KR102163177B1 - 기상 방식 및 습식 화학 방식의 결합에 의한 화학 반응 - Google Patents

기상 방식 및 습식 화학 방식의 결합에 의한 화학 반응 Download PDF

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Abstract

본 발명은 새로운 특성들을 나타내는 완전히 새로운 타입의 나노입자들을 생성하는 새로운 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명은 이러한 새로운 나노입자들 그 자체로 확장될 수 있으며, 또한 이러한 나노입자들을 치료 요법 및 진단과 같은 다양한 의학적 어플리케이션에 대한 사용으로 확장될 수 있으며 또한 광전자공학의 분야에 대한 사용으로도 확장될 수 있다.

Description

기상 방식 및 습식 화학 방식의 결합에 의한 화학 반응{CHEMICAL REACTION BY COMBINATION OF GAS-PHASE AND WET-CHEMINAL METHODS}
본 발명은, 화학 반응에 관련된 것으로, 보다 더 구체적으로 나노입자들을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 새로운 특성을 보이는 완전히 새로운 타입의 나노입자들을 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 이러한 새로운 타입의 나노입자 그 자체로도 확장될 수 있으며, 광전자공학(opto-electronics) 분야 뿐 아니라, 치료 요법(therapy) 및 진단(diagnosis) 분야 등과 같은 다양한 의료응용 분야에 이러한 나노입자들을 사용하는 것에 대해서도 확장될 수 있다.
나노입자들은 2 내지 약 109 의 원자들 또는 분자들을 포함하는 집합체들이다. 이들은 원자들 및 분자들과 구별되는 특성들을 가지고 있으며, 단 하나의 원자가 더해져도 원자 100개 이하의 양자 사이즈(quantum size regime)에서는 나노입자의 특성들에 있어서 급격한 변화가 나타나게 된다. 보다 더 큰 사이즈(원자 100개 이상)에서는, 상기 특성들은, 사이즈가 점차 커짐에 따라서, 점진적으로 변하게 되며, 벌크 특성들(bulk properties)이 발현되기 시작한다. 이러한 크기에 대한 의존성은, 만약 크기가 충분히 잘 제어될 수 있다면, 매우 잘 제어된 특성들을 가지는 새로운 물질이 가능할 수 있다는 것을 의미한다.
나노입자에 대한 연구는, 의학 분야, 광학 분야 및 전자공학 분야에서의 잠재적인 어플리케이션(application)의 다양성 때문에, 현재 매우 큰 관심을 받고 있는 분야이다. 예를 들어, 실리콘 나노입자들은 마이크로일렉트로닉스(microelectronics) 및 보다 최근에는, 발광소자(light emitters)로써의 사용에 대한 관련성 때문에 주목 받고 있다. 하나의 아이디어는 나노입자들을 이용하여 마이크로일렉트로닉스 분야에서의 전기적 신호 전달(electrical signal transmission)을 광학 신호 전달(optical signal transmission)로 대체하는 것이다. 불행하게도, 결정질 실리콘은 그것의 간접 밴드갭에 기인하여 매우 비효율적인 발광소자이다. 실리콘 나노입자들은, 이와 대조적으로, 그들의 매우 작은 사이즈에 기인하여 준직접 밴드갭(quasi-direct band gap)을 가지며, 이에 따라서, 매우 효율적으로 광을 방출할 수 있다. 다른 아이디어는 나노입자들을 솔라셀들(solar cells)의 에너지 변환을 강화시키기 위하여 사용하는 것으로, 이들의 대부분은 실리콘으로 제조되고 있다. 형광성의 나노입자들은 또한 의학적 진단 및 치료 요법에서의 잠재적인 사용가능성을 가지고 있다. 실리콘 형광 나노입자들은, 실리콘 기반의 나노입자들이 독성이 없다고 간주되고 있고 체내 응용에 적합하기 때문에, 특별히 더 촉망 받고 있다.
나노입자들을 생성하는 데에는 다양한 방법들이 존재하며, 이들은, 나노입자들이 작은 입자들로부터 만들어지는지 혹은 보다 큰 입자들을 쪼개어 만들어지는지 여부에 따라서, 버텀업 방식(bottom-up methods)과 탑다운 방식(top-down methods)으로 분류될 수 있다. 나아가 버텀업 방식은 기상 기반의 방식(gas-phase based methods)과 습식 화학 기반의 방식(wet-chemical based methods)으로 더 분류될 수 있다. 이러한 방법들은 생성된 나노입자들의 물리적 화학적 특성들이 어떻게 제어될 수 있는지에 있어서 서로 구별된다. 이들은 또한 달성될 수 있는 생산율(production rates)에 의해서도 구별된다.
모든 버텀업 방법은 반응하여 나노입자로 성장하게 되는 원자들 또는 분자들 형태의 시작 물질의 공급을 필요로 한다. 나노입자들로 성장하기 위하여, 원자들 또는 분자들은 응집되어야 하는데, 이는, 예를 들어 기상 방식에 있어서, 상기 원자들 또는 분자들이 결합에너지를 초과하는 에너지를 방출하도록 하는 삼체충돌(three-body collisions)을 겪게 되는 임계 밀도에서만 발생할 수 있다. 기상 방식에 있어서, 응결 매질(condensation medium), 예를 들어, 상기 삼체충돌을 조정하는 불활성 버퍼 가스(inert buffer gas)가 종종 제공되며(gas-aggregation method, K. Sattler, J. Muhlbach, E. Recknagel, Phys. Rev. Lett. 45(10), 821 (1980)), 또는 상기 원자들 또는 분자들이 응축하고, 확산하고, 응집하고, 그리고 반응하는 표면이 제공되어 상기 초과 에너지가 상기 표면으로 방출될 수 있다. 예로써, 이온 스퍼터링에 의해 생성된 순수 금속 또는 반도체 증기들은, 추가적인 다른 수단 없이는, 나노입자들의 응집에 요구되는 임계 밀도에 도달할 수 없으며, 나노입자들의 생성은 불가능하다. 반면, 습식 화학 방식은 사용되는 용액들의 높은 밀도에 기인하여 응집 및 반응을 위한 간단한 매질(medium)을 제공한다. 그러나, 통상의 습식 화학 방식에 있어서, 핵생성 중심의 수(the number of nucleation centres)가, 성장이 시작되면, 점진적으로 줄어든다. 따라서, 성장 속도와 핵생성 속도 간의 밸런스가 상기 크기에 있어서 매우 중요하다. 작은 크기를 위해서는 많은 수의 핵생성 중심의 수가 요구되며, 높은 성장속도는 큰 사이즈에 유리하다.
또한 나노입자들의 크기를 제한하기 위하여, 성장은 특정 시점에 억제될 필요가 있다. 이는, 기상 방식에 있어서는 상기 원자들 또는 분자들의 공급을 중지함으로써 달성될 수 있으며, 습식 화학 방식에 있어서는 동적 평형 상태에 도달함으로써 달성될 수 있다. 나아가, 나노입자들의 실용적 사용은 화학적 안정성을 요구하며, 이에 따라 물리적 응집 또는 화학적 변형에 의한 추가적인 성장이 억제되어야 한다.
나노입자들을 생성하기 위한 기상 방식 및 습식 화학 방식 모두는 특정한 잇점과 한계점을 가지고 있다. 그러므로, 나노입자 특성들의 제어를 극대화하기 위해서는, 기상 방식과 습식 방식을 통합하는 장치 및 그에 관련된 방법이 필요하다.
제1 측면에 따르면, 화학 반응을 수행하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 가스를 포함하는 진공 챔버; 및 상기 가스를 통해 상기 진공 챔버로 액체 제트(liquid jet)을 제공하는 피딩 수단;을 포함하며, 사용 시에, 상기 가스의 원자들 및/또는 분자들 및/또는 원자이온들 및/또는 분자이온들이 서로 및/또는 상기 액체 제트의 원자들 및/또는 분자들과 반응하여 반응물(reaction product)을 형성한다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 화학 반응을 수행하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은,
(i) 원자들 및/또는 분자들 및/또는 원자이온들 및/또는 분자이온들을 포함하는 가스를 진공 챔버에 제공하고,
(ii) 상기 가스를 통하여, 상기 진공 챔버에 원자들 및/또는 분자들을 포함하는 액체 제트(liquid jet)을 제공하고,
(iii) 상기 가스의 상기 원자들 및/또는 분자들 및/또는 원자이온들 및/또는 분자이온들이 서로 및/또는 상기 액체 제트의 원자들 및/또는 분자들과 반응하여 상기 진공 속에서 반응물(reaction product)을 형성하도록 하는 것
을 포함한다.
본 발명자들은, 기상 방식 및 습식 방식(즉, 액체 제트)를 결합함으로써, 제1 측면에 따르는 장치 및 제2 측면에 따르는 방법을 이용하여 화학 반응을 수행하는 것이 가능하다는 것을 알아내었다. 종래에는, 이러한 두 가지 타입의 방식을 결합하는 것이 어려웠는데, 이는 금속 또는 반도체의 기화 기술(vaporisation techniques)이 진공을 요구하기 때문이다. 진공을 위하여 요구되는 낮은 압력 하에서, 대부분의 액체들은 존재할 수 없는데, 이는 액상과 가스(기체)상의 공존은 증기 압력 곡선(물에 대해서 도1에 도시된 바와 같은)에 의해 제어되기 때문이며, 이는 어떠한 수단에 의해서든 액체가 높은 진공 또는 매우 높은 진공으로 안내되면 평형 상태에 따라 얼어버리게 되는 일이 발생한다는 것을 보여준다. 실시예들에서 설명되듯이, 본 발명자들은 전술한 문제점을 극복할 수 있는 장치 및 방법을 개발하였다.
본 발명자들이 수행한 바와 같이, 액체들을 진공으로 유입시키고 유지하는 것이 가능하게 됨으로써, 종래에는 발생할 수 없었던 화학 반응들을 가능하게 되었다. 상기 새로운 기술은 또한 반응 단계들을 서로 분리하는 것을 가능하게 하는데, 이는 복합 화합물 나노 구조체들의 제조를 위하여 필요로 하는 정도의 제어를 제공하며, 여기서, 성장은 작은 크기를 유지하도록 제한되어야 한다. 본 발명자들은 이러한 수준의 제어는 종래의 어떠한 방법들 보다도 우수하다는 것을 밝혀내었다. 아울러, 본 발명에 의한 장치는 매우 높은 처리량을 달성해야 하는 산업용으로도 사용될 수 있다.
본 발명에 사용되는 진공은 어떠한 표준 진공 챔버에 의해서도 생성될 수 있다. 상기 진공은 상기 가스가 상기 진공 챔버 내에서 기상으로 존재할 수 있기에 충분한 정도일 수 있다. 예를 들어, 상기 진공은 약10-12 및 1 mbar 사이의 압력에 있을 수 있다.
