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문제 정의
- 이러한 UV-assisted imprint 기술의 장점을 살려 단백질 패터닝에 응용 가능한 nanopore 형태의 패턴을 제작하였다. 본 연구를 통하여 나노임프린트 기술을 기반으로 한 패턴의 제작과 이를 이용한 단백질의 비선택적 흡착을 최소화한 바이오칩을 성공적으로 개발할 수 있다. 또한 센서 및 분자 메모리 소자 제작에도 다양하게 응용될 수 있을 것으로 사료된다、본 연구를 통하여 나노임프린트 리소그래피를 이용한 나노플랫폼 제작기술을 바탕으로 단백질 칩은 물론 DNA 칩, 세포 칩 등의 나노 스케일 다측정 바이오칩을 제작할 수 있으리라 사료된다.
제안 방법
- 하였다. NND (Nano & Device) 에서 제작한 NANOSIS™ 610을 사용하여 resin이 도포된 gold 기판위에 quartz 스탬프를 사용하여 패턴을 전사하였으며 스탬프와 기판의 holding 시간을 30분 이상으로 하여 resin이 패턴 사이에 고루 스며들게 하였고 15 bar의 압력을 준 다음 "를 1분 10초간 조사하여 resin이 완전히 경화되도록 하였다. 이 장비는 다양한 크기와 모양의 패턴을 자유롭게 조절하여 기판 위에 전사할 수 있고 또한 잔여층을 매우 적게 남기는 장점이 있다.
- Thermal imprint 방식과 달리 상온, 저압에서 임프린팅이 가능하며 사용되는 스탬프의 수명을 늘리고 보다 미세하고 복잡한 형태의 패턴을 제작할 수 있는 UV-assisted imprint 방식을 사용하였다. E-beam lithography로 패턴을 각인한 quartz소재의 스탬프를 사용하였으며 스탬프의 재질이 투명하여 UV 조사시 UV curable resin0] 경화될 수 있도록 하였다. 또한 스탬프의 표면을 (heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecy 1) trichlorosilane 의 monolayer 층으로 미리 코팅하여 임프린트 후 스탬프와 기판과의 releasing을 쉽게함과 동시에 패턴의 일부가 스탬프에 묻어 나와 전사된 패턴에 defect가 없도록 하였다.
- NIP-K28 UV curable resin을 사용하여 압력은 15 bar, UV 조사시간은 1분 10초, 스탬프와 기판과의 holding 시간은 30분 정도로 충분히 주어 균일한 패턴 정렬을 갖도록 공정을 진행하였으며 골드가 증착된 실리콘 기판 위에 패턴을 전사하였다. 패턴을 제작한 다음 단단하고 기판과의 접착력을 좋게 하기 위해 120℃에서 3분간 baking하였다.
- 하였다. Quartz 스탬프를 사용하여 스탬프와 같은 크기의 500 nm line, 600 nm pore, 1 pm pore, 2.5 pm pore로 전사된 gold 패턴을 제작하여 원자현미경 (atomic force microscopy, AFM) 과 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 관찰하였다. 이와 같은 방법으로, 원하는 패턴의 크기와 모양의 스탬프만 제작할 수 있다면 다량의 나노수준 패턴 제조가 가능하며 상대적으로 간단한 공정에 의해 공정비용이 절감되는 나 노임프린트 리소그래피를 이용하여 나노 수준의 바이오칩을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.
- Quartz 스탬프의 패턴 이미지를 관찰하기 위해서 AFM (atomic force microscopy, Autoprobe cp, Veeco, USA) 을 contact mode로 측정하여 스탬프의 패턴의 이미지를 확인하였다. 또한, 임프린트된 패턴의 표면에 Pt를 증착한 후 SEM (scanning electron microscope, Hitachi, S-48000, Japan) 을 이용하여 확인한 결과, 산소플라즈마 에칭 후, 잔여 층을 제거한 nanopore 패턴 속의 응old 표면이 완전히 드러나게 되어 Pt 증착을 할 필요 없이 nanopore의 SEM 이미지를 관찰하였다.
