KR20170025464A - 바이러스 자기조립을 이용한 주름 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 새로운 소재를 기반으로 하여 간소화된 장비와 공정으로 신뢰도가 높은 주름 구조체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, 자기 조립성이 있는 바이러스를 이용하여 선형으로 정렬되고, 기재의 신축에 대해 원상 회복이 신뢰성 있게 이루어지는 주름 구조체 및 그 제조방법을 제공한다. 즉, 본 발명은, 바이러스 용액을 제조하고, 신축성 있는 기판을 잡아당긴 상태에서 바이러스 용액을 블레이드로 도포하고, 당겨진 기판을 놓아 장력을 해제시킴으로써 기판에 자기 조립으로 인해 선형의 주름이 생긴 주름구조체를 제공한다.

Description

바이러스 자기조립을 이용한 주름 구조체 및 그 제조방법{VIRUS SELF-ASSEMBLED STRUCTURE-BASED HIGHLY WRINKLE PATTERN AND THEIR FABRICATION METHOD}

본 발명은 바이러스를 이용한 주름 구조체에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 바이러스의 자기조립 현상을 이용하여 주름 구조체를 만드는 기술에 관한 것이다.

주름 구조체는 광학 소자, 디스플레이 소자, 조명 소자 등에 다양하게 적용된다. 따라서 주름 구조체의 제조방법에 대해서도 여러 가지 시도가 이루어지고 있다. 스트레인 센서나 웨어러블 기기에 대한 소자의 적용은 소자의 미세 구조가 신축 변화에 대해 얼마만큼 원상회복이 되고 있는지가 신뢰도에 영향을 미치기 때문에 주름 구조체의 제조 및 그 특성의 조사가 중요한 선행 연구의 대상이 된다. 이러한 주름 구조체 제조방법에 대해 대한민국 등록특허 10-1425524는 연성의 탄성체 기판에 주름 구조체를 형성한 다음 경화성 기판에 전사하는 방법을 개시한다. 그러나 주름 구조체 자체가 연성 기판에서 본래의 구조를 회복하는 것에 대해서는 나와있지 않다. "Surface Wrinkling: A Versatile Platform for Measuring Thin-Film Properties, Jun Young Chung et.el., Adv. Mater. 2011, 23, 349-368"에서도 주름 구조체를 만드는 방법에 대한 연구를 소개하고 있다. 여기서는, PDMS 기판에 특정 pre-strain을 가해준 후 UV-Ozone 및 O₂ plasma 처리를 통해 얇은 SiO₂ 박막(thin film)을 형성한 후, 가해주었던 pre-strain을 해소(release)시켜주면, PDMS기판과 SiO₂ 박막 사이에 형성되는 응력 차이를 해소하기 위해 표면에 주름 구조가 형성된다. 이때, SiO₂ 필름의 경우에는 비교적 균일한 박막이고 내부에 결함(defect)이 적어 상당히 균일한 주름 구조를 형성할 수 있다. 하지만 표면에 금속, 유기물 등을 코팅한 후 주름구조를 형성할 경우 금속, 유기물 필름 내부의 결함에 의해 균일한 응력 분산이 이루어지지 않아 상당히 불규칙한 형태의 주름이 형성됨을 알 수 있다(Buckling of Aligned Carbon Nanotubes as Stretchable Conductors: A New Manufacturing Strategy, Yong Zhu and Feng Xu,Adv . Mater . 2012, 24, 1073.1077") 금속, 유기물 필름의 균일한 주름 구조를 형성하기 위한 방법으로 간단한 Photolithography 공정을 도입한 시도가 있었는데(Controlled buckling of semiconductor nanoribbons for stretchable electronics,YUGANG SUN, nature nanotechnology,VOL 1,DECEMBER 2006), 이 방법에는 값비싼 공정장비 등 기본적인 Photolithography의 단점이 존재한다.

따라서 본 발명의 목적은 새로운 소재를 기반으로 하여 간소화된 장비와 공정으로 신뢰도가 높은 주름 구조체를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 자기 조립성이 있는 바이러스를 이용하여 선형으로 정렬되고, 기재의 신축에 대해 원상 회복이 신뢰성 있게 이루어지는 주름 구조체 및 그 제조방법을 제공한다.

즉, 본 발명은, 바이러스 용액을 제조하고, 신축성 있는 기판을 잡아당긴 상태에서 바이러스 용액을 블레이드로 도포하고, 당겨진 기판을 놓아 장력을 해제시킴으로써 기판에 자기 조립으로 인해 선형의 주름이 생긴 주름구조체를 제공한다.

