the distal end of the optical fiber can be inserted into the distal end of the nanopipette. It may be formed in a tapered shape.
  • the nanowire material solution is, Polystyrene, Poly(lactic acid) (PLA), Poly(carprolacton) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate , Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Polyvinylidene Fluoride (PVDF), Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA) , Alginate, Glucose, and Dextran may include at least one of a hydrophilic polymer and an organic conductive polymer ( ⁇ -conjugated polymer) selected from the group consisting of.
  • PVP Polyvinylpyrrolidone
  • PVDF Polyvinylidene Fluoride
  • PAA Polyacrylic acid
  • PAM Polyacrylamide
  • PSS Polystyrene, sulf
  • the nanowire material solution may further include a drug exhibiting a pharmacological effect in a predetermined cell, tissue, or blood, and the nanowire formed by the nanowire material solution is formed in the cell, tissue
  • the drug when inserted into blood, the drug may be diffused from the nanowire into the cell, tissue or blood by a predetermined light incident on the optical fiber or by a specific substance in the cell, tissue or blood.
  • the present invention provides a nanowire manufactured by the method for manufacturing a nanowire using a nanopipette as described above.
  • an apparatus for manufacturing a nanowire using a nanopipette comprises: (a) securing means for securing an optical fiber having a distal end; (b) gripping means for gripping the nanopipette having a distal end having an inner diameter substantially equal to the diameter of the distal end of the optical fiber and into which a portion of the distal end of the optical fiber can be inserted; (c) alignment means for aligning the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette gripped by the gripping means to one X-Y coordinate value on the X-Y plane; (d) a filling means for filling the nano-pipette with a nanowire material solution; and (e) lowering the nanopipette filled with the nanowire material solution until the nanowire material solution comes into contact with the distal end of the optical fiber, and then moving the nanopipette away from the distal end of the optical fiber By moving, the solvent of the nanowire material
  • the vertical transfer means may lower the nanopipette until at least a portion of the distal end of the optical fiber is inserted into the distal end of the nanopipette.
  • the charging means may perform a function of separating the nanopipette from the gripping means, filling the separated nanopipette with a nanowire material solution, and gripping the filled nanopipette in the gripping means again. there is.
  • a method for manufacturing a nanowire using a nanopipette includes the steps of: (a) preparing an optical fiber having a distal end; (b) preparing a nanopipette having a distal end having an inner diameter substantially equal to the diameter of the distal end of the optical fiber and into which a portion of the distal end of the optical fiber can be inserted; (c) filling the nanopipette with a nanowire material solution; (d) aligning the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette to one X-Y coordinate value on the X-Y plane; (e) lowering the nanopipette until the nanowire material solution at least contacts the distal end of the optical fiber; and (f) moving the nanopipette away from the distal end of the optical fiber, during which the solvent of the nanowire material solution extending from the distal end of the optical fiber is evaporated to substantially equal the inner diameter of the distal end of the nanopipet
  • step (e) may further include inserting at least a portion of the distal end of the optical fiber into the distal end of the nanopipette.
  • the nanowire manufactured using the nanopipette according to the present invention has high optical coupling efficiency at the connection point between the optical fiber and the nanowire, high-speed and high-efficiency optical transmission technology can be realized.
  • FIG. 1 is a view showing a connection method of an optical fiber and a nanowire according to the prior art.
  • FIG. 2 is a view showing a process of coaxially aligning the axis of the micropipette and the axis of the optical fiber in the prior art.
  • 3 is a view showing a simulation of optical loss at a connection point according to whether or not coaxial alignment is performed in the prior art.
  • Fig. 4 is a diagram defining the shape and terminology of an optical fiber.
  • FIG. 5 is a simplified flowchart of a method for manufacturing a nanowire using a nanopipette according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a contact method between a nanopipette and an optical fiber in a method for manufacturing a nanowire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram for explaining the configuration of an apparatus for manufacturing a nanowire that executes a method for manufacturing a nanowire according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a method of aligning a nanopipette and an optical fiber in a method for manufacturing a nanowire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing an actual process of manufacturing a nanowire.
  • FIG. 10 is a view showing the optical loss at the connection point of the nanowire manufactured according to the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing light scattering at a connection point of a nanowire manufactured according to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a simulation of optical loss in each case of FIG. 11 .
  • FIGS. 13(a) and (b) show the outer diameter of the distal end of the nanopipette
  • FIGS. 13(c) and (d) are views showing the nanowires manufactured using the nanopipette.
  • FIG. 14 is a graph showing the optical coupling efficiency of a nanowire manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • a generally used optical fiber may be manufactured with a constant diameter in the longitudinal direction as shown in FIG. 4A .
  • the diameter of the body 26 including the core and the clad may be 100 ⁇ m or more.
  • the optical fiber may be tapered as shown in FIG. 4 (b) so as to be tapered toward the distal end 25 in order to connect the nanowire to the distal end thereof, and the diameter (D) of the tapered distal end 25 is 500 nm. or less, in particular 100 nm or less, and even 50 nm or less.
  • the optical fiber may even be processed with a diameter close to zero in the form of a cone whose distal end 25 is pointed as shown in FIG. 4(c). However, even in this case, since the diameter of the distal end may not be completely zero, the diameter D of the distal end of the optical fiber may be understood as 100 nm or less and 0 or more.
  • the large amount of light reflection occurring at the connection point of the nanowire means that the amount of light transmitted to the nanowire is reduced. Therefore, it is more preferable that the diameter of the distal end of the optical fiber is small.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a nanowire using a nanopipette according to an embodiment of the present invention.
  • the nanowire manufacturing method according to an embodiment of the present invention consists of the following steps.
  • an optical fiber having a distal end on which a nanowire is to be formed is prepared.
  • a nano-pipette capable of accommodating a nanowire material solution for preparing the nanowires therein and discharging the solution through the distal end is prepared (S10).
  • the inner diameter of the distal end of the nanopipette may be set to be substantially the same as the diameter of the nanowire to be manufactured and to the extent that at least a portion of the distal end of the optical fiber can be inserted.
  • the inner diameter of the distal end of the nanopipette may be directly measured.
  • the inner diameter may be estimated by measuring the outer diameter of the distal end of the nanopipette.
  • the optical fiber may have a tapered shape that tapers toward the distal end, as shown in (b) or (c) of FIG. It may have a diameter (D) of a degree.
  • the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette face each other, for example, the optical fiber has its distal end facing upward from the bottom and the nanopipette has its distal end facing downward from the top, and the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette are aligned to be positioned at the same XY coordinate value on the XY plane (S20).
  • the optical fiber and the nanopipette are vertically positioned vertically with their distal ends facing each other.
  • the nano-pipette is filled with a nanowire material solution (S30).
  • a nanowire material solution may be filled in the nanopipette in a state of being aligned with respect to the optical fiber, or the nanowire material solution may be filled in the nanopipette after the nanopipette is removed from the aligned position.
  • the nanopipette is filled with the nanowire material solution
  • a part of the distal end of the optical fiber is inserted into the distal end of the nanopipette until the nanowire material solution at the distal end of the nanopipette comes into contact with the distal end of the optical fiber.
  • the moving may include lowering the nanopipette along the Z-axis of the X-Y plane.
  • a nanowire is formed by moving the distal end of the nanopipette away from the distal end of the optical fiber (S50).
  • the nanopipette may be raised along the Z-axis of the X-Y plane.
  • the diameter of the formed nanowire may be controlled by controlling the rising speed of the nanopipette.
  • the nanopipette may be moved in a desired direction in order to control the shape and extension direction of the nanowire.
  • nanowire material solution When the nanopipette is raised while the distal end of the optical fiber is inserted into the distal end of the nanopipette and in contact with the nanowire material solution, the nanowire material solution is extended while connected to the distal end of the optical fiber, and the solvent of the nanowire material solution As the nanowires are evaporated, nanowires having substantially the same diameter as the inner diameter of the distal end of the nanopipette are formed.