- 나노임프린트 리소그래피를 이용하였다. Si 기판 위에 gold를 증착하여 단백질을 패턴화하여 고정할 수 있는 여러가지 크기의 nanopore 형태의 gold 패턴 구조를 UV-assisted nanoimprint lithography 기술을 이용하여 개발하였다.
- 단백질 패터닝에 응용 가능한 nanopore 형태의 gold 패턴을 제작하였으며, 다양한 크기의 nanopore 를 제작하였다. 나노임프린트 기술의 핵심은 전자빔 리소그래피 등의 고급 리소그래피 기술을 이용하여 나노 스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제작하고 그 스탬프를 고분자 박막에 각인하여 나노 스케일 구조를 전사하며, 제작된 스탬프를 반복하여 사용함으로써 빠르고 경제적으로 패턴을 제작하는 기술이다.
- E-beam lithography로 패턴을 각인한 quartz소재의 스탬프를 사용하였으며 스탬프의 재질이 투명하여 UV 조사시 UV curable resin0] 경화될 수 있도록 하였다. 또한 스탬프의 표면을 (heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecy 1) trichlorosilane 의 monolayer 층으로 미리 코팅하여 임프린트 후 스탬프와 기판과의 releasing을 쉽게함과 동시에 패턴의 일부가 스탬프에 묻어 나와 전사된 패턴에 defect가 없도록 하였다.
- 또한, g이d를 미리 증착하여 임프린팅함으로써 lift-off 시에 필요한 bi-layer 층이 필요 없게 되어 산소 플라즈마를이용한 에칭이 더욱 쉽고 lift-off 공정이 생략될 수 있도록 하였다. 나노임프린트 공정에 있어 가장 큰 문제점은 잔여 충의 생성이며 이러한 잔여층을 제거하고자 산소 플라즈마 에칭을 하였다.
- 또한, 임프린트된 패턴의 표면에 Pt를 증착한 후 SEM (scanning electron microscope, Hitachi, S-48000, Japan) 을 이용하여 확인한 결과, 산소플라즈마 에칭 후, 잔여 층을 제거한 nanopore 패턴 속의 응old 표면이 완전히 드러나게 되어 Pt 증착을 할 필요 없이 nanopore의 SEM 이미지를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 나노임프린트 리소그래피를 이용하여 500 nm line, 600 nm pore, 1 Um pore, 2.5 Um pore의 마이크로 수준에서 나노 수준에 이르는 다양한 크기와 모양의 nanopore 형태 패턴을 제작하였다. Thermal imprint 방식과 달리 상온, 저압에서 임프린팅이 가능하며 사용되는 스탬프의 수명을 늘리고 보다 미세하고 복잡한 형태의 패턴을 제작할 수 있는 UV-assisted imprint 방식을 사용하였다.
- 본 연구에서는 위와 같은 장점을 가진 UV-assisted nanoimprint lithography 기술을 사용하여 gold를 미리 증착하고 임프린트 함으로써 lift-off 시에 필요한 bi-layer를 필요로 하지 않게 하였고, 산소 플라즈마 에칭을 실시하여 생성된 잔여충을 제거하여 lift-off 공정이 생략될 수 있도록 하였다. Quartz 스탬프를 사용하여 스탬프와 같은 크기의 500 nm line, 600 nm pore, 1 pm pore, 2.
- 샘플을 임프린트 챔버에 로딩하여 vaccum step을 30분 이상 진행하여 불필요한 기포나 龙血이 샘플 밖으로 새어 나오게 하였다. NND (Nano & Device) 에서 제작한 NANOSIS™ 610을 사용하여 resin이 도포된 gold 기판위에 quartz 스탬프를 사용하여 패턴을 전사하였으며 스탬프와 기판의 holding 시간을 30분 이상으로 하여 resin이 패턴 사이에 고루 스며들게 하였고 15 bar의 압력을 준 다음 "를 1분 10초간 조사하여 resin이 완전히 경화되도록 하였다.
