KR20040107763A - A conductive carbon nanotubes dotted with metal and method for fabricating a pattern using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing conductive carbon nanotube(CNT) having scattered metals thereon and a patterning method using the same are provided to improve electroconductivity and surface density, thereby being suitably used as a biosensor. CONSTITUTION: The method for manufacturing conductive CNT having scattered metals thereon comprises: (a) providing CNT having carboxyl groups; (b) binding the carboxyl groups and amino groups of a compound having both amino groups and thiol groups to provide CNT modified with a thiol group; and (c) binding the thiol groups of the modified CNT to metal. The patterning method using the conductive CNT comprises: (a) providing a substrate having thiol groups exposed thereon; (b) binding the metal of the CNT to the thiol groups of the substrate surface; and (c) binding another conductive CNT to the CNT bound to the substrate surface.

Description

금속이 점재된 전도성 탄소나노튜브의 제조방법 및 이를 이용한 패턴 형성방법{A conductive carbon nanotubes dotted with metal and method for fabricating a pattern using the same}A conductive carbon nanotubes dotted with metal and method for fabricating a pattern using the same}

발명의 분야Field of invention

본 발명은 카르복실화된 탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT)에 금속을 점재한 전도성 CNT, 그 제조방법 및 상기 전도성 CNT를 화학적 방법으로 패턴이 형성된기질 표면에 적층하여 높은 표면밀도를 가지는 CNT 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention is a CNT pattern having a high surface density by laminating a conductive CNT, a method of manufacturing the same, and a method of manufacturing the conductive CNT on a carboxylated carbon nanotube (CNT) on a substrate-formed substrate surface by a chemical method. It relates to a method of forming a.

발명의 배경Background of the Invention

CNT란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. CNT는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다.CNT is a carbon allotrope composed of carbon present on the earth in large quantity. It is a material in which one carbon is combined with other carbon atoms in hexagonal honeycomb pattern to form a tube, and the diameter of the tube is nanometer (nm = 1 billionth of a meter). ) Is an extremely small area of matter. CNT is known as a perfect new material that has excellent mechanical properties, electrical selectivity, excellent field emission characteristics, high efficiency hydrogen storage medium properties and few defects among existing materials.

이에 CNT는 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료전지, 나노 와이어, 나노 캡슐, 나노 핀셋, AFM/STM 팁(tip), 단전자 소자, 가스센서, 의·공학용 미세부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용 가능성을 보여주고 있다. CNT는 이처럼 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 띨 수 있으며, 직경이 작고 길이가 상대적으로 매우 긴 특성 때문에, 평판표시소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 등의 소재로서 뛰어난 성질을 보이고, 나노크기의 각종 전자소자로서의 응용성이 매우 크다.Therefore, CNTs are used for electron emitters, vacuum fluorescent displays (VFDs), white light sources, field emission displays (FEDs), lithium ion secondary battery electrodes, hydrogen storage fuel cells, nanowires, nanocapsules, and nanoparticles. It shows unlimited applications in tweezers, AFM / STM tips, single-electron devices, gas sensors, medical and engineering micro components, and high performance composites. Since CNTs have excellent mechanical robustness and chemical stability, can exhibit both semiconductor and conductor properties, and have a small diameter and relatively long lengths, CNTs are excellent materials for flat panel display devices, transistors, and energy storage materials. Visible, its applicability as nano-sized various electronic devices is very large.

