KR101284274B1

KR101284274B1 - 나노채널 구조체를 구비하는 센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101284274B1
Application number: KR1020110132845A
Authority: KR
Inventors: 정희태; 유해욱; 전환진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-07-08
Also published as: KR20130066138A

Abstract

본 발명은 나노채널 구조체를 구비하는 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 패턴화된 고분자 구조체의 외주면에 물리적 이온 식각공정을 통한 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상을 적용하여 목적물질을 부착시킨 목적물질-고분자 복합구조체를 형성시킨 다음, 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 나노채널 구조체를 제조하고, 상기 제조된 나노채널 구조체를 적용함으로써 센서의 감응성을 향상시킨 나노채널 구조체를 구비하는 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 물리적 이온 식각을 통한 이온 봄바드먼트 현상을 적용하여 센서용 채널을 제조함으로써 간단한 공정과 저렴한 비용으로 다양한 선폭과 형태를 가지는 동시에 최대 10nm 수준의 선폭을 가지는 극미세 나노채널 구조체를 제조할 수 있어 뛰어난 감응성을 요하는 센서에 유용하게 사용할 수 있다.

Description

나노채널 구조체를 구비하는 센서 및 그 제조방법{Sensor Having Nano Channel Structure and Method for Preparing the Same}

본 발명은 나노채널 구조체를 구비하는 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 패턴화된 고분자 구조체의 외주면에 물리적 이온 식각공정을 통한 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상을 적용하여 목적물질을 부착시킨 목적물질-고분자 복합구조체를 형성시킨 다음, 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 나노채널 구조체를 제조하고, 상기 제조된 나노채널 구조체를 적용함으로써 센서의 감응성을 향상시킨 나노채널 구조체를 구비하는 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

초소형의 물리, 화학 센서와 기계적 구동소자를 개발하기 위해 고안된 미세기전소자 기술은 초고집적 반도체 기술의 발전에 따라 RLC 수동부품, 고주파 소자, 평면 디스플레이(flat panel display), 광통신 네트워크용 핵심부품에의 적용에 이르기까지 그 응용범위가 나날이 확대되고 있다.

특히, 최근에는 생명과학, 유전공학, 의료진단, 신약개발 분야에서 DNA 시퀀싱(DNA sequencing), 단백질 기능연구, 생체대사 물질, 반응물질의 극미량 측정을 위해 기존의 분석기기들을 미세 유체기술(microfluidics)로써 초소형화, 고성능화하는 유체 MEMS 기술이 활발히 연구되고 있다. 이중 랩-온-칩(lab-on-a-chip)은 DNA 칩, 단백질 칩, 면역분석(immuno assay) 기기 등 바이오 칩의 집적화, 시스템화를 위한 유체 플랫포옴(platform)으로서 개발되고 있다. 이들 소자는 주로 마이크로 전극을 매개로 전기영동(electrophoresis)이나 유전영동(dielectrophoresis)의 원리를 이용하여 반응물이나 액체 및 미세입자의 분리, 추출, 여과, 혼합, 이송의 기능을 수행하므로 다수의 마이크로채널 구조체를 기본으로 한 유체 네트워크로 구성되어 있다.

한편, 초소형 PCR 증폭장치, 미세 반응기 등의 구현을 위해서는 반응물이나 기체 또는 액체의 급속한 가열을 위한 고효율 마이크로 히터가 부가적으로 요구된다. 그리고 마이크로채널 구조체는 미세유체 분석시스템(micro total analysis system), 약물전달 장치, HPLC(high performance liquid chromatography) 등에서 마이크로 펌프(micro pump), 마이크로밸브(micro valve), 센서 등 미세 유체부품을 상호 연결하거나 분리 칼럼(column)으로서 사용되고, CPU, 적외선 소자, 고출력 반도체 레이저 등 전자부품의 냉각을 위한 히트 싱크(heat sink), 열교환기(heat exchanger) 부품으로 적용되고 있다.

