KR20230151677A - 3차원 나노쉘 구조의 세라믹-고분자 복합체를 갖는 마이크로 사전 농축기 및 그 제조 방법 - Google Patents

3차원 나노쉘 구조의 세라믹-고분자 복합체를 갖는 마이크로 사전 농축기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 마이크로 사전 농축기는, 트렌치를 갖는 베이스 기판 및 상기 트렌치 내에 배치되며 정렬되고 서로 연결된 기공을 갖는 3차원 나노쉘 복합체를 포함한다. 상기 3차원 나노쉘 복합체는, 3차원으로 연장된 박막에 의해 정의되는 3차원 나노쉘 지지체 및 상기 3차원 나노쉘 지지체의 표면을 따라 형성된 고분자층을 포함한다. 상기 마이크로 사전 농축기는 기체의 흡착량을 증가시킬 수 있으며, 빠른 시간에 균일한 가열이 가능함으로써, 기체를 높은 밀도로 단시간에 방출할 수 있다.

Description

3차원 나노쉘 구조의 세라믹-고분자 복합체를 갖는 마이크로 사전 농축기 및 그 제조 방법{MICRO PRE-CONCENTRATOR HAVING CERAMIC-POLYMER COMPOSITE WITH THREE-DIMENSIONAL NANO-SHELL STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 사전 농축기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 휘발성 유기 화합물의 검출을 위하여 사용될 수 있는 3차원 나노쉘 구조의 세라믹-고분자 복합체를 갖는 마이크로 사전 농축기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
휘발성 유기 화합물은, 대기중에서 미세먼지를 형성할 뿐만 아니라 악취를 일으키고, 빛에 반응하여 오존을 발생시키는 등 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 현재 사용중인 검출기들은 감지 능력의 한계로 인하여, 대기중의 매우 적은 양의 미세한 입자들을 정확하게 측정하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 측정 대상이 되는 기상의 입자들을 검출기 이전에 고농도로 농축하는 사전 농축기가 사용될 수 있다.
최근, 휴대 가능한 검출기의 수요가 증가함에 따라, 휴대용 시스템에 적용 될 수 있는 작은 크기의 마이크로 사전 농축기의 개발 필요성이 증가하고 있다. 예를 들어, MEMS 공정 기반의 마이크로 칼럼과 흡착제(absorbent)를 사용하여, 마이크로 사전 농축기를 제작할 수 있다.
기존의 마이크로 사전 농축기의 경우, 다공성 재료를 마이크로 마이크로 사전 농축기 안에 채워 넣어 기상 입자와 다공체 간의 흡ㅇ탈착 효율을 극대화 시킬 수 있는 넓은 비표면적을 갖는 다공체 구조를 형성하였다. 그러나, 종래 기술에 따른 다공체 구조는 마이크론 (micron) 스케일의 비정렬 다공체 구조 (random porous structure)를 형성하기 때문에 가스 분자들의 흡착 및 탈착에 있어서 원활한 흐름을 제공하기 어렵다. 또한, 탈착 시에 열이 균일하게 전달되지 못하기 때문에 부분적인 탈착 불량을 야기하여 농축 효과가 감소될 수 있다.