- 5 Em의 지름을 갖는 dot 형태의 모양을 보여준다. 스탬프는 임프린팅 후 스탬프와 기판과의 releasing을 용이하게 하기 위해 스탬픈 표면에 (heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) tri나ilorosilane의 monolayei층을 코팅하여 quartz 스탬프의 표면 에너지를 낮추었다. 임프린팅 시 사용한 resin 은 Chemoptics사에서 생산된 Expattem(TM) NIP-K28 UV curable 正sin을 사용하였으며, 이 resine 점도가 낮아 미세패턴을 임프린팅 하기 쉽고, UV 조사시간이 짧으며, 산소플라즈마 에칭에 쉽게 식각되어 추후 잔여층을 제거하기 용이하다는 장점을 갖는다.
- 누르는 압력이 15bar의 압력으로 thermal imprint에 비해 작으며. 이러한 UV-assisted imprint 기술의 장점을 살려 단백질 패터닝에 응용 가능한 nanopore 형태의 패턴을 제작하였다. 본 연구를 통하여 나노임프린트 기술을 기반으로 한 패턴의 제작과 이를 이용한 단백질의 비선택적 흡착을 최소화한 바이오칩을 성공적으로 개발할 수 있다.
- l-(a)에 보는 바와 같이 먼저 4 inch 지름의 실리콘 기판을 Sputter (ALPS-C03, 알파플러스, Korea)를사용하여 Ti 10 nm를 증착하고 그 위에 gold를 30 mn의두께로 증착한 후, Dicing Saw (DAD522, Disco, Japan)을이용하여 증착된 기판을 2 cm X 2 cm 크기로 절단하였다. 제작된 gold 기판의 표면을 친수성으로 하기 위하여 70 vol% H2SO4 (Duksan Chemical Co. Ltd, Korea)와 30 vol% H2O2 (Sigma-Aldrich MO, USA)을 혼합하여 피라나 용액을 만들고, 70℃에서 5분간 gold 기판을 피라나 처리한 후에 DI water와 alcohol로 여러 번 세척하여 건조시켰다. 피라나 처리는 gold 표면을 친수성으로 바뀌게 하여, UV-curable resin°l quartz 스탬프 패턴 사이에 고루 퍼지게 되어 임프린트 후 균일하고 정밀한 패턴을 전사할 수 있게 한다.
- 잔여충을 제거한 패턴을 보여준다. 활성이 매우 강한 이온과 라디칼로 이루어진 산소플라즈마에 의한 잔여 층의 제거로 실리콘 기판 위에 증착된 gold의 표면이 resin 패턴 속에 완전히 노출되도록 하였다. 우리가 사용한 나노임프린트 공정에서는 일반적인 나노임프린트 공정에서 금속 패턴을 제작할 시 주로 사용되는 lift-off 공정을 생략할 수 있으며 gold를 미리 증착하여 임프린팅 함으로써 lift-off 시에 필요한 bi-layer 층이 필요가 없어 산소 플라즈마를 이용한 에칭이 더욱 쉽고 따로 추가되는 공정이 없도록 하였다.
대상 데이터
- Expattem(TM)NIP-K28 (Chemoptics Inc., Korea) 을 UV- curable resin 으로 사용하였다. NIP-K28 resin 은 viscosity modifier, anti-sticking agent, UV photo-initiatore- perfluorinated acrylate monomer를 흔합한 투명한 물질로서 UV 조사량이 2500 mJ/cn?일 때 경화되게 된다.
- 또한 점도가 10 cps 미만으로 낮기 때문에 미세패턴을 임프린팅하기 쉽고 UV 조사 시간이 짧으며 산소 플라즈마에 쉽게 식각되어 추후 잔여 충을 제거하기 용이하다는 장점을 갖는다. 피라나 (piranah) 처리를 위한 용액을 만들기 위해 H2SO4 (Duksan chemic시 Co. Ltd, Korea)와 H2O2 (Sigma-Aldrich MO, USA)를 사용하였다.
이론/모형
- 5 Um pore의 마이크로 수준에서 나노 수준에 이르는 다양한 크기와 모양의 nanopore 형태 패턴을 제작하였다. Thermal imprint 방식과 달리 상온, 저압에서 임프린팅이 가능하며 사용되는 스탬프의 수명을 늘리고 보다 미세하고 복잡한 형태의 패턴을 제작할 수 있는 UV-assisted imprint 방식을 사용하였다. E-beam lithography로 패턴을 각인한 quartz소재의 스탬프를 사용하였으며 스탬프의 재질이 투명하여 UV 조사시 UV curable resin0] 경화될 수 있도록 하였다.