이와 같은 다양한 용도를 가진 마이크로채널은 통상 MEMS 기술인, 기판 자체의 가공과 접합을 위주로 하는 벌크 미세가공 기술(bulk micromachining)이나 폴리머 미세가공기술(polymer micromachining), 기판 상부에 박막을 적층 및 식각하는 박막기술을 주로 하는 표면 미세가공 기술(surface micromachining)로써 제작되고 있다.

예를 들면, 실리콘, 유리, 석영 기판을 식각 용액이나 건식 식각, 레이저 절단으로 국부적으로 가공하여 채널 패턴을 형성하고 그 상부에 양극, 용융, 확산접합, 솔더링(soldering) 등으로 다른 기판을 부착하여 마이크로채널을 밀봉한다.

또 다른 형태로는 기판상에 두꺼운 폴리머막을 도포하고 자외선을 조사하여 채널 패턴을 형성한 후 그 위에 다른 기판을 접착하거나, 다시 폴리머막을 도포하고 식각구멍을 패터닝하여 하부의 희생층 폴리머를 제거하여 마이크로채널을 형성한다. 그리고 실리콘 기판상에서 산화막 또는 감광막을 희생층으로 하여 채널이 형성될 부위를 채우고 그 위에 채널 외벽용의 박막을 증착하거나 전기도금한 후 식각액으로 희생층을 제거하여 마이크로채널을 완성하는 방법이 있다. 이외에 기판 상부에 얇은 마스킹 박막을 슬롯(slot) 형태로 패터닝하고 이를 통해 식각용액으로 기판을 이방성 식각하여 채널영역을 형성한 후 박막을 증착하여 입구부를 밀봉하는 방법이 있다.

상기에서 언급한 종래의 기술은 채널 패턴이 식각된 기판 위에 또는 두꺼운 폴리머 필름상에 또 다른 기판을 접합하여 마이크로채널을 형성하기 때문에 접합계면에서 미세기공이 발생하기 쉽고 채널 크기를 조절하기 어려워 폭이 수십 ㎛ 이하인 극미세 마이크로채널 제작에는 적용하기 곤란한 단점이 있다. 또한, 기판을 2 매 사용하므로 제조 공정이 복잡하고 채널 형성재료를 자유로이 선택하기 어려울 뿐만 아니라 마이크로채널 상부에 센서, 액츄에이터, 수동소자, 전자소자 등 부가적인 구조를 반도체 일관공정으로 형성하기 힘든 문제점이 있다. 또한, 실리콘 기판상에 증착 또는 도포된 희생층을 사용하는 경우는 반도체 공정에 의한 희생층 박막을 수 ㎛ 이상 증착하기 어려우므로 채널 깊이가 극히 얇고 채널패턴의 단차에 의해 추후의 노광 공정이 영향을 받게 된다. 그리고 종래의 기판 내부에 채널을 형성하는 방법은 채널 형상이 기판의 결정에 따른 식각율 차이에 의해 결정되고 수십 ㎛ 폭의 비교적 큰 크기의 채널이 형성되는 문제점이 있다.

