KR20170119704A - 제어된 브레이크다운 중에 레이저 조사에 의해 멤브레인 상의 나노 기공 제조를 국부화하는 방법 - Google Patents
제어된 브레이크다운 중에 레이저 조사에 의해 멤브레인 상의 나노 기공 제조를 국부화하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
멤브레인에서 특정 위치에 나노 기공을 제조하는 방법은, 멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나를 인가하면서 멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 유전체 강도를 제어하는 단계; 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인을 가로질러 인가되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인을 가로질러 인가되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계; 및 전기적 특성의 급격한 변화의 검출에 응답하여 멤브레인으로부터 전위 또는 전류를 제거하는 단계를 포함한다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 2월 24일자로 출원된 미국 가출원 제62/120,054호의 이익을 청구한다. 상기 출원의 전체 개시는 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시는 멤브레인 상에 나노 기공을 제조하는 것에 관한 것이다.
한가지 나노 제조 기술은 나노 스케일로 멤브레인에 나노 기공을 형성하기 위해 얇은 고체 상태 멤브레인의 제어된 브레이크다운(CBD; controlled breakdown)을 포함할 수 있다. 이 기술은 전해질 용액 내에 침지되어 있는 멤브레인을 가로질러 인가되는 높은 전기장(예컨대, ~1V/nm)을 채용한다. 높은 전기장에 의해 유도된 멤브레인을 통한 터널링 전류의 존재는 멤브레인 상의 핫스폿(hotspot)에서 국부적으로 전도성 결함을 형성하고, 그러한 결함의 연결 경로가 멤브레인을 가로질러 존재할 때에 브레이크다운을 유발한다. 브레이크다운 반응의 부산물은 유체에 의해 쉽게 제거되며, 개별적인 나노 기공의 형성은 멤브레인을 통해 측정된 전류 레벨의 급격한 증가 또는 낮은 전기장 강도(예컨대, ~ 0.01V/nm, 멤브레인의 나머지 부분이 절연되는 값)에서 이온 전류의 출현에 의해 나타난다
CBD 기반 기술을 사용하면, 직경이 1 nm에 불과한 나노 기공이 만들어질 수 있으며, 서브 nm 정밀도로 적당한 전기장을 사용하여 더욱 확장될 수 있다. 전기장은 제조 중에 연속적으로 인가되거나 높은 값과 낮은 값 사이에서 펄스화될 수 있다. CBD 기술에 관한 추가 세부 사항은 Kwok, H.; Briggs, K.; 및 Tabard-Cossa, V.; “제어된 유전체 브레이크다운에 의한 나노 기공 제조(Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown)”-PLoS ONE 9(3): e92880(2014) 및 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함되는, 발명의 명칭이 “높은 전기장을 사용한 나노 기공의 제조(Fabrication of Nanopores using High Electric Fields)”인 미국 특허 출원 제14/399,071호에서 찾을 수 있다. 나노 기공의 확장에 관한 세부 사항은 Beamish, E.; Kwok, H.; Tabard-Cossa, V.; 및 Godin, M.; “높은 전기장을 사용한 고체 상태 나노 기공의 크기와 노이즈의 정밀 제어(Precise control of the size and noise of solid-state nanopores using high electric fields)”- 나노테크놀로지 23, 405301, 7페이지(2012) 및 본 명세서에 참조로 포함되는, 발명이 명칭이”고체 상태 나노 기공의 크기를 제어하는 방법(Method for controlling the size of solid-state nanopores)”인 미국 특허 출원 제14/399,091호에서 찾을 수 있다.
CBD 기술을 이용한 제조 프로세스는 브레이크다운 시간 및 멤브레인 상에 나노 기공의 위치 면에서 모두 확률적일 수 있다. 예컨대, 전기장이 기공 제조 후에 충분히 빨리 종결되는 한 단하나의 나노 기공만이 형성되고, 멤브레인 상에 나노 기공의 위치가 무작위일 수 있다. 횡단 터널링 전류를 측정하는 나노 전극, 생체 분자의 포획 및/또는 통과를 제어하는 멤브레인 표면 상의 나노 구조체를 수반하는 것과 같은 몇몇 용례의 경우, 또는 광학 검출을 수반하는 실험의 경우, 나노 기공의 정확한 국부화가 중요할 수 있다. 따라서, CBD 기술은 구현하기가 어려울 수 있다.
본 섹션은 반드시 종래 기술인 것은 아닌, 본 개시에 관한 배경 정보를 제공한다.
이 섹션은 본 개시의 대략적인 요약을 제공하며, 그 전체 범위 또는 그 특징들 모두의 포괄적인 개시는 아니다.
본 개시는 전체적으로 멤브레인에서 특정 위치에 나노 기공을 제조하는 방법에 관한 것이다. 방법은, 멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나를 인가하면서 멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 유전체 강도를 제어하는 단계; 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인을 가로질러 인가되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인을 가로질러 인가되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계; 및 전기적 특성의 급격한 변화의 검출에 응답하여 멤브레인으로부터 전위 또는 전류를 제거하는 단계를 포함한다.
본 개시의 일 양태에서, 멤브레인의 유전체 강도를 제어하는 단계는 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서, 방법은 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 것에 응답하여 멤브레인 상의 특정 위치로부터 레이저 빔을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 전위 또는 전류 중 하나는 레이저 빔이 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향된 후에 인가될 수 있다.
본 개시의 일 양태에서, 레이저 빔은 전위 또는 전류 중 하나가 인가된 후에 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향될 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서, 방법은 멤브레인 상의 제2 위치 상으로 레이저 빔을 지향시켜 멤브레인에 제2 나노 기공을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제2 위치는 특정 위치와 상이하다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 멤브레인에 전위가 인가되는 경우, 모니터링되는 전기적 특성은 누설 전류이고, 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계는 멤브레인을 가로지르는 누설 전류의 급격한 증가를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서, 누설 전류의 급격한 증가를 검출할 때에, 방법은 누설 전류의 변화율을 결정하고 변화율을 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전위는 누설 전류의 변화율이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시킨다.
본 개시의 다른 양태에서, 누설 전류의 급격한 증가를 검출할 때에, 방법은 누설 전류의 값을 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전위는 누설 전류의 값이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시킨다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 멤브레인에 전류가 인가되는 경우, 모니터링되는 전기적 특성은 멤브레인을 가로지르는 전압이고, 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계는 멤브레인을 가로지르는 전압의 급격한 감소를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 양태에서, 방법은 멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계; 각각의 2개의 저장조 내에 전극을 배치하는 단계; 및 전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서, 방법은 멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계; 멤브레인과 직접 접촉하도록 전극을 배치하는 단계; 및 전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서, 본 개시는 전반적으로 멤브레인의 특정 위치에 나노 기공을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 방법은, 멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 표면 상에 광원으로부터의 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 멤브레인은 적어도 하나의 유전체 재료로 구성되는 것인 단계; 멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나를 인가하는 단계; 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인에 인가되고 레이저 빔이 특정 위치에 지향되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 측정하는 단계로서, 전기적 특성은 전압 또는 누설 전류 중 적어도 하나를 포함하는 것인 단계; 측정된 전기적 특성의 값을 문턱값과 비교하는 단계; 및 문턱값을 초과하는 측정된 전기적 특성의 값에 응답하여 멤브레인에 인가되는 전위 또는 전류 중 하나를 제거하고 멤브레인 상의 특정 위치로부터 레이저 빔을 제거하는 단계를 포함한다.