상기 표현한 특성들을 보다 다양하게 응용하기 위해 단일벽 CNT들을 잘게 자르기 시작했다. 이렇게 잘라진 CNT들은 잘라진 단면(ends) 및 옆면(sidewall)의일부에 주로 -COOH 화학적 작용기를 가지게 된다. 이러한 화학적 작용기를 이용하여 다양한 물질들을 화학적으로 붙이기 시작하여 CNT의 성질을 개질하기도 하였다. 더 나아가 화학적 기작에 의해 CNT의 작용기를 -SH 기로 치환한 후, 금 표면에 미세접촉 인쇄(micro contact printing) 기법을 이용하여 표면에 패턴화한 보고(Nan, X. et al., J. Colloid Interface Sci., 245: 311-18, 2002)와 정전기적 방법(electrostatic method)을 이용하여 CNT를 표면에 다중막으로 고착시킨 보고가 있다(Rouse, J.H. et al., Nano Lett., 3:59-62, 2003). 그러나 전자는 CNT의 표면 밀도가 낮고 결합력이 약하다는 단점이 있으며, 후자는 선택적으로 표면에 고정하는 패터닝 방법을 적용할 수 없다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 따라서 새로운 형태의 표면 고정법 개발이 절실히 요구되고 있다.Single-walled CNTs have been chopped to provide more diverse applications of the above characteristics. The CNTs thus cut have mainly -COOH chemical groups on the cut ends and sidewalls. These chemical functional groups have been used to chemically attach various materials to modify the properties of CNTs. Furthermore, by substituting the -SH group for the functional group of CNT by chemical mechanism, the report was patterned on the surface by micro contact printing technique (Nan, X. et al., J. Colloid). Interface Sci., 245: 311-18, 2002) and reports on the adhesion of CNTs to surfaces using electrostatic methods (Rouse, JH et al., Nano Lett., 3:59). -62, 2003). However, the former has the disadvantage that the surface density of CNTs is low and the bonding strength is weak, and the latter has the fatal disadvantage that the patterning method of selectively fixing to the surface cannot be applied. Therefore, a new type of surface fixation method is urgently needed.

최근, CNT의 전기적, 반도체 성질 또는 구조적으로 안정한 특성을 이용하여, 바이오물질을 고정한 CNT의 전기화학적인 변화를 통한 반응검출에 대한 연구가 이루어지고 있다 (Dai, H. et al., ACC. Chem. Res., 35:1035-1044, 2002; Sotiropoulou, S. et al., Anal. Bioanal. Chem., 375:103-105, 2003; Erlanger, B.F. et al., Nano Lett., 1:465-467, 2001; Azamian, B.R. et al., JACS, 124:12664-12665, 2002).Recently, studies on reaction detection through electrochemical changes of CNTs immobilized with biomaterials have been made using the electrical, semiconducting or structurally stable properties of CNTs (Dai, H. et al., ACC.Chem Res., 35: 1035-1044, 2002; Sotiropoulou, S. et al., Anal.Bioanal.Chem., 375: 103-105, 2003; Erlanger, BF et al., Nano Lett., 1: 465-. 467, 2001; Azamian, BR et al., JACS, 124: 12664-12665, 2002).

한편, 단백질-리간드 반응의 대표적인 예로, 아비딘(avidin)-바이오틴 (biotin) 반응을 들 수 있는데, 고분자로 처리된 기질위에 CNT를 이용하여 채널을 형성한 다음, 전기화학적인 방법을 통하여 스트렙토아비딘의 결합을 측정하였다 (Star, A. et al., Nano Lett., 3:459-463, 2003).On the other hand, a representative example of the protein-ligand reaction is an avidin (avidin) -biotin (biotin) reaction, which forms a channel using CNT on the polymer-treated substrate, and then the electrochemical method of streptoavidin Binding was measured (Star, A. et al., Nano Lett., 3: 459-463, 2003).