(1) 국제출원번호 PCT/EP2015/063293 (2) 미국등록특허 US 9,316,623 (3) 대한민국등록특허 10-2112031
(1) Anal. Chem. 2012, 84, 6336 (2) Lab Chip, 2012, 12, 717 (3) Lab Chip, 2013, 13, 818
본 발명의 일 과제는, 3차원 나노쉘 구조의 세라믹-고분자 복합체를 갖는 마이크로 사전 농축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 상기 마이크로 사전 농축기의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로 사전 농축기는, 트렌치를 갖는 베이스 기판 및 상기 트렌치 내에 배치되며 정렬되고 서로 연결된 기공을 갖는 3차원 나노쉘 복합체를 포함한다. 상기 3차원 나노쉘 복합체는, 3차원으로 연장된 박막에 의해 정의되는 3차원 나노쉘 지지체 및 상기 3차원 나노쉘 지지체의 표면을 따라 형성된 고분자층을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노쉘 복합체의 두께는 20㎛ 이상이다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노쉘 지지체의 쉘 두께는 10nm 내지 50nm이고, 상기 고분자층의 두께는 50nm 내지 100nm이다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노쉘 지지체는 세라믹을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고분자층은 다공성 고분자를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 사전 농축기는 상기 베이스 기판 아래에 배치된 가열 부재를 더 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로 사전 농축기의 제조 방법은, 베이스 기판에 형성된 트렌치 내부에 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계, 상기 3차원 다공성 주형의 표면을 따라 3차원 나노쉘 지지체를 형성하는 단계, 상기 3차원 다공성 주형을 제거하는 단계, 상기 3차원 다공성 주형을 제거한 후, 커버 기판을 상기 베이스 기판과 결합하여 상기 트렌치를 커버하는 단계 및 상기 커버 기판과 상기 베이스 기판을 결합한 후, 상기 트렌치 내부로 고분자 용액을 주입하여 상기 3차원 나노쉘 지지체을 따라 3차원 구조를 갖는 고분자층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계는, 상기 트렌치 내부에 적어도 일부가 배치되는 접착막을 형성하는 단계, 상기 트렌치 내부에 상기 접착막과 접촉하는 감광막을 형성하는 단계, 위상 마스크를 통해 상기 감광막에 3차원 분포 광을 조사하는 단계 및 상기 감광막을 현상하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 접착막은 상기 트렌치의 바닥면 전체를 커버하며, 상기 감광막은 상기 접착막 위에 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 접착막은 상기 트렌치의 측면을 커버하며, 상기 감광막의 하면은 상기 트렌치의 바닥면과 접촉하고, 상기 감광막의 측면은 상기 접착막과 접촉한다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노쉘 지지체는 증착을 통해 형성되며, 세라믹을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고분자 용액은 0.5 중량% 내지 2 중량%의 다공성 고분자를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 접착막의 두께는 0.5㎛ 내지 2㎛이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 기체의 농축을 위하여 3차원 나노쉘 복합체를 이용한다. 상기 3차원 나노쉘 복합체는 서로 연결된 네트워크 구조를 가짐으로써 표면적이 크고, 열전달이 균일하고 빠르고, 높은 기공율로 인하여 낮은 중량을 갖는다. 따라서, 기체의 흡착량을 증가시킬 수 있으며, 빠른 시간에 균일한 가열이 가능함으로써, 기체를 높은 밀도로 단시간에 방출할 수 있다. 따라서, 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 도시한 단면도이다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법에서 3차원 다공성 주형으로부터 3차원 나노쉘 복합체를 형성하는 방법을 모식적으로 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법에서 트렌치에 고분자 용액을 주입하는 방법을 도시한 평면도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법에서, 접착막 및 감광막이 형성된 트렌치를 도시한 단면도들이다.
도 13은 실시예 1에서 고분자 주형 및 접착막을 제거한 후 얻어진 3차원 나노쉘 지지체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 14는 고분자(Tenax)의 농도에 따라 얻어진 3차원 나노쉘 복합체들의 SEM 사진들이다.
도 15는 실시예 1의 3차원 나노쉘 복합체(Tenax 농도: 1 중량%)의 에너지 분산 X선 분광(EDS) 이미지이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 확인하기 위한 실험 모델의 모식도들이다.
도 17은 기본 루프에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다.
도 18은 속이 빈 트렌치에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다.
도 19는 실시예 1의 고분자가 코팅되지 않은 3차원 나노쉘 지지체(두께: 25㎛)에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다.
도 20은 실시예 1의 고분자가 코팅된 3차원 나노쉘 복합체(두께: 25㎛, 고분자 농도: 1중량%)에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다.
도 21은 실시예 1의 고분자가 코팅된 3차원 나노쉘 복합체의 벤젠, 톨루엔 및 자일렌에 대한 농축비(Preconcentration factor)를 3차원 나노쉘 복합체의 두께에 따라 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 정렬된 3차원 다공성 구조를 갖는 사전농축기 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기를 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 마이크로 사전 농축기는 베이스 기판(100)을 포함한다. 상기 베이스 기판(100)에는 트렌치가 형성된다. 상기 트렌치는 농축부(110), 주입부(120) 및 방출부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 트렌치는 상기 농축부(110)와 상기 주입부(120)를 연결하는 주입 채널(111a)과 상기 농축부(110)와 상기 방출부(130)를 연결하는 방출 채널(132)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스 기판(100)은 실리콘, 유리, 쿼츠 등을 포함할 수 있다.
상기 농축부(110)에는 3차원 나노쉘 복합체(112)가 배치된다. 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는 3차원으로 서로 연결되는 정렬된 기공들을 갖는다. 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는, 세라믹을 포함하는 3차원 나노쉘 지지체 및 상기 3차원 나노쉘 지지체의 표면에 코팅되며 고분자를 포함하는 고분자층을 포함한다. 상기 고분자층은 상기 3차원 나노쉘 지지체의 표면을 따라 연장되어 3차원 구조를 형성한다.