  • the nanowire material solution is composed of a nanowire material and a solvent.
  • the nanowire material most organic materials may be included.
  • Polystyrene Poly(lactic acid) (PLA), Poly(carprolacton) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate, Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Polyvinylidene Fluoride ( PVDF) hydrophobic polymer selected from the group consisting of, or, Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA), Alginate, selected from the group consisting of Dextran A hydrophilic polymer or the like may be used.
  • an organic conductive polymer ( ⁇ -conjugated polymer) may also be used, which has a property of freely controlling electrical and optical properties through chemical doping.
  • the solvent of the nanowire material solution may be a material that evaporates well, for example, DI water, DMSO, DMF, Toluene, Xylene, THF, EtOH, Chloroform, etc. may be included.
  • the nanowire material solution can be rapidly hardened by being exposed to air during charging or by contacting air through the distal end of the nanopipette, so that the nanowire manufacturing operation needs to be done quickly. Therefore, in this embodiment, an empty nanopipette in which the nanowire material has not yet been filled is used to align it with the optical fiber, the empty nanopipette is separated from the aligned position to fill the nanowire material solution, and the charged nanopipette is removed. A method of forming nanowires by returning them to an aligned position is used.
  • the nanowire material solution filled in the nanopipette is volatilized/evaporated and lost during the alignment step, or is pre-cured before being discharged from the nanopipette, so that the adhesion performance with the distal end of the optical fiber and the optical coupling efficiency are reduced. can be prevented.
  • a method of manufacturing a nanowire by raising and lowering/moving not only the nanopipette but also the optical fiber or only the optical fiber may be considered.
  • the nanowire manufacturing method includes the steps of preparing an optical fiber having a distal end; preparing a nanopipette having a distal end of an inner diameter into which at least a portion of the distal end of the optical fiber can be inserted; filling the nanopipette with a nanowire material solution, and aligning the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette to one X-Y coordinate value on an X-Y plane; lowering the nanopipette until the nanowire material solution at least comes into contact with the distal end of the nanopipette; and moving the distal end of the nanopipette away from the distal end of the optical fiber to form a nanowire.
  • the nanopipette is lowered, at least a portion of the distal end of the optical fiber may be inserted into the distal end of the nanopipette.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a contact method between a nanopipette and an optical fiber in a method for manufacturing a nanowire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A shows a state in which the nanowire material solution is filled in the nanopipette 10, and the optical fiber 20 on which the nanowire is to be formed is positioned under the nanowire material solution.
  • FIG. 6B shows that the distal end 25 of the tapered optical fiber is partially inserted into the distal end 15 of the nanopipette, and the nanowire material solution inside the nanopipette is in contact with the distal end 25 of the optical fiber. show the status When the nanopipette 10 is raised (and/or when the optical fiber 20 is lowered) while the nanowire material solution is in contact with the distal end 25 of the optical fiber inserted into the nanopipette 10 in this way, the nanowire It is grown from the distal end 25 of this optical fiber.
  • the process of coaxially aligning the longitudinal axis of the optical fiber and the longitudinal axis of the nanopipette is omitted.
  • the alignment step in the nanowire manufacturing method of the present invention it is sufficient to align a specific point at the distal end of the optical fiber and a specific point at the distal end of the nanopipette with the same X-Y coordinate value.
  • the alignment method of the present invention can simplify or completely eliminate the procedure of identifying the axis of the optical fiber and the axis of the nanopipette, and rotating each of the optical fiber and the nanopipette in order to match each identified axis with the vertical axis.
  • the nanowire manufacturing method according to the present invention has very high optical coupling efficiency at the connection point between the optical fiber and the nanowire even if the axis of the nanopipette and the axis of the optical fiber are not aligned with each other. Accordingly, it is possible to reduce the need for coaxial alignment of the optical fiber and the nanowire, that is, the coaxial alignment of the optical fiber and the nanopipette. This is a desirable effect obtained by using a nanopipette having an inner diameter substantially equal to the diameter of the nanowire to be manufactured and by inserting the distal end of the optical fiber into the distal end of the nanopipette to form a connection point.
  • the nanowire manufacturing method according to the present invention forms a nanowire having a diameter substantially equal to the inner diameter of the distal end of the nanopipette, there are few restrictions on the vertical ascending speed of the nanopipette and the manufacturing environment.
  • the nanowire manufacturing apparatus configured to implement the nanowire manufacturing method using the nanopipette according to the present invention as described above may include a fixing unit, a holding unit, an alignment unit, and a vertical transfer unit.
  • a charging means may be added.
  • the fixing means 120 fixes the optical fiber 20 to the frame of the nanowire manufacturing apparatus, for example. At this time, the fixing means 120 may hold the optical fiber so that the distal end 25 faces upward. Meanwhile, the fixing means 120 may fix the optical fiber 20 so that the distal end 25 of the optical fiber is positioned at a specific X-Y coordinate value on the X-Y plane. However, if necessary, the fixing means 120 may be implemented to move the position of the distal end 25 of the optical fiber to some extent.
  • the gripping means 110 grips and fixes the nanopipette 10 .
  • the holding means 110 may hold the nanopipette so that the distal end 15 faces downward.
  • the alignment means 130 moves the gripping means 110 in an arbitrary direction to position the distal end 15 of the nanopipette at the X-Y coordinate value on the X-Y plane.
  • the distal end 25 of the optical fiber and the distal end 15 of the nanopipette are aligned to one and the same X-Y coordinate value.
  • the filling means 150 may fill the nanopipette 10 with a nanowire material solution.
  • the charging means 150 separates the nanopipette 10 from the gripping means 110 after the alignment step between the nanopipette and the optical fiber is performed, and inserts the nanowire into the separated nanopipette 10 .
  • the material solution may be filled, and the nanopipette 10 filled with the solution may be implemented to perform a function of gripping the holding means 110 again.
  • the charging means 150 may pre-fill the nanopipette with a nanowire material solution before the nanopipette is aligned with the optical fiber.
  • the vertical transfer means 140 vertically lowers the nanopipette 10 filled with the nanowire material solution, that is, along the Z-axis. At this time, the nanopipette 10 may be lowered until the nanowire material solution comes into contact with the distal end 25 of the optical fiber or until a part of the distal end 25 of the optical fiber is inserted into the distal end 15 of the nanopipette. there is. Then, the vertical transfer means 140 raises the nanopipette 10 in a direction away from the optical fiber 20 , particularly along the Z-axis, or moves it in an arbitrary direction to form a nanowire.
  • FIG. 8(a) shows a state before the nanopipette above and the distal end of each of the optical fibers below have different X-Y coordinate values, before being aligned.
  • Figure 8 (b) shows a state in which the nanopipette is lowered after the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette are aligned to have the same XY coordinate values, and a part of the distal end of the optical fiber is inserted into the distal end of the nanopipette.
  • Figure 8(c) shows the growth of nanowires at the distal end of the optical fiber by moving the nanopipette away from the optical fiber.
  • FIG. 9 is a view showing an actual process of manufacturing a nanowire. From the left, the distal end of the optical fiber and the distal end of the nanopipette are aligned with the same XY coordinate values (positioning), the distal end of the optical fiber is partially inserted into the distal end of the nanopipette (contact), and the nanopipette is raised A state in which a line is formed (pulling) and a state in which the nanowire is formed at the distal end of the optical fiber and the nanopipette is removed (pipette removal) can be seen.
  • connection point of the nanowire manufactured according to the present invention is a view showing the shape of the connection point of the nanowire manufactured according to the present invention, particularly, the shape of the connection point of the nanowire manufactured in a state where the axis of the optical fiber and the axis of the nanopipette are not coaxially aligned, and the optical loss at the connection point.
  • the connection point between the optical fiber and the nanowire has a very smooth shape. Accordingly, as can be seen in the photoluminescence (PL) microscope image shown on the right side of FIG. 10 , almost no light scattering occurs at the junction (junction) (almost no light scattering in the yellow dotted circle).