본 개시의 일 양태에서, 방법은 멤브레인의 재료 조성에 기초하여 레이저 빔의 파장을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서, 전기적 특성은 전위가 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 포함하고, 측정된 전기적 특성의 값을 비교하는 단계는 누설 전류의 변화율을 결정하고 변화율을 값으로서 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함한다. 전위 및 레이저 빔은 누설 전류의 변화율이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시킨다.
본 개시의 다른 양태에서, 전기적 특성은 전위가 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 포함하고, 전위와 레이저 빔은 누설 전류의 값이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시킨다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 전기적 특성은 전류가 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인을 가로지르는 전압을 포함하고, 전류와 레이저 빔은 전압의 값이 문턱값보다 작을 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시킨다.
본 개시의 양태에서, 멤브레인 상의 미리 결정된 위치에서 복수 개의 나노 기공을 형성하기 위해, 미리 결정된 위치 각각에서, 레이저 빔이 멤브레인 상의 미리 결정된 위치에서의 멤브레인의 표면 상으로 지향되고, 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인에 인가되며, 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성은 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인에 인가되고 레이저 빔이 미리 결정된 위치에 지향되는 동안에 측정되며, 측정된 전기적 특성은 문턱값과 비교되고, 전위 또는 전류 중 하나와 레이저 빔은 문턱값을 초과하는 측정된 전기적 특성의 값에 응답하여 제거된다.
본 개시의 다른 양태에서, 레이저 빔을 지향시킬 때에, 방법은 레이저 빔의 광 방향을 제어함으로써 멤브레인과 레이저 빔 사이의 위치 정렬을 제어하는 단계, 및 멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 표면을 향해 레이저 빔을 방출하도록 광원을 활성화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 레이저 빔을 지향시킬 때에, 방법은 멤브레인의 위치를 광원에 대해 조정함으로써 멤브레인과 레이저 빔 사이의 위치 정렬을 제어하는 단계, 및 멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 표면을 향해 레이저 빔을 방출하도록 광원을 활성화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 양태에서, 본 개시는 전반적으로 적어도 하나의 유전체 재료로 구성되는 멤브레인에 나노 기공을 제조하는 장치에 관한 것이다. 장치는, 유체 장치, 광학 장치, 센서, 및 제어기를 포함할 수 있다. 유체 장치는 2개의 저장조, 적어도 2개의 전극, 및 홀더를 포함할 수 있다. 저장조는 이온을 함유하는 유체를 유지하고, 멤브레인은 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지한다. 전극은 전원에 전기적으로 연결되고 전위 또는 전류 중 하나를 멤브레인에 인가하도록 작동될 수 있다. 홀더는 2개의 저장조로부터 유체 내에 침지된 멤브레인을 유지하도록 구성되며, 멤브레인에 광학적 접근을 제공하는 윈도우를 포함한다.
광학 장치는 홀더의 윈도우를 통과하고 멤브레인 상의 특정 위치를 향해 지향되는 포커싱된 레이저 빔을 방출하도록 작동될 수 있다. 포커싱된 레이저 빔은 전위 또는 전류 중 하나가 전극에 의해 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인의 특정 위치를 조사한다.
센서는 전극들 중 하나에 전기적으로 연결되고 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 측정하도록 작동될 수 있다. 전기적 특성은 전압과 누설 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제어기는 센서와 접속하고 측정된 전기적 특성의 급격한 변화를 검출할 수 있다. 측정된 전기적 특성의 급격한 변화의 검출에 응답하여, 제어기는 멤브레인에 인가된 전위 또는 전류 중 하나를 제거하며 포커싱된 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치로부터 제거할 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서, 광학 장치는 도립형 광학 현미경(inverted optical microscope)이다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 적어도 2개의 전극 중 하나의 전극이 2개의 저장조 각각에 배치된다.
본 개시의 일 양태에서, 적어도 2개의 전극은 멤브레인과 직접 접촉한다.
본 개시의 다른 양태에서, 전극은 전류를 멤브레인에 인가할 수 있고, 센서는 멤브레인을 가로지르는 전압을 전기적 특성으로서 측정할 수 있으며, 제어기는 측정된 전압을 문턱값과 비교하고 문턱값보다 작은 전압에 응답하여 멤브레인에 인가된 전류 및 포커싱된 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치로부터 제거할 수 있다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 전극은 전위를 멤브레인에 인가할 수 있고, 센서는 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 전기적 특성으로서 측정할 수 있으며, 제어기는 측정된 누설 전류를 문턱값과 비교할 수 있다. 제어기는 문턱값보다 큰 측정된 누설 전류에 응답하여 멤브레인에 인가된 전위 및 포커싱된 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치로부터 제거할 수 있다.
본 개시의 일 양태에서, 본 개시는 전반적으로 적어도 하나의 유전체 재료를 포함하는 멤브레인에서 나노 기공의 크기를 증가시키는 방법에 관한 것으로서, 방법은 멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나가 인가되는 동안에 멤브레인의 나노 기공 상으로 레이저 빔을 지향시키는 단계; 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 측정하는 단계; 측정된 누설 전류를 기초로 하여 나노 기공의 크기 증가를 결정하는 단계; 및 나노 기공의 크기 증가의 검출에 응답하여 멤브레인에 인가되는 전위 또는 전류 중 하나를 제거하는 단계를 포함한다.
본 개시의 일 양태에서, 멤브레인은 복수 개의 나노 기공을 포함하고 레이저 빔은 제1 나노 기공 상으로 지향된다.
본 개시의 다른 양태에서, 방법은 레이저 빔을 제2 나노 기공 상으로 지향시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 적용 가능 분야는 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 요약의 설명 및 특정 예는 예시를 위한 것으로, 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에 설명된 도면은 모든 가능한 구현예가 아닌 오직 선택된 실시예를 예시하기 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
도 1은 본 개시의 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술을 사용하여 나노 기공을 제조하기 위한 예시적인 셋업을 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 셋업에서 유체 장치의 확대도이다.
도 3은 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술을 사용하여 나노 기공을 제조하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 다수의 멤브레인 재료 및 멤브레인 상에 조사될 광선의 관련 파장을 나열한 표이다.
도 5a 및 도 5b는 광선의 스폿 크기를 나타내는 디지털 이미지이다.
도 6은 SiN 멤브레인을 통한 누설 전류에 대한 영향을 도시하는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7f는 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술을 사용한 나노 기공 제조를 도시하는 광학 이미지이다.
