KR20050048764A - Device for assembling nano material on probe tips and scanning probe microscope employed therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 물질을 원하는 탐침에 부착시키는 조립장치에 관한 것이다. The present invention relates to an assembly apparatus for attaching nanomaterials to a desired probe.
본 발명의 나노 물질 조립장치(100)에서는, 전극(120) 위에 다양한 형태의 나노 물질이 함유된 용액(300)을 적가한 후, 전원부(150)로부터 DC 혹은 AC의 전압을 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에 인가한다. 전압이 인가된 탐침(11)과 전극(120) 사이에는 전기장이 형성되게 된다. 이러한 전기장이 형성되면 전기화학적 특성에 의해 탐침(11)과 전극(120) 사이에 놓여진 용액(300) 안의 나노 물질은 전기장의 세기가 큰 곳으로 혹은 나노 물질의 대전된 전하와 반대극성을 가진 전극으로 끌려가서 부착된다. In the nanomaterial assembly apparatus 100 of the present invention, a solution 300 containing various types of nanomaterials is added dropwise onto the electrode 120, and then a voltage of DC or AC is supplied from the power supply unit 150 to the probe 11. And between the electrode 120. An electric field is formed between the probe 11 and the electrode 120 to which a voltage is applied. When such an electric field is formed, the nanomaterial in the solution 300 placed between the probe 11 and the electrode 120 by the electrochemical characteristic is an electrode having a large electric field strength or a polarity opposite to the charged charge of the nanomaterial. To be attached.
특히, 이러한 나노 물질이 조립된 탐침을 이용하면 원자력간 현미경(Atomic Force Microscope) 등에 적용하면 특별한 구조적, 전기적, 화학적 신호를 검출하는 데 활용할 수 있다. In particular, when the nanomaterials are assembled, the probes can be used to detect special structural, electrical, and chemical signals when applied to atomic force microscopes.
Description
본 발명은 나노 물질을 원하는 탐침 팁 상에 조립시키는 장치 및 이 장치가 적용된 주사탐침 현미경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탐침 팁에 전압을 인가하여 탐침 팁에 다양한 나노물질을 부착시키는 조립장치 및 이 장치가 적용된 주사탐침 현미경에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for assembling nanomaterials onto a desired probe tip and a scanning probe microscope to which the apparatus is applied, and more particularly, to an assembly apparatus for attaching various nanomaterials to a probe tip by applying a voltage to the probe tip. The present invention relates to a scanning probe microscope to which the apparatus is applied.
얼마 전까지만 해도 원자 또는 분자 단위의 나노 세계는 너무나 미세하여 아무리 해상도가 높은 현미경으로도 볼 수 없는 미지의 영역이었다. 그러나, 1980년 대에 주사탐침 현미경(Scanning Probe Microscope; 이하, `SPM'라 한다)이 발명됨으로써 드디어 나노 세계의 구조를 확인할 수 있는 계기가 마련되었다. 주사탐침 현미경과 같은 원자현미경의 효시는 주사터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscope; STM)이며, 이외에도 분자나 원자 수준의 거동이나 형상, 물리적 특성을 측정, 관찰하기 위한 유사한 장치들로서 CFM(Chemical Force Microscope), LFM(Lateral Force Microscope), SNOM(Scannoing Near-Field Microscope), SCM(Scanning Capacitance Microscope), DPN(Dip pen nanolithograph) 등이 있다. 현재 계속적으로 새로운 특징을 가진 SPM이 개발되고 있지만, 가장 널리 쓰이는 원자현미경으로는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope; 이하, `AFM'라 한다)이 있다.Not so long ago, the atomic or molecular nanoworld was so tiny that it could not be seen with high resolution microscopes. However, the invention of the Scanning Probe Microscope (hereinafter referred to as 'SPM') in the 1980s finally provided an opportunity to confirm the structure of the nanoworld. The effects of atomic force microscopy, such as scanning probe microscopy, are Scanning Tunneling Microscopes (STM), as well as similar devices for measuring and observing the behavior, shape, and physical properties at the molecular, atomic level, CFM (Chemical Force Microscope), Lateral Force Microscope (LFM), Scanning Near-Field Microscope (SNOM), Scanning Capacitance Microscope (SCM), and Dip pen nanolithograph (DPN). SPM with new features is being developed continuously, but the most widely used atomic force microscope is the Atomic Force Microscope (hereinafter referred to as 'AFM').
상기 AFM은 기본적인 연구용 장비로서 나노 단위의 측정 또는 관찰을 위해 사용되기도 하지만, 나노 단위에서의 생산을 위한 공정 장비에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 AFM을 이용한 데이타 저장(Data Storage), SPL(Scanning Probe Lithography), DPT(Dip Pen Technology)와 같은 다양한 분야의 기술에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.The AFM is used for measurement or observation in nano units as a basic research equipment, but is used in various fields ranging from process equipment for production in nano units. Recently, many studies have been conducted on technologies in various fields such as data storage using AFM, scanning probe lithography (SPL), and dip pen technology (DPT).