상기 방법들은 모두 단일 또는 수 개의 마이크로채널 형성 자체에만 주안점을 둔 것으로 반도체 공정에 의한 극미세 마이크로 채널 어레이의 제조와 이를 이용한 추가적인 소자 구조의 집적화에는 적용된 바 없다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 패턴화된 고분자 구조체의 외주면에 물리적 이온 식각공정을 통한 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상을 이용하여 목적물질을 부착시킨 목적물질-고분자 복합구조체를 형성시킨 다음, 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 극미세 나노채널 구조체를 제조할 경우, 다양한 선폭과 형태를 가지며, 최대 10nm 수준의 선폭을 가지는 극미세 나노채널 구조체를 제조할 수 있는 동시에, 상기 극미세 나노채널 구조체를 이용함으로써 센서의 감응성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 다양한 선폭과 형태를 가지며, 최대 10nm 수준의 선폭을 가지는 극미세 나노채널 구조체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 극미세 나노채널 구조체를 구비하는 감응성이 향상된 센서를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 기판상에 목적물질 층과 고분자 층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 고분자 층에 리소그래피 공정을 수행하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적 물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 나노채널 구조체를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 기판상에 고분자 층을 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 패턴화된 고분자 구조체가 형성된 기판상에 목적물질 층을 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 나노채널 구조체를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 기판상에 목적물질 층과 고분자 층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 고분자 층에 리소그래피 공정을 수행하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적 물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 형성하는 단계; (e) 상기 나노채널 구조체가 형성된 기판상에 전극을 증착시키는 단계; 및 (f) 상기 나노채널 구조체 내부에 분석물질과 결합되는 리셉터를 고정시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체의 제조방법가 구비된 센서의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조되는 센서를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 기판상에 고분자 층을 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 패턴화된 고분자 구조체가 형성된 기판상에 목적물질 층을 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 형성하는 단계; (e) 상기 나노채널 구조체가 형성된 기판상에 전극을 증착시키는 단계; 및 (f) 상기 나노채널 구조체 내부에 분석물질과 결합되는 리셉터를 고정시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 센서를 제공한다.

본 발명에 따르면, 물리적 이온 식각을 통한 이온 봄바드먼트 현상을 적용하여 센서용 채널을 제조함으로써 간단한 공정과 저렴한 비용으로 다양한 선폭과 형태를 가지는 동시에 최대 10nm 수준의 선폭을 가지는 극미세 나노채널 구조체를 제조할 수 있어 뛰어난 감응성을 요하는 센서에 유용하게 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노채널 구조체의 제조공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이온 식각공정의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노채널 구조체의 제조공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조공정도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 나노채널 구조체의 SEM 사진으로, (a)는 30,000 배율 사진이고, (b)는 50,000 배율 사진이며, (c)는 150,000 배율 사진이고, (d)는 400,000 배율 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노채널 구조체가 구비된 센서의 성능 측정용 장치의 개략도이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재와 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 층 또는 두 부재 사이에 또 다른 층 또는 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명은 일 관점에서, (a) 기판상에 목적물질 층과 고분자 층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 고분자 층에 리소그래피 공정을 수행하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적 물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 핵심 사상은 물리적으로 충격받은 목적물질의 입자들이 사방으로 이탈되어 튕겨져 나가는 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상을 이용하고, 목적물질 층으로부터 튕겨진 목적물질의 입자들을 외주면에 부착시킬 수 있는 패턴화된 고분자 구조체를 구비한 다음, 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상으로 이탈된 목적물질의 입자들이 부착되어 형성된 목적물질-고분자 복합 구조체에서 고분자만을 제거하여 대면적으로 고 종횡비와 균일성을 가지는 나노채널 구조체를 제조하는 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 나노채널 구조체의 제조방법은 도 1에 나타난 바와 같이, 기판(10)상에 목적물질과 고분자를 순차적으로 도포하여 기판(10)상에 목적물질(15) 층과 고분자(20) 층을 형성시킨다(도 1a). 이때, 상기 기판(110)은 평판으로 리소그래피 공정의 온도와 압력에 의해 물리적 변형이 발생되지 않는 재질이면 사용 가능하고, 바람직하게는 실리콘, 실리콘 산화물, 석영, 유리 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.

상기 목적물질은 최종 제조물인 나노채널 구조체를 이루는 물질을 의미하는 것으로, 후술되는 물리적 이온 식각을 통한 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상을 적용하기 위해 여러 방향으로 이탈될 수 있는 다결정 물질이고, 바람직하게는 금, 백금, 은, 구리, 알루미늄, 징크옥사이드, 크롬, 실리콘 디옥사이드, 인듐틴옥사이드 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.