대응하는 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐서 대응하는 부품을 가리킨다.
도 1은 본 개시의 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술을 사용하여 나노 기공을 제조하기 위한 예시적인 셋업을 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 셋업에서 유체 장치의 확대도이다.
도 3은 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술을 사용하여 나노 기공을 제조하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 다수의 멤브레인 재료 및 멤브레인 상에 조사될 광선의 관련 파장을 나열한 표이다.
도 5a 및 도 5b는 광선의 스폿 크기를 나타내는 디지털 이미지이다.
도 6은 SiN 멤브레인을 통한 누설 전류에 대한 영향을 도시하는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7f는 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술을 사용한 나노 기공 제조를 도시하는 광학 이미지이다.
대응하는 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐서 대응하는 부품을 가리킨다.
본 개시는 레이저 강화된 제어된 브레이크다운(LECBD; laser-enhanced controlled breakdown) 기술을 이용하여 미리 결정된 위치에 나노 기공을 제조하는 방법 및/또는 장치를 설명한다. LECBD 기술은 멤브레인 상의 정확한 위치에 나노 기공을 제조할 가능성을 현저하게 향상시키기 위해 멤브레인 재료의 유전체 강도를 제어한다. LECBD를 사용하여, 포커싱된 광선(예컨대, 레이저 빔)이 특정 위치에서 멤브레인을 향하여 지향되고 멤브레인을 조사한다. 특정 위치가 조사되는 경우, 전위가 멤브레인을 가로질러 인가된다. 포커싱된 빔은 특정 위치에서 전도성을 증가시킨다. 전도성이 증가되면, 누설 전류가 국부적으로 강화되어 멤브레인의 조사된 부분에서 나노 기공의 형성이 크게 촉진된다.
이하, 본 개시를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 LECBD를 이용하여 나노 기공을 제조하는 나고 기공 제조 장치의 일례를 도시한다. 나노 기공 제조 장치(100)는 유체 장치(102), 포커스 빔 장치(104)(즉, 광학 장치), 및 제어기(106)를 포함한다. 유체 장치(102) 및/또는 전체 장치는 전기 노이즈를 격리시키도록 접지된 패러데이 케이지(faraday cage; 107) 내에 배치될 수 있다. LECBD에 의한 나노 기공 제조의 국부화를 입증하는 데에 사용된 셋업은, 나노 기공을 통한 생체 분자 통과의 동시적인 광학 및 전기 측정을 수행하도록 설계되지만, LECBD를 구현하기 위해 보다 간단한 실시예가 구성될 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 유체 장치(102)는 유체 셀(110)과, 전류 증폭기 회로(CAC; current amplifier circuit)(114)에 전기적으로 연결된 한쌍의 전극(112)을 포함한다. 유체 셀(110)은 실리콘 칩(118)에 배치된 멤브레인(116)을 유지하고 포커스 빔 장치(104)를 위해 멤브레인(116)에 광학적 접근을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 멤브레인(116)은 실리콘 질화물(SiN) 등의 유전체 재료로 구성된다. 멤브레인은 바람직하게는 얇아서 두께가 10 nm 또는 30 nm이지만, 상이한 두께를 갖는 멤브레인이 본 개시에 의해 예상된다. 일반적으로 트랜지스터용 게이트 재료로서 사용되는 다른 산화물 및 질화물과 같은 다른 유전체 재료로 구성되는 멤브레인이 또한 본 개시의 범위 내에 있다. 마찬가지로, 원자적으로 얇은 멤브레인이 그래핀(graphene), 질화붕소(boron nitride) 등과 같은 다른 재료로 구성될 수 있다. 또한, 멤브레인이 유전체 재료 및/또는 전도성 재료를 비롯하여 재료들의 다층으로 구성될 수 있다는 것이 예상된다.
유체 셀(110)은 저장조(120)와 홀더(122)를 포함한다. 저장조(120)에는 이온을 함유한 유체(즉, 전해질 용액)가 채워진다. 유체는 저장조(120)로부터 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 배관(124)을 통해 멤브레인(116)에 제공된다. 전극(112)은 개개의 저장조(120) 내에 삽입되고 저장조(120)로부터 PTFE 배관(124)을 통해 유동하는 유전체 용액을 통해 멤브레인(116)에 전기적으로 연결된다. 저장조(120)로부터의 전해질 용액의 유동은 시린지 펌프(도시 생략)를 저장조(120)에 마련된 니들-허브 부재(126)에 연결함으로써 제어될 수 있다.
유체 장치(102)는 전극들과 전해질 용액의 다양하고 적절한 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 유체 장치(102)는 Ag/AgCl 전극과 함께 염화물계 염 용액을 또는 구리 전극과 함께 황산구리 용액을 가질 수 있다. 유체는 또한 에탄올 중의 1M LiCl과 같은 비수성 용제일 수 있다. 유체는 양쪽 저장조(120)에서 동일할 수 있고 멤브레인 재료에 대해 활성 에칭 작용을 가질 필요는 없다. 마이크로 및 나노 유체 캡슐화와 같은 다른 유형의 유체 및 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 위치 설정하는 수단이 또한 예상된다.
홀더(122)는 멤브레인(116)을 수용하고 저장조(120)로부터의 유체를 이용하여 멤브레인(116)을 침지시킨다. 홀더(122)는 알루미늄 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 홀더(122)는 또한 포커스 빔 장치(104)에 대한 광학적 접근을 제공하는 윈도우(128)를 포함한다. 보다 구체적으로, 나노 기공이 형성될 멤브레인(116)의 특정 위치는 포커스 빔 장치(104)로부터 포커스 빔을 수신하도록 윈도우(128) 내에 배치된다.
유체 장치(102)는 포커스 빔 장치(104) 위에서 스테이지(140) 상에 위치 설정된다. 스테이지(140)는 고정식 스테이지 또는 가동식 스테이지일 수 있다. 포커스 빔 장치(104)는 도립형 광학 현미경(inverted optical microscope)일 수 있고, 광원(142), 현미경, 및 카메라(146)를 포함한다. 광원(142)은 광원(142)을 활성화 및 비활성화하고 및/또는 포커스 빔 장치(104)에 의해 방출되는 광을 차단하는 셔터 부재(도시 생략)를 제어하는 제어기(106)에 의해 작동 가능할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광원(142)은 원하는 파장의 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드일 수 있다. 광원(142)은 수은 램프 등의 다른 적절한 소스를 포함할 수 있고 본 명세서에 제공된 예들로 제한되지 않는다.
