[논문]기판 표면 기능화에 의한 실리카 나노입자의 선택적 패턴 성장

김기출

doi:10.5762/kais.2020.21.4.20

기판 표면 기능화에 의한 실리카 나노입자의 선택적 패턴 성장
Selective Pattern Growth of Silica Nanoparticles by Surface Functionalization of Substrates 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.4, 2020년, pp.20 - 25

초록
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나노과학과 나노기술의 발전에 따라 선택적 패턴 성장을 위한 기술이 주목을 받고 있다. 실리카(Silica) 나노입자는 바이오 라벨링, 바이오 이미징 및 바이오 센싱에 사용되고 있는 유망한 나노소재이다. 본 연구에서는 실리카 나노입자를 수정된 스토버 방법(Stöber Method)인 졸겔(Sol-Gel) 공정으로 합성하였다. 또한 기판의 표면을 미세접촉프린팅 기술로 발수 처리하여 실리카 나노입자를 선택적으로 패턴 성장시켰다. 합성된 실리카 나노입자의 크기와 선택적으로 패턴 성장된 실리카 나노입자의 표면형상을 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)으로 조사하였고, 기판의 표면 기능화에 따른 기판의 접촉각 특성을 조사하였다. 그 결과 OTS 용액으로 발수 처리된 기판에서는 실리카 나노입자를 스핀 코팅하였을 때, 실리카 나노입자를 관찰할 수 없었으나, KOH 용액으로 친수 처리된 기판에서는 실리카 나노입자가 잘 코팅되는 것을 확인하였다. 또한 미세접촉프린팅 기술로 발수 처리한 기판영역 외에서만 실리카 나노입자가 선택적으로 패턴 성장하는 것을 FE-SEM으로 확인하였다. 이러한 실리카 나노입자의 패턴성장 특성을 염료가 도핑 된 실리카 나노입자에 적용한다면, 실리카 나노입자의 패턴 성장 기술은 바이오 이미징 및 바이오 센싱 분야에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As nanoscience and nanotechnology advance, techniques for selective pattern growth have attracted significant attention. Silica nanoparticles (NPs) are used as a promising nanomaterials for bio-labeling, bio-imaging, and bio-sensing. In this study, silica NPs were synthesized by a sol-gel process using a modified Stöber method. In addition, the selective pattern growth of silica NPs was achieved by the surface functionalization of the substrate using a micro-contact printing technique of a hydrophobic treatment. The particle size of the as-synthesized silica NPs and morphology of selective pattern growth of silica NPs were characterized by FE-SEM. The contact angle by surface functionalization of the substrate was investigated using a contact angle analyzer. As a result, silica NPs were not observed on the hydrophobic surface of the OTS solution treatment, which was coated by spin coating. In contrast, the silica NPs were well coated on the hydrophilic surface after the KOH solution treatment. FE-SEM confirmed the selective pattern growth of silica NPs on a hydrophilic surface, which was functionalized using the micro-contact printing technique. If the characteristics of the selective pattern growth of silica NPs can be applied to dye-doped silica NPs, they will find applications in the bio imaging, and bio sensing fields.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of selective pattern growth of single-layered silica nanoparticles by surface functionalization of substrates using a micro-contact printing technique of hydrophobic treatment.
그림 Fig. 2. FE-SEM images of as-synthesized silica NPs by spin coating on (a) normal surface of glass substrate, (b) hydrophilic surface of glass substrate, (c) hydrophobic surface of glass substrate.
그림 Fig. 3. Photographs of contact angle (CA) measurement for different surface functionalization with (a) KOH 1.0 wt% solution (hydrophilic treatment), (b) OTS solution of 5 mM, and (c) OTS solution of 30 mM (hydrophobic treatment).
그림 Fig. 4. Photographs of (a) Lego mold for fabrication of PDMS stamp(left), fabricated PDMS stamp(right), and (b) selective pattern growth of silica NPs by micro-contact printing technique on functionalized glass substrate.
그림 Fig. 5. FE-SEM images of selective pattern growth of silica NPs by micro-contact printing technique; (a) large scale image, (b) boundary area of selective pattern growth, and (c) magnification image of boundary area of selective pattern growth with mono-layered silica NPs.