상기 고분자는 리소그래피 공정에 이용할 수 있는 고분자면 사용 가능하고, 바람직하게는 폴리스타일렌, 키토산, 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명에 있어서, 기판(10)상에 목적물질(15) 층과 고분자(20) 층을 순차적으로 형성하는 방법 중, 목적물질(15) 층을 형성시키는 방법은 일반적으로 화학기상증착법(CVD), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 스퍼터링법(sputterring), 레이저어블레이션법(laser ablation), 전기방전법(arc-discharge), 플라즈마증착법, 열화학 기상증착법 및 전자빔 기상증착법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행되고, 고분자 층을 형성시키는 방법은 스핀코팅 또는 스프레이 코팅하여 형성시킨다.

또한, 본 발명에 있어서, 목적물질(15) 층은 최종 결과물인 나노채널 구조체의 사용목적, 용도 등에 따라 다층으로 형성될 수 있다.

전술된 바와 같이, 목적물질(15) 층 상부에 형성된 고분자 층은 나노임프린트용 몰드(30) 등의 리소그래피 공정(도 1b)을 이용하여 패턴화된 고분자(20) 구조체를 형성시킨다(도 1c). 이때 형성된 고분자 구조체의 형상은 나노 채널의 형상을 결정짓기 때문에 다양한 리소그래피 공정으로 상기 고분자 구조체의 형상을 조절하여 다양한 형상 및 크기의 나노채널 구조체를 용이하게 제조할 수 있다.

상기 리소그래피 공정으로는 통상적인 리소그래피 공정을 사용할 수 있고, 바람직하게는 나노 임프린트, 소프트 리소그래피, 블록공중합체 리소그래피, 광 리소그래피 및 캐필러리 리소그래피로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 방법으로 수행된다.

특히, 리소그래피 공정을 이용하여 패턴화된 고분자 구조체는 추가로 반응성 이온식각(RIE) 조건과 패턴화된 고분자 구조체 주변의 고분자 층에 따라 다양한 형상과 크기로 조절될 수 있다. 예를 들면, 0.1 ~ 0.001 mTorr의 고진공하에서의 반응성 이온식각은 이방성 즉, 하부의 식각만 가능하지만, 0.01 ~ 0.1 Torr 저진공하에서의 반응성 이온식각은 등방성 즉, 사방에서 식각이 진행되기 때문에 패턴화된 고분자 구조체를 추가적으로 저진공하에서 이온 식각하면, 패턴화된 고분자 구조체의 전체적인 높이와 지름의 크기가 줄어들게 된다. 이에, 패턴화된 고분자 구조체 주변의 고분자 층이 모두 제거되고 패턴화된 고분자 구조체만 남은 상태가 된다(도 1d).

또한, 패턴화된 고분자 구조체의 크기조절은 기판상에 코팅된 고분자 층의 두께로 조절할 수 있다. 만약 고분자층의 두께가 얇은 경우 짧은 반응성 이온 식각 시간 동안 고분자 층이 없어지고 패턴화된 고분자 구조체만 남아 짧은 시간에 컵 형상의 고분자 구조체 패턴이 형성되지만, 두꺼운 두께의 고분자 층인 경우에는 오랜 시간 동안 반응성 이온 식각을 수행함으로써, 고분자 구조체가 전체적으로 식각되어 고분자 구조체 패턴의 전체적인 크기도 줄어들게 됨에 따라 고분자 구조체의 지름이 작은 패턴이 제작되게 된다.

본 발명에 있어서, 목적물질-고분자 복합구조체(25)는 목적물질의 물리적 이온 식각을 통한 이온 봄바드먼트 현상(ion bombardment)을 적용하여 전술된 바와 같이 형성된 고분자(20) 구조체의 외주면에 목적물질(15) 입자를 부착시켜 형성한다(도 1e).

상기 이온 봄바드먼트 현상(ion bombardment)은 도 2에 나타난 바와 같이, 아르곤 이온과 같은 이온을 전압차로 가속화시켜 목적물질(15) 층에 물리적 충격을 가하면 충격을 받은 목적물질(15)의 입자들은 높은 에너지의 충격으로 인해 결정방향으로 뜯겨져 나가게 되는 현상을 일컫는다.