도 1은 일반적인 AFM의 구조를 나타내고 있다. AFM(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(Cantilever, 12)라고 불리우는 작은 막대(100㎛×10㎛×1㎛) 끝에 피라미드 형상의 뾰족한 탐침(11) 팁(11a)이 형성되어 있다. 이들은 마이크로머시닝(Micromachining)으로 만들어진다. 상기 팁(11a)을 시료(14) 표면에 근접시키면, 팁(11a)과 시료(14) 표면의 원자들 사이에는 상호 작용력(척력 또는 인력)이 발생하게 된다. 이러한 작용력은 주로 반데르발스 힘(Van Der Waals Force)이며, 그 크기는 나노 뉴턴(Nano Newton)(10-9N) 이하 정도이다. 상기 작용력에 의해 캔틸레버(12)는 휘어지거나 공명진동수에 변화가 있게 된다. 이러한 캔틸레버(12)의 휘어짐과 공명진동수의 변화를 측정하여 시료(14)의 기하학적 형태를 결정할 수 있다. 그리고, 캔틸레버(12)의 휘어짐과 공명진동수의 변화는 레이저(16)와 포토다이오드(Photodiode, 18)를 이용하여 측정한다. 이때, 측정을 지속적으로 표면에 대해 유지하기 위해 피드백 제어부(Feedback Controller, 17)를 이용하여 제어한다. 따라서, 캔틸레버(12)가 달린 스테이지(Stage, 20)는 측정시료(14)와 팁(11a) 사이의 간격을 일정하게 유지하면서 캔틸레버(12)의 휘는 정도를 계속해서 측정하게 된다. 이렇게 얻어진 결과를 분석하면, X-Y스캔 제어부(13)에 의해 스테이지(15)가 이동됨에 따라 시료(14)의 표면 정보를 디스플레이(Display, 19)에 나타낼 수 있다.1 shows the structure of a general AFM. As shown in FIG. 1, the AFM 10 has a pyramidal pointed probe 11 tip 11a formed at the end of a small rod (100 μm × 10 μm × 1 μm) called a cantilever (12). . These are made by micromachining. When the tip 11a is brought close to the surface of the sample 14, an interaction force (repulsive force or attractive force) is generated between the tip 11a and the atoms of the surface of the sample 14. This action is mainly Van Der Waals Force, the magnitude of which is less than Nano Newton (10 -9 N). By the action force, the cantilever 12 is bent or there is a change in the resonance frequency. The geometrical shape of the sample 14 can be determined by measuring the warpage and the change in the resonance frequency of the cantilever 12. The bending and the change in the resonance frequency of the cantilever 12 are measured using the laser 16 and the photodiode 18. At this time, in order to continuously maintain the measurement with respect to the surface, it is controlled using a feedback controller 17. Therefore, the stage 20 with the cantilever 12 continuously measures the bending degree of the cantilever 12 while maintaining a constant distance between the measurement sample 14 and the tip 11a. When the result obtained is analyzed, the surface information of the sample 14 can be displayed on the display 19 as the stage 15 is moved by the XY scan control unit 13.
이와 같은 AFM(10)은 SPM의 일종이며, 대부분의 SPM의 공통적인 특징은 미세한 탐침을 이용한다는 데 있다. 이러한 탐침은 각각 형상이나 물리적 특성이 다르지만, 끝단이 상대적으로 뾰족해서 분자 수준 이하의 측정이 가능하도록 제작되어진다. The AFM 10 is a kind of SPM, and a common feature of most SPMs is that it uses a minute probe. Each of these probes has a different shape or physical properties, but the tip is relatively sharp and is designed to measure below the molecular level.
또한, 미세 탐침은 그 자체적인 구조로 데이터 저장장치나 바이오 칩(Bio Chip) 등에 활용되기도 한다. 데이터 저장장치로는 IBM의 Millepede에서 사용된 AFM 팁의 형상을 지니고, 끝단이 뾰족한 구조를 가지고 있으며, 이러한 캔틸레버 팁 상에 전열장치를 부가하여 온도를 조정함으로써 기록 기판상에 정보를 기록하는 장치이다. 이러한 장치에서 캔틸레버의 끝단에 카본나노튜브와 같은 우수한 물성을 갖는 나노 물질을 부착하게 되면 보다 기록 성능이 향상되고, 사용가능 시간을 연장할 수 있는 장점이 있으므로 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, 바이오 칩이나 화학센서(Chemical Sensor)들은 대부분 캔틸레버의 구조를 가지고 있으며, 그 끝단에 원하는 나노 물질을 부가함으로써 대상이 되는 시료의 화학적, 물리적 상태를 검출하는데 활용할 수 있다. In addition, the micro-probe has its own structure, which is used for data storage devices and biochips. The data storage device has the shape of the AFM tip used in Millepede of IBM, has a sharp tip structure, and records information on the recording board by adjusting the temperature by adding a heating device on the cantilever tip. . In such a device, nanomaterials having excellent physical properties, such as carbon nanotubes, are attached to the ends of the cantilever, and thus, the recording performance is improved and the usable time can be extended. In addition, most biochips or chemical sensors have a cantilever structure and can be used to detect chemical and physical states of a target sample by adding desired nanomaterials to the ends thereof.