예를 들어, 상기 3차원 나노쉘 지지체는 Zn, Al, Ni, Mo, Co, Sn, Fe, W, Ti, Mn, Zr, Cu 등과 같은 금속의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 구체적으로 알루미늄 산화물(Al2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 아연 산화물(ZnO), 티타늄 질화물(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 고분자는 벌키한 구조를 갖는 다공성 고분자일 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 고분자는 poly(2,6-diphenyl-p-phenylene oxide) 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 고분자로는 Tenax® TA, Tenax® GR, Carbosieve®, Carbopack®, HayeSep® 등과 같은 상용 다공성 고분자가 사용될 수 있다. 상기의 다공성 고분자는 휘발성 유기 화합물을 효과적으로 흡착할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 사용 가능한 고분자층의 고분자는 이에 한정되지 않으며, 농축 대상 물질에 따라 다양한 물질이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)의 두께는 약 5㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 바람직하게, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)의 두께는 약 20㎛ 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)의 두께는 약 20㎛ 내지 100㎛이거나, 약 20㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)의 두께가 과소할 경우, 농축 효율이 저하될 수 있다. 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)의 두께가 과다할 경우, 제작 신뢰성이 저하되거나, 물질 전달 효율이 저하될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 세라믹을 포함하는 3차원 나노쉘 지지체의 쉘 두께는 약 10nm 내지 100nm일 수 있다. 상기 3차원 나노쉘 지지체의 쉘 두께가 과소할 경우, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)의 기계적 물성이 저하될 수 있다. 상기 3차원 나노쉘 지지체의 쉘 두께가 과다할 경우, 비표면적 및 농축 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹을 포함하는 3차원 나노쉘 지지체의 쉘 두께는 약 10nm 내지 50nm일 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자층의 두께는 약 20nm 내지 200nm일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 고분자층의 두께는 약 50nm 내지 100nm일 수 있다. 상기 고분자층의 두께가 과소할 경우, 균일도가 저하될 수 있다. 상기 고분자층의 두께가 과다할 경우, 비표면적 및 농축 효율이 저하될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 사전 농축기는 베이스 기판(100)과 결합되며, 상기 트렌치를 커버하는 커버 부재(140)를 포함할 수 있다. 상기 커버 부재(140)와 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는 서로 이격되어 갭(116)을 형성할 수 있다. 상기 갭(116)은, 상기 마이크로 사전 농축기에 제공되는 가스의 유로로 이용될 수 있다.
상기 마이크로 사전 농축기의 농축부로 기체가 제공되면, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는 상기 기체의 일정 성분을 흡착할 수 있다. 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)에 흡착된 물질의 탈착을 위하여 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는 가열 될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로 사전 농축기는 상기 베이스 기판(100)에 결합된 가열 부재(150)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 부재(150)는 상기 3차원 나노쉘 복합체(112) 아래에 상기 베이스 기판(100)의 저면 상에 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 가열 부재(150)는 상기 트렌치 내부에 배치될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는, 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되며, 주기성을 갖도록 정렬된 3차원 네트워크 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)는 실질적으로 모든 기공이 상호 연결되어(interconnected) 전면적으로 개방된 구조(open structure)를 가질 수 있다.
따라서, 구조물 내에서 효율적인 물질 이동이 가능하며, 표면적을 최대화할 수 있으므로, 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 3차원 나노쉘 복합체(112)은 복수의 입자로 이루어지는 것이 아니라, 서로 연결된 네트워크 구조를 가짐으로써 열전달이 균일하고 빠르고, 높은 기공율로 인하여 낮은 중량을 갖는다. 따라서, 낮은 에너지로 가열될 수 있으며, 빠른 시간에 균일한 가열이 가능함으로써, 가스 시료를 높은 밀도로 단시간에 방출할 수 있다. 따라서, 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 기공의 주기(단면도 상에서 수평 방향의 주기)는 100nm 내지 1,000nm 일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 기공의 크기 및 배열은 다양하게 변경될 수 있다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 도 3 내지 도 8은 도 1의 I-I' 선을 따라 도시한 단면도들이다. 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법에서 3차원 다공성 주형으로부터 3차원 나노쉘 복합체를 형성하는 방법을 모식적으로 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법에서 트렌치에 고분자 용액을 주입하는 방법을 도시한 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 베이스 기판(100)의 트렌치(102) 내에, 접착막(114)을 형성한다.