  • the nanowire formed by the method for manufacturing a nanowire according to the present invention has very high optical coupling efficiency. This is in contrast to the conventional method in which light scattering occurs greatly at the connection point of the nanowires when the coaxial alignment is misaligned (see FIG. 3(b)).
  • FIG. 11 and 12 show light scattering of each nanowire formed when the axis of the nanopipette and the axis of the optical fiber are coaxially aligned and when the axes are not coaxially aligned in the method for manufacturing a nanowire according to an embodiment of the present invention; It is a drawing.
  • the nanowire is manufactured by the manufacturing method of the present invention, when the nanowire is grown with the axis of the nanowire almost coincident with the axis of the optical fiber by coaxially aligning the axis of the nanopipette with the axis of the optical fiber (FIG. 12(a) ) and FIG. 13 (a)), it can be seen that light scattering hardly occurs at the connection point between the nanowire and the optical fiber.
  • the nanowire is the type of the nanowire material or the surrounding environment when the nanowire is grown (eg, the temperature of the pipette, the temperature and/or humidity of the environment to which the nanowire material is exposed, the nanowire material It is not affected by the light incident on the Nanopipette, and only has a diameter substantially equal to the inner diameter (dNP) of the distal end of the nanopipette (dNW ⁇ dNP).
  • the nanopipette may be manufactured as a puller. In this case, adjusting the diameter of the distal end of the nanopipette may be easily accomplished by adjusting the characteristics of the puller.
  • FIG. 13 is an SEM photograph showing the relationship between the outer diameter of the distal end of the nanopipette and the diameter of the nanowire manufactured using the nanopipette.
  • the inner diameter of the distal end of the nanopipette can be controlled by adjusting the outer shape (outer diameter) of the distal end of the nanopipette. Therefore, the diameter of the nanowire can be actually controlled by adjusting the outer diameter of the nanopipette.
  • 13(a) shows the distal end of the nanopipette whose outer diameter is measured to be 360 nm.
  • 13(c) shows that the diameter of the nanowire prepared by using the nanopipette of (a) (ie, a nanopipette having an outer diameter of 360 nm at the distal end) is measured to be 350 nm.
  • FIG. 13 shows a nanopipette with an outer diameter of the distal end measured to be 835 nm.
  • 13(d) shows that the diameter of the nanowire prepared using the nanopipette of (b) was measured to be 830 nm.
  • nanowires having a desired diameter can be manufactured by adjusting the outer diameter (more precisely, the inner diameter) of the nanopipette.
  • the nanowire manufactured according to the present invention has a light coupling efficiency with an optical fiber of 90% or more. Accordingly, the nanowire thus manufactured is suitable for use in an optical wiring that transmits light from an optical fiber to a nanowire direction or receives light from a nanowire to an optical fiber direction. In addition, after transmitting light in the nanowire direction from the optical fiber, it can be used in an optical sensor that receives reflected light of the transmitted light or light generated by the transmitted light again.
  • the optical coupling efficiency is defined as the ratio of the optical power at the tip of the nanowire to the optical power at the tip of the optical fiber under the same condition in which the nanowire is not formed.
  • optical coupling efficiency of a nanowire manufactured according to an embodiment of the present invention is a graph showing the optical coupling efficiency of a nanowire manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the optical coupling efficiency as a function of the input laser power can be calculated.
  • the optical power measured at the tip of the nanowire formed according to the present invention is indicated by the green dot (lowest position).
  • the optical power measured at the end of the optical fiber without nanowires (the optical fiber with tapered ends) is indicated by the blue dot (middle position).
  • the light coupling efficiency calculated by them is indicated by the red dot (highest position). According to this, it is confirmed that the optical coupling efficiency of the nanowire manufactured according to the present invention has a light coupling efficiency of 92% or more with respect to the total power of the input laser. This high optical coupling efficiency proves that the nanowire is sufficient to be utilized as an optical wiring.
  • the nanowire prepared by the method for manufacturing a nanowire according to the present invention can be utilized for intracellular drug delivery (including not only a single cell, but also tissue and/or blood).
  • the nanowire is formed by mixing the drug with the nanowire material solution.
  • the nanowire material or drug may be designed to respond to a specific light. Accordingly, when the specific light is incident through the optical fiber, the nanowire material or drug reacts, so that the drug can be diffused into the cell.
  • the nanowire material or drug may be designed to react with a specific material in the cell. In this case, when the nanowire is inserted into the cell, the drug may be eluted and diffused from the nanowire by a specific substance in the cell.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법은, 말단부를 갖는 광섬유를 준비하는 단계; 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 준비하는 단계; 광섬유의 말단부와 파지 수단에 의해 파지된 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 단계; 광섬유의 말단부와 정렬된 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 단계; 광섬유의 말단부에 나노선 물질 용액이 적어도 접촉될 때까지 나노 피펫을 하강시키는 단계; 나노 피펫을 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 단계를 포함한다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 10.02.2020]　나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법 및 나노선 제조 장치, 그리고 상기 방법으로 제조된 나노선
본 발명은 나노 피펫을 사용하여 나노선을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유의 말단부에 연결되는 나노선을 나노 피펫을 사용하여 제조하는 방법 및 그러한 방법을 구현하기 위한 장치, 그리고 상기 방법에 의해 제조된 나노선에 관한 것이다.
광섬유란, 중심부(코어)는 굴절률이 높은 재질로 그리고 바깥 부분(클래드)은 굴절률이 낮은 재질로 구성됨으로써, 중심부로 전송되는 빛이 바깥 부분과의 계면에서 전반사가 일어나게끔 만들어진 광학적 섬유이다. 따라서, 광섬유의 중심부를 통해서 광을 전송하는 경우, 광에 실린 데이터의 전송 손실이 매우 낮고 또한 전송되는 광은 외부 환경의 영향을 거의 받지 않으므로, 광섬유는 광통신 및 광센서 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.
한편, 광섬유는 몸통부의 직경이 100 내지 1000μm로 제조되는 것이 일반적이다. 특히, 코어 직경이 10μm이고 클래드 직경이 125μm인 것이 표준품으로서 많이 사용되고 있다. 광섬유의 직경, 특히 코어의 직경을 이보다 더 작게 하는 것은 제작 공정이 어려워서 활용되지 않고 있었다.
하지만, 최근에는, 나노 규모의 연구의 필요성으로, 광섬유를 나노 규모로 제조하기 위해서 다양한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 광섬유의 말단에 나노 스케일의 나노선을 연결하는 방법이 연구되고 있다. 광섬유의 말단에 나노선을 연결하는 종래의 방법으로는, Alessandro Tuniz 등, Nanophotonics, 2018, 7(7), pp1279-1298에 공지된 바와 같이, 별도의 공정으로 제조한 나노선을 광섬유에 직접 연결하는 것이 있다. 하지만, 이 방법의 경우에는 광섬유와 나노선의 연결점에서 광손실이 크게 일어날 수 있다는 단점이 있다.
도 1의 A는 상기한 종래의 방법을 통해, 광섬유에 별도로 제조된 Ag 나노선을 연결한 것을 보여준다. 도 1의 B는 광섬유(Silica)의 다른 쪽 끝에 광을 주입할 때, 광섬유와 나노선의 연결점에서 광산란이 일어나는 것을 보여준다. 특히, 여기서는 785nm 파장의 광으로 실험하였다.
도 1의 C는 이와 같은 광산란에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이처럼, 도 1을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 상기 종래의 방법에서는, 광섬유에 연결된 나노선의 연결점에서 광손실이 크기 때문에, 이렇게 제조된 나노선을 실제로 활용하기는 어렵다.
