KR102232199B1 - Method for preparation of ultrathin metal film using a template comprising monolayered graphene - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학적 작용기를 갖는 고체 기재 상에 형성된 단일층 그래핀을 포함하는 템플릿을 이용한 금속 초박막의 제조방법 및 이에 따라 제조된 금속 초박막의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an ultra-thin metal film using a template including a single-layer graphene formed on a solid substrate having a chemical functional group, and a use of the ultra-thin metal film thus produced.

Description

단일층 그래핀을 포함하는 템플릿을 이용하는 금속 초박막의 제조방법{Method for preparation of ultrathin metal film using a template comprising monolayered graphene}Method for preparation of ultrathin metal film using a template comprising monolayered graphene

본 발명은 화학적 작용기를 갖는 고체 기재 상에 형성된 단일층 그래핀을 포함하는 템플릿을 이용한 금속 초박막의 제조방법 및 이에 따라 제조된 금속 초박막의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an ultra-thin metal film using a template including a single-layer graphene formed on a solid substrate having a chemical functional group, and a use of the ultra-thin metal film thus produced.

고형 기재상에서 금속 클러스트의 핵형성 및 성장을 조절하는 것은 박막을 기초한 전자기기에 적용하기 위한 금속 전극 증착 공정에서 오랜 쟁점이다. 그러나, 소재의 종류와 무관하게, 모든 고형 기재는 필연적으로 원자 스케일에서, 비틀림 원자(kink atom), 단계 원자(step atom)라 불리는 다수의 결함 자리, 예컨대, 계단이나 테라스에 많은 형태의 공백을 갖는다. 금속 원자가 표면에 증착될 때, 상기 의도하지 않은 결함 자리는 불균일 핵형성(heterogeneous nucleation)을 유도하여, 개별 초기 핵의 불규칙적인 성장으로 인해 불균일 밀도를 유발할 수 있다. 초기 단계에서 조절되지 않은 불균일한 핵형성은 결과적으로, 거친 표면 형태 및 결정입계를 갖는 다결정성 구조(polycrystalline structure with grain-boundaries)를 포함한, 금속 박막의 품질저하를 야기한다. 특히, 차세대 전자기기는 물론 고급 광전자공학에서 요구되는 초박막 금속 전극을 달성하기 위하여, 원자수준에서 정교하게 조절된 금속 클러스터의 균일한 핵형성(homogeneous nucleation) 및 성장은 최소의 여과 임계 두께(percolation threshold thickness)를 가지면서 높은 전기전도도를 확보하는 데에 필수적이다.Controlling the nucleation and growth of metal clusters on solid substrates is a long-standing issue in a metal electrode deposition process for application to thin-film-based electronic devices. However, regardless of the type of material, all solid substrates inevitably have a large number of defect sites called kink atoms, step atoms, on the atomic scale, such as steps or terraces, with many forms of voids. Have. When metal atoms are deposited on the surface, the unintended defect sites may induce heterogeneous nucleation, resulting in non-uniform density due to irregular growth of individual initial nuclei. Non-uniform nucleation, which is not controlled at the initial stage, consequently leads to deterioration of the quality of thin metal films, including polycrystalline structures with grain-boundaries. In particular, in order to achieve ultra-thin metal electrodes required in advanced optoelectronics as well as next-generation electronic devices, homogeneous nucleation and growth of metal clusters precisely controlled at the atomic level are the minimum percolation threshold. It is essential to ensure high electrical conductivity while having a thickness).

탄소 원자의 혼성(hybridized) SP2 결합으로 구성된 큰 시트형태를 갖는 그래핀은 완전한 편평(perfectly flat)하며 결함이 없는(defect-free) 물질이다. 따라서, 그래핀을 발견한 이래로, 다양한 2차원 물질의 에피택셜 성장을 위한 최고의 템플릿 소재로서 주목받고 있다. 그러나, 이와 동시에 그래핀은 화학적으로 불활성이므로, 순수한 그래핀 상에서는 핵형성이 어렵다. 이에, 집중적인 조건 하에서 결함공학(defect-engineering), 화학적 기능화(chemical functionalization) 및 기체상 증착법에 기초한 많은 시도가 있었으나, 모든 방법은 그래핀 자체 격자에서의 변형이나 손상을 수반하였다.Graphene, which has a large sheet form composed of hybridized SP 2 bonds of carbon atoms, is a perfectly flat and defect-free material. Therefore, since the discovery of graphene, it has attracted attention as the best template material for epitaxial growth of various two-dimensional materials. However, at the same time, since graphene is chemically inert, nucleation is difficult on pure graphene. Accordingly, there have been many attempts based on defect-engineering, chemical functionalization, and vapor deposition under intensive conditions, but all methods involved deformation or damage in the graphene's own lattice.

또한, 그래핀은 단일 원자 두께를 통해 대부분의 물리화학적 측정에 대해 투명성을 나타내는 고유한 특성을 갖는다. 본 발명자는 선행연구에서 열수 성장(hydrothermally growth) ZnO 나노막대를 이용하여 기재 표면의 원자 배열에 대한 그래핀의 투명성을 확인하였으며, 그래핀 하단의 서포팅 기재로부터 그래핀의 다른 표면 상의 금속 나노입자 환원으로의 전하이동을 관찰하여 그래핀의 전자-이동 투명성을 확인하였다.In addition, graphene has a unique property that exhibits transparency for most physicochemical measurements through a single atom thickness. In a previous study, the present inventors confirmed the transparency of graphene with respect to the atomic arrangement of the substrate surface using hydrothermally grown ZnO nanorods, and reduction of metal nanoparticles on the other surface of graphene from the supporting substrate at the bottom of the graphene The electron-transfer transparency of graphene was confirmed by observing the charge transfer to.

본 발명자는, 10Å 이하의 두께를 갖는 전도성 금속 초박막을 제공하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 기능성 작용기를 갖는 기재 상에 그래핀 단일층을 형성하여 이를 템플릿으로 사용하는 경우, 그래핀의 화학적 투명성으로 인해 그래핀 상에 균일하게 성장된 금속 단일 나노결정을 형성할 수 있으며, 이에 따라 최소의 전기적 여과 임계 두께를 갖는 초박형 금속 전극을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.The present inventors, as a result of intensive research efforts to provide a conductive metal ultra-thin film having a thickness of 10 Å or less, when forming a single layer of graphene on a substrate having a functional functional group and using it as a template, due to the chemical transparency of graphene It was confirmed that it was possible to form a single metal nanocrystal uniformly grown on graphene, and accordingly, an ultra-thin metal electrode having a minimum electrical filtration critical thickness could be manufactured, and the present invention was completed.

하나의 양태로서, 본 발명은 적어도 일면에 화학작용기를 갖는 고체 기재; 및 상기 고체 기재의 작용기를 포함하는 면에 형성된 단일층 그래핀을 포함하는 템플릿을 준비하는 제1단계; 및 상기 템플릿의 단일층 그래핀 상에 금속 박막을 형성하는 제2단계를 포함하는, 3 내지 200Å 두께의 초박막 금속 박막의 제조방법을 제공한다. In one aspect, the present invention provides a solid substrate having a chemical functional group on at least one side; And a first step of preparing a template including a single layer graphene formed on a surface containing a functional group of the solid substrate. And it provides a method of manufacturing an ultra-thin metal thin film having a thickness of 3 to 200Å, including a second step of forming a metal thin film on the single-layer graphene of the template.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 방법으로 제조한 금속 박막 및 이의 일면에 부착된 하나 이상의 마이크로니들을 포함하는 것인 마이크로니들 패치를 제공한다.As another aspect, the present invention provides a microneedle patch comprising a metal thin film manufactured by the above method and one or more microneedles attached to one surface thereof.

또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 방법으로 제조한 금속 박막 및 가시광선을 제공하는 광원을 구비한 피부미용활성 디바이스를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a skin cosmetic active device including a thin metal film manufactured by the above method and a light source providing visible light.

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

본 발명은, 화학적 기능성을 갖는 작용기를 갖는 기재를 부착시킨 템플릿을 사용하고 그래핀의 화학적 투명성을 이용하여, 템플릿의 그래핀 상에 금속 박막을 형성하는 경우, 상기 화학적 기능성을 갖는 작용기와 금속 원자의 상호작용이 가능하여 균일한 금속 핵형성 및 결정 성장이 가능하므로 수 Å의 초박형으로 제조하여도 결정입계(grain-boundaries) 없이 연속적인 박막을 형성할 수 있으므로 종래 기술로는 달성할 수 없었던 전도성 금속 초박막을 제공할 수 있음을 발견한 것에 기초한다.In the present invention, when using a template to which a substrate having a functional group having a chemical function is attached and using the chemical transparency of graphene to form a metal thin film on the graphene of the template, the functional group having the chemical function and the metal atom Since the interaction of the metals is possible, uniform metal nucleation and crystal growth are possible, so even when manufactured in an ultra-thin shape of several Å, a continuous thin film can be formed without grain-boundaries, which could not be achieved with the prior art. It is based on the discovery that it can provide ultra-thin metallic films.

구체적으로, 본 발명은 적어도 일면에 화학작용기를 갖는 고체 기재; 및 상기 고체 기재의 작용기를 포함하는 면에 형성된 단일층 그래핀을 포함하는 템플릿을 준비하는 제1단계; 및 상기 템플릿의 단일층 그래핀 상에 금속 박막을 형성하는 제2단계를 포함하는, 3 내지 200Å 두께의 초박막 금속 박막의 제조방법을 제공한다.Specifically, the present invention is a solid substrate having a chemical functional group on at least one side; And a first step of preparing a template including a single layer graphene formed on a surface containing a functional group of the solid substrate. And it provides a method of manufacturing an ultra-thin metal thin film having a thickness of 3 to 200Å, including a second step of forming a metal thin film on the single-layer graphene of the template.

상기 화학작용기는 박막으로 형성하고자 하는 금속과 템플릿 사이의 결합력을 증가시킬 수 있는 작용기를 제한없이 포함한다. 예컨대, 히드록시기, 티올기, 또는 퍼플루오로알킬기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The chemical functional group includes, without limitation, a functional group capable of increasing the bonding force between the metal to be formed into a thin film and the template. For example, it may be a hydroxy group, a thiol group, or a perfluoroalkyl group, but is not limited thereto.

