KR101898215B1 - Carbon nanotube-graphene hybrid electrode which is transparent such that cells may be detected, and Preparation method and Use thereof - Google Patents

Carbon nanotube-graphene hybrid electrode which is transparent such that cells may be detected, and Preparation method and Use thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 기재 상에 형성된 그래핀 전극; 상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고, 친수성 액 중에 담군 후 빼낼 때 모세관력(capillary force)이 형성되도록 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위가 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 구비한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극으로서, 상기 탄소나노튜브들의 집단은 친수성 액 중에 담군 후 빼내면서 모세관력을 통해 상기 인접하는 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)을 구비한 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극; 이의 제조방법 및 용도에 관한 것이다.
본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은, 넓은 친수성 표면적과 3차원 구조가 부여되어 있는, 우수한 전자전달특성을 가지는 탄소나노튜브들의 집단을 통해 세포가 잘 달라붙을 수 있는 미세구조를 가지며, 이는 세포와 전극간의 거리를 좁히는 기능을 하여 세포의 미세한 전기신호를 고감도로 측정할 수 있을 뿐만아니라, 투명 탄소 전극으로 제조가능하므로 세포 관찰이 가능하다.
The present invention relates to a graphene electrode formed on a substrate; A cluster of hydrophilicized carbon nanotubes that is vertically grown on the graphene electrode and has an open terminal end portion into which the liquid can flow in and out so that a capillary force is formed when the nanotube is immersed in the hydrophilic liquid, Wherein the group of carbon nanotubes are collected in a hydrophilic liquid and drawn out through the capillary force to form open ends of the adjacent carbon nanotubes to form a three-dimensional nanostructured A carbon nanotube-graphene hybrid electrode characterized by having a sub-population (s); And a production method and use thereof.
The carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention has a microstructure in which cells are adhered to each other through a group of carbon nanotubes having a wide hydrophilic surface area and a three-dimensional structure and having excellent electron transfer characteristics, This function can narrow the distance between the cell and the electrode, so that it can measure the minute electric signal of the cell with high sensitivity, and it can be made into a transparent carbon electrode, so that the cell can be observed.

Description

세포 관찰이 가능한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 투명 전극, 이의 제조방법 및 용도{Carbon nanotube-graphene hybrid electrode which is transparent such that cells may be detected, and Preparation method and Use thereof}[0001] The present invention relates to a carbon nanotube-graphene hybrid transparent electrode capable of observing a cell, a method for producing the same,

본 발명은 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극, 이의 제조방법 및 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube-graphene hybrid electrode, a method for producing the carbon nanotube-graphene hybrid electrode, and a use thereof.

탄소 나노튜브는 탄소로 구성되어 있는 튜브 모양의 구조체이며, 모든 탄소 원자가 표면에 노출되기 때문에 미세한 물리 화학적 작용에 민감하게 반응하고, 탄소 재료가 가지고 있는 역학적 견고성 또한 그대로 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 특성들 때문에 탄소 나노튜브는 나노 기술 분야에서 각광받고 있으며, 이를 이용한 각종 소자 응용에 대한 연구가 보고되고 있다.Carbon nanotubes are tubular structures made of carbon, and all carbon atoms are exposed to the surface, so they are sensitive to microscopic physicochemical reactions and have the mechanical durability inherent in carbon materials. Due to these properties, carbon nanotubes are attracting attention in the field of nanotechnology, and studies on various device applications using them have been reported.

특히, 탄소나노튜브 트랜지스터는 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate) 전극으로 구성되어 있어 탄소나노튜브의 전기전도도를 측정할 수 있기 때문에, 이는 탄소나노튜브의 표면에서 반응하는 분자들에 의한 전류 흐름 변화를 신호로 검출해 낼 수 있다. 따라서, 위험 가스 유출 여부를 가릴 수 있는 가스 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하며, 실시간 측정이 가능한 고감도 센서이므로 다방면으로 응용가능할 뿐 아니라 여타의 센서 제작 방법에 비해 상대적으로 저가 제작이 가능하다는 장점을 동시에 가지고 있다.Particularly, a carbon nanotube transistor is composed of a source, a drain, and a gate electrode, and can measure the electrical conductivity of the carbon nanotube. Therefore, Can be detected by a signal. Therefore, it can be used in various fields such as gas sensor that can detect dangerous gas leakage, and is a high-sensitivity sensor capable of real-time measurement. Therefore, it can be applied in various fields and can be manufactured at a relatively low price compared to other sensor manufacturing methods Have.

상기와 같은 탄소나노튜브 트랜지스터는 수평으로 성장된 한 가닥, 또는 적은 수의 탄소나노튜브를 이용하여 제작된 소자이다. 이때, 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키면 민감도 특성이 우수한 전극으로 사용 가능하다. 탄소나노튜브들이 일정 밀도 이상이 되면 튜브 간의 강한 상호작용으로 인해 수직으로 정렬된 (vertically aligned-VA) 형태로 자라나게 되는데 이 경우 1차원 나노구조인 탄소나노튜브가 갖는 표면적의 효과를 최대로 누리면서 동시에 탄소나노튜브들이 수직 정렬된 3차원 구조 전극의 장점도 함께 갖게 된다. 이와 같이 제작된 탄소나노튜브 전극은 전기화학센서에 활용될 경우 넓은 표면적을 가지면서 동시에 확산 제한 효과가 적어 기존의 센서에 비해 민감도가 훨씬 높은 전극을 제작할 수 있다. 또한 연료전지의 전극으로도 높은 효율을 발휘할 것으로 예상된다. 이 외에도 금속 위에 제작된 탄소 나노튜브는 연료전지, 디스플레이에 활용될 수 있으며, 전자총이나 초소형 X-선 선원 등으로도 활용이 가능하다.The carbon nanotube transistor is fabricated using one strand grown horizontally or a small number of carbon nanotubes. At this time, when carbon nanotubes are grown vertically, they can be used as electrodes having excellent sensitivity characteristics. When the carbon nanotubes are more than a certain density, they grow vertically aligned (VA) due to strong interaction between the tubes. In this case, the effect of the surface area of the carbon nanotube, which is a one- At the same time, the advantages of the three-dimensional structure electrode in which carbon nanotubes are vertically aligned are also obtained. When the carbon nanotube electrode is applied to an electrochemical sensor, the electrode has a large surface area and at the same time has a limited diffusion inhibiting effect. It is also expected to show high efficiency as an electrode of a fuel cell. In addition, carbon nanotubes fabricated on metal can be used for fuel cells and displays, and can also be used as electron guns and ultra-small X-ray sources.

한편, 종래의 세포나 생체 조직의 전기적 신호 측정에 사용되는 전극은 Au, Pt, 등의 금속이나 TiN, SiN와 같은 반도체를 이용한 경우가 대부분이다. 그러나, 금속이나 반도체를 이용하는 경우에는 3차원 구조 제작의 어려움이 있기 때문에 세포막 외 측정의 경우 측정되는 신호의 대부분이 작은 크기를 가진다. On the other hand, electrodes used for measuring electrical signals of conventional cells or living tissues are mostly made of a metal such as Au, Pt, or a semiconductor such as TiN or SiN. However, when metal or semiconductor is used, it is difficult to fabricate a three-dimensional structure. Therefore, most of the signals measured in the extracellular measurement have a small size.

본 발명자들은 이를 보완하기 위해, 높은 전자 전달 특성을 가지며 신경 세포에 독성이 없는 탄소나노튜브들을 그래핀 전극 위에 수직 성장시킨 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극을 더욱 개질하고자 하였다.To overcome this problem, the inventors intend to further modify the carbon nanotube-graphene hybrid electrode in which carbon nanotubes having high electron transfer characteristics and no toxicity to nerve cells are vertically grown on the graphene electrode.

본 발명의 목적은 세포가 잘 달라붙을 수 있어서 세포의 미세한 전기신호를 고감도로 측정할 수 있는 넓은 친수성 표면적과 우수한 전자전달특성을 가지면서 동시에 세포의 관찰이 가능한 투명 탄소 전극을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a transparent carbon electrode capable of observing cells while having high hydrophilic surface area and excellent electron transfer characteristics capable of measuring fine electrical signals of cells with high sensitivity because the cells can stick to each other well.

본 발명의 제1양태는 기재 상에 형성된 그래핀 전극; 상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고, 친수성 액 중에 담군 후 빼낼 때 모세관력(capillary force)이 형성되도록 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위가 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 구비한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극으로서, 상기 탄소나노튜브들의 집단은 친수성 액 중에 담군 후 빼내면서 모세관력을 통해 상기 인접하는 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)을 구비한 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극을 제공한다.A first aspect of the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a graphene electrode formed on a substrate; A cluster of hydrophilicized carbon nanotubes that is vertically grown on the graphene electrode and has an open terminal end portion into which the liquid can flow in and out so that a capillary force is formed when the nanotube is immersed in the hydrophilic liquid, Wherein the group of carbon nanotubes are collected in a hydrophilic liquid and drawn out through the capillary force to form open ends of the adjacent carbon nanotubes to form a three-dimensional nanostructured Carbon nanotube-graphene hybrid electrode characterized by having a sub-population (s).