상기 접착막(114)은 고분자를 포함한다. 예를 들어, 상기 접착막(114)은 포토레지스트 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(100) 상에 제1 포토레지스트 물질을 스핀 코팅하거나 바코팅하여 상기 트렌치(102) 내에 상기 제1 포토레지스트 물질을 코팅할 수 있다. 도포된 상기 제1 포토레지스트 물질을 예를 들면, 약 60 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 소프트 베이킹(soft baking)을 수행할 수 있다. 다음으로, 자외선 등과 같은 광원을 이용하여 노광하고, 약 100℃ 내지 250℃ 범위의 온도의 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 하드 베이킹(hard baking) 처리하여 상기 접착막(114)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 접착막(114)의 두께는 약 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있으며, 바람직하게 상기 접착막(114)의 두께는 약 0.5㎛ 내지 2㎛일 수 있다. 상기 접착막(114)의 두께가 과소한 경우, 균일한 필름을 형성하기 어려우며, 두께가 과다한 경우, 상기 접착막(114)을 제거한 후, 세라믹-고분자 복합체 필름이 변형되거나 손상될 수 있다.
다음으로, 상기 트렌치(102) 내에 상기 접착막(114) 위에 감광막(111a)을 형성한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 트렌치(102) 내에 제2 포토레지스트 물질을 스핀 코팅하거나 바코팅한 후, 예를 들면 약 60℃ 내지 100℃ 범위의 온도로 소프트 베이킹(soft baking) 처리하여 상기 감광막(111a)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 접착막(114) 및 상기 감광막(111a) 형성을 위한 상기 제1 포토레지스트 물질 및 제2 포토레지스트 물질로서 동종 혹은 이종의 포토레지스트 물질을 사용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 물질 및 제2 포토레지스트 물질로서 에폭시 기반의 네거티브 톤(negative-tone) 포토레지스트 또는 DNQ 기반의 포지티브 톤(positive-tone) 포토레지스트를 사용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 물질 및 제2 포토레지스트 물질로서 광가교성을 갖는 유-무기 하이브리드 물질, 하이드로 젤, 페놀릭 수지 등을 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 접착막(114)은 상기 감광막(111a)과 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착막(114)은 열경화성 수지로 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 감광막(111a)에 3차원 분포를 갖는 광을 조사한 후, 상기 노광된 감광막(111a)을 현상하여 3차원 다공성 주형(111b)을 형성한다.
예를 들어, 상기 감광막(111a)에 3차원 분포를 갖는 광을 조사하기 위하여, 근접장 나노 패터닝(Proximity-field nanopatterning, PnP)을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판(100)의 하면에 위상 마스크(160)를 접촉시키고, 상기 위상 마스크(160)를 통해, 3차원 분포를 갖는 광을 상기 감광막(111a)에 조사한다.
상기 PnP 방법에 있어서, 예를 들면 엘라스토머(elastomer) 물질을 포함하는 위상 마스크(160)에 투과되는 빛의 간섭 현상으로부터 발생된 주기적인 3차원 분포가 활용되어 포토레지스트와 같은 고분자 물질이 패터닝될 수 있다. 예를 들면, 표면에 요철 격자 구조가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크(160)를 상기 베이스 기판(100)에 접촉시키면 반 데르 발스(Van der Waals) 힘에 기반하여 상기 위상 마스크가 자연적으로 상기 포토레지스트막 표면에 밀착(예를 들면, 콘포멀(conformal) 접촉)할 수 있다.
상기 위상 마스크(160)의 격자 주기와 유사한 범위의 파장을 갖는 레이저를 상기 위상 마스크(160) 표면에 조사하면 탈봇 효과에 의해 3차원적인 빛의 분포가 형성될 수 있다. 네거티브 톤의 포토레지스트를 사용하는 경우, 보강 간섭으로 빛이 강하게 형성된 부분만 선택적으로 포토레지스트의 가교가 일어나고 상대적으로 빛이 약한 나머지 부분은 가교를 위한 노광량(exposure dose)이 충분하지 못하기 때문에 현상(developing) 과정에서 용해되어 제거될 수 있다. 최종적으로 건조(drying) 과정을 거치면 상기 레이저의 파장 및 상기 위상 마스크의 디자인에 따라 수 백 나노미터(nm) ~ 수 마이크로미터(㎛) 수준의 주기적인 3차원 구조가 네트워크로 연결된 다공성 고분자 구조가 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 PnP 방법에 사용되는 위상 마스크의 패턴 주기 및 입사광의 파장을 조절하여 다공성 고분자 구조의 기공 사이즈 및 주기성을 조절할 수 있다.