- 나노임프린트 기술의 핵심은 전자빔 리소그래피 등의 고급 리소그래피 기술을 이용하여 나노 스케일의 구조를 갖는 스탬프를 제작하고 그 스탬프를 고분자 박막에 각인하여 나노 스케일 구조를 전사하며, 제작된 스탬프를 반복하여 사용함으로써 빠르고 경제적으로 패턴을 제작하는 기술이다. 본 연구에서는 강한 압력으로 인한 대면적 공정의 어려움 및 기판이 깨지기 쉬운 문제 등 여러가지 공정상의 문제점이 있는 thermal imprint 방식보다는 거의 물과같은 점도를 가지고 있는 resin을 누르고 UV로 경화시키는 방식인 UV-assisted imprint방식을 사용하였다. 누르는 압력이 15bar의 압력으로 thermal imprint에 비해 작으며.
- 본 연구에서는 바이오칩 제작을 위한 패턴을 제작하는 기술로서 나노임프린트 리소그래피를 이용하였다. Si 기판 위에 gold를 증착하여 단백질을 패턴화하여 고정할 수 있는 여러가지 크기의 nanopore 형태의 gold 패턴 구조를 UV-assisted nanoimprint lithography 기술을 이용하여 개발하였다.
성능/효과
- 4(c) 지름이 1 Mm 인 원형모양, Fig. 4(d) 지름이 2.5 时인 원형모양으로 형성되었으며, 이러한 방식은 다양한 스탬프를 제작하여 단백질을 마이크로에서 나노 수준까지 다양한 크기와 모양으로 패터닝할 수 있음을 보여준다. 밝은 부분인 gold pore에는 단백질의 SH기가 gold와 공유결합을 하여 단백질이 고정화될 수 있으며 어두운 resin 영역은 수지로 구성된 비활성 표면 부분이므로 SH기가 공유결합을 할 수 없어 단백질이 고정화될 수 없다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 나노임프린트 기술을 기반으로 한 패턴의 제작과 이를 이용한 단백질의 비선택적 흡착을 최소화한 바이오칩을 성공적으로 개발할 수 있다. 또한 센서 및 분자 메모리 소자 제작에도 다양하게 응용될 수 있을 것으로 사료된다、본 연구를 통하여 나노임프린트 리소그래피를 이용한 나노플랫폼 제작기술을 바탕으로 단백질 칩은 물론 DNA 칩, 세포 칩 등의 나노 스케일 다측정 바이오칩을 제작할 수 있으리라 사료된다.
- 게다가 산소 플라즈마 공정을 진행한 후에는 gold 표면이 친수성으로 바뀌어 추후 항체를 고정화 할 때고 정화를 용이하게 할 수 있도록 해준다. 이러한 방식으로 제작된 gold 패턴은 나노 크기의 바이오소자 제작을 가능하게 하며 단백질을 패터닝할 수 있는 다양한 크기의 nanopore의 제작에 활용될 수 있다. 아울러 한 가지 단백질에 국한되지 않고 여러 종류의 단백질을 고정화시킬 수 있게 수지가 각 gold 표면의 구획을 나누어 한 개의 기판 위에 여러 종류의 단백질이 패터닝되게 함은 물론 이를 기반으로 단백질의 비선택적 흡착을 최소화한 나노 플랫폼 기술로 활용할 수 있다.
- 5 pm pore로 전사된 gold 패턴을 제작하여 원자현미경 (atomic force microscopy, AFM) 과 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 관찰하였다. 이와 같은 방법으로, 원하는 패턴의 크기와 모양의 스탬프만 제작할 수 있다면 다량의 나노수준 패턴 제조가 가능하며 상대적으로 간단한 공정에 의해 공정비용이 절감되는 나 노임프린트 리소그래피를 이용하여 나노 수준의 바이오칩을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.
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