그러나, 현재까지 개발된 기술로는 미세한 나노 물질을 미세 탐침의 일정 부분에 구동기를 이용하여 부착하는 방식을 사용함으로써, 매우 시간 소모적이고, 값비싼 장치를 필요로 하며, 대량생산이 거의 불가능하다. 예를 들어, 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 안에 다축의 이송대(Manipulator)를 두고, 상기 이송대(Manipulator)의 구동부 끝단마다 AFM 팁을 부착하여 이 AFM 팁 끝을 이용해 나노 물질을 이동시켜 원하는 탐침부위에 부착하는 기술을 사용하여 왔다. 그러나, 이 방법은 나노 물질을 적용하는데 환경적인 제한이 있을 뿐아니라, 나노 물질의 형상이나 구조적 특징에 따라서도 제한적으로 적용이 가능하다. 또한, 한개의 나노 물질이 아닌 일정한 양을 부착하려고 할 때에는 거의 불가능한 방법이라고 할 수 있다. 따라서, 이러한 기존의 기술의 한계를 극복하고, 여하한 환경에서도 미세 탐침의 끝단에 원하는 나노 물질을 부착할 수 있는 장치는, 향후 나노 기술의 발전과 여러 나노 관련 제품을 조기에 상용화 하는데 매우 중요한 의미를 가진다고 할 수 있다.However, the technology developed to date uses a method of attaching fine nanomaterials to a portion of the fine probe by using a driver, which requires a very time-consuming, expensive device, and is almost impossible to mass produce. For example, a multi-axis manipulator is placed in a scanning electron microscope, and an AFM tip is attached to each drive end of the manipulator to move the nanomaterial using the AFM tip. Techniques for attaching to probes have been used. However, the method is not only environmentally limited in the application of nanomaterials, but is also limited in terms of the shape and structural features of the nanomaterials. In addition, it is almost impossible to attach a certain amount instead of one nanomaterial. Therefore, a device capable of overcoming the limitations of the existing technology and attaching the desired nanomaterial to the tip of the micro probe in any environment is very important for the future development of nanotechnology and early commercialization of various nano-related products. It can be said to have.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술과는 달리, 전기화학적 방법을 이용하여 원하는 다양한 나노 물질을 탐침에 부착하는 새로운 형태의 나노 물질 조립장치를 제공함에 있다. It is an object of the present invention to provide a new type of nanomaterial assembly apparatus for attaching various desired nanomaterials to a probe by using an electrochemical method, unlike the prior art.
본 발명의 다른 목적은 동시에 여러 개의 탐침에 다양한 나노 물질을 부착할 수 있는 나노 물질 조립장치를 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a nanomaterial assembly apparatus that can attach various nanomaterials to multiple probes at the same time.
본 발명의 또 다른 목적은 그러한 조립장치가 적용된 주사탐침 현미경을 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope to which such an assembly apparatus is applied.
상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 탐침에의 나노 물질 조립장치는, 탐침의 한쪽 끝을 고정하는 고정부와; 탐침의 팀과 일정한 거리를 두고 배치된 전극과; 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단과; 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단; 및 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부를 포함하여 구성된다.Apparatus for assembling the nanomaterial to the probe according to the present invention for achieving the above object, the fixing portion for fixing one end of the probe; Electrodes arranged at a distance from the team of probes; Moving means for adjusting a gap between the tip of the probe and an electrode; Measuring means capable of measuring a distance between the tip of the probe and an electrode; And a power supply unit for applying a voltage between the probe and the electrode.
또한, 본 발명에 따른 탐침에의 나노 물질 조립장치는, 각 탐침의 한쪽 끝을 고정하는 다수개의 고정부와; 각 탐침의 팁과 일정한 거리를 두고 배치된 전극과; 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단과; 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단; 및 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부를 포함하여 구성된다. In addition, the apparatus for assembling nanomaterials into a probe according to the present invention includes: a plurality of fixing portions for fixing one end of each probe; An electrode disposed at a predetermined distance from the tip of each probe; Moving means for adjusting a gap between the tip of the probe and an electrode; Measuring means capable of measuring a distance between the tip of the probe and an electrode; And a power supply unit for applying a voltage between the probe and the electrode.
또한, 본 발명에 따른 주사탐침 현미경은, 상기한 조립장치를 포함한 주사탐침 현미경에 관한 것이다.The scanning probe microscope according to the present invention also relates to a scanning probe microscope including the above-mentioned granulation apparatus.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings the present invention will be described in detail.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노물질 조립장치에 대한 구성도이다. 상기 제1실시예에 따른 조립장치(100)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 탐침(11)을 고정하는 고정부(110)와, 상기 탐침(11)과 일정한 거리를 두고 배치된 전극(120)과, 상기 탐침과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(130)과, 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(140) 및 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(150)를 포함하여 구성된다.Figure 2a is a block diagram of a nanomaterial assembly apparatus according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2A, the assembling apparatus 100 according to the first embodiment includes a fixing part 110 for fixing the probe 11 and an electrode 120 disposed at a predetermined distance from the probe 11. ), A moving means 130 for adjusting the gap between the probe and the electrode, a measuring means 140 capable of measuring the distance between the tip of the probe and the electrode, and a voltage applied between the probe and the electrode. It is configured to include a power supply unit 150 for.
본 발명에서 사용되는 탐침(11)은 뾰족한 팁(11a)을 형성한 기존의 탐침을 이용한다. 이러한 탐침(11)은 전도성을 갖고 있으며, 탐침의 한쪽 끝은 상기 고정부(110)에 장착된다.The probe 11 used in the present invention uses an existing probe having a pointed tip 11a. The probe 11 is conductive, and one end of the probe is mounted to the fixing part 110.