다음, 한국등록특허 제10-1583739호는 황화납 양자점과 폴리(3-헥실티오펜)을 포함하는 나노선 광검출기를 개시한다. 또한, 한국등록특허 제10-1583736호에는 나노선을 원하는 위치에 직접 성장시켜 광손실을 차단하는 3차원 고분자 나노선 광배선에 관해 개시되어 있다. 상기 특허문헌들은 나노선을 직접 성장시키는 방식으로서, 제조 공정이 까다롭고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
한편, 한국등록특허 제10-1969844에서는 마이크로 피펫을 사용하여 광섬유와 연결된 나노선을 제조하는 방법을 개시한다. 상기 방법에서는 마이크로 스케일의 피펫을 사용하고 있다. 하지만, 상기 방법에서는, 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축을 동축 정렬시키고 또한 마이크로 피펫의 말단부와 광섬유의 말단부를 일치시키는 단계가 필수적인데, 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축을 정렬하는 절차는 매우 복잡하고 높은 정밀도를 요구하며 소요 시간이 길다.
구체적으로 설명하면, 마이크로 피펫의 축과 광섬유 축을 동축 정렬하는 것은 2가지 단계를 거치게 된다. 첫번째 단계는, 마이크로 피펫의 길이방향 축을 수직 기준선(Vertical Line; 도 2의 노란색 선)에 정렬하는 단계이다. 이것은, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 6개의 단계를 거쳐 완료된다. 먼저, 마이크로 피펫의 축을 식별하고(i), 피펫의 축을 X-Z 평면상에서 수직하게 정렬시키기 위해 피펫을 회전시키고(ii), 피펫을 수평 이동시킴으로써 피펫의 축을 수직 기준선에 일치시키고(iii), 이어서 또는 위와 동시에, 상기 피펫의 축을 Y-Z 평면상에서 수직하게 정렬시키기 위해 피펫을 회전시키고(iv)-(v), 피펫을 수평 이동시킴으로써 피펫의 축을 수직 기준선에 일치시키는 것(vi)을 포함한다. 이러한 동작을 가능케 하기 위해서는, 피펫을 X축을 중심으로 및 Y축을 중심으로 회전시키기 위한 장치와, 피펫을 X축 및 Y축을 따라 수평 이동시키기 위한 장치가 필요하다.
한편, 두번째 단계는, 광섬유의 길이방향 축을 마이크로 피펫의 수직 기준선에 정렬하는 단계이다. 이것 역시, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 단계(i)에서 단계(vi)까지의 6개의 단계를 거친다. 즉, 광섬유의 축을 찾고(i), 광섬유의 축을 X-Z 평면상에서 수직으로 정렬시키도록 광섬유를 회전시키고(ii), 상기 광섬유를 수평이동시켜 광섬유의 축을 수직 기준선에 일치시키고(iii), 상기 광섬유의 축을 Y-Z 평면상에서 수직하게 정렬시키기 위해 광섬유를 회전시키고(iv)-(v), 상기 광섬유를 수평이동시켜 광섬유의 축을 수직 기준선에 일치시키는 것(vi)을 포함한다. 마찬가지로, 이러한 동작을 위해서도, 광섬유를 X축 및 Y축 각각을 중심으로 회전시키기 위한 장치와, 광섬유를 X축 Y축을 따라 수평이동시키기 위한 장치가 필요하다.
이처럼 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축을 수직 기준선에 동축 정렬시키기 위해서는 마이크로 피펫과 광섬유를 병진 이동 및 회전 이동시킬 수 있는 장치들이 필요하며 이들을 제어하는 과정이 정밀하게 이루어져야 하므로, 동축 정렬에는 시간과 노력이 많이 소요된다.
또한, 상기 종래의 방법에서는, 나노 스케일의 나노선을 형성하는 데에 마이크로 스케일의 마이크로 피펫을 사용하므로, 나노선 물질 용액에 메니스커스를 형성하는 단계가 필수적이다. 즉, 마이크로 피펫의 내경이 광섬유 또는 나노선의 직경보다 크기 때문에, 마이크로 피펫의 말단과 광섬유의 말단을 접근시킬 때, 마이크로 피펫의 말단에서 액상 나노선 물질 용액에 메니스커스를 형성하고, 마이크로 피펫을 광섬유의 말단으로부터 이격시킬 때 상기 메니스커스를 유지하면서 나노선을 인출하여 신장시키는 방식으로 나노선을 제조하게 된다.
도 3은, 종래의 방법에 의한 나노선 제조 방법에 관한 것으로서, 좌측에서는 마이크로 피펫의 말단에서 용액에 메니스커스를 유지하는 채로 피펫과 광섬유를 서로 이격시킴으로써, 광섬유로부터 연결된 나노선을 형성하는 방법을 보여준다. 나노선을 제조하는 데에 마이크로 피펫을 사용하는 경우에는, 피펫의 말단에서 토출되는 용액의 직경이 나노선보다 크다. 따라서, 마이크로 피펫을 광섬유에 접촉시킬 때 및 이들을 서로 이격시켜 나노선을 연속적으로 형성할 때(예를 들면, 광섬유를 고정시키고 마이크로 피펫을 들어올림), 피펫의 말단으로부터 용액이 끊어지지 않도록 메니스커스를 유지시키는 것이 필수적이다. 그뿐만 아니라, 마이크로 피펫의 이동 속도에 의해 나노선의 직경이 조절되기 때문에, 나노선을 제조하는 물질의 종류에 따라서, 또한, 제조시의 외부 환경에 따라서 마이크로 피펫을 이격시키는 속도를 다르게 제어해야 하므로, 나노선을 제조하는 공정이 매우 복잡하고, 정밀한 제어가 필요하게 된다.
한편, 도 3의 (a)는 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축이 동축 정렬된 상태에서 마이크로 피펫을 수직으로 이동시켜 나노선을 형성한 경우의 형상 및 이 경우의 광산란의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축이 정확하게 동축 정렬된 상태에서 나노선을 성장시킨 경우에는, 나노선의 연결점에서 광산란이 거의 관찰되지 않는 양호한 연결이 실현되었다.
반면에, 도 3의 (b)와 같이 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축을 동축 정렬시키지 않고 나노선을 성장시킨 경우에는, 연결점에서 광산란이 크게 발생함으로써 광손실이 커진다. 따라서, 상기 종래의 마이크로 스케일의 피펫을 사용하여 나노선을 제조하는 방법은, 동축 정렬의 단계가 필수적이다.
이처럼, 상기 종래의 방법과 같이, 마이크로 피펫을 사용하여 나노선을 제조하는 방법은, 그 제어 절차가 매우 복잡하고 정밀해야 하는, 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축을 동축 정렬하는 단계와 메니스커스를 유지하면서 이격시키는 단계가 필수적임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은, 종래 기술에 비해 더 간단하고 신속한 공정을 통해 나노선을 형성하는 방법 및 그러한 방법을 구현하는 장치를 제공하고자 한다.
특히, 나노 피펫의 축과 광섬유의 축을 정확하게 일치시키지 않더라도 광섬유의 말단부에 광결합 효율이 높은 나노선을 신속하게 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은: (a) 말단부를 갖는 광섬유를 준비하는 단계; (b) 상기 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 상기 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 준비하는 단계; (c) 상기 광섬유의 말단부와 파지 수단에 의해 파지된 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 단계; (d) 상기 광섬유의 말단부와 정렬된 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 단계; (e) 상기 광섬유의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 적어도 접촉될 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키는 단계; 및 (f) 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 단계 - 이 단계 동안에 상기 광섬유의 말단부로부터 연장되는 상기 나노선 물질 용액의 용매가 증발되어 상기 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선이 형성됨 - 를 포함한다.
여기서, 상기 (e) 단계는, 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부를 상기 나노 피펫의 말단부 내로 삽입하는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계에서 상기 나노 피펫을 하강시키는 것은, 상기 X-Y 평면의 Z축을 따라 이동시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 (f) 단계에서 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 것은, 상기 X-Y 평면의 Z축 방향을 포함하여 임의의 방향으로 이동시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, 상기 파지 수단으로부터 상기 나노 피펫을 분리하고, 상기 분리된 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하고, 상기 충전된 나노 피펫을 상기 파지 수단에 다시 파지시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법에서, 상기 광섬유의 몸통부의 직경은 상기 나노 피펫의 말단부의 내경보다 크고, 상기 광섬유는 상기 광섬유의 말단부의 일부가 상기 나노 피펫의 말단부의 내부로 삽입될 수 있을 정도의 직경까지 가늘어지는 테이퍼 형상으로 이루질 수 있다.