광원(142)에 의해 발생된 광은 2개의 렌즈(도시 생략) 사이의 거리를 조정함으로써 포커싱되는 현미경(144)을 통해 지향되고 멤브레인(116)을 향해 지향된다. 구체적으로, 현미경(144)의 대물 렌즈(148)가 유체 장치(102)의 윈도우(128)와 정렬된다. 광선은 나노 기공이 형성되는 멤브레인(116)의 특정 위치로 지향된다. 예컨대, 제어기(106)는 광선의 방향을 조정하여 광선이 멤브레인(116)을 따라 특정 위치와 정렬하게 하도록 포커스 빔 장치(104)를 제어할 수 있다. 다른 예로서, 스테이지(140)가 가동식이면, 제어기(106)는 또한 스테이지(140)를 제어함으로써 멤브레인(116)의 위치를 광선에 대해 조정할 수 있다. 포커스 빔 장치 및 멤브레인의 위치 모두를 제어하는 것과 같이 특정 위치에서 광선을 멤브레인과 정렬시키는 다른 방법이 또한 예상되고, 따라서, 본 개시는 본 명세서에 제공된 예들로 제한되지 않는다.
현미경(144)으로부터 방출된 광선은 멤브레인(116)의 특정 위치를 조사하고 형광체(예를 들어, YOYO 염색된 DNA, 또는 Ca2 + 민감성 염료)를 조사할 수 있다. 방출은 현미경(144) 내의 특정 필터 큐브(예컨대, FITC)에 의해 필터링되고 카메라(146)에 의해 집광된다.
광선이 특정 위치에서 멤브레인(116)을 조사하는 경우, 제어기(106)는 전류 증폭기 회로(114)를 제어하고 회로(114)가 전위를 전극(112)에 인가하게 할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제어기(106)는 개인용 컴퓨터(152) 또는 다른 유형의 컴퓨팅 장치에 연결된 데이터 수집(DAQ; data acquisition) 회로(150)에 의해 구현될 수 있다.
전류 증폭기 회로 (114)는 전압 및 전류를 판독하고 제어하기 위한 간단한 연산-증폭기 회로일 수 있다. 연산 증폭기는, 예컨대 ±20 V 전압 소스에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 작동 시에, 회로(114)는 제어기(106)로부터 명령 전압(예컨대, ±10 V 사이)을 취하고, 명령 전압을, 예컨대 ±20 V로 증폭하며, 전극(112)을 통해 멤브레인(112)을 가로지르는 전위를 설정한다. 인가되는 전위는 또한 전류 증폭기 회로(114)에 의해 측정될 수 있다. 예컨대, 2개의 전극(112) 사이의 전류 유동은 pA 감도를 갖는 전극(112) 중 한쪽 또는 양쪽에서 측정된다. 보다 구체적으로, 전류는 트랜스임피던스 증폭기 토폴로지(transimpedance amplifier topology)로 측정된다. 측정된 전류 신호는 데이터 수집 회로(150)에 의해 디지털화되고 연속적으로 컴퓨터(152)로 전송된다. 이 방식에서, 전류는 (예컨대, 10 Hz의 주파수에서) 제어기(106)에 의해 실시간으로 모니터링된다. 전위를 인가하고 전류를 측정하는 다른 회로 구성은 본 개시의 범위 내에 있다.
제어기(106)는 전극(112)들 사이의 전류를 모니터링하고 전류가 전류 문턱값에 도달하는 시기를 결정한다. 예시적인 실시예에서, 전류 문턱값은 1 nm 정도로 나노 기공의 최소 크기를 설정하기 위해 전류의 급격한 증가와 일치하도록 설정된다. 다른 실시예에서, 나노 기공의 크기는 멤브레인을 가로지르는 전위를 계속 인가함으로써 더 크게 설정될 수 있다. 즉, 나노 기공의 크기는 모니터링된 전류가 계속 증가함에 따라 계속 증가한다. 전류 문턱값을 누설 전류의 급격한 증가와 일치하도록 설정하는 대신, 전류 문턱값의 값은 다양한 크기의 나노 기공을 달성하도록 상이한 값으로 설정될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 나노 기공의 형성은 고정된 전압을 인가하고 전류를 모니터링함으로써 모니터링된다. 대안적으로, 나노 기공 제조 장치(100)는 고정된 전류 레벨을 인가하고 멤브레인(116)을 가로지르는 전압을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 고정된 전압이 멤브레인(116)에 인가되는 경우, 제어기(106)는 멤브레인을 가로지르는 전압을 모니터링하여 나노 기공이 형성될 때에 야기되는 전압의 급격한 감소를 검출할 수 있다. 이러한 전압의 급격한 감소는 새롭게 형성되는 기공의 확장을 자체적으로 제한한다. 제어기(106)는 검출된 전압을 나노 기공의 최소 크기를 설정하기 위해 전압의 급격한 감소와 일치하는 전압 문턱값과 비교할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 전류 증폭기 회로는 전류 및/또는 전압 등의 전기적 특성을 측정하는 센서로서 작동할 수 있다. 제어기는 전기적 특성을 모니터링하기 위하여 멤브레인을 가로질러 측정된 전기적 특성을 나타내는 전기 신호를 전류 증폭기 회로로부터 수신할 수 있다.
도 3을 참조하면, LECBD를 이용하여 특정 위치에서 나노 기공을 형성하는 예시적인 방법이 제공된다. 방법은 멤브레인의 특정 위치에서 나노 기공을 형성하도록 멤브레인의 유전체 강도를 제어한다. 유전체 강도를 제어하기 위하여, 멤브레인(116)과 포커스 빔 장치(104)는 포커스 빔 장치(104)에 의해 방출된 광선이 멤브레인(116)의 특정 위치를 조사하도록 정렬된다(200). 포커스 빔 장치(104)는 광선을 방출하여 멤브레인(116)의 특정 위치를 조사한다(202)
멤브레인(116)이 특정 위치에서 조사되는 경우, 방법은 멤브레인(116)을 가로질러 전압을 인가하여 멤브레인(116)을 가로지르는 누설 전류를 유도하기에 충분히 높은 전기장을 발생시킨다(204). 전기장이 인가되고 멤브레인(116)이 조사되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전류 유동이 모니터링된다(206). 전위는 멤브레인에서 전기장을 유도하도록 선택되어, 전기장은 나노미터당 0.1 볼트보다 큰 값을 갖는 멤브레인 또는 전기장의 유전체 강도의 1/10보다 큰 값을 갖는다.
단일 나노 기공(즉, 멤브레인을 가로지르는 유체 채널)의 생성은 누설 전류의 급격한 비가역적 증가에 의해 표시된다. 나노 기공의 생성을 검출하기 위해, 모니터링된 전류는 208에서 미리 결정된 전류와 비교된다. 모니터링된 전류가 문턱값을 초과하면, 멤브레인(116)에 인가된 전압 및 특정 위치에서 멤브레인의 조사가 210에서 종결된다. 나노 기공의 형성에 대해 언급이 이루어지고 있지만, 본 명세서에 설명된 기술은 보다 일반적으로 다양한 크기의 구멍에 적용 가능하다.