고밀도의 CNT 멀티레이어(multilayer)를 만들어 그 위에 DNA를 부착한 다음, 상보적으로 결합하는 DNA를 검출하는 방법은 게놈분석(genotyping), 돌연변이 검색(mutation detection), 병원성 균 진단(pathogen identification) 등에 유용하다. PNA(peptide nucleic acid: DNA 유사체)를 단일벽(single walled) CNT에 위치 특이적으로 고정하고, 목적 DNA와 상보적으로 결합하는 것을 검출한 보고가 있다(Williams, K.A. et al., Nature, 420:761, 2001). 또한, 전기화학적인 방법을 통해 올리고뉴클레오티드를 CNT 어레이에 고정하고, 구아니딘 산화(guanidine oxidation) 방법을 통해 DNA를 검출한 예도 있다(Li, J. et al., Nano Lett., 3:597-602, 2003). 그러나 이것들은 CNT를 바이오 칩의 제작 및 개발에 적용한 것은 아니다.Creating a high-density CNT multilayer, attaching DNA to it, and detecting complementary binding DNA can be done by genotyping, mutation detection, pathogen identification, etc. useful. PNA (peptide nucleic acid: DNA analogue) has been reported to be site-specifically fixed to a single-walled CNT and detected complementary binding to the target DNA (Williams, KA et al., Nature, 420 : 761, 2001). In addition, an oligonucleotide is immobilized to a CNT array by an electrochemical method, and a DNA is detected by a guanidine oxidation method (Li, J. et al., Nano Lett., 3: 597-602). , 2003). However, these did not apply CNT to the manufacture and development of biochips.

최근, CNT를 이용한 고용량의 바이오분자 검출센서(WO 03/016901 A1)가 알려져 있다. 기질위에 화학적 연결체를 사용하여 복수의 CNT를 배열하고 여러 종류의 리셉터를 부착하여 얻어지는 멀티채널형 바이오칩에 관한 것으로, 비교적 전기전도도가 약하여 정확하게 분석하기 어려운 단점을 가지고 있다.Recently, a high capacity biomolecular detection sensor (WO 03/016901 A1) using CNTs is known. The present invention relates to a multichannel type biochip obtained by arranging a plurality of CNTs by attaching a plurality of CNTs on a substrate and attaching various kinds of receptors.

바이오센서로서 CNT가 주목받는 이유는 첫째, 레이블링이 필요 없고 둘째, 단백질의 변형 없이 수용액 상에서 반응을 진행시킬 수 있기 때문이다. 새로운 나노물질과 생물학적 시스템의 결합은 질병진단(유전병), 프로테오믹스, 나노바이오기술 분야에서 중요한 응용기술들을 창출해 나갈 것이다.CNT attracts attention as a biosensor because, firstly, no labeling is required and secondly, the reaction can proceed in an aqueous solution without modification of the protein. The combination of new nanomaterials and biological systems will create important applications in disease diagnosis, genetics, and nanobiotechnology.

한편, CNT를 생명공학분야에서 응용하는 사례가 최근에 많이 등장하고 있다. 글루코스 센서, 단백질의 검출, 특정 DNA 서열의 검출 (Anal. Bioanal. Chem.,375:103-105, 2003; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100(9):4984-9, 2003; Anal. Bioanal. Chem., 375:287-293, 2003) 등이 그것이다. CNT를 기반으로 한 다층(multilayer)에서의 생물분자 검색은 표면적이 넓고 전기전도도 성질이 우수하여 DNA와 같은 생물분자가 고정되는 양을 늘릴 수 있고, 생물분자에 대한 검출 민감도를 증대시킬 수 있다.On the other hand, the application of CNTs in the field of biotechnology has emerged in recent years. Glucose sensor, detection of proteins, detection of specific DNA sequences (Anal. Bioanal. Chem., 375: 103-105, 2003; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100 (9): 4984-9, 2003; Anal. Bioanal. Chem., 375: 287-293, 2003). Biomolecular screening in CNT-based multilayers can increase the amount of biomolecules such as DNA immobilized due to its large surface area and excellent electrical conductivity, and increase detection sensitivity to biomolecules.