또한, 상기 방법에서, 상기 나노선 물질 용액은, Polystyrene, Poly(lactic acid) (PLA), Poly(carprolacton) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate, Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Polyvinylidene Fluoride (PVDF)로 이루어진 군에서 선택된 소수성 고분자, Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA), Alginate, Glucose, Dextran으로 이루어진 군에서 선택된 친수성 고분자 및 유기 전도성 고분자(π-콘쥬게이티드폴리머) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법에서, 상기 나노선 물질 용액은, 소정의 세포, 조직 또는 혈액 내에서 약리 효과를 나타내는 약물을 더 포함할 수 있고, 상기 나노선 물질 용액에 의해 형성된 상기 나노선이 상기 세포, 조직 또는 혈액 내로 삽입되면, 상기 광섬유에 입사하는 소정의 광에 의하여 또는 상기 세포, 조직 또는 혈액 내의 특정 물질에 의하여, 상기 약물이 상기 나노선으로부터 상기 세포, 조직 또는 혈액 내로 확산될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같은 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법 의해 제조된 나노선을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예에서는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 장치를 제공한다. 상기 장치는: (a) 말단부를 갖는 광섬유를 고정시키는 고정 수단; (b) 상기 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 상기 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 파지하는 파지 수단; (c) 상기 광섬유의 말단부와 상기 파지 수단에 의해 파지된 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 정렬 수단; (d) 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 충전 수단; 및 (e) 상기 나노선 물질 용액이 충전된 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 접촉할 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키고, 이어서, 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시킴으로써, 상기 광섬유의 말단부로부터 연장되는 상기 나노선 물질 용액의 용매가 증발되어 상기 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선을 제조하는 수직 이송 수단을 포함한다.
여기서, 상기 수직 이송 수단은, 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부가 상기 나노 피펫의 말단부 내로 삽입될 때까지 상기 나노 피펫을 하강시킬 수 있다.
또한, 상기 충전 수단은, 상기 파지 수단으로부터 상기 나노 피펫을 분리하고, 상기 분리된 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하고, 상기 충전된 나노 피펫을 상기 파지 수단에 다시 파지시키는 기능을 수행할 수 있다.
추가로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법은: (a) 말단부를 갖는 광섬유를 준비하는 단계; (b) 상기 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 상기 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 준비하는 단계; (c) 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 단계; (d) 상기 광섬유의 말단부와 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 단계; (e) 상기 광섬유의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 적어도 접촉될 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키는 단계; 및 (f) 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 단계 - 이 단계 동안에 상기 광섬유의 말단부로부터 연장되는 상기 나노선 물질 용액의 용매가 증발되어 상기 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선이 형성됨 - 를 포함한다.
더욱, 상기 (e) 단계는, 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부를 상기 나노 피펫의 말단부 내로 삽입하는 것을 더 포함할 수 있다.
상술한 방법에 따른 본 발명의 나노선 제조 방법 및 장치에 의하면, 나노 피펫과 광섬유의 각각의 축 선을 서로 일치시킬 필요가 없이 단지 나노 피펫과 광섬유의 말단부들을 서로 일치시키는 것만으로도, 연결점에서의 광산란이 없고 광결합 효율이 높은 나노선을 제조할 수 있게 된다. 따라서, 이러한 방법 및 장치는, 나노선의 대량 생산에 적합하다.
또한, 본 발명에 따른 나노 피펫을 사용하여 제조된 나노선은 광섬유와 나노선의 연결점에서 광결합 효율이 높으므로, 고속 및 고효율 광전송 기술을 구현할 수 있게 된다.
도 1은, 종래 기술에 따른 광섬유와 나노선의 연결 방식을 보여주는 도면이다.
도 2는, 종래 기술에 있어서 마이크로 피펫의 축과 광섬유의 축을 동축 정렬하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은, 종래 기술에 있어서 동축 정렬 여부에 따른 연결점에서의 광손실을 시뮬레이션하여 보여주는 도면이다.
도 4는, 광섬유의 형태와 용어를 정의하는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법의 간략한 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 제조 방법에서 나노 피펫과 광섬유의 접촉 방식을 보여주는 도면이다.
도 7은, 본 발명에 따른 나노선 제조 방법을 실행하는 나노선 제조 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 제조 방법에서 나노 피펫과 광섬유를 정렬하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는, 나노선을 제조하는 실제 과정을 보여주는 도면이다.
도 10은, 본 발명에 따라 제조된 나노선의 연결점에서의 광손실을 보여주는 도면이다.
도 11은, 본 발명에 따라 제조된 나노선의 연결점에서의 광산란을 보여주는 도면이다.
도 12는, 도 11의 각 경우의 광손실을 시뮬레이션하여 보여주는 도면이다.
도 13의 (a) 및 (b)는, 나노 피펫의 말단부의 외경을 나타내고, 도 13의 (c) 및 (d)는 이러한 나노 피펫을 사용하여 제조된 나노선을 보여주는 도면이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노선의 광결합 효율을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법 및 나노선 제조 장치의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안 될 것이다.
먼저, 도 4를 참조하여, 본 발명에서 사용할, 광섬유의 형태와 용어를 정의한다. 일반적으로 사용되는 광섬유는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 일정한 직경으로 제조될 수 있다. 이러한 일반적인 광섬유는 코어와 클래드를 포함한 몸통부(26)의 직경이 100μm 이상일 수 있다.
한편, 광섬유는, 그의 말단에 나노선을 연결하기 위해서 말단부(25)를 향해 가늘어지도록 도 4의 (b)와 같이 테이퍼링 가공될 수 있는데, 테이퍼링 가공된 말단부(25)의 직경(D)은 500nm 이하일 수 있고, 특히 100nm 이하일 수도 있으며, 심지어는 50nm 이하로 형성될 수 있다. 광섬유는, 심지어 그 말단부(25)가 도 4의 (c)와 같이 뾰족한 원뿔 형태로 직경이 거의 0에 가깝게 가공될 수도 있다. 하지만, 이 경우에도 말단부의 직경이 완전한 0이 아닐 수 있으므로, 광섬유의 말단부의 직경(D)은 100nm 이하이면서 0 이상인 것으로서 이해될 수 있다.
광섬유의 말단부의 직경이 클수록, 그 말단부에서 광반사가 크게 발생할 수 있다. 나노선의 연결점에서 광반사가 크게 발생한다는 것은 나노선으로 전달되는 광의 전송량이 줄어듦을 의미한다. 따라서, 광섬유의 말단부의 직경은 작은 것이 더 바람직하다.
도 5의 흐름도는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 제조 방법은, 다음의 단계들로 구성된다.
먼저, 나노선이 형성될 말단부를 갖는 광섬유를 준비한다. 또한, 나노선을 제조할 나노선 물질 용액을 내부에 수용하고 또한 상기 용액을 말단부를 통해 토출할 수 있는 나노 피펫을 준비한다(S10).
이때, 나노 피펫의 말단부의 내경은, 제조할 나노선의 직경과 실질적으로 동일하게 그리고 광섬유의 말단부의 적어도 일부가 삽입될 수 있을 정도로 설정될 수 있다. 여기서, 나노 피펫의 말단부의 내경은, 직접 측정될 수도 있다. 하지만, 나노 피펫의 말단부에서 그 내경을 측정하는 것은 쉽지 않으므로, 일례로서, 나노 피펫의 말단부의 외경을 측정함으로써 내경을 추정할 수 있다.
한편, 광섬유는, 도 4의 (b) 또는 (c)와 같이, 말단부를 향해 가늘어지는 테이퍼 형상일 수 있으며, 그 말단부는 광섬유의 말단부의 적어도 일부가 나노 피펫의 말단부의 내부로 삽입될 수 있는 정도의 직경(D)을 가질 수 있다.