예시적인 실시예에서, 전위는 멤브레인에 인가되고, 멤브레인의 전기적 특성으로서 누설 전류가 모니터링된다. 대안적으로, 전류가 멤브레인에 인가될 수 있고 멤브레인의 전기적 특성으로서 전압 레벨이 모니터링될 수 있다. 게다가, 예시적인 실시예에서, 레이저 빔은 전위/전류가 인가되기 전에 멤브레인과 정렬된다. 대안적으로, 전위/전류는 레이저 빔이 멤브레인 상의 특정 위치로 지향되고 조사하기 전에 멤브레인에 인가될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전위는 누설 전류의 급격한 증가 전에(즉, 기공 형성 전에) 멤브레인(116)으로부터 제거된다. 예컨대, 전위는 모니터링된 전류가 미리 정해진 문턱값을 초과한 후에 또는 지정된 시간 후에, 다만 누설 전류의 급격한 증가 전에 제거된다. 이 방식에서, 기공은 멤브레인에서 부분적으로 천공되거나 형성될 수 있다. 동일한 또는 상이한 프로세스가 이후에 기공 형성을 완료하도록 사용될 수 있다.
포커싱된 빔(예컨대, 레이저 빔)으로 멤브레인의 선택된 영역을 조사하는 것은 전자-홀 쌍을 생성하여 조사된 구역에서 전도성을 효과적으로 증가시킨다. 사용된 광의 특정 파장은 특정 물질에서 광전도성을 최대화하도록 조정될 수 있다. 예컨대, 도 4는 밴드갭 위에서 전자를 직접적으로 여기시키기 위한 다양한 물질에 대한 최적 파장의 표를 예시한다. 밴드갭보다 적은 에너지를 갖는 레이저 소스가 또한 사용될 수 있는데, 그 이유는 그러한 레이저 소스에는 밴드갭을 직접 가로질러 전자를 여기시키기에 충분한 에너지가 없고, 전자를 밴드갭 내측의 트랩에 대해 그리고 트랩으로부터 전도 밴드로 촉진시킬 수 있기 때문이다. 즉,, 전자 홀 쌍의 발생은 다수의 단계에서 발생할 수 있다. 전도성이 증가되면, 누설 전류가 국부적으로 강화되어 CBD 프로세스 중에 멤브레인의 조사된 부분에서 나노 기공의 형성이 크게 촉진된다.
추가 설명으로서, 광전도성으로 알려진 프로세스에서, 재료에 의한 레이저광의 흡수와 같은 전자기 복사선의 흡수는 그 밴드갭을 가로질러 전자를 여기시킴으로써 전자-홀 쌍을 생성한다. 자유 전자 및 전자 홀의 갯수가 증가하면 재료의 전기적 특성이 변경되고, 효과적으로 그리고 국부적으로 그 전도성이 증가되며 누설 전류를 위한 바람직한 경로가 생성된다. 레이저 조사된 구역을 통해 강화된 누설 전류는 전류가 멤브레인에서 결함을 생성하는 속도를 국부적으로 증가시키고, 멤브레인 상의 레이저 스폿에서 나노 기공 형성을 위한 매우 유리한 조건을 제공한다. 따라서, 기공이 희망되는 특정 위치를 조사하도록 레이저의 포커싱된 빔을 사용함으로써 멤브레인 상의 특정 위치에서 나노 기공이 생성될 수 있다. 또한, 유전체 멤브레인의 조사는 트랩의 밀도 또는 네이티브 트랩의 전하에 준안정적 변화를 유도하여 광전도성을 증가시킬 수 있다는 것이 유념된다.
일반적으로, 멤브레인 상에 나노 기공이 국부화되는 정밀도는 레이저 빔이 얼마나 타이트하게 포커싱되는지에 달려 있고, 포커싱 광학 및 사용되는 빛의 파장에 따라 대략 ~500 nm 범위에서 회절 한계 스폿으로 내려간다. 그러나, 가우시안 레이저 빔은 중심에서 강도가 최대이기 때문에, 광도전성 효과는 강도가 최대인 빔의 중심에서 가장 강하므로 나노 기공은 하위 회절 한계 정밀도로 배치될 수 있다.
높은 전기장 하에서, CBD의 원인이 되는, 단위 시간당 단위 면적당 발생되는 결함의 로컬 레이트(D)가 멤브레인에 존재할 수 있다. 로컬 레이트는 수학식 1에서 제공되는 바와 같이 멤브레인을 통과하는 누설 전류 밀도에 정비례하며, 여기서 
는 국부 누설 전류 밀도이다.
나노 기공은 레이저 조사가 없을 때에 동일한 확률로 어디에서나 형성될 수 있기 때문에, 수학식 2에서 제공된 바와 같이 주어진 전압에 대해 배경 전류 밀도가 존재한다고 가정할 수 있다.
레이저가 턴온되고 광자 에너지가 멤브레인의 밴드갭보다 크면, 전자가 여기되고 국부 레이저 강도[
]에 비례하는 광전류 밀도로 광전류가 발생된다. 따라서, 결함 발생률은 다음의 수학식 3에서 제공될 수 있다. 레이저 조사된 스폿 내의 단위 면적당 결함 발생률은 수학식 4에서 제공되는 인자에 의해 배경 결함 발생률보다 커질 것이다.
명시적으로 언급하지는 않았지만, 위의 모든 양은 전류가 재료에 누적된 손상을 유발하므로 시간에 따라 좌우된다. 빔 웨이스트(w0)를 갖는 가우시안 레이저 프로파일에서, 결함 형성률은 수학식 5에 제공되는 인자에 의해 강화되며, 여기서 r은 빔의 중심으로부터 측정된다.
브레이크다운은 멤브레인의 임의의 지점에 결함의 임계 밀도가 존재하면 발생한다. α, β 및 ρ0는 레이저 강도와 무관한 재료 파라미터이기 때문에, 레이저 강도가 충분히 높으면, 레이저 스폿 내에 존재하는 그 지점의 가능성이 멤브레인 상의 어디에서나 형성될 가능성보다 크다는 것을 항상 보장할 수 있다. 또한, 결함 밀도 발생률은 레이저 스폿의 중심으로부터의 거리에 민감하게 의존하기 때문에, 원칙적으로 서브 회절 정밀도를 갖는 나노 기공 형성을 국부화할 수 있다.
주어진 레이저 강도에서, 광전류는 전압(전기장)이 증가함에 따라 제조(즉, 포화) 중에 결국에는 전압 또는 전기장 강도와 무관해야 하지만, 배경 누설 전류 밀도는 계속 증가하게 되므로, 더 높은 강도가 더 높은 전압(또는 더 높은 전기장)에 대한 나노 기공 형성 지점에 상당한 영향을 미치도록 필요하다. 더욱이, ρ0은 인가된 전압의 증가 함수이므로, 더 낮은 전압(또는 전기장)을 사용하면 증가된 국부화 신뢰성을 초래할 것으로 예상된다.