본 발명의 제2양태는 기재 상에 형성된 그래핀 전극을 준비하는 제1단계; 상기 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브 수직 성장용 촉매층을 형성하는 제2단계; 상기 촉매층 상에 탄소나노튜브들을 수직 성장시키는 제3단계; 상기 수직 성장된 탄소나노튜브들 중, 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위를 친수처리하는 제4단계; 및 상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 친수성 액 중에 담군 후 빼내면서 모세관력(capillary force)을 통해 인접한 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 3차원 나노 구조가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)을 형성하는 제5단계를 포함하는 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a first step of preparing a graphene electrode formed on a substrate; A second step of forming a carbon nanotube vertical growth catalyst layer on the graphene electrode; A third step of vertically growing carbon nanotubes on the catalyst layer; A fourth step of hydrophilizing the open end-containing region, from which the liquid can flow in and out, out of the vertically grown carbon nanotubes; And clusters of vertically grown and hydrophilized carbon nanotubes on the graphene electrode are immersed in a hydrophilic liquid, and the open ends of the adjacent carbon nanotubes are collected through capillary force to form three-dimensional nano- And a fifth step of forming a lower group (s) of the carbon nanotubes to which the structure is attached.

본 발명의 제3양태는 본 발명의 제1양태에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극; 및 상기 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에 부착된 세포를 구비한 키트를 제공한다.A third aspect of the present invention is a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to the first aspect of the present invention; And a cell attached on the carbon nanotube-graphene hybrid electrode.

본 발명의 제4양태는 상기 본 발명의 제1양태에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에서 세포를 배양 또는 분화하는 단계; 및 상기 배양 또는 분화된 세포로부터 발생하는 전기 신호를 분석하는 단계를 포함하는 세포 분석 방법을 제공한다.In a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for culturing or differentiating cells on a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to the first aspect of the present invention; And analyzing an electric signal generated from the cultured or differentiated cells.

이하 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to the present invention comprises

기재 상에 형성된 그래핀 전극; 상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고, 친수성 액 중에 담군 후 빼낼 때 모세관력(capillary force)이 형성되도록 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위가 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 구비한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극으로서,A graphene electrode formed on a substrate; A cluster of hydrophilicized carbon nanotubes that is vertically grown on the graphene electrode and has an open terminal end portion into which the liquid can flow in and out so that a capillary force is formed when the nanotube is immersed in the hydrophilic liquid, A carbon nanotube-graphene hybrid electrode,

상기 탄소나노튜브들의 집단은 친수성 액 중에 담군 후 빼내면서 모세관력을 통해 상기 인접하는 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)을 구비한다.The group of carbon nanotubes includes a lower group (s) to which the open ends of the adjacent carbon nanotubes gather to form a three-dimensional nanostructure through capillary force while dewatered in a hydrophilic liquid.

본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 전기 신호를 자발적으로 방출하는 신경 세포로부터 미세한 전기 신호를 고감도로 측정하기 위해, 기존의 평평한 금속 전극 또는 반도체 전극의 단점을 보완하여, 그래핀 전극 상에 수직하게 성장된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)에 세포가 잘 달라붙을 수 있도록 친수성 및 다양한 3차원 나노구조(예, 말단 부위에 곡면 형태 또는 말단들이 뭉뚝한 원뿔과 같은 곡면을 이루는 원기둥 형태의 3차원 구조)를 부여하고자 소수성인 탄소나노튜브들을 친수성으로 표면개질하고, 친수성 액(예, 물)에 담궜다 빼는 과정을 통하여 모세관력(capillary force)을 이용한 것이 특징이다. The carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention compensates for disadvantages of conventional flat metal electrodes or semiconductor electrodes in order to measure fine electrical signals with high sensitivity from nerve cells spontaneously emitting electric signals, The nanotubes are hydrophilic and have a variety of three-dimensional nanostructures (for example, a curved surface at the distal end or a curved surface such as a cone having a blunt end cone) so that the cells can adhere well to a cluster of carbon nanotubes grown perpendicularly Hydrophobic carbon nanotubes are hydrophilically surface-modified, and capillary force is used by dipping them in a hydrophilic liquid (e.g., water) in order to impart a three-dimensional structure.

나아가, 탄소나노튜브들의 집단(cluster)에 다양한 3차원 나노구조를 부여하기 위해, (i) 하나의 탄소나노튜브들의 집단에서 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)의 개수, (ii) 하부집단의 3차원 나노구조 형태 및/또는 (iii) 탄소나노튜브들의 그래핀 전극 면에 대한 기울기는, Further, in order to impart various three-dimensional nanostructures to a cluster of carbon nanotubes, (i) the number of sub-group (s) to which a three-dimensional nanostructure is imparted in a group of carbon nanotubes, (ii) (Iii) the slope of the carbon nanotubes with respect to the graphene electrode surface,

각 탄소나노튜브의 길이, 하나의 탄소나노튜브들의 집단 내 탄소나노튜브의 밀도, 탄소나노튜브들의 친수처리 방법 또는 정도 및 친수성 액의 종류로 구성된 군에서 하나 이상을 선택 및 조절하여 모세관력을 통해 제어할 수 있다.The length of each carbon nanotube, the density of carbon nanotubes in a group of carbon nanotubes, the method or degree of hydrophilic treatment of carbon nanotubes, and the type of hydrophilic liquid. Can be controlled.

그래핀은 순수한 탄소로 이루어져 있는 2차원 구조체로서 전극으로 형성할 경우 탄소 원자 1개의 두께에 불가하며 높은 투과도 확보가 가능하다. 따라서, 그래핀 전극은 투명 바닥 전극의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 그래핀의 투명한 특성을 이용하면 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 세포 배양하는데 사용시, 세포 형태, 세포 성장 또는 세포 분화를 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 세포의 형태/성장/분화를 관찰하거나, 세포의 전기신호 측정 및/또는 세포에 전기자극을 가하여 이들과 세포의 특성 및/또는 이의 변화와의 상관관계를 분석할 수 있는 소자에 적용할 수 있다. 상기 세포는 줄기세포, 신경세포를 포함할 수 있다. Graphene is a two-dimensional structure composed of pure carbon. When formed as an electrode, it is impossible to obtain a thickness of one carbon atom, and high permeability can be secured. Therefore, the graphene electrode can serve as a transparent bottom electrode. When the carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention is used for cell culture, the cell shape, cell growth or cell differentiation can be confirmed by using the transparent characteristic of graphene. Therefore, the carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention can be used for observing morphology / growth / differentiation of cells, measuring electric signals of cells and / or applying electrical stimulation to cells, Can be applied to a device capable of analyzing the correlation between the input signal and the output signal. The cells may include stem cells, nerve cells.

또한, 그래핀은 이론적인 전기전도성 및 내구성이 우수하며, 유연성이 뛰어나다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 기재로 유연 기재를 사용하여 유연성 소자에 적용할 수 있으며, 신체에 부착 또는 착용(wearable)할 수 있다. 또한, 유연하고 투명한 그래핀 전극을 사용하므로 투명한 플렉서블 소자에도 활용될 수 있다.In addition, graphene has the advantages of excellent theoretical electrical conductivity and durability, and excellent flexibility. Therefore, the carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention can be applied to a flexible device using a flexible substrate as a base material, and can be attached to or worn on the body. In addition, since the flexible and transparent graphene electrode is used, it can be used for a transparent flexible device.

탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 사용용도에 맞도록, 그래핀 전극은 패턴화된 것일 수 있다.The graphene electrode may be patterned to suit the use of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode.

상기 기재는 절연성 및/또는 투명 기재일 수 있거나/있고, 고온에 변형이 되지 않는 것일 수 있다. 기재의 비제한적인 예로는 실리콘, 석영(quartz), 사파이어, 강화유리, 알루미나 등이 있다. The substrate may be an insulating and / or transparent substrate, and / or may not be deformed at high temperatures. Non-limiting examples of the substrate include silicon, quartz, sapphire, tempered glass, alumina and the like.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 그래핀 전극(3)은 전원과 기본전극(2)을 통해 연결될 수 있고, 기본전극(2)은 도 1과 같이 기재 위에 패턴화되어 형성될 수 있다. 패턴화된 기본전극(2)은 포토리소그래피 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 기본전극으로는 그래핀과 좋은 접합을 가지면서 탄소나노튜브 합성 온도(600~700℃)에서도 변형이 없는 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, Cr/Pt 전극을 사용할 수 있다.2, the graphene electrode 3 may be connected to the power source through the base electrode 2, and the base electrode 2 may be patterned on the base material as shown in FIG. The patterned base electrode 2 can be formed by using a photolithography method. As the base electrode, a metal having a good junction with graphene and having no deformation even at a carbon nanotube synthesis temperature (600 to 700 ° C) is used . Specifically, a Cr / Pt electrode can be used.

