광 결정 고분자와 나노소재를 기초로 한 새로운 화학
- Issued Date
- 2009
- Abstract
- 현재 과학 기술은 과거의 과학 기술 발전 속도에 비해 대단히 빠른 속도로 발전하고 있다. 이중에서도 전기․전자 기술의 발달은 금속, 반도체 기술의 발전에 따라 최근 몇 십 년간 눈부신 발전을 이룩하였다. 현재 전자기술의 발전은 끊임없는 소자 크기의 감소를 통해 이루어지고 있으며, 이러한 경향은 전자 소자의 집적도 수준에서의 증가뿐만 아니라 동시에 소자 실행 속도의 증가라는 두 가지 목적을 두고 발전하였다. 하지만, 기존의 소자 기술은 이미 21세기 과학 및 기술의 요구를 충족하기 어려운 한계성이 예시되고 있으며, 당면한 문제점들을 해결하기 위한 새로운 형태 또는 크기를 갖는 소재가 필요하게 되었다. 이러한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 새로운 21세기 연구 영역으로서 나노 과학(nanoscience)및 나노기술(nanotechnology)이 대두되고 있다. 나노 과학은 탄소 나노 튜브(CNT, carbon nanotube), C60(buckyballs), 메조포러스 물질(mesoporous materials), 금속 및 반도체 나노 결정(nanocrystal, nanocluster, quantum dot) 등과 같은 물질 합성 분야와 STM, AFM, lithography를 통한 제어 및 응용 분야로 크게 두 가지로 분류 되고 있다. 특히, 화학 원리를 이용한 물질 합성 및 제어 나노 화학은 지난 수년간 괄목할 만한 획기적 연구가 진행되어 왔다. 나노 결정은 불연속적 전자 에너지 밀도를 가진 원자나 분자와 연속적 에너지 밴드를 가진 벌크 (bulk) 결정의 중간체이다. 따라서 나노 결정의 광학 및 전기적 성질은 벌크 결정 성질과 원자, 분자의 성질과는 다른 성질을 나타내게 된다. 이러한 나노 신소재 개발 분야는 기초과학에서부터 첨단과학까지의 융합학제 (interdisciplinary)간 학문 분야로 미래기술의 선점 및 국가경쟁력 확보에 있어서 우위를 차지하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
본 연구논문의 주제는 "광 결정 고분자와 나노소재를 기초로 한 새로운 화학"으로써, 반도체 실리콘 재료에 전기화학적 식각(etching)을 통해 제작된 광 결정(photonic crystal)을 함유하고 일정한 패턴의 나노크기의 기공을 갖는 다공성 실리콘(porous silicon)의 광학적 특성의 분석 및 응용에 대한 연구와 고분자를 이용하여 다공성 실리콘의 광 결정을 함유하는 역구조의 광 결정 고분자 복사체(porous polymer replica)의 제작 및 그것의 응용에 대한 연구를 목표로 한다. 이러한 광 결정을 기초로 한 기술은 광 결정소재의 광학적 특성과 광학 스펙트럼에 대한 조작의 가능성으로 인해, 화학∙생물학적 센서나 의학적 진단요법에 매우 유용하게 활용될 수 있어 수년 동안 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다.
본 연구논문은 Part I, II 내에 11개의 Chapter들로 이루어져 있으며, part I에서는 높은 표면적에 나노크기의 기공을 갖는 다공성 실리콘의 간섭 막의 굴절률 조절로 인한 가시광선 및 적외선 영역에서 특정한 파장에서 좁은 반사 띠의 보강간섭을 갖는, 다층 다공성 실리콘(multilayer porous silicon)의 광학적 특성 및 그것의 응용에 대해 연구하였다. 또한 비대칭 식각을 통한 굴절율의 변화에 따른 Full Color Display로써의 광학적 특성의 변화에 대해 조사하고, 다공성 실리콘 필름의 물리적 불안정성을 보완하여 제작된 광학 필터로써의 가능성 제시하고 화학적 센서에 대한 응용에 대해 연구한 결과를 보여주는 Part이다. 또한, 다공성 실리콘 표면에 항암제인 Camptothecin 약물을 유도체화 시켜, 공유 접합 (covalent attachment) 방법을 이용하여 targeted Delivery 와 controlled Release의 가능성에 대해 조사하고, 약물 전달 시스템(drug delivery system)으로써의 독성 검사 및 선택성과 효율성에 대해 조사한 연구결과를 조사하였다.