일례로서,도 5a 및 도 5b는 국부화된 기공 형성의 해상도를 향상시키기 위해 감소된 레이저 스폿 크기를 나타내는 디지털 이미지이다. 특히, 전술한 장치를 사용하면, 조사 구역이 감소되도록 현미경의 2개의 렌즈 사이의 거리를 조정함으로써 488 nm의 레이저 빔이 포커싱되어, 회절-제한 스폿을 형성한다. 광학 현미경으로 얻은 디지털 이미지는 포커싱된 레이저 빔의 스폿 크기에서 효과적인 감소를 나타낸다. 도 5a는 0 내지 1000 a.u 범위의 강도를 갖는 이미지이고, 도 5b는 50 x 50 ㎛2 멤브레인의 시각화를 가능하게 하도록 0 내지 20 a.u 범위로 조정된 강도를 갖는 동일한 이미지이다. 이미지 촬영 시에 레이저 출력은 0.1 mW이었다.
도 6을 참조하면, SiN 멤브레인을 통한 누설(터널링) 전류에 대한 멤브레인 조사의 영향은 극적이다. 그래프의 좌측은 증가하는 크기(1V, 2V, 3V, 4V)의 4개의 전압 펄스에 대한 SiN 멤브레인의 전류 응답을 보여준다. 그래프의 우측은 30 mW에서 포커싱된 레이저 빔으로 조사하는 동안 동일한 전압 펄스에 대한 동일한 멤브레인의 전류 응답을 보여준다.
멤브레인을 가로질러 인가된 전압과 그 누설 전류 응답은 초기에는 레이저 조사없이 플롯된다. 이어서, 동일한 전압 펄스가 SiN 멤브레인의 ~1 ㎛ 직경 구역의 동시 레이저 조사로 반복된다. 보다 높은 인가 전압(예컨대, >2V)에서, 누설 전류는 레이저 조사 동안 상당히 증가한다. 레이저 조사에 의해 생성된 측정된 전류값의 현저한 증가는 제어된 브레이크다운 동안에 국부화된 기공 형성과 레이저 빔의 광전도 효과 사이의 연결을 이끌어내고, 누설 전류에 대한 지배적인 기여가 레이저 조사 영역으로부터 나온다는 것을 보여준다. 또한 누설 전류 밀도가 레이저 스폿에서 국부적으로 매우 향상되었다는 것이 입증되는데, 그 이유는 레이저가 없는 배경 전류는 나노 기공이 형성될 수 없는 지지 칩으로부터의 기여도 포함하기 때문이다. 회절 제한 영역이 총 전류에 매우 강하게 기여하기 위해서는, 국부적 전류 밀도가 레이저 조사에 의해 급격하게 증가해야 한다.
산란된 레이저 광이 SiN 멤브레인의 거의 50 ㎛ x 50 ㎛ 영역 전체를 조사함에도 불구하고, 빔 강도의 가우시안 프로파일은 빔 중심에서 가장 큰 광 강도(더 높은 차수)의 지점을 초래하여 광전도성 향상을 최대화시킨다. 도 7a-도 7f에 도시된 바와 같이, 전압이 LECBD 동안 멤브레인을 가로질러 인가될 때에, 누설 전류는 이 레이저 조사된 스폿에서 최대화되고, 이어서 동일한 정확한 위치에서 나노 기공이 형성된다. 도 7a 및 도 7d는 할로겐 램프를 이용한 광시야 현미경(wide field microscope)에 의해 얻어진 광학 이미지이다. 도 7b 및 도 7c는 488 nm 레이저를 이용한 광시야 현미경에 의해 얻어진 광학 이미지이다. 도 7e 및 도 7f는 형광 현미경에 의해 얻어진 광학 이미지이다.
도 7a는 기공 형성 전에 1M KCl에 침지된 네이티브 SiN 멤브레인을 나타낸다. 도 7b는 다소 큰 스폿(~10 ㎛)으로 포커싱된 488 nm 레이저 빔 스폿에 의해 조사된 동일한 멤브레인을 도시한다. 도 7c는 레이저 조사를 SiN 멤브레인으로 제한하는 데에 사용되는 다이어프램의 효과를 도시한다. 도 7d는 높은 레이저 출력(~30 mW)에서 LECBD 기공 형성 후의 멤브레인을 도시한다. 멤브레인 상의 피쳐는 도 7a와 관련한 제조 절차(도 7d) 후에 관찰된다는 점이 주목된다. YOYO-1 형광 염료로 표시된 DNA가 나노 기공을 폐색하여, 레이저 조사 하에 그 위치를 나타낸다(다른 모든 밝은 스폿은 시간이 지남에 따라 움직이는 것으로 확인되었고, DNA 포획이 나노 기공 지점에서 관찰되었다). 도 7f에서, 도 7d의 나노 기공의 광학 현미경 이미지는 도 7e의 기공 위치의 형광 이미지와 중첩되어, 레이저 강화된 CBD 후에 관찰된 멤브레인 피쳐와 확인된 기공 국부화 간의 상관 관계를 명확하게 입증한다.
도 7a-도 7f에 나타낸 입증에서, 30 mW의 레이저 강도가 사용되었고, 이는 나노 기공 제조 후에 멤브레인 상에 피쳐를 생성하였다. LECBD에 의한 나노 기공 제조는 LECBD에 의한 제조 후에 멤브레인 상에 관측 가능한 피쳐를 생성하지 않는 낮은 레이저 출력(예컨대, 2 mW)에 의해서도 수행되었다. 나노 기공의 위치는 YOYO-1 형광 염료로 염색된 람다 DNA의 포획 및 전위를 광학적으로 관찰함으로써 확인되며, LECBD에 의한 나노 기공 제조 중에 레이저 조사된 스폿의 중심과 일치하는 것으로 확인된다.
본 개시의 레이저 강화된 제어된 브레이크다운 기술은 CBD에 의한 멤브레인 상의 나노 기공의 형성을 국부화하는 데에 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전해질 용액에 침지되고 높은 전기장에 노출되는 멤브레인에 부딪치는 포커싱된 레이저 빔은 국부화된 누설 전류를 증가 시키며, 레이저 스폿에서 멤브레인의 결함 형성률을 개선시킨다. 레이저 빔은 멤브레인 상의 위치에서 나노 기공 제조의 가능성을 크게 증가시킨다. 멤브레인에 부딪치는 레이저 스폿의 중앙에서 나노 기공을 제조하는 단위 면적당 가능성은 레이저 강도가 증가함에 따라 증가한다. 멤브레인의 광전류는 전체 누설 전류에 대한 일반적인 기여이기 때문에, 제조에 사용되는 높은 전기장의 값이 낮을수록 적절한 레이저 조사 하에서 국부화 신뢰성이 증가될 것으로 예상된다.
낮은 전기장 조건(예컨대, SiN 멤브레인의 경우 <0.5 V/nm, 또는 중성 1M KCl에서 10 nm SiN 멤브레인의 경우 <5V)에서, 멤브레인 표면 상에 포커싱된 빔의 위치를 제어함으로써 나노 기공들의 어레이가 제조될 수 있다. 포커싱된 빔을 첫번째 브레이크다운이 발생한 지점으로부터 멀리 이동시키면 해당 지점에서 나노 기공 제조 및 성장이 종결되고, 새로운 레이저 빔 지점에서 제2 나노 기공의 제조가 트리거된다. 이 프로세스는 원하는 어레이 크기가 얻어질 때까지 반복될 수 있다. "높은 전기장” 및 "낮은 전기장"이라는 용어는 재료에 따라 달라진다. 일반적으로, "낮은 전기장"은 유전체 강도의 10 분의 1 미만의 전기장을 지칭할 수 있고, "높은 전기장"은 재료의 유전체 강도 정도인 전기장을 지칭할 수 있다.