상기 전극(120)은 전도체이면 무방하고, 특별히 그 형상은 한정되지 않는다. 상기 전극(120)은 탐침(11)의 팁(11a)과 서로 마주보고 위치하며, 전극 고정부(122)에 설치될 수 있으며, 전극(120)은 필요에 따라 전극 고정부(122)에 탈부착이 가능하도록 설치된다.The electrode 120 may be a conductor, and the shape thereof is not particularly limited. The electrode 120 is positioned to face each other with the tip (11a) of the probe 11, may be installed in the electrode fixing portion 122, the electrode 120 is detachable to the electrode fixing portion 122 as necessary. Is installed to enable this.
상기 고정부(120)는 조립장치(100)의 효율성을 높이고 기존의 기능과 상충되거나 영향을 주지 않기 위해 탐침(11)을 고정하는 부분의 일부 또는 탐침 고정부와 연결된 부분의 일부 또는 전부가 절연특성을 가진 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 이를 통하여 기존의 SPM장치의 활용도를 넓힐 수 있어 나노 물질의 조립과 관련된 나노 기술을 개발하는 도구로서 이용될 수 있다.The fixing part 120 is insulated part or all of the part fixing the probe 11 or the part connected to the probe fixing part in order to increase the efficiency of the assembly apparatus 100 and do not conflict with or affect existing functions. It is desirable to be made of a material having properties. Through this, it is possible to expand the utilization of the existing SPM device can be used as a tool for developing nanotechnology related to the assembly of nanomaterials.
상기 계측수단(140)은, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 변위값을 측정하는 검출회로를 부착하여 상기 탐침 팁과 전극 사이의 접촉된 위치 또는 최대한 근접된 위치, 예컨대 1㎛ 이하 정도의 위치를 상기 팁과 전극 사이의 거리의 기준점으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 검출회로는 반복적인 위치 조절을 위해 탐침의 팁과 전극이 접촉되는 위치를 알기 위해서 일반적으로 SPM에 사용되는 터널링 전류(Tunneling Current), 반데르발스 힘, 커패시턴스(Capacitance), 온도와 같은 변위량을 이용해 탐침의 팁과 전극을 최대한 접근시킬 수 있다. The measuring means 140 is attached to the detection circuit for measuring the displacement value between the probe tip (11a) and the electrode 120, the contact position between the probe tip and the electrode or as close as possible, for example 1㎛ It is preferable to make a position below about a reference point of the distance between the said tip and an electrode. These detection circuits measure displacements such as tunneling current, van der Waals forces, capacitance, and temperature, which are commonly used in SPMs to determine where the tip and electrodes of a probe come into contact for repetitive positioning. This provides maximum access to the tip and electrode of the probe.
또한, 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에는 나노 물질을 함유한 용액을 주사하기 위한 수단이 마련될 수 있다. In addition, a means for injecting a solution containing a nanomaterial may be provided between the probe 11 and the electrode 120.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 나노 물질 조립장치에서는 상기 계측수단으로서 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 화상으로 측정하기 위한 카메라(142)일 수 있다.In addition, in the nanomaterial assembly apparatus according to the second embodiment of the present invention, as shown in Figure 2b as the measuring means, a camera for measuring the distance between the probe tip (11a) and the electrode 120 as an image ( 142).
상기 이동수단(130)은 고정부(110)와 연결되어 상기 고정부(110)가 이동수단(130)을 따라 슬라이딩(Sliding)되도록 구성된다. 상기 팁(11)과 전극(120) 사이의 위치를 조절하기 위한 이동수단(130)에는 스케일(Scale)이 부착되어 있는 마이크로 메타(Micrometer, 미도시)가 설치된 이동스테이지(Movable Stage)일 수 있다. 또한, 상기 이동수단(130)에는 상기 팁(11)이나 전극(120) 중 적어도 하나를 이송할 수 있는 구동수단(미도시), 예컨대 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것이 바람직하다.The moving unit 130 is connected to the fixing unit 110 is configured such that the fixing unit 110 is sliding along the moving unit (130). The moving means 130 for adjusting the position between the tip 11 and the electrode 120 may be a movable stage provided with a micrometer (not shown) to which a scale is attached. . In addition, the moving means 130 is preferably provided with a driving means (not shown), for example a piezo actuator (Piezo Actuator) that can transfer at least one of the tip (11) or the electrode (120).
한편, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 나노 물질 조립장치에 대한 사시도이다. 상기 제3실시예는 탐침(11)을 다중으로 장착할 수 있는 나노물질 조립장치(200)이다. 이 조립장치(200)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 각 탐침(11)의 한쪽 끝을 고정하는 다수개의 고정부(210)와, 각 탐침의 팁(11a)과 일정한 거리를 두고 배치된 전극(220)과, 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 간격을 조절하기 위한 이동수단(230)과, 상기 탐침의 팁과 전극 사이의 거리를 측정할 수 있는 계측수단(240) 및 상기 탐침과 전극 사이에 전압을 인가하기 위한 전원부(250)를 포함하여 구성된다. On the other hand, Figure 3 is a perspective view of the nanomaterial assembly apparatus according to a third embodiment of the present invention. The third embodiment is a nano-material assembly apparatus 200 that can be mounted in multiple probes (11). As shown in FIG. 3A, the assembly apparatus 200 includes a plurality of fixing parts 210 for fixing one end of each probe 11 and an electrode disposed at a predetermined distance from the tip 11a of each probe. 220, a moving means 230 for adjusting the distance between the tip of the probe and the electrode, measuring means 240 for measuring the distance between the tip of the probe and the electrode and between the probe and the electrode It is configured to include a power supply unit 250 for applying a voltage to the.