본 발명에 있어서, 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 현상을 발생시키기 위한 물적 이온 식각 방법으로는 이온밀링으로 수행된다. 상기 이온밀링은 경이온에 고 에너지를 가해주어 이온 봄바드먼트 현상을 수행할 경우에는 다결정 방향의 넓은 각 분포를 줄여주어 이탈되어 튕겨져나가는 각도가 작아 패턴화된 고분자 구조체 외주면에 목적물질(15) 입자의 부착이 어려우므로, 바람직하게는 0.1mTorr ~ 10mTorr의 공정압력하에서 아르곤 가스 등의 중 기체를 이용하여 플라즈마를 형성한 다음, 상기 플라즈마를 200eV ~ 1,000eV로 가속화하여 물리적 이온 식각공정을 수행한다.

만약, 물리적 이온 식각공정에 있어서, 1,000eV를 초과하는 플라즈마로 가속화하여 이온 식각을 수행하는 경우 목적물질 층으로 목적물질이 이탈되어 튕겨져 나가는 각도가 이온을 입사한 방향과 같은 수직으로 튕겨져 고분자 구조체 외주면에 부착되는 양이 적고, 200eV 미만으로 플라즈마로 가속화하여 이온 식각을 수행하는 경우에는 목적물질 층의 식각 속도가 늦어 작업 효율이 떨어진다는 문제점이 발생된다.

본 발명에 있어서, 중 기체는 아르곤, 헬륨, 질소, 수소, 산소 및 이들의 혼합 기체로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 아르곤이다.

전술된 바와 같이 형성된 목적물질-고분자 복합구조체(25)는 건식 또는 습식 식각으로 고분자(20)만을 제거하여 나노채널 구조체를 제조한다(도 1f). 상기 건식 또는 습식 식각은 고분자를 제거할 수 있는 통상적인 식각 방법으로 수행된다.

또한, 본 발명에 따른 나노채널 구조체의 제조방법은 상기 나노채널 구조체를 제조한 다음, 상기 제조된 나노채널 구조체의 불필요한 목적물질 부분을 이온 식각하여 원하는 패턴화된 나노채널 구조체(35)를 제조할 수 있다(도 1g).

본 발명에 따른 나노채널 구조체의 제조방법은 물리적 이온식각을 통한 이온 봄바드먼트 현상을 이용하여 제조됨으로써 간단한 공정과 저렴한 비용으로 대면적으로 높은 종횡비와 균일성을 가지는 나노채널 구조체를 제조할 수 있고, 고분자 구조체의 패턴을 조절함으로써 다양한 구조체의 제조가 용이한 동시에 대면적으로 두께가 10nm 수준의 균일한 극미세 나노채널 구조체를 형성할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 기판상에 고분자 층을 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 패턴화된 고분자 구조체가 형성된 기판상에 목적물질 층을 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 나노채널 구조체의 제조방법은 기판(10)상에 고분자(20) 층을 도포한 다음(도 3a), 리소그래피 공정(도 3b)을 통하여 패턴화된 고분자(20) 구조체를 형성한다(도 3c). 상기 패턴화된 고분자(20) 구조체가 형성된 기판상에 목적물질(15) 층을 형성시키고(도 3d), 상기 형성된 목적물질 층을 물리적으로 이온 식각하여 봄바드먼트 현상으로 목적물질 입자가 고분자 구조체 외주면에 부착되어 목적물질-고분자 구조체(25)를 형성한다(도 3e). 이렇게 형성된 상기 목적물질-고분자 구조체(25)중 고분자(20)만을 제거하여 나노채널 구조체를 제조한다(도 3f).