일례로서, 하나의 나노 기공이 제1 위치에서 형성된 후에, 포커스 빔 장치는 광원을 턴 오프하고 및/또는 셔터 부재를 통해 광 빔을 차단함으로써 제1 위치를 조사하는 것을 중지시킨다. 포커스 빔 장치 및 멤브레인은 빔 장치에 의해 방출된 광이 제2 위치를 조사하도록 정렬된다. 포커스 빔 장치 및 멤브레인의 위치는, 제한하지 않지만, 멤브레인이 위치 설정되는 이동 가능한 스테이지의 위치를 조정하는 것 및/또는 현미경에 의해 광 빔의 광 방향을 조정하는 것을 비롯하여 다양한 적절한 방식으로 조정될 수 있다. 포커스 빔 장치와 정렬된 제2 위치에서, 제2 위치는 포커싱된 빔으로 조사되고 전압은 멤브레인을 가로질러 인가된다. 제2 위치에서 제2 나노 기공의 형성은 전술한 바와 같이 멤브레인을 가로지르는 전류에 기초하여 모니터링된다. 따라서, 다수의 나노 기공이 미리 결정된 위치에서 멤브레인에 형성될 수 있다.
동일한 원리 하에서, 어레이 내의 주어진 나노 기공을 조사하는 것은 또한 어레이의 다른 나노 기공의 크기에 영향을 주지 않으면서 주어진 나노 기공을 원하는 크기로 증가시키는 데에 사용될 수 있다. 예컨대, 다수의 나노 기공을 갖는 멤브레인은 주어진 나노 기공을 갖는 위치에서 조사될 수 있다. 전위가 멤브레인을 가로질러 인가될 때에, 주어진 나노 기공의 크기는 증가할 수 있지만 다른 나노 기공은 변하지 않는다.
LECBD에 의한 나노 기공 제조는 또한 전해질/멤브레인 계면에서의 전하 이동 속도, 및 이에 따라 누설 전류의 크기를 조정함으로써, 조사 하에 있을 때에 멤브레인 표면의 표면 전하 밀도의 변화에 의해 영향을 받을 수 있다.
LECBD에 의한 나노 기공 제조는 멤브레인 재료의 유전체 강도에 영향을 주는 포커싱된 빔에 의한 멤브레인의 국부적 가열에 의해 또한 영향을 받을 수 있다. 펄스 레이저의 반복 속도를 조정하면 국부적 가열을 유도하거나 반대로 멤브레인 상의 가열을 피할 수 있다.
실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명을 위해 제공되었다. 전술한 설명은 완전한 것이거나 본 개시를 제한하도록 의도되지 않는다. 특정 실시예의 개개의 요소 또는 피쳐는 일반적으로 특정 실시예로 제한되지 않고, 적용 가능한 경우, 상호 교환 가능하며 구체적으로 도시되지 않거나 설명되지는 않았더라도 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 특정 실시예의 개개의 요소 또는 피쳐는 많은 방식으로 변경될 수 있다. 그러한 변경은 본 개시로부터의 이탈로 간주되어서는 안되며, 그러한 모든 변경은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
Claims (35)
- 적어도 하나의 유전체 재료로 구성되는 멤브레인에서 특정 위치에 나노 기공을 제조하는 방법으로서,
멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나를 인가하면서 멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 유전체 강도를 제어하는 단계;
전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인을 가로질러 인가되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 모니터링하는 단계;
전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인을 가로질러 인가되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계; 및
상기 전기적 특성의 급격한 변화의 검출에 응답하여 멤브레인으로부터 전위 또는 전류를 제거하는 단계
를 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 멤브레인의 유전체 강도를 제어하는 단계는 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향시키는 단계를 더 포함하는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 것에 응답하여 멤브레인 상의 특정 위치로부터 레이저 빔을 제거하는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제2항에 있어서, 상기 전위 또는 전류 중 하나는 레이저 빔이 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향된 후에 인가되는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 레이저 빔은 전위 또는 전류 중 하나가 인가된 후에 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향되는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 멤브레인 상의 제2 위치 상으로 레이저 빔을 지향시켜 멤브레인에 제2 나노 기공을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 위치는 특정 위치와 상이한 것인 나노 기공의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 멤브레인에 전위가 인가되는 경우, 모니터링되는 전기적 특성은 누설 전류이고, 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계는 멤브레인을 가로지르는 누설 전류의 급격한 증가를 검출하는 단계를 더 포함하는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 누설 전류의 급격한 증가를 검출하는 단계는 누설 전류의 변화율을 결정하고 변화율을 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함하며, 상기 전위는 누설 전류의 변화율이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시키는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 누설 전류의 급격한 증가를 검출하는 단계는 누설 전류의 값을 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함하며, 상기 전위는 누설 전류의 값이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시키는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 멤브레인에 전류가 인가되는 경우, 모니터링되는 전기적 특성은 멤브레인을 가로지르는 전압이고, 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하는 단계는 멤브레인을 가로지르는 전압의 급격한 감소를 검출하는 단계를 더 포함하는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계;
각각의 2개의 저장조 내에 전극을 배치하는 단계; 및
전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계;
멤브레인과 직접 접촉하게 전극을 배치하는 단계; 및
전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 멤브레인의 특정 위치에 나노 기공을 제조하는 방법으로서,
멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 표면 상에 광원으로부터의 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 멤브레인은 적어도 하나의 유전체 재료로 구성되는 것인 단계;
멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나를 인가하는 단계;
상기 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인에 인가되고 레이저 빔이 특정 위치에 지향되는 동안에 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 측정하는 단계로서, 전기적 특성은 전압 또는 누설 전류 중 적어도 하나를 포함하는 것인 단계;
측정된 전기적 특성의 값을 문턱값과 비교하는 단계; 및
문턱값을 초과하는 측정된 전기적 특성의 값에 응답하여 멤브레인에 인가되는 전위 또는 전류 중 하나를 제거하고 멤브레인 상의 특정 위치로부터 레이저 빔을 제거하는 단계
를 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