금속 증기들(metal vapours)은, 금속들이 상온/상압 조건 하에서 고체로 존재하기 때문에, 가스 실린더로부터 유입되는 것이 불가능하다. 결과적으로, 금속을 먼저 기화시켜야 하며, 이는 진공에서만 가능하다. 이와 반대로, 습식 화학 방법에 있어서, 상기 반응물들은 용질로써 유효할 수 있는데, 공지된 용질들의 유효성에 의해 그리고 열역학에 의한 한계점들에 의해 가능성이 제한될 수 있다.
상기 가스는 바람직하게는 증기(vapour), 즉 임계점 보다 낮은 온도에서 기상(gas phase)인 물질 또는 플라즈마일 수 있다. 상기 가스는 금속 원자 증기, 또는 반도체 증기, 또는 분자 증기, 또는 원자 또는 분자 응집체/클러스터를 포함하는 클러스터 증기, 또는 전자 플라즈마, 이온 플라즈마 또는 이온증기를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용되는 금속 증기는 전이 금속, 란탄 계열 원소(lanthanide) 또는 귀금속을 포함하는 금속으로 형성되거나 혹은 이들을 포함할 수 있다.
본 발명에 사용되는 반도체 증기는, 원자일 수 있으며, 또한 반도체로 형성되거나 혹은 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체는 탄소, 실리콘, 게르마늄(geranium), 주석(tin), 납(lead)과 같은 4족 원소, 질화붕소(BN), 인화붕소(BP), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 질화인듐(InN), 인화인듐(InP)과 같은 5족 원소와 반응된 3족 원소, 또는 산화아연(ZnO), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 황화카드뮴(CdS), 셀렌화카드뮴(CdSe) 또는 텔루르화카드뮴(CdTe)과 같은 6족 원소와 반응한 2족 원소일 수 있다.
본 발명에 사용되는 상기 분자 증기는 산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 염화나트륨, 산화마그네슘(Mg2O2), 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다. 그러나, 당업자라면, 이는 예시적인 것일 뿐 이에만 한정되지 않는다는 것을 잘 알 수 있을 것이다.
본 발명에 사용되는 상기 클러스터 증기(cluster vapour)는 Fen, Agn 와 같은 금속 클러스터, 또는 Sin, (GaAs)n, (CdS)n 등과 같은 반도체 클러스터를 포함할 수 있으며, 이들은 다른 공정에서 미리 형성된 것일 수 있다. 당업자라면, 이는 예시적인 것일 뿐 이에만 한정되지 않는다는 것을 잘 알 수 있을 것이다.
상기 가스 또는 증기는 당업자에게 잘 알려진 열처리, 레이저 어블레이션(laser ablation), 스퍼터링, 아크(arcs) 또는 방전(discharges) 등의 방법에 의해 생성될 수 있다.
상기 액체 제트는, 물, 아세트산(acetic acid), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 시클로헥산(cyclohexane), 메탄올(m에탄올(ethanol)), 이소프로판올(isopropanol), n-프로판올(n-propanol), 에탄올(ethanol), 디클로로메탄(dichloromethane), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 톨루엔(toluene), 클로로포름(chloroform), 피리딘(pyridine), 벤젠(benzene), 수소(hydrogen), 질소(nitrogen), 헬륨(helium), 네온(neon), 아르곤(argon), 크립톤(krypton) or 크세논(xenon)을 포함하는 극성 용매 혹은 비극성 용매로 형성되거나 이들을 포함할 수 있다. 당업자에게 전술한 것들은 본 발명에서 사용할 수 있는 액체들에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐 포괄적인 열거를 한 것이 아니라는 것이 자명하다. 바람직하게, 상기 액체 제트는 물로 형성되거나 이를 포함할 수 있다.
상기 액체 제트의 유체 압력은 약 200 bar 또는 100 bar까지일 수 있으며, 바람직하게는 40 bar일 수 있고, 이는 캐필러리(capillary)의 지름 및 길이에 의존한다. 상기 액체 제트는 용액(solution) 또는 현탄액(suspension)을 포함할 수 있다. 동시에 서로 다른 화학 물질들을 운반하는 하나 또는 그 이상의 액체 제트들 또는 가스들은 상기 진공 챔버로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 장치는 하나 이상의 액체 제트 제공 수단을 포함할 수 있다.
상기 액체 제트는 대전될 수 있다. 대전된 액체 제트는 스퍼터 소스 전계와 상호 작용함에 따라, 굴절될 수 있다. 이러한 효과는 상기 제트의 기하학적 구조를 조절하기 위하여 혹은 대전된 입자를 붙히거나 반발시키기 위하여 사용될 수 있다. 상기 효과는 상기 진공 챔버를 통과하는 전도 경로(conduction path)를 제공하거나 혹은 상기 액체 제트로 직접 전하를 주입하는 것을 제어함으로써 상쇄될 수 있다. 이와 반대로, 본 발명에 의한 상기 장치는 전도 경로로써 상기 제트를 활용할 수 있다.
상기 액체 제트는 모든 방향에서 운영(operate)할 수 있으며 또는 배출(expel)될 수 있다. 예를 들어, 상기 액체 제트는 수평에 대하여 실질적으로 평행하거나 혹은 수직하게 혹은 그 사이의 어떠한 각도로도 플로우될 수 있다. 상기 제트는 수평에 대하여 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90도의 각도를 이루고 있을 수 있다. 중력은 상기 제트를 굴절시킬 수 있다. 따라서, 수평에 대하여 평행하게 플로우되는 상기 제트를 운영하는 것은 중력의 작용에 의하여 포물선을 그리는 제트를 형성하게 되며, 반면 수직하게(즉, 수직면 내에서) 상기 제트를 운영하는 것은 이러한 효과를 무시할 수 있게 하며, 모든 제트 속도에 있어서 일정한 제트 길이를 유지할 수 있게 한다. 따라서 실질적으로 수직한 플로우가 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스는 연속된 스트림(stream) 혹은 제트를 형성할 수 있다. 상기 장치는 연속된 스트림을 형성하기 위하여, 상기 가스를 콜리메이팅(collimating)하거나, 채널링(channelling)하거나, 렌징(lensing)하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 이는 상기 액체 제트의 경로를 향해 조준하기 위한 것일 수 있다. 상기 액체 제트의 직경 보다 상기 가스 스트림의 직경이 더 작은 실시예에 있어서, 상기 액체는 무시할 수 있는 유실(wastage) 정도로 모든 가스를 테이크업(take up)할 수 있다. 예를 들어, 콜리메이팅(collimating)하거나, 채널링(channelling)하거나, 렌징(lensing) 장치를 구비한 증발기(evaporator) 혹은 좁은 어피쳐(aperture)를 가진 열 파이프는 상기 가스빔을 상기 액체 제트로 전달할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 있어서, "가스를 통하여(through the gas)" 라는 표현은 상기 액체 제트를 상기 가스(gas jet)와 접촉시키어 실질적으로 모든 상기 가스가 상기 액체에 의해 테이크업되는 것을 의미할 수 있다.
본 발명자들은 가설에 얽매이는 것을 바라지 않고 있으나, 본 발명자들은 상기 가스의 원자 및/또는 분자 및/또는 원자이온 및/또는 분자이온이 상기 액체 제트의 표면과 충돌할 때, 그것은 상기 액체의 인력에 의하여 속도가 느려지고 트랩되게 될 것이다. 이에 따라서, 상기 원자 및/또는 분자 및/또는 원자이온 및/또는 분자이온은 그것과 반응하여 이원자 분자(diatomic molecule)를 형성하는 다른 원자 및/또는 분자 및/또는 원자이온 및/또는 분자이온과 부딪힐 때까지 확산하며, 이에 따라 상기 반응물이 생성되고 상기 화학 반응이 완료될 수 있다. 따라서, 이온 또는 전자가 상기 액체 제트와 충돌할 때, 상기 용매 분자들은 분리되고 용매 분자의 성분 혹은 분리된 조각들과 반응하게 되며, 이에 따라 반응물을 형성하게 된다.
반응성에 의존하여, 상기 원자 및/또는 분자 및/또는 원자이온 및/또는 분자이온은 상기 가스의 다른 원자 및/또는 분자 및/또는 원자이온 및/또는 분자이온과 혹은 상기 액체 제트의 원자 및/또는 분자들과 함께 반응한다. 이어서, 상기 원자 및/또는 분자 및/또는 원자이온 및/또는 분자이온은 후속 원자 혹은 원자들 및/또는 분자 혹은 분자들 및/또는 원자이온들 및/또는 분자이온들과 함께 반응한다.
상기 액체 제트는 액체 필라멘트의 형태로 존재할 수 있으며, 이는 상기 반응물을 형성하기 위하여 가스가 응축되는 넓은 표면적을 가진다. 상기 액체 제트는 액체를 캐필러리(capillary)에 통과시킴으로써 생성될 수 있는데, 이는 난류(turbulent flow)를 사용하거나 동축류(co-flow)를 사용하여 수행될 수 있다. 본 발명에 사용되는 상기 캐필러리의 내측 지름은 1 내지 100 μm일 수 있다. 특히, 상기 캐필러리의 지름은, 적어도 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 100 μm 일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 사용되는 상기 캐필러리는 약 25 내지 50 μm 의 직경을 가질 수 있다. 상기 캐필러리는 용해된 실리카(fused silica)로 만들어질 수 있다. 본 발명에 사용되는 상기 캐필러리의 길이는 1 내지 50 cm의 범위에 있을 수 있다. 특히, 상기 캐필러리의 길이는 적어도 1, 3, 5, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 또는 30 cm 일 수 있다. 바람직하게는 본 발명에 사용되는 상기 캐필러리는 약 22cm이다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 상기 액체 제트는, 상기 제트를 둘러싸는 증기 쉬스(vapour sheath)의 동축류를 통해서 안정화시킴으로써 생성되는 액체 제트를 생성하는 동축류 방법(co-flow method)에 의해 생성될 수 있다. 상기 증기 쉬스는 헬륨 또는 다른 불활성 가스(예를 들어, 질소, 이산화탄소 혹은 아르곤)로 형성될 수 있다.
상기 액체 제트는 상기 제트를 생성하기 위해 사용되는 캐필러리에 의해 상기 진공으로 유입될 수 있다. 얇은 캐필러리를 통해서 상기 액체가 통과하기 위하여 필요한 높은 압력은 아르곤, 질소 혹은 압축 공기와 같은 불활성 배킹 가스(inert backing gas)에 의해 생성될 수 있다. 이러한 가스는, 바람직하게는, 레귤레이터(regulator)를 통하여, 가스 실린더에 연결된 연결 파이프(pipe connection)를 통해 제공될 수 있다.
