WO2020153696A2 - 나노프린팅장치 및 이를 이용한 라만 분석장치 - Google Patents

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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L3/021—Pipettes, i.e. with only one conduit for withdrawing and redistributing liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0004—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of nanostructural devices or systems or methods for manufacturing the same
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Definitions

  • the present invention relates to a nano-printing device and a Raman analysis device using the same.
  • Raman spectroscopy is a spectral technique used to observe vibration, rotation and other low-frequency modes in the system. This is usually followed by Raman scattering of monochromatic light, such as a laser in the visible, near-infrared region or near-infrared region. When the light passes through the medium, part of the light is scattered and deviates from the direction of travel, and proceeds in the other direction. The scattered light retains its original energy and the scattering elastic process is called Rayleigh scattering. The inelastic process that is spawned by losing or gaining is called Raman Scattering or inelastic scattering.
  • the molecule When a molecule receives light, the molecule is excited into an excited state, and the molecule in this excited state goes back to the ground state in three ways.
  • Raman scattering is a case in which the vibration energy of a molecule is absorbed or released and then returned to the ground state. At this time, the transition of the vibration state occurs.
  • a Stokes effect When a molecule returns to the ground state after absorbing vibrational energy, it is called a Stokes effect.
  • the Raman spectroscopy method is a method of performing qualitative and quantitative analysis of each substance by measuring the characteristic vibration spectrum of the substance and finding the characteristic spectrum of the substance.
  • Raman scattering is an inelastic scattering of photons that can provide molecular vibrational fingerprints.
  • One aspect of the present invention provides a nano printing device with an improved structure.
  • One aspect of the present invention provides a nano-printing device capable of performing nano-scale printing and analysis together.
  • One aspect of the present invention provides a Raman analysis device using a nano-printing device with an improved structure.
  • One aspect of the present invention provides a Raman analysis device using a nano-printing device that can perform the Raman analysis of the nano-structure printing and nano-structure.
  • Nano printing apparatus is a nano-pipette having a discharge hole is formed on one side and a pipette body containing a liquid solution, and a plating layer formed on the outer surface of the pipette body; A substrate having a metal layer on which a nanostructure formed from a liquid solution discharged from the nanopipette is placed; A first power supply unit configured to apply heat to the nanopipette, the first power supply unit electrically connecting the liquid solution of the pipette body and the plating layer; And a second power supply unit configured to reduce the surface tension of the liquid solution in the discharge hole, the second power supply unit connecting the plating layer and the metal layer.
  • the first and second power supply units may be configured to operate independently.
  • the first and second power supply units may be configured to operate at different voltages.
  • the first power supply unit may be configured to lower the viscosity of the liquid solution by heating the pipette body.
  • the plating layer may be configured to cover at least an end portion of the pipette body.
  • the plating layer may include at least one of gold and silver.
  • the second power supply unit may be configured to form a nano channel that guides the movement of the liquid solution between the end of the nano pipette where the discharge hole is formed and the substrate.
  • a crystal oscillator provided to contact the nano-pipette, the crystal oscillator, may be configured to detect the phase and amplitude occurring at the end of the nano-pipette.
  • phase and amplitude may satisfy the following.
  • the Raman analysis device using a nano printing device is a Raman spectroscopy device using a nano printing device that analyzes a nanostructure formed from a nano printing device, wherein the nano printing device has a discharge hole formed on one side.
  • a nano pipette having a pipette body containing a liquid solution and a plating layer formed on an outer surface of the pipette body; A substrate having a metal layer on which a nanostructure formed from a liquid solution discharged from the nanopipette is placed; A first power supply unit for electrically connecting the liquid solution of the pipette body and the plating layer to supply heat to the liquid solution; A second power supply unit configured to reduce the surface tension of the liquid solution in the discharge hole, the second power supply unit connecting the plating layer and the metal layer; including, the Raman spectroscopy device, the laser irradiated to the nanostructure A laser light source to be generated; It includes; Raman detector for collecting spectroscopic information from the light scattered by the nanostructure.
  • a probe-enhanced Raman Spectroscopy may be configured through the plating layer connected to the first and second power sources.
  • the plating layer may include at least one of gold and silver.
  • the plating layer may be configured to cover at least an end portion of the pipette body.
  • the first and second power supply units may be configured to operate independently.
  • the first and second power supply units may be configured to operate at different voltages.
  • Raman analysis of the nanostructures may be provided to be made together with the formation of nanostructures by the nanoprinting device.
  • the laser light source may be configured to generate a laser having at least one of 488 nm, 532 nm, and 633 nm wavelengths.
  • nano-sized printing is possible.
  • a physical property value of a liquid solution can be known through a nano printing device.
  • Raman analysis may be facilitated for a nanoscale structure.
  • nanoscale printing and Raman analysis of the printed nanostructures can be performed together in real time.
  • a more accurate Raman analysis can be performed.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating a nanopipette and a crystal oscillator of a nanoprinting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a nano printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 7, 8 is a view of the operation of the nano-printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram of a Raman analysis device using a nano printing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 10 and 11 are views of the operation of the nano-printing device and the Raman analysis device according to an embodiment of the present invention.
  • first and second used in the present specification may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. It is used only to distinguish one component from other components.
  • first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component.
  • the term “and/or” includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • ⁇ unit may refer to a unit that processes at least one function or operation.
  • the terms may mean at least one process processed by at least one hardware, at least one software or processor stored in memory, such as a field-programmable gate array (FPGA)/application specific integrated circuit (ASIC). have.
  • FPGA field-programmable gate array
  • ASIC application specific integrated circuit
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating a nanopipette and a crystal oscillator of a nanoprinting device according to an embodiment of the present invention.
  • the nanoprinting device 10 may include a nanopipette 20.
  • the nanopipette 20 may be configured to contain the liquid solution 28.
  • the liquid solution 28 may include nanomaterials (28a, see FIG. 4).
  • the nano pipette 20 may include a pipette body 22 and a discharge hole 24 (see FIG. 4) formed on one side of the pipette body 22.
  • the discharge hole 24 may have a nano-unit diameter.
  • the nano-pipette 20 is a pen-shaped pipette such as quartz or borosilicate using a mechanical puller, and the diameter of the discharging hole 24 at the tip is nano-sized (nm). It is made to be.
  • liquid solution contained in the pipette body 22 is not limited.
  • Liquid solutions can be neutral liquids without dislocation, and can be filled with various kinds of liquids, such as nanoparticles, CNT solutions, and even biomolecules, to shape the surface.
  • the nano pipette 20 may include a plating layer 26 (see FIG. 4 ).
  • the plating layer 26 is configured to cover the outer surface of the pipette body 22.
  • the plating layer 26 may be configured to cover the pipette body 22 of at least a tip portion of the nanopipette 20 adjacent to the discharge hole 24.
  • the nanoprinting device 10 may include a crystal oscillator 30.