멤브레인의 재료 조성에 기초하여 레이저 빔의 파장을 선택하는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제13항에 있어서, 상기 전위 또는 전류 중 하나는 레이저 빔이 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향된 후에 인가되는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 레이저 빔은 전위 또는 전류 중 하나가 인가된 후에 멤브레인 상의 특정 위치 상으로 지향되는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 전기적 특성은 전위가 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 포함하고, 측정된 전기적 특성의 값을 비교하는 단계는 누설 전류의 변화율을 결정하고 변화율을 값으로서 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함하며, 전위와 레이저 빔은 누설 전류의 변화율이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시키는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 전기적 특성은 전위가 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 포함하고, 전위와 레이저 빔은 누설 전류의 값이 문턱값보다 클 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시키는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 전기적 특성은 전류가 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인을 가로지르는 전압을 포함하고, 전류와 레이저 빔은 전압의 값이 문턱값보다 작을 때에 제거됨으로써, 나노 기공의 제조를 중단시키는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계;
각각의 2개의 저장조 내에 전극을 배치하는 단계; 및
전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계;
멤브레인과 직접 접촉하게 전극을 배치하는 단계; 및
전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 제조 방법. - 제13항에 있어서, 멤브레인 상의 미리 결정된 위치에서 복수 개의 나노 기공을 형성하기 위해, 미리 결정된 위치 각각에서, 레이저 빔이 멤브레인 상의 미리 결정된 위치에서의 멤브레인의 표면 상으로 지향되고, 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인에 인가되며, 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성은 전위 또는 전류 중 하나가 멤브레인에 인가되고 레이저 빔이 미리 결정된 위치에 지향되는 동안에 측정되며, 측정된 전기적 특성은 문턱값과 비교되고, 전위 또는 전류 중 하나와 레이저 빔은 문턱값을 초과하는 측정된 전기적 특성의 값에 응답하여 제거되는 것인 나노 기공의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 레이저 빔을 지향시키는 단계는,
상기 레이저 빔의 광 방향을 제어함으로써 멤브레인과 레이저 빔 사이의 위치 정렬을 제어하는 단계, 및
멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 표면을 향해 레이저 빔을 방출하도록 광원을 활성화시키는 단계를 더 포함하는 것인 나노 기공의 제조 방법. - 제13항에 있어서, 상기 레이저 빔을 지향시키는 단계는,
상기 멤브레인의 위치를 광원에 대해 조정함으로써 멤브레인과 레이저 빔 사이의 위치 정렬을 제어하는 단계, 및
멤브레인 상의 특정 위치에서 멤브레인의 표면을 향해 레이저 빔을 방출하도록 광원을 활성화시키는 단계를 더 포함하는 것인 나노 기공의 제조 방법. - 적어도 하나의 유전체 재료로 구성되는 멤브레인에 나노 기공을 제조하는 장치로서,
2개의 저장조, 적어도 2개의 전극, 및 홀더를 포함하는 유체 장치로서,
상기 저장조는 이온을 함유하는 유체를 유지하고, 멤브레인은 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하며,
상기 전극은 전원에 전기적으로 연결되고 전위 또는 전류 중 하나를 멤브레인에 인가하도록 작동될 수 있으며,
상기 홀더는 2개의 저장조로부터 유체 내에 침지된 멤브레인을 유지하도록 구성되며, 멤브레인에 광학적 접근을 제공하는 윈도우를 포함하는 것인 유체 장치;
상기 홀더의 윈도우를 통과하고 멤브레인 상의 특정 위치를 향해 지향되는 포커싱된 레이저 빔을 방출하도록 작동될 수 있는 광학 장치로서, 포커싱된 레이저 빔은 상기 전위 또는 전류 중 하나가 전극에 의해 멤브레인에 인가될 때에 멤브레인의 특정 위치를 조사하는 것인 광학 장치;
상기 전극들 중 하나에 전기적으로 연결되고 멤브레인을 가로지르는 전기적 특성을 측정하도록 작동될 수 있는 센서로서, 상기 전기적 특성은 전압과 누설 전류 중 적어도 하나를 포함하는 것인 센서; 및
상기 센서에 접속된 제어기
를 포함하고, 상기 제어기는 측정된 전기적 특성의 급격한 변화를 검출하고, 측정된 전기적 특성의 급격한 변화의 검출에 응답하여, 멤브레인에 인가된 전위 또는 전류 중 하나를 제거하며 포커싱된 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치로부터 제거하는 것인 나노 기공의 제조 장치. - 제25항에 있어서, 상기 포커싱된 레이저 빔의 파장은 멤브레인의 유전체 재료의 재료 조성을 기초로 하는 것인 나노 기공의 제조 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 광학 장치는 도립형 광학 현미경(inverted optical microscope)인 것인 나노 기공의 제조 장치.
- 제25항에 있어서, 적어도 2개의 전극 중 하나의 전극이 2개의 저장조 각각에 배치되는 것인 나노 기공의 제조 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전극은 멤브레인과 직접 접촉하는 것인 나노 기공의 제조 장치.
- 제25항에 있어서,
상기 전극은 전류를 멤브레인에 인가하고,
센서는 멤브레인을 가로지르는 전압을 전기적 특성으로서 측정하며,
제어기는 측정된 전압을 문턱값과 비교하고 문턱값보다 작은 전압에 응답하여 멤브레인에 인가된 전류 및 포커싱된 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치로부터 제거하는 것인 나노 기공의 제조 장치. - 제25항에 있어서,
상기 전극은 전위를 멤브레인에 인가하고,
센서는 멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 전기적 특성으로서 측정하며,
제어기는 측정된 누설 전류를 문턱값과 비교하고 문턱값보다 큰 측정된 누설 전류에 응답하여 멤브레인에 인가된 전위 및 포커싱된 레이저 빔을 멤브레인 상의 특정 위치로부터 제거하는 것인 나노 기공의 제조 장치. - 적어도 하나의 유전체 재료를 포함하는 멤브레인에서 나노 기공의 크기를 증가시키는 방법으로서,
멤브레인에 전위 또는 전류 중 하나가 인가되는 동안에 멤브레인의 나노 기공 상으로 레이저 빔을 지향시키는 단계;
멤브레인을 가로지르는 누설 전류를 측정하는 단계;
측정된 누설 전류를 기초로 하여 나노 기공의 크기 증가를 결정하는 단계; 및
나노 기공의 크기 증가의 검출에 응답하여 멤브레인에 인가되는 전위 또는 전류 중 하나를 제거하는 단계
를 포함하는 나노 기공의 크기를 증가시키는 방법. - 제32항에 있어서, 상기 멤브레인은 복수 개의 나노 기공을 포함하고 레이저 빔은 제1 나노 기공 상으로 지향되는 것인 나노 기공의 크기를 증가시키는 방법.
- 제33항에 있어서,
상기 레이저 빔을 제2 나노 기공 상으로 지향시키는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 크기를 증가시키는 방법. - 제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
멤브레인이 2개의 저장조를 분리시켜 유체가 2개의 저장조 사이를 통과하는 것을 방지하도록 이온을 함유한 유체가 채워진 2개의 저장조 사이에 멤브레인을 배치하는 단계;
각각의 2개의 저장조 내에 전극을 배치하는 단계; 및
전극을 사용하여 전위 또는 전류 중 하나를 발생시키는 단계
를 더 포함하는 나노 기공의 크기를 증가시키는 방법.
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