Part II에서는 다공성 실리콘의 구조를 이용한 고분자 복사체의 제작과 그것의 응용분야에 대해 조사하였다. 다공성 실리콘을 이용한 광 결정 고분자의 대한 연구는 University of California의 Michael J. Sailor (2003년 Science, Vol. 299, p. 2045)에 의해 처음 보고되었으며, 본 연구에 사용된 광 결정 고분자 복사체는 광 결정의 구조를 갖는 광학 고분자 재료로써, 주물로 사용된 다공성 실리콘 구조의 역학 구조를 갖는 재료로써 다공성 실리콘에서 나타나는 광학적 특징이 그대로 나타난다. 본 연구에서는 광 결정 고분자 복사체를 제작하는 과정에서 기능성 나노입자를 합성하여, 고분자 용액에 자성 (magnetite, Fe2O3) 및 발광 (luminescence, CdSe) 나노 입자를 첨가하여 다양한 기능성을 갖는 광 결정 고분자 복사체의 제작에 대한 연구결과를 발표할 것이며, 광 결정 고분자 복사체를 화학 및 바이오센서로 응용하기 위해 avidin과 streptavidin과 자리결합을 할 수 있는 biotin 감지 인식 체를 혼합하여 고분자 복사체를 제작하여 광학 스펙트럼을 이용하여 생물분자를 감지할 수 있는 나노 바이오센서를 개발하였다.
최근 다공성 실리콘의 광학적 특성을 이용한 여러 응용분야에 접목하는 연구가 광범위하게 진행되고 있으나, 아직 다공성 실리콘을 주물로 이용하는 광 결정 고분자 복사체를 이용한 화학센서 또는 바이오센서의 개발이 다른 분야에 비하여 상대적으로 연구가 미흡한 상태이다. 광 결정을 함유하는 고분자 복사체를 이용한 바이오센서의 경우는 국내·외에서는 수행되지 않는 연구로써 처음으로 개발될 독창적인 연구이다. 또한 다양한 학문 분야의 지식을 바탕으로 한 학제 간 융합학문 분야의 연구 결과로서 아직까지 정확히 확립되지 않은 나노센서 (nanosensor), 나노바이오센서 (nano bio-sensor), 나노소재 (nanomaterial)의 분석 및 그 응용과 관련된 중요한 정보를 구축하는데 크게 기여하여 이 분야의 연구를 선도할 것으로 기대된다.
- Alternative Title
- New Chemistry Based on Photonic Crystal Polymers and Nanomaterials
- Alternative Author(s)
- Jihoon Kim
- Affiliation
- 조선대학교 화학과
- Department
- 일반대학원 화학과
- Advisor
- 손홍래 교수님
- Awarded Date
- 2010-02
- Table Of Contents
- PART I. Electical and Optical Properties of Porous Silicon
CHAPTER ONE : INTRODUCTION OF POROUS SILICON
1.1 History of Porous Silicon
1.2 Electrochemical Preparation of Porous Silicon
1.2.1 Formation of Porous Silicon by Anodization
1.2.2 Electrochemical Etching Setup
1.3 Control of the Morphology and Porosity
1.3.1 Current Density
1.3.2 Concentration of Etching Solution and Anodization Time
1.4 Optical Properties of Porous Silicon
1.4.1 Substrate Properties
1.4.2 Refractive Index of Porous Silicon
1.4.3 Optical Properties and Bench Setup
1.5 Reference
CHAPTER TWO : FABRICATION AND OPTICAL CHARACTERIZATION OF FULL COLOR STOP BAND BASED ON RUGATE-STRUCTURED POROUS SILICON
2.1 Introduction
2.2 Experiments
2.2.1 Sample Preparation
2.2.2 Instrumentation and Data Acquisition
2.3 Results and Discussion
2.3.1 Effect of Etching Time
2.3.2 Effect of Frequency
2.4 Conclusions
2.5 References
CHAPTER THREE : OPTICAL CHARACTERIZATION OF DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR POROUS SILICON AND BAND FILTER APPLICATION
3.1 Introduction
3.2 Experiments
3.3 Results and Discussion
3.4 Conclusions
3.5 References
CHAPTER FOUR : FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF PRISMATIC BAND FILTER GRADIENT RUGATE POROUS SILICON
4.1 Introduction
4.2 Experiments
4.2.1 Preparation of ruagte PS using asymmetric electrode configuration
4.2.2 Instrumentation and Data Acquisition
4.3 Results and Discussion
4.4 Conclusions
4.5 References
CHAPTER FIVE : FABRICATION OF MULTI-OPTICAL FILTERS BASED ON ENCODED RUGATE POROUS SILICON AND ITS APPLICATION AS CHEMICAL SENSORS
5.1 Introduction
5.2 Experiments
5.2.1 Preparation of multiple rugate PS
5.2.2 Chemical modification of rugate PS film surface
5.2.3 Preparation of multiple rugate PS/polymer composite film