또한 CNT에 각종 작용기를 결합시키는 기술과 함께 무기물질에 해당하는 CNT에 대한 수용성을 증대시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. DNA를 공유결합으로 부착한 CNT는 물이나 유기용매에도 잘 녹을 뿐만 아니라, CNT가 수용액 상에서 잘 분산되도록 하는 특성을 가진다. 이는 수용성 CNT, 자기조립성 표면(self-assembly surface), 화학 또는 바이오센서 개발에 중요한 역할을 한다(Nat. Mater., 2(5):338-42, 2003; Science, 265:1850, 1994; Adv. Mater., 10:701-3, 1998).In addition, research is being actively conducted to increase the water solubility of CNTs corresponding to inorganic materials together with a technique of binding various functional groups to CNTs. CNTs covalently attached to DNA not only dissolve well in water or organic solvents, but also have properties that allow CNTs to disperse well in aqueous solutions. It plays an important role in the development of water soluble CNTs, self-assembly surfaces, chemical or biosensors (Nat. Mater., 2 (5): 338-42, 2003; Science, 265: 1850, 1994; Adv. Mater., 10: 701-3, 1998).

최근의 BT(biotechnology)와 NT(nanotechnology)가 결합하는 추세는 특이적으로 결합(specific binding)할 수 있는 바이오물질의 성질을 이용한 혼성 나노재료(hybrid nanomaterial)의 개발을 촉진시켰다. DNA는 원하는 위치(desired locations : 본 발명에서는 금 나노결정이 붙은 위치)에 가서 결합할 수 있는 스마트 나노와이어(smart nanowire)로 각광을 받고 있다.The recent trend of combining BT (biotechnology) and NT (nanotechnology) has facilitated the development of hybrid nanomaterials using the properties of biomaterials that can specifically bind. DNA has been spotlighted as smart nanowires that can be bound to desired locations (in the present invention where gold nanocrystals are attached).

이렇듯, 서로 다른 분야의 결합은 새로운 기술(frontier technology)을 창출하고 있다. 특히 IT(information technology), NT 및 BT의 결합은 필요불가결한 분야가 되었다. 이로부터 전기적인 검출법이라는 빠르고 정확한 디지털 정보를 바이오물질의 존재유무와 반응성 등과 같은 아날로그 데이터 측정에 이용할 수 있게 되었다(Chen, J. et al., JACS, 122:657-660, 2000; Dahne, L. et al., JACS, 123:5431-5436, 2001).As such, a combination of different disciplines is creating new frontier technology. In particular, the combination of information technology (IT), NT and BT has become an indispensable field. This enables fast and accurate digital information, such as electrical detection, to be used for measuring analog data such as the presence and reactivity of biomaterials (Chen, J. et al., JACS, 122: 657-660, 2000; Dahne, L et al., JACS, 123: 5431-5436, 2001).

현재로서는 바이오칩에서 반응결과를 검출하는 방법은 기존의 형광물질과 동위원소 등을 이용하는 방법이 가장 보편적이나(Toriba, A. et al., Biomed. Chromatography:BMC., 17:126-132, 2003; Raj, S.U. et al., Anal. Chim.Acta, 484:1-14, 2003; Peggy, A.T. et al., J. Microbio. Meth., 53:221-233, 2003), 좀더 손쉽고 정확하게 전기적 성질을 측정할 수 있는 새로운 방법들이 시도되면서 CNT라는 신소재의 필요성이 더욱 높아지고 있다.Currently, the method of detecting reaction results in biochips is the most common method using conventional fluorescent materials and isotopes (Toriba, A. et al., Biomed. Chromatography: BMC., 17: 126-132, 2003; Raj, SU et al., Anal. Chim. Acta, 484: 1-14, 2003; Peggy, AT et al., J. Microbio.Meth., 53: 221-233, 2003), making electrical properties easier and more accurate. As new methods of measurement are attempted, the need for a new material called CNT is growing.

본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 금속을 점재하여 전기전도도가 우수한 CNT 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to overcome the problems of the prior art, to provide a CNT excellent in electrical conductivity by interposing a metal and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 금속이 점재된 CNT를 기질상에 적층하여 CNT 패턴을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for forming a CNT pattern by laminating metal-dispersed CNTs on a substrate.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 표면 밀도와 우수한 전기전도도를 갖는 CNT 필름을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a CNT film having a high surface density and excellent electrical conductivity.

도 1은 금 나노입자가 점재된 탄소나노튜브(CNT)의 제작과정을 보여주는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a manufacturing process of carbon nanotubes (CNT) interspersed with gold nanoparticles.