상기 PnP 방법에 대한 보다 상세한 내용은 본 출원에 참조로서 병합되는 논문 J. Phys. Chem. B 2007, 111, 12945-12958; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 12428; AdV. Mater. 2004, 16, 1369 또는 대한민국 공개특허공보 제2006-0109477호(공개일 2006.10.20)에 개시되어 있다.
예를 들어, 상기 PnP 방법에 사용되는 상기 위상 마스크(160)는 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE) 등의 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 감광막(111a)이 네거티브 톤 포토레지스트로 형성된 경우, 현상액에 의해 비노광부가 제거되고 노광부가 잔류할 수 있다. 이에 따라, 3차원 나노 기공을 포함하는 3차원 다공성 주형(111b)이 상기 트렌치 내에 형성될 수 있다. 상기 현상액으로서 예를 들면, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate: PGMEA)가 사용될 수 있다.
예를 들면, 3차원 다공성 주형(111b)은 약 10 nm 내지 1,000 nm 범위의 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되거나 또는 부분적으로 서로 연결된 채널 네트워크를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 3차원 다공성 주형(111b)은 상기 채널들에 의해 주기적인 분포의 3차원 네트워크 구조를 포함할 수 있다.
상기에서는 PnP 방법을 예시하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 3차원 다공성 주형(111b)은 간섭리소그래피(Interference Lithography), 직접 레이저 인쇄(Direct Laser Writing), 이광자 리소그래피(2-photon Lithography) 등의 광학적 패터닝 방법으로 형성되거나, 콜로이달 자가조립(Colloidal Self-assembly), 블록 공중합체(Block-copolymer) 등을 이용하는 물리적 적층법에 의해 형성될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 상기 3차원 다공성 주형(111b)을 이용하여 3차원 나노쉘 복합체(112)를 형성한다.
먼저, 상기 3차원 다공성 주형(111b)의 기공 내에 3차원 나노쉘 지지체(112a)을 형성한다. 예를 들어, 원자층 증착, 화학 기상 증착, 전기 도금, 무전해 도금 등과 같은 방법으로, 상기 3차원 다공성 주형(111b)의 표면(내부 표면)에 박막을 형성한다. 상기 3차원 다공성 주형(111b)은 서로 연결된 기공들을 포함하며, 상기 박막은 얇은 두께를 가지므로, 상기 박막은 상기 다공성 주형(111b)의 기공 구조의 내벽을 따라 연장함으로써, 도 9a 및 도 9b에 도시된 것과 같이, 쉘 유닛이 3차원으로 반복되는 나노쉘 구조를 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 3차원 다공성 주형(111b)을 제거한다. 상기 3차원 다공성 고분자 주형(130)의 제거는 플라즈마 처리, 열처리 또는 습식 에칭 등의 방법을 사용할 수 있다.
상기 박막은 상기 3차원 다공성 주형(111b)의 기공 구조의 내벽에 일정 두께로 형성됨에 따라, 단면도 상에서 기공을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 다공성 주형(111b)이 제거됨에 따라, 인접한 쉘 유닛 사이에 추가적으로 기공(빈 공간)이 형성된다. 이에 따라, 상기 나노쉘 구조는 높은 기공도 및 큰 표면적을 가질 수 있다.
상기 접착막(114)은 고분자를 포함함에 따라, 상기 3차원 다공성 주형(111b)을 제거할 때, 함께 제거될 수 있다. 상기 접착막(114)가 제거된 후, 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)는, 예를 들면 중력에 의해, 상기 접착막(114)이 제거된 공간으로 이동할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 접착막(114)가 제거된 후, 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)와 상기 트렌치의 바닥면 사이에 빈 공간이 유지될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)가 형성된 이후, 상기 베이스 기판(100)의 상면에 커버 기판(140)을 결합한다. 이에 따라, 상기 커버 기판(140)은 상기 트렌치를 커버할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 상기 트렌치 내에 고분자 용액을 주입하여, 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)를 고분자 용액에 함침시킨다.
상기 고분자 용액은 기설명된 다공성 고분자 및 용매를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 용액은 Tenax® TA(분자량 244.29g/mol)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 클로로포름, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 톨루엔, 헵탄, 헥산 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 용매는 클로로포름을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자 용액에서 상기 다공성 고분자의 함량은 0.1 중량% 내지 10 중량%일 수 있다. 바람직하게 상기 다공성 고분자의 함량은 0.5 중량% 내지 2 중량%일 수 있다. 상기 다공성 고분자의 함량이 과소할 경우, 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)를 전체적으로 코팅하기 어려우며, 상기 다공성 고분자의 함량이 과다할 경우, 상기 3차원 나노쉘 복합체의 기공도 및 균일성이 저하될 수 있다.