한편, 본 발명에 따른 제조방법을 적용하여 초박형 막으로 제조할 수 있는 금속은 초기 아일랜드 핵생성 모드를 갖는 금속으로서, 예를 들어, 금, 은, 구리, 알루미늄 또는 백금일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 나아가, 본 발명의 제조방법은 금속 뿐만아니라 반도체, 유기반도체, 산화물과 같이 박막화할 수 있는 물질의 초박형 막의 제조에 제한없이 적용할 수 있다.On the other hand, the metal that can be manufactured into an ultra-thin film by applying the manufacturing method according to the present invention is a metal having an initial island nucleation mode, and may be, for example, gold, silver, copper, aluminum, or platinum, but is not limited thereto. Does not. Furthermore, the manufacturing method of the present invention can be applied without limitation to the manufacture of an ultra-thin film of a material that can be thinned, such as a semiconductor, an organic semiconductor, or an oxide, as well as a metal.

이들 금속에 의해 형성되는 박막은 수 Å의 초박형으로부터 수백 Å의 두께로 제조될 수 있다. 예컨대, 3 내지 200 Å의 두께로, 10 내지 200 Å으로, 3 내지 100 Å으로, 또는 10 내지 100 Å으로 제조될 수 있다.The thin film formed by these metals can be manufactured from a few Å of ultra-thin to several hundred Å of thickness. For example, it may be manufactured in a thickness of 3 to 200 Å, 10 to 200 Å, 3 to 100 Å, or 10 to 100 Å.

이와 같이 제조된 금속 박막은 결정입계(grain-boundaries) 없이 연속적으로 형성되어 전도성을 띄는 것이 특징이다. 예컨대, 3Å 미만의 두께로 형성된 박막은 결정입계의 존재 및/또는 낮은 커버리지로 인한 불연속성으로 전도성을 갖기 어려울 수 있다.The metal thin film thus produced is characterized by being continuously formed without grain-boundaries to exhibit conductivity. For example, a thin film formed with a thickness of less than 3 Å may be difficult to have conductivity due to discontinuity due to the presence of grain boundaries and/or low coverage.

예컨대, 상기 히드록시기를 갖는 고체 기재는 실리카 기재를 열적으로 산화시키거나, 산소 플라즈마로 처리하여 준비할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the solid substrate having a hydroxy group may be prepared by thermally oxidizing the silica substrate or treating it with oxygen plasma, but is not limited thereto.

나아가, 상기 티올기 및 퍼플루오로알킬기를 갖는 고체 기재는 상기 히드록시기를 갖는 고체 기재를 각각 머캅토알킬알콕시실란 및 퍼플루오로알킬알콕시실란으로 처리하여 준비할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 머캅토알킬알콕시실란으로는 (3-머캅토프로필)트리메톡시실란((3-mercaptopropyl)trimethoxysilane; MPTMS)을, 퍼플루오로알킬알콕시실란으로는 FAS-13(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Further, the solid substrate having a thiol group and a perfluoroalkyl group may be prepared by treating the solid substrate having a hydroxy group with mercaptoalkylalkoxysilane and perfluoroalkylalkoxysilane, respectively, but is not limited thereto. For example, the mercaptoalkylalkoxysilane is (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane ((3-mercaptopropyl)trimethoxysilane; MPTMS), and the perfluoroalkylalkoxysilane is FAS-13 (1H, 1H, 2H). ,2H-perfluorooctyltriethoxysilane) may be used, but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에서는, 열적으로 산화된 실리카 기재를 산소 플라즈마로 처리하여 표면에 히드록시기를 갖는 기재를 준비하였으며, 이를 각각 (3-머캅토프로필)트리메톡시실란 또는 FAS-13 용액으로 처리하여 자기조립단분자막을 형성하도록 함으로써, 티올기 또는 퍼플루오로알킬기를 갖도록 개질하였다. 그러나, 이는 하나의 예시일 뿐 본 발명의 범주가 이에 제한되는 것은 아니다.In a specific embodiment of the present invention, a thermally oxidized silica substrate was treated with oxygen plasma to prepare a substrate having a hydroxyl group on the surface, which was treated with (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane or FAS-13 solution, respectively. Thus, by forming a self-assembled monolayer, it was modified to have a thiol group or a perfluoroalkyl group. However, this is only an example and the scope of the present invention is not limited thereto.

제2단계에서 형성한 금속 박막은 접착성 기재(adhesive substrate)를 이용하여 템플릿으로부터 분리할 수 있다. 그래핀은 낮은 화학적 반응성으로 인해 이에 형성된 금속 박막과의 접착성이 낮으므로 그래핀과 접촉하지 않은 금속 박막의 타측에 접착성 기재를 부착시켰다 떼어내는 경우 금속 박막은 원형을 유지하면서 그래핀으로부터 비교적 쉽게 분리될 수 있다. 이때, 접착성 기재로서 열 등의 자극에 의해 쉽게 분해되는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 등을 사용하는 경우 가열하여 이를 분해시킴으로써 금속 박막만을 회수할 수 있다.The metal thin film formed in the second step can be separated from the template using an adhesive substrate. Because graphene has low adhesion to the metal thin film formed therein due to its low chemical reactivity, an adhesive substrate is attached to the other side of the metal thin film that is not in contact with graphene. Can be easily separated. At this time, in the case of using polydimethylsiloxane (PDMS), which is easily decomposed by stimulation such as heat, as the adhesive substrate, only the metal thin film can be recovered by heating and decomposing it.

나아가, 이상과 같이, 금속 박막을 분리한 후 남은 기재는 제1단계의 템플릿으로 재사용할 수 있다.Further, as described above, the substrate remaining after separating the metal thin film can be reused as a template in the first step.

나아가, 본 발명은 전술한 방법으로 제조한 금속 박막 및 이의 일면에 부착된 하나 이상의 마이크로니들을 포함하는 마이크로니들 패치를 제공한다.Further, the present invention provides a microneedle patch including a metal thin film manufactured by the above-described method and one or more microneedles attached to one surface thereof.

본 발명의 용어, "마이크로니들(microneedle)"은 수 마이크로미터 규모의 가로, 세로 및 높이를 가지며, 일 말단이 첨예하여 피부 등을 투과하기에 적합한 형태를 갖는 구조물을 지칭하는 것으로, 보통 끝이 뾰족하거나 다소 뭉툭한 원추형 또는 다각뿔의 형태를 가질 수 있다. 그러나, 상기 목적을 효율적을 달성할 수 있는 한, 그 크기나 형태는 변형될 수 있다. 한편, 상기 마이크로니들은 생분해성 고분자로 된 구조물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term "microneedle" refers to a structure having a width, length, and height of several micrometers, and one end is acute and has a shape suitable for penetrating skin, etc., and the end is usually It may have a pointed or somewhat blunt conical or polygonal pyramid shape. However, as long as the above object can be efficiently achieved, its size or shape may be modified. Meanwhile, the microneedle may be a structure made of a biodegradable polymer, but is not limited thereto.

본 발명의 마이크로니들 패치는, 분해가능한 수준으로 얇게 형성된 금속 초박막을 포함하므로, 직접 또는 추가적인 접착성 기재를 포함한 형태로 피부에 부착하거나, 체내 이식하여 조직에 부착할 수 있다.Since the microneedle patch of the present invention includes an ultra-thin metal film formed thinly at a degradable level, it can be attached to the skin directly or in a form including an additional adhesive substrate, or attached to the tissue by implantation in the body.

예컨대, 상기 마이크로니들은 약물 또는 화장료를 담지할 수 있고, 마이크로니들이 분해되면서 이에 담지된 약물을 방출하여 경피 내로 전달할 수 있다.For example, the microneedles may carry drugs or cosmetics, and as the microneedles are decomposed, the drugs carried therein may be released and delivered intradermally.

상기 약물로는, 비만 및/또는 당뇨병의 치료를 위한 약물인, 로지글리타존(rosiglitazone; Rosi), CL316243, 인슐린, 글루카곤 또는 PD-1(Programmed cell death protein 1), EPO(erythropoietic) 등의 호르몬, 인플루엔자 백신, 관절염 치료제 등을 담지할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As the drugs, hormones such as rosiglitazone (Rosi), CL316243, insulin, glucagon or PD-1 (Programmed cell death protein 1), EPO (erythropoietic), which are drugs for the treatment of obesity and/or diabetes, influenza Vaccines, arthritis treatments, and the like may be carried, but are not limited thereto.

한편, 화장료로는, 세럼, 기초 영양제, 히알루론산, 보톡스, 여드름 치료제, 주름개선제, 미백제 또는 탈모치료제 등을 담지할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Meanwhile, as a cosmetic, a serum, a basic nutritional agent, hyaluronic acid, botox, an acne treatment, an anti-wrinkle agent, a whitening agent or a hair loss treatment agent may be supported, but is not limited thereto.

또는, 경피투여를 촉진하기 위한 목적으로, 상기 약물 또는 화장료를 도포한 후, 해당 부위에 마이크로니들 패치를 부착할 수 있다.Alternatively, for the purpose of promoting transdermal administration, after the drug or cosmetic is applied, a microneedle patch may be attached to the corresponding area.

이때, 상기 마이크로니들은 피부에 부착시 또는 체내 이식시 분해될 수 있도록 체온 이상의 열에 의해 분해되는 물질로 된 것일 수 있다.In this case, the microneedle may be made of a material that is decomposed by heat above body temperature so that it can be decomposed when attached to the skin or implanted in the body.

본 발명에 따른 금속 박막은 가시광선 조사시 열을 발생시키며, 이에 따라 마이크로니들의 분해를 촉진시킬 수 있다.The metal thin film according to the present invention generates heat when irradiated with visible light, thereby promoting decomposition of the microneedles.

한편, 상기 패치는 피부에 부착이 용이하도록 피부부착성 기재 상에 부착될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 이에 포함된 금속 박막은 가시광선을 받아 열을 발생시켜 마이크로니들의 분해를 촉진시킬 수 있으므로, 상기 기재는 가시광선 투과성인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.On the other hand, the patch can be attached to the skin-adhesive substrate to facilitate attachment to the skin, and as described above, the metal thin film contained therein can promote the decomposition of the microneedle by generating heat by receiving visible light. , The substrate is preferably visible light transmittance, but is not limited thereto.

나아가, 본 발명은 상기 방법으로 제조한 금속 박막 및 가시광선을 제공하는 광원을 구비한 피부미용활성 디바이스를 제공할 수 있다.Furthermore, the present invention can provide a skin cosmetic active device including a metal thin film manufactured by the above method and a light source providing visible light.

예컨대, 마사지 등에 의해 피부 온도를 상승시키는 경우 혈액순환이나 신진대사를 촉진하고, 피부 재생, 탄력 및 안색을 개선하는 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서, 상기 본 발명의 방법으로 제조한 금속 박막은 가시광선 조사시 열을 발생시키는 효과를 나타내는 바, 피부미용활성화를 위한 디바이스에 사용될 수 있다.For example, when the skin temperature is increased by massage or the like, it is known to promote blood circulation or metabolism, and to improve skin regeneration, elasticity and complexion. Accordingly, the metal thin film prepared by the method of the present invention exhibits an effect of generating heat when irradiated with visible light, and thus can be used in a device for skin cosmetic activation.