상기 주름구조체의 기판을 다시 잡아당기면, 바이러스의 정렬은 선형성을 상실하나 당겨진 기판의 장력을 해제하여 원상복귀시키면 주름 구조도 선형 정렬상태로 원상복귀된다.

본 발명은, 상기에서, 바이러스 용액의 농도, 기판에 도포 되는 바이러스 용액의 양 및 블레이드 이동 속도를 제어하여, 바람직한 주름 구조를 형성하였다. 즉, 본 발명은, 신장(streching) 된 기판에 농도 1 내지 7mg/ml, 바람직하게는 3mg/ml의 바이러스 용액 30 내지 50μl, 바람직하게는, 40 μl를 기판에 투입하고 블레이드를 200 내지 400μm/min.의 속도로 이동시켜 바이러스 용액을 도포함으로써 기판과 바이러스 용액과 공기가 이루는 3상 경계면에서 적절한 증발이 일어나게 함으로써 바이러스의 자기 조립 현상을 유도하여 균일하게 규칙적으로 배열된 선형의 주름 구조체를 형성한다.

또한, 본 발명은, 상기에서 바이러스 용액의 농도를 조절함으로써 선형 외에 다양한 무작위적이되 전체적으로는 균일하게 되는 미세 요철 구조를 형성하였다.

또한, 본 발명은, 바이러스 자기 조립을 이용하여 제작된 주름구조체를 적용한 지문인식소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 바이러스 자기 조립을 이용하여 제작된 무작위적이면서도 전체적으로 균일한 미세요철 구조체를 적용한 광 추출 기판을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 바이러스의 자기 조립 현상을 이용함으로써 주름구조체를 매우 간단한 방법으로 제조할 수 있게 하며, 본 발명에 의해 제작된 바이러스 주름 구조체는 기판의 신축에 대해 형상 복원성이 강하여 주름 구조체를 웨어러블 기기나 스트레인 센서, 형상인식기기 등에 적용될 수 있을만한 우수한 신뢰성을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따라 블레이드 코팅으로 바이러스 용액을 기판에 도포하여 주름 구조체를 만드는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 블레이드 코팅으로 바이러스 용액을 기판에 도포하여 주름 구조체를 만드는 방법을 설명하기 위한 순서도 이다.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 바이러스를 이용한 주름 구조체가 바이러스 용액 농도에 따라 배열형상이 다르다는 것을 보여주는 사진들이다.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 바이러스를 이용한 주름 구조체가 기판의 신축에 대해 복원되는 것을 보여주는 사진들이다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 바이러스를 이용한 주름 구조체의 상태별 투과도 및 기판 PDMS의 투과도를 대비하는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 바이러스를 이용한 주름구조체를 이용하여 지문인식장치를 만드는 방법을 설명하기 위한 순서도 이다.
도 7은 도 6에 따라 바이러스를 이용한 주름 구조체에 의해 인식되는 지문을 보여주는 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

M13 파아지는 800 내지 1000nm에 이르는 길이와 수 nm(6.6nm 이하)의 폭을 지녀 높은 종횡비로 인해 선형의 주름 구조를 형성하기에 좋은 조건을 갖추고 있다. 또한, M13 파아지는 자기 증식이 쉬워 자가 조립 공정의 기본물질 역할을 할 수 있다. 이러한 M13 파이지의 자가 조립 현상은 바이러스들이 개별적으로는 무작위적으로 배열되면서 전체적(통계적)으로는 균일한 분포를 나타낼 수 있다. 이에 따라, M13 파이지를 용액으로 준비하고, 기판에 이를 도포하여 바이러스 주름구조체를 제작한다.

먼저, M13 파아지를 용액으로 준비한다. 본 실시예에서 4E-타입 M13 파아지는 TBS(tris buffered saline) 버퍼(12.5mM 및 37.5mM NaCl, pH7.5)에 3mg/ml 농도로 제조되었다. 이러한 농도 수치는 일례로서 변경될 수 있으나, 1 내지 7mg/ml 정도의 농도로 할 수 있으며, 농도에 따라 바이러스 배열 구조가 달라져 필요에 따라 다양한 주름 구조체를 만들 수 있다.