한편, 탄소나노튜브는 높은 전자 전달 특성, 낮은 전극 임피던스 (impedance), 높은 전하량 (charge capacity)을 가지며, 그래핀과 이음새가 없는 이종접합을 만들 수 있고, 기존의 금속전극을 사용하여 기인되는 접촉면의 저항 문제를 해결할 수 있다. 탄소나노튜브 전극은 전기화학센서에 활용될 경우 넓은 표면적을 가지면서 동시에 확산 제한 효과가 적어 기존의 센서에 비해 민감도가 훨씬 높은 전극을 제작할 수 있으므로 미세한 세포의 신호를 측정하거나 자극하는 생물학적 용도로서도 그 효용이 높다. 또한, 그래핀 및 탄소나노튜브는 안정적인 생체 적합성을 가지며, 신경 세포에 독성이 없다. 따라서, 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 신경 전기자극용 전극으로서의 사용 가능하며, 세포 배양용 및/또는 생체 삽입용으로 사용할 수 있다.On the other hand, carbon nanotubes have a high electron transfer characteristic, a low electrode impedance, and a high charge capacity. Hence, it is possible to make hetero-junctions free from graphene, Can solve the problem of resistance. The carbon nanotube electrode has a large surface area and at the same time has a limited diffusion inhibiting effect when used in an electrochemical sensor, so that an electrode having a much higher sensitivity than the conventional sensor can be manufactured. Therefore, the carbon nanotube electrode can be used for biological applications High utility. In addition, graphene and carbon nanotubes have stable biocompatibility and are not toxic to nerve cells. Therefore, the carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention can be used as an electrode for nerve electrical stimulation, and can be used for cell culture and / or biopsy.

탄소나노튜브는 구조에 따라 한 겹으로 된 단일벽(single-walled) 탄소나노튜브, 여러 겹의 탄소나노튜브가 동심원 상을 이루는 다중벽(multi-walled) 탄소나노튜브로 분류된다. 단일벽 탄소나노튜브는 단순히 흑연판 한 층을 말아놓은 구조로 직경이 0.5 내지 3 nm이며, 이중벽 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 2개층이 동심축을 이룬 형태로 직경이 1.4 ~ 3 nm에 이르고, 다중벽 탄소나노튜브는 3 ~ 15 겹의 층을 이루며 직경은 5 ~ 100 nm에 이른다. Carbon nanotubes are classified into multi-walled carbon nanotubes, which are single-walled carbon nanotubes and multiple-wall carbon nanotubes concentrically formed according to their structures. Single-walled carbon nanotubes are 0.5 to 3 nm in diameter with a single layer of graphite plate. Double-walled carbon nanotubes have a diameter of 1.4 to 3 nm with two concentric single-walled carbon nanotubes , Multi-walled carbon nanotubes have a layer of 3 to 15 layers and a diameter of 5 to 100 nm.

본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 탄소나노튜브들을 그래핀 전극 위 소정 부위들에 밀집하도록 직접 수직 성장시킴으로써 다양한 3차원 구조를 부여하는 대상으로서 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 구비한다. The carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention has a cluster of carbon nanotubes as an object imparting various three-dimensional structures by vertically growing carbon nanotubes directly on predetermined regions on graphene electrodes .

수직한 탄소나노튜브의 길이는 성장 시간에 따라 조절 가능하고, 밀집된 탄소나노튜브들의 집단의 위치는 탄소나노튜브 수직 성장용 촉매층의 위치에 따라서 원하는 형태로 조절 가능하다.The length of the vertical carbon nanotubes can be adjusted according to the growth time, and the position of the group of dense carbon nanotubes can be adjusted to a desired shape depending on the position of the catalyst layer for vertical growth of the carbon nanotubes.

이때, 패턴화된 그래핀 전극 중 일부 소정부위에 탄소나노튜브들의 집단이 패턴화될 수 있다. At this time, a group of carbon nanotubes may be patterned on some predetermined portions of the patterned graphene electrodes.

나아가, 탄소나노튜브들의 집단이 존재하는 부위를 제외한 그래핀 전극 부위에는 절연막이 그 위에 형성되어 있는 것일 수 있다. Further, an insulating film may be formed on the graphene electrode except for a region where the group of carbon nanotubes exists.

절연막은 탄소나노튜브 합성 온도에서 변형이 없으며, 세포 성장시 세포에 독성이 없는 물질인 것이 바람직하다. 또한 간단한 리소그래피 방법과 습식 에칭을 통하여 원하는 형태로 에칭될 수 있는 재료인 것이 바람직하다. 상기 절연막의 비제한적인 예로는 SiO2, Si3N4, Al2O3 등이 있다.The insulating film preferably has no deformation at the carbon nanotube synthesis temperature and is not toxic to the cells upon cell growth. It is also desirable to be a material that can be etched into a desired shape through a simple lithography method and wet etching. Non-limiting examples of the insulating film include SiO 2 , Si 3 N 4 , and Al 2 O 3 .

절연막은 탄소나노튜브가 성장될 부분을 제외한 나머지 부분들을 모두 절연시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 절연막을 형성함으로써 반응이 탄소 나노튜브에서만 일어나도록 제어할 수 있어 전기화학센서에 적용할 경우 훨씬 큰 신호 대잡음비를 기대할 수 있으며 반응과 관계없는 누설전류를 최소화할 수 있는 효과가 있다.The insulating film can isolate all the remaining portions except the portion where the carbon nanotubes are to be grown, so that the characteristics of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to the present invention can be further improved. That is, by forming the insulating film, it is possible to control the reaction to occur only in the carbon nanotubes. Therefore, when applied to an electrochemical sensor, a much larger signal-to-noise ratio can be expected and leakage current irrespective of the reaction can be minimized.

탄소나노튜브는 소수성이므로, 본 발명은 소수성 탄소나노튜브들의 집단에 세포 부착능을 강화하고 모세관력을 통해 다양한 3차원 나노 구조를 부여하기 위해, 탄소나노튜브의 표면을 친수처리한 것이 특징이다.Since the carbon nanotubes are hydrophobic, the present invention is characterized in that the surfaces of the carbon nanotubes are hydrophilically treated in order to enhance the cell adhesion ability to a group of hydrophobic carbon nanotubes and to impart various three-dimensional nanostructures through the capillary force.

탄노나노튜브가 소수성에서 친수성으로 변화하면 XPS에서 실험에서 C-O, C=O 화학적 결합들이 늘어난다. 또한, 물 접촉각 실험에 의해서도 소수성에서 친수성으로 변화를 확인할 수 있다.Changes in the hydrophobic to the hydrophobic nature of Tannonanotube increase the C-O, C = O chemical bonds in the experiment in XPS. Also, the change from hydrophobic to hydrophilic can be confirmed by the water contact angle experiment.

친수처리된 탄소나노튜브들의 집단에 모세관력을 부여하기 위한 친수성 액의 비제한적인 예로는 물, 알코올, 아세톤 등이 있다.Non-limiting examples of hydrophilic liquids for imparting capillary forces to groups of hydrophilicized carbon nanotubes include water, alcohols, and acetone.

본 발명의 일구체예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 투명성과 유연성을 가지는 그래핀 바닥 전극 위에 높은 전도 특성을 지닌 탄소나노튜브들의 집단을 3차원 구조로 직접 합성하여 이음새 없는 이종접합 구조체를 만들어 그 사이의 저항을 낮추며, 수직 성장된 탄소나노튜브들 중 개방형 말단 포함 부위를 친수처리하고 상기 인접하는 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여 탄소나노튜브들의 집단에 다양한 나노 구조를 부여함으로써, 종래의 주로 사용되었던 평평한 금속이나 반도체 전극, 평평한 표면을 가지는 3차원 금속 전극 보다는 더 높은 표면적을 가지며 세포가 잘 달라붙을 수 있는 표면을 제공할 수 있다.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to one embodiment of the present invention can directly synthesize a group of carbon nanotubes having high conductivity on a graphene bottom electrode having transparency and flexibility in a three-dimensional structure to form a seamless heterogeneous junction structure Thereby lowering the resistance therebetween, hydrophilizing the open end-containing portion of the vertically grown carbon nanotubes and gathering the open ends of the adjacent carbon nanotubes to give various nanostructures to the group of carbon nanotubes, A flat metal or semiconductor electrode that has been used predominantly, a surface that has a higher surface area than a three-dimensional metal electrode having a flat surface and on which the cells can adhere well.