도 2는 실리콘기질에 포토리쏘그래피 기술을 이용하여 도 1의 CNT를 집적하기 위한 일정모양의 고분자 마스크 패턴을 만드는 과정을 나타낸 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a process of forming a polymer mask pattern having a shape for integrating the CNT of FIG. 1 using photolithography technology on a silicon substrate.

도 3은 금 나노입자가 점재된 CNT 패턴의 제작방법을 보여주는 공정도이다. (a)는 패턴이 형성된 기질 표면에 티올기(-SH)를 노출시키고, 금 나노결정이 점재된 CNT 단층을 고정하는 개략도이다. (b)는 (a)에서 형성된 CNT 단층에 두 개의 티올기를 가지는 화학물질을 이용하여 또 다른 금 나노결정이 점재된 CNT를 고정하는 개략도이다. (c)는 (b)의 방법을 반복하여 표면에 금 나노입자가 점재된 CNT의 표면 밀도를 높이는 방법의 개략도이다. (d)는 (c)의 방법을 반복하여 금 나노입자가 점재된 CNT를 고밀도로 적층하는 방법을 보여주는 개략도이다. (e)는 기질상에 금 나노입자가 점재된 CNT가 고밀도로 적층되어 패턴을 형성한 결과를 보여주는 개략도이다.3 is a process chart showing a manufacturing method of a CNT pattern interspersed with gold nanoparticles. (a) is a schematic diagram of exposing a thiol group (-SH) on a patterned substrate surface and fixing a CNT monolayer interspersed with gold nanocrystals. (b) is a schematic diagram of fixing CNTs interspersed with another gold nanocrystal by using a chemical having two thiol groups in the CNT monolayer formed in (a). (c) is a schematic diagram of a method of increasing the surface density of CNTs in which gold nanoparticles are interspersed on the surface by repeating the method of (b). (d) is a schematic diagram showing the method of laminating CNTs interspersed with gold nanoparticles at high density by repeating the method of (c). (e) is a schematic diagram showing the result of forming a pattern by densely stacking CNTs interspersed with gold nanoparticles on a substrate.

도 4는 금 나노입자가 점재된 CNT 표면의 금 결정과 결합하거나 반응하는 작용기를 지닌 다양한 리셉터들이 부착된 후, 다양한 종류의 표적 바이오 물질들과 선택적으로 상호작용하는 것을 보여주는 개략도이다. 1과 2는 표적 바이오물질과 반응할 수 있는 바이오 리셉터를 나타내고, 4는 상기 바이오 리셉터와 반응할 수 있는 표적 바이오물질을 나타낸다. 3은 바이오 리셉터 중에서 올리고뉴클레오티드를 나타내고, 5는 전도성 CNT의 금속에 고정된 상기 올리고뉴클레오티드와 혼성화 반응할 수 있는 상보적 핵산을 나타내며, 6은 반응성이 없는 일반 바이오물질을 나타낸다.FIG. 4 is a schematic diagram showing that the gold nanoparticles selectively interact with various kinds of target biomaterials after attaching various receptors having functional groups that bind or react with gold crystals on the interspersed CNT surface. 1 and 2 represent bioreceptors that can react with the target biomaterial, and 4 represent target biomaterials that can react with the bioreceptor. 3 represents an oligonucleotide in a bioreceptor, 5 represents a complementary nucleic acid capable of hybridizing with the oligonucleotide immobilized on a metal of a conductive CNT, and 6 represents a general biomaterial that is not reactive.

도 5(a)는 CNT에 티올기(-SH)를 형성한 후, 금 콜로이드를 반응시켜 얻어진 금 결정이 점재된 CNT의 TEM 사진이고, (b)는 티올기(-SH)가 형성되지 않은 CNT를 금 콜로이드와 반응시킨 CNT의 TEM 사진이다.5 (a) is a TEM photograph of CNTs interspersed with gold crystals obtained by forming a thiol group (-SH) on CNTs and then reacting gold colloids, and (b) shows no thiol group (-SH) formed. TEM image of CNT reacted with gold colloid.