예를 들어, 상기 트렌치의 주입부(120) 및 방출부(130) 중 어느 하나를 통해 상기 고분자 용액을 주입할 수 있으며, 다른 하나를 통해 상기 고분자 용액을 배출할 수 있다.
다음으로, 상기 베이스 기판(100)을 가열하여, 상기 고분자 용액의 용매를 증발시킨다. 이에 따라, 도 9a 및 도 9b에 도시된 것과 같이, 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a) 및 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)의 표면에 형성되며 다공성 고분자를 포함하는 고분자층(112b)이 형성된다. 상기 고분자층(112b)은 상기 3차원 나노쉘 지지체(112a)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 단위 쉘의 단면도에서 나노쉘 지지체는 고분자층들 사이에 샌드위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기체의 농축을 위한 고정상으로 3차원 나노쉘 복합체를 이용한다. 상기 3차원 나노쉘 복합체는 서로 연결된 네트워크 구조를 가짐으로써 표면적이 크고, 열전달이 균일하고 빠르고, 높은 기공율로 인하여 낮은 중량을 갖는다. 따라서, 기체의 흡착량을 증가시킬 수 있으며, 빠른 시간에 균일한 가열이 가능함으로써, 기체를 높은 밀도로 단시간에 방출할 수 있다. 따라서, 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 증가시킬 수 있다.
상기 마이크로 사전 농축기는 다양한 기체의 농축에 이용될 수 있으며, 예를 들어, 휘발성 유기 화합물의 농축에 효과적일 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 사전 농축기의 제조 방법에서, 접착막 및 감광막이 형성된 트렌치를 도시한 단면도들이다.
도 11을 참조하면, 접착막(114)은 트렌치(102)의 바닥면 및 측면을 커버하도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 접착막(114)은 감광막(111a)의 하면 및 측면과 접촉할 수 있다.
이러한 구성은 상기 접착막(114)과 상기 감광막(111a)의 접촉 면적을 증가시켜, 접착력을 증가시킬 수 있다.
도 12를 참조하면, 접착막(114)은 트렌치(102)의 측면을 커버하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 접착막(114)은 상기 트렌치(102)와 중첩하는 개구 영역을 가질 수 있다. 따라서, 상기 트렌치(102)의 바닥면의 적어도 일부는 상기 접착막(114)에 의해 커버되지 않을 수 있다. 감광막(111a)의 하면은 상기 트렌치(102)의 바닥면과 접촉할 수 있으며, 상기 감광막(111a)의 측면은 상기 접착막(114)과 접촉할 수 있다. 상기 접착막(114)은 베이스 기판(100)의 상면 위로 연장될 수 있다.
이러한 구성은 상기 접착막(114)과의 접촉을 통해 접착력을 유지하면서, 상기 감광막(111a)이 상기 트렌치(102)의 바닥면 상에 직접 형성됨에 따라, 상기 접착막(114)이 제거된 후에, 나노쉘 지지체가 하강하는 과정에서 변형되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 3차원 고분자 주형으로부터 증착을 통해 3차원 나노쉘 지지체를 형성하였으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 3차원 고분자 주형에 도금 등을 이용하여 금속을 충진하여 역상의 2차 주형을 형성한 후, 상기 2차 주형으로부터 증착 등을 통해 3차원 나노쉘 지지체를 형성할 수도 있다. 이러한 방법을 통해 고온의 증착 공정을 이용하는 것이 가능할 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실험예를 참조로 예시적인 실시예들에 마이크로 사전 농축기의 성능과 그 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명한다. 하기의 실험예는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 3차원 나노쉘 복합체를 포함하는 마이크로 사전 농축기 제작
1) PnP 기술을 이용한 정렬된 다공성 3차원 다공성 주형 제작
반응성 이온 에칭 기술을 이용하여, 유리 기판에 농축부, 주입부 및 방출부로 이루어진 트렌치를 형성하였다. 상기 유리 기판 상에 포토레지스트(SU-8 2, Microchem)를 3,500 rpm의 스핀 코팅을 통해 고르게 도포한 후, 65℃ 및 95℃에서의 Soft-baking 하였다. 다음으로, 포토레지스트 막을 노광한 후, Post-baking하여 상기 트렌치 내에 접착막을 형성하였다.