상기 가시광선을 제공하는 광원으로는, 가시광선 영역 즉, 400 nm 내지 700 nm 범위의 파장 범위에서 선택되는 특정 파장의 빛 또는 특정 파장 범위의 빛을 발생시키도록 고안된 장치 뿐만 아니라, 태양광과 같은 자연광 또는 일상 생활에서 쉽게 접할 수 있는 조명 등의 생활광을 제한없이 이용할 수 있다.As the light source providing the visible light, not only a device designed to generate light of a specific wavelength or light of a specific wavelength range selected from a visible light region, that is, a wavelength range of 400 nm to 700 nm, but also a device such as sunlight Living light such as natural light or lighting that can be easily encountered in everyday life can be used without limitation.

본 발명의 방법을 제조한 금속 초박막은 10Å 이하의 두께로 형성하여도 전기전도성을 나타낼 수 있으므로, 초미세회로 구현을 위한 전극에 사용할 수 있으며, 전력공급 없이도 가시광선 조사에 의한 발열효과를 나타낼 수 있으며, 초박형으로 구현시 생분해 가능하므로 피부미용 온열장치에 사용될 수 있다.Since the ultra-thin metal film prepared by the method of the present invention can exhibit electrical conductivity even when formed to a thickness of 10 Å or less, it can be used for an electrode for realizing an ultra-fine circuit, and can exhibit a heating effect by irradiation with visible light without power supply. In addition, since it is biodegradable when implemented as an ultra-thin type, it can be used in a skin beauty heating device.

도 1은 본 발명에 따른 금속 박막의 제조방법 및 이의 작용 기전을 개략적으로 나타낸 도이다. (a)는 그래핀의 일면에 Si-OH 처리된 작용기층을 형성하기 위한 과정을 나타낸다. (b)는 PDMS를 도포한 후, UV/O3 처리 전/후의 라만스펙트럼을 나타낸다. (c)는 각각 PDMS 도포 전(상단)/후(중단) 및 광산화(photooxidation) 반응에 의해 Si-OH 작용기층으로 지지된(하단), 그래핀 박막의 접촉각을 나타낸다. (d)는 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 박막을 TEM 그리드에 전사하고, 금속을 증착하는 과정을 나타낸다. (e)는 Si-OH 작용기로 지지되지 않은 순수한 그래핀 층에 3 Å 두께로 증착한 금의 고해상도 주사전자현미경(high-resolution transmission electron microscopy; HRTEM) 이미지를 나타낸다. (f)는 순수한 그래핀 도메인 상에서 금 증착의 불가함을 개략적으로 나타낸 도이다. (g)는 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 층에 3 Å 두께로 증착한 금의 HRTEM 이미지를 나타낸다. (h)는 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 도메인에서의 금 핵생성 과정을 도식으로 나타내고 있다.
도 2는 순수한 그래핀 도메인 상에서의 금 핵생성을 나타낸 도이다. (상단) 및 (하단)은 각각 이중층 그래핀 상에서와 단일층과 이중층 그래핀의 경계에서 HRTEM 이미지를 나타낸다. 그래핀의 층수와 무관하게 두 그래핀 도메인 모두에서 핵생성이 일어나지 않고 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 순수한 그래핀 도메인에서 금의 핵성장이 불가함을 설명하는 기전을 나타낸 도이다. 구체적으로, 그래핀 표면에서는 금의 표면 확산력이 매우 높아서 상대적으로 반응성이 강한 오염 부분으로 이동이 이루어지며, 따라서, 해당 부분에서만 핵성장이 일어난다.
도 4는 그래핀 도메인에서의 금 입자의 표면확산력이 매우 높아서, 금입자가 TEM 전자빔 조사 에너지에 의해서 물질 이동이 일어나는 현상을 실시간으로 촬영한 이미지이다(이미지 간 time interval은 0.6초).
도 5는 도4에서와 같은 이유로 인해서 이동된 금 입자끼리의 비대화를 실시간으로 촬영한 것이다.
도 6은 그래핀 도메인 상에서 성장시킨 금 입자의 결정형을 나타낸 도이다. Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 도메인 상에서 성장시킨 금 입자의 경우 모두 단결정 형태를 나타낸 반면, 오염된 부분에서 성장시킨 금 입자는 작은 크기에도 다결정 형태를 보이고 있다.
도 7은 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 도메인에서 Si-OH 작용기층 및 상기 작용기층 상에 형성된 그래핀 도메인에 대한 HRTEM 이미지 및 FFT 패턴을 나타낸 도이다. (a)는 Si-OH 작용기층의 증착 양상에 따른 HRTEM 이미지에서의 차이를 나타낸다. (b)는 그래핀 및 이를 지지하는 Si-OH 작용기층이 동시에 관측된 HRTEM 이미지와 이에 해당하는 FFT 패턴을 나타낸다. (c)는 Si-OH 작용기층의 도포에 따른 Si 함량의 증가를 나타내는 EDS 결과이다.
도 8은 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 템플릿 상에서 금 핵성장을 나타낸 도이다. (a)는 금 나노입자, 그래핀 층, Si-OH 지지층을 3차원 적층 모식도로 나타낸다. (b) 내지 (d)는 모두 금 나노입자와 그래핀 층의 에피텍셜 성장을 나타내는 HRTEM 이미지 및 이에 해당하는 FFT 패턴 이미지를 나타낸다. (e)는 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 도메인의 중앙에서 금 나노입자의 선택적인 성장을 나타낸다. (f)는 Si-OH 지지층으로 인해 표면확산력이 낮아진 금 원자들이 어느 한 지점에서 균일 핵성장하는 과정을 나타내며, 해당 도메인 내의 7개의 임의의 좌표를 설정하였을 때, 핵성장이 일어난 점은 이 점들로부터 거리의 합이 최소값을 갖는 지점이다. (g)는 Si-OH 작용기층으로 지지된 그래핀 상에서 성장된 단결정 금 나노입자를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 화학작용기로 지지된 그래핀 템플릿 상에서 성장시킨 금 박막의 전도성을 나타낸 도이다. (a)는 그래핀 템플릿을 이용하여 초박막 금속전극을 형성하는 과정을 나타낸다. (b)는 그래핀 템플릿(내부) 및 그래핀 템플릿이 부재(외부)하는 시료에서의 6 nm 금 전극을 도포한 후 획득한 디지털 이미지를 나타낸다. (c)는 (b)의 각각에 상응하는 영역에서의 UV-VIS 스펙트럼을 나타낸다. (d)는 그래핀 템플릿의 경계에서 금 전극의 SEM 이미지를 나타낸다. (e)는 상기 (d)에 상응하는 영역에서 측정한 전기저항을 나타낸다. (f)는 그래핀 템플릿 상에 금 전극을 1회 증착하고 전사 전과 후에 측정한 그래핀의 라만 스펙트럼을 나타낸다. (g)는 그래핀 템플릿 상에 전극을 형성하고 전사하는 과정을 나타낸 디지털 이미지이다. (h)는 그래핀 도메인을 지지하는 화학작용기로서 각각 다른 표면처리를 통해 퍼플루오로알킬기, 티올기 및 히드록시기를 포함하는 지지층 상에서 최소의 전기적 여과 임계 두께를 단축시키는 과정, 박막의 두께에 따른 저항성(전도도에 반비례) 및 이때 형성된 박막의 형태(morphology)를 나타낸 AFM 이미지이다. (i)는 금속 초박막을 이용한 전압구동형 열발생장치를 개략적으로 나타낸 도이다. (j)는 시간에 따라 전압을 증가시키면서 측정한 온도 변화를 나타낸다. 본 발명에 따른 금 박막은 8.5 V에서 약 55℃의 온도를 나타낸다. (k) 가시광선을 이용한 비전원구동형 금속 초박막 열발생 장치 및 이를 피부미용 패치 분해 촉진에 응용한 도식이다. (l)은 가시광선 조사시 본 발명에 따른 박막을 구비한 열발생 장치에서의 온도 상승을 나타낸 이미지이다. (m)은 초박막 금속 열발생 장치에 의한 피부미용 마이크로 니들 분해률 촉진을 나타낸다. (n)은 시간에 따른 금속 초박막의 생분해율을 나타낸다.
도 10은 그래핀 템플릿이 있는 영역과 없는 영역에서의 금속 초박막의 전기적 저항값의 차이를 나타낸 도이다.
도 11은 각기 다른 화학작용기로 지지된 또는 지지되지 않은 그래핀 템플릿 상에서 형성된 은 전극의 최소 전기적 여과 임계 두께 변화를 나타낸 도이다.
도 12는 금속 초박막에 의한 온도 상승을 실시간으로 관측한 동영상의 초기화면을 나타낸 도이다.
1 is a diagram schematically showing a method of manufacturing a metal thin film and a mechanism of action thereof according to the present invention. (a) shows a process for forming a functional group layer treated with Si-OH on one surface of graphene. (b) shows the Raman spectrum before/after UV/O 3 treatment after applying PDMS. (c) denotes the contact angle of the graphene thin film supported by the Si-OH functional group layer (bottom) before (top)/after (stop) and photooxidation (photooxidation) reactions, respectively, of the graphene thin film. (d) shows the process of transferring the graphene thin film supported by the Si-OH functional group layer to the TEM grid and depositing the metal. (e) shows a high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) image of gold deposited to a thickness of 3 Å on a pure graphene layer not supported by a Si-OH functional group. (f) is a diagram schematically showing the impossibility of depositing gold on pure graphene domains. (g) shows the HRTEM image of gold deposited to a thickness of 3 Å on the graphene layer supported by the Si-OH functional group layer. (h) schematically shows the gold nucleation process in the graphene domain supported by the Si-OH functional group layer.
2 is a diagram showing gold nucleation on pure graphene domains. (Top) and (Bottom) represent HRTEM images on the bilayer graphene and at the boundary between the single layer and the bilayer graphene, respectively. It can be seen that no nucleation occurs in both graphene domains regardless of the number of graphene layers.
3 is a diagram showing a mechanism for explaining the impossibility of nuclear growth of gold in the pure graphene domain. Specifically, on the graphene surface, the surface diffusion power of gold is very high, so that it moves to a relatively highly reactive contaminated portion, and thus, nuclear growth occurs only in that portion.
4 is an image of a phenomenon in which the gold particles move in real time due to the energy of TEM electron beam irradiation because the surface diffusion power of gold particles in the graphene domain is very high (time interval between images is 0.6 seconds).
FIG. 5 is a real-time photograph of an enlarged conversation between gold particles that have been moved for the same reason as in FIG. 4.
6 is a diagram showing the crystal form of gold particles grown on the graphene domain. Gold particles grown on graphene domains supported by a Si-OH functional group showed a single crystal shape, whereas gold particles grown in contaminated areas showed a polycrystalline shape even at a small size.
7 is a diagram showing an HRTEM image and an FFT pattern for a Si-OH functional layer and a graphene domain formed on the functional layer in the graphene domain supported by the Si-OH functional layer. (a) shows the difference in the HRTEM image according to the deposition pattern of the Si-OH functional group layer. (b) shows an HRTEM image in which graphene and a Si-OH functional group layer supporting the same were observed at the same time and an FFT pattern corresponding thereto. (c) is an EDS result showing an increase in the Si content according to the application of the Si-OH functional group layer.
8 is a diagram showing gold nuclei growth on a graphene template supported by a Si-OH functional layer. (a) shows a schematic diagram of a three-dimensional stacking of gold nanoparticles, a graphene layer, and a Si-OH support layer. All of (b) to (d) show HRTEM images representing epitaxial growth of gold nanoparticles and graphene layers and corresponding FFT pattern images. (e) shows the selective growth of gold nanoparticles in the center of the graphene domain supported by the Si-OH functional layer. (f) shows the process of uniform nuclear growth of gold atoms whose surface diffusivity is lowered due to the Si-OH support layer at a certain point, and when 7 arbitrary coordinates within the domain are set, the point where nuclear growth occurs is these points. This is the point where the sum of the distances from is the minimum value. (g) shows single crystal gold nanoparticles grown on graphene supported by the Si-OH functional group layer.
9 is a diagram showing the conductivity of a gold thin film grown on a graphene template supported by a chemical functional group according to the present invention. (a) shows the process of forming an ultra-thin metal electrode using a graphene template. (b) shows a digital image obtained after applying a 6 nm gold electrode on a graphene template (inside) and a sample in which the graphene template is absent (outside). (c) shows the UV-VIS spectrum in the region corresponding to each of (b). (d) shows the SEM image of the gold electrode at the boundary of the graphene template. (e) represents the electrical resistance measured in the region corresponding to (d) above. (f) shows the Raman spectrum of graphene measured before and after the gold electrode was deposited once on the graphene template and transferred. (g) is a digital image showing the process of forming and transferring electrodes on the graphene template. (h) is a chemical functional group supporting the graphene domain, a process of shortening the minimum electrical filtration critical thickness on the support layer containing perfluoroalkyl groups, thiol groups and hydroxy groups through different surface treatments, resistance according to the thickness of the thin film It is an AFM image showing the (inverse proportion to conductivity) and the morphology of the thin film formed at this time. (i) is a diagram schematically showing a voltage-driven heat generating device using an ultra-thin metal film. (j) shows the temperature change measured while increasing the voltage over time. The gold thin film according to the present invention exhibits a temperature of about 55° C. at 8.5 V. (k) A non-electrical drive type metal ultra-thin heat generating device using visible light and a schematic applied to accelerate the disassembly of the skin beauty patch. (l) is an image showing the temperature increase in the heat generating device provided with the thin film according to the present invention upon irradiation with visible light. (m) shows the acceleration of the microneedle decomposition rate for skin beauty by the ultra-thin metal heat generating device. (n) represents the biodegradation rate of the ultra-thin metal film over time.
10 is a diagram showing a difference in electrical resistance values of an ultra-thin metal film in a region with and without a graphene template.
11 is a diagram showing a change in the minimum electrical filtration critical thickness of a silver electrode formed on a graphene template supported or not supported by different chemical functional groups.
12 is a diagram showing an initial screen of a moving picture in which a temperature increase due to an ultra-thin metal film is observed in real time.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실험예Experimental example 1: 특성분석 1: Characterization