  • the quartz oscillator (quartz tuning fork, QTF) is configured to contact the nanopipette 20 and transmit the vibration of the nanopipette 20.
  • a pen-shaped nanopipette 20 having a nano-sized hole is attached to the side of one leg of the crystal oscillator 30 (QTF).
  • QTF crystal oscillator 30
  • the nanopipette 20 is approached to the crystal oscillator 30 while tilted at a slight angle, and the side surface of the nanopipette 20 is slightly bent.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a nano printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the nanoprinting device 10 may include a substrate 40.
  • the liquid solution 28 discharged from the nanopipette 20 is placed on the substrate 40.
  • the substrate 40 is provided so that the liquid solution 28 discharged from the nanopipette 20 is placed.
  • the substrate 40 may include a metal layer 42.
  • the metal layer 42 may include gold or silver.
  • the substrate 40 may include a dielectric 44.
  • a metal layer 42 may be formed under the dielectric 44.
  • the metal layer 42 may be configured to be coated on the lower surface of the dielectric 44, or may be configured to be stacked on the lower surface of the dielectric 44.
  • the substrate 40 may be composed of only the metal layer 42, or may be composed of a dielectric 44 and a metal layer 42 formed on the lower surface as described above.
  • the nanoprinting device 10 may include a power supply unit.
  • the power supply unit 50 may be configured to apply a voltage to the nanopipette 20.
  • the power supply unit may include first and second power supply units 51 and 52.
  • the first power supply unit 51 may be configured to connect the liquid solution 28 contained in the pipette body 22 and the plating layer 26 formed on the outer surface of the pipette body 22.
  • the voltage of the liquid solution 28 can be reduced by adjusting the voltage and applying heat to the liquid solution 28. Due to the heat generated by the resistance generated in the nanopipette 20, the viscosity of the liquid solution 28 can be lowered. Specifically, heat may be generated in the tip portion of the nanopipette 20 by the first power supply unit 51. Since the viscosity of the liquid is affected by the temperature, the first power supply unit 51 may lower the viscosity of the liquid solution 28 by increasing the temperature of the liquid solution 28 inside the nanopipette 20. Through this, the liquid solution 28 having a high viscosity can also use the nanoprinting device 10 of the present invention, and various types of the liquid solution 28 can be applied.
  • the second power supply unit 52 is provided to lower the surface tension in the discharge hole 24 of the liquid solution 28.
  • the second power supply unit 52 may be configured to connect the plating layer 26 and the metal layer 42. Due to the surface tension of the liquid solution 28 in the discharge hole 24 of the nanopipette 20, the liquid solution 28 is discharged only when a certain amount of force is applied. The surface tension of the liquid solution 28 is larger when the size of the discharge hole 24 is smaller.
  • the second power source 52 allows current to flow through the plating layer 26 and the metal layer 42, thereby lowering the surface tension in the discharge hole 24.
  • the liquid nanochannel 34 can be formed between the end portion with the discharge hole 24 of the nanopipette 20 and the substrate 40. That is, the liquid nanochannel 34 may be formed between the tip portion of the nanopipette 20 and the substrate 40.
  • the liquid solution 28 is discharged to the substrate 40 through the discharge hole 24 through the liquid nano channel 34.
  • the liquid nanochannel 34 may guide the liquid solution 28 from the discharge hole 24 to the substrate 40.
  • the first and second power supply units 51 and 52 may operate independently of each other. That is, one of the first and second power supply units 51 and 52 may not be dependent on the other power supply unit.
  • the first and second power supply units 51 and 52 may be configured to operate at different voltages.
  • the nanopipette 20 and the crystal oscillator 30 are approached to the upper portion of the substrate 40.
  • a piezoelectric transducer 60 may be positioned below the substrate 40 to access the nanopipette 20 to the substrate 40.
  • water molecules in the air are formed with nano-sized water pillars 32 (water meniscus) around the ends of the nanopipette 20.
  • the distance at which the water column 32 is formed may be determined according to the relative humidity.
  • the force is transmitted horizontally at the end of the nanopipette 20. Since the crystal oscillator 30 oscillates in the horizontal direction, the level of the horizontal force is accurately measured. It is possible to prevent the tip of the pipette from breaking by accurately maintaining the distance between the tips of the nanopipette 20 from the surface using the feedback technology of the atomic force microscope.
  • the size of the discharge hole 24 is smaller than a certain size, the energy barrier due to the surface tension is still high inside, and an electric field force is required to lower it.
  • the metal layer 42 and the nanopipette (below the dielectric 44)
  • a liquid nanochannel 34 is formed. That is, even if the size of the discharge hole 24 is smaller than a predetermined size, liquid may be ejected through this process.
  • the predetermined size of the discharge hole 24 may be 200 nm.
  • the voltage applied to the second power supply unit 52 may be approximately 10V.
  • the reason why the metal layer 42 is disposed on the lower surface of the dielectric 44 is that when the nanopipette 20 meets the metal-coated surface, the flow rate of the discharged liquid is increased and a large amount of liquid is transmitted to the surface, so that the desired nano-sized This is because printing cannot be implemented and the substrate 40 is not limited to metal.
  • the nano-printing apparatus 10 in the present embodiment can form the substrate 40 with a dielectric 44, while forming a nano-scale printing result on its surface.
  • the substrate 40 may be made of only a metal layer 42.
  • the substrate 40 is formed of a metal and is intended to be printed on the surface of the metal layer 42, a very small single pulse voltage is also possible.
  • FIG 7 and 8 are views of the operation of the nano-printing device according to an embodiment of the present invention.
  • the nanopipette 20 or the substrate in the lateral direction (x direction or y direction) as shown in FIG. By moving 40), it is possible to implement two-dimensional nano-shaping (nanolithography) like A.
  • the crystal oscillator 30 may measure the force of the applied object, specifically, the viscosity and elastic force of the material. This can be measured using a change in amplitude and phase due to the force applied to the vibration at the resonance frequency of the crystal oscillator 30. Using the amount of variation in amplitude and phase, the viscoelastic force of a material is measured by the following equation. can do. Using this, direct mechanical properties can be measured directly in the field in the context of nanolithography and 3D nanomanufacturing processes. In addition, it is possible to measure the current characteristics in a situation in which a substance is transmitted by applying a voltage. By using these two measurement techniques, it is possible to conduct in-depth studies on the precise control of the transferred quantity and the specificity of the material through the measurement of the viscoelastic force and electrical properties of the material actually applied.
  • the crystal oscillator 30 and the nanopipette 20 Actually vibrates. It is possible to accurately determine the motion of the crystal oscillator 30 by using the amplitude and phase information of the current signal from the crystal oscillator 30 to actually move the oscillating motion by the voltage applied to the crystal oscillator 30.