다음으로, 포토레지스트(SU-8 50, Microchem)를 스핀코팅하여(1,000rpm에서 2,500rpm으로 조절) 상기 유리 기판 위에 도포한 후, 65℃에서 1시간, 95℃에서 24시간 동안 가열하였다.
다음으로, 표면에 요철 격자 구조(주기 : 600nm, 요철 높이 : 420nm)가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크를 상기 유리 기판의 하면에 접촉시키고, 355nm 파장의 Nd:YAG 레이저를 조사하였다. 다음으로, Post-baking을 진행한 후, 현상 용액(SU-8 Developer, Microchem)을 노광된 감광막에 제공하고, 건조하여 3차원 다공성 주형을 형성하였다.
2) 3차원 나노쉘 지지체 형성
트리메틸알루미늄(전구체)과 H20(반응체)를 전구체로 이용하여 원자층 증착을 통해 상기 3차원 다공성 주형 내에 알루미나(Al2O3) 박막을 형성하였다. 상기 공정에서 원자층 증착법의 1주기(cycle)는 전구체 0.5초, 아르곤(Ar) 30초, 반응체 1초, 아르곤(Ar) 30초로 구성하였으며, 370주기의 반복적인 공정을 통해 40nm 두께(성장속도 0.11nm/주기)의 알루미나 박막을 형성하였다.
다음으로, 알루미나가 증착된 다공성 주형을 박스 퍼니스(box furnace)에서 1분당 2℃만큼 승온하여, 350℃에서 5시간 유지한 후, 다시 1분당 1℃으로 승온하여, 500℃에서 2시간 열처리하여 내부의 고분자 주형 및 접착막을 제거하였다.
도 13은 실시예 1에서 고분자 주형 및 접착막을 제거한 후 얻어진 3차원 나노쉘 지지체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 13을 참조하면, 내부 구조의 변형 없이 균일하게 정렬된 나노쉘 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.
3) 커버 기판 결합 및 고분자 코팅
상기 3차원 나노쉘 지지체가 형성된 유리 기판을 실리콘 커버 기판으로 덮고 아노딕 본딩(anodic bonding) 공정을 통해 결합시켰다.
다음으로, Tenax TA를 포함하는 클로로포름 용액을 주사기로 상기 트렌치의 주입부를 통해 주입하고, 핫 플레이트에서 열처리하여 클로로포름을 거하였다.
도 14는 고분자(Tenax)의 농도에 따라 얻어진 3차원 나노쉘 복합체들의 SEM 사진들이다. 도 14를 참조하면, 고분자 용액의 고분자 농도가 과다한 경우 3차원 나노쉘 복합체의 기공이 작아지거나 기공 균일도가 저하된 것을 확인할 수 있다.
도 15는 실시예 1의 3차원 나노쉘 복합체(Tenax 농도: 1 중량%)의 에너지 분산 X선 분광(EDS) 이미지이다. 도 15를 참조하면, 탄소(C) 함량을 통해 Tenax가 고르게 코팅되었음을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 확인하기 위한 실험 모델의 모식도들이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 사전 농축기의 농축 성능을 확인하기 위하여 추가 실험을 진행하였다. 농축비를 측정함에 있어서, 크로마토그래피의 루프의 영향을 제거하기 위하여, 도 16에 도시된 것과 같이, 기본 루프(Basic loop), 루프와 결합된 속이 빈 트렌치(Empty PC) 및 루프와 결합된 트렌치에 배치된 3차원 나노구조(PC with 3D nanostructure)를 준비하고, 각각에 대하여 벤젠/톨루엔/자일렌의 혼합 시료를 주입한 후, 시간(retention time)에 따른 크로마토그래피의 세기(intensity)를 측정하였다.
상기 루프의 영향을 제거하기 위한 보정된 농축비(PF)는 다음과 같다.
Figure pat00001
(AL: 기본 루프에서 측정된 피크 면적, AE: 속이 빈 트렌치에서 측정된 피크 면적, AN: 3차원 나노구조에서 측정된 피크 면적)
도 17은 기본 루프에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다. 도 18은 속이 빈 트렌치에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다. 도 19는 실시예 1의 고분자가 코팅되지 않은 3차원 나노쉘 지지체(두께: 25㎛)에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다. 도 20은 실시예 1의 고분자가 코팅된 3차원 나노쉘 복합체(두께: 25㎛, 고분자 농도: 1중량%)에서 측정된 혼합 시료에 대한 크로마토그래피 결과 및 피크 면적을 나타내는 그래프들이다.
