[논문]나노리소그라피 기술을 이용한 초소수성 불소 실란 분자의 나노패턴 제조

연경흠; 강필선; 김경민; 임정혁

doi:10.17702/jai.2018.19.4.163

초록
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이 딥펜 나노리소그라피(DPN)는 원자 힘 현미경(AFM)을 기반으로 하는 나노 및 마이크로 패턴 제조 기술이다. 다양한 잉크 물질을 AFM 탐침에 코팅하여 탐침과 기판 사이에 형성된 물 메니스커스를 통해 기판으로 전이시켜 패턴을 제조한다. 본 연구에서는, 실란 전처리된 AFM 탐침 표면에 불소 실란 잉크 용액을 코팅하고 하이드록시기로 개질된 실리콘 기판 위에 접촉시킨 후, DPN 기술을 이용하여 표면으로 잉크 물질을 전이시키는 연구를 진행하였다. HDFDTMS 잉크 물질의 dot 어레이 패턴을 안정적으로 제조하였으며, AFM 탐침과 기판 사이의 접촉시간에 따라 패턴 크기가 선형적으로 증가하는 전형적인 DPN의 확산 메커니즘을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Dip-pen nanolithography(DPN) is an atomic force microscope (AFM) based method of generating nano- or micro-patterns. This technique has been used to transfer various ink materials on the substrate through water meniscus formed between AFM tip and the substrate surface. In this study, the heptadecafl...

Dip-pen nanolithography(DPN) is an atomic force microscope (AFM) based method of generating nano- or micro-patterns. This technique has been used to transfer various ink materials on the substrate through water meniscus formed between AFM tip and the substrate surface. In this study, the heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane (HDFDTMS) ink materials were coated on the pre-coated AFM tip surface with the HDFDTMS molecules. When the tip brought into contact with the hydroxyl-functionalized silicon surface, HDFDTMS ink molecules have been successfully transported from the tip onto the surface via water meniscus. The created array and passivation area showed stable structures on the surface, and the transport of ink materials from the AFM tip to the surface followed linear increase in pattern size with contact time.

주제어

표/그림 (4)

그림 Figure 1. Schematic representation of the stepwise process for (a) AFM tip modification and (b) DPN patterning
그림 Figure 2. SEM images of (a) bare and (b) HDFDTMS-coated tip.
그림 Figure 3. (a) AFM topography image of HDFDTMS array depending on contact times. (b) The line plot taken through pattern of (a). (c) The plot of dot diameter vs square root of contact time.
그림 Figure 4. (a) AFM topography image of HDFDTMS dots array. (b) The cross-sectional height profile of the line in (a). (c) 3-dimensional image of (a).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 직접 패터닝법(direct-write method)인 DPN 기술을 이용하고 초소수성 물질인 불소 실란 커플링제 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl-trimethoxysilane, HDFDTMS)를 잉크로 사용하여 고체 기판 위에 dot 어레이 및 passivation 패터닝 제조 연구를 고찰하고자 한다. Silicon oxide 재질의 AFM 탐침 표면을 개질하여 잉크 물질인 HDFDTMS와 silanization 반응을 통하여 먼저 코팅막을 형성시켜 잉크 용액과의 젖음성을 확보한 후, 잉크 용액을 dip-coating하여 DPN 패터닝을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 직접 패터닝법(direct-write method)인 DPN 기술을 이용하고 초소수성 물질인 불소 실란 커플링제 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl-trimethoxysilane, HDFDTMS)를 잉크로 사용하여 고체 기판 위에 dot 어레이 및 passivation 패터닝 제조 연구를 고찰하고자 한다. Silicon oxide 재질의 AFM 탐침 표면을 개질하여 잉크 물질인 HDFDTMS와 silanization 반응을 통하여 먼저 코팅막을 형성시켜 잉크 용액과의 젖음성을 확보한 후, 잉크 용액을 dip-coating하여 DPN 패터닝을 수행하였다.
본 기술을 이용하여 마이크로 크기에서의 코팅 또는 보호막 제조 기능을 테스트하기 위해 각각 1 ㎛ x 1 ㎛, 2 ㎛ x 2 ㎛의 면적을 잉크 코팅된 탐침으로 scanning하여 passivation 층을 형성하는 실험을 수행하였다. Scan rate은 각각 4 Hz, 2 Hz였으며, 패터닝을 종료한 후 바로 메탄올에 washing하여 표면의 하이드록시 그룹과 반응한 단분자층만 남기고 멀티층은 모두 녹여내도록 의도하였다.