AI 본문요약
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제안 방법

0 kV이었다. FE-SEM 분석 시 절연체 시료에서 발생하는 대전효과(Charging Effect)에 의한 이미지 왜곡을 방지하기 위해서 10 nm 두께의 백금(Platinum) 박막을 코팅하였다. 세척된 슬라이드 글라스의 친수 표면처리 및 발수 표면 처리 상태를 접촉각 분석(Contact Angle Analysis, SEO Co.
Fig. 1에 나타낸 것처럼 μCP 기술을 적용하고 실리카 나노입자가 분산된 용액에 Dip-Coating하여 실리카 나노입자의 패턴 성장을 테스트하였다.
4 (a)에 나타낸 것처럼 레고를 이용하여 PDMS 몰드를 제작한 후 PDMS 혼합용액을 몰드 위에 붓고 진공오븐에서 80 ℃, 1 시간동안 PDMS를 경화시켰다. PDMS 스탬프를 준비한 다음, 미세접촉프린팅 기술로 기판의 선택적 영역을 기능화 시키기 위하여 발수기능의 단분자 자기조립막 형성을 위한 용액을 제조하였다. 발수 기능의 SAMs 형성을 위한 용액의 합성은 Hexane(95%, Samchun) 10 mL에 OTS(>90%, Aldrich, #104817) 용액을 0.
미세접촉프린팅 기술을 적용하여 단분자 자기조립막을 형성시킬 때, 기판의 표면을 친수처리 (Hydrophilic Treatment) 및 발수처리(Hydrophobic Treatment) 하면 원하는 기능성 나노소재를 선택적으로 성장시킬 수 있음이 보고되었다[15,16]. 따라서 본 연구에서는 졸겔 공정으로 구형의 실리카 나노입자를 합성하였고, 미세접촉프린팅 기술을 적용하여 단분자 자기조립막으로 기판의 표면을 선택적 영역에 대하여 발수 처리한 다음, 기판의 친수 처리된 영역에 대하여 실리카 나노입자가 선택적으로 성장되도록 하였다. 합성된 실리카 나노입자의 크기와 선택적으로 패턴 성장된 실리카 나노입자의 표면형상을 FE-SEM으로 분석하였고, 미세접촉프린팅 기술로 기능화 된 기판의 친수 처리 및 발수 처리 특성을 접촉각 분석으로 조사하였다.
6 ^o로 측정되었다. 또한 슬라이드 글라스 기판의 발수 처리는 OTS 용액을 95% 농도의 Hexane(samchun)으로 희석을 하였다. 이때, OTS 용액의 농도(5 mM, 10 mM, 20 mM, 30 mM)를 각각 다르게 조절하여 슬라이드 글라스 표면에 스핀 코팅하여 발수 처리를 하였다.
미세접촉프린팅 기술의 유용함을 확인하기 위하여 Fig. 4 (a)에 나타낸 것처럼, 손쉽게 구할 수 있는 레고 블록을 이용하여 PDMS 스탬프 제작의 몰드로 활용하였다. Fig.
발수 기능의 SAMs 형성을 위한 용액의 합성은 Hexane(95%, Samchun) 10 mL에 OTS(>90%, Aldrich, #104817) 용액을 0.02 mL, 0.04 mL, 0.08 mL, 0.12 mL(5 mM, 10 mM, 20 mM, 30 mM)를 첨가하였다.
스토버법으로 실리카 나노입자를 합성할 때 TEOS 및 암모니아수의 양을 조절하면 실리카 나노입자의 크기를 다양하게 조절할 수 있다. 본 연구에서는 시약의 양을 에틸알코올 49.5 mL, 암모니아수 2.0 mL, 탈이온수 6.3 mL, TEOS 2.3 mL로 조절하여, 평균적으로 200 nm 크기의 실리카 나노입자를 합성하였다. 실리카 나노입자의 합성은 비이커에 에틸알코올을 넣고 교반시키면서 암모니아수 및 탈이온수, TEOS를 첨가한 후, 25 ℃에서 500 rpm으로 24시간 교반하여 합성하였고, 합성된 실리카 나노입자를 10,000 rpm으로 20분간 원심분리한 후 대기 중에서 3일간 충분히 건조시킨 후 에탄올에 분산시켰다[17].
본 연구에서는 졸겔 공정으로 200 nm 크기의 구형 실리카 나노입자를 합성하였고, 미세접촉프린팅 기술을 적용하여 선택적 영역을 친수 처리 및 발수 처리하여 선택적 영역에 대하여 실리카 나노입자의 패턴 성장을 진행하였으며, 연구결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
FE-SEM 분석 시 절연체 시료에서 발생하는 대전효과(Charging Effect)에 의한 이미지 왜곡을 방지하기 위해서 10 nm 두께의 백금(Platinum) 박막을 코팅하였다. 세척된 슬라이드 글라스의 친수 표면처리 및 발수 표면 처리 상태를 접촉각 분석(Contact Angle Analysis, SEO Co. Ltd, Phoenix 300 Plus)으로 조사하였다.
실리카 나노입자의 패턴 성장을 위해 우선 실리카 나노입자를 합성하였다. 실리카 나노입자의 합성에 사용된 시약은 에틸알코올(Ethyl Alcohol, 99.
실리카 나노입자의 패턴 성장을 위해서 슬라이드 글라스를 2 cm × 2 cm 크기로 자른 후 아세톤, 에틸알코올, 탈이온수 속에서 각각 5분씩 초음파 세척한 후 질소가스로 수분을 제거한 후 에틸알코올 120 mL, 탈이온수 80 mL, KOH 1.72 g의 혼합용액에 세척된 슬라이드 글라스를 담가서 20분간 초음파 세척한 후 탈이온수로 2회 헹구어서 친수처리를 하였다.
또한 슬라이드 글라스 기판의 발수 처리는 OTS 용액을 95% 농도의 Hexane(samchun)으로 희석을 하였다. 이때, OTS 용액의 농도(5 mM, 10 mM, 20 mM, 30 mM)를 각각 다르게 조절하여 슬라이드 글라스 표면에 스핀 코팅하여 발수 처리를 하였다. Fig.
졸겔 공정으로 합성된 구형 실리카 나노입자의 크기와 선택적으로 패턴 성장된 실리카 나노입자의 표면형상을 FE-SEM(FEI, Sirion)으로 분석하였다. 이때 가속전압은 10.
따라서 본 연구에서는 졸겔 공정으로 구형의 실리카 나노입자를 합성하였고, 미세접촉프린팅 기술을 적용하여 단분자 자기조립막으로 기판의 표면을 선택적 영역에 대하여 발수 처리한 다음, 기판의 친수 처리된 영역에 대하여 실리카 나노입자가 선택적으로 성장되도록 하였다. 합성된 실리카 나노입자의 크기와 선택적으로 패턴 성장된 실리카 나노입자의 표면형상을 FE-SEM으로 분석하였고, 미세접촉프린팅 기술로 기능화 된 기판의 친수 처리 및 발수 처리 특성을 접촉각 분석으로 조사하였다.