본 발명에서는 탄소나노튜브 전극의 표면이 3차원의 나노 구조를 가져 2차원의 면 구조를 가지는 탄소나노튜브 전극의 표면에 비해 더욱 높은 감도를 가질 수 있다. In the present invention, the surface of the carbon nanotube electrode has a three-dimensional nanostructure, so that the surface of the carbon nanotube electrode has higher sensitivity than the surface of the carbon nanotube electrode having a two-dimensional surface structure.

또한, 인접하는 탄소나노튜브들의 친수성 말단들이 모여 상기 탄소나노튜브들의 집단에 부여된 3차원 나노 구조는 신경 세포와 탄소나노튜브 전극간의 결합을 강화시켜서 큰 신호를 측정할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브는 낮은 전극 임피던스 (impedance), 높은 전하량 (charge capacity), 안정적인 생체 적합성을 가짐으로써, 신경 전기자극용 전극으로써의 응용 또한 가능하며, 여기에 그래핀의 유연성 특성이 가해지면서 신체 삽입용 전극으로도 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 투명하고 3차원적이며 높은 감도를 가지는, 수직 성장된 탄소나노튜브-그래핀 전극은 그래핀의 유연성과 함께 유연성 기재를 사용하여 소자를 제작할 경우 신체에 적용될 수 있다.In addition, the hydrophilic terminals of the adjacent carbon nanotubes are gathered and the three-dimensional nanostructure imparted to the group of carbon nanotubes can enhance the binding between the nerve cell and the carbon nanotube electrode, thereby measuring a large signal. In addition, carbon nanotubes have low electrode impedance, high charge capacity, and stable biocompatibility, so that they can be used as an electrode for neural electrical stimulation. As the flexibility properties of graphene are added thereto, It can also be used as an insertion electrode. That is, the vertically grown carbon nanotube-graphene electrode having transparency, three-dimensional and high sensitivity according to the present invention can be applied to the body when the device is manufactured using the flexible substrate together with the flexibility of the graphene.

한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법은 Meanwhile, a method of manufacturing a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to the present invention includes

기재 상에 형성된 그래핀 전극을 준비하는 제1단계;A first step of preparing a graphene electrode formed on a substrate;

상기 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브 수직 성장용 촉매층을 형성하는 제2단계; A second step of forming a carbon nanotube vertical growth catalyst layer on the graphene electrode;

상기 촉매층 상에 탄소나노튜브들을 수직 성장시키는 제3단계; A third step of vertically growing carbon nanotubes on the catalyst layer;

상기 수직 성장된 탄소나노튜브들 중, 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위를 친수처리하는 제4단계; 및A fourth step of hydrophilizing the open end-containing region, from which the liquid can flow in and out, out of the vertically grown carbon nanotubes; And

상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 친수성 액 중에 담군 후 빼내면서 모세관력(capillary force)을 통해 인접한 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 3차원 나노 구조가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)을 형성하는 제5단계를 포함한다.A cluster of vertically grown and hydrophilized carbon nanotubes on the graphene electrode is immersed in the hydrophilic liquid, and the open ends of the adjacent carbon nanotubes are collected through capillary force to form a three-dimensional nanostructure (S) of the carbon nanotubes to which they are attached.

제1단계는 기재 상에 그래핀을 전사 또는 직접 성장시켜 그래핀 전극을 형성시키는 것일 수 있다.In the first step, graphene may be transferred or directly grown on a substrate to form a graphene electrode.

제1단계에서 그래핀 전극은 저압화학기상증착법 (LPCVD) 또는 열화학기상법으로 증착된 그래핀 또는 환원된 산화그래핀일 수 있다.In the first step, the graphene electrode may be graphene deposited on a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or thermochemical vapor deposition, or a reduced oxide graphene.

제2단계는, 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브의 성장을 유도하고 촉진하기 위한 촉매층을 형성하는 단계이다.The second step is to form a catalyst layer for inducing and promoting the growth of carbon nanotubes on the graphene electrode.

제2단계에서 촉매층은 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 한 특별히 제한되지 아니하나, 전이금속 화합물, 금속 및/또는 반도체성 나노입자일 수 있다. 이들은 직경이 작은 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.In the second step, the catalyst layer is not particularly limited as long as it can grow carbon nanotubes, but may be a transition metal compound, a metal and / or a semiconducting nanoparticle. These can grow carbon nanotubes of small diameter.

상기 촉매층은 바닥전극인 그래핀 전극 상부에 증착되어 형성될 수 있으며, 이때, 상기 증착은 진공챔버 내에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한을 두지는 않는다.The catalyst layer may be formed on the graphene electrode, which is a bottom electrode, and the deposition may be performed in a vacuum chamber. However, the present invention is not limited thereto.

일 구현예로서, 제2단계에서 탄소나노튜브 수직 성장용 촉매층은 알루미늄 박막 및 철 박막을 포함하는 다층막 구조, 예컨대 Al/Fe의 이중층 구조일 수 있다. In one embodiment, the catalyst layer for vertical growth of carbon nanotubes in the second step may be a multi-layer structure including an aluminum thin film and an iron thin film, for example, a bilayer structure of Al / Fe.

이때, 상기 알루미늄 박막의 두께는 5 내지 15 nm 일 수 있다. 5 nm 미만인 경우에는 알루미늄 박막이 산화되면서 전기적 접촉이 나쁜 문제점이 있으며, 15 nm 를 초과하는 경우에는 탄소 나노튜브를 성장시키는 공정단가가 상승하는 문제점이 있으며, 또한 바닥 전극과의 접촉저항이 커지는 문제점이 있다.At this time, the thickness of the aluminum thin film may be 5 to 15 nm. When the thickness is less than 5 nm, there is a problem that the aluminum thin film is oxidized and the electrical contact is bad. When the thickness is more than 15 nm, the process cost of growing the carbon nanotube increases, .

또한, 상기 철 박막의 두께는 1 내지 10 nm 일 수 있다. 1 nm 미만인 경우에는 탄소 나노튜브가 수평으로 성장되거나 수직으로 잘 성장하지 않는 문제점이 있으며, 10 nm 를 초과하는 경우에는 탄소나노튜브의 직경이 지나치게 커지거나 탄소나노튜브가 잘 성장하지 않는 문제점이 있다.The thickness of the iron thin film may be 1 to 10 nm. When the thickness is less than 1 nm, the carbon nanotube grows horizontally or does not grow vertically. When the thickness exceeds 10 nm, the diameter of the carbon nanotube becomes too large or the carbon nanotube does not grow well .

제3단계는, 촉매층을 매개로 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브를 수직 성장시켜 촉매층 형성 영역에 탄소나노튜브들의 집단을 형성시키는 단계이다. 이때, 탄소나노튜브들은 수직으로 성장하는 것이 바람직하나, 그래핀 전극 면에 대해 기울어져 성장하는 경우도 본 발명의 범주에 속한다. The third step is to vertically grow the carbon nanotubes on the graphene electrode through the catalyst layer to form a group of carbon nanotubes in the catalyst layer forming region. At this time, it is preferable that the carbon nanotubes grow vertically, but the case where the carbon nanotubes grow at an angle to the graphene electrode surface falls within the scope of the present invention.

기재 면에 대해 수평으로 성장된 탄소나노튜브와 비교하여, 수직으로 성장된 탄소나노튜브들은 더욱 높은 접촉 면적을 달성할 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 탄소나노튜브의 높은 비표면적을 최대한 이용할 수 있다.As compared with the carbon nanotubes grown horizontally with respect to the substrate surface, the vertically grown carbon nanotubes have an effect of achieving a higher contact area, and thus can maximally utilize the high specific surface area of the carbon nanotubes .

제3단계에서 탄소나노튜브는 플라즈마화학기상증착을 통해 성장시킬 수 있다. 플라즈마화학기상증착법은 플라즈마를 이용하여 수행되는 방법으로써 양전극에 인가되는 고주파 전원에 의해 챔버 또는 반응로 내에 글로우 방전을 발생시키는 방법이다. 이는 열화학기상 증착법에 비해서 저온에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 장점이 있으며, 기재에 수직으로 배향되는 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 장점이 있다. 플라즈마화학기상증착법은 600 내지 700℃에서 메탄 가스를 카본 소스로 사용하여 수행 가능하다.In the third step, carbon nanotubes can be grown by plasma chemical vapor deposition. The plasma chemical vapor deposition method is a method of performing glow discharge in a chamber or a reaction chamber by a high frequency power source applied to a positive electrode, which is performed by using plasma. This has the advantage of being able to synthesize carbon nanotubes at a low temperature as compared with the thermochemical vapor deposition method, and has the advantage of growing carbon nanotubes oriented perpendicularly to the substrate. Plasma chemical vapor deposition can be performed using methane gas as a carbon source at 600 to 700 ° C.

제4단계는 소수성의 표면 특성을 갖는 탄소나노튜브의 표면을 친수성으로 변화시키는 단계이다.The fourth step is to change the surface of the carbon nanotubes having hydrophobic surface characteristics to hydrophilic.