공초점 라만 현미경(inViaTM, RENISHAW)으로 라만 스펙트럼을 측정하였다. 금속 전극의 형태 분석을 위하여, 탭핑 모드의 AFM(Digital instruments Nanoscope, Veeco®)을 사용하였다. 영상처리용 소프트웨어(image processing software, ImageJ, NIH)를 사용하여 균질 핵화(homogeneous nucleation)를 위한 임계 도메인 크기(critical domain size)를 평가하였다. 금속 전극의 투과도(transmittance)를 UV-Vis 분광광도계(LAMBDA 650)로 측정하였다. 분해성(degradable property)을 관찰하기 위하여, 전계방출(field emission) SEM(Hitachi S-4800)을 사용하였다. 생물의학적 히터(biomedical heater)의 온도 측정은 열 이미지 IR 온도계(thermal imaging IR thermometer, TG165 및 T440, FLIR)를 사용하여 수행하였다.Raman spectra were measured with a confocal Raman microscope (inViaTM, RENISHAW). To analyze the shape of the metal electrode, AFM (Digital instruments Nanoscope, Veeco ® ) in tapping mode was used. The critical domain size for homogeneous nucleation was evaluated using image processing software (ImageJ, NIH). The transmittance of the metal electrode was measured with a UV-Vis spectrophotometer (LAMBDA 650). In order to observe the degradable property, field emission SEM (Hitachi S-4800) was used. The temperature measurement of the biomedical heater was performed using a thermal imaging IR thermometer (TG165 and T440, FLIR).

실시예Example 1: One: 그래핀Graphene 템플릿의 합성 Synthesis of templates

4.8 μm 두께의 구리 박막(Alfa Aesar) 상에 저압 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD)으로 그래핀을 제조하였다. 합성에 앞서, 구리 박막을 니켈 부식제(nickel etchant, Transene, TFB)에 담궈 세척하였다. 구체적인 성장 조건은 다음과 같다. 먼저, 반응기에 구리 박막을 넣고, 감압한 후, 1000℃까지 가열하여 100 sccm H2 조건하에서, 20분 동안 어닐링하였다. 그래핀 성장을 촉진하기 위하여 30 sccm CH4 및 30 sccm H2를 40분 동안 도입하였다. 노(furnace)를 실온까지 냉각시켰다.Graphene was prepared on a 4.8 μm-thick copper thin film (Alfa Aesar) by low pressure chemical vapor deposition (CVD). Prior to the synthesis, the copper thin film was washed by immersing it in a nickel etchant (Transene, TFB). Specific growth conditions are as follows. First, a copper thin film was put in a reactor, and after reduced pressure, it was heated to 1000° C. and annealed for 20 minutes under 100 sccm H 2 conditions. In order to promote graphene growth, 30 sccm CH 4 and 30 sccm H 2 were introduced for 40 minutes. The furnace was cooled to room temperature.

실시예Example 2: 화학적으로 서포팅 된 ( 2: chemically supported ( SiSi -OH) -OH) 그래핀Graphene

먼저, 실리콘 웨이퍼 상에 폴리디메틸실록산 베이스(polydimethylsiloxane(PDMS) base, SYLGARD® 184, Dow corning)를 500 rpm에서 30초 동안 스핀코팅하였다. 구리 박막 상에 성장된 그래핀을 PDMS가 코팅된, 2개 간격자(spacer, 1.6 mm)를 갖는, 실리콘 웨이퍼 상에 위치시켰다. PDMS 전구체의 기화(vaporization)를 위해, 시료를 150℃까지 가열하고 1시간 동안 유지하였다. PDMS 코팅을 완료한 후, 시료를 UV/O3에 5분 동안 노출시켰다. UV/O3 조사 하에, PDMS 층을 말단에 Si-OH를 갖는 얇은 SiOx 층으로 완전히 전환하였다. 금속 나노결정을 형성하기 위하여, SiOx 코팅된 그래핀/구리 박막을 Au QUANTIFOIL® TEM 격자(grid) 상에 직접 옮겼다.First, a polydimethylsiloxane (PDMS) base (SYLGARD ® 184, Dow corning) was spin-coated at 500 rpm for 30 seconds on a silicon wafer. Graphene grown on a copper thin film was placed on a silicon wafer coated with PDMS, having two spacers (1.6 mm). For vaporization of the PDMS precursor, the sample was heated to 150° C. and maintained for 1 hour. After completing the PDMS coating, the sample was exposed to UV/O 3 for 5 minutes. UV/O 3 Under irradiation, the PDMS layer was completely converted to a thin SiO x layer with Si-OH at the end. To form metal nanocrystals, a SiO x coated graphene/copper thin film was transferred directly onto an Au QUANTIFOIL ® TEM grid.

광화학적으로 산화된 실록산층을 이용하여, 다음과 같이 화학적(Si-OH)으로 서포팅 된 그래핀을 제조하였다(도 1a). 먼저, 용매, 개시제 또는 링커와 같은 화합물의 추가 없이 기상 증착법을 통해 구리 박막 상에 성장시킨 그래핀에 수 nm 두께의 초박형 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS) 층을 증착시켰다. SiOx로 전환을 위하여, PDMS 코팅된 그래핀 시료를 UV 광에 5분 동안 노출시켜, 광화학적 산화를 통해 유기 PDMS를 무기 SiOx로 전환하였다. 라만 분석(도 1b) 및 접촉각 측정(도 1c)을 통해 광화학적 전환을 단계적으로(step by step) 확인하였다. 497.5 및 647.6 cm-1에서 PDMS의 Si-CH3 대칭 피크는 산화 이전에 관찰되었으나, 반응 후 Si-CH3으로부터 Si-OH로 치환에 의해 광산화된 SiOx에서는 완전히 사라졌다(도 1b의 삽입도). PDMS 관련 피크는 광산화 전과 후 눈에 띄게 변화한 반면, 2665.1 및 1582.39 cm-1에서의 그래핀의 2D 및 G 피크는 상기 과정 동안 유지되었다(도 1b). PDMS 중의 CH3의 소수성뿐만 아니라 SiOx 층의 Si-OH의 친수성으로 인해, 광산화 반응 전과 후의 접촉각 측정에 의해 그래핀 하단의 Si-OH 기의 형성을 입증하였다. PDMS 코팅 전, 비처리 그래핀은 약 70°의 값을 나타내었으나, 코팅 후 접촉각은 약 90°로 증가하였다. PDMS를 SiOx로 전환함에 따라, 접촉각은 다시 20°로 낮아졌다(도 1c). 이는 거시적인 관점에서 Si-OH 기가 그래핀의 전체 표면에 잘 형성되었음을 나타내는 것이다.Using the photochemically oxidized siloxane layer, graphene supported by chemical (Si-OH) was prepared as follows (FIG. 1A). First, an ultra-thin polydimethylsiloxane (PDMS) layer having a thickness of several nm was deposited on graphene grown on a copper thin film through a vapor deposition method without the addition of a compound such as a solvent, an initiator or a linker. In order to convert to SiO x , the PDMS-coated graphene sample was exposed to UV light for 5 minutes, and the organic PDMS was converted to inorganic SiO x through photochemical oxidation. Photochemical conversion was confirmed step by step through Raman analysis (Fig. 1b) and contact angle measurement (Fig. 1c). At 497.5 and 647.6 cm -1 , the Si-CH 3 symmetric peaks of PDMS were observed before oxidation, but completely disappeared in SiO x photooxidized by substitution of Si-OH from Si- CH 3 after the reaction (Fig. 1b inset. ). PDMS-related peaks changed noticeably before and after photooxidation, while the 2D and G peaks of graphene at 2665.1 and 1582.39 cm -1 were maintained during the process (Fig. 1B). Due to the hydrophobicity of CH 3 in PDMS as well as the hydrophilicity of Si-OH in the SiO x layer, the formation of Si-OH groups at the bottom of graphene was demonstrated by measuring the contact angle before and after the photooxidation reaction. Before PDMS coating, the untreated graphene exhibited a value of about 70°, but the contact angle after coating increased to about 90°. As the PDMS was converted to SiO x , the contact angle was again lowered to 20° (Fig. 1c). This indicates that Si-OH groups were well formed on the entire surface of graphene from a macroscopic point of view.