  • the intensity of the electrical signal applied by the function generator 72 is actually very small, and the reference signal, which is a very large electrical signal in the form of a square or pulse corresponding to the same frequency, is locked into the lock-in amplifier 74 (Lock- In Amplifier), the electrical signal from the crystal oscillator 30 by the force applied to the tip of the tip of the nanopipette 20 is put into the signal input terminal of the lock-in to accurately change the amplitude and phase. It can be obtained from the lock-in output device, and is connected to a computer (PC, control unit) as shown in FIG. 3 to dataize using a device that digitizes an analog signal. The controller can accurately analyze the elastic force, viscous force, and energy dissipation degree of the material given from the surface through calculation of the obtained amplitude and phase data according to the theory.
  • PC computer
  • FIG. 9 is a diagram of a Raman analysis device using a nano printing device according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman analysis apparatus 100 may perform Raman analysis on various nanostructures printed by the nanopipette 20.
  • the Raman analysis device 100 may analyze the nanostructures being discharged by the nanopipette 20, or may analyze the nanostructures already discharged by the nanopipette 20.
  • the Raman analysis device 100 includes a laser light source 110 that generates a laser, a light source 120 and a camera (CCD, 130), which are scattered to check the position of an object in which irradiated light accurately illuminates the nanostructure. It may include a Raman detector 140 for measuring the light. In addition, the Raman analysis apparatus 100 may be provided on a path of light between components, and may include beam splitters 151, 152, and 153 for adjusting the optical path.
  • the laser light source 110 may vary the wavelength of the laser emitted according to the type of the liquid solution.
  • the wavelength of the laser may include 488 nm, 532 nm, and 633 nm.
  • a laser having a wavelength of 633 nm may be used.
  • a laser having a wavelength of 532 nm may be used.
  • the light source 120 and the camera 130 itself can also accurately detect the phenomenon of the nanostructure surface at a very high rate. That is, it can be used as an optical microscope through the light source and the camera 130.
  • the Raman analysis device 100 using the nanoprinting device 10 moves the nanopipette 20 in the manufacturing process of 2D and 3D nanostructures, and the liquid solution ejected through the nanopipette 20. ) You can proceed the process while checking the status, and you can perform Raman analysis together in the process.
  • the Raman detector 140 is configured to measure light scattered from the nanostructure.
  • the Raman detector 140 is provided to analyze the spectroscopic information of the nano shape through scattered light.
  • the laser generated from the laser light source 110 passes through the beam splitters 153 and is incident on the substrate 40 through the mirror 162 and the objective lens 160, and is provided to meet the nano structure on the substrate 40.
  • the laser light may be adjusted by the beam splitter 153 and incident on the objective lens 160.
  • the laser light source 110 may irradiate laser light to the nano structure along the optical path from the beam splitter 153 to the nano structure through the objective lens 160.
  • the laser light incident through the objective lens 160 collides with the nano-structure and scatters. Most of them scatter with the same energy as the incident light, but some exchange energy with the nano-structure to a unique degree, resulting in inelastic scattering.
  • the light source incident through the objective lens collides with the nano structure and scatters. Most of them scatter with the same energy as the incident light, but some exchange energy with the nano structure to a certain degree to inelastic scatter.
  • the wavelength of the Stokes scattering in which the light source loses energy and the anti-Stokes scattering in which the light source obtains energy may appear in a unique form according to the physical properties of the nanostructure.
  • the Raman detector 140 may collect it and display it in a unique shape spectrum.
  • the Raman spectrum image may be repeatedly photographed through the Raman analysis device 100 and analyzed by a computer (not shown) to identify characteristics of the nanostructure.
  • the Raman analysis device 100 can perform high resolution Raman spectroscopy through Raman signals amplified or augmented by the plating layer 26 of the nanopipette 20. This method is called probe-enhances Raman spectroscopy (TERS).
  • the probe-enhanced Raman spectroscopy is a spectroscopy method that captures a Raman spectrum of several tens of nm around the tip using a plasmon that is very strongly increased at the tip of the nanopipette 20.
  • a nano pipette 20 may be applied as a probe that enhances a Raman signal of a probe-enhanced Raman spectroscopy method.
  • the time to search the nanostructure through the plated layer 26 of the nanopipette 20 can be reduced, and the time delay for analysis and the deformation or contamination of the object due to the movement of the nanostructure can be prevented.
  • the Raman analysis device 100 can be operated to analyze the nanostructure in real time.
  • FIGS 10 and 11 are diagrams for the operation of the nano-printing device and the Raman analysis device according to an embodiment of the present invention. It will be described with reference to Figures 6, 7, 8 described above.
  • the nanopipette 20 or the substrate in the lateral direction (x direction or y direction) as shown in FIG. By moving 40), it is possible to implement two-dimensional nano-shaping (nanolithography) like A. In this process, it is possible to analyze the spectroscopic information of the nanostructure as shown in A'in FIG. 10 through the Raman analysis device 100.
  • the Raman analysis device 100 may analyze spectroscopic information of the nanostructure as shown in B'in FIG. 11. In this case, after manufacturing the nanostructure, the position of the nanopipette 20 can be moved to the side of the nanostructure to perform Raman spectroscopy.
  • the Raman analysis device using the nanoprinting device 10 may be operated and analyzed together with the operation of the nanoprinting device, or may be operated and analyzed after the operation of the nanoprinting device is performed.
  • Raman analysis device 110 laser light source

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Abstract

나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치는 나노프린팅장치로부터 프린팅되는 나노스케일의 나노 구조물에 대해 라만 분광을 수행할 수 있도록 마련된다. 라만분광장치는 나노구조체에 조사되는 레이저를 발생시키는 레이저광원과, 나노구조체에 의해 산란된 광으로부터 분광학적 정보를 수집하는 라만 디텍터를 포함한다.

Description

나노프린팅장치 및 이를 이용한 라만 분석장치
본 발명은 나노프린팅장치 및 이를 이용한 라만 분석장치 에 관한 것이다.
2D, 3D 프린팅 기술의 발전으로 혁신적인 산업의 발전이 이루어지고 있는 가운데, 프린팅 기술의 정밀도에 대한 관심과 한계 극복에 관한 필요가 점점 주목되고 있다.
그러나, 정밀한 프린팅을 위해 노즐의 구멍 크기를 무작정 나노 크기로 줄인다고 해서 쉽게 분출될 수가 없는데, 이는 나노 크기 액체의 특이성으로 기인한 것이다.
기존의 프린팅 기술은 마이크로 크기의 노즐의 구멍을 통하여 매우 강한 전압이나 압력을 인가하며 액체를 분출시키는 방식으로 그 노즐의 크기를 나노 크기로 줄이고자 하는 시도가 이루어지고 있으나 노즐 구멍 내벽에 작용하는 표면장력의 힘이 너무 강하여 매우 높은 전압과 압력으로도 액체를 분출 시키기 어렵다.