다음으로, 광섬유의 말단부와 나노 피펫의 말단부를 서로 바라도록, 예를 들면, 광섬유는 하방에서 그의 말단부가 상방을 향하도록 그리고 나노 피펫은 상방에서 그의 말단부가 하방을 향하도록 배치하고, 광섬유의 말단부와 나노 피펫의 말단부가 X-Y 평면상의 동일한 하나의 X-Y 좌표값에 위치하도록 정렬시킨다(S20). 이로써, 광섬유와 나노 피펫은, 그들의 말단부가 서로 바라보는 상태로 수직 상하에 각각 위치하게 된다.
이어서, 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전한다(S30). 예를 들면, 광섬유에 대해 정렬완료된 상태에 있는 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하거나, 나노 피펫을 상기 정렬된 위치로부터 이탈시킨 후에 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전할 수도 있다.
한편, 나노 피펫에 나노선 물질 용액이 충전된 후에는, 나노 피펫의 말단부에 있는 나노선 물질 용액이 광섬유의 말단부에 접촉할 때까지 및/또는 나노 피펫의 말단부에 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 때까지, 상기 나노 피펫을 광섬유를 향하여 이동시킨다(S40). 상기 이동은, 나노 피펫을 상기 X-Y 평면의 Z축을 따라 하강시키는 것을 포함할 수 있다.
마지막 단계로, 나노 피펫의 말단부를 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시킴으로써 나노선을 형성한다(S50). 특히, 광섬유의 말단부에 나노선 물질 용액이 접촉하게 된 후에 나노 피펫을 상기 X-Y 평면의 Z축을 따라 상승시킬 수 있다. 이때, 토출되는 나노선 물질 용액이 끊어지거나 직경이 변하지 않는 정도로 상승 속도를 유지하는 것이 바람직하다. 이때, 나노 피펫의 상승 속도를 제어함으로써, 형성되는 나노선의 직경을 제어할 수도 있다. 다른 실시예에서, 나노선의 형상 및 연장되는 방향을 제어하기 위해 나노 피펫을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있을 것이다.
이렇게 광섬유의 말단부가 나노 피펫의 말단부에 삽입되어 나노선 물질 용액에 접촉한 상태에서, 나노 피펫을 상승시키면, 나노선 물질 용액이 광섬유의 말단부에 연결된 상태에서 연장되게 되고, 나노선 물질 용액의 용매가 증발하면서 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선이 형성된다.
본 발명에서, 나노선 물질 용액은, 나노선 물질과 용매로 구성된다. 나노선 물질로는, 대부분의 유기물이 포함될 수 있다. 특히, Polystyrene, Poly(lactic acid) (PLA), Poly(carprolacton) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate, Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Polyvinylidene Fluoride (PVDF)로 이루어진 군에서 선택된 소수성 고분자, 또는, Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA), Alginate, Dextran으로 이루어진 군에서 선택된 친수성 고분자 등이 사용될 수 있다. 또한, 유기 전도성 고분자(π-콘쥬게이티드폴리머)도 사용될 수 있는데, 이는 화학적 도핑을 통해 전기적, 광학적 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 특성이 있다. 한편, 나노선 물질 용액의 용매는, 증발이 잘 되는 물질이 사용될 수 있는데, 예를 들어 DI water, DMSO, DMF, Toluene, Xylene, THF, EtOH, Chloroform 등을 포함할 수 있다.
따라서, 나노선 물질 용액은, 충전 중에 공기 중에 노출됨으로써 또는 나노 피펫의 말단부를 통해 공기와 접촉함으로 급속하게 경화될 수 있으므로, 나노선 제조 작업은 신속하게 이루어질 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 아직 나노선 물질이 충전되지 않은 빈 나노 피펫을 사용하여 광섬유와 정렬시킨 후, 정렬된 위치로부터 빈 나노 피펫을 이탈시켜 나노선 물질 용액을 충전하고, 충전된 나노 피펫을 다시 정렬된 위치로 복귀시켜 나노선을 형성하는 방법을 사용한다. 이로써, 나노 피펫에 충전된 나노선 물질 용액이, 정렬 단계를 수행하는 동안에 휘발/증발되어 손실되거나, 나노 피펫으로부터 토출되기 전에 미리 경화되어 광섬유의 말단부와의 접착 성능 및 광결합 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 다른 실시예에서, 상기한 바와 같이, 나노 피펫뿐만 아니라, 광섬유도 함께, 또는 광섬유만, 상승 및 하강/이동시켜 나노선을 제조하는 방법도 고려될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서는, 단계(S20)와 단계(S30)를 서로 바꾸어 진행할 수도 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 나노선 제조 방법은, 말단부를 갖는 광섬유를 준비하는 단계와; 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 준비하는 단계와; 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 단계와, 상기 광섬유의 말단부와 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 단계와; 상기 나노 피펫의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 적어도 접촉될 때까지, 상기 나노 피펫을 하강시키는 단계와; 상기 나노 피펫의 말단부를 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시켜 나노선을 형성하는 단계를 포함한다. 특히, 나노 피펫을 하강시킬 때, 나노 피펫의 말단부의 내부로 광섬유의 말단부의 적어도 일부가 삽입될 수 있다.
그 외의 구체적인 부분은, 도 5를 참조하여 설명한 절차들과 유사하므로, 상술한 설명을 참조하여 이해할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 제조 방법에서 나노 피펫과 광섬유의 접촉 방식을 모식적으로 보여주는 도면이다. 도 6의 (a)는 나노 피펫(10)의 내부에 나노선 물질 용액이 충전된 상태이고, 그 하방에 나노선이 형성될 광섬유(20)가 위치한 상태를 보여준다.
도 6의 (b)는 테이퍼 형상인 광섬유의 말단부(25)가 나노 피펫의 말단부(15)의 내부로 일부 삽입되어, 광섬유의 말단부(25)에 나노 피펫 내부의 나노선 물질 용액이 접촉하고 있는 상태를 보여준다. 이렇게 나노 피펫(10)에 삽입된 광섬유의 말단부(25)에 나노선 물질 용액이 접촉하게 된 상태에서 나노 피펫(10)을 상승시키면(및/또는, 광섬유(20)를 하강시키면), 나노선이 광섬유의 말단부(25)로부터 성장된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 나노선 제조 방법에서는, 광섬유의 길이방향 축과 나노 피펫의 길이방향 축을 동축에 정렬시키는 과정이 생략된다. 반면에, 본 발명의 나노선 제조 방법에서의 정렬 단계는, 광섬유의 말단부의 특정 지점과 나노 피펫의 말단부의 특정 지점을 동일 X-Y 좌표값으로 정렬시키는 것만으로 충분하다. 이러한 본 발명의 정렬 방식은, 광섬유의 축과 나노 피펫의 축 각각을 식별하는 절차, 식별된 각 축을 수직축에 일치시키기 위해서 광섬유와 나노 피펫 각각을 회전시키는 절차를 간략화하거나 완전히 제거할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 나노선 제조 방법은, 나노 피펫의 축과 광섬유의 축이 서로 동축으로 정렬되지 않더라도 광섬유와 나노선의 연결점에서 광결합 효율이 매우 높다. 따라서, 광섬유와 나노선의 동축 정렬, 즉, 광섬유와 나노 피펫의 동축 정렬의 필요성을 줄일 수 있다. 이것은, 제조할 나노선의 직경과 실질적으로 동일한 내경을 갖는 나노 피펫을 사용함으로써 및 광섬유의 말단부를 나노 피펫의 말단부 내로 삽입하여 연결점을 형성함으로써 얻어지는, 바람직한 효과이다.
또한, 본 발명에 따른 나노선 제조 방법은, 나노 피펫의 말단부의 내경과 거의 동일한 직경의 나노선을 형성하게 되므로, 나노 피펫의 수직 상승 속도 및 제조 환경에 대한 제약이 적다.