실시예Example 3: 금속 결정의 형성 3: formation of metal crystals

TEM 격자 상에 서포팅 된(supported) 및 서포팅 되지 않은(un-supported) 그래핀 모두를 동시에 열증발기챔버(thermal evaporator chamber, Edwards vacuum)에 투입하였다. 초기에 챔버를 2.0×10-6 mbar까지 감압하고, 순수한 금 펠렛(99.999%, iTASCO T)을 몰리브데늄 보트(iTASCO)에 위치시킨 후, 55 A의 전류로 증발시켰다. 증착은 가열 또는 냉각 과정 없이 실온(300K)에서 수행하였다. 박막의 두께는 수정결정미소저울(quartz crystal microbalance; QCM)로 모니터하였다.Both supported and unsupported graphene on the TEM grid were simultaneously injected into a thermal evaporator chamber (Edwards vacuum). Initially, the chamber was depressurized to 2.0×10 −6 mbar, and pure gold pellets (99.999%, iTASCO T) were placed in a molybdenum boat (iTASCO), and then evaporated with a current of 55 A. Deposition was performed at room temperature (300K) without heating or cooling. The thickness of the thin film was monitored with a quartz crystal microbalance (QCM).

다음으로, TEM 분석으로 이어지는 금속 증착을 위하여 Si-OH 서포팅 된 그래핀 및 서포팅 되지 않은(un-supported) 그래핀(예컨대, 순수한 그래핀) 둘 모두를 Au QUANTIFOIL® TEM 격자(grid) 상에 위치시켰다(suspended). 전사 과정(transfer process) 동안 그래핀 표면이 오염되는 것을 방지하기 위하여, 도 1d에 나타난 바와 같이, 직접 (고분자-유리) 전사법을 사용하였다.Next, place both Si-OH supported graphene and un-supported graphene (e.g., pure graphene) on the Au QUANTIFOIL ® TEM grid for metal deposition leading to TEM analysis. Suspended. In order to prevent contamination of the graphene surface during the transfer process, as shown in FIG. 1D, a direct (polymer-glass) transfer method was used.

도 1e는 열증착(thermal evaporation)에 의해 금을 3Å 두께로 증착시킨 후의 서포팅 되지 않은 그래핀 도메인의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지를 나타낸다. 삽입도에 나타난 회절 패턴은 단일층 그래핀 도메인의 결함 없는(defect-free) [10-10] 결정면을 나타낸다. 원하지 않는 탄화수소로 오염된 모서리 부분을 따라 금 나노입자가 성장되는 반면, 결함 없는 그래핀 도메인 상에는 거의 나노입자가 나타나지 않았다. 또한, 이중층 그래핀 도메인 상에서도 금 나노입자의 핵형성 성장도 나타나지 않았다(도 2). 고전적인 핵형성 이론에 따르면, 핵형성 및 성장은 열역학적 및 속도론적 두 가지 인자에 의해 결정된다. 열역학적 평형 하에서, 핵형성은 온전히 표면 에너지에 의해 결정된다. 결함이 없는 순수한 그래핀의 표면 에너지는 금 표면에 대한 값보다 더 낮으므로, 해당 영역에서 불균일한 핵형성은 에너지적으로 선호되지 않는다. 게다가, 실제 열증착 공정의 경우, 열역학적 평형 상태가 아니며, 따라서, 그래핀 도메인에 접근하는 기화된 금 원자는 불활성인 그래핀 도메인을 가로질러 모서리 부위로 표면 이동할 수 있다(도 1f 및 도 3). 안톤 박사의 연구는 금속 원자가 그래핀 표면 상에서 매우 이동성이 높음을 나타낸 바 있으며(Anton, R.; Schneidereit, I., Phys. Rev. B, 1998, 58: 13874-13881), 이는 본 발명에서와 일치하였다. 그러나, 본 발명에서는 보다 큰 금속 클러스터에서도 역시 높은 표면 확산이 관찰되었다. 도 4 및 도 5는 그래핀 도메인에서 금 나노클러스터의 표면 확산에 의해 발생하는 2가지 형태, 즉, 액체 유사(liquid-like) 및 고체 유사(solid-like) 융합의 현장(in-situ) 융합(coalescence)을 나타낸다. 그래핀 표면에서 뿐만 아니라 일반적인 기재 상에서도, 작은 크기의 클러스터에서 질량-이동(mass-transfer)에 기초한 액체 유사 융합이 관찰되었다. 클러스터가 보다 크게 성장함에 따라, 상이한 결정 구조의 금 나노입자 사이에서 발생하는 고체 유사 융합은 질량 이동에 관여하지 않는다. 단지 경계(boundary)에서 좁아짐과 넓어짐(necking and broadening)이 있었다. 그러나, 그래핀 표면의 경우, 보다 큰 금 클러스터는 높은 표면 확산성으로 인해 그래핀 표면을 따라 이동하고, 크기가 증가할 수 있었다(도 5)1E shows a high-resolution TEM (HRTEM) image of an unsupported graphene domain after depositing gold to a thickness of 3Å by thermal evaporation. The diffraction pattern shown in the inset represents the defect-free [10-10] crystal plane of the single-layer graphene domain. Gold nanoparticles were grown along the edges contaminated with unwanted hydrocarbons, while few nanoparticles appeared on the defect-free graphene domains. In addition, there was no nucleation growth of gold nanoparticles even on the bilayer graphene domain (FIG. 2). According to classical nucleation theory, nucleation and growth are determined by two factors, thermodynamic and kinetic. Under thermodynamic equilibrium, nucleation is entirely determined by the surface energy. Since the surface energy of pure graphene without defects is lower than that for the gold surface, non-uniform nucleation in that region is not energetically favored. In addition, in the case of an actual thermal evaporation process, there is no thermodynamic equilibrium, and thus, vaporized gold atoms accessing the graphene domain can surface migrate across the inactive graphene domain to the edge region (FIGS. 1F and 3). . Dr. Anton's research has shown that metal atoms are highly mobile on the graphene surface (Anton, R.; Schneidereit, I., Phys. Rev. B, 1998, 58: 13874-13881), which is similar to that in the present invention. Coincided. However, in the present invention, also high surface diffusion was observed even in a larger metal cluster. 4 and 5 show in-situ fusion of two forms, that is, liquid-like and solid-like fusion, caused by surface diffusion of gold nanoclusters in the graphene domain. (coalescence) is shown. Liquid-like fusion based on mass-transfer was observed in clusters of small size, not only on the graphene surface but also on the general substrate. As the clusters grow larger, the solid-like fusion that occurs between gold nanoparticles of different crystal structures is not involved in mass transfer. There was only necking and broadening at the boundary. However, in the case of the graphene surface, the larger gold clusters moved along the graphene surface due to high surface diffusivity, and the size could be increased (FIG. 5).

도 1g는 금을 3Å 두께로 증착시킨 후의 Si-OH 서포팅 된 그래핀 도메인 상에서 성장한 금 나노입자의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지를 나타낸다. 모서리 부분에서 성장한 나노입자와 달리, 그래핀 도메인에서 성장한 모든 금 나노입자들은 단일 결정을 나타내었다(도 6). 일반적으로, 핵형성은 하나 이상의 핵형성 자리에서 발생하므로 균일한 핵형성은 다결정 성장을 유도할 수 있다. 따라서, 서포팅 된 그래핀 도메인 상에서의 단일 결정 성장은 균일 용액 성장의 경우와 같이 불균일한 핵형성 자리 없이 균일한 핵형성이 일어날 것을 가정하였다(도 1h).1G shows a high-resolution TEM (HRTEM) image of gold nanoparticles grown on Si-OH supported graphene domains after depositing gold to a thickness of 3Å. Unlike the nanoparticles grown in the corners, all gold nanoparticles grown in the graphene domain showed a single crystal (FIG. 6). In general, nucleation occurs at more than one nucleation site, so uniform nucleation can lead to polycrystalline growth. Therefore, it was assumed that the single crystal growth on the supported graphene domain would result in uniform nucleation without uneven nucleation sites as in the case of uniform solution growth (Fig. 1h).