바람직하게, 상기 장치는, 상기 화학 반응의 결과물이 수집될 수 있는 기판을 포함한다. 상기 기판은, 바람직하게, 173.15 ℃ (100 Kelvin) 이하의 온도에서 유지될 수 있다. 상기 기판은 사용되기 전에, 예를 들어 바람직하게는 액체 질소가 끓어오르는 것이 멈출 때까지 액체 질소에 담금으로써, 혹은 액체 질소 용기 크라이오스탯, 폐순환 냉각기 또는 펠티에 냉각기에 연결함으로써 냉각될 수 있다. 상기 기판은 금속성일 수 있다. 바람직하게 상기 기판은 스테인리스강을 포함한다. 상기 기판은 실질적으로 실린더형, 곡면형 혹은 평면형의 형상을 가질 수 있다. 상기 기판은 바람직하게 그것의 전향면(forward facing surface)을 관통하는 어피쳐(aperture)를 포함하는데, 상기 액체 제트는 이를 통과함으로써, 상기 기판의 후방 내측면(rear inner surface) 상에 화학 반응의 결과물이 수집될 수 있게 된다. 상기 기판은 상기 액체 제트에 대해 실질적으로 수직한 축구조체(axial arrangement)일 수 있다. 상기 기판은 또한 동축구조체(co-axial arrangement)일 수 있다.
상기 반응은 둘 또는 그 이상의 원자들 혹은 원자이온들 사이에서 발생할 수 있다. 그러나, 바람직하게 상기 장치는 나노입자를 형성하는 데 사용될 수 있다. 상기 나노입자는 적어도 10, 20, 30, 40 또는 50개의 원자들 혹은 원자이온들을 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 적어도 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 개의 원자들 혹은 원자이온들을 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 나노입자를 (i) 상기 액체 제트의 표면 상에, (ii) 상기 액체 제트의 표층(surface layer)의 내에, (iii) 상기 액체 제트의 딥 벌크 부피(deep bulk-volume) 내에, 또는 (iv) 상기 기판 상에 형성할 수 있다. 상기 방법은 상기 나노입자를, 바람직하게는 상기 기판 상에 수집하는 것을 포함한다.
"나노입자"라는 용어는 약 0.1 내지 1000 nm 사이의 범위를 가지는 입자들과 같은 나노미터 스케일의 범위를 가지는 입자를 의미한다. "나노입자"라는 용어는 극미세 입자들(1 내지 100 nm 의 범위) 및 미세입자들(100 내지 500 nm의 범위)을 모두 아우른다. 이에 따라서, 상기 나노입자의 평균 지름은 1 nm 와 1000 nm 사이, 1 nm와 750 nm 사이, 1 nm와 500 nm 사이, 1 nm와 250 nm 사이, 혹은 1 nm와 100 nm 사이의 값일 수 있다. 바람직하게, 상기 나노입자의 평균 지름은 1 nm와 50 nm 사이, 1 nm와 25 nm 사이, 1 nm와 15 nm 사이, 1 nm와 10 nm 사이, 1 nm와 5 nm 사이, 1 nm와 3 nm 사이, 혹은 0.5 nm와 3 nm 사이의 값일 수 있다. 본 발명의 상기 장치 및 방법은 원하는 특성을 가지는 매우 작은 사이즈의 나노입자들을 생성하는 것을 가능하게 한다. 바람직하게, 상기 나노입자들은 용액 상태에서 안정할 수 있다. 바람직하게는, 상기 나노입자들은 안정화를 위한 계면활성제가 필요 없다.
상기 장치 및 방법은 복수의 나노입자들을 포함하는 물질의 박막(film)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, (AgnAum)p (이때, n, m 및 p는 1 이상의 실수). 상기 박막의 두께는 적어도 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 혹은 1nm일 수 있다. 상기 박막은 비정질 나노입자들, 결정질 나노입자들 혹은 복합막으로 형성될 수 있다.
상기 액체 제트는 또한 계면활성제가 나노입자들의 응집(agglomeration)을 방지하기 위하여 더해질 때 사용되는 매개(medium)로써 기능할 수 있다. 따라서, 상기 액체 제트는 계면활성제를 포함할 수 있다. 상기 반응 공정에 있어서 매우 초기 단계에 계면활성제를 사용하는 것은 나노입자들의 응집을 즉각 방지할 수 있는 효과를 나타낸다. 사용될 수 있는 계면활성제의 예들은 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone , PVP), 올레산(oleic acid) 또는 구연산(citric acid)을 포함할 수 있다.
기상 방식 및 습식 용액상 방식의 조합은 보다 더 큰 자유도를 제공함으로써, 완전히 새로운 타입의 나노구조체가 생성될 수 있다.
따라서, 제3 측면에 의하면, 상기 제1 측면에 따르는 장치 혹은 상기 제2 측면에 따르는 방법에 의해 생성되거나 생성될 수 있는 나노입자가 제공된다.
특히, 본 발명의 상기 장치 및 방법에 의해 생성된 나노입자들은 종래의 나노입자들과 비교하여 서로 다른 화학 조성 혹은 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 결론적으로, 이러한 새로운 나노입자들의, 예를 들어 전기적, 화학적, 자기적, 광흡수특성을 포함하는 광학적 특성들이 달라질 것이다.
실제로, 본 발명에 기인하여, 본 발명자들은, 처음으로, 다른 용매들에 용해된 형광성의 실리콘 나노입자들을 생성하였는데, 이들은 1년 이상 동안 안정성을 유지하고 있다. 나아가, 본 발명자들은 이러한 나노입자들의 형광 스펙트럼이 사용된 특정 용매에 의존하여 달라지는 것을 알아내었다. 이것은 나노입자들이 그들의 화학적 환경에 민감하다는 것을 보여주며 또한 궁극적으로는 나노입자들이 다른 액체들의 생화학적 조성을 분석하는 데에 사용될 수 잇다는 것을 의미한다. 또한, 본 발명자들은 본 발명의 장치 및 방법에 의해 생성된 새로운 타입의 나노입자들이, 그라파이트(graphite) 표면 상에 증착될 때, 매우 규칙적인 그리드 형상의 패턴으로 정렬될 수 있다는 것을 알아내었다. 상기 그리드 라인들의 이격은 10 nm의 수준이었으며, 이는 마이크로 어레이의 생산 및 물질의 마이크로 구조화에 대한 사용 가능성을 시사한다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 치료 요법 혹은 진단에 사용하기 위한 본 발명의 제3 측면에 따르는 나노입자를 제공한다.
제5 측면에 따르면, 본 발명의 제3 측면에 따르는 나노입자를 치료 요법, 진단 혹은 전자 공학에 사용하는 방법을 제공한다.
나노기술은 약물의 유효성(bioavailability)을 향상시키기 위하여 나노입자들을 발전시키는 것에 초점을 둔 약물 전달 기술에 접근하고 있다. 특히, 다양한 약제에 결합되거나 캡슐화하는 나노입자들은 특이성(specificity)을 향상시킴으로써 약효를 향상시키며 또한 유독성을 줄일 수 있다. 상기 약제는 단백질, 펩티드(peptide), 화학 합성물, 유전적 물질(genetic materials, 즉, 올리고핵산염(oligonucleotide)), 작은 분자 혹은 다른 어떤 활성 분자(active molecule)일 수 있다. 나노입자들은 또한 높은 약물 탑재 능력(high drug loading capacity)을 가지고 있으며, 긴 시간 동안 수용액 환경에서 안정적이며, 무독성 및 비면역원성(non-immunogenic)이고, 아울러 인-비보(in vivo)에 타겟될 수 있다. 아울러, 이들은 신체의 방어 메커니즘을 피할 수 있다. 보다 큰 입자들이 체내로부터 제거될 때, 이들의 크기 때문에, 세포들은 이러한 나노입자들을 받아들일 수 있다. 많은 질병들은 상기 세포 내의 프로세스들에 의존하며, 그리고 세포 내로 유입되는 약물들에 의해 방해될 수 있다.
더욱이, 나노입자들은 이미징제(imaging agents)를 캡슐화하거나 혹은 이에 결합될 수 있어 이들은 자기 공명 영상법(magnetic resonance imaging, MRI), 초음파, 형광 이미징(fluorescence imaging), 공초점 현미경(confocal microscopy) 및 이와 유사한 것들에 의해 비침부방식으로 시각화될 수 있다. 적합한 이미징제들은, 예를 들어, 과불화탄소(perfluorocarbon, PFC )와 같은 불소 화합물(fluorine compound), 및 형광 염료와 같은 형광 라벨(fluorescent labels)을 포함한다.
치료제 및 이미징제는 인캡슐레이션(encapsulation), 공유 결합(covalent conjugation), 물리적 고정화(예를 들어, 정전기적 인력, 소수성 상호작용 등), 층간 흡착(layer-by-layer adsorption) 등을 포함하는 적절한 수단에 의해서 상기 나노입자들 내에 포함될 수 있다. 상기 사용되는 특정 방법은 특정한 물질(particular agent) 및 선택된 나노입자들에 의존적이며, 이러한 방법은 당업자가 선택할 수 있는 사항이다.
나노입자들은 태그(tag)로 작용할 수 있는 생체 분자들에 연결될 수 있으며, 상기 나노입자들이 체내의 특정 부위나 혹은 체내외에 있어서 세포 내의 특정 세포기관으로 이동할 수 있게 되며, 이에 따라 오랜 기간 동안 특정 부위에 대한 생물학적 이용가능성이 극대화될 수 있으며 또는 살아있는 세포 내의 개별 단백질, DNA 혹은 RNA의 이동을 추적할 수 있게 된다. 일반적인 태그들은 단일 클론 항체(monoclonal antibody), 앱타머(aptamers), 스트렙타아비딘(streptavidin) 혹은 펩티드(peptides)일 수 있다. 이러한 표적 물질(targeting agent)은 이상적으로는 상기 나노입자들에 공유 결합되어야 하며 나노입자들 당 제어된 숫자로 존재하여야 한다. 단일 결합 자리(single binding sites)를 가지는 다원자가 나노입자들(multivalent nanoparticles)은 클러스터링(clustering)을 방지하고 개별 단백질들의 행동을 추적하는 데에 유용하다.
전자 공학 분야에서 나노입자를 사용하는 것은 전자기기의 능력이, 그들의 무게와 전력 소모량이 줄어들 수 있는 동시에, 향상되는 것을 의미한다. 예를 들어, 나노입자들을 사용하면, 무게 및 두께를 감소시킴과 동시에 전력 소모를 줄임으로써 전자기기에 구비된 디스플레이 스크린의 성능이 향상될 수 있으며, 메모리 칩의 집적도가 증가되며, 집적회로에 사용되는 트랜지스터의 크기가 줄어들게 된다.