대상 데이터

본 연구의 나노 패턴 제조를 위해 사용된 불소실란은 heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltri-ethoxysilane (SY-SH001, Sooyangchemtec Co., Korea)을 사용하였고, 용매로 사용된 toluene(99.7%), acetone, methanol 등은 Sigma-Aldrich로부터 구매하여 사용하였다. 탐침 및 기판의 표면 산처리를 위해 hydrogen peroxide, sulfuric acid (Sigma-aldrich)를 혼합한 piranha 용액(H2SO4 : H2O2 (70:30(v/v)))을 제조하여 사용하였다.
7%), acetone, methanol 등은 Sigma-Aldrich로부터 구매하여 사용하였다. 탐침 및 기판의 표면 산처리를 위해 hydrogen peroxide, sulfuric acid (Sigma-aldrich)를 혼합한 piranha 용액(H2SO4 : H2O2 (70:30(v/v)))을 제조하여 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 초소수성 분자인 불소 실란을 잉크 용액으로 제조하여 딥펜 나노리소그라피 기술을 통해 어레이를 제조하는 패터닝 과정을 고찰하였다. AFM 탐침과 기판 사이의 접촉시간에 따른 dot 크기의 변화로부터 HDFDTMS 패터닝은 탐침과 기판 사이의 물 메니스커스를 통해 전이되는 전형적인 diffusion mechanism을 따른다는 것을 알 수 있었다. AFM 탐침 표면을 잉크용액과 동일한 물질로 사전 코팅하여 젖음성을 증가시키는 것이 코팅 효율을 높이는데 중요하였다.
Fig 3(b) 의 line profile에서 보듯, 10초의 접촉시간인 경우 직경은 약 1,100 nm 두께는 약 70 nm인 dot이 형성되었고, 접촉시간을 30초와 60초로 늘린 경우 직경과 두께가 각각 1,200 nm와 1,400 nm 그리고 85 nm와 110 nm로 증가하였다. 탐침과 기판 표면과의 접촉시간에 따른 dot 직경의 크기 증가는 DPN 과정의 중요한 요소로 접촉시간 t1/2에 대한 직경 변화를 Fig 3(c). 에 도시하였고 직선이 얻어진 것을 보여준다. 이러한 결과는 HDFDTMS dot 형성이 DPN 과정의 전형적인 diffusion mechanism을 따른다는 증거이다[18].

후속연구

AFM 탐침 표면을 잉크용액과 동일한 물질로 사전 코팅하여 젖음성을 증가시키는 것이 코팅 효율을 높이는데 중요하였다. 본 기술을 이용하면 원하는 면적 및 위치에 단분자막 두께로 초소수성 passivation 층을 형성시킬 수 있으며, 마이크로 디바이스나 센서 등의 미세 표면의 처리/조작에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	딥펜 나노리소그라피의 원리는 무엇인가?	Mirkin교수에 의해 개발된 딥펜 나노리소그라피(Dip-pen Nanolithography, DPN)는 원자 힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 기반으로 하는 기술이다[1-2]. AFM 탐침 끝에 작은 분자들을 코팅하여 기판 표면에 접촉시키면 탐침과 기판 사이에 만들어진 물 메니스커스를 통해 탐침에 코팅된 분자들이 이동하여 기판 표면으로 전이되는 방식으로, 이때 패턴 크기는 온도, 습도, 탐침의 접촉시간 등에 의존한다[3-4]. 최초의 DPN 모델은 금 기판 위에 티올(thiol)기를 가진 octadecanethiol(ODT) 분자들을 전이시킨 연구로, 기판 표면에 형성된 Au-S 결합과 탄화 수소 사슬 간의 van der waals 인력을 통해 전이된 단분 자막이 안정화되는 것이었다.
	실란 커플링제란 무엇인가?	실란 커플링제는 유리나 산화물의 표면 개질에 널리 사용되고 있는 대표적인 물질로, SiH4의 수소를 알킬기, 할로겐기, 수산기 등으로 치환한 다양한 유도체가 사용되고 있다[14]. 기판 표면의 하이드록시기와 축합에 의한 silanization 반응으로 간단하고 빠르게 표면을 친수성, 소수성, 또는 기능성을 부여한 성질로 변화시킬 수 있다[15-16].
	DPN은 어떤 현재 어떤 역할을 하는가?	탐침의 크기가 작기 때문에 코팅되는 잉크의 양이 적은 단점을 극복하기 위하여 하이드로젤 물질로 탐침을 코팅하거나 탐침에 잉크 저장공간을 확보하는 등의 탐침 관련 연구도 크게 증가하였다[11-12]. 현재 DPN은 나노 또는 마이크로 수준에서 물질을 패턴화하고 조작, 가공, 측정하는 등 다양한 기반 기술을 제공하고 있다[13].

참고문헌 (19)

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