서포팅 된 그래핀 상에서의 균일한 핵형성에 대한 기전 및 세부 관찰을 설명하기 위하여, HRTEM 이미지를 사용하여 말단에 Si-OH 작용기를 갖는 SiOx 층의 단일층 코팅을 위한 최적화 조건을 확인하였다. 도 7a는 다른 두께의 SiOx 층을 포함하는 그래핀 도메인의 HRTEM 이미지를 나타낸다. 고속 푸리에 변환 분석(Furrier fast transform; FFT)을 위하여, 단일층 그래핀의 격자 도메인과 후면을 서포팅하는 단일층-유사 Si-OH 층 모두를 동시에 관찰할 수 있는 적절한 영역을 선택하였다(도 7a의 중앙 이미지). 도 7b는 HRTEM 이미지(좌측)와 이에 상응하는 회절 패턴(우측, 삽입도는 시뮬레이션 이미지)을 나타낸다. [10-10]의 그래핀 패턴 및 무정형 SiOx의 고리형 패턴은 명백히 공시적으로(in synchrony) 나타났으며, 이는 그래핀 도메인이 바닥면으로부터 무정형 SiOx의 서포팅하에 잘 유지되고 있음을 나타내는 것으로, 이는 또한 전술한 라만 분석 결과(도 1b)와 일치한다. 또한, Si-OH 서포팅 된 그래핀 도메인 상에서 에너지분산형 X-선 분광학(energy-dispersive X-ray spectroscopy; EDS) 원소 맵핑 분석(element mapping analysis)(도 7c) 및 원자 농도 프로파일(atomic concentration profile)(도 7d)은 서포팅 되지 않은 그래핀 도메인에 비해 약 0%로부터 0.14%로 Si 성분의 증가를 나타내었다.In order to explain the mechanism and detailed observation of the uniform nucleation on the supported graphene, the optimization conditions for the single layer coating of the SiO x layer having the Si-OH functional group at the terminal were confirmed using HRTEM images. 7A shows HRTEM images of graphene domains including SiO x layers of different thicknesses. For the Fast Fourier Transform (FFT) analysis, an appropriate region in which both the lattice domain of the single-layer graphene and the single-layer-like Si-OH layer supporting the rear surface can be observed at the same time was selected (Fig. 7A). Center image). 7B shows an HRTEM image (left) and a corresponding diffraction pattern (right, inset is a simulation image). The graphene pattern of [10-10] and the cyclic pattern of amorphous SiO x appeared in synchrony, indicating that the graphene domain is well maintained under the support of amorphous SiO x from the bottom surface. As such, this is also consistent with the above-described Raman analysis results (FIG. 1B). In addition, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) element mapping analysis (Fig. 7c) and atomic concentration profile on Si-OH supported graphene domains. (Fig. 7d) shows an increase in the Si component from about 0% to 0.14% compared to the non-supported graphene domain.

후면 서포팅(back side supporting)는 그래핀 본래의 격자 구조를 유지하여 격자를 따른 금속 박막의 에피택셜 면내 성장을 가능하게 한다. 특히, 통상의 금속은 높은 응집에너지(cohesive energy)로 인해 3차원인 고립된 섬의 형태로 성장하려는 경향을 나타내므로, 낮은 증착 두께 내에서 연속적인 층을 형성하는 것은 어려웠다. 도 8a에 나타난 HRTEM의 디컨볼루션 이미지는 서포팅 된 그래핀 템플릿에 의한, 서너개 층의 단일 결정형 금 나노결정, 악화되지 않은(un-deteriorate) 결정의 그래핀 템플릿, 및 말단에 Si-OH를 갖는 무정형 SiOx 서포팅층을 포함하는, 에피택셜 면내 성장 결과를 명확히 나타내었다. 보다 구체적으로, 성장된 금 나노결정과 그래핀 사이의 에피택셜 면내 성장을 FFT 분석으로 분해하였다. 도 8b, 8c 및 8d는 삼각형, 다면체 및 막대형(triangle, polyhedral and rod) 금 나노결정의 HRTEM 이미지 및 FFT 패턴을 나타낸다. 금 결정의 형태 및 크기와 무관하게, 금 (111) 결정면은 격자 불일치의 최소화를 통해 그래핀 (10-10) 기재와 에피택셜하게 배열되었다(epitaxial aligned). 각각의 금 결정과 그래핀 템플릿 사이에서 측정된 불일치 각은 삼각형, 다면체 및 막대형 금 나노결정에 대해 모두 1°미만이었다.The back side supporting maintains the original lattice structure of graphene and enables the growth of the metal thin film along the lattice in the epitaxial plane. In particular, since conventional metals tend to grow in the form of three-dimensional isolated islands due to high cohesive energy, it has been difficult to form a continuous layer within a low deposition thickness. The deconvolutional image of HRTEM shown in FIG. 8A is a graphene template with three or four layers of single crystal gold nanocrystals, an un-deteriorate crystal graphene template, and a Si-OH terminal with a supported graphene template. The epitaxial in-plane growth results including the amorphous SiO x supporting layer were clearly shown. More specifically, the epitaxial in-plane growth between the grown gold nanocrystals and graphene was decomposed by FFT analysis. 8B, 8C and 8D show HRTEM images and FFT patterns of triangular, polyhedral and rod gold nanocrystals. Regardless of the shape and size of the gold crystal, the gold (111) crystal plane was epitaxially aligned with the graphene (10-10) substrate through minimization of lattice mismatch. The mismatch angles measured between each gold crystal and graphene template were all less than 1° for triangular, polyhedral and rod-shaped gold nanocrystals.

한편, 본 발명자는 금 결정의 위치는 항상 그래핀 도메인 중앙에 위치한다는 사실을 확인하였다(도 8e). 그래핀 도메인 아래 말단에 Si-OH 기를 포함하는 SiOx 층으로의 서포팅이 투명성 기전을 통해 열역학적 핵형성 자리가 그래핀 단일층을 통해 전달되도록 한다면, 핵형성 및 성장은 그래핀 표면의 전 영역에서 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 기하학적인 선택적 성장 역시 화학적 서포팅이 열역학적 핵형성 보다는 속도론적으로 조절된 균일한 핵형성을 유도한다는 증거일 수 있다. 본 발명자는 모서리 부분으로부터 먼 곳에 도달한 원자가 서포팅에 의해 속도론적으로 제한된다면, 표면 확산에 필요한 운동에너지를 잃을 수 있다고 가정하였다. 상기 가정이 사실이라면, 이들 원자들은 균일한 핵형성을 통해 동일한 상황에 있는 다른 원자들과 함께 핵형성하는 것을 선호할 수 있다. 상기 가정을 확인하기 위하여, 도 8f의 이미지를 위해 그래핀 도메인 내의 임의의 1 내지 7개 위치를 선택하고, 이들 위치로부터 등고선 선도(contour plot)를 그렸다. 그 결과, 도 8f에 나타난 바와 같이, 성장된 금 결정의 중심 위치(center position)는 등고선의 가장 어두운 부분과 정확히 일치하였다. 해당 지점은 각각의 선택된 위치로부터 거리의 합이 가장 작은 값을 갖는 유일한 지점임을 나타낸다. 각 위치로부터의 거리는 각각 a1, a2,…, a7로 표시하였다(도 8f). 나아가, 균일한 성장이 일어나는지의 여부는 순수한(clean) 그래핀 도메인의 크기에 의해 결정된다. 도 8g는 도메인의 임계적 크기를 나타내며, 1172 nm2 미만은, 금속 원자가 도달하는 곳과 결함 자리와의 근접성으로 인해, 균일한 결정 성장을 유도하지 못함을 확인하였다. 이는 결함 자리가 전혀 없는 완벽히 순수한 그래핀 층을 구현하면 그래핀 표면 전체를 덮는 결정 성장이 가능할 수 있음을 나타내는 것이다.On the other hand, the present inventors confirmed that the position of the gold crystal is always located in the center of the graphene domain (Fig. 8e). If the support of the SiO x layer containing the Si-OH group at the lower end of the graphene domain allows the thermodynamic nucleation site to be transferred through the graphene monolayer through the mechanism of transparency, nucleation and growth are carried out in the entire area of the graphene surface. Can occur. Thus, this geometrically selective growth may also be evidence that chemical support induces kinetically controlled uniform nucleation rather than thermodynamic nucleation. The inventors hypothesized that if an atom reaching a distance from the edge portion is kineticly limited by the support, kinetic energy required for surface diffusion may be lost. If the above assumption is true, then these atoms may prefer to nucleate together with other atoms in the same situation through uniform nucleation. To confirm this assumption, arbitrary 1 to 7 positions in the graphene domain were selected for the image of FIG. 8F, and contour plots were drawn from these positions. As a result, as shown in FIG. 8F, the center position of the grown gold crystal was exactly the same as the darkest part of the contour line. This point indicates that the sum of distances from each selected position is the only point with the smallest value. The distance from each location is a 1 , a 2 ,... and a 7 (FIG. 8F). Furthermore, whether or not uniform growth occurs is determined by the size of the clean graphene domain. FIG. 8G shows the critical size of the domain, and it was confirmed that less than 1172 nm 2 did not induce uniform crystal growth due to the proximity of the location of the metal atom to the defect site. This indicates that if a perfectly pure graphene layer with no defect spots is implemented, crystal growth covering the entire graphene surface can be possible.