도 6은 도 5를 고배율로 확대 관찰한 HR-TEM 사진이다.FIG. 6 is an enlarged HR-TEM photograph of FIG. 5.

도 7은 CNT에 점재된 금 결정에 대한 XPS 이중피크(doublet) 스펙트럼이다.7 is an XPS doublet spectrum for gold crystals interspersed with CNTs.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 카르복실기를 갖는 CNT를 제공하는 단계; (b) 상기 CNT의 카르복실기를 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질의 아미노기와 결합시켜 티올기로 개질된 CNT를 얻는 단계; 및 (c) 상기 단계에서 얻어진 티올기로 개질된 CNT의 티올기에 금속을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 점재된 전도성 CNT의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (a) providing a CNT having a carboxyl group; (b) combining the carboxyl group of the CNT with an amino group of a chemical compound having an amino group and a thiol group at the same time to obtain a thiol group-modified CNT; And (c) bonding a metal to a thiol group of the CNT modified with the thiol group obtained in the above step.

상기 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 NH2-R1-SH인 것이 바람직하고, 여기서, R1은 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다.The chemical having both an amino group and a thiol group is preferably NH 2 -R 1 -SH, wherein R 1 is a C 1-20 saturated hydrocarbon, unsaturated hydrocarbon, or aromatic organic group.

상기 (a) 단계는 CNT를 산으로 처리하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 금속은 금(Au)인 것을 특징으로 할 수 있다.The step (a) may be characterized by treating the CNT with an acid, the metal may be characterized in that the gold (Au).

상기 (c) 단계는 티올기로 개질된 CNT에 금속 나노입자 또는 콜로이드를 반응시킨 다음, 환원시키는 것임을 특징으로 할 수 있다.The step (c) may be characterized in that by reacting the metal nanoparticles or colloid to the CNT modified with a thiol group, and then reducing.

본 발명은 또한, CNT-(CONH-R1-S-M)r의 형태를 가지는 금속이 점재되어 있는 전도성 CNT를 제공한다. 여기서, M은 금속을 나타내고, r은 1이상의 자연수이며, 상기 금속은 금인 것을 특징으로 할 수 있다.The present invention also provides a conductive CNT in which a metal having a form of CNT- (CONH-R 1 -SM) r is interspersed. Here, M represents a metal, r is one or more natural numbers, the metal may be characterized in that gold.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제공하는 단계; (b) 상기 기질표면의 티올기에 상기 금속이 점재된 전도성 CNT의 금속을 결합시키는 단계; 및 (c) 상기 기질에 부착된 CNT에 상기 금속이 점재된 전도성 CNT를 결합시켜 CNT를 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 CNT의 패턴을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above another object, the present invention (a) providing a substrate having a thiol group exposed on the surface; (b) bonding a metal of the conductive CNT interspersed with the metal to a thiol group on the surface of the substrate; And (c) stacking the CNTs by bonding the conductive CNTs interspersed with the metal to the CNTs attached to the substrate, thereby providing a pattern of the conductive CNTs.

본 발명은 또한, (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제공하는 단계; (b) 상기 기질표면의 티올기에 상기 금속이 점재된 전도성 CNT의 금속을 결합시키는 단계; (c) 상기 기질에 부착된 전도성 CNT에 상기 전도성 CNT를 결합시켜 전도성 CNT를 적층하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 반복하여 전도성 CNT의 밀도를 높이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 CNT 필름의 제조방법 및 상기 방법으로 제조되고, 기질-[CONH-R2-S-Au-CNT-Au-(S-R3-S-Au-CNT-Au)p]q의 구조를 갖는 전도성 CNT 필름을 제공한다. 여기서 p와 q는 1이상의 자연수이다.The present invention also provides a method comprising the steps of: (a) providing a substrate having a thiol group exposed on the surface; (b) bonding a metal of the conductive CNT interspersed with the metal to a thiol group on the surface of the substrate; (c) depositing a conductive CNT by bonding the conductive CNT to a conductive CNT attached to the substrate; And (d) repeating step (c) to increase the density of the conductive CNTs, and the substrate- [CONH-R 2 -S-Au prepared by the above method. A conductive CNT film having a structure of -CNT-Au- (SR 3 -S-Au-CNT-Au) p] q is provided. Where p and q are one or more natural numbers.