상기 친수처리는 자외선-오존 처리 또는 산소(O2) 플라즈마 처리를 통하여 수행 가능하며, 이외에도 다양한 공지 방법이 적용 가능하다.The hydrophilic treatment can be performed by ultraviolet-ozone treatment or oxygen (O 2 ) plasma treatment, and various known methods can be applied.

제5단계는, 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단을 물과 같은 친수성 액 중에 담군 후 빼내면서 모세관력(capillary force)을 통해 인접한 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 3차원 나노 구조(예, 말단 부위에 곡면 형태 또는 말단들이 뭉뚝한 원뿔과 같은 곡면을 이루는 원기둥 형태의 3차원 구조)가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)을 형성하는 단계이다.In the fifth step, a group of hydrophilicized carbon nanotubes is immersed in a hydrophilic liquid such as water and then withdrawn, while the open ends of adjacent carbon nanotubes are gathered through a capillary force to form a three-dimensional nanostructure A curved surface that is a curved surface, such as a curved cone, Dimensional structure of the carbon nanotubes) is formed.

제5단계에서, (i) 하나의 탄소나노튜브들의 집단에서 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)의 개수, (ii) 하부집단의 3차원 나노구조 형태 또는 (iii) 탄소나노튜브들의 그래핀 전극 면에 대한 기울기는 각 탄소나노튜브의 길이, 하나의 탄소나노튜브들의 집단 내 탄소나노튜브의 밀도, 탄소나노튜브들의 친수처리 방법 또는 정도 및 친수성 액의 종류로 구성된 군에서 하나 이상을 선택 및 조절하여 모세관력을 통해 제어할 수 있다.In the fifth step, the number of sub-groups (s) to which the three-dimensional nanostructures are imparted in a group of (i) one carbon nanotubes, (ii) The slope of the graphene electrode surface may be selected from the group consisting of the length of each carbon nanotube, the density of carbon nanotubes in a group of carbon nanotubes, the method or degree of hydrophilic treatment of carbon nanotubes, and the type of hydrophilic liquid. And can be controlled through the capillary force.

제1단계에서 그래핀 전극은 패턴화된 것일 수 있다. 예컨대, 투명 기재에 투명 바닥 전극의 역할을 하는 그래핀층을 전사 또는 직접 성장시킨 뒤 포토리소그래피 방법을 통하여 패턴화하여 패턴화된 그래핀 전극을 형성시킬 수 있다. In the first step, the graphene electrode may be patterned. For example, a graphene layer serving as a transparent bottom electrode may be transferred or directly grown on a transparent substrate, and patterned through photolithography to form a patterned graphene electrode.

제2단계에서 촉매층은 제1단계의 그래핀 전극 상에 절연막을 형성시키고 그래핀 전극 상 탄소나노튜브 수직 성장을 원하는 부위에 있는 절연막을 제거한 후 촉매층을 형성하여 패턴화시킬 수 있다. 촉매층 형성을 위해 절연막을 제거하는 것이므로, 제거하고자 하는 절연막의 영역은 촉매층 형성을 위한 영역이며, 3차원 나노 구조가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)을 형성하기 위한 영역이다. 따라서, 제5단계에서 3차원 나노 구조가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)의 위치는 촉매층 패턴에 대응하여 패턴화시킬 수 있다. 에칭을 통해 절연막을 제거할 수 있다.In the second step, the catalyst layer may be patterned by forming an insulating layer on the graphene electrode of the first step, forming an oxide layer on the graphene electrode by removing the insulating layer on the region where the carbon nanotubes are vertically grown. Since the insulating film is removed to form the catalyst layer, the region of the insulating film to be removed is a region for forming the catalyst layer and is a region for forming the lower group (s) of the three-dimensional nanostructured carbon nanotubes. Accordingly, in the fifth step, the position of the sub-group (s) of the carbon nanotubes to which the three-dimensional nanostructures are imparted can be patterned corresponding to the catalyst layer pattern. The insulating film can be removed through etching.

나아가, 본 발명은 본 발명에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극; 및 상기 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에 부착된 세포를 구비한 키트를 제공한다. 이때, 상기 키트에서 세포를 배양 또는 분화시킬 수 있으므로, 상기 키트는 세포치료제가 탑재된 생체삽입용 소자로 사용가능하다.Further, the present invention provides a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to the present invention; And a cell attached on the carbon nanotube-graphene hybrid electrode. At this time, since the cells can be cultured or differentiated from the kit, the kit can be used as a biomedical device on which a cell therapeutic agent is mounted.

또한, 본 발명은 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에서 세포를 배양 또는 분화하는 단계; 및The present invention also relates to a method for culturing or differentiating cells on a carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention; And

상기 배양 또는 분화된 세포로부터 발생하는 전기 신호를 분석하는 단계를 포함하는 세포 분석 방법을 제공한다.And analyzing an electric signal generated from the cultured or differentiated cells.

세포 특성 측정 장치에 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극을 적용하면 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에서 다양한 조건하 세포를 배양 또는 분화시킬 수 있으며, 동시에 세포로부터 발생하는 전기 신호를 분석함으로써 세포 분석이 가능하다.When the carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention is applied to a cell characteristic measuring apparatus, cells can be cultured or differentiated on a carbon nanotube-graphene hybrid electrode under various conditions, and at the same time, Cell analysis is possible.

상기 세포는 자발적 전기 신호를 발생할 수 있거나 전기적 자극에 의해 전기 신호를 발생할 수 있는 세포일 수 있으며, 특히 전기적인 신호를 자발적으로 방출하는 신경 세포의 전기적인 신호를 감지하여 신경 세포의 특성을 측정하는 장치에 적용할 수 있다.The cell may be a cell capable of generating a spontaneous electrical signal or generating an electrical signal by electrical stimulation. In particular, the cell senses an electrical signal of a nerve cell spontaneously emitting an electrical signal, Device.

세포를 배양시키기 전에, 본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 표면 상에서 세포부착인자를 먼저 처리할 수 있다. 세포부착인자로는 poly-D-lysine을 사용할 수 있으며, 이외에도 사용되는 세포에 맞게 적절한 세포부착인자를 선택하여 사용할 수 있다.Before culturing the cells, the cell adhesion factor may be first treated on the surface of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention. As the cell attachment factor, poly-D-lysine can be used. In addition, suitable cell attachment factors can be selected and used according to the used cells.