상기와 같은 제조방법으로 제조할 경우에는 나노채널 구조체를 제조한 다음, 나노채널 구조체 이외의 목적물질(15)을 제거하는 단계를 추가하지 않아도 되는 장점이 있다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 방법에 의해 제조되고, 상기 나노채널 구조체의 나노채널은 10 ~ 20nm의 선폭과 10nm ~ 200nm 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 나노채널 구조체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 나노채널 구조체는 20nm ~ 50nm 범위의 작은 두께의 목적물질 층을 이온 식각하여 10nm ~ 200nm의 높이와 10 ~ 20nm의 폭을 가지는 나노채널을 대면적으로 균일하게 제조할 수 있어 표면적 증가는 물론 추가적인 식각을 통하여 높이의 조절이 용이함으로써 표면적 증가 또한 조절할 수 있어 센서를 소형화하고 집적화하는데 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 기판상에 목적물질 층과 고분자 층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 고분자 층에 리소그래피 공정을 수행하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적 물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 형성하는 단계; (e) 상기 나노채널 구조체가 형성된 기판상에 전극을 증착시키는 단계; 및 (f) 상기 나노채널 구조체 내부에 분석물질과 결합되는 리셉터를 고정시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 기판상에 고분자 층을 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계; (b) 상기 패턴화된 고분자 구조체가 형성된 기판상에 목적물질 층을 형성하는 단계; (c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; (d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 형성하는 단계; (e) 상기 나노채널 구조체가 형성된 기판상에 전극을 증착시키는 단계; 및 (f) 상기 나노채널 구조체 내부에 분석물질과 결합되는 리셉터를 고정시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하는 단계를 포함하는, 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조방법은 도 4에 나타난 바와 같이, 전술된 방법으로 제조된 나노채널 구조체(35)(도 4a) 주변에 전극(45)을 증착시키고, 상기 나노채널 구조체(35) 내부에 분석물질과 결합하는 리셉터(40)를 고정시켜 센서를 제조한다(도 4b).

상기에서 검출하고자 하는 분석물질(50)은 리셉터에 결합될 수 있는 물질이면 제한 없이 가능하고, 오존, 일산화탄소, 산화황 가스, 산화질소 가스, 중금속, 벤젠고리를 포함하는 파생물질(derivatives) 또는 이들의 가스, 알킬체인을 포함하는 파생물질 또는 이들의 가스, 효소, 단백질, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 암모니아, 용해 산소, 또는 용해 과산화수소를 포함하는 수용성 가스, 용해 옥시테트라사이클린, 용해 테트라사이클린, 용해 이부프로펜, 및 디클로페낙, 에스트라디올, 비스페놀 A, 노닐페놀, 클로람페니콜, 카보퓨란, 디(2-에틸헥실)프탈레이트(DEHP, di(2-ethylhexyl)phthalate), 또는 엔도설판을 포함하는 물질로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 분석물질과 결합하는 리셉터(40)는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 구성된 군에서 선택되고, 작용기에 의해 나노채널 구조체 내부에 부착되거나, 또는 나노물질에 부착되어 나노채널 구조체 내부에 고정화된다. 이때, 작용기는 아민기(amine group), 카르복실기(carboxyl group) 및 티올기(thiol group)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 상기 나노물질은 리셉터(40)와 결합하여 반응면적을 높이며 측정하고자 하는 물질에 대한 민감도를 향상시키는 역할을 하는 것으로, 금, 백금, 팔라듐, 코발트 등과 같은 금속 나노입자, 실리콘, 실리콘옥사이드, 폴리스타일렌, 양자점(quantum dot) 등과 같은 비금속 나노입자, 그래핀 등으로 구성되나, 리셉터 부착이 가능하며, 필름 형태로 구성될 수 있다면, 이에 제한 없이 사용가능하다.