5.2.4 Instrumentation and Data Acquisition
5.3 Results and Discussion
5.3.1 Preparation and characterization of multi-optical rugate filter
5.3.2 Rugate PS/polymer composite film as a tunable band-rejection filter
5.3.3 Rugate PS/polymer composite films as chemical sensors
5.4 Conclusions
5.5 References
CHAPTER SIX : TARGETED DELIVERY AND CONTROLLED RELEASE OF CAMPTOTHECIN TO CANCER CELLS USING COVALENT ATTACHMENT METHOD OF PROUS SILICON "SMART PARTICLES"
6.1 Introduction
6.2 Experiments
6.2.1 Preparation of free-standing multi-encoded rugate PSD film
6.2.2 Chemical attachment of CPT to multi-encoded rugate PSD surface and preparation of PSD-CPT smart particles
6.2.3 Cell viability using cell culture
6.2.4 Instrumentation and Data Acquisition
6.3 Results and Discussion
6.4 Conclusions
6.5 References
PART II. PHOTOANODE STRUCTURED POROUS POLYMER REPLICA BASED ON POROUS SILICON AND ITS APPLICATIONS
CHAPTER SEVEN : FABRICATION AND OPTICAL CHARACTERIZATION OF RUGATE-STRUCTURED POLYMER REPLICAS
7.1 Introduction
7.2 Experiments
7.2.1 Preparation of rugate PS Samples
7.2.2 Preparation of Photonic Polymer Replicas
7.2.3 Instrumentation and Data Acquisition
7.3 Results and Discussion
7.4 Conclusions
7.5 References
CHAPTER EIGHT : PHOTONIC POLYMER REPLICAS BASED ON DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR POROUS SILICON TEMPLATE
8.1 Introduction
8.2 Experiments
8.2.1 Preparation of DBR PS
8.2.2 Preparation of Photonic Polymer Replicas
8.2.3 Instrumentation and Data Acquisition
8.3 Results and Discussion
8.4 Conclusions
8.5 References
CHAPTER NINE : PHOTONIC POLYMER REPLICAS CONTAINING CdSe NANOPARTICLES BASED ON POROUS SILICON
9.1 Introduction
9.2 Experiments
9.2.1 Preparation of DBR PS
9.2.2 Synthesis of CdSe Nanoparticles
9.2.3 Photonic Polymer Replicas Containing CdSe Nanoparticles
9.2.4 Instrumentation and Data Acquisition
9.3 Results and Discussion
9.4 Conclusions
9.5 References
CHAPTER TEN : REFLECTIVE AND MAGNETIC PROPERTIES OF PHOTONIC POLYMER COMPOSITE MATERIALS BASED ON POROUS SILICON AND MAGNETITE NANOPARTICLES
10.1 Introduction
10.2 Experiments
10.2.1 Preparation of Rugate PS
10.2.2 Synthesis of Magnetite Nanoparticles
10.2.3 Preparation of Photonic Polymer Composite Materials
10.2.4 Instrumentation and Data Acquisition
10.3 Results and Discussion
10.4 Conclusions
10.5 References
CHAPTER ELEVEN : NOVEL PHOTOANODE-STRUCTURED MULTIPLE POROUS POLYMER REPLICAS: A NEW POLYMER-BASED BIOSENSOR
11.1 Introduction
11.2 Experiments
11.2.1 Materials
11.2.2 Preparation of MER PS
11.2.3 Preparation of photonic polymer replicas
11.2.4 Instrumentation and data acquisition
11.3 Results and Discussion
11.4 Conclusions
11.5 References
- Degree
- Doctor
- Publisher
- 조선대학교
- Citation
- 김지훈. (2009). 광 결정 고분자와 나노소재를 기초로 한 새로운 화학.
- Type
- Dissertation
- URI
- https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/8446
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000239238
- Appears in Collections:
- General Graduate School > 4. Theses(Ph.D)
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