원자들 또는 분자들이 주변 환경에 광범위하게 노출(exposure)될 수 있도록 부피에 대한 면적비가 크기 때문에, 나노입자들은 좋은 촉매제에 사용될 수 있다. 나노입자들을 이용한 잠재적인 촉매제의 응용예는 연고 과정에서의 일산화탄소 산화, 연료 전지에서의 수소 산화 및 정유 산업에서의 메탄-메탄올 변환을 포함한다. 그러나, 전술한 부피에 대한 면적비는, 나노입자들의 전기적 특성을 변화시키며, 외곽에 위치한 원자들 또는 분자들은 벌크 물질에 비하여 더 낮은 수준의 코디네이션(lower coodination)을 가지게 되며, 이는 그들을 보다 더 반응성이 높아지도록 만든다. 결과적으로, 나노입자들로 덮혀진 표면들은 그렇지 않은 평탄한 표면들에 비하여 보다 더 많은 반응 사이트(reactive sites)를 가지게 된다. 게다가, 양자 사이즈의 범위에 있어서, 하나의 원자, 분자, 원자이온 또는 분자이온을 나노입자에 더하거나 혹은 나노입자로부터 제거하는 것은 그것의 반응성을 급격하게 변화시킬 수 있어, 크기의 조절은 촉매 활성(catalytic activity)을 조절하는 매우 강력한 방법이다.
나노입자들은 솔라셀의 효율을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 솔레셀들은 빛을 모두 수집할 수 있을 정도로 매우 얇기 때문에 현재의 솔라셀의 커런트 스테이트(current state)를 통과하는 많은 빛들은 여전히 사용되지 않고 있다. 나노입자들은 광산란체(light scatterer)로써의 가능성을 보이는데, 이는 나노입자들이 솔라셀의 광활성영역(photo-active region)으로 빛을 안내하는 데 사용될 수 있기 때문이다. 게다가, 솔라셀의 분광 감도(spectral sensitivity)가, 광파장 변환자(wavelength shifters)로써 작용할 수 있는, 즉 UV영역의 광을 흡수하여 솔라셀의 흡수영역과 겹치는 형광을 방출하는, 형광 나노입자들을 사용함으로써, 보다 더 향상될 수 있다.
나노입자들은 리튬 이온 배터리의 양극 물질로써 응용될 수 있다. 실리콘 나노입자들은 그들의 팽창능력 때문에 많은 양의 리튬 원자들을 저장할 수 있다. 이는 리늄 배터리의 성능을 향상시킨다.
몇몇 추가적인 측면에 의하면, 화학 반응을 수행하는 장치가 제공된다. 상기 장치는, 가스를 포함하는 진공 챔버, 및 상기 가스를 통과하여 상기 진공 챔버 내부로 제공되는 액체 제트를 제공하는 피딩 수단을 포함할 수 있으며, 사용시에, 상기 가스의 원자들 및/또는 분자들은 서로 및/또는 상기 액체 제트의 원자 및/또는 분자와 함께 반응하며, 이로써 반응 결과물을 생성할 수 있다.
상기 장치는 상기 가스 및/또는 액체 제트의 원자/분자/원자이온 혹은 분자이온이 서로 반응할 수 있도록 하기 위하여 구성될 수 있다.
다른 측면에 의하면, 본 발명은 화학 반응을 수행하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 다음을 포함한다.
(i) 진공 챔버에 원자들 및/또는 분자들을 포함하는 가스를 제공하는 것,
(ii) 상기 가스를 통하여 상기 진공 챔버 내로 원자들 및/또는 분자들을 포함하는 액체 제트를 제공하는 것,
(iii) 상기 가스의 상기 원자들 및/또는 분자들이 서로 및/또는 상기 액체 제트의 상기 원자들 및/또는 분자들과 반응하도록 하여, 상기 진공 내에서 반응 결과물을 생성하도록 하는 것.
여기서 설명하는 모든 특징들(청구항, 요약 및 도면을 포함하여), 및/또는 개시되는 모든 방법 및 공정의 단계들은, 상호 배척될 수 있는 특징들 및/또는 단계들의 조합을 제외하고는, 어떠한 조합으로도 전술한 본 발명의 다양한 측면들과 조합될 수 있다.
본 발명자들은, 의학, 광학 및 전기 공학 분야를 포함하는 광범위한 분야에서 사용될 수 있는 나노입자들을 생성하기 위한 새로운 방법을 개발하였다. 상기 방법은, 나노입자들을 생성하기 위하여, 기상 방식 및 습식 화학 방식을 결합하는 방식을 포함하고 있다. 그러나, 본 발명자들은, 금속 또는 반도체의 기화 기술은 진공을 필요로 하고 있고 또한 대부분의 액체들은 요구되는 매우 낮은 압력에서는 존재할 수 없기 때문에, 전술한 두 타입의 방법들이 결합되는 것이 매우 어렵다는 것을 알아내었다. 이는 액상과 기상의 공존은 증기 압력 곡선을 따르기 때문이다. 진공에 놓여진 액체, 예를 들어 물은, 금속 또는 반도체 증기의 생성에 요구되는 수준으로 압력이 낮아지게 되면, 일반적으로 고체화된다.
도 1을 참조하면, 압력과 온도의 관계를 도시하는 전형적인 증기압력 곡선이 도시되어 있다. 2x10-2 mbar의 압력(즉, 진공 장치에서 실리콘을 스퍼터하기 위해 요구되는 압력)에서, 그에 대응되는 물과 같은 액체의 온도는 어는점 이하일 수 있다. 이는 어떠한 수단에 의해서든 액체가 높은 진공 혹은 매우 높은 진공으로 유입되면 평형 상태에서는 고체화가 될 것이라는 것을 알 수 있게 해준다. 따라서, 본 발명자들은 전술한 문제점들을 극복하기 위한 새로운 장치를 개발하였다.
도 1은, 낮은 압력에 있는 액체의 온도가 어는 점 이하인 경우를 도시하고 있는 전형적인 증기압력 곡선을 도시하는 도면이다.
도 2는, 나노 입자들을 생성하는 데 사용되는 미세 액체 제트를 포함하는 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은, 유리용기(glassware), 고무 마개(rubber bung) 및 스크롤 펌프(scroll pump)로 이루어진 진공 시스템의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4는, 액체 제트를 생성하고, 저온 타겟(cold target) 상에 함께 증착(deposition)하기 위한 실험 장치(experimental setup)를 도시하는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 장치 및 방법을 이용하여 생성된, 물 속에 있는 실리콘 나노입자들의 전형적인 형광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 6은, 물, 에탄올 및 이소프로판올을 포함하는 액체 제트를 이용하여 본 발명의 장치 및 방법을 사용해 생성된 실리콘 나노입자?? 전형적인 형광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 7은, 물을 포함하는 액체 제트를 사용하여 본 발명의 장치 및 방법에 따라 생성된 실제 실리콘 나노입자들을 도시하는 도면이다.
도 8은, 도 7에 도시된 나노입자들과 동일한 방식으로 생성된 실리콘 나노입자들의 박막을 도시하는 도면이다.
이하에서는, 본 발명에 대한 상세한 설명을 위하여, 그리고 본 발명의 실시예들이 어떠한 효과를 낼 수 있는지를 설명하기 위하여, 첨부하는 도면들을, 예시적으로 참조하여 설명할 것이다.
[실시예]
본 발명은 이하의 실시예를 설명하는 방식으로 설명될 것이다.
본 발명자들은, 의학, 광학 및 전기 공학 분야를 포함하는 광범위한 분야에서 사용될 수 있는 나노입자들을 생성하기 위한 새로운 방법을 개발하였다. 상기 방법은, 나노입자들을 생성하기 위하여, 기상 방식 및 습식 화학 방식을 결합하는 방식을 포함하고 있다. 그러나, 본 발명자들은, 금속 또는 반도체의 기화 기술은 진공을 필요로 하고 있고 또한 대부분의 액체들은 요구되는 매우 낮은 압력에서는 존재할 수 없기 때문에, 전술한 두 타입의 방법들이 결합되는 것이 매우 어렵다는 것을 알아내었다. 이는 액상과 기상의 공존은 증기 압력 곡선을 따르기 때문이다. 진공에 놓여진 액체, 예를 들어 물은, 금속 또는 반도체 증기의 생성에 요구되는 수준으로 압력이 낮아지게 되면, 일반적으로 고체화된다.
도 1을 참조하면, 압력과 온도의 관계를 도시하는 전형적인 증기압력 곡선이 도시되어 있다. 2x10-2 mbar의 압력(즉, 진공 장치에서 실리콘을 스퍼터하기 위해 요구되는 압력)에서, 그에 대응되는 물과 같은 액체의 온도는 어는점 이하일 수 있다. 이는 어떠한 수단에 의해서든 액체가 높은 진공 혹은 매우 높은 진공으로 유입되면 평형 상태에서는 고체화가 될 것이라는 것을 알 수 있게 해준다. 따라서, 본 발명자들은 전술한 문제점들을 극복하기 위한 새로운 장치를 개발하였다.
<제1 실시예: 프로토 타입의 제작>
금속 또는 반도체 증기의 생성에 요구되는 매우 낮은 기압에서 진공에 놓여진 액체가 일반적으로 고체화된다는 난제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 액체 제트의 사용을 조사하기로 결정하였다. 이와 같은 제트들은 진공을 요구하는 기술을 사용하여 액체의 미세 특성들(microscopic properties)을 연구하기 위하여 1980년대에 처음으로 연구되었다. 실험예들은 전자 분광법(electron spectroscopy) 또는 소프트 엑스레이 스캐터링(soft X-ray scattering)이다. 파우벨(Faubel)과 그 동료들은 2000 이상의 레이놀즈수를 획득하기 위한 노즐/캐필러리의 전에 높은 유체압력을 가지는 난류(turbulent flow)를 사용하여 진공 내에서 성공적으로 액체 제트를 생성한 것을 처음으로 보고하였다(Faubel M et al. (1988) Zeitschrift fur Physik D Atoms 10: 269). 그 이후 파부엘 및 그 동료들에 의한 기술은 다른 그룹들에 의해서도 적용되어 왔다. 동축류 방법은 스펜스(Spence) 및 그 동료들에 의해서 채택되었다(Weierstall U et al. (2008) Experiments in Fluids 44: 675). 그들은 물 액체 제트를 형성하기 위하여 헬륨 가스의 쉬스(sheath)를 사용하였다. 그러나, 헬륨의 사용은 상기 장치의 진공 펌프에 높은 가스 부하(gas load)를 부과하였다.
그러나, 액체 제트(26)을 사용하여, 본 발명자들은, 냉각 속도를 줄여 액체가 안정한 비고체 상태(stable non-frozen state)를 유지하였기 때문에, 고체화를 방지할 수 있었다. 상기 액체 제트(26)가 그들이 증착되는 저온 타겟(cold target, 4)에 도달한 이후에야 고체화가 발생하였다. 액체 제트(26)를 사용에 의한 중요한 효과는 상기 진공(24)으로 용액이 전달되는 것을 가능하게 한다는 것에 있다. 예를 들어, 증발법(evaporation)은 용질과 용매를 서로 분리시켜버리기 때문에 이러한 것을 달성할 수가 없다. 전기스프레이(electrospray)와 같은 다른 방법들은 매우 낮은 처리량을 가지며 또한 상기 용액을 대전시키는데, 이는 이들을 작은 드랍릿(droplit)으로 쪼개기 때문이다. 그러므로, 액체 제트(26)의 유효성은 진공(24)으로 용액을 전달하는 방식으로 확립되었고, 이는 나노구조체의 성장을 위한 유용한 반응의 범위를 획기적으로 확장하였다.