라만 분광장치는 시스템에서 진동, 회전 및 다른 저주파 모드를 관찰하는 데 사용되는 분광 기술이다. 이는 보통 가시, 근적외선 영역 또는 근적외선 영역 내의 레이저와 같은 단색광의 라만 산란에 따른다. 빛이 매질을 통과할 때 빛의 일부는 산란되어 진행방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 데 산란된 빛은 원래의 에너지를 그대로 유지하면서 산란되는 탄성 과정을 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라 하고, 에너지를 잃거나 얻으면서 산란되는 비탄성 과정을 라만 산란(Raman Scattering 또는 inelastic scattering)이라 한다.
분자가 빛을 받았을 때 분자는 여기 상태(excited state)로 들뜨게 되고 이 여기 상태의 분자는 세 가지 방식을 거쳐 다시 바닥 상태로 내려오게 된다. 먼저 입사 광원의 에너지를 모두 방출하면서 바닥 상태로 떨어지게 되면 입사된 광원과 같은 에너지의 빛이 산란되어 방출되는데 이 경우가 상기 레일리 산란이다. 이에 반하여 분자의 진동에너지만큼을 흡수하거나 방출한 후 바닥 상태로 돌아오는 경우를 라만 산란이라고 한다. 이때 진동 상태의 전이가 일어난다. 분자가 진동에너지를 흡수한 후 바닥 상태로 돌아오는 경우를 스토크스(Stokes) 효과라 하고 이때 복사선의 에너지가 분자에 의해 흡수되었으므로 입사된 광원보다 낮은 에너지, 즉 보다 긴 파장의 빛이 산란된다. 반면 분자가 가지고 있던 진동 에너지를 방출하고 바닥상태로 돌아오는 경우를 안티-스토크스(Antistokes)효과라고 하고 복사선이 분자로부터 에너지를 얻은 상태이므로 입사된 광원보다 높은 에너지, 즉 짧은 파장의 빛이 산란되어 나온다. 이러한 라만 산란 과정을 통하여 입사된 광원과 물질 간의 에너지 교환이 일어나게 된다. 물질이 흡수 또는 방출하는 에너지는 각 물질을 구성하는 분자 구조와 밀접한 관계가 있고 라만 산란에 따른 산란광은 각 물질에 따라 고유하므로 산란광을 분석하면 물질의 분자구조를 추론할 수 있다. 일반적으로 이와 같은 변화는 빛이 산란 전후 얼마만큼 에너지를 잃거나 얻었는가를 관찰함으로써 측정될 수 있다. 산란 전후의 스펙트럼의 변화를 라만 쉬프트(Raman Shift)라고 한다. 라만 쉬프트는 분자의 진동 주파수에 해당한다.
이러한 라만 분광법은 물질의 고유한 진동 스펙트럼을 측정하여 물질의 고유한 스펙트럼을 찾아냄으로써 각 물질의 정성, 정량 분석을 수행하는 방법이다. 다시 말해서, 라만 산란은 분자의 진동 지문(vibrational fingerprints)을 제공할 수 있는 광자(photons)의 비탄성적인(inelastic) 산란이다.
이러한 라만 분광을 분석함에 있어서, 피측정물이 나노스케일인 경우 피측정물의 위치를 파악하는 것이 어렵고, 피측정물의 이동 및 시간지연에 따른 피측정물의 오염 또는 변형이 발생하게 된다.
본 발명의 일 측면은 구조를 개선한 나노 프린팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은 나노 스케일의 프린팅과, 분석을 함께 할 수 있는 나노프린팅장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은 구조를 개선한 나노프린팅장치를 이용한 라만 분석장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은 나노구조체의 프린팅과, 나노구조체에 대한 라만 분석을 함께 할 수 있는 나노프린팅장치를 이용한 라만분석장치를 제공한다.
본 발명의 사상에 따른 나노프린팅장치는 일측에 토출홀이 형성되며 액체솔루션이 담겨지는 피펫몸체와, 상기 피펫몸체의 외면에 형성되는 도금층을 갖는 나노피펫; 금속층을 갖고, 상기 나노피펫으로부터 토출된 액체솔루션으로부터 형성된 나노구조체가 놓여지는 기판; 상기 나노피펫에 열을 가하도록 구성되는 제 1 전원부로서, 상기 피펫몸체의 액체솔루션과 상기 도금층을 전기적으로 연결하는 제 1 전원부; 상기 토출홀에서의 액체솔루션의 표면장력을 줄이도록 구성되는 제 2 전원부로서, 상기 도금층과, 상기 금속층을 연결하는 제 2 전원부;를 포함한다.
상기 제 1, 2 전원부는 독립적으로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1, 2 전원부는 서로 다른 전압으로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 전원부는 상기 피펫몸체를 가열하여 상기 액체솔루션의 점도를 낮추도록 구성될 수 있다.
상기 도금층은 적어도 상기 피펫몸체의 단부를 덮도록 구성될 수 있다.
상기 도금층은, 금과 은 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 2 전원부는 상기 토출홀이 형성되는 상기 나노피펫의 단부와 상기 기판 사이에 액체솔루션의 이동을 가이드하는 나노채널을 형성시키도록 구성될 수 있다.
상기 나노피펫과 접하도록 마련되는 수정진동자;를 더 포함하고, 상기 수정진동자는, 상기 나노피펫의 단부에서 발생하는 위상과 진폭을 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 위상과 진폭은 다음을 만족할 수 있다.
(kint은 탄성계수, bint은 점성계수, Fk은 탄성력, Fb은 점성력, Edis는 에너지소산, Q는 품질계수)
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본 발명의 사상에 따른 나노프린팅장치를 이용한 라만 분석장치는 나노프린팅장치로부터 형성되는 나노구조체를 분석하는 나노프린팅장치를 이용한 라만분광장치에 있어서, 상기 나노프린팅장치는, 일측에 토출홀이 형성되며 액체솔루션이 담겨지는 피펫몸체와, 상기 피펫몸체의 외면에 형성되는 도금층을 갖는 나노피펫; 금속층을 갖고, 상기 나노피펫으로부터 토출된 액체솔루션으로부터 형성된 나노구조체가 놓여지는 기판; 상기 피펫몸체의 액체솔루션과 상기 도금층을 전기적으로 연결하여 액체솔루션에 열을 공급하는 제 1 전원부; 상기 토출홀에서 액체솔루션의 표면장력을 줄이도록 구성되는 제 2 전원부로서, 상기 도금층과, 상기 금속층을 연결하는 제 2 전원부;를 포함하고, 상기 라만분광장치는, 상기 나노구조체에 조사되는 레이저를 발생시키는 레이저광원; 상기 나노구조체에 의해 산란된 광으로부터 분광학적 정보를 수집하는 라만 디텍터;를 포함한다.
상기 제 1, 2 전원부와 연결되는 상기 도금층을 통해 탐침 증강 라만 분광법(TERS, Tip-Enhances Raman Spectroscopy)이 이루어지도록 구성될 수 있다.