도 7은 본 발명에 따른 나노선 제조 방법을 실행하는 나노선 제조 장치의 구성을 간략하게 설명하기 위한 블록도이다. 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 나노 피펫을 사용한 나노선 제조 방법을 구현하도록 구성된 나노선 제조 장치는, 고정 수단, 파지 수단, 정렬 수단, 및 수직 이송 수단을 포함할 수 있다. 또한, 충전 수단이 추가될 수 있다.
고정 수단(120)은, 예를 들면, 나노선 제조 장치의 프레임에, 광섬유(20)를 고정시킨다. 이때, 고정 수단(120)은 광섬유를 말단부(25)가 상방을 향하도록 파지할 수 있다. 한편, 고정 수단(120)은 광섬유의 말단부(25)가 X-Y 평면상의 특정 X-Y 좌표값에 위치하도록 상기 광섬유(20)를 고정시킬 수 있다. 하지만, 필요에 따라서, 고정 수단(120)은 광섬유의 말단부(25)의 위치를 어느 정도 이동시킬 수 있도록 구현될 수도 있다.
파지 수단(110)은, 나노 피펫(10)을 파지하여 고정시킨다. 이때, 파지 수단(110)은, 나노 피펫을 말단부(15)가 하방을 향하도록 파지할 수 있다.
정렬 수단(130)은, 파지 수단(110)을 임의의 방향으로 이동시켜, 나노 피펫의 말단부(15)를 상기 X-Y 평면상의 상기 X-Y 좌표값에 위치시킨다. 이로써, 광섬유의 말단부(25)와 나노 피펫의 말단부(15)가 하나의 동일한 X-Y 좌표값에 정렬된다.
충전 수단(150)은, 나노 피펫(10)에 나노선 물질 용액을 충전시킬 수 있다. 예를 들면, 충전 수단(150)은, 나노 피펫과 광섬유와의 정렬 단계가 수행된 이후에, 파지 수단(110)으로부터 나노 피펫(10)을 분리하고, 분리된 나노 피펫(10)에 나노선 물질 용액을 충전하고, 용액이 충전된 나노 피펫(10)을 파지 수단(110)에 다시 파지시키는 기능을 수행하도록 구현될 수 있다. 또는, 충전 수단(150)은, 나노 피펫이 광섬유와 정렬되기 전에, 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 미리 충전할 수도 있다.
수직 이송 수단(140)은, 나노선 물질 용액이 충전된 나노 피펫(10)을 수직으로 즉, Z축을 따라 하강시킨다. 이때, 광섬유의 말단부(25)에 나노선 물질 용액이 접촉할 때까지 또는 나노 피펫의 말단부(15)에 광섬유의 말단부(25)의 일부가 삽입될 때까지, 나노 피펫(10)이 하강될 수 있다. 이어서, 수직 이송 수단(140)은, 나노 피펫(10)을 광섬유(20)로부터 멀어지는 방향으로, 특히 Z축을 따라 상승시키거나 임의의 방향으로 이동시킴으로써 나노선을 형성한다.
다음으로, 도 8을 참조하여, 본 발명의 나노선 제조 방법에서 나노 피펫과 광섬유를 정렬하는 방법을 설명한다. 도 8의 (a)는 위에 있는 나노 피펫과 아래에 있는 광섬유 각각의 말단부가 서로 다른 X-Y 좌표값을 갖는 상태로서, 아직 정렬되기 전의 상태를 보여준다. 도 8의 (b)는 광섬유의 말단부와 나노 피펫의 말단부가 서로 동일한 X-Y 좌표값을 갖도록 정렬된 후에 나노 피펫이 하강한 상태로서, 나노 피펫의 말단부에 광섬유의 말단부의 일부가 삽입된 상태를 보여준다. 도 8의 (c)는 나노 피펫을 광섬유로부터 멀어지게 이동시킴으로써 광섬유의 말단부에서 나노선이 성장하는 것을 보여준다.
도 9는, 나노선을 제조하는 실제 과정을 보여주는 도면이다. 좌측으로부터, 광섬유의 말단부와 나노 피펫의 말단부를 서로 동일 X-Y 좌표값으로 정렬시킨 상태(positioning)와, 광섬유의 말단부를 나노 피펫의 말단부 내로 일부 삽입한 상태(contact)와, 나노 피펫을 상승시켜 나노선을 형성하는 상태(pulling)와, 광섬유의 말단부에 나노선이 형성되어 나노 피펫을 제거한 상태(pipette removal)를 볼 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 나노선, 특히 광섬유의 축과 나노 피펫의 축이 동축 정렬되지 않은 상태에서 제조된 나노선의 연결점의 형태 및 상기 연결점에서의 광손실을 보여주는 도면이다. 본 발명에 따라 제조된 나노선은, 광섬유의 축과 나노 피펫의 축이 동축 정렬되지 않았더라도, 도 10의 좌측에 도시된 바와 같이, 광섬유와 나노선의 연결점이 매우 매끄러운 형상을 나타낸다. 이로써, 도 10의 우측에 도시된 광루미니센스(PL) 현미경 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 연결점(정션)에서 광산란이 거의 일어나지 않는다(노란색 점선 원에서 광산란이 거의 보이지 않음).
이는 본 발명에 따른 나노선 제조 방법으로 형성된 나노선은 광결합 효율이 매우 높음을 의미한다. 이것은, 동축 정렬이 어긋난 경우에 나노선의 연결점에서 광산란이 크게 발생했던 종래의 방법과 대비된다(도 3의 (b) 참조).
도 11 및 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 제조 방법에서 나노 피펫의 축과 광섬유의 축이 동축 정렬된 경우와 상기 축들이 동축 정렬되지 않은 경우에 형성된 각각의 나노선의 광산란을 보여주는 도면이다. 본 발명의 제조 방법에 의하여 나노선을 제조할 때, 나노 피펫의 축과 광섬유의 축을 동축 정렬시킴으로써 나노선의 축이 광섬유의 축과 거의 일치한 상태로 나노선이 성장된 경우(도 12의 (a) 및 도 13의 (a) 참조)에는, 나노선과 광섬유의 연결점에서 광산란이 거의 일어나지 않고 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 제조 방법에 의하여 나노선을 제조할 때, 나노 피펫의 축과 광섬유의 축을 동축 정렬시키지 않고 단지 나노 피펫의 말단부와 광섬유의 말단부만을 동일 X-Y 좌표값으로 정렬시킨 후 나노선을 제조함으로써, 나노선의 축이 광섬유의 축과 일치하지 않게 성장된 경우(도 12의 (b) 및 도 13의 (b) 참조)에도, 여전히 나노선과 광섬유의 연결점에서 광산란이 거의 일어나지 않고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 나노선 제조 방법은 제조되는 나노선의 직경(dNP)을 조절하기가 용이하다. 즉, 본 발명에 따르면, 나노선은, 나노선 물질의 종류나 나노선 성장시의 주변 환경(예를 들면, 피펫의 온도, 나노선 물질이 노출되는 주변의 온도 및/또는 습도, 나노선 물질에 입사하는 광 등)에 영향을 받지 않으며, 단지 나노 피펫의 말단부의 내경(dNP)과 실질적으로 동일한 직경으로 제조된다(dNW≒dNP).
나노 피펫은 풀러로 제작될 수 있는데, 이 경우 나노 피펫의 말단부의 직경을 조절하는 것은 풀러의 특성을 조절함에 따라 용이하게 이루어질 수 있다.
도 13은 나노 피펫의 말단부의 외경과 이러한 나노 피펫을 사용하여 제조된 나노선의 직경의 관계를 보여주는 SEM 사진이다. 나노 피펫의 말단부의 내경은 나노 피펫의 말단부의 외부 형태(외경)를 조절함으로써 조절될 수 있다. 따라서, 나노선의 직경은 실제적으로는 나노 피펫의 외경을 조절함으로써 조절될 수 있다.
도 13의 (a)는 외경이 360nm로 측정되는 나노 피펫의 말단부를 보여준다. 도 13의 (c)는 (a)의 나노 피펫(즉, 말단부의 외경이 360nm인 나노 피펫)을 사용하여 제조된 나노선의 직경이 350nm로 측정됨을 보여준다.