그러므로, 프로토타입 장치(20)는 본 발명자들에 의하여, 액체상태에서 나노구조체 성장을 시키기 위한 성분(ingredients)을 진공(24) 내로 전달할 수 있는 미세 제트(26)의 제공과 동시에 이온 스퍼터링과 같은 진공을 요구하는 다른 공정들이 영향을 받지 않도록 하는 것이 가능하다는 것을 보여주기 위하여 제조되었다. 본 발명자들은 실리콘, 은 및 철 나노입자들의 생성을 실험하였다.
<장치의 컨셉>
나노입자들(32)의 생성에 전술한 요구사항을 만족시키기 위한 장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 설계되었다. 상기 장치(20)는 진공(24)을 포함하는 진공 챔버(22)를 포함한다. 상기 챔버(22)는, 또한 열처리 혹은 이온 스퍼터링에 의해 획득될 수 있는 금속 또는 반도체 증기와 같은 증기(2) 및 마이크로 제트(26)를 포함하고 있다. 스퍼터링은 진공(24)에서 금속 또는 반도체로부터 증기를 형성하는 데 사용되는 일반적인 공정이 사용된다. 스퍼터링 공정을 수행하기 위하여, 스퍼터링 가스가 사용되었으며, 아르곤 및 스퍼터링 타겟(66)이 사용되었다. 저온 타겟(4) 상에 나노입자들(32)을 증착하기 전에, 아르곤 실린더(30)에 연결된 가스 유입 밸브(28)를 오픈하여 진공 챔버(22)내에 2x10-2 mbar의 압력에 아르곤 가스 분위기를 형성하였다. 이 압력은 스퍼터링을 이그나이트(ignite)하기에 일반적으로 사용되는 압력이며, 이는 아르곤 원자들이 이온화되고 강력하게 p형 실리콘 타겟을 향해 가속되는 것을 의미한다. 상기 실리콘 원자가스는 상기 액체 제트와 만나는 상기 진공(24)에서 형성된다. 상기 원자들은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 액체 제트와 충돌한다.
두개의 액체 마이크로 제트 컨셉은 다음에 의해 달성된다:
(i) 필라멘트를 둘러싸는 증기 쉬스(vapour sheath)의 동축류를 통해 안정화되는 액체 필라멘트; 및
(ii) 플로우(flow)가 난류(turbulent)가 될 수 있도록 하기 위해 캐필러리와 높은 압력을 가하는 마이크로 제트.
상기 플로우의 난류 특성(소용돌이 특성, turbulent nature)은 상기 액체의 즉각적인 고체화를 방지한다. 이와 같은 방식으로 생성된 상기 액체 필라멘트는 금속 또는 반도체 증기(2)를 만나며 질소 냉각된 타겟(4)을 때리게 된다. 여기서, 상기 콤포넌트들은 용해될 때까지 고체화되고 고착될 수 있다.
상기 문헌은 헬륨 가스를 쉬스(sheath)로 사용하는 동축류 방식에 의해 생성된 액체 제트들을 보고 하고 있다(Weierstall U et al. (2008) Experiments in Fluids 44: 675). 본 발명자들은, 예를 들어 이산화탄소와 같은 다른 가스들을 사용하는 것을 선호하는 데, 이는 이들이 보다 더 비용측면에서 유리하고, 특히 상기 액체 자체의 증기를 펌핑하기가 보다 더 쉽기 때문이다. 예를 들어, 물 액체 필라멘트들을 안정화 시키기 위하여 물 증기를 사용하는 것은 비용 효율성 측면에서 유리함을 가지며, 다양한 쉬스 밀도 혹은 수증기 플럭스(flux)를 통해 물 필라멘트의 온도 제어를 가능하게 한다.
도 2는 가열된 마이크로 캐필러리(1)를 사용하여 액체 제트(26)를 생성하는 장치(20)의 일예를 도시한다. 상기 액체 제트(26)를 금속 또는 반도체 증기(2)를 통과하며, 상기 증기로부터 원자들을 픽업(pick-up)한다. 상기 원자들은 응집되기 위하여 상기 액체 제트의 표면과 접촉해야 한다. 상기 액체 제트(26)의 성분들 및 상기 응집된 원자들은, 상기 액체가 가열되자마자 용해되는 저온 타겟(4) 상에 뭉치면서 고착된다. 상기 저온 타겟(4)은 실린더형이며 상기 마이크로 제트(26)가 통과하기 위한 홀(5)을 가지고 있다.
확산 및 그에 순차적인 공정은 원자 클러스터의 화학적 반응성이 현저하게 작아지도록 형성될 때까지 지속된다("패시브 클러스터"). 이러한 방식으로 형성된 상기 클러스터들은 화학적으로 안정하다.
상기 액체 제트(26)는 또한 나노입자들의 집합체 형성을 방지하기 위하여 계면활성제를 추가하는 매개(medium)으로써 기능할 수 있다. 이러한 방식으로 추가된 계면활성제들은 상기 저은 타겟 상의 형성물(deposit)이 용해될 때, 그리고 형성된 나노입자들이 이동성(mobility)을 획득할 때 유용하다. 매우 빠른 단계에서 계면활성제를 추가하는 것은 나노입자들의 응집을 즉각적으로 방지하는 데에 매우 유리하다.
상기 액체 제트(26)는 또한 용액을 전달하는데, 상기 용액은 금속 또는 반도체 나노입자들의 표면이 반응하여 구별되는 물리적 화학적 특성들을 가지는 표면층(surface layer)이 형성되도록 한다. 이는 형광성 코어-셸 반도체 나노입자들(fluorescent core-shell semiconductor nanoparticles)의 생성에 특히 중요하다.
전술한 바에서 알 수 있듯이, 본 발명자들은 진공(24) 내의 액체 마이크로 제트(26)들이 예를 들어 실리콘과 같은 증기(2)와 나노입자들의 성장에 필요한 다른 성분들의 혼합을 가능하게 하는 것을 알아내었다.
<나노입자들의 추출(Extraction of nanoparticles)>
일단 형성된 나노입자들은 상기 저온 타겟(4)을 향해 상기 액체 내에서 운반되며, 이들은 상기 저온 타겟(4)에서 상기 액체와 함께 고착화되며 고체화된다. 증착이 완료된 후 상기 저온 타겟(4)은 가온되며, 이때, 상기 고체는 용해되며, 상기 시작 원소(starting element)들의 안정한 나노입자들을 포함하는 용액이 얻어진다. 상기 나노입자들은 반데르발스힘에 의하여 상기 액체 내에 물리적으로 응집하려는 성향을 가진다. 그러나, 특정 크기 이하의 클러스터들은 상기 물리적 인력을 극복하기에 충분한 열적 에너지를 가지며, 이에 따라 안정한 상을 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 상기 저온 타겟(4)은 내부로 액체 제트가 침투할 수 있도록 하는 홀(5)을 가지는 스테인리스 실린더로 구성된다. 상기 홀(5)의 목적은 상기 샘플의 순도 및 상기 공정의 선택성을 높이는 것에 있다. 나노입자들이 상기 액체 제트들과 함께 상기 홀(5)을 통과하고 상기 내측벽 상에 고체화되는 동안 응결되지 않은 원자 증기는 내부로 들어가지 못한다.
상기 장치의 증착 및 배출(evacuation)의 전에, 상기 실린더는 액체 질소에 담겨질 수 있다. 상기 용기(bath)가 끓어오르는 것을 멈출 때, 상기 온도는 충분히 낮아지고 상기 실린더는 상기 진공 장치로 이송된다.
한가지 문제점은 상기 액체가 상기 저온 타겟으로부터 고체화되어 떨어져나와 상기 캐필러리까지의 모든 경로를 막아버릴 수 있다는 것이다. 이러한 문제를 방지하는 방법은, 예를 들어, (i) 완만한 임팩트 각도(shallow impact angle)를 사용하는 것, (ii) 조각들로 형성될 수 있는 고체 파이버를 커팅하기 위한 '찹퍼(chopper)' 휠을 사용하는 것, 및 (iii) 레일리 불안정성(Rayleigh-instabilities)을 제거하는 것을 포함한다.
나노입자들(26)의 쓰루풋(throughput)은 응결/반응 영역 내의 상기 액체 제트(26)의 표면적 및 상기 금속 증기(2)의 플럭스(flux)에 의해 제한되며 전통적인 박막 증착 기술의 그것과 비슷하다.
<액체 필라멘트 조성에 의한 성장 제어(Growth control by liquid filament composition)>
나노입자의 전기적(광학적 특성 및 자기적 특성(optical and magnetic properties), 화학적 반응성 등) 특성 및 기하학적 특성(구조 및 나노입자의 크기)은 상기 액체의 물리적 화학적 특성에 의존한다. 따라서, 상기 액체의 화학적 조성과 선택은 중요하다. 예를 들어, 상기 실리콘 클러스터의 성장은 물과 반응함으로써 억제될 수 있는데, 이는 상기 클러스터들의 표면에 형성되는 수산화기(OH-) 그룹을 야기한다. 따라서, 물 필라멘트의 표면튼 내에 있는 실리콘 원자들의 액화(condensation)에 의해 형성되는 상기 클러스터들의 대다수는 매우 작다. 상기 크기 제한은 pH값에 의존하며 이에 따라서, 산 혹은 염기의 부가는 평균 크기를 키우거나 줄이는 데 사용될 수 있다. 액체의 종류는 또한 액체 내의 안정한 클러스터의 최대 크기를 결정하는데, 이는 인력(즉, 하마커 상수(Hamaker constant))이 모든 용액에 따라서 특정되어 있기 때문이다. 큰 하마커 상수를 가지는 용액들은 클러스터들의 응집(agglomeration)을 강화시키게 되며, 응집에 대해 안정적인 클러스터들의 크기 분포를 더 작은 스케일로 쉬프트시킨다.
<도핑된 나노입자들 또는합금 나노입자들의 직렬적 혹은 병렬적 배치/생성에 의한 성장 제어 Growth control by serial or parallel arrangement/production of doped or alloy nanoparticles)>
원소 A 및 원소 B로 구성된 클러스터들/나노입자들은 증기의 병렬적 또는 직렬적 배치(arrangement)에 따라 형성될 수 있다. 예를 들어 먼저 A 그 뒤에 B와 같은 직렬적 배치는 중심에는 A, 표면에는 B가 있는 기하구조로 클러스터가 성장하도록 한다. 상기 증기 밀도의 변경은, 예를 들어 서로 같은 양의 코어-셸 클러스터들(core-shell clusters)을 생성할 수 있고, 혹은 클러스터 A의 표면 상의 단일 원자 B, 또는 클러스터 B의 중심에 단일 원자 A가 배치된 것과 같이, 극단적인 농도차를 가지는 코어-셸 클러스터들이 생성할 수 있다. 만약 A 및 B 증기가 동일한 영역 내에서 생성되면(병렬 배치), 상기 액체 필라멘트는 부분압에 따른 비율로 A 및 B의 양(amount)을 픽업하게 될 것이며, 이로써 합금 클러스터가 생성된다. 따라서, 각각의 증기압 밀도(vapour pressure densities)를 변화시킴으로써, 많은 결함을 가진 합금에서부터 화학량론적으로 완벽한 합금의 범위를 아우르는 나노구조체들을 생성하는 것이 가능해진다. 이와 같은 스킴(scheme)은 A, B 및 C 혹은 그 이상의 혼합물들로 구성되는 혼합 나노입자들을 생성하는 것에도 확장가능 하다.