상기 도금층은, 금과 은 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 도금층은 적어도 상기 피펫몸체의 단부를 덮도록 구성될 수 있다.
상기 제 1, 2 전원부는 독립적으로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1, 2 전원부는 서로 다른 전압으로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 나노구조체의 라만분석은 상기 나노프린팅장치에 의한 나노구조체의 형성과 함께 이루어지도록 마련될 수 있다.
상기 레이저광원은, 488nm, 532nm, 633nm의 파장 중 적어도 하나의 파장을 가진 레이저를 생성하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 나노크기의 프린팅이 가능하다.
본 발명의 일 측면에 따르면 나노피펫의 액체솔루션 배출을 쉽게 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 나노프린팅장치를 통해 액체솔루션의 물성치를 알 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 나노스케일의 구조체에 대해 라만 분석을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 나노스케일의 프린팅과, 프린팅 된 나노구조체에 대해 라만 분석을 실시간으로 함께 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 보다 정밀한 라만 분석을 할 수 있다.
도 1, 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 나노피펫과 수정진동자를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 4, 5, 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 나노피펫의 이동에 관하여 도시한 도면.
도 7, 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 동작에 관한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치를 이용한 라만분석장치에 관한 도면.
도 10, 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치와 라만분석장치의 동작에 관한 도면.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 “제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA (field-programmable gate array)/ ASIC (application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1, 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 나노피펫과 수정 진동자를 도시한 도면이다.
나노프린팅장치(10, 도 3 참고)는 나노피펫(20)을 포함할 수 있다.
나노피펫(20)은 액체솔루션(28)을 담도록 구성될 수 있다. 액체솔루션(28)에는 나노물질(28a, 도 4 참고)이 포함될 수 있다. 나노피펫(20)은 피펫몸체(22)와, 피펫몸체(22)의 일측에 형성되는 토출홀(24, 도 4 참고)을 포함할 수 있다. 토출홀(24)은 나노단위의 직경을 가질 수 있다.
나노피펫(20)은 기계적 당김 장치(Mechanical Puller)를 이용하여 수정(quartz)이나 붕규산 유리(borosilicate)등의 피펫을 펜 모양으로 끝의 토출홀(24)의 직경이 나노단위(nm)의 크기가 되게 제작한다.
피펫몸체(22)에 담겨지는 액체솔루션의 종류는 한정되지 않는다. 액체솔루션은 전위를 띄지 않은 중성의 액체도 가능하고, 다양한 종류의 나노 파티클이나 CNT 솔루션, 나아가 바이오 분자 등에 이르기까지 다양한 종류의 액체를 채워 표면 형상화시킬 수 있다.
나노피펫(20)은 도금층(26, 도 4 참고)을 포함할 수 있다. 도금층(26)은 피펫몸체(22)의 외면을 덮도록 구성된다. 도금층(26)은 적어도 토출홀(24)과 인접한 나노피펫(20)의 팁(tip) 부분의 피펫몸체(22)를 덮도록 구성될 수 있다.
나노프린팅장치(10)는 수정진동자(30)를 포함할 수 있다.
수정진동자(quartz tuning fork, QTF)는 나노피펫(20)에 접하여, 나노피펫(20)의 진동이 전달되도록 구성된다.
도 1에서와 같이, 가늘게 뽑혀진 구멍의 크기가 나노인 펜 모양의 나노피펫(20)을 수정진동자(30)(QTF)의 한쪽 다리의 측면에 붙여준다. 도 2에서와 같이 나노피펫(20)을 약간의 각도로 기울인 상태에서 수정진동자(30)로 접근시켜 나노피펫(20)의 측면을 살짝 굽혀지게(bending) 접촉시킨다. 이와 같은 과정을 통해 나노피펫(20)과 수정진동자(30)와의 접촉 불안정 없이, 나노피펫(20)의 팁끝에 전달되는 힘을 안정적으로 수정진동자(30)로 전달받을 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
나노프린팅장치(10)는 기판(40)를 포함할 수 있다.
기판(40)에는 나노피펫(20)으로부터 토출되는 액체솔루션(28)이 놓여지도록 구성된다.
기판(40)는 나노피펫(20)으로부터 토출된 액체솔루션(28)이 놓여지도록 마련된다. 기판(40)는 금속층(42)을 포함할 수 있다. 금속층(42)은 금 또는 은을 포함할 수 있다.
기판(40)는 유전체(44)를 포함할 수 있다. 유전체(44)의 하부는 금속층(42)이 형성될 수 있다. 금속층(42)은 유전체(44)의 하면에 코팅되게 구성될 수도 있으며, 유전체(44)의 하면에 적층되도록 구성될 수도 있다.
기판(40)는 금속층(42)으로만 구성될 수도 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 유전체(44)와, 그 하면에 형성되는 금속층(42)으로 구성될 수도 있다.
나노프린팅장치(10)는 전원부를 포함할 수 있다.
전원부(50)는 나노피펫(20)에 전압을 걸어주도록 구성될 수 있다. 전원부는 제 1, 2 전원부(51, 52)를 포함할 수 있다.
제 1 전원부(51)는 피펫몸체(22) 내부에 담겨있는 액체솔루션(28)과, 피펫몸체(22)의 외면에 형성된 도금층(26)을 연결하도록 구성될 수 있다. 제 1 전원부(51)에서는 전압을 조절하여, 액체솔루션(28)에 열을 가함으로서 액체솔루션(28)의 점성을 낮출 수 있다. 나노피펫(20)에서 발생하는 저항에 의한 열로 인하여 액체솔루션(28)의 점성을 낮출 수 있다. 구체적으로는 제 1 전원부(51)에 의해 나노피펫(20)의 팁 부분에 열이 발생할 수 있다. 액체의 점성은 온도의 영향을 받으므로, 제 1 전원부(51)는 나노피펫(20) 내부의 액체솔루션(28)의 온도를 높임으로서 액체솔루션(28)의 점성을 낮출 수 있다. 이를 통해, 높은 점성을 가진 액체솔루션(28)도 본 발명의 나노프린팅장치(10)를 이용할 수 있어서, 액체솔루션(28)의 종류를 다양하게 적용할 수 있다.
제 2 전원부(52)는 액체솔루션(28)의 토출홀(24)에서의 표면장력을 낮추도록 마련된다. 제 2 전원부(52)는 도금층(26)과, 금속층(42)을 연결하도록 구성될 수 있다. 나노피펫(20)의 토출홀(24)에서는 액체솔루션(28)의 표면장력으로 인해, 일정이상의 힘을 가해주어야 액체솔루션(28)이 배출되게 된다. 이러한 액체솔루션(28)의 표면장력은 토출홀(24)의 크기가 작으면 작을수록 더 크게 작용하게 된다. 제 2 전원부(52)는 도금층(26)과 금속층(42)에 전류를 흐르도록 함으로서, 토출홀(24)에서의 표면장력을 낮출 수 있다.
