Design of photonic nanostructures with controlled surface properties based on colloidal crystal templates

Abstract

콜로이드 식각공정은 자기조립된 콜로이드 입자를 증착 혹은 식각의 주형으로 이용하는 방법이다. 이를 통해 기존의 광식각공정으로 구현이 어려운 나노 구조체를 저비용으로 대면적에 구현할 수 있다. 콜로이드 입자의 크기를 조절함에 따라 구조의 크기를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 콜로이드 입자의 곡면을 이용하여 보다 복잡한 형태를 지닌 나노 구조의 재현 또한 가능하다. 특히, 콜로이드 입자를 금속 증착의 주형으로 이용하는 경우, 균일한 금속 나노 구조를 얻을 수 있다. 이러한 금속 나노 구조에 특정 에너지의 빛이 입사될 때, 국부적 표면 플라즈몬이라 일컫는 표면 전자들의 일관적인 진동이 일어나게 되며, 이는 광열효과와 국부적 전자기장의 세기 향상을 유도한다. 금속 나노 구조에서 유래한 위 두 가지 특성은 암 치료제와 고감도 물질 분석소자로의 다양한 응용을 가능케 한다. 한편, 콜로이드 식각공정으로 제어된 나노 구조를 지닌 표면은 구조적 특성과 화학적인 표면 개질을 통하여 표면의 젖음 현상을 제어할 수 있어, 물이나 오일에 젖지 않는 독특한 표면 재현이 가능하다. 본 논문에서는 자기조립된 콜로이드 입자를 기반으로 표면 특성을 제어하여 다양한 광 나노 구조의 설계 및 응용에 관한 연구를 수행하였다. 본 논문의 제 1 장에서는 앞서 언급된 콜로이드 식각공정과 금속 나노 구조의 국부적 플라즈몬 현상의 개념 및 원리, 그리고 나노 구조의 젖음 특성에 대해 개략적으로 설명하였다. 다음으로는 각각의 응용을 위한 나노 구조 설계의 주안점을 고려하여 다양한 광 나노 구조체에 대해 수행된 연구결과를 차례로 소개하였다. 제 2장에서는 콜로이드 식각공정을 이용하여 플라즈몬 캡 구조와 친수성의 긴 고분자 꼬리를 갖는 비등방적 나노 입자를 설계하고, 암 치료제로서의 응용에 관한 연구를 다루었다. 고분자 층위에 콜로이드 입자를 단층으로 자리조립 시킨 뒤, 콜로이드 입자를 식각의 마스크로 이용하여 고분자 층을 수직으로 식각하고, 동일한 콜로이드 표면을 금속 증착의 주형으로 이용함으로써 올챙이 모양과 유사한 나노 입자를 설계할 수 있다. 이 때, 금속 증착의 두께를 제어하여 체내 투과가 가능한 적외선 영역의 빛에서 광열효과를 보일 수 있도록 광특성 제어가 가능하였다. 뿐만 아니라, 고분자 꼬리의 친수성 표면이 입자의 세포 내 흡수를 용이하게 하여 고분자 꼬리의 길이에 따라 세포 내 흡수율이 조절되었다. 따라서 친수성 고분자 꼬리가 긴 입자의 경우, 낮은 레이저 조사 조건에서도 암세포가 파괴되었고, 암 치료제로서의 활용 가능성을 확인하였다. 이렇듯, 친수성 혹은 소수성과 같은 표면 특성은 다른 물질과의 상호작용에 있어 중요한 요소이다. 특히 굴절률의 주기적인 반복으로 이루어진 광 나노 구조체인 광결정은 액체의 침투에 의해 굴절률의 변화가 초래될 수 있고, 이는 곧 반사색의 변화를 유래하므로 외부 물질의 침투를 막을 수 있는 표면의 개발이 중요하다. 제 3장에서는 물과 오일에 모두 젖지 않는 독특한 재진입 나노 구조를 역전된 광결정 표면에 도입하여 다양한 액체에 젖지 않는 광결정 구조의 설계에 대해 다루었다. 역전된 광결정 구조는 광경화 가능한 고분자 층에 3차원의 콜로이드 결정을 함침시킨 뒤, 고분자 층을 경화시키고 내부의 콜로이드 입자를 선택적으로 제거함으로써 제조가 가능하다. 이렇게 제조된 광결정 구조의 표면은 콜로이드 입자의 흔적이 남아 육각배열의 공극으로 이루어져 있다. 이 표면을 육불화황 가스 (SF6) 가스를 이용한 건식식각으로 처리함으로써 배열된 공극구조를 역 피라미드 형태의 재진입 구조로 변형시킬 수 있으며 동시에 표면의 불소화를 유도할 수 있었다. 역전된 광결정 표면에 구현된 재진입 나노 구조에 의해 낮은 평형접촉각을 지닌 유기물도 재진입 부분에서 액체-기체 계면이 형성될 수 있어 물과 오일이 모두 광결정 내부로 침투되지 않음을 확인하였다. 따라서 외부 액체의 침투에 의해 반사색의 변화가 없는 광결정을 설계할 수 있었으며, 외부 디스플레이로서의 가능성을 확인하였다. 마지막으로 제 4장에서는 밀도 구배를 갖는 초소수성 표면 특성을 금속 나노 구조의 표면에 도입함으로써 극미량의 수용액 분석물질을 분석할 수 있는 고감도 물질 분석소자의 설계에 대해 다루었다...