<준고체 필라멘트 상에서의 성장(Growth on quasi-solid filaments)>
상기 액체의 유체 압력을 낮추는 것은 유사 고체/액체 파이버들이 성장하는 체제로 필라멘트 형성이 진입하도록 한다. 이러한 파이버들은 상기 액체 필라멘트들 보다 훨씬 더 느리게 진행하며, 이는 아울러 파이버들이 성장하는 속도보다 훨씬 더 빠른 속도로 파이버들의 표면에 증기들이 증착하는 것을 손쉽게 해준다. 이러한 방식으로, 고체 파이버들은 형성될 수 있다. 상기 파이버들과의 접촉을 통한 매우 높은 냉각 속도는 우선적으로 비정질 구조를 생성한다.
<액체 제트를 사용한 미세 패터닝(Micropatterning using the liquid jets)>
사용되는 캐필러리의 직경에 의존하여(전술한 바 참고), 액체 필라멘트들은 5 μm 이하의 직경을 가질 수 있게 된다. By using an x-y piezo driven manipulator , 선택된 기판 상에 나노미터 크기(5 μm 이하의 레졸류션으로)의 나노입자들을 생성하기 위하여 상기 저온 헤드(cold-head) 혹은 액체 제트를 조작할 수 있다.
<필라멘트 표면 상의 원자클러스터의 성장(Growth of atomic clusters on the surface of filaments)>
이와 같은 설치에 있어서, 상기 액체 제트는 여러가지 역할을 수행한다고 추정될 수 있다. 예를 들어, 그것은 금속 또는 반도체 증기들이 클러스터 내부로 응축되어 들어가는 매개(medium)로써 기능할 수 있고, 상기 타겟으로 이동되는 매개(medium)로써 기능할 수 있다. 특히, 진공의 압력에서, 원자들 간의 충돌 속도는, 결합 상태로 이끌게 되는 충분히 많은 수의 접촉들을 야기하기에, 충분히 낮다.이에 따라, 증기 그 자체가 나노입자들이 생성하는 것을 유도하지 않는다. 상기 액체 필라멘트의 표면과 원자가 충돌할 때, 그것은 느려지게 되며 상기 액체의 인력에 의하여 트랩된다. 따라서, 상기 원자는 이원자로 반응하게 되는 다른 원자와 충돌할 때까지 확산하게 된다. 반응열은 상기 액체에 의해 효과적으로 흡수된다.
설계된 액체 제트 소스에 대한 예비 테스트가 일차적으로 공기 중에서 수행되었고, 이후 도 3에 도시된 바와 같이, 유리용기, 고무 마개 및 스크롤 펌프로 구성된 매우 간소화된 진공 시스템을 사용한 진공(31)에서 수행되었다. 두개의 캐필러리가 구성되어 실험에 사용되었는데, 하나는 동축류를 사용하였고, 다른 하나는 난류를 사용하였다. 이러한 구성(set-up)을 사용하여 수행되는 최소 진공압은 10-1 mbar 정도이나, 이와 같은 구성을 테스트하고 관련된 파라미터들을 시험하기에는 충분하였다. 유리용기(glassware)의 사용은 상기 제트의 관찰(inspection)을 가능하게 하였는데, 본 발명자들은 상기 제트가 고체화되기 시작하는지 아닌지를 손쉽게 알 수 있었다.
도 3에 도시된 장치(30)를 참고하면, 상기 캐필러리 구성은 20 μm 및 50 μm의 직경을 가지는 크로마포그래피 어플리케이션들을 위한 손쉽게 구할 수 있는 기성품의 용융 실리카 캐필러리로 구성되었다. 상기 캐필러리들은 공지의 막대기 및 부속품들(Siltite)를 사용하여 외측 지름이 6 mm인 스테인리스강 파이프 내에 봉인되었고 또한 상기 액체들을 포함하고 있는 용기(8, reservoir)에 연결되었다. 상기 액체 제트 소스의 일단에 온도 센서(7) 및 히터가 부착되어 온도가 감시될 수 있고 또한 온도가 변경될 수 있었다. 미세한 캐필러리들을 통해 상기 액체가 통과하는 데에 필요한 높은 압력은 가스 실린더로부터 레귤레이터를 통해 상기 용기(8)를 연결하는 파이프를 통해 전달되는 불활성 배킹 가스(inert backing gas)에 의해 제공된다. 상기 배킹 가스는 피스톤과 같이 동작하였으며 200bar 까지의 다양한 압력들을 상기 구성에 제공하였다. 이에 따라, 컴프레셔가 필요하지 않았다. 도 3에 도시된 장치는 상기 시스템을 펌프와 연결하기 위한 밸브(32), 액체 질소 용기(34), 증기의 응축을 방지하기 위한 가열선(heating wire, 36), 또 다른 밸브들(38, 40), 수증기 소스(42) 및 온도의 변동폭을 줄이기 위한 물용기를 포함하여 구성되었다. 이와 같은 구성으로 "난류"에 관한 실험에서 성공적으로 동작하였고, 이와 같은 구성은 이 후에서 사용되었다.
성공적인 테스트 후에, 상기 설치 구성은 BOC Edwards 박막 오토 코터(BOC Edwards thin- film Auto-Coater)로 이송되었고, 도 2에 도시된 바와 같이, 이온빔 스퍼터링 혹은 열 증착법에 의해 생성되는 금속 또는 반도체 증기들이 생성되었다. 상기 코터에 몇몇 변형을 가하였다: 전기적 가스 유입구들이 부가되었으며 저온 타겟이 설치되었다. 관통홀(10)을 구비하는 스테일리스강 실린더(9)는 저온 타겟으로 기능하였으며, 상기 액체 제트는 그 내부에 도달할 수 있도록 하였다. 따라서, 나노입자들을 보다 더 선택적으로 수집하는 것이 가능하였다. 상기 원소로 코팅된 실린더의 영역들이 상기 샘플에 기여하지 않는 액체 제트와 접촉하지 않도록 사용되었는데, 이는 상기 샘플은 상기 실린더의 내측으로부터 용융된 침전물(deposit)로부터만 수집되기 때문이다. 샘플의 생성 전에, 상기 실린더는 냉각을 위하여 질소 용액에 담구었다. 상기 장치(50)는 또한 상기 기판(52)으로부터 상기 고체가 용융된 후에 액상 내에 샘플을 수집하기 위한 페트리 접시, 상기 마이크로 캐필러리(58)로 액체를 유입시키기 위한 고압 아르곤 소스, 히터(60) 및 열전대(thermocouple, 62)를 구비하였다. 아르곤 원자들은 상기 스퍼터 헤드의 전기장 내에서 이온화되었고, 상기 이온들은 상기 실리콘 타겟을 향해 가속되었고, 이온들은 스퍼터되었다.
상기 용융 실리카 캐필러리를 사용하여 생성된 액체 마이크로 제트는 많은 유리한 특성들을 보였다: (i) 상기 제트는 매우 잘 조준되었다; (ii) 히터 등에 의해 상기 캐필러리를 계획적으로 가열시키거나 냉각시킴으로써 상기 제트를 인에이블시키거나 디스에이블시킬 수 있었다; (iii) 상기 제트는 상기 액체 용기의 유체압력(P)과 온도(T)에 의존하여 다른 상태로 동작시킬 수 있었다. 유체압력(P)과 온도(T)의 변화는 상기 액체 제트를 필라멘트로부터 분산 스프레이 혹은 콜리메이트 스프레이로 전환시켰다. 또한 길고 연속된 고체 파이퍼의 형성이 관찰되었다. 나아가, (iv) 처리량이 매우 높아 몇 분 후에 수밀리미터의 샘플이 생성되었다. 상기 펌프들의 가스로드는 높은 트래핑 효율을 내기 위한 높은 제트 콜리메이션(collimation) 때문에 적당하였다.
<나노입자의 생성(Production of Nanoparticles)>
물 속에서 다음과 같이 나노입자들을 생성하였다. 먼저 용기를 물로 채우고 수집기(collector)는 액체 질소로 냉각되었다. 이어서 진공을 구현하였다. 진공 챔버를 펌핑함에 따라 상기 캐필러리 내측단에서 물이 고체화되었다. 스퍼터링에 의해 실리콘 기화가 되기에 충분히 낮은 압력에 도달한 후에 상기 액체 제트를 생성하였다. 이는, 사용되는 캐필러레에 읜존하여 약 20 내지 60 bar로 상기 아르곤 배킹 압력을 증가시킴으로써 수행되었으며, 이어서 상기 캐필러리를 막는 고체를 용융시키기 위하여 짧은 시간동안 상기 캐필러리의 끝단을 열처리함으로써 수행되었다. 이에 따라, 상기 액체 제트가 생성되었고 상기 스퍼터링 공정이 시작되었다. 60 내지 300초가 지난 후 나노입자를 포함하는 두꺼운 고체층이 상기 액체 제트를 수집하는 상기 실린더의 내부에 형성되었고 상기 공정은 상기 스퍼터 장치를 끄고 상기 아르곤 배킹 압력을 줄임으로써 중지되었다. 이에 따라, 상기 진공 장치는 불활성 가스로 환기되었으며, 상기 수집기(collector)는 가온되었으며, 상기 고체는 용융되고 나노입자들을 포함하는 액체 현탄액이 상기 페트리 접시에 수집되었다.
상기 아르곤 배킹 압력은 액체 제트가 형성되는 수준까지 증가되었다. 추가적인 압력의 증가는 상기 액체의 생성량을 증가시킨다. 본 발명자들은 상기 최소 배킹 압력이 상기 캐필러리 내에서의 상기 액체의 최소 속도 및 난류에 요구되는 2000이상의 레이놀드 수에 대응되는 것을 알아내었다. 따라서 선택된 압력은, 선택된 기하학 형상, 즉 상기 캐필러리의 길이 및 직경 그리고 상기 액체의 점성(dynamic viscosity)에 밀접하게 연관된다.
<제2 실시예: 결과>
많은 샘플들이 생성되었다. 이전에 매우 높은 진공 장비를 사용하여 수증기를 사용한 실리콘 클러스터들이 생성되었었기 때문에(Brewer A et al. (2009) Appl. Phys. Lett. 94: 261102), 수용액 내에서 형광 실리콘 나노입자들을 생성하기로 결정하였다. 그러나, 새로운 방법을 사용하여 형성된 샘플들은 훨씬 더 짧은 생선 시간(수 분간의 증착)을 요구하였으며, 유사한 형광 스펙트럼을 가지면서 보다 더 강한 형광을 보였다. 물과는 다른 파장에서 형광 특성을 보여주는 다른 액체들(이소프로판올, 에탄올)이 처음으로 실험되었다.