제 2 전원부(52)에 의해 표면장력을 낮춤으로서, 나노피펫(20)의 토출홀(24)이 있는 단부와, 기판(40)사이에 액체나노채널(34)을 형성할 수 있다. 즉, 액체나노채널(34)은 나노피펫(20)의 팁 부분과, 기판(40)사이에 형성될 수 있다. 액체솔루션(28)은 액체나노채널(34)을 통해 토출홀(24)을 통해 기판(40)로 토출되게 된다. 액체나노채널(34)은 액체솔루션(28)을 토출홀(24)로부터 기판(40)으로 가이드할 수 있다.
제 1, 2 전원부(51, 52)는 서로 독립적으로 동작할 수 있다. 즉, 제 1, 2 전원부(51, 52) 중 어느 하나의 전원부가 다른 하나의 전원부에 종속되지 않을 수 있다. 제 1, 2 전원부(51, 52)는 상호 다른 전압으로 동작하도록 구성될 수 있다.
이하는 본 발명의 나노피펫을 이용한 나노프린팅장치의 동작에 관하여 설명한다.
도 4, 5, 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 나노피펫의 이동에 관하여 도시한 도면이다.
먼저 도 4와 같이, 나노피펫(20)과 수정진동자(30)를 기판(40)의 상부에 접근시켜 준다.
도 5와 같이 나노피펫(20)의 단부가 표면과 약 10nm 안쪽으로 들어올 경우에 공기 중에 있는 기체 상태의 물분자들이 나노피펫(20)의 단부와 기판(40)의 표면 사이의 좁아진 틈으로 인해 낮아진 에너지 장벽을 쉽게 넘어 액체 상태로의 전이가 일어나게 된다. 나노피펫(20)을 기판(40)에 접근시키기 위해 기판(40)의 하부에는 압전변환기(60)(piezoelectric transducer, PZT)가 위치할 수 있다.
이를 통해 공기 중의 물분자들은 나노피펫(20)의 단부 주변으로 나노크기의 물기둥(32)(water meniscus)이 형성된다. 상대습도에 따라 물기둥(32)이 형성되는 거리가 결정될 수 있다. 물기둥(32)이 형성될 때, 나노피펫(20)의 끝에 수평으로 힘을 전달해주는데, 이를 수정진동자(30)가 수평방향으로 진동(oscillation)하고 있으므로 그 수평힘의 정도를 정확히 측정해내고, 그 힘을 원자힘현미경의 되먹임(feedback) 기술을 이용하여 표면으로부터 나노피펫(20)의 팁 사이의 거리를 정확히 유지시켜 줌으로써 피펫 끝이 깨지는 것을 방지할 수 있다.
도 6과 같이, 나노피펫(20)의 토출홀(24)의 직경이 일정크기보다 클 경우에는 도 5에서와 같이 팁 끝 주변에 물기둥(32)이 형성되자마자 액체나노채널(34)이 형성되어 표면에 액체가 전송될 수 있다.
그러나, 토출홀(24)의 크기가 일정크기보다 작을 경우에는 여전히 내부에 표면장력에 의한 에너지 장벽이 높아서 이를 낮추기 위한 전계 힘이 필요한데, 유전체(44) 아래 쪽의 금속층(42)과 나노피펫(20)의 도금층(26)를 연결하는 제 2 전원부(52)에 일정전압을 걸어주면 액체나노채널(34)이 형성된다. 즉, 토출홀(24)의 크기가 일정크기보다 작은 경우에도 이러한 과정을 통해 액체가 분출될 수 있다. 토출홀(24)의 일정크기는 200nm일 수 있다. 제 2 전원부(52)에 걸리는 전압은 대략 10V일 수 있다.
유전체(44)의 하면에 금속층(42)을 배치하는 이유는, 나노피펫(20)이 금속 코팅된 표면을 만나면 토출되는 액체의 유속을 증가시키고 많은 양의 액체가 표면에 전송되므로 원하는 나노크기의 프린팅을 구현할 수 없을 뿐만 아니라, 기판(40)를 금속에 한정하지 않기 위함이다.
즉, 본 실시예에서의 나노프린팅장치(10)는 기판(40)을 유전체(44)로 구성하면서도 그 표면에 나노단위의 프린팅 결과물을 형상화할 수 있다. 물론 기판(40)이 금속층(42)으로만 이루어져도 무방하다. 기판(40)가 금속으로 형성되고, 금속층(42) 표면에 프린팅하고자 하는 경우에는 매우 작은 단일 펄스 전압으로도 가능하다.
이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 동작에 관하여 설명한다.
도 7, 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치의 동작에 관한 도면이다.
도 6과 같이 나노피펫(20)과 기판(40)사이에 형성된 액체나노채널(34)을 형성한 뒤에, 도 7과 같이 측방향(x방향 또는 y방향)으로 나노피펫(20)이나 기판(40)를 움직이면서 A와 같이 2차원 나노 형상화(나노리소그래피)를 구현할 수 있다.
또한 나노피펫(20)과 기판(40)사이에 형성된 액체나노채널(34)을 형성한 뒤에, 도 8과 같이 상부방향(z방향)으로 나노피펫(20)을 이동시키면, 액체솔루션(28) 중 액체는 공기 중으로 증발하면서 액체 속에 들어 있던 다양한 종류의 물질만 남겨지면서 B와 같이 수직 방향으로의 형상화를 구현할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노피펫(20)을 이용한 나노프린팅장치(10)를 통해 3차원 나노 형상화를 구현할 수 있다.
이하는 나노프린팅장치(10)를 이용하여 액체솔루션(28)의 물성치를 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
수정진동자(30)는 가해지는 물체의 힘, 구체적으로 물질의 점성 및 탄성력을 측정할 수 있다. 이는 수정진동자(30)의 공진주파수에서의 진동에 가해지는 힘에 의한 진폭과 위상의 변화를 이용하여 측정할 수 있는데, 진폭과 위상의 변이량을 이용하여 다음과 같은 수식으로 물질의 점탄성력을 측정할 수 있다. 이를 이용하여 나노리소그래피와 3D 나노제조 공정 상황에서 현장에서의 직접적인 기계적 특성을 직접 측정할 수 있다. 또한, 전압을 걸어서 물질이 전송되는 상황에서의 전류 특성을 측정할 수 있다. 이 두 가지 측정 기술을 이용하여 실제로 가해지는 물질의 점탄성력과 전기적 특성 측정을 통하여 전송되는 량의 정확한 제어 및 물질의 특이성 등에 관한 심화 연구를 할 수 있다.
함수발생기(72)를 이용하여 나노피펫(20)이 붙여진 수정진동자(30)(quartz tuning fork, QTF)의 공진주파수에 맞는 진동 형태의 전기 신호를 가해주면 수정진동자(30)와 나노피펫(20)이 실제로 진동하게 된다. 수정진동자(30)에 걸어준 전압에 의해 실제 진동하는 움직임을 수정진동자(30)로부터 나오는 전류 신호의 진폭과 위상 정보를 이용하여 수정진동자(30)의 운동을 정확히 알아낼 수 있다.