전술된 바와 같은 리셉터(40)는 각각의 나노채널 구조체에 다른 리셉터로 고정화될 수 있고, 이때 고정화방법으로는 드롭 캐스팅(drop-casting) 방법, 딥코팅(dip-coating) 및 기상 증착 방법으로 고정화시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 전극(45)은 외부의 신호 인가 회로와 검출회로에 연결하여 외부에서 전기적 특성의 변화를 관찰할 수 있게 해주는 접착점 역할을 하는 것으로, 나노채널 구조체 내부에서 발생되는 물리적 화학적 반응은 전기적 특성의 변화를 가져오며 이는 전극이라는 외부와의 접착점을 통해 외부에서 검출이 가능하게 한다. 상기 전극은 채널 주변에 증착하게 되며, 증착방법은 화학기상증착방법, 프린팅 방법, 기상증착방법 및 스퍼터링 방법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행되나, 전극을 증착시킬 수 있는 통상적인 방법이면 제한 없이 사용가능하고, 누수전류 최소화를 위해 고분자로 코팅될 수 있다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 제조방법에 의해 제조되고, 상기 나노채널 구조체의 나노채널은 10 ~ 20nm의 폭과 10nm ~ 200nm 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 센서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 나노채널 구조체가 구비된 센서는 10nm ~ 200nm의 높이와 10nm ~ 20nm의 폭을 가지는 나노채널을 구비하고 있어, 자유전자의 평균자유행로(mean free path)보다 작은 선폭으로 인해 대부분의 전자가 채널 표면을 통해 이동함으로써, 소량의 분석물질만으로도 매우 민감하게 검출하고자 하는 목표 물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 기판 표면에 나노채널 구조체가 행렬로 정렬된 배열로 조립할 수 있으므로, 다양한 처리를 통한 여러 가지 물질을 동시에 검출할 수 있는 센서 어레이로서 응용될 수 있다. 이러한 바이오센서는 암진단, 혈당측정, 유해 바이러스 검지, 환경 유해 물질 검지 등에 유용하게 사용될 수 있다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

실시예 1: 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조

1-1: 나노채널 구조체의 제조

유리기판상에 금을 전자-빔 증착법을 이용하여 20nm 두께로 증착한 다음, 폴리스타일렌(5wt%)/톨루엔 혼합물을 스핀코팅한 다음, 톨루엔을 증발시켜 200nm 두께의 폴리스타일렌 층을 형성하였다. 상기 형성된 폴리스타일렌 층을 직육면체 형상이 음각된 나노임프린트용 몰드를 이용하여 폴리스타일렌 구조체의 간격이 400nm 이고, 1mm(길이)×400nm(높이)×400nm(너비)인 폴리스타일렌 구조체를 형성한 다음, 상기 나노임프린트용 몰드를 떼어내고 식혀 패턴화된 폴리스타일렌 구조체를 형성하였다. 이렇게 형성된 폴리스타일렌 구조체 이외의 폴리스타일렌 층은 산소와 테트라플루오로메탄(tetrafluoromethane)을 40:60으로 주입한 반응성 이온식각을 통하여 제거시킨 다음, 유리기판상에 좌회전된 'ㄷ'자 형상의 1mm(길이)×200nm(높이)×400nm(너비)이고, 두께가 15nm인 3차원 금 나노구조체를 제조한 다음, 추가적으로 이온밀링을 가해 1mm(길이)×200nm(높이)×15nm(너비)인 선 형상의 나노 채널 구조체를 제조하였다(도 5).

1-2: 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조

상기 나노채널 구조체가 제조된 기판을 어레이 형태로 제작하여 하나의 칩을 만든 다음, 상기 나노채널 구조체상에 전극을 올리기 위해 가리움 마스크를 이용하였다. 상기 가리움 마스크는 패턴의 양 끝 부분만 열려 있는 형태로 디자인되며 이 마스크를 제작된 나노채널 구조체 위에 덧대고 전자빔 증착기(MHS 1800 Evaporation System)로 금을 증착시켜 나노채널 구조체 양 단부에 전극이 형성되도록 하였다. 이와 같이 전극이 형성된 나노채널 구조체에 드롭 캐스팅(drop-casting)방법을 이용하여 4-methoxy-toluenethiol, 2-mercaptobenzoxazole 및 11-mercapto-1-undecanthiol로 각각 부착시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하였다.