제조된 바이러스 용액은 신축성이 있는 기판에 도포 되며, 본 실시예에서는 PDMS(polydimethylsiloxane) 기판을 사용하였다. 이러한 신축성 있는 기판을 당겨 신장된 상태에서 바이러스 용액을 주입하고 블레이드를 이용하여 천천히 기판에 용액을 도포하고 기판에 가해진 힘을 해제하여 기판을 원상복귀시키면 일정하게 배열된 주름구조체를 얻을 수 있다. 도 1과 도 2는 이러한 주름 구조체 제조방법을 이해하기 쉽게 보여준다. 도 1은 바이러스 용액을 기판 위에 주입하고 블레이드로 도포하여 바이러스의 자기 조립에 의해 규칙적인 선형 주름 구조체를 형성하는 모습을 보여준다. 도 2는 이러한 주름 구조체의 제조방법을 순서대로 도시한다.

PDMS 기판을 잡아당겨 신장시킨 상태에서 표면에 원활한 코팅을 위해 O₂ 플라즈마(plasma) 처리를 통한 친수성 기를 형성한다.

3mg/ml 농도의 바이러스 용액을 30 내지 50μl, 바람직하게는, 40 μl를 기판에 투입하고 블레이드를 200 내지 400μm/min.의 속도로 이동시켜 바이러스 용액을 도포한다. 본 실시예의 경우, 300μm/min.의 속도로 이동시켰다.

이때, 기판 표면과 블레이드 하단 사이의 간격은 0.5 내지 2mm 정도, 바람직하게는 1mm 정도로 유지한다. 코팅 과정과 거의 동시 또는 직후에 바이러스에 함유된 수분이 기판/바이러스/공기가 이루는 3상 계면에서 증발하면서 바이러스의 자기 조립이 일어나 규칙적인 선형 주름 구조가 형성된다.

도 3은 본 발명에 따라 제작된 바이러스 자기 조립에 의한 주름 구조체 사진이다. 바이러스 용액의 농도가 1mg/ml, 3mg/ml, 7mg/ml 일 때 바이러스의 자기 조립 상태가 서로 달라 그에 따른 주름 구조가 서로 다른 것을 알 수 있다. 상대적인 저농도 1mg/ml에서는 블레이드 진행 방향에 대해 수직에 가깝게 주름 구조가 형성되되 불규칙한 형상을 나타내었고, 고농도인 7mg/ml에서는 블레이드 진행 방향과 나란한 방향으로 주름 구조가 형성되되 역시 불규칙한 형상이 나타났다. 그러나 이러한 불규칙적인 배열도 전체적으로는 균일한 분포를 이룬다고 볼 수 있다. 3mg/ml 농도의 경우, 매우 규칙적으로 배열된 선형 주름 구조(smectic)를 보였다. 주름의 방향은 블레이드 진행 방향에 대해 수직이었으며, 주름을 이루는 개개의 번들 폭은 1 내지 2μm 정도였다.

도 4는 본 발명에서 기판이 당겨진 정도에 따른 바이러스 배열 구조의 차이를 보여준다. 즉, 기판을 당긴 정도를 초기 기판 대비 신장율 5%, 10%, 15%에 대해 각각 바이러스 용액 도포 직후 주름 구조 상태와 기판의 당김을 해제하여 원상복귀된 기판에서 보이는 주름 구조 상태와 다시 기판을 당겼을 때 나타나는 주름 구조 상태를 보여준다. 기판이 초기에 당겨진 상태(Prestreched)에서 도포 된 바이러스 용액에 의해 나타나는 다소 불규칙한 주름 구조는 기판의 당김 해제(release)에 의해 매우 규칙적이고도 균일한 주름 구조가 되며, 기판을 다시 초기에 당겨진 상태대로 당겨주면(Restrech) 초기에 나타났던 불규칙한 주름 구조가 다시 나타난다. 즉, 본 발명에 따른 바이러스 주름 구조체는 기판의 신축 변화에 따른 형상 복원력이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다. 이러한 형상 복원력은 스트레인 센서나 웨어러블 기기에 적용되는 소자에 대해 중요한 요인이 되며, 본 발명에 따른 바이러스 기반 주름 구조체는 우수한 형상 복원력으로 인해 높은 신뢰도를 갖출 수 있다. 즉, 스트레인 센서의 경우, 스트레인을 가하여 센싱 한 다음 원위치시킨 후 또 다시 센싱할 때 정확히 초기 상태로 리셋되어야 센싱의 신뢰성이 우수하게 되므로, 형상 복원성이 신뢰도에서 중요한 요인이 된다. 웨어러블 기기에서도 기판 자체가 신축성 있는 소재로 제작되어 여기에 형성된 소자들은 일정한 상태의 기판에서 동일한 동작을 할 수 있어야 한다. 따라서 본 발명의 바이러스 기판 소자는 자기 조립 특성으로 인해 이러한 신축에 따른 복원력으로 신뢰도를 만족시킬 수 있다.