본 발명의 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은, 넓은 친수성 표면적과 3차원 구조가 부여되어 있는, 우수한 전자전달특성을 가지는 탄소나노튜브들의 집단을 통해 세포가 잘 달라붙을 수 있는 미세구조를 가지며, 이는 세포와 전극간의 거리를 좁히는 기능을 하여 세포의 미세한 전기신호를 고감도로 측정할 수 있을 뿐만아니라, 투명 탄소 전극으로 제조가능하므로 세포 관찰이 가능하다. The carbon nanotube-graphene hybrid electrode of the present invention has a microstructure in which cells are adhered to each other through a group of carbon nanotubes having a wide hydrophilic surface area and a three-dimensional structure and having excellent electron transfer characteristics, This function can narrow the distance between the cell and the electrode, so that it can measure the minute electric signal of the cell with high sensitivity, and it can be made into a transparent carbon electrode, so that the cell can be observed.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 및 B-B'를 따라 취해진 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조공정을 나타낸 일련의 단면도이다. 도 3a는 투명한 절연성 기판 (1) 위에 기본 전극으로서 Cr/Pt 전극 (2)이 패턴화되어 형성된 단면도이다. 도 3b는 Cr/Pt 전극 (2)에 접합하여 그래핀 전극(3)이 패턴화되어 형성된 단면도이다. 도 3c는 Cr/Pt 전극 (2) 및 그래핀 전극(3) 상에 절연막(4)이 형성된 단면도이다. 도 3d는 그래핀 전극(3) 상 특정 부위의 절연막(4)을 에칭 후 노출된 그래핀 전극(3) 상에 탄소나노튜브들을 수직성장시키기 위한 Al/Fe 촉매층(5)이 형성된 단면도이다.
도 4은 실시예 1에 따라 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 제작과정에서 촉매층 상 수직 성장된 탄소나노튜브 표면의 자외선-오존 처리 전후의 표면 특성 변화를 측정한 결과이다. 여기서 (a) 및 (b)는 XPS 분석 결과이고, (c)는 접촉각 측정 결과이다.
도 5(a)는 실시예 1에서 제작된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 사진이고, 도 5(b)는 실시예 1에서 제작된 전극 상에 신경 세포가 부착 배양된 모습의 개념적이며, 도 5(c)(저배율) 및 도 5(d)(고배율)는 실시예 1에서 제작된 전극의 전자현미경 사진이다.
도 6 실시예 1에 따라 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 제작과정에서, 수직 성장된 탄소나노튜브의 표면 형태를 성장 직후(a), 자외선-오존 처리 후(b), 수용액 처리 후(c)에 조사한 결과, 및 산소(O2) 플라즈마 처리 후 (d) 조사한 결과이다. (c) 및 (d)를 비교하면, 변형된 구조를 가지는 탄노나노튜브 집단은 변형구조를 가지기 전의 구조보다 강한 플라즈마 내성을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 단시간 (1-2분) 플라즈마 처리시 세포 배양을 위한 세포 부착인자를 효율적으로 붙일 수 있는 친수성 표면 강화와 클리닝 효과를 준다.
도 7은 실시예 1에서 제작된 전극 상에서 신경세포를 28일 동안 성장시키면서 성장하는 모습을 관찰한 결과이다.
도 8은 성장 7일째 전극에 부착된 신경 세포의 형광현미경 사진(a) 및 전자현미경 사진(b)이다.
도 9는 배양 후 7일에 신경 세포로부터 측정한 전기적 신호 결과이다. 여기에서, E01, E28, E29는 각기 다른 전극이다.
도 10은 편평한 상업 전극에서 기록된 신호와 비교하여 실시예 1에서 개질된 나노스케일 표면을 가진 3차원 VACNT 전극 상에서 기록된 신호이다. (a) 대표적인 VACNTs 전극 (diameter: 5 μm, height: 7-10 μm) 및 편평한 상업 전극(TiN, diameter: 30 μm)의 신호들을 각각 27 DIV 및 28 DIV에서 기록하였다. (b) VACNT 전극 (n=5)의 최대 스파이크 진폭은 대략 1.2 mV인 반면, 대조적으로 상업 전극 (n=5)에서 얻은 대응값은 간신히 218 μV이었다. (c)와 (d)는 진폭의 함수(inset: number of detected spikes versus the spike amplitude)로서 각각 VACNTs 전극 및 (d) 편평한 TiN 전극을 사용하여 확인한 검출한 보정된 스파이크들이다. **P < 0.01
1 is a plan view of a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to an embodiment of the present invention taken along AA 'and B-B' in FIG. 1.
3 is a series of cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to an embodiment of the present invention. 3A is a cross-sectional view in which a Cr / Pt electrode 2 is patterned as a base electrode on a transparent insulating substrate 1. 3B is a cross-sectional view of the graphene electrode 3 patterned by bonding to the Cr / Pt electrode 2. 3C is a cross-sectional view in which an insulating film 4 is formed on the Cr / Pt electrode 2 and the graphene electrode 3. FIG. 3D is a sectional view in which an Al / Fe catalyst layer 5 for vertically growing carbon nanotubes is formed on the graphene electrode 3 exposed after etching the insulating film 4 at a specific region on the graphene electrode 3.
FIG. 4 is a graph illustrating a change in surface characteristics of a carbon nanotube grown on a catalyst layer before and after UV-ozone treatment in the process of fabricating a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to Example 1. FIG. Here, (a) and (b) are XPS analysis results, and (c) are contact angle measurement results.
FIG. 5 (a) is a photograph of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode fabricated in Example 1, and FIG. 5 (b) is a conceptual diagram showing a state in which nerve cells are adhered and cultured on the electrode fabricated in Example 1, FIG. 5 (c) (low magnification) and FIG. 5 (d) (high magnification) are electron micrographs of the electrode manufactured in Example 1.
6 (a), (b), (b), and (c) after the treatment of the aqueous solution, the surface morphology of the vertically grown carbon nanotubes in the process of fabricating the carbon nanotube- , And (d) after oxygen (O 2 ) plasma treatment. (c) and (d), it can be seen that the group of the tan nanotube having the modified structure has stronger plasma resistance than the structure before having the deformed structure. This results in a hydrophilic surface strengthening and cleaning effect that can efficiently adhere cell adhesion factors for cell culture during a short time (1-2 minutes) plasma treatment.
FIG. 7 shows the results of observing growth of neurons on the electrodes prepared in Example 1 for 28 days.
8 is a fluorescence microscope photograph (a) and an electron microscope photograph (b) of neurons attached to the electrode on the 7th day of growth.
FIG. 9 shows electrical signals measured from neurons at 7 days after culturing. Here, E01, E28, and E29 are different electrodes.
10 is a signal recorded on a three-dimensional VACNT electrode having a nanoscale surface modified in Example 1 compared to a signal recorded on a flat commercial electrode. (a) Signals of representative VACNTs electrodes (diameter: 5 μm, height: 7-10 μm) and flat commercial electrodes (TiN, diameter: 30 μm) were recorded at 27 DIV and 28 DIV, respectively. (b) The maximum spike amplitude of the VACNT electrode ( n = 5) was approximately 1.2 mV, while the corresponding value obtained on the commercial electrode ( n = 5) was barely 218 μV. (c) and (d) are the corrected spikes detected using a VACNTs electrode and (d) a flat TiN electrode as a function of the amplitude (inset: number of detected spikes versus the spike amplitude). ** P < 0.01

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for describing the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1:  One: 그래핀Grapina 전극 상에 탄소나노튜브들이 수직 성장된  When carbon nanotubes are vertically grown on the electrode 하이브리드hybrid 전극의 제조 Manufacture of electrodes

도 3에 예시된 제조공정에 따라 투명한 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브들이 수직 성장된 하이브리드 전극을 제작하였다.According to the manufacturing process illustrated in FIG. 3, a hybrid electrode having carbon nanotubes grown vertically on a transparent graphene electrode was fabricated.

먼저, 두께가 10 ㎛인 구리막 위에서 저압 화학기상증착법 (LPCVD)을 통하여 1000℃에서 40분간 메탄(CH4) 가스와 수소(H2) 가스를 1:1 (30 : 30 sccm) 비율로 흘려주면서 그래핀 필름을 합성하였다. First, methane (CH 4 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas are flowed at a ratio of 1: 1 (30: 30 sccm) at 1000 ° C. for 40 minutes through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process on a copper film having a thickness of 10 μm The graphene film was synthesized.

Cr/Pt (10/30 nm) 전극이 패턴화되어 준비된 석영 기판에, PMMA (polymethyl methacrylate)-보조 습식 전사방법을 이용하여 상기 그래핀 필름을 전사시키고, 전사된 기판에 포토리소그래피 방법과 Ar/O2 (1:5, v/v) 혼합 가스를 이용하여 20분간 플라즈마 에칭을 통하여 원하는 전극 형태로 그래핀 전극을 패터닝하였다. The graphene film was transferred onto a quartz substrate prepared by patterning Cr / Pt (10/30 nm) electrodes using a polymethyl methacrylate (PMMA) -substrate wet transfer method, and a photolithography method and an Ar / O 2 (1: 5, v / v) mixed gas for 20 minutes to pattern the graphene electrode into a desired electrode shape.

그래핀 전극 패턴화가 완료된 기판에, PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 약 500 nm의 SiO2 절연막을 형성시켰다. 포토리소그래피 방법을 이용하여 그래핀 전극 상 탄소나노튜브 수직 성장을 원하는 부위에 있는 절연막을 습식 에칭하여 윈도우를 형성한 후, 탄소나노튜브의 성장 촉매인 Al/Fe (8:1.4 nm)를 열과 전자빔 증착 방법을 통하여 상기 윈도우 안에 증착하였으며, 아세톤을 통하여 윈도우 밖 나머지 부분을 제거하였다. An SiO 2 insulating film of about 500 nm was formed on the substrate having the patterned graphene electrodes by using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method. A window was formed by wet etching an insulating film on a graphene electrode in a region where vertical growth of carbon nanotubes was desired by photolithography. Al / Fe (8: 1.4 nm), which is a growth catalyst of carbon nanotubes, Deposition was carried out through the window and the rest of the window was removed through acetone.

카본 소스로는 메탄가스를 사용하여, 촉매가 증착된 그래핀 전극 위에 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)을 통하여 약 650℃에서 탄소나노튜브를 수직 성장시켰다. 수직 성장된 탄소나노튜브 전극의 반경 및 길이 각각은 촉매 패턴 및 성장시간에 따라 조절하였다.Carbon nanotubes were vertically grown at about 650 ° C. by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) on a graphene electrode on which a catalyst was deposited by using methane gas as a carbon source. The radius and the length of each vertically grown carbon nanotube electrode were controlled according to the catalyst pattern and growth time.

수직 성장된 탄소나노튜브들은 표면 특성이 소수성이기 때문에 표면 특성을 약 20분 동안 자외선-오존 처리를 수행하여 친수성으로 바꿔주었다. The surface properties of the vertically grown carbon nanotubes were hydrophobic, so the surface properties were changed to hydrophilic by performing ultraviolet-ozone treatment for about 20 minutes.

상기와 같이 수직 성장되고 친수처리된 탄소나노튜브들을 물에 담궜다 빼는 과정에서 모세관력 (capillary force)을 통해 그래핀 전극 표면에서 수직 성장된 탄소나노튜브들이 뭉쳐 말단들이 뭉뚝한 원뿔과 같은 곡면을 이루는 3차원 나노 구조(들)을 형성시켰다. The carbon nanotubes vertically grown on the surface of the graphene electrode through the capillary force in the process of dipping the vertically grown and hydrophilized carbon nanotubes into water are formed into a curved surface such as a cone, Dimensional nanostructure (s).