상기 고정부(210)는, 한쪽 끝에 스프링(216)이 장착되고, 다른 쪽 끝에는 고정베이스(218)에 삽입되는 탐침(11)을 가압하기 위한 핀(212)이 탈착 가능하도록 설치되며, 중간에 고정베이스(218)와 힌지결합(214)되어 있다. 이 고정부(210)는 고정베이스(218) 위에 설치될 수 있다. 상기 고정베이스(218)의 다수개의 홈에 각각 탐침(11)이 삽입된다. 상기 고정부(210)는 힌지결합되어 있기 때문에 한쪽의 스프링(216)에 반발력에 의해 각 탐침(11)은 핀(212)에 의해 눌리면서 고정부 베이스(218)에 고정된다. The fixing part 210 has a spring 216 mounted at one end thereof, and a pin 212 for pressing the probe 11 inserted into the fixed base 218 at the other end thereof is detachably installed. The fixed base 218 and the hinge coupling 214 is. The fixing part 210 may be installed on the fixing base 218. The probe 11 is inserted into each of the plurality of grooves of the fixed base 218. Since the fixing part 210 is hinged, each probe 11 is fixed to the fixing base 218 by being pressed by the pin 212 by the repulsive force on one spring 216.
앞의 제1, 제2실시예와는 달리 상기 제3실시예의 조립장치(200)는, 기본적으로 탐침의 고정부(210)가 각 탐침(11)을 다중으로 부착할 수 있다. Unlike the first and second embodiments, the assembling apparatus 200 of the third embodiment may basically attach the probes 11 to the probes 210 in a plurality.
상기 전극(220)들은 도 3b에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(222)의 미세한 패턴(Pattern)으로 형성하는 것이 바람직하다. As illustrated in FIG. 3B, the electrodes 220 may be formed in a fine pattern of the printed circuit board 222.
또한, 상기 이동수단(230)에는, 상기 전극(230)을 이동시키기 위한 피에조 구동기(Piezo Actuator)가 설치되는 것이 바람직하다.In addition, the moving means 230 is preferably provided with a piezo actuator (Piezo Actuator) for moving the electrode 230.
이러한 제3실시예에 따른 나노 물질 조립장치는 제조 비용을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있다. The nanomaterial assembly apparatus according to the third embodiment may improve productivity by reducing manufacturing costs.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 탐침에 나노 물질을 조립장치의 작용 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a description will be given of the effect of the assembly apparatus of the nanomaterial to the probe according to the first embodiment of the present invention.
먼저, 도 4에 본 발명의 조립장치에 적용 가능한 대표적인 나노 물질들을 도시하였다. 이러한 나노 물질들은 크게 무기물과 유기물로 나눌 수 있으며, 대개 그 크기가 1㎛ 이하의 크기를 갖는다. 무기물의 대표적인 나노 물질로는 나노 탄소, 나노 보론, 펩타이트(Petide) 등을 포함한 나노 튜브(Nanotube, 도 4a 참조), 벌크볼(Buckyball, 도 4b 참조), 나노 와이어(Nanowire), 금속 콜로이달(Metal Colloid), 금속분말(Metal Powder), 광결정(Photonic Crystal), 나노 입자(Nano Particles) 등과 같은 볼형태(도 4c 참조)가 있으며, 유기물의 대표적인 나노 물질로는 DNA(도 4d 참조), 단백질(Protein) 등이 있다. 이와 같은 나노 물질은 그 자체적으로 전도성이나 비전도성, 혹은 유전 특성(Dielectricity) 여부에 관계없이 탐침과 전극 사이에 가해지는 전압에 의해 한쪽 또는 양쪽 방향으로 끌려오게 된다. First, FIG. 4 shows representative nanomaterials applicable to the assembly apparatus of the present invention. These nanomaterials can be largely divided into inorganic and organic materials, and generally have a size of 1 μm or less. Representative nanomaterials of inorganic materials include nanotubes (Nanotube (see FIG. 4A)), bulkballs (see FIG. 4B), nanowires, metal colloidals including nano carbon, nano boron, peptide, and the like. (Metal Colloid), Metal Powder (Metal Powder), Photonic Crystal, Nano Particles (Nano Particles), such as the ball form (see Figure 4c), etc. Representative nanomaterials of organic material is DNA (see Figure 4d), Protein, and the like. Such nanomaterials are attracted in one or both directions by the voltage applied between the probe and the electrode, regardless of whether they are conductive, nonconductive, or dielectric.
본 발명에 따른 조립장치에서 상기한 나노 물질이 탐침에 부착되는 과정을 설명하면 다음과 같다. Referring to the process of attaching the nanomaterial to the probe in the assembly apparatus according to the present invention are as follows.