실험예 1: 나노채널 구조체가 구비된 센서의 저항 변화 측정

제작된 센서의 성능을 평하기 위하여 저항을 측정할 수 있는 소켓에 실시예 1의 센서를 장착하였다(도 6). 저항 측정용 소켓은 특정 물질을 기화상태로 흘려줄 수 있는 챔버에 위치하고, 실제 날숨에서의 분석물질 검출 성능을 확인하기 위하여 물, 산소, 이산화탄소를 혼합한 기체를 흘려주고, 센서의 저항 변화를 측정하였다.

그 결과, 혼합기체의 도입에 따라 센서의 저항값이 민감하게 변화됨을 확인할 수 있는 바, 본 발명에 따른 나노채널 구조체를 이용한 경우, 고성능의 화학 센서를 구현할 수 있음을 알 수 있었다.

10: 기판 15: 목적물질
20: 고분자 25: 목적물질-고분자 복합구조체
30: 나노임프린트용 몰드 35: 나노채널 구조체
40: 리셉터 45: 전극
50: 분석물질

Claims

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다음 단계를 포함하는, 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조방법:
(a) 기판상에 목적물질 층과 고분자 층을 순차적으로 형성하는 단계;
(b) 상기 고분자 층에 리소그래피 공정을 수행하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적 물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계;
(d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 형성하는 단계;
(e) 상기 나노채널 구조체가 형성된 기판상에 전극을 증착시키는 단계; 및
(f) 상기 나노채널 구조체 내부에 분석물질과 결합되는 리셉터를 고정시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하는 단계.
다음 단계를 포함하는, 나노채널 구조체가 구비된 센서의 제조방법:
(a) 기판상에 고분자 층을 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 패턴화된 고분자 구조체가 형성된 기판상에 목적물질 층을 형성하는 단계;
(c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계;
(d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 형성하는 단계;
(e) 상기 나노채널 구조체가 형성된 기판상에 전극을 증착시키는 단계; 및
(f) 상기 나노채널 구조체 내부에 분석물질과 결합되는 리셉터를 고정시켜 나노채널 구조체가 구비된 센서를 제조하는 단계.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 리셉터는 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 센서의 제조방법.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 리셉터는 작용기에 의해 기판표면에 부착되거나, 또는 나노물질에 부착되어 나노채널 구조체 내부에 고정화되는 것을 특징으로 하는 센서의 제조방법.
제17항에 있어서, 상기 작용기는 티올, 카르복실기, 아민기 및 이들의 혼합 작용기로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 센서의 제조방법.
제17항에 있어서, 상기 나노물질은 그래핀, 금속 나노입자, 비금속 나노입자 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 센서의 제조방법.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 전극의 증착은 화학기상증착방법, 프린팅 방법, 기상증착방법 및 스퍼터링 방법으로 구성된 군에서 선택되는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 센서의 제조방법.
제14항 또는 제15항의 제조방법에 의해 제조되고, 상기 나노채널 구조체의 나노채널은 10nm ~ 20nm의 폭과 10nm ~ 200nm 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 센서.
하기의 방법에 의해 제조되는 나노채널 구조체로서, 나노채널이 10nm ~ 20nm의 폭과 10nm ~ 200nm 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 나노채널 구조체:
(a) 기판상에 목적물질 층과 고분자 층을 순차적으로 형성하는 단계;
(b) 상기 고분자 층에 리소그래피 공정을 수행하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적 물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 제조하는 단계.
하기의 방법에 의해 제조되는 나노채널 구조체로서, 나노채널이 10nm ~ 20nm의 폭과 10nm ~ 200nm 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 나노채널 구조체:
(a) 기판상에 고분자 층을 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통하여 패턴화된 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 패턴화된 고분자 구조체가 형성된 기판상에 목적물질 층을 형성하는 단계;
(c) 상기 목적물질 층을 이온 식각하여, 상기 고분자 구조체 외주면에 이온 식각된 목적물질이 부착된 목적물질-고분자 복합구조체를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 목적물질-고분자 복합구조체의 고분자를 제거하여 기판상에 나노채널 구조체를 제조하는 단계.