도 17 내지 도 20을 참조하면, 실시예 1의 고분자가 코팅되지 않은 3차원 나노쉘 지지체의 벤젠, 톨루엔 및 자일렌에 대한 농축비는 각각 6.00, 11.64 및 32.35이고, 실시예 1의 고분자가 코팅된 3차원 나노쉘 복합체의 벤젠, 톨루엔 및 자일렌에 대한 농축비는 각각 6.94, 25.91 및 144.9이며, 이를 통해 고분자가 코팅된 복합체 구조의 농축 효과가 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
도 21은 실시예 1의 고분자가 코팅된 3차원 나노쉘 복합체의 벤젠, 톨루엔 및 자일렌에 대한 농축비(Preconcentration factor)를 3차원 나노쉘 복합체의 두께에 따라 도시한 그래프이다.
도 21을 참조하면, 3차원 나노쉘 복합체의 두께가 20㎛ 이상인 경우, 농축 성능이 크게 증가한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 마이크로 사전 농축기는 휘발성 유기 화합물, 폭발성 화합물 등 다양한 기체의 농축 또는 검출에 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 트렌치를 갖는 베이스 기판; 및
    상기 트렌치 내에 배치되며 정렬되고 서로 연결된 기공을 갖는 3차원 나노쉘 복합체를 포함하며,
    상기 3차원 나노쉘 복합체는, 3차원으로 연장된 박막에 의해 정의되는 3차원 나노쉘 지지체 및 상기 3차원 나노쉘 지지체의 표면을 따라 형성된 고분자층을 포함하는, 마이크로 사전 농축기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3차원 나노쉘 복합체의 두께는 20㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 3차원 나노쉘 지지체의 쉘 두께는 10nm내지 50nm이고, 상기 고분자층의 두께는 50nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 3차원 나노쉘 지지체는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자층은 다공성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기판 아래에 배치된 가열 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기.
  7. 베이스 기판에 형성된 트렌치 내부에 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계;
    상기 3차원 다공성 주형의 표면을 따라 3차원 나노쉘 지지체를 형성하는 단계;
    상기 3차원 다공성 주형을 제거하는 단계;
    상기 3차원 다공성 주형을 제거한 후, 커버 기판을 상기 베이스 기판과 결합하여 상기 트렌치를 커버하는 단계; 및
    상기 커버 기판과 상기 베이스 기판을 결합한 후, 상기 트렌치 내부로 고분자 용액을 주입하여 상기 3차원 나노쉘 지지체을 따라 3차원 구조를 갖는 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계는,
    상기 트렌치 내부에 적어도 일부가 배치되는 접착막을 형성하는 단계;
    상기 트렌치 내부에 상기 접착막과 접촉하는 감광막을 형성하는 단계;
    위상 마스크를 통해 상기 감광막에 3차원 분포 광을 조사하는 단계; 및
    상기 감광막을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 접착막은 상기 트렌치의 바닥면 전체를 커버하며, 상기 감광막은 상기 접착막 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 접착막은 상기 트렌치의 측면을 커버하며, 상기 감광막의 하면은 상기 트렌치의 바닥면과 접촉하고, 상기 감광막의 측면은 상기 접착막과 접촉하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 3차원 나노쉘 지지체는 증착을 통해 형성되며, 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 고분자 용액은 0.5 중량% 내지 2 중량%의 다공성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 접착막의 두께는 0.5㎛ 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 사전 농축기의 제조 방법.

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015063293A1 (de) 2013-11-04 2015-05-07 Metaldyne Zell Gmbh & Co. Kg Metallhülse und verfahren zu deren herstellung
US9316623B2 (en) 2012-01-20 2016-04-19 The Regents Of The University Of Michigan Micro-scale passive vapor preconcentrator/injector
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9316623B2 (en) 2012-01-20 2016-04-19 The Regents Of The University Of Michigan Micro-scale passive vapor preconcentrator/injector
WO2015063293A1 (de) 2013-11-04 2015-05-07 Metaldyne Zell Gmbh & Co. Kg Metallhülse und verfahren zu deren herstellung
KR102112031B1 (ko) 2018-04-09 2020-06-04 한국과학기술원 정렬된 3차원 다공성 구조를 갖는 사전 농축기 및 그 제조 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
(1) Anal. Chem. 2012, 84, 6336
(2) Lab Chip, 2012, 12, 717
(3) Lab Chip, 2013, 13, 818

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