도 2a에 도시된 조립장치(100)에서 전극(120) 위에 상기한 나노 물질이 함유된 용액(300)을 적가한 후, 전원부(150)로부터 DC 혹은 AC의 전압을 상기 탐침(11)과 전극(120) 사이에 인가하면, 탐침(11)과 전극(120) 사이에 전기장이 형성되게 된다. 이러한 전기장이 형성되면 전기화학적 특성에 의해 탐침과 전극 사이에 놓여진 용액 안의 나노 물질은 전기장의 세기가 큰 곳으로 혹은 나노 물질의 대전된 전하와 반대극성을 가진 전극으로 끌려가게 된다. 또한, 불균일한 전기장에 놓인 나노 물질은 쌍극자 모멘트(Dipole Moment)가 발생하게 되어 전기장의 구배를 따라 비전기이동력(Dielectrophoretic Force)이 발생하게 된다. In the assembling apparatus 100 illustrated in FIG. 2A, after the solution 300 containing the nanomaterials is added dropwise onto the electrode 120, a voltage of DC or AC is supplied from the power supply unit 150 to the probe 11 and the electrode. When applied between the 120, an electric field is formed between the probe 11 and the electrode 120. When the electric field is formed, the nanomaterial in the solution placed between the probe and the electrode is attracted by the electrochemical property to the electrode having a large electric field strength or an electrode having a polarity opposite to the charged charge of the nanomaterial. In addition, the nanomaterial placed in the non-uniform electric field generates a dipole moment (Dipole Moment) is generated along the gradient of the electric field (Dielectrophoretic Force).
본 발명의 조립장치에서 탐침 팁과 전극 사이에서의 접촉점을 파악하기 위해 상기 계측수단(140)을 통해 신호를 검출하는 것이 중요하다. 즉, 탐침 팁과 전극 사이의 접촉점 또는 예컨대 1㎛ 이하의 위치를 파악하여 기준점을 설정하면, 탐침 팁과 전극 사이의 거리를 매 조립마다 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 계획된 조립을 동일한 조건에서 반복적으로 수행하여 동일한 조립결과를 얻을 수 있기 때문에 조립장치의 조립 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산성을 높일 수 있다. In the assembly apparatus of the present invention, it is important to detect a signal through the measuring means 140 in order to determine the contact point between the probe tip and the electrode. That is, by determining the contact point between the probe tip and the electrode or the position of, for example, 1 μm or less, and setting the reference point, the distance between the probe tip and the electrode can be kept constant for every assembly. Therefore, since the same assembly result can be obtained by repeatedly performing the planned assembly under the same conditions, the assembly performance of the assembly apparatus can be improved as well as the productivity can be increased.
본 발명에서는 상기 탐침 팁과 전극 사이에 완전한 접촉 위치를 확인하기 위해서 전압, 저항, 전류 등의 변위량을 측정함으로써 접촉여부를 확인할 수 있다. 그러나, 탐침의 팁은 매우 뾰족하여 전극과 물리적으로 접촉하는 경우에 탐침 팁이 손상될 우려가 있으므로, 최대한 가까운 위치를 찾는게 중요하다. 따라서, 이를 실현하기 위해 원자간의 터널링 전류나 반 데르 발스 힘을 측정하여 접촉점에 최대한 가까이 가는 방법을 이용하면 매우 효과적이다.In the present invention, it is possible to confirm whether the contact by measuring the displacement amount of voltage, resistance, current, etc. in order to confirm the complete contact position between the probe tip and the electrode. However, the tip of the probe is very pointed so that the probe tip may be damaged when it is in physical contact with the electrode, so it is important to find the position as close as possible. Therefore, it is very effective to measure the tunneling current or van der Waals force between atoms and get as close as possible to the contact point.
도 5는 이러한 측정원리를 구체적으로 설명하기 위해 나노 물질 조립장치(100)의 탐침 팀(11a)과 시료(14)의 일부 확대한 도면이고, 도 5b는 상기 탐침 팁과 시료 사이의 간격에 따른 힘을 도시한 그래프이다.FIG. 5 is an enlarged view of a part of the probe team 11a and the sample 14 of the nanomaterial assembly apparatus 100 in order to explain the measuring principle in detail. FIG. 5B shows the distance between the probe tip and the sample. It is a graph showing the force.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 탐침 팁(11a)와 시료 용액(300)을 원자 한두개 크기의 간격으로 접근시킨 후 양단간에 적당한 전압을 걸어주면, 전자가 에너지벽을 뚫고 지나가 전류가 흐르는 양자역학적 터널링 현상이 일어난다. 그러나, 탐침 팁과 시료 간격이 멀어지면 이 전류가 급격히 줄어들게 된다. 도 5b는 상기 탐침 팁과 전극 사이의 간격에 따른 이러한 힘을 나타내고 있다. 이러한 현상을 이용하면 탐침 팁과 전극 사이의 간격을 m 가까이 근접하도록 할 수 있어 탐침 팁과 전극 사이의 간격을 재는 기준점으로 활용할 수 있다. As shown in FIG. 5A, when the probe tip 11a and the sample solution 300 are approached at an interval of one or two atoms, and an appropriate voltage is applied between both ends, electrons penetrate through the energy wall and current flows. Tunneling phenomenon occurs. However, if the probe tip and sample distance are farther away, this current will be drastically reduced. Figure 5b shows this force with the spacing between the probe tip and the electrode. By using this phenomenon, the distance between the probe tip and the electrode can be brought close to m, so that it can be used as a reference point for measuring the distance between the probe tip and the electrode.
