양극 산화된 알루미늄 막형틀과 soft lithography 기법을 이용하여 제작된 나노 구조물

국문 초록 (Abstract)

현대 산업 기술사회에서 각 입자 하나씩을 기계적으로 빠르게 제어하는 새로운 기술 개념의 나노테크놀로지(nanotechnology)는 기존 사회 전반의 패러다임을 바꿀 수 있기 때문에 신소재 및 첨단소재 분야에서 많은 관심을 갖고 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 나노 입자들의 크기 및 모양을 조절하는 것과, 저 비용, 제작의 용이성 및 분해능의 극대화를 필수 조건으로 하는 기능적인 나노 구조물들을 규칙적으로 정렬하는 것은 나노엔지니어링, 나노전자 및 나노광전자, 나노바이오전자 등 나노테크놀로지(nanotechnology) 분야에 있어서 핵심기술에 해당한다. 기존에 널리 사용되고 있는 실리콘 반도체 소자들의 고집적화 및 극소화가 광학적인 분해능의 궁극적인 한계(약 0.1 ㎛)에 이르러 새로운 개념의 집적기술이 요구되는 바, 나노 크기의 device 실현이 그 대안이 될 것이다.
일반적으로 나노크기의 입자와 분자선(molecular wire)간의 화학적 결합에 근거한 자기 조립(self-assembly)으로 나노소자가 조립되고, 단전자 이동에 기인한 coulomb staircase로 단전자트랜지스터(single electron transistor)가 작동되는 나노소자의 구현이 가능한 것으로 보고되었다.
또한, photo lithography, focused ion beam(or ion beam lithography)등의 기술로 금속전극을 절연 기판에 직접 형성시키고 DNA, thiol등의 적당한 화학물질들을 분자전선으로 사용하는 자기조립과정을 통하여 나노 입자들을 전극에 고정시키는 것이 평면 나노소자의 제작 과정이다. 그러나, photo lithography의 경우, 0.1 ㎛ 정도의 선폭을 가진 pattern의 구현을 위하여 high-energy source를 비롯한 고가의 비용이 들 뿐 아니라 비평면적 표면(nonplanar surface)에서는 사용할 수 없고, 광학적 분해 한계인 0.1 ㎛ 이하로 선 폭을 줄일 수 있는 방법이 거의 없다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 복잡한 유기 작용기와 초분자들을 자기조립(self-assembly)및 패턴화 할 수 있는 마이크로 패터닝 (micropatterning)기술은 언급된 단점을 상당히 보완할 수 있다. 이 기술은 비용이 적게 들고, 실험적으로 간편할 뿐 아니라 선 폭을 약 30 ㎚정도로 조절 할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
물론 형성된 pattern의 균일성 확보 및 재현성의 문제와 master pattern 제작의 어려움 등이 있으나, master pattern이 확보될 경우, 일반적인 화학 실험실에서 많은 비용을 들이지 않고 나노수준의 pattern을 구현 할 수 있는 방법이다. 이 방법은 흔히 photolithography에 대응하는 개념으로 soft lithography(SL)라고 일컫는다. 나노규모의 pattern제작을 위한 또 다른 방법으로 주사탐침 현미경(SPM-AFM/STM)을 이용할 수 있으나 현재 SPM기술은 작업 실행속도가 느리다는 점에서 실용화에 이르기까지는 상당한 시간이 필요할 것으로 보인다. 따라서 SL 기법이 나노 수준의 pattern을 대량으로 제작하는데 가장 효율적인 방법일 것이며, 그 중 replica molding법- 주형에 고분자 물질(PDMS)을 부어넣어 형상을 재생시키는 방법-이 가장 실용적인 방법이 되겠다. 또한, 일반적인 실험실에서 다루기 쉬운 나노규모 배열을 가진 형틀을 확보하는 것은 SL를 이용한 micro pattern의 제작에 매우 중요한 일이다. 나노규모로 균일하고, 일정한 배열을 하고 있는 물질들 중 비교적 최근에 알려진 것이 anodized aluminum oxide(AAO) nanotube 이다. 옥살산 수용액에서 40 V, 24 hr 동안 전해하여 얻은 AAO nano tube는 완벽한 육방체형의 배열을 가진 다발의 형태로 aluminum 표면에 균일하게 형성되고 tube의 직경조절( 20 ～ 200 nm)이 가능하다. 이러한 AAO 특성은 반복되는 nano 구조물을 제작하기에 최적의 조건을 갖추고 있고 SL의 분해능으로 알려진 30 nm 에 접근하는 크기로 제작이 가능하다. 본 연구진은 선행연구를 통하여 다양한 규모의 구경을 가진 AAO를 합성할 수 있음을 확인하였고 SL의 template로 사용 가능함을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서는 1) 고가의 장비를 대신하는 기술인 soft lithography(SL)를 이용하여 spin coating으로 제작한 Au-film으로부터 2-D로 정렬된 나노 규모의 Au 전극을 제조하고 2) Si(111) 기판위에 나노튜브(AAO) 막을 template로 직접 부착하여 금 용액을 굳혀 제작한 금 전극에 3) 분자 전선(molecular wire)과 나노 입자(귀금속, 산화물)들을 이용하여 나노 소자들을 조립할 것이며 이들 나노 소자들의 전기적 특성을 포함한 물리 화학적 특성을 연구하여 관련 분야의 응용에 기초자료를 제공하고자한다. 다양한 기술로 제작된 나노 소자가 알려져 있지만 본 연구에서 수행하고자 하는 AAO를 template pattern으로 사용하여 spin coating 된 Au film을 2-D array로 제작한 예는 없다.