상기 액체 제트(26)의 동작 파라미터들의 변경은 매우 큰 범위의 다른 동작 상태를 보였다. 캐필러리 온도 및 유체 압력에 의존하여 상기 제트는, 상기 액체가 고체화될 때, 매우 응집된 필라멘트로부터 스프레이로 전환되었고, 그리고 또한 길고, 탄성있는 고체 파이버로 전환되었다.
<코터(coater)>
상기 코팅 장치(50, coater)내에서의 실험들은 상기 액체 제트(26)의 형성에 대한 캐필러리 길이의 효과를 실험하기 위하여 추가적으로 수행되었다. 유리 용기 구성(20)과 대조적으로, 상기 코팅 장치(50)는 본 발명자들이 짧은 캐필러리들을 사용하는 것을 가능하게 하였다. 스퍼터링을 사용하기 위하여 상기 상기 저온 타겟(9)의 고체화 효율은 10-2 mbar의 압력을 유지하기에 충분하여야 한다. 이는 노즐로부터의 플럭스에 의해 야기되는 높은 압력에 기인하여 실리콘의 스퍼터링이 불가능하였음을 이전의 크누센 빔(Knudsen beam)을 사용한 실험이 보여주었기 때문에 특히 중요하다. 6cm 길이의 25 μm의 캐필러리가 준비되었으며 액체 제트(26)의 형성이 테스트되었다. 먼저, 동축류를 사용하는 것이 테스트되었다. 50μm 캐필러리 또한 테스트되었으나, 이번에는 높은 압력의 인젝션(injection)이 사용되었다. 세 개의 실리콘 클러스터 샘플들이 높은 압력 및 50 μm 캐필러리를 이용하여 생성되었다. 이 샘플들은 형광 및 UV/Vis 흡수 분광법을 이용하여 관찰되었다.
<증기증착 사용시 저온 타겟의 고체화 효율(Freezing Efficiency of the Cold Target, Vapour Deposition Only)>
에드워드 코터(50, Edwards coater)의 자동 진공 제어는 10-6 mbar의 기초 압력에서 시작하는 다른 압력들의 사이클을 가능하게 한다. 스퍼터링은 10-2 mbar의 아르곤이 진공 시스템으로 유입되는 것을 요구한다. 이러한 압력에서 터보 펌프 로드는 매우 높고, 쓰로틀(throttle)이 사용된다. 수증기 밸브는 오픈되고 Pvapour (T=42 ℃)=0.08 bar 압력의 증기가 상기 외측공(outer orifice)을 통과하며 상기 저온 타겟 상에 증착된다. 이러한 공정 중 상기 장치는 1.01 x10-3 내지 2.6 x10-3 mbar의 범위에서 압력의 출렁임(fluctuation)을 보였다. 플럭스를 증가시키기 위해, 열 베셀(thermal vessel)의 온도를 42 ℃ 로부터 50 ℃로 증가시킴으로써 상기 수증기압이 증가되었다. 상기 챔버 내부의 압력은 실험 전반에 걸쳐서 변동되었다(fluctuate). 평균 압력은 스퍼터링이 진행되는 동안 10-2 mbar의 공정 압력 이하를 유지하였다. 상기 저온 타겟 표면 상의 냉각된 고체층이 관찰되었으며 점차 더 두껍게 성장하였다.
<액체 제트, 25 μm 제트 및 동축류 수증기(Liquid Jet, 25 μm Jet and Water Vapour Co-Flow)>
상기 저온 타겟(9)의 효율을 입증한 후, 동축률 방법을 사용하는 액체 제트의 동작에 초점을 맞추었다. 6cm 길이, 25 μm 캐필러리는 내측 직경이 0.4 mm인 노즐의 내부에 고정되었다.
확장 파라미터들(유체압력, 수증기압), 체계적인 방식으로는 아니지만, 변경되었다. 동축류를 사용하는 워터 제트의 고체화에 대한 이유는 확장 파리미터들의 잘못된 선택이 아니라 캐필러리와 노즐의 기하학적 특징에 있다는 것을 알아내었다.
<25 μm 고체 파이퍼(25 μm Ice Fibre)>
25 μm 및 6cm 길이의 캐필러리를 사용하여, 수차례 긴 고체 파이버의 성장을 관찰하였다. 상기 고체 파이버들은 수 센티미터의 길이었으며, 그 중 일부는 상기 장치의 베이스 플레이트까지 성장하였고, 중력의 작용에 의해 이들은 구부러졌다. 상기 고체 파이버들의 성장은 유체압력이 1 bar정도로 낮은 압력에서 관찰되었다.
<높은 압력의 제트들: 50 μm 워터 제트>
액체 제트를 형성하기 위하여 25 μm 캐필럴리를 사용하였던 최초 시도의 실패로 인해 본 발명자들은 직경을 증가시키게 되었으며 높은 압력 모드(high-pressure mode)를 실험하게 되었다. 보다 더 큰 직경은, 상기 액체 제트의 고체화 경향을 줄일 것으로 예상되었는데, 이는 더 커진 액체 필라멘트들을 둘러싸는 더 두꺼운 가스 쉬스는 냉각 효율을 줄이기 때문이다. 50 μm 의 8 cm 길이의 캐필러리가 사용되었다. 처음에는 더 커진 캐필러리로부터의 더 높은 플럭스에 기인하여 상기 코팅 장치(50)를 진공으로 만드는 것이 매우 어려웠다. 공정을 발전시켰다: 먼저, 상기 캐필러리가 프리즈되도록 남겨두었으며, 두번째로, 상기 코팅 장치를 진공상태로 만들었으며, 세번째로, 상기 캐필러리의 앞부분을 가열하여 블록된 캐필러리를 오픈시키고 액체 제트가 발생되도록 하였다. 상기 유체압은 서서히 증가되었다. 20 bar에서 상기 캐필러리가 제트의 분사를 시작하였다.
상기 액체 제트(26)는 약 15도의 각도 범위 내에서 그 방향을 갑자기 바꾸는 것을 알아내었다. 또한 액체 필라멘트가 상기 저온 타겟 내의 상기 홀의 에지에 접촉할 때 즉시 고체화되는 것이 관찰되었다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 우리는 상기 저온 타겟의 상기 홀의 직경을 증가시켰고 우리는 상기 저온 타겟(9)과 상기 캐필러리 사이의 거리를 감소시켰다. 이러한 변경은 매우 성공적이었다.
<다양한 샘플(Variety of Samples)>
세 개의 실리콘 나노입자 샘플들이 생성되었다. 하나는 증기 증착(A. Brewer and K von Haeften, Appl. Phys. Lett. (2009))으로 생성되었고, 다른 두 개는 본 발명에 의한 높은 압력의 액체 제트를 사용하여 생성되었다. 세 개의 샘플들의 증착 파라미터들이 [표 1]에 도시되어 있다.
동작 모드 물의 온도, oC 유체 압력, bar 증착 시간, 분 방전 전력, W
샘플 1 증기 58 0.18 14 53
샘플 2 고압 제트 34 20 0.5 53
샘플 3 고압 제트 38 20 3 53
증착 후에, 상기 챔버는 질소를 이용하여 환기되었고 상기 저온 타겟(9)은 해동되었다. 상기 챔버를 오픈하고 상기 샘플을 유리 피펫을 이용하여 페트리 접시로부터 수집하였으며 병에 담았다.
<형광(Fluorescence)>
본 발명의 장치 및 방법에 따라서 생성된 물 속에서의 실리콘 나노입자의 전형적인 형광 스펙트럼이 도 6에 도시되어 있다. 여기 파장(excitation wavelength)은 308 nm였다. 상기 스펙트럼은 420 nm에서 돌출된 밴드 피크를 가지는 넓은 형광 특성을 보여준다. 이러한 스펙트럼 형상은 상기 클러스터와 수증기 증착법을 사용하여 생성되었던 샘플들의 그것과 거의 동일하다. 그러나, 형광 강도(fluorescence intensity)는 증가되었다.
<25 μm 캐필러리를 사용한 추가 실험(Further experiment using 25 μm capillary)>
형광 나노입자들의 생성을 위하여 액체 마이크로 제트들을 사용한 본 발명자들의 성공은 본 발명자들이 25 μm 의 캐필러리를 사용한 이전의 실험들을 다시 한번 수행하도록 하였는데, 이는 보다 더 작은 케필러리의 사용은 가스 로드를 줄이기 때문이다. 본 발명자들은 체계적으로 상기 피팅 너트(fitting nut)의 토크를 변화시키면서 상기 캐필러리의 핀칭(pinching)을 실험하였다. 상기 실험은 상온상압 하에서 수행되었으며 상기 플럭스는 핀칭(pinching)을 가능하게 하는 토크와 관련되어 있다는 것이 밝혀졌다. 상기 피팅 너트들을 느슨하게 함으로써 액체 제트들을 분사할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 후속 실험들은 진공에서 수행되었으며 유사하게 액체 필라멘트들이 제공되었다. 이에 더하여, 상기 캐필러리의 길이를 다시 한번 25 mm로 줄였고, 이것은 캐필러리 내의 상기 물의 고체화 및 해동을 보다 더 잘 제어할 수 있도록 하는 것이 밝혀졌다.
진공 내에서 25 μm 의 캐필러리를 사용하는 동안 증착된 물의 서로 다른 높이 프로파일들을 관찰하였다. 50 μm의 캐필러리와 대조적으로, 고체화된 침전물의 위치가 보다 더 잘 제어되었고 더 좁은 각도 분포로 제어되었다. 물 및 다른 용매(에탄올 및 이소프로판올)을 사용한 다양한 샘플들이 25 μm 캐필러리를 사용하여 생성되었다. 모든 샘플들이 광형광성을 보였다.
증착 시간과 스퍼터링 파워가 거의 변동없이 유지되는 동안 50 μm 캐필러리로 생성된 샘플들의 형광 강도가 25 μm 필라멘트를 사용하여 생성된 샘플들에 비하여 높은 것이 관찰되었다. 이러한 효과는 상기 액체 필라멘트들의 서로 다른 표면적에 의해 잠재적으로 야기되는 서로 다른 샘플 농도에 기인하는 것으로 보였다. 이러한 가설을 입증하기 위한 추가실험을 진행하였다.
도 6은 물, 에탄올 및 이소프로판올을 포함하는 액체를 사용하여, 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 생성된 실리콘 나노입자들의 전형적인 형광 스펙트럼들을 도시하고 있다. 전술한 용매들 각각은 구별되는 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 가진다. 형광 스펙트럼에서 유사한점들과 차이점들을 모두 볼 수가 있다. 각각의 스펙트럼들은 유사한 형태의 돌출된 형광 밴드를 보여주지만 서로 다른 형광 피크를 가진다. 그러몰, 서로 다른 용매를 감지하기 위하여 나노입자들을 사용하는 것이 가능하다. 물, 에탄올 및 이소프로판올의 경우, 형광 피크는 사용된 용매 각각의 쌍극자 모멘트와 관련되어 있다.