한편, 상기 탐침 팁(11a)과 전극(120) 사이의 간격을 재는 기준점을 측정하기 위해서 도 2와 같은 조립장치에서와 같이, 검출회로로 구성된 계측수단(140)이나 화상으로 측정하기 위한 카메라(142)를 설치하여 행할 수도 있다. On the other hand, in order to measure the reference point measuring the distance between the probe tip (11a) and the electrode 120, as in the assembly apparatus as shown in Figure 2, the measuring means 140 consisting of a detection circuit or a camera for measuring with an image ( 142 may be provided.
그리고, 실제 상기 탐침 팁과 전극 사이의 간격 조정은, 상기 이동스테이지(130)에 장착된 마이크로 메타(Micrometer), 정밀이송모터나 피에조 구동기(Piezo Actuator)를 통해 이루어질 수 있다.In addition, the gap between the probe tip and the electrode may be adjusted through a micrometer, a precision transfer motor, or a piezo actuator mounted on the moving stage 130.
이와 같이, 본 발명의 조립장치에 의해 탐침 팁에 나노 물질을 조립한 후, 조립된 탐침 팁을 도 1과 같은 AFM(10)의 켄틸레버(12)에 설치하여, 피드백 제어를 통해 시료과 일정한 거리를 유지하도록 함으로써 시료의 표면 정보를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 나노 물질이 부착된 탐침(11)을 사용하면, 기존의 측정보다 훨씬 정교한 측정이 가능하거나 특정한 물질에 반응하는 특성을 이용해 특수한 신호를 검출할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 조립장치에 의해 조립된 탐침을 사용하면, 나노미터(Nanometer)는 물론 서브 마이크로(Submicro) 정도의 크기를 갖는 표면을 정확히 해석할 수 있게 된다. As such, after the nanomaterial is assembled to the probe tip by the assembly apparatus of the present invention, the assembled probe tip is installed on the cantilever 12 of the AFM 10 as shown in FIG. The surface information of the sample can be obtained by maintaining. Using the nanomaterial attached probe 11 according to the present invention, it is possible to provide a more precise measurement than the conventional measurement or to provide a function that can detect a special signal by using a characteristic that reacts to a specific material. That is, by using the probe assembled by the assembly apparatus of the present invention, it is possible to accurately analyze the surface having a size of submicro as well as nanometer (Submeter).
한편, 제1, 2실시예와는 달리 상기 제3실시예의 조립장치(200)는, 기본적으로 여러 개의 탐침(11) 팁(11a)에 나노 물질을 동시에 부착할 수 있다. 즉, 제3실시예의 조립장치(200)에서는, 각각의 탐침(11)을 고정부 베이스(218)의 측면에 형성된 홈에 삽입한 후, 고정부(210)의 핀(212)에 의해 각 탐침(11)을 누른 상태에서 전극(220)과 탐침(11) 사이에 나노 물질이 함유된 용액(300)을 적가하고, 상기 전극(220)과 탐침(11)에 전압을 가하면, 제1, 2실시예에서와 같이 나노 물질이 각 탐침 팁(11a)에 부착될 수 있다.Meanwhile, unlike the first and second embodiments, the assembling apparatus 200 of the third embodiment may basically attach nanomaterials to the plurality of probes 11 and the tip 11a at the same time. That is, in the assembling apparatus 200 of the third embodiment, each probe 11 is inserted into a groove formed in the side surface of the fixing part base 218, and then each probe is formed by the pins 212 of the fixing part 210. While pressing (11) while dropping a solution 300 containing nanomaterials between the electrode 220 and the probe 11, and applying a voltage to the electrode 220 and the probe 11, the first and second Nanomaterials may be attached to each probe tip 11a as in embodiments.
상기한 제1, 2실시예에 따른 나노물질 조립장치들은 실제로 기존에 활용하고 있는 AFM, STM 등과 같은 주사탐침 현미경(SPM)에 부가함으로써 본 발명을 실현할 수도 있다. 예컨대, 도 1과 같은 AFM의 탐침 팁에 전도성 팁을 부착하고, 반대편 고정부에도 전극판을 올려놓은 상태에서 팁과 전극 사이의 간격은 AFM이나 STM의 원리를 이용해 조절한 후, 상기 팁과 전극 사이에 원하는 전압을 인가하고, 용액을 주사할 수 있다. 따라서, 기존의 SPM에서, 탐침의 반대편에 탈부착 가능한 전극을 추가하면, 상기 조립장치를 적용한 SPM가 얻어진다.The nanomaterial assembly apparatuses according to the first and second embodiments described above may be realized by adding to a scanning probe microscope (SPM) such as AFM, STM, and the like, which are actually utilized. For example, the conductive tip is attached to the probe tip of the AFM as shown in FIG. 1, and the gap between the tip and the electrode is adjusted using the principle of AFM or STM after the electrode plate is also placed on the opposite fixing part. The desired voltage can be applied between and the solution can be injected. Therefore, in the existing SPM, when the detachable electrode is added to the other side of the probe, the SPM to which the above-mentioned assembly apparatus is applied is obtained.
이하, 본 발명의 나노물질 조립장치를 이용하여 나노물질을 기존의 AFM 탐침에 부착한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of attaching a nanomaterial to an existing AFM probe using the nanomaterial assembly apparatus of the present invention will be described.