실제로 수정진동자(30)에 부착된 나노피펫(20)의 팁이 압전변환기(60)(piezoelectric transducer, PZT)에 의해 표면으로부터 10nm 미만 매우 가까이 접근하게 되면 나노피펫(20)의 팁끝 주변으로 물기둥(32)이 형성되고 모세관힘(capillary force)에 의해 나노피펫(20)의 움직임이 수정진동자(30)로 전달되어 진폭과 위상이 변화되고 이를 측정하여 되먹임(feedback)함으로써 정확한 위치에서 거리를 유지시켜 매우 안정적인 나노채널을 형성시킬 수 있다.
이때, 함수발생기(72)에서 가해주는 전기 신호의 세기는 실제로 매우 작은데, 그 동일한 주파수에 해당하는 사각 혹은 펄스 형태의 매우 큰 전기 신호인 기준(reference) 신호를 락인앰플러(74)(Lock-In Amplifier)이라는 장비의 기준 입력 단자에 연결하고, 나노피펫(20) 팁 끝에 가해지는 힘에 의한 수정진동자(30)로부터 나오는 전기적 신호를 락인의 신호 입력 단자에 넣어주면 정확한 진폭과 위상의 변화를 락인의 출력장치에서 얻을 수 있고, 이를 도 3과 같이 컴퓨터(PC, 제어부)로 연결하여 아날로그 신호를 디지털화 시켜주는 장치를 이용하여 데이터화 하는 것이다. 제어부는 얻어진 진폭과 위상 데이터를 이론에 맞추어 계산을 통해, 표면으로부터 주어지는 물질의 탄성력, 점성력, 에너지 소산 정도 등을 정확히 분석해낼 수 있다.
나노피펫(20) 단부에서의 진자운동의 진폭 A과 위상 θ 정보를 측정하여, 다음 공식에 대입하여 효과적인 탄성계수 kint 및 점성계수 bint를 계산하고, 이를 통해 탄성력과 점성력 (Fk, Fb) 및 에너지 소산(Edis)을 구할 수 있다(Q는 품질계수).
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이하는 본 발명의 나노프린팅장치(10)를 이용한 라만 분석장치(100)에 관하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치를 이용한 라만분석장치에 관한 도면이다.
라만 분석장치(100)는 나노피펫(20)에 의해 프린팅되는 여러 나노 구조체에 대한 라만 분석을 수행할 수 있다. 라만 분석장치(100)는 나노피펫(20)에 의해 토출되고 있는 나노구조체에 대해 분석할 수도 있으며, 나노피펫(20)에 의해 이미 토출된 나노 구조체를 분석할 수도 있다.
라만 분석장치(100)는 레이저를 발생시키는 레이저광원(110), 조사되는 빛이 나노구조체를 정확히 비추기 위해 제조된 물체의 위치를 확인하기 위한 광원(120)과 카메라(CCD, 130), 산란된 광을 측정하는 라만 디텍터(140)를 포함할 수 있다. 또한 라만 분석장치(100)는 각 구성들간의 광의 경로상에 마련되어, 광경로를 조절하기 위한 빔 스플리터(151, 152, 153)를 포함할 수 있다.
레이저광원(110)은 액체솔루션의 종류에 따라 발광되는 레이저의 파장을 달리할 수 있다. 레이저의 파장은 488nm, 532nm, 633nm를 포함할 수 있다. 일례로, 액체솔루션(28)이 금 나노파티클 용액인 경우에 633nm의 파장인 레이저가 사용될 수 있다. 액체솔루션(28)이 은 나노파티클 용액인 경우에는 532nm의 파장인 레이저가 사용될 수 있다.
광원(120)과 카메라(130) 자체도 나노구조체 표면의 현상을 매우 높은 비율로 정확하게 감지할 수 있다. 즉, 광원과 카메라(130)를 통해 광학 현미경(optical microscope)으로 사용 될 수 있다. 이러한 구성을 통해 나노프린팅장치(10)를 이용한 라만 분석장치(100)는 2D, 3D 나노구조체의 제조공정상의 나노피펫(20)의 움직임과, 나노피펫(20)을 통해 분출되는 액체솔루션(28) 상태를 확인하면서 공정을 진행할 수 있으며, 공정과정에서 라만 분석을 함께 할 수 있다.
라만 디텍터(140)는 나노 구조체에서 산란된 광을 측정하도록 구성된다. 라만 디텍터(140)는 산란광을 통해 나노 형상의 분광학적 정보를 분석할 수 있도록 마련된다.
레이저광원(110)으로부터 발생한 레이저는 빔스플리터들(153)을 지나 미러(162)와 대물렌즈(160)를 통해 기판(40)으로 입사되어, 기판(40)상의 나노구조체와 만나도록 마련된다.
레이저광은 빔스플리터(153)에 의해 조절되어 대물렌즈(160)로 입사될 수 있다. 레이저광원(110)은 빔스플리터(153)로부터 대물렌즈(160)를 지나 나노구조체에 이르는 광경로를 따라 나노구조체에 레이저광을 조사할 수 있다. 대물렌즈(160)를 통해 입사한 레이저광은 나노구조체와 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 나노구조체와 에너지를 주고받아 비탄성 산란하게 된다.
대물렌즈를 통해 입사한 광원은 나노구조체와 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 나노구조체와 에너지를 주고받아 비탄성 산란하게 된다.
이때, 산란은 나노구조체의 물성 특성에 따라 광원이 에너지를 잃는 스톡스(Stokes) 산란 및 광원이 에너지를 얻는 안티스톡스(Anti-Stokes) 산란의 파장은 고유한 형태로 나타날 수 있다. 라만 디텍터(140)는 이를 수집하여 고유한 형태의 스펙트럼으로 표시할 수 있다.
이와 같이 라만 분석장치(100)를 통해 라만 스펙트럼 영상을 반복적으로 촬영한 후 컴퓨터(미도시)로 분석하여 나노구조체의 특성을 파악할 수 있다.
라만 분석장치(100)는 나노피펫(20)의 도금층(26)에 의해 증폭 또는 증강된 라만신호를 통해 고 분해능의 라만 분광분석이 가능하다. 이와 같은 방식을 탐침 증강 라만 분광법(TERS, Tip-Enhances Raman Spectroscopy)이라고 한다. 탐침 증강 라만 분광법은 나노피펫(20)의 팁 끝에서 매우 강하게 증가되는 플라스몬을 이용하여 팁 주변 수십 nm 부분의 라만 스펙트럼을 잡아내는 분광법이다. 본 발명의 라만분석장치(100)에서는 탐침 증강 라만 분광법의 라만신호를 증강시키는 탐침으로서, 나노피펫(20)이 적용될 수 있다.