다양한 고급 광전자공학의 발전에 있어서 낮은 여과 임계 두께를 갖는 초박형 금속 전극이 요구되었다. 그래핀 템플릿 상에서 균일한 핵형성 및 에피택셜 면내 성장은 화학적으로 개질된 서포팅 기재를 포함한 초박형 금속 전극의 제조를 가능하게 하였다. 도 9a에 나타난 바와 같이, 먼저, 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD)을 이용하여 그래핀 템플릿을 제조하고 통상적인 전사방법에 의해 화학적으로 개질된 서포팅 기재 상에 옮겼다. 열증착법(thermal evaporation method)에 의해 상기 서포팅된 그래핀 기재 상에 여과 두께(percolation thickness) 이내로 초박형 금속 전극을 증착시켰다. 증착을 완료한 후, 상업적 접착 매질(adhesive medium)을 이용하여 상기 초박형 금속 전극을 원하는 다른 기재에 전사시켰다. 이는 상기 그래핀 템플릿을 재사용할 수 있음을 나타내는 것이다. 도 9b는 그래핀 템플릿 상에 6 nm 두께로 증착시킨 금 전극의 디지털 이미지를 나타낸다. 그래핀 템플릿은 그 자체로서 3.0% 흡수율을 가짐에도 불구하고, 그래핀 템플릿 상에 형성된 금속 박막 영역(회색 파선 박스 내부)은 템플릿이 없는 성장 부분 보다 5% 더 높은 가시광선 투명성을 나타내었다. 일반적으로, 고체 기재 상의 금 박막은 가시광선 영역에서의 낮은 투과도로 인해 국소표면플라즈마공명(localized surface plasmon resonance)을 나타낸다. 그래핀 템플릿 상에 성장된 금속 박막의 높은 투과도는 그래핀 템플릿이, 도 9c에 나타난 바와 같이, 불균일한 고립된 섬 형태의 성장보다는 균일한 연속적인 층 형태의 성장을 유도함을 나타내는 것이다. SEM 이미지는 결정 입계(grain boundary)에서의 상이한 형태를 명확히 나타낸다(도 9d). 성장 거동에 대한 그래핀 템플릿의 효과는 전기적 성질의 향상에 의한 여과 임계 두께의 낮아짐에 기인할 수 있다. 여과 임계 두께는 반투명 금속 전극을 구현하기 위한 중요한 변수이다. 도 9e 및 도 10에 나타난 바와 같이, 그래핀 없이 성장시킨 금속은 전도성을 나타내지 않는 반면, 그래핀 상에서 성장시킨 금속 박막은 동일한 두께(6 nm)에서도 우수한 전도성을 나타내었다. 금속 전극의 성장 및 전사를 완료한 후에도, 그래핀 템플릿의 라만 스펙트럼은 초기 그래핀 템플릿에 대해 기록된 스트럼과 유사하였으며, 이는, 도 9f 및 9g에 나타난 바와 같이, 성장/전사 과정 동안 그래핀 템플릿의 질이 저하되지 않았음을 나타내는 것이다. 상기 결과로부터 그래핀은, 이전에 보고된 금속 습식 유도제(metal wetting inducer)를 제공하기 위한 다른 방법에 비해 구별되는 장점인, 단단하며 재사용 가능한 템플릿으로 사용될 수 있음을 확인하였다.In the development of various advanced optoelectronics, ultra-thin metal electrodes with low filtration critical thickness have been required. Uniform nucleation and epitaxial in-plane growth on the graphene template enabled the manufacture of ultra-thin metal electrodes including chemically modified supporting substrates. As shown in FIG. 9A, first, a graphene template was prepared using a chemical vapor deposition (CVD) method, and then transferred onto a chemically modified supporting substrate by a conventional transfer method. An ultra-thin metal electrode was deposited within the percolation thickness on the supported graphene substrate by a thermal evaporation method. After the deposition was completed, the ultra-thin metal electrode was transferred to another desired substrate using a commercial adhesive medium. This indicates that the graphene template can be reused. 9B shows a digital image of a gold electrode deposited on a graphene template to a thickness of 6 nm. Although the graphene template itself had an absorption rate of 3.0%, the metal thin film area (inside the gray dashed line box) formed on the graphene template showed 5% higher visible light transparency than the growth portion without the template. In general, a gold thin film on a solid substrate exhibits a localized surface plasmon resonance due to its low transmittance in the visible region. The high transmittance of the metal thin film grown on the graphene template indicates that the graphene template induces the growth of a uniform continuous layer shape rather than the growth of a non-uniform isolated island shape, as shown in FIG. 9C. The SEM image clearly shows the different morphology at the grain boundary (Fig. 9d). The effect of the graphene template on the growth behavior can be attributed to the lowering of the filtration critical thickness due to the improvement of the electrical properties. The filtration critical thickness is an important parameter to implement a translucent metal electrode. As shown in FIGS. 9E and 10, the metal grown without graphene did not exhibit conductivity, whereas the metal thin film grown on graphene exhibited excellent conductivity even at the same thickness (6 nm). Even after completing the growth and transfer of the metal electrode, the Raman spectrum of the graphene template was similar to the strum recorded for the initial graphene template, which is graphene during the growth/transfer process, as shown in FIGS. 9F and 9G. This indicates that the quality of the template has not been degraded. From the above results, it was confirmed that graphene can be used as a hard and reusable template, which is a distinguishing advantage over other methods for providing a metal wetting inducer reported previously.

실시예Example 4: 4: 분해가능한Degradable 생물의학적 히터 Biomedical heater

마이크로니들 패치를 Raphas®로부터 구입하였다. 침투 시험 전과 후 각각의 패치를 현미경(LSM 5 EXCITER, ZWEISS) 하에 육안으로 검사하였다. 광열 가열(photothermal heating)을 위하여, 초박막 금속 히터로 서포팅 된 마이크로니들 패치를 할로겐 스튜디오 램프(AlienBeesTM B1600, Paul C. Buff, INC)에 노출시켰다. 패치 침투 시험에서 인공 피부에 레노폼(아주약품)을 도입하였다. 초박막 금속 전극을 산성용액(0.2 M FeCl3)에 담그고, SEM으로 담금 시간의 증가에 따른 형태 변화를 관찰하였다.The microneedle patch was obtained from Raphas ®. Each patch before and after the penetration test was visually inspected under a microscope (LSM 5 EXCITER, ZWEISS). For photothermal heating, a microneedle patch supported by an ultra-thin metal heater was exposed to a halogen studio lamp (AlienBeesTM B1600, Paul C. Buff, INC). In the patch penetration test, lenofoam (a very pharmaceutical product) was introduced into the artificial skin. The ultra-thin metal electrode was immersed in an acidic solution (0.2 M FeCl 3 ), and the change in shape with increasing immersion time was observed by SEM.

분해가능한 초박형 금속 전극의 반투명 생물의학적 히터로서의 활용 가능성을 확인하기 위하여, 인가하는 전압을 증가시키면서 온도를 측정하였다. 측정장치의 개략도를 도 9i에 나타내었다. 도 9j는 8.5V에서 55℃까지의 온도 증가를 나타내었으며, 이는 열-보조 스킨 케어에 적용하기에 충분한 값이다. 한편, 초박형 금속 박막은 가시광선 영역에서 LSPR의 국부적 가열에 의한 열특성을 나타내었다. 이와 같은 성질은 금속 박막이 외부 전압의 공급 없이도 일상 생활에 존재하는 가시광선에 의해 유용한 열 에너지를 생산할 수 있도록 한다. 이를 확인하기 위하여, 스킨케어를 위한 상업용 마이크로니들 코스메틱스의 투입도(degree of permeance)에 대한 광열효과를 확인하였다. 도 9i 및 9k는 상기 측정에 대한 개략도를 나타낸다. 도 9i 및 도 12에 나타난 바와 같이, 금속 전극이 부착된 마이크로니들 패치의 온도는 램프에 노출하자마자 38.4℃까지 증가하였다. 도 9m은 패치를 인공피부에 30분 동안 침투시킨 후 마이크로니들 용해(dissolution)에 대한 광열효과를 나타낸다. 열 히터(thermal heater) 상의 마이크로니들의 길이는 최소 210 μm이며, 이는 초박형 금속 히터가 인공피부에서 화장용 니들(cosmetic needle)의 침투 및 용해를 향상시킴을 나타내는 것이다. 한편, 초박형 금속 히터가 부재하는 경우, 금속 히터 없이 순수한 마이크로 니들 패치만이 존재하는 시료에 비해 용해도는 단지 12%만큼 증가하였다. 금속 전극은 히터의 유용한 재료임에도 불구하고, 온화한 조건(mild condition)에서 쉽게 용해되거나 분해되지 않아 사용 후 폐기시 항상 친환경적이지 않은 폐기물 문제를 야기하였다. 그러나, 본 발명에 따른 초박형 금 박막은, 도 9n에 나타난 바와 같이, 온화한 산성 용액에서 3시간 이내에 완전히 분해됨을 확인하였다. 이는 초박형 두께가 대부분의 금속 원자가 높은 표면 화학적 반응성(surface chemical reactivity)을 갖도록 하기 때문인 것으로 사료된다. 상기 분해성(degradable property)은 생물의학적 분야에 있어서 타투 또는 이식용 전극으로서의 사용 가능성에 대한 구별되는 장점의 하나일 수 있다.In order to confirm the possibility of utilizing the degradable ultra-thin metal electrode as a translucent biomedical heater, the temperature was measured while increasing the applied voltage. A schematic diagram of the measuring device is shown in Fig. 9i. 9J shows the temperature increase from 8.5V to 55°C, which is a sufficient value for application in heat-assisted skin care. On the other hand, the ultra-thin metal thin film exhibited thermal characteristics by local heating of LSPR in the visible light region. This property enables the metal thin film to produce useful thermal energy by visible light that exists in everyday life without supplying an external voltage. To confirm this, the light-heating effect on the degree of permeance of commercial microneedle cosmetics for skin care was confirmed. Figures 9i and 9k show schematic diagrams for this measurement. 9I and 12, the temperature of the microneedle patch to which the metal electrode is attached increased to 38.4°C as soon as it was exposed to the lamp. 9M shows the photothermal effect on microneedle dissolution after the patch is penetrated into artificial skin for 30 minutes. The length of the microneedles on the thermal heater is at least 210 μm, indicating that the ultra-thin metal heater improves penetration and dissolution of cosmetic needles in artificial skin. On the other hand, in the absence of the ultra-thin metal heater, the solubility increased by only 12% compared to the sample in which only the pure microneedle patch was present without the metal heater. Although the metal electrode is a useful material for a heater, it does not dissolve or decompose easily in a mild condition, causing a waste problem that is not always environmentally friendly when discarded after use. However, it was confirmed that the ultra-thin gold thin film according to the present invention was completely decomposed within 3 hours in a mild acidic solution, as shown in FIG. 9N. This is considered to be because the ultra-thin thickness allows most metal atoms to have high surface chemical reactivity. The degradable property may be one of the distinguishing advantages of the possibility of use as a tattoo or implantable electrode in the biomedical field.

실시예Example 5: 다양하게 화학적으로 5: variously chemically 개질된Modified SiOSiO 22 기재 materials

열적으로 산화된(thermal oxidized) SiO2/Si 기재를 O2 플라즈마(Femto Science)로 실온에서 55W로 60초 동안 처리하였다. 이후, 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리에톡시실란 및 (3-머캅토프로필)트리메톡시실란의 0.5 wt% 수용액에 실온에서 30분 동안 침지시켜 기재 상에 다양한 화학적 말단 작용기를 도입하였다. 반응하지 않은 잔여 실란 용액을 증류수로 3회 세척하였다. Si-OH 말단 작용기를 갖는 시료를 제공하기 위하여, SiO2/Si 기재를 추가적인 화학적 코팅과정 없이 O2 플라즈마로만 처리하였다. 자기-조립된 단일분자층 코팅에 사용된 SigmaAldrich®로부터 구입하였다.The thermally oxidized SiO 2 /Si substrate was treated with O 2 plasma (Femto Science) at room temperature at 55W for 60 seconds. Thereafter, various chemical terminal functional groups on the substrate were immersed in 0.5 wt% aqueous solution of 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltriethoxysilane and (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane for 30 minutes at room temperature. Was introduced. The remaining unreacted silane solution was washed 3 times with distilled water. In order to provide a sample having a Si-OH terminal functional group, the SiO 2 /Si substrate was treated only with O 2 plasma without an additional chemical coating process. Self-were purchased from SigmaAldrich ® used in the coating stage ilbunjacheung assembled.