실험예Experimental Example 1:  One: 친수처리된Hydrophilic 탄소나노튜브- Carbon nanotubes - 그래핀Grapina 하이브리드hybrid 전극의 표면 특성 분석 Analysis of electrode surface characteristics

상기 실시예 1에 따라 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브들을 수직 성장시키고 난 후, 탄소나노튜브들의 표면을 자외선-오존 처리하기 이전과 이후에 XPS 및 수접촉각을 측정하였다. 자외선-오존을 처리한 후 산소 기능기가 늘어나는 것을 XPS와 수접촉각을 이용하여 확인하였다. After the carbon nanotubes were vertically grown on the graphene electrode according to Example 1, the XPS and water contact angles were measured before and after the UV-ozone treatment of the surface of the carbon nanotubes. Ultraviolet-ozone treatment was followed by XPS and water contact angles.

그 결과를 도 4에 나타내었다. 여기서 (a) 및 (b)는 XPS 분석 결과이도, (c)는 접촉각 측정 결과이다.The results are shown in Fig. Here, (a) and (b) are XPS analysis results and (c) are contact angle measurement results.

도 4을 통해, 자외선-오존 처리에 따라 수직 성장된 탄소나노튜브의 표면이 친수성으로 변화됨을 알 수 있다.4, it can be seen that the surface of the vertically grown carbon nanotubes is changed to hydrophilic by ultraviolet-ozone treatment.

실험예Experimental Example 2:  2: 그래핀Grapina 전극 상에 수직 성장된 탄소나노튜브의 말단들이 모여 말단들이 뭉뚝한 원뿔과 같은 곡면을 이루는 원기둥과 같은 3차원 나노 구조(들)가 형성된 탄소나노튜브- A carbon nanotube-like structure having a three-dimensional nanostructure (s) such as a cylinder having curved ends formed by collecting ends of vertically grown carbon nanotubes on an electrode, 그래핀Grapina 하이브리드hybrid 전극의  Electrode 이미징Imaging

도 5(a)은 상기 실시예 1에서 제작된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 사진이다. 도 5(b)은 상기 실시예 1에서 제작된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에 신경 세포가 부착된 모습을 개념적으로 도시한 것이다. 5 (a) is a photograph of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode fabricated in Example 1 above. FIG. 5 (b) conceptually shows the attachment of nerve cells on the carbon nanotube-graphene hybrid electrode fabricated in Example 1. FIG.

상기 실시예 1에서 제작된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 모습을 전자현미경으로 관찰한 이미지를 도 5(c)(저배율) 및 도 5(d)(고배율)에 나타내었다. 상기 결과를 통해, 패턴화된 그래핀 전극 상에 부분적으로 탄소나노튜브 집단들이 형성되어 있으며, 그래핀 전극 상 특정 부위에 탄소나노튜브들이 수직성장하여 탄소나노튜브들의 집단이 형성되어 있고, 각 집단의 탄소나노튜브의 말단들이 모여 있다는 것을 확인할 수 있다.5 (c) (low magnification) and 5 (d) (high magnification) images of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode fabricated in Example 1 were observed under an electron microscope. As a result, carbon nanotube groups are partially formed on the patterned graphene electrode, and carbon nanotubes are vertically grown on specific regions of the graphene electrode to form a group of carbon nanotubes. Of the carbon nanotubes are gathered.

실험예Experimental Example 3: 탄소나노튜브 전극 표면의 형태 변화 분석 3: Analysis of shape change of carbon nanotube electrode surface

상기 실시예 1에 따라 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 제작과정에서, 수직 성장된 탄소나노튜브들의 표면 형태를 성장 직후, 자외선-오존 처리 후, 수용액 처리 후에 조사하였다. 또한, 산소(O2) 플라즈마 처리 후 수직 성장된 탄소나노튜브의 표면 형태도 조사하였다.The surface morphology of vertically grown carbon nanotubes was investigated immediately after growth, after ultraviolet-ozone treatment, and after aqueous solution treatment in the process of fabricating carbon nanotube-graphene hybrid electrodes according to Example 1 above. The surface morphology of vertically grown carbon nanotubes after oxygen (O 2 ) plasma treatment was also investigated.

도 6에서, (a)는 성장 직후, (b)는 자외선-오존 처리 후, (c)는 수용액 처리 후, (d)는 산소(O2) 플라즈마 처리 후의 모습이다.In FIG. 6, (a) shows the state immediately after growth, (b) shows ultraviolet-ozone treatment, (c) shows aqueous solution treatment, and (d) shows oxygen (O 2 ) plasma treatment.

도 6 (c) 및 (d)를 통해, 수직 성장된 탄소나노튜브들을 친수처리 및 수용액 처리하면 탄소나노튜브의 말단들이 모인 3차원의 나노 구조가 형성됨을 알 수 있다. 또한, 강한 플라즈마 내성을 가져, 단시간 (1-2분) 플라즈마 처리시 세포 배양을 위한 세포 부착인자를 효율적으로 붙일 수 있다.6 (c) and 6 (d), when the vertically grown carbon nanotubes are subjected to the hydrophilic treatment and the aqueous solution treatment, the three-dimensional nanostructures including the ends of the carbon nanotubes are formed. In addition, it has strong plasma resistance and can efficiently attach a cell attachment factor for cell culture during a short time (1-2 minutes) plasma treatment.

실험예Experimental Example 4: 탄소나노튜브- 4: Carbon nanotubes - 그래핀Grapina 하이브리드hybrid 전극을 이용한 신경세포의 신호 측정 Signal measurement of nerve cells using electrodes

상기 실시예 1과 같이 제작된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 투명 전극을 이용하여 신경세포의 전기적 신호를 측정하였다.Electrical signals of nerve cells were measured using a carbon nanotube-graphene hybrid transparent electrode fabricated as in Example 1 above.

세포의 신호 측정을 위해 실시예 1의 하이브리드 투명 전극 표면을 poly-D-lysine으로 코팅한 후 SD rat의 신경세포를 배양하였다.For signal measurement of the cells, the surface of the hybrid transparent electrode of Example 1 was coated with poly-D-lysine, and neural cells of SD rats were cultured.

도 7을 통해, VACNT-graphene 하이브리드 투명 전극 상에서 신경세포가 약 한달 정도 잘 성장하는 것을 확인할 수 있다.7, it can be confirmed that the neuron grows well on the VACNT-graphene hybrid transparent electrode for about one month.

성장 7일째 전극에 부착된 신경 세포의 형광현미경 사진(a) 및 전자현미경 사진(b)을 도 8에 나타내었다. 세포가 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 투명 전극 위에서 잘 성장하는 것을 확인할 수 있다. A fluorescence microscope (a) and an electron micrograph (b) of the neurons attached to the electrode on the 7th day of growth are shown in Fig. Cells are well grown on carbon nanotube-graphene hybrid transparent electrodes.

또한, 도 9를 통해 배양 후 7일에 측정한 전기적 신호로부터 신경세포의 자발적인 스파이크들이 잘 나타나는 것을 볼 수 있다. 도 9에서, E01, E28, E29는 각기 다른 전극이다.In addition, spontaneous spikes of nerve cells can be seen from the electrical signals measured at 7 days after culturing through Fig. In Fig. 9, E01, E28 and E29 are different electrodes.

친수처리를 하지 않을 시 세포를 키울 수 없는 환경이며, 도 10에는 탄노나노튜브-그래핀 하이브리드 전극과 기존의 상업 TiN 전극을 비교실험한 데이터들이 도시되어 있다. 10 is an environment in which cells can not be grown when the hydrophilic treatment is not carried out. FIG. 10 shows data obtained by comparing the conventional commercial TiN electrode with the Tannonanotube-graphene hybrid electrode.