이와 같이 나노피펫(20)의 도금층(26)을 통해 나노구조체를 탐색하는 시간을 줄일 수 있으며, 분석을 위한 시간지연과 나노구조체의 이동에 의한 대상물의 변형 또는 오염을 방지할 수 있다. 또한 나노프린팅장치(10)가 동작 중인 경우에도 라만 분석장치(100)를 동작할 수 있어서, 나노구조체를 실시간으로 분석할 수 있다.
이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분석장치의 동작에 관하여 설명한다.
도 10, 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노프린팅장치와 라만 분석장치의 동작에 관한 도면이다. 앞서 설명한 도 6, 7, 8과 함께 설명한다.
도 6과 같이 나노피펫(20)과 기판(40)사이에 형성된 액체나노채널(34)을 형성한 뒤에, 도 7과 같이 측방향(x방향 또는 y방향)으로 나노피펫(20)이나 기판(40)를 움직이면서 A와 같이 2차원 나노 형상화(나노리소그래피)를 구현할 수 있다. 이 과정에서 라만 분석장치(100)를 통해 도 10에서의 A'와 같이 나노구조체의 분광학적 정보를 분석할 수 있다.
또한 나노피펫(20)과 기판(40)사이에 형성된 액체나노채널(34)을 형성한 뒤에, 도 8과 같이 상부방향(z방향)으로 나노피펫(20)을 이동시키면, 액체솔루션(28) 중 액체는 공기 중으로 증발하면서 액체 속에 들어 있던 다양한 종류의 물질만 남겨지면서 B와 같이 수직 방향으로의 형상화를 구현할 수 있다. 즉, 본 발명의 나노피펫(20)을 이용한 나노프린팅장치(10)를 통해 3차원 나노 형상화를 구현할 수 있다. 이 과정에서 라만 분석장치(100)를 통해 도 11에서의 B'와 같이 나노구조체의 분광학적 정보를 분석할 수 있다. 이 경우에는 나노구조체를 제조한 뒤에 나노피펫(20)의 위치를 나노구조체의 측부로 이동시켜 라만 분광을 할 수 있다.
이와 같은 나노프린팅장치(10)를 이용한 라만분석장치는 나노프린팅장치의 동작과 함께 동작 및 분석할 수도 있으며, 나노프린팅장치의 동작이 이루어진 뒤에 동작 및 분석할 수도 있다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10 : 프린팅장치 20 : 나노피펫
22 : 피펫몸체 24 : 토출홀
26 : 도금층 30 : 수정진동자
40 : 기판 42 : 금속체
44 : 유전체 50 : 전원부
51 : 제 1 전원부 52 : 제 2 전원부
100 : 라만 분석장치 110 : 레이저광원
120 : 광원 130 : 카메라
140 : 라만디텍터

Claims (17)

  1. 일측에 토출홀이 형성되며 액체솔루션이 담겨지는 피펫몸체와, 상기 피펫몸체의 외면에 형성되는 도금층을 갖는 나노피펫;
    금속층을 갖고, 상기 나노피펫으로부터 토출된 액체솔루션으로부터 형성된 나노구조체가 놓여지는 기판;
    상기 나노피펫에 열을 가하도록 구성되는 제 1 전원부로서, 상기 피펫몸체의 액체솔루션과 상기 도금층을 전기적으로 연결하는 제 1 전원부;
    상기 토출홀에서의 액체솔루션의 표면장력을 줄이도록 구성되는 제 2 전원부로서, 상기 도금층과, 상기 금속층을 연결하는 제 2 전원부;를 포함하는 나노프린팅장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 전원부는 독립적으로 동작하도록 구성되는 나노프린팅장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 전원부는 서로 다른 전압으로 동작하도록 구성되는 나노프린팅장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전원부는 상기 피펫몸체를 가열하여 상기 액체솔루션의 점도를 낮추도록 구성되는 나노프린팅장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 도금층은 적어도 상기 피펫몸체의 단부를 덮도록 구성되는 나노프린팅장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 도금층은, 금과 은 중 적어도 하나를 포함하는 나노프린팅장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전원부는 상기 토출홀이 형성되는 상기 나노피펫의 단부와 상기 기판사이에 액체솔루션의 이동을 가이드하는 나노채널을 형성시키도록 구성되는 나노프린팅장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노피펫과 접하도록 마련되는 수정진동자;를 더 포함하고,
    상기 수정진동자는,
    상기 나노피펫의 단부에서 발생하는 위상과 진폭을 감지하도록 구성되는 나노프린팅장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위상과 진폭은 다음을 만족하는 나노프린팅장치.
    (kint은 탄성계수, bint은 점성계수, Fk은 탄성력, Fb은 점성력, Edis는 에너지소산, Q는 품질계수)
    Figure PCTKR2020000982-appb-img-000011
    Figure PCTKR2020000982-appb-img-000012
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    Figure PCTKR2020000982-appb-img-000014
    Figure PCTKR2020000982-appb-img-000015
  10. 나노프린팅장치로부터 형성되는 나노구조체를 분석하는 나노프린팅장치를 이용한 라만분광장치에 있어서,
    상기 나노프린팅장치는,
    일측에 토출홀이 형성되며 액체솔루션이 담겨지는 피펫몸체와, 상기 피펫몸체의 외면에 형성되는 도금층을 갖는 나노피펫;
    금속층을 갖고, 상기 나노피펫으로부터 토출된 액체솔루션으로부터 형성된 나노구조체가 놓여지는 기판;
    상기 피펫몸체의 액체솔루션과 상기 도금층을 전기적으로 연결하여 액체솔루션에 열을 공급하는 제 1 전원부;
    상기 토출홀에서 액체솔루션의 표면장력을 줄이도록 구성되는 제 2 전원부로서, 상기 도금층과, 상기 금속층을 연결하는 제 2 전원부;를 포함하고,
    상기 라만분광장치는,
    상기 나노구조체에 조사되는 레이저를 발생시키는 레이저광원;
    상기 나노구조체에 의해 산란된 광으로부터 분광학적 정보를 수집하는 라만 디텍터;를 포함하는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 전원부와 연결되는 상기 도금층을 통해 탐침 증강 라만 분광법(TERS, Tip-Enhances Raman Spectroscopy)이 이루어지도록 구성되는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도금층은, 금과 은 중 적어도 하나를 포함하는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 도금층은 적어도 상기 피펫몸체의 단부를 덮도록 구성되는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 전원부는 독립적으로 동작하도록 구성되는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 전원부는 서로 다른 전압으로 동작하도록 구성되는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 나노 구조체의 라만분석은 상기 나노프린팅장치에 의한 나노구조체의 형성과 함께 이루어지도록 마련되는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저광원은,
    488nm, 532nm, 633nm의 파장 중 적어도 하나의 파장을 가진 레이저를 생성하도록 구성되는 나노프린팅장치를 이용한 라만 분광장치.
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