도 7은 물을 포함하는 액체를 사용하여 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 생성된 실제 실리콘 나노입자들을 도시한다. 상기 생성된 나노입자 수용액을 갓 떼어낸 고배향성 열분해 그라파이트(highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) 결정 상에 떨어뜨렸고, 이어서 진공 건조하였으며 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)으로 관찰하였다. 상기 이미지는 어레이 형태로 자기 정렬된 나노입자들을 보여준다. 이러한 거동은, 예를 들어 물리적 한계점에 도달한 종래의 구조화 방법들과 같은 마이크로일렉트로닉스에 있어서 나노미커 스케일에서의 구조 제어(structural control)에 있어 매우 중요하다.
도 8은, 에탄올 제트를 이용해 생성된 응집된 실리콘 클러스터들로 이루어진 여러 개의 층들로 뒤덮힌 HOPG 기판의 500 x 500 nm 사이즈의 이미지와 아울러, WSxM 소프트웨어 이미지 처리 후의 상기 클러스터들의 대응되는 높이 분포를 보여준다. 높이 프로파일 내의 첫번째 피크에 대응되는 비어 있는 HOPG 영역들은 높이 레퍼런스로써 기능한다. 두번째 및 세번째 피크들은 단일 혹은 이중 클러스터 층들에 각각 대응된다. 상기 세번째 클러스터 층에 속하는 섬들(islands) 또한 보여질 수 있으나, 그 수가 너무 작아서 히스토그램에 기여하지 못하고 있다. 열적 드리프트(thermal drift)에 의해 야기되는 피에조 스캐너의 수직적 연장(vertical elongation)의 변화 때문에 전체 이미지에 대해서 기준 베이스라인을 결정하는 것은 어려웠다. 그러나, 상기 높이 프로파일은 주요한 작은 클러스터들이 생성된 것을 확실하게 보여주고 있고, 평균 클러스터 직경이 관측되는 두번째 및 첫번째 층 사이에서 1.4 nm의 높이 차가 관측되는 것을 보여준다.
다른 실험에서, 클로로포름(chloroform) 용액 내에서 철 나노입자들을 실리콘으로 코팅하는 것을 시도하였고, 이는 추가적인 기능화(functionalization)를 위한 경로를 가능하게 하였다. 이러한 실험은 실리콘 스퍼터링 및 캐필러리를 통과하는 클로로포름 용액을 사용하여 수행되었다. 광학적 관측에 따라 철 나노입자들은 그들의 표면이 변경되는 것은 관측되었으나 미세 특성들은 현재 관측 중에 있다.
<요약>
여기서 설명되는 장치 및 방법은 새로운 특성들을 가지고 있는 나노 구조체들 혹은 나노입자들의 생성에 사용되는 새롭고 응용가능한 방법을 제공한다. 상기 방법은 보다 더 복잡한 기상 어레인지먼트와 다수의 마이크로 제트들을 사용하여 확장될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이하는 그 예들이다.
1. 샘플들을 구조화하는 손쉬운 하나의 방법은 x-y 피에조 매니퓰레이터 상에서 상기 표면을 움직임으로써 표면 상에 구조들을 '쓰는 것(write)'이다.
2. 미세 유체공학과 금속 혹은 반도체 증착법의 조합은 일괄 공정(batch processes)내에서 나노입자들 상에 단일 우눠자들을 도핑하는 것을 가능하게 한다. 중요한 응용처는 촉매 특성과 광학 특성들에 있다.
3. 저온 액체 빔 상의 철(iron)의 충돌 고체화(shock-freezing)는 비정질의 스틸-마이크로 와이어들의 생성에 대한 방법으로 적합할 수 있다.

Claims (52)

  1. 나노 입자(nanoparticle)를 형성하기 위한 장치에 있어서,
    가스를 포함하고 10-12 및 1 mbar 사이의 압력 하에 있는 진공 챔버- 상기 가스는 원자들 및/또는 분자들 및/또는 원자 이온들 및/또는 분자 이온들 중 선택된 가스 입자들을 포함함 -;
    상기 가스를 통해 상기 진공 챔버로 액체 제트(liguid jet)를 액체 필라멘트(liquid filament) 형태로 제공하는 피딩 수단- 상기 액체 제트는 원자들 및/또는 분자들 중에서 선택된 액체 입자들을 포함함 -; 및
    상기 나노 입자를 수집하기 위한 기판;을 포함하며,
    사용 시에, 상기 가스 입자들이 상기 액체 제트와 충돌하고, 다른 가스 입자들 및/또는 상기 액체 입자들과 화학적으로 반응하여 0.1 nm와 1000nm 사이에서의 적어도 하나의 치수를 가지고 상기 기판에서 수집되는 반응물(reaction product)을 형성하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 상기 진공 챔버 내에서 플라즈마 혹은 증기(vapour)의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  3. 제2항에 있어서,
    (a) 상기 증기는 금속 증기 - 상기 증기는 전이 금속(transition metal), 란탄 계열 원소(lanthanide) 또는 귀금속(noble metal)으로 이루어지거나 또는 이들을 선택적으로 포함함 -;
    (b) 상기 증기는 반도체 증기 - 상기 증기는 4족 원소, 5족 원소와 반응된 3족 원소, 또는 6족 원소와 반응된 2족 원소로 이루어지거나 또는 이들을 선택적으로 포함하되, 탄소(carbon), 규소(silicon), 게르마늄(geranium), 주석(tin), 납(lead), 질화붕소(BN), 인화붕소(BP), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 질화인듐(InN), 인화인듐(InP), 산화아연(ZnO), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe), 황화카드뮴(CdS), 셀렌화카드뮴(CdSe) 또는 텔루르화카드뮴(CdTe)으로 이루어지거나 또는 이들을 선택적으로 포함함-
    (c) 상기 증기는 분자 증기 - 상기 증기는 산소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 염화나트륨, 산화마그네슘 또는 산화알루미늄으로 이루어지거나 또는 이들을 선택적으로 포함함 -;
    (d) 상기 증기는 클러스터 증기 - 상기 증기는 Fen 또는 Agn, 또는 다른 공정에서 형성된 Sin, (GaAs) n 또는 (CdS) n 과 같은 반도체 클러스터들로 이루어지거나 또는 이들을 선택적으로 포함함 -; 또는
    (e) 상기 플라즈마는 전자 플라즈마(electron plasma), 이온 플라즈마 또는 이온 증기인 것을 특징으로 하는
    장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가스 또는 증기는 열처리, 레이저 어블레이션(laser ablation), 스퍼터링, 아크(arcs) 또는 방전(discharges)에 의해서 생성되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액체 제트는 극성 용매 또는 비극성 용매로 이루어지거나 또는 이들을 포함하되,
    선택적으로, 상기 용매는 물, 아세트산(acetic acid), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 시클로헥산(cyclohexane), 메탄올(m에탄올(ethanol)), 이소프로판올(isopropanol), n-프로판올(n-propanol), 에탄올(ethanol), 디클로로메탄(dichloromethane), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide),톨루엔(toluene), 클로로포름(chloroform), 피리딘(pyridine), 벤젠(benzene), 수소(hydrogen), 질소(nitrogen), 헬륨(helium), 네온(neon), 아르곤(argon), 크립톤(krypton) or 크세논(xenon)을 포함하는
    장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 제트의 유체압력은 200 bar까지인 것을 특징으로 하는
    장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 제트는 용액 또는 현탄액(suspension)을 포함하는
    장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    동시에 다른 화학물질들을 전달하는 하나 또는 그 이상의 액체 제트 또는 가스들이 상기 진공 챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 액체 제트는, 난류를 사용하거나 동축류(co-flow)를 사용하여, 상기 액체를 캐필러리(capillary)를 통과시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캐필러리는 1 내지 100 μm 의 내측 지름 및/또는 1 내지 50 cm 의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는
    장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 제트는 증기 쉬스(vapour sheath)가 상기 액체 제트를 둘러싸는 동축류 방법에 의해 생성되되,
    상기 증기 쉬스는, 선택적으로, 헬륨, 질소, 이산화탄소 또는 아르곤 등의 불활성 기체(insert gas)로 형성되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  12. 제9항에 있어서,
    힘이 상기 액체가 상기 캐필러리를 통과하도록 하되,
    선택적으로, 불활성 배킹 가스(inert backing gas)가 상기 액체가 상기 캐필러리를 통과하도록 하는 데 필요한 상기 힘을 제공하고,
    선택적으로, 상기 불활성 배킹 가스는 아르곤, 질소 또는 압축공기인 것을 특징으로 하는
    장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 173.15 ℃ 이하의 온도에서 유지되는 것 및/또는 상기 기판은 금속성이고, 선택적으로, 스테인리스강을 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  14. 제1항에 있어서 상기 기판은 실질적으로 실린더형, 곡면형 또는 평면형인 것 및/또는 상기 기판은 상기 액체 제트가 통과하는 전방향-면(forward facing surface)을 관통하는 어피쳐(aperture)를 포함하는 것을 특징으로 하되,
    선택적으로, 상기 기판에서 수집되는 반응물은 상기 기판의 내측면(inner surface)상에 수집되는
    장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 액체 제트에 실질적으로 수직한 축상 구조체(axial arrangement) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 나노 입자는 상기 액체 제트의 표면 상에, 상기 액체 제트의 표층(surface layer) 내에, 상기 액체제트의 딥 벌크 부피(deep bulk-volume)내에, 또는 상기 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 제트는 계면활성제(surfactant)를 포함하되, 선택적으로, 상기 계면활성제는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 올레산(oleic acid) 또는 구연산(citric acid)인 것을 특징으로 하는
    장치.
  18. 나노 입자(nanoparticle)를 형성하는 방법에 있어서,
    (i) 가스를 10-12 및 1 mbar 사이의 압력 하에 있는 진공 챔버에 제공하고- 상기 가스는 원자들 및/또는 분자들 및/또는 원자이온들 및/또는 분자이온들 중 선택된 가스 입자들을 포함함-,
    (ii) 상기 가스를 통하여, 상기 진공 챔버에 원자들 및/또는 분자들 중 선택된 액체 입자들을 포함하는 액체 제트(liquid jet)를 액체 필라멘트(liquid filament) 형태로 피딩하고,
    (iii) 상기 가스 입자들이 다른 가스 입자들 및/또는 상기 액체 입자들과 충돌하고 화학적으로 반응하여 0.1 nm와 1000nm 사이에서의 적어도 하나의 치수를 가지고 나노 입자(nanoparticle)를 형성하도록 하는 것을 포함하고,
    (iv) 기판으로부터 상기 나노 입자를 수집하는 것을 포함하는
    나노 입자를 형성하는 방법.

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