본 실시예에서 기판의 신축 변화를 수차례 실시하였음에도 여전히 주름 구조체의 형상은 거의 동일하여 내구성이 우수하다는 것을 확인하였다.

본 발명자들은 바이러스의 자기조립에 의해 형성된 선형 주름 구조체(Smectic)가 균일한 주름 형상을 나타낼 수 있는 원인에 대해 살핀 결과, 스멕틱 구조의 마디 부분이 주름 형성에 있어 가이드 역할을 하여 일반적인 고분자 박막의 주름 구조와 비교해 월등히 균일한 주름을 얻을 수 있다는 점을 알아냈다. 또한 이는, 균일한 고분자 또는 금속으로 주름구조를 제조하기 위해 사용하던 포토리소그라피(Photolithography) 법에서 탈피하였기 때문에 공정 비용 및 설비 비용이 획기적으로 낮고 공정도 훨씬 더 간단한 방법이라 할 수 있다. 즉, 바이러스의 자기 조립(Self-assembly) 현상을 이용한다는 점 자체가 복잡한 장비와 공정을 대체한 것이라 볼 수 있다.

도 5는 바이러스 자기조립 구조체의 광학적 특성을 나타낸다. 검정색 그래프는 아무런 처리도 하지 않은 PDMS가 가지는 가시광선 영역에서의 투과도를 측정한 UV-vis spectrum이고 붉은색 그래프는 바이러스 자기조립 구조체가 형성된 샘플의 투과도, 파란색 그래프는 바이러스 자기조립 구조체 기반의 주름 구조가 가지는 투과도를 나타낸다. 아무것도 처리되지 않은 PDMS와 바이러스 자기조립체가 형성된 샘플은 전 가시광선 영역대에 걸쳐 90%이상의 높은 투과도를 나타내나 주름구조가 형성된 샘플의 경우 마이크로미터 단위의 균일한 표면 요철에 의한 난반사로 인해 전 가시광선 영역대에 걸쳐 30%이하의 낮은 투과도를 나타냄을 알 수 있다.

이러한 투과도 특성은 불규칙적인 주름 구조체가 디스플레이 소자, 조명 소자, 특히, OLED에 대한 광 추출용 기판에 적용될 수 있음을 시사한다. OLED의 경우, 내부에서 발생된 광이 외부로 빠져나오지 못하여 내부에서 축열을 일으켜 소자를 손상시키는 문제로 인해 마이크로 렌즈 어레이와 같은 것을 배치한다. 이른 바, 링클 구조체, 버클 구조체 등의 나노요철 구초체를 기판에 형성하는 시도가 이루어지고 있다. 따라서 본 발명에 따른 90% 정도의 투과율을 나타내는 불규칙한 바이러스 자기조립 구조체를 광 추출 기판에 적용할 수 있다.

한편, 이러한 주름구조의 광학 특성을 다양하게 응용할 수 있다. 그 중 하나는 지문 인식 소자이다.

기판에 바이러스 용액을 도포하여 주름 구조를 만들기 전에 기판 면을 친수성 처리하므로 그 전에 지문이 있는 손가락 부분을 기판에 접촉하면 유분으로 인해 친수성 처리가 이루어지지 않는다. 따라서 지문 부분은 유분으로 인해 바이러스 용액이 도포 되지 않으므로 전체 기판에 바이러스 용액 도포 후 바이러스 자기 조립이 이루어진 다음, 지문 부분은 빛에 대한 반응(반사, 굴절, 회절, 분산 등)이 달라 지문의 문양이 나타나게 된다.

도 6은 주름 구조를 형성하는 공정 전에 PDMS 기판을 손가락으로 가볍게 눌러주는 과정을 추가한 것을 보여준다. 상술한 바와 같이, 손가락의 유분이 PDMS에 전사되어 O₂ 플라즈마(plasma) 처리 시 유분이 전사된 부분은 유분이 마스크 역할을 하게 되어 친수성기가 형성되지 않게 된다. 따라서 자기조립 공정중 친수성기가 형성되지 않은 부분에는 바이러스 자기 조립 구조가 형성되지 않는다. 도 7을 보면, 지문을 찍은 기판이 스트레칭 된 상태와 스트레칭이 해제되어 바이러스 자기 조립이 된 상태에서 지문이 인식된 것을 확인할 수 있다. 바이러스의 자기 조립으로 규칙적인 주름 구조가 형성된 오른쪽 사진에서 지문은 무지개 빛을 후광으로 하여 상당히 선명하게 나타나있다. 따라서 본 발명의 바이러스 주름 구조체를 지문 인식소자로 활용할 수 있다.