대상 데이터

세척된 슬라이드 글라스 기판 표면의 친수 처리는 1.0 wt%의 KOH 용액을 이용하였다. KOH 용액 속에서 세척된 슬라이드 글라스를 20분간 초음파 처리한 다음 표면의 특성을 접촉각 분석으로 측정한 결과, Fig.

데이터처리

4 (b)에 나타내었다. 9개의 원형 패턴 중 붉은 원으로 표시된 가운데 원형 패턴에 대하여 FE-SEM 분석을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig.

성능/효과

둘째, OTS 용액으로 발수 처리된 슬라이드 글라스 위에서는 스핀 코팅이나, Dip-Coating 공정으로도 실리카 나노입자가 전혀 코팅되지 않는 것을 확인하였다. 따라서 슬라이드 글라스의 표면을 친수처리 또는 발수 처리함에 따라 실리카 나노입자의 패턴성장을 조절할 수 있음을 확인하였다.
둘째, OTS 용액으로 발수 처리된 슬라이드 글라스 위에서는 스핀 코팅이나, Dip-Coating 공정으로도 실리카 나노입자가 전혀 코팅되지 않는 것을 확인하였다. 따라서 슬라이드 글라스의 표면을 친수처리 또는 발수 처리함에 따라 실리카 나노입자의 패턴성장을 조절할 수 있음을 확인하였다.
셋째, 미세접촉프린팅 기술을 이용하여 OTS 용액으로 슬라이드 글라스의 표면을 PDMS 스탬프로 선택적 영역에 대하여 발수 처리하였을 경우, 친수 처리된 영역에서만 구형의 실리카 나노입자가 단일 층으로 촘촘하게 성장되는 것을 확인하였다.
이상에서 살펴본 것처럼 미세접촉프린팅 기술을 적용하여 구형의 실리카 나노입자가 선택적 영역에 대하여 패턴 성장하는 것을 확인하였다. 이러한 미세접촉프린팅 기술을 염료가 도핑된 실리카 나노입자에 적용할 수 있으며, 형광실리카 나노입자는 바이오 이미징, 바이오 라벨링, 및 바이오 센싱 분야에 유용하게 활용되므로, 형광실리카 나노입자의 패턴성장기술은 바이오분야에 유용하게 활용될 수 있다.
첫째, 미세접촉프린팅 기술을 적용하기 위하여 슬라이드 글라스의 표면을 KOH 용액으로 친수 처리하였을 때 접촉각은 약 33 o이었고, 친수표면에서는 실리카 나노입자의 패턴성장이 활성화된다. 반면에 OTS 용액으로 발수 처리하였을 때에는 OTS 용액의 농도가 증가할수록 접촉각은 조금씩 증가하였다.

후속연구

구형의 형광 실리카 나노입자를 합성하는 다양한 방법이 보고되었는데[17], 본 연구에서 고찰한 것과 같은 미세접촉프린팅 기술을 염료가 도핑된 실리카 나노입자의 패턴 성장에 적용한다면, 바이오 이미징, 바이오 라벨링 및 바이오 센싱 분야에 매우 유용하게 응용될 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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