직접전사방식을 이용한 그래핀 기반의 나노채널 제작 및 특성 평가에 관한 연구

Abstract

10nm 미만 크기의 나노채널하에서는 채널 크기와 채널 벽면의 전기이중층 겹침현상에 기반한 독특한 현상이 다음과 같이 발생한다. 나노 필터레이션과 이온 선택성 특성이다. 특히, 채널을 그래핀과 카본나노튜브와 같은 것으로 만들게 될 경우, 나노채널 내부로 매우 빠른 유동이 발생한다. 이와 같은 고유 특성은 그래핀의 표면이 원자수준의 매우 매끄러운 표면과 소수성에 기반하고 있다. 또한 그래핀의 경우 2차원적인 모양을 갖고 있기 때문에 우리가 원하는 채널의 높이와 모양, 폭 등에 적용 가능하다는 장점을 갖는다. 이와 같이 제작된 그래핀 기반의 나노채널의 경우, 현재까지 제작된바 있는 Glass/SiO_$2$ 및 탄소나노튜브 기반의 나노채널에서는 해결하지 못했던 다음과 같은 문제를 해결하는 핵심적인 플랫폼으로 사용될 수 있다. 첫째, 1 Dimensional한 탄소나노튜브 채널에서는 구현하지 못했던 다양한 크기 및 채널의 설계를 이용하여 나노 물질을 Separation하는 플랫폼이 될 수 있다. 둘째, 기존의 채널과는 달리 고속유동이 가능하기에 이와 나노사이즈의 filtration 효과를 겸용한 고속의 해수 담수화에 효과적인 플랫폼으로 사용될 수 있다. 셋째, 그래핀 채널 내부로의 고속 유동 특성을 이용하여 친환경 Energy generation 플랫폼으로 사용 가능한 기술이다. 넷째, 본 논문에서 새롭게 제시한 나노채널 제작 방법을 이용하여, 나노채널 및 포어 구조를 결합하여, 효과적인 DNA Sequencing 플랫폼으로 사용될 수 있다. 하지만 아직까지 그래핀 기반의 나노채널은 개발된 바 없다. 따라서 본 논문에서는 새로운 방법을 적용하여 그래핀 기반의 나노채널을 제작하고, 고속 유동 특성이 가능함을 밝히고자 한다. 본 논문에서는 어노딕 본딩 기술을 응용하여 그래핀 기반의 나노채널을 제작하였다. 실로콘옥사이드와 글래스 기판에 ICP-RIE와 DEEP RIE를 이용하여 나노채널을 식각한 후, 그래핀의 유연성을 응용하여 대면적의 그래핀을 전사 후, 어노딕 본딩을 이용하여 접합하였다. 이와 같은 공정 중, 전통적인 그래핀의 전사 방법인 WET 전사의 경우, 그래핀 표면에 많은 이물질이 남게 되며, 그래핀 표면에 주름이나 찢어짐이 발생할 수 있기 때문에 새롭게 개발한 메카노-일렉트로-써멀 포스를 이용한 직접전사 방식을 적용하여 그래핀을 전사하였다. 전사된 그래핀을 실제 디바이스로 사용하기 위하여, 열적, 기계적 안정성을 향상시키기 위하여 추가적인 본딩 공정을 거쳤으며 기판과 그래핀의 흡착을 통해 접합에너지를 향상시키는 공정을 추가하였다. 최종적으로 제작된 그래핀 기반의 나노채널 칩을 이용하여, 일렉트로 오스모시스 플로우 현상을 패치 클램프를 이용하여 측정하고, 고속유동 현상을 분석하는 작업을 진행하였다.