자기조립나노패터닝 - 콜로이드입자의자기조립을이용한나노패터닝 ( 콜로이드리소그래피 ) 자기조립은원가간공유결합혹은분자상호인력에의하여자발적으로나노구조를형성하여특정구조를이루어이들이새로운물성을발휘하는현상으로대표적으로양친성분자 ( 블록공중합체, 양친성계면활성제 ), DNA를포함하는바이오물질, 자기조립막 (Self-Assembled Monolayer), 나노및마이크로입자등이이런현상을나타낸다. 이들기술은모두 Bottomup방식의패터닝기술에해당되며기존리소그래피공정으로수행하기어려운나노급의패터닝이가능하다는장점이있다. 더구나, 공정이간단하고특별히고가의장비가필요하지않기때문에공정비용이저렴하며대면적패터닝이가능하다는장점이있다. 하지만, 이들방법은결함 (defect) 조절과원하는모양의패턴을공정자가임의대로자유롭게조절하기힘들다는단점을공통적으로가지고있다. 따라서, 이들문제를해결하는것이이분야의연구를소자및상용화를위해서반드시필요하다고할수있다. 최근에는, 광식각및멤스공정등의 top-down 방식과의접목을통해서이들문제를해결하고자노력하는시도들이행해지고있으며몇몇방법들은가능성있는방법을기대를모으고있다. 가장최근의예로, 블록공중합체를 top-down방식의 advanced lithography공정을통해서다양한모양으로패터닝한연구가국내연구진과함께소개된바있다. (Paul F. Nealey group, Science, 2005, 308, 1442). 아래그림참조
Science, 2005, 308, 1442
본고에서는이들중에서먼저콜로이드자기조립을이용한패터닝 ( 일명 : Nanosphere lithography or Colloidal lithography) 에대해서소개하고자한다. 가장활발하게연구하고있는그룹은프린스턴대학의 van Duyne group으로수백나노미터의폴리머와실리카입자를이용해서규칙적인자기조립패턴을만들고이것을이용해서사이사이에메탈금속을패터닝해서이를바이오센서에응용하는연구까지현재진행되고있다. J. Phys.Chem. B. 2001, 5599 J. Phys.Chem. B. 2002, 1898 그외다른이들현상을이용해서메탈입자혹은카본나노튜브 (fiber) 등을패터닝하는가능성을 보여주었고하버드의 Whiteside 그룹에서는 (Appl. Phys. Lett., 2001,78, 2273) 입자를마이크로 렌즈로사용해서리소그래피에활용하는가능성을보여준예도있다.
Nano Lett, 2003, 3(1), 13 Adv. Mater. 2002, 14, 930 Appl. Phys. Lett., 2001,78, 2273. J. Micromech. Microeng. 2002,12
또한, 이들입자패턴닝을식각공정과접목시키면아래와같은임프린트용나노급마스터 제작이가능하다. Chem.Mater. 2003,15, 2917 Adv.Mater. 2003,15,1065 앞에서소개하였듯이이들자기조립패턴을원하는위치에원하는모양으로패터닝하기위해서는미리식각된마이크로패턴이필요하고이를위한패터닝방법으로앞절에서설명한 PDMS를이용한소프트리소그래피가유용하게사용될수있다. 아래는그실예로소프트리소그래피를이용한패턴에입자자기조립스템프를제조하고패터닝에활용한예다. (Dae- Geun Choi et al., Chemistry of Materials, 16(18), 3410-3413 (2004), Chemistry of Materials, 15, 4169-4171 (2003)).
Chemistry of Materials, 16(18), 3410-3413 (2004)
Chemistry of Materials, 15, 4169-4171 (2003)
또한최근에는콜로이드입자의자기조립층을반응성이온식각공정을이용하게되면여러가지모양의패턴으로패턴모양의조절이가능하고이를통한독립적인자성메탈 dot들의제조가가능하다는사실이보고된바있다. (Dae-Geun Choi et al., Particle Arrays with Patterned Pores by Nanomachining with Colloidal Masks, J. Am. Chem. Soc., 127(6), 1636-1637 (2005).; Nanopatterned Magnetic Metal Dots via Colloidal Lithography with Reactive Ion Etching, Chemistry of Materials, 16(22), 4208-4211 (2004).; Colloidal Lithography Patterning via Reactive Ion Etching", J. Am. Chem. Soc. 126, 7019-7025 (2004)). 요약하면, 최근까지콜로이드자기조립을이용한나노패터닝은공정의편리성으로인하여학계의많은관심을받고있는분야이며이를이용한바이오센서, 바이오물질분리, 자성메모리등많은응용성이기대되고있다. 하지만, 궁극적으로산업체에응용되어지기까지는디펙트문제를비롯한해결해야할문제점들이아직존재하고있는것도사실이다. 보다자세한내용및관심있는분들은문서끝의참고문헌을참조하면실험방법을포함한보다자세한내용을볼수있을것이며이분야의연구에도움이되리라생각한다.
J. Am. Chem. Soc. 126, 7019-7025 (2004)
Chemistry of Materials, 16(22), 4208-4211 (2004) J. Am. Chem. Soc., 127(6), 1636-1637 (2005)
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