또한, 지문 이외에도 QR 코드, 바코드 등을 스트레칭 된 기판에 인쇄하여 바이러스 용액 도포 후 스트레칭을 해제하여 인쇄된 QR 코드, 바코드 등이 나타나게 하는 표시소자를 제작할 수 있다.

나아가 임의의 패턴을 기판상에서 기판 스트레칭 여부에 따라 나타나거나 사라지게 하는 소자를 제작할 수 있다. 이러한 소자는 보안 분야에 적용될 가능성이 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면 부호 없음.

Claims (11)

1. 바이러스 용액을 제조하고, 신축성 있는 기판을 잡아당긴 상태에서 바이러스 용액을 블레이드로 도포하고, 당겨진 기판을 놓아 장력을 해제시킴으로써 기판에 바이러스의 자기 조립이 일어나 선형의 주름이 배열된 것을 특징으로 하는 주름구조체.
2. 제1항에 있어서, 선형의 주름은 규칙적인 패턴을 이루는 것을 특징으로 하는 주름구조체.
3. 제1항에 있어서, 선형의 주름은 바이러스들의 무작위적인 정렬로 인해 불규칙적이면서도 전체로서는 균일한 분포를 이루는 것을 특징으로 하는 주름구조체.
4. 바이러스 용액을 제조하고,
   신축성 있는 기판을 준비하여 기판을 당겨 신장(streching)시키고,
   기판이 신장 된 상태에서 바이러스 용액을 기판 위에 넣고 블레이드로 바이러스 용액을 기판 위에 도포하고,
   신장 된 기판에 대해 신장을 해제(release)하여 바이러스의 자기 조립이 일어나게 함으로써 기판 위에 선형의 주름이 배열되게 하는 것을 특징으로 하는 주름구조체의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 바이러스 용액의 농도, 기판에 도포 되는 바이러스 용액의 양 또는 블레이드 이동 속도를 조절하여, 주름 구조를 제어하는 것을 특징으로 하는 주름구조체의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 바이러스 용액의 농도는 1 내지 7mg/ml로 하고, 블레이드의 이동 속도를 200 내지 400μm/min로 하는 것을 특징으로 하는 주름구조체의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 기판 표면과 블레이드 하단 사이의 간격은 0.5 내지 2mm로 유지하는 것을 특징으로 하는 주름구조체의 제조방법.
8. 제4항에 있어서, 기판이 신장 된 상태에서 바이러스 용액을 기판에 넣기 전에 산소(O₂) 플라즈마로 기판을 처리하여 친수성 화하는 것을 특징으로 하는 주름구조체의 제조방법.
9. 바이러스 용액을 제조하고,
   신축성 있는 기판을 준비하여 기판을 당겨 신장(streching)시키고,
   기판이 신장 된 상태에서 손가락을 기판에 접촉시켜 지문을 기록하고,
   신장 된 기판에 산소 플라즈마로 기판을 처리하여 지문 이외의 부분을 친수성 화하고,
   바이러스 용액을 기판 위에 넣고 블레이드로 바이러스 용액을 기판 위에 도포하고,
   신장 된 기판에 대해 신장을 해제(release)하여 바이러스의 자기 조립이 일어나게 함으로써 기판 위에 선형의 주름이 배열되게 함으로써 바이러스의 자기 조립이 일어나지 않은 지문 부분이 인식되게 한 것을 특징으로 하는 지문인식방법.
10. 제3항의 주름구조체를 적용한 것을 특징으로 하는 광 추출 기판.
11. 바이러스 용액을 제조하고,
    신축성 있는 기판을 준비하여 기판을 당겨 신장(streching)시키고,
    기판이 신장 된 상태에서 유분을 포함한 잉크로 소정 패턴을 기판에 인쇄하여 기록하고,
    신장 된 기판에 산소 플라즈마로 기판을 처리하여 패턴 이외의 부분을 친수성 화하고,
    바이러스 용액을 기판 위에 넣고 블레이드로 바이러스 용액을 기판 위에 도포하고,
    신장 된 기판에 대해 신장을 해제(release)하여 바이러스의 자기 조립이 일어나게 함으로써 기판 위에 선형의 주름이 규칙적으로 배열되게 함으로써 바이러스의 자기 조립이 일어나지 않은 패턴 부분이 인식되게 하며, 기판이 신장 되면 패턴이 사라지게 한 것을 특징으로 하는 패턴인식 방법.
    
    

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