1: 투명한 절연성 기판 2: Cr/Pt 전극
3: 그래핀 전극 4: 절연막
5: Al/Fe 촉매층 6: 수직 성장된 탄소나노튜브들
1: transparent insulating substrate 2: Cr / Pt electrode
3: graphene electrode 4: insulating film
5: Al / Fe catalyst layer 6: vertically grown carbon nanotubes

Claims (20)

기재 상에 형성된 그래핀 전극; 상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고, 친수성 액 중에 담근 후 빼낼 때 모세관력(capillary force)이 형성되도록 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위가 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 구비한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극으로서,
탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 세포 형태, 세포 성장 또는 세포 분화를 확인할 수 있을 정도로 투명하며, 상기 탄소나노튜브들의 집단은 친수성 액 중에 담근 후 빼내면서 모세관력을 통해 상기 인접하는 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 말단이 뭉뚝한 원뿔형의 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)을 구비한 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.
A graphene electrode formed on a substrate; A cluster of hydrophilicized carbon nanotubes that is vertically grown on the graphene electrode and has an open terminal end portion that can flow in and out to form a capillary force when immersed in the hydrophilic liquid and then withdrawn, A carbon nanotube-graphene hybrid electrode,
The carbon nanotube-graphene hybrid electrode is transparent enough to confirm cell morphology, cell growth or cell differentiation, and the population of carbon nanotubes is immersed in a hydrophilic liquid, A carbon nanotube-graphene hybrid electrode comprising a plurality of open end-assemblies and a bottom group (s) provided with a truncated conical three-dimensional nanostructure.
제1항에 있어서, (i) 하나의 탄소나노튜브들의 집단에서 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)의 개수, (ii) 하부집단의 3차원 나노구조 형태 또는 (iii) 탄소나노튜브들의 그래핀 전극 면에 대한 기울기는, 각 탄소나노튜브의 길이, 하나의 탄소나노튜브들의 집단 내 탄소나노튜브의 밀도, 탄소나노튜브들의 친수처리 방법 또는 정도 및 친수성 액의 종류로 구성된 군에서 하나 이상을 선택 및 조절하여 모세관력을 통해 제어된 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The method of claim 1, wherein the number of sub-groups (s) to which the three-dimensional nanostructures are imparted in a population of carbon nanotubes, (ii) the three-dimensional nanostructured form of the sub-population, or (iii) The inclination of the carbon nanotubes on the surface of the graphene electrode is one of the group consisting of the length of each carbon nanotube, the density of the carbon nanotubes in one group of carbon nanotubes, the method or degree of hydrophilic treatment of the carbon nanotubes, Wherein the carbon nanotube-graphene hybrid electrode is controlled by capillary force. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 세포를 배양하는데 사용되는 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotube-graphene hybrid electrode is used for culturing cells. 제1항에 있어서, 신경세포를 배양하는데 사용되는 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 1, which is used for culturing neurons. 제1항에 있어서, 그래핀 전극은 패턴화된 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode of claim 1, wherein the graphene electrode is patterned. 제5항에 있어서, 패턴화된 그래핀 전극 중 일부 소정부위에 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)이 패턴화된 것이고, 탄소나노튜브들의 집단이 존재하는 부위를 제외한 그래핀 전극 부위는 절연막이 그 위에 형성되어 있는 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.6. The method of claim 5, wherein a cluster of carbon nanotubes hydrophilically treated at a predetermined portion of the patterned graphene electrode is patterned, and the graphene electrode portion except for the region where the group of carbon nanotubes exist is Wherein an insulating film is formed thereon. 제1항에 있어서, 친수처리는 UV-Ozone 처리 또는 O2 플라즈마 처리인 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 1, wherein the hydrophilic treatment is a UV-Ozone treatment or an O 2 plasma treatment. 제1항에 있어서, 상기 기재는 유연 기재인 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 1, wherein the substrate is a flexible substrate. 제1항에 있어서, 생체 삽입용인 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 1, which is for implantation. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 세포에 전기자극을 부여하거나 세포의 전기신호를 검출하는데 사용되는 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극.
10. The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to any one of claims 1 to 9, wherein the carbon nanotube-graphene hybrid electrode is used for imparting electric stimulation to cells or for detecting electric signals of cells.
기재 상에 형성된 그래핀 전극을 준비하는 제1단계;
상기 그래핀 전극 상에 탄소나노튜브 수직 성장용 촉매층을 형성하는 제2단계;
상기 촉매층 상에 탄소나노튜브들을 수직 성장시키는 제3단계;
상기 수직 성장된 탄소나노튜브들 중, 액이 유입 및 유출될 수 있는 개방형 말단 포함 부위를 친수처리하는 제4단계; 및
상기 그래핀 전극 상에 수직 성장되고 친수처리된 탄소나노튜브들의 집단(cluster)을 친수성 액 중에 담근 후 빼내면서 모세관력(capillary force)을 통해 인접한 탄소나노튜브들의 개방형 말단들이 모여, 말단이 뭉뚝한 원뿔형의 3차원 나노 구조가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)을 형성하는 제5단계를 포함하는, 세포 형태, 세포 성장 또는 세포 분화를 확인할 수 있을 정도로 투명한 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법.
A first step of preparing a graphene electrode formed on a substrate;
A second step of forming a carbon nanotube vertical growth catalyst layer on the graphene electrode;
A third step of vertically growing carbon nanotubes on the catalyst layer;
A fourth step of hydrophilizing the open end-containing region, from which the liquid can flow in and out, out of the vertically grown carbon nanotubes; And
A cluster of vertically grown and hydrophilized carbon nanotubes on the graphene electrode is immersed in a hydrophilic liquid and then drawn out to form open ends of adjacent carbon nanotubes through a capillary force, A fifth step of forming a lower group (s) of carbon nanotubes to which a conical three-dimensional nanostructure is imparted; a carbon nanotube-graphene hybrid electrode which is transparent enough to confirm cell morphology, cell growth or cell differentiation &Lt; / RTI &gt;
제11항에 있어서, 제5단계에서, (i) 하나의 탄소나노튜브들의 집단에서 3차원 나노 구조가 부여된 하부집단(들)의 개수, (ii) 하부집단의 3차원 나노구조 형태 또는 (iii) 탄소나노튜브들의 그래핀 전극 면에 대한 기울기는, 각 탄소나노튜브의 길이, 하나의 탄소나노튜브들의 집단 내 탄소나노튜브의 밀도, 탄소나노튜브들의 친수처리 방법 또는 정도 및 친수성 액의 종류로 구성된 군에서 하나 이상을 선택 및 조절하여 모세관력을 통해 제어하는 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein in the fifth step, (i) the number of sub-population (s) to which the three-dimensional nanostructures are imparted in a population of carbon nanotubes, (ii) iii) The slope of the carbon nanotubes with respect to the graphene electrode surface depends on the length of each carbon nanotube, the density of the carbon nanotubes in a group of the carbon nanotubes, the method or degree of hydrophilic treatment of the carbon nanotubes, Wherein at least one of the carbon nanotube-graphene hybrid electrode and the carbon nanotube-graphene hybrid electrode is selected and controlled through capillary force. 제11항에 있어서, 제1단계에서 그래핀 전극은 패턴화된 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the graphene electrode is patterned in a first step. 제11항에 있어서, 제5단계에서 3차원 나노 구조가 부여된 탄소나노튜브들의 하부집단(들)의 위치는 촉매층 패턴에 대응하여 패턴화된 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법.12. The method of manufacturing a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 11, wherein the position of the lower group (s) of the carbon nanotubes to which the three-dimensional nanostructures are imparted in the fifth step is patterned corresponding to the catalyst layer pattern Way. 제11항에 있어서, 제2단계에서 촉매층은 제1단계의 그래핀 전극 상에 절연막을 형성시키고 그래핀 전극 상 탄소나노튜브 수직 성장을 원하는 부위에 있는 절연막을 제거한 후 촉매층을 형성하여 패턴화된 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein in the second step, the catalyst layer is formed by forming an insulating layer on the graphene electrode in the first step, removing the insulating film on the graphene electrode in a region where the carbon nanotubes are vertically grown, Wherein the carbon nanotube-graphene hybrid electrode is a carbon nanotube-graphene hybrid electrode. 제11항에 있어서, 제1단계에서 그래핀 전극은 저압화학기상증착법 (LPCVD) 또는 열화학기상법으로 증착된 그래핀 또는 환원된 산화그래핀인 것이 특징인 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극의 제조방법.12. The method of manufacturing a carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to claim 11, wherein the graphene electrode in the first step is graphene or reduced graphene deposited by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) or thermochemical vapor deposition . 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극; 및 상기 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에 부착된 세포를 구비한 키트. The carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to any one of claims 1 to 9; And a cell attached on the carbon nanotube-graphene hybrid electrode. 제17항에 있어서, 세포를 배양 또는 분화시키는 것이 특징인 키트. 18. The kit according to claim 17, wherein the cells are cultured or differentiated. 제17항에 있어서, 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극은 세포부착인자가 처리된 것이 특징인 키트.18. The kit according to claim 17, wherein the carbon nanotube-graphene hybrid electrode is treated with a cell adhesion factor. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전극 상에서 세포를 배양 또는 분화하는 단계; 및
상기 배양 또는 분화된 세포로부터 발생하는 전기 신호를 분석하는 단계를 포함하는 세포 분석 방법.
Culturing or differentiating cells on the carbon nanotube-graphene hybrid electrode according to any one of claims 1 to 9; And
And analyzing an electrical signal generated from the cultured or differentiated cells.
KR1020160183227A 2016-12-30 2016-12-30 Carbon nanotube-graphene hybrid electrode which is transparent such that cells may be detected, and Preparation method and Use thereof KR101898215B1 (en)

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