[실시예]EXAMPLE
도 2a에서와 같은 조립장치를 이용하여 탐침 팁에 나노물질을 부착하였다. 먼저, 금속으로 코팅된 AFM의 탐침(11)을 고정부(110)에 장착한 후에, 상기 탐침 팁의 끝단에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)가 내재된 용액을 탐침과 전극 사이에 떨어뜨린 다음, 탐침과 전극 사이에 AC전압을 걸어주어 전기화학적 힘에 의해 상기 카본 나노튜브를 AFM 탐침 팁 끝단에 부착시켰다. Nanomaterial was attached to the tip of the probe using the assembly device as shown in Figure 2a. First, after mounting the probe 11 of the AFM coated with metal to the fixing unit 110, a solution in which carbon nanotubes are embedded at the tip of the probe tip is dropped between the probe and the electrode. An AC voltage was applied between the probe and the electrode to attach the carbon nanotube to the tip of the AFM probe tip by electrochemical force.
도 6은 그 결과를 보여준 사진이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 탐침 팁에 탄소 나노튜브가 부착된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 나노물질이 부착된 AFM 탐침의 경우 팁의 끝단이 큰 종횡비(High-aspect-ratio)를 가지기 때문에 도랑(Trench)이나 곡선(Curved) 구조의 형상을 측정하는데 유리하다. 또한, 본 발명의 조립장치를 사용하면, 직경이 1nm 가까운 단일벽 나노튜브(Single Wall Nanotube)를 부착할 경우에는 분해능을 서브나노미터까지 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 6 is a photograph showing the result. As shown in Figure 6, it was confirmed that the carbon nanotubes attached to the probe tip. In the case of the AFM probe attached to the nanomaterial, the tip has a high aspect ratio, which is advantageous for measuring the shape of trenches or curved structures. In addition, using the assembly apparatus of the present invention, when attaching a single wall nanotube (Single Wall Nanotube) close to 1 nm in diameter, there is an advantage in that the resolution can be greatly improved to sub-nanometers.
상술한 바와 같이, 본 발명의 나노 물질 조립장치에 의하면, 여러 형상의 나노 물질을 탐침의 끝단에 부착하여 탐침의 성능을 향상시키거나 새로운 기능을 부가하는 탐침을 제작할 수 있으며, 이러한 나노 물질이 조립된 특별한 탐침을 이용하면 기존의 SPM의 측정대상을 대폭 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 탐침들 자체를 이용해 물리적, 전기적, 화학적, 생물학적 신호 등을 검출하는 센서로도 활용이 가능하다.As described above, according to the nanomaterial assembly apparatus of the present invention, by attaching the nanomaterials of various shapes to the tip of the probe, it is possible to manufacture a probe that improves the performance of the probe or adds a new function, such nanomaterial is assembled In addition to the large number of existing SPM measurement targets, the new probe can be used as a sensor to detect physical, electrical, chemical and biological signals using the probes themselves.
도 1은 일반적인 원자간력 현미경(AFM)의 구조도이다.1 is a structural diagram of a general atomic force microscope (AFM).
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 탐침 팁에의 나노물질 조립장치에 대한 구성도이다.Figure 2a is a block diagram of a device for assembling the nanomaterial to the tip of the probe according to the first embodiment of the present invention.
도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 탐침 팁에의 나노물질 조립장치에 대한 구성도이다.Figure 2b is a block diagram of a device for assembling the nanomaterial to the tip of the probe according to the second embodiment of the present invention.
도 3a는 여러개의 탐침을 동시에 장착할 수 있는 본 발명의 제3실시예에 따른 나노 물질 조립장치에 대한 구성도이고, 도 3b는 도 3a의 "A"부 확대도이다.Figure 3a is a block diagram of a nanomaterial assembly apparatus according to a third embodiment of the present invention that can be equipped with multiple probes at the same time, Figure 3b is an enlarged view "A" of Figure 3a.
도 4는 본 발명에 적용되는 여러 가지 나노 물질들을 도시한 도면이다. 4 is a view illustrating various nanomaterials applied to the present invention.
도 5a는 나노 물질 조립장치의 탐침 팀과 시료의 일부 확대도이고, 도 5b는 도 5a의 탐침 팁과 시료 사이의 간격에 따른 힘을 도시한 그래프이다.FIG. 5A is an enlarged view of the probe team and the sample of the nanomaterial assembly apparatus, and FIG. 5B is a graph showing the force according to the distance between the probe tip and the sample of FIG. 5A.
도 6은 본 발명의 조립장치에 의해 나노 튜브를 탐침 팁에 조립한 모습을 도시한 사진이다. Figure 6 is a photograph showing the assembly of the nanotubes to the probe tip by the assembly device of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 .... AFM 11 .... 탐침(Probe)10 .... AFM 11 .... Probe
11a ... 탐침 팁(Tip) 12 .... 캔틸레버(Cantilever)11a ... Probe Tip 12 .... Cantilever
14 .... 시료 15 .... 스테이지(Stage)14 .... Sample 15 .... Stage
100, 200 ... 조립장치 110, 210 ... 고정부100, 200 ... assembly 110, 210 ... fixing part
120, 220 ... 전극 130, 230 ... 이동스테이지120, 220 ... electrode 130, 230 ... moving stage
150, 250 ... 전원부 300 .... 용액150, 250 ... power supply 300 .... solution
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