또한, 도 13의 (b)는 말단부의 외경이 835nm로 측정되는 나노 피펫을 보여준다. 도 13의 (d)는 (b)의 나노 피펫을 사용하여 제조된 나노선의 직경이 830nm으로 측정됨을 보여준다.
이처럼, 본 발명에 따르면, 나노 피펫의 외경(더욱 정확하게는, 내경)을 조절함으로써 원하는 직경의 나노선을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
그 밖에 상기 방법에서는, 주어진 임의의 직경의 나노 피펫을 사용하되, 단지 나노 피펫의 상승 속도를 증가시킴으로써 나노선의 직경을 나노 피펫의 말단부의 내경보다 감소(dNW<dNP)시키는 것도 가능하다.
본 발명에 따라 제조된 나노선은 광섬유와의 광결합 효율이 90% 이상이다. 따라서, 이렇게 제조된 나노선은, 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신하거나 나노선에서 광섬유 방향으로 광을 수신하는 광배선에 사용되기에 적합하다. 또한, 광섬유에서 나노선 방향으로 광을 송신한 후, 송신한 광의 반사광 또는 송신한 광에 의해 발생한 광을 다시 수신하는 광센서에 사용될 수 있다.
광결합 효율은 나노선 끝에서의 광학 전력과 나노선이 형성되지 않은 동일 조건의 광섬유의 끝에서의 광학 전력의 비율로서 정의된다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노선의 광결합 효율을 보여주는 그래프이다. 여기서, 입력 레이저 전력의 함수로서 광결합 효율을 산출할 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 나노선의 끝에서 측정된 광학 전력은 녹색 점(가장 낮은 위치)으로 표시되었다. 나노선이 형성되지 않은 광섬유(말단부가 테이퍼드된 광섬유)의 끝에서 측정된 광학 전력은 파란색 점(중간 위치)으로 표시되었다. 이들에 의해 산출되는 광결합 효율은 빨간색 점(가장 높은 위치)으로 표시되었다. 이에 의하면, 본 발명에 따라 제조된 나노선의 광결합 효율은 입력 레이저의 전체 전력에 대해 92% 이상의 광결합 효율을 갖는 것으로 확인된다. 이러한 높은 광결합 효율은 나노선이 광배선으로서 활용되기에 충분함을 증명한다.
한편, 추가의 실시예에서, 본 발명에 따른 나노선 제조 방법에 의해 제조된 나노선은 세포(단일 세포뿐만 아니라, 조직(tissue) 및/또는 혈액을 포함함) 내 약물 전달용으로 활용될 수 있다. 이 경우, 나노선 물질 용액에 약물을 혼합하여 나노선을 형성한다. 여기서, 상기 나노선 물질 또는 약물은 특정의 광에 반응하도록 설계될 수 있다. 이로써, 광섬유를 통해 상기 특정의 광이 입사되면, 나노선 물질 또는 약물이 반응하여, 상기 약물이 세포 내로 확산될 수 있다. 또는, 상기 나노선 물질 또는 약물이 세포 내의 특정 물질과 반응하도록 설계될 수도 있다. 이 경우, 나노선이 세포 내로 삽입되면, 상기 세포 내의 특정 물질에 의해 나노선으로부터 약물이 용출되어 확산될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. (a) 말단부를 갖는 광섬유를 준비하는 단계;
    (b) 상기 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 상기 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 준비하는 단계;
    (c) 상기 광섬유의 말단부와 파지 수단에 의해 파지된 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 단계;
    (d) 상기 광섬유의 말단부와 정렬된 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 단계;
    (e) 상기 광섬유의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 적어도 접촉될 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키는 단계; 및
    (f) 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 단계 - 이 단계 동안에 상기 광섬유의 말단부로부터 연장되는 상기 나노선 물질 용액의 용매가 증발되어 상기 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선이 형성됨 - 를 포함하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부를 상기 나노 피펫의 말단부 내로 삽입하는 것을 더 포함하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 나노 피펫을 하강시키는 것은, 상기 X-Y 평면의 Z축을 따라 이동시키는 것인, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 것은, 상기 X-Y 평면의 Z축 방향을 포함하여 임의의 방향으로 이동시키는 것인, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 파지 수단으로부터 상기 나노 피펫을 분리하고,
    상기 분리된 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하고,
    상기 충전된 나노 피펫을 상기 파지 수단에 다시 파지시키는 것을 포함하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유의 몸통부의 직경은, 상기 나노 피펫의 말단부의 내경보다 크고,
    상기 광섬유는, 상기 광섬유의 말단부의 일부가 상기 나노 피펫의 말단부의 내부로 삽입될 수 있을 정도의 직경까지 가늘어지는, 테이퍼 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노선 물질 용액은, Polystyrene, Poly(lactic acid) (PLA), Poly(carprolacton) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate, Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Polyvinylidene Fluoride (PVDF)로 이루어진 군에서 선택된 소수성 고분자, Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA), Alginate, Glucose, Dextran으로 이루어진 군에서 선택된 친수성 고분자 및 유기 전도성 고분자(π-콘쥬게이티드폴리머) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노선 물질 용액은, 소정의 세포, 조직 또는 혈액 내에서 약리 효과를 나타내는 약물을 더 포함하고,
    상기 나노선 물질 용액에 의해 형성된 상기 나노선이 상기 세포, 조직 또는 혈액 내로 삽입되면, 상기 광섬유에 입사하는 소정의 광에 의하여 또는 상기 세포, 조직 또는 혈액 내의 특정 물질에 의하여, 상기 약물이 상기 나노선으로부터 상기 세포, 조직 또는 혈액 내로 확산되는 것을 특징으로 하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 나노선 제조 방법 의해 제조된, 나노선.
  10. (a) 말단부를 갖는 광섬유를 고정시키는 고정 수단;
    (b) 상기 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 상기 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 파지하는 파지 수단;
    (c) 상기 광섬유의 말단부와 상기 파지 수단에 의해 파지된 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 정렬 수단;
    (d) 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 충전 수단; 및
    (e) 상기 나노선 물질 용액이 충전된 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 접촉할 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키고, 이어서, 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시킴으로써, 상기 광섬유의 말단부로부터 연장되는 상기 나노선 물질 용액의 용매가 증발되어 상기 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선을 제조하는 수직 이송 수단;을 포함하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수직 이송 수단은, 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부가 상기 나노 피펫의 말단부 내로 삽입될 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키는 것을 특징으로 하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 충전 수단은,
    상기 파지 수단으로부터 상기 나노 피펫을 분리하고,
    상기 분리된 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하고,
    상기 충전된 나노 피펫을 상기 파지 수단에 다시 파지시키는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 장치.
  13. (a) 말단부를 갖는 광섬유를 준비하는 단계;
    (b) 상기 광섬유의 말단부의 직경과 실질적으로 동일하고 또한 상기 광섬유의 말단부의 일부가 삽입될 수 있는 내경의 말단부를 갖는 나노 피펫을 준비하는 단계;
    (c) 상기 나노 피펫에 나노선 물질 용액을 충전하는 단계;
    (d) 상기 광섬유의 말단부와 상기 나노 피펫의 말단부를 X-Y 평면상의 하나의 X-Y 좌표값에 정렬시키는 단계;
    (e) 상기 광섬유의 말단부에 상기 나노선 물질 용액이 적어도 접촉될 때까지 상기 나노 피펫을 하강시키는 단계; 및
    (f) 상기 나노 피펫을 상기 광섬유의 말단부로부터 멀어지게 이동시키는 단계 - 이 단계 동안에 상기 광섬유의 말단부로부터 연장되는 상기 나노선 물질 용액의 용매가 증발되어 상기 나노 피펫의 말단부의 내경과 실질적으로 동일한 직경의 나노선이 형성됨 - 를 포함하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 광섬유의 말단부의 적어도 일부를 상기 나노 피펫의 말단부 내로 삽입하는 것을 더 포함하는, 나노 피펫을 이용한 나노선 제조 방법.
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