도 9h는 여과 임계 두께의 그래핀 템플릿 하단 기재의 화학적 기능성에 대한 의존성을 나타낸다. 비처리(bare) SiO2 기재 상에서 시트의 저항(검은색 실선)은 8 nm의 여과 임계 두께를 나타내었다. 그러나, Si-OH(빨간색 실선), MPTMS(파란색 실선) 및 FAS(fluoroalkylsilane)(오렌지색 실선)에 의해 화학적으로 개질된 기재로 서포팅된 그래핀 기재 상에서는 각각 6 nm, 5 nm 및 5 nm의 값을 나타내었다. 이는 그래핀 템플릿의 전자적 교란(electronic perturbation)이 특정한 화학적 말단 작용기에 의존적임을 나타내는 것이다. 특히, 금속-티올 결합이 특이적인 상호작용으로 잘 알려져 있으므로, 가장 낮은 시트 저항성을 갖는 가장 얇은 여과 임계 두께는 MPTMS에 의해 서포팅된 기재에서 5 nm 수준으로 달성되었다. MPTMS 상에서 성장시킨 금 박막의 초고도로 매끈한 표면을 나타내나, 비처리 SiO2 기재 상에서는 투과되지 않고(non-percolated) 격리된(island) 표면을 형성하는, 도 9h에서의 형태적 AFM 데이터 역시 상기 결과를 지지하였다. 또한, 상기 그래핀 기재의 효과를 다른 금속에 적용할 수 있음을 확인하였다. 도 11에는 은 박막의 여과 임계 두께를 증착 두께의 함수로 나타내었다.9H shows the dependence of the filtration critical thickness on the chemical functionality of the lower substrate of the graphene template. The resistance of the sheet (solid black line) on the bare SiO 2 substrate showed a filtration critical thickness of 8 nm. However, on the graphene substrate supported by the substrate chemically modified by Si-OH (solid red line), MPTMS (solid blue line) and fluoroalkylsilane (FAS) (solid orange line), values of 6 nm, 5 nm and 5 nm were respectively Indicated. This indicates that the electronic perturbation of the graphene template is dependent on a specific chemical terminal functional group. In particular, since metal-thiol bonds are well known for specific interactions, the thinnest filtration critical thickness with the lowest sheet resistance was achieved at the 5 nm level on the substrate supported by MPTMS. The morphological AFM data in FIG. 9H showing an ultra-smooth surface of a gold thin film grown on MPTMS, but forming a non-percolated and isolated surface on an untreated SiO 2 substrate is also the result. Supported. In addition, it was confirmed that the effect of the graphene substrate can be applied to other metals. 11 shows the filtration critical thickness of the silver thin film as a function of the deposition thickness.

실시예Example 6: 초박막 금속 전극의 전사 6: Transfer of ultra-thin metal electrodes

그래핀 기재 상에 초박막 금속 전극의 증착은 밀착인화법(contact printing method)에 의해 전사되었다. PDMS 조각(slab)을 금속 전극과 접촉시켰다. 등각 접촉(conformal contact)을 완료한 후, PDMS 조각을 기재로부터 제거하였다. 금속 전극은 금속 전극과 그래핀 템플릿 간의 낮은 접착성(adhesion)으로 인해 PDMS 조각의 표면에 전사되었다. 초박막 금속 전극을 서포팅하는 PDMS 조각을 다른 수신(receiver) 기재와 접촉시키고, 60℃까지 가열하였다. 5분 후, 전사인쇄(transfer-printing)를 위해 PDMS 조각을 retrace하였다.The deposition of the ultra-thin metal electrode on the graphene substrate was transferred by a contact printing method. The PDMS slab was brought into contact with the metal electrode. After completing conformal contact, the PDMS piece was removed from the substrate. The metal electrode was transferred to the surface of the PDMS piece due to the low adhesion between the metal electrode and the graphene template. A piece of PDMS supporting an ultra-thin metal electrode was brought into contact with another receiver substrate and heated to 60°C. After 5 minutes, the PDMS piece was retraced for transfer-printing.

<결론><Conclusion>

본 발명자는, 화학적으로 서포팅 된 단일분자층 그래핀 상에서의 균질 핵화 및 에피택셜 면내 성장(epitaxial in-plane growth)을 도입함으로써, 초박형 및 매끄러운 표면의 금속 전극을 획득하기 위한 강력한 성장 템플릿(growth template)을 발굴하였다. 흥미롭게도, 단일분자층 그래핀 아래의 화학적 서포팅(chemical supporting)는 금 원자의 속도론적 억제(kinetically suppression)에만 기여할 수 있으나, 격자 불일치의 최소화를 통해 에피택셜 면내 성장을 유도할 수 있는, 내재적인 그래핀 격자의 변형 또는 손상을 변경할 수 없다. DFT(Discrete Fourier transform)에 기초한 표면 전위 장벽(surface potential barrier) 계산은 전기적으로 교란된 그래핀에 의한 금 원자의 억제된 표면 확산을 설명할 수 있다. 그래핀의 다용도 박막 성장 템플릿으로서의 가능성을 보여주기 위해, 이를 초박형 반투명 금속 전극으로 개발하였다. 이와 같은 초박형 금속 전극은 스킨케어, 열치료, 및 인공 장기(artificial e-organ)와 같이 다양한 생물의학적 분야에서 이식가능하고 문신가능한(tattooable) 전극을 제공하기 위한 분해성 금속 히터의 새로운 제조방법을 제공한다.The present inventors, by introducing homogeneous nucleation and epitaxial in-plane growth on chemically supported monomolecular layer graphene, a strong growth template for obtaining ultra-thin and smooth-surface metal electrodes Was excavated. Interestingly, the chemical supporting underneath the monolayer graphene can only contribute to the kinetic suppression of gold atoms, but the intrinsic graphene that can induce epitaxial in-plane growth through minimization of lattice mismatch. It is not possible to change the deformation or damage of the pin grid. Surface potential barrier calculations based on DFT (Discrete Fourier transform) can explain the inhibited surface diffusion of gold atoms by electrically disturbed graphene. In order to show the possibility of graphene as a versatile thin film growth template, it was developed as an ultra-thin translucent metal electrode. Such ultra-thin metal electrodes provide a new method of manufacturing degradable metal heaters to provide implantable and tattooable electrodes in various biomedical fields such as skin care, thermal therapy, and artificial e-organs. do.

Claims (12)

적어도 일면에 화학작용기를 갖는 고체 기재; 및 상기 고체 기재의 작용기를 포함하는 면에 형성된 단일층 그래핀을 포함하는 템플릿을 준비하는 제1단계; 및
상기 템플릿의 단일층 그래핀 상에 금속 박막을 형성하는 제2단계를 포함하고,
상기 제2단계에서, 상기 금속 박막 형성을 위해 상기 단일층 그래핀의 화학적 투명성을 이용하여 속도론적으로 조절된 핵형성을 유도하고,
상기 제2 단계에서 수행되는 상기 단일층 그래핀의 화학적 투명성을 이용한 속도론적으로 조절된 핵형성 유도는 상기 단일층 그래핀 아래에 제공된 상기 고체 기재의 화학작용기와 상기 금속 박막을 형성하는 금속 원자간 상호작용에 의해 새로운 핵의 형성보다는 이미 형성된 핵에서 결정 성장이 도모되는 것인, 3 내지 200Å두께의 초박막 금속 박막의 제조방법.
A solid substrate having a chemical functional group on at least one side; And a first step of preparing a template including a single layer graphene formed on a surface containing a functional group of the solid substrate. And
Including a second step of forming a metal thin film on the single-layer graphene of the template,
In the second step, kinetically controlled nucleation is induced by using the chemical transparency of the single-layer graphene to form the metal thin film,
The induction of kinetically controlled nucleation using the chemical transparency of the single-layer graphene performed in the second step is between the chemical functional groups of the solid substrate provided under the single-layer graphene and the metal atoms forming the metal thin film. A method of manufacturing an ultra-thin metal thin film having a thickness of 3 to 200 Å, wherein crystal growth is promoted in a nucleus that has already been formed rather than forming a new nucleus by the interaction.
제1항에 있어서,
상기 금속 박막은 결정입계(grain-boundaries) 없이 연속적으로 형성된 것인 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing the metal thin film is continuously formed without grain-boundaries.
제1항에 있어서,
상기 고체 기재는 실리카 기재를 열적으로 산화시키거나, 산소 플라즈마로 처리하여 화학작용기로 히드록시기를 갖는 것인 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing the solid substrate by thermally oxidizing the silica substrate or treating with oxygen plasma to have a hydroxy group as a chemical functional group.
제3항에 있어서,
상기 고체 기재는 히드록시기를 갖는 고체 기재를 각각 머캅토알킬알콕시실란 또는 퍼플루오로알킬알콕시실란으로 처리하여 화학작용기로 각각 티올기 또는 퍼플루오로알킬기를 갖는 것인 제조방법.
The method of claim 3,
The method of manufacturing the solid substrate having a hydroxy group is treated with a mercaptoalkylalkoxysilane or a perfluoroalkylalkoxysilane, respectively, to have a thiol group or a perfluoroalkyl group, respectively, as a chemical functional group.
제1항에 있어서,
접착성 기재(adhesive substrate)를 이용하여 제2단계에서 형성한 금속 박막을 분리하는 제3단계를 추가로 포함하는 것인 제조방법.
The method of claim 1,
The manufacturing method further comprising a third step of separating the metal thin film formed in the second step using an adhesive substrate.
제5항에 있어서,
금속 박막을 분리한 후 남은 기재를 제1단계의 템플릿으로 재사용하는 것인 제조방법.
The method of claim 5,
After separating the metal thin film, the remaining substrate is reused as a template in the first step.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조한 금속 박막 및 이의 일면에 부착된 하나 이상의 마이크로니들을 포함하는 마이크로니들 패치.
A microneedle patch comprising a metal thin film manufactured by the method of any one of claims 1 to 6 and one or more microneedles attached to one surface thereof.
제7항에 있어서,
상기 마이크로니들은 약물 또는 화장료를 담지한 것인 패치.
The method of claim 7,
The microneedle is a patch that carries a drug or cosmetic.
제7항에 있어서,
상기 마이크로니들은 체온 이상의 열에 의해 분해되는 것인 패치.
The method of claim 7,
The patch that the microneedles are decomposed by heat above body temperature.
제7항에 있어서,
상기 금속 박막은 가시광선 조사시 열을 발생시켜 마이크로니들의 분해를 촉진하는 것인 패치.
The method of claim 7,
The metal thin film is a patch to promote the decomposition of the microneedle by generating heat when irradiated with visible light.
제7항에 있어서,
상기 패치는 가시광선 투과성 피부부착성 기재 상에 부착된 것인 패치.
The method of claim 7,
The patch is a patch that is attached to the visible light-transmitting skin-adhesive substrate.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조한 금속 박막 및 가시광선을 제공하는 광원을 구비한 피부미용활성 디바이스.
A skin cosmetic active device comprising a metal thin film manufactured by the method of any one of claims 1 to 6 and a light source providing visible light.
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