상기 (a) 단계는 표면에 아미노 작용기가 노출된 기질을 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질로 처리하여, 상기 기질상의 아미노기와 상기 화학물질의 카르복실기 간에 아미드 결합을 형성시키는 것임을 특징으로 할 수 있다.The step (a) may be characterized in that the substrate having an amino functional group exposed to the surface is treated with a chemical having a carboxyl group and a thiol group, thereby forming an amide bond between the amino group on the substrate and the carboxyl group of the chemical.

상기 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 HOOC-R2-SH의 물질이 바람직하고, 여기서 R2는 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다.The chemical substance having a carboxyl group and a thiol group at the same time is preferably a substance of HOOC-R 2 -SH, wherein R 2 is a C 1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.

상기 표면에 아미노 작용기가 노출된 기질은 기질을 아미노알킬옥시실란으로 처리하여 얻어진 것임을 특징으로 할 수 있다.The substrate having an amino functional group exposed to the surface may be obtained by treating the substrate with aminoalkyloxysilane.

상기 아미노기와 카르복실기의 결합시에 커플링제와 베이스(base)를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 (c) 단계는 이중 티올 작용기를 가진 링커를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 이중 티올 작용기를 가진 링커는 HS-R3-SH인 것이 바람직하고, 여기서 R3는 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다.The coupling of the amino group and the carboxyl group may be characterized by using a coupling agent and a base, and the step (c) may be characterized by using a linker having a double thiol functional group. The linker having the double thiol functional group is preferably HS-R 3 -SH, wherein R 3 is a C 1-20 saturated hydrocarbon, unsaturated hydrocarbon or aromatic organic group.

또한 상기 기질은 원하는 위치에 전도성 CNT를 부착하기 위하여 포토레지스트 또는 고분자 패턴이 형성되어 있는 것임을 특징으로 할 수 있고, 상기 기질은 유리, 실리콘, 용융실리카, 플라스틱 및 PDMS로 구성된 군에서 선택되는 것임을 특징으로 할 수 있다.In addition, the substrate may be characterized in that the photoresist or polymer pattern is formed to attach the conductive CNT at a desired position, the substrate is characterized in that selected from the group consisting of glass, silicon, fused silica, plastic and PDMS You can do

본 발명에서 사용되는 '점재(dot)'란 용어는 CNT에 금속이 점 모양으로 결합되는 것으로 정의된다.The term 'dot' used in the present invention is defined as a metal bonded to the CNT in the shape of a dot.

본 발명에서는 기존 CNT의 전기적 특성을 개선하기 위해 금속입자를 CNT에 점재하였으며, 금속 나노결정이 점재된 CNT를 화학적 작용기가 코팅된 고체 기질 위에 화학적 결합을 통하여 반복적으로 적층하여 높은 표면 밀도를 갖는 전도성 CNT 패턴(또는 필름)을 제작하였다.In the present invention, metal particles are interspersed with CNTs to improve the electrical properties of existing CNTs, and CNTs interspersed with metal nanocrystals are repeatedly laminated on a solid substrate coated with a chemical functional group through chemical bonding to have high surface density. A CNT pattern (or film) was produced.

본 발명에 의하면, CNT를 일정한 위치에 놓여진 촉매로부터 성장시켜서 완성했던 종래 기술의 한계에서 벗어나, 원하는 위치에 원하는 모양의 패턴을 상온에서 형성할 수 있다. 즉, CNT를 기판에 부착하는 방법으로는 크게 전기적인 방법과 화학적인 방법이 있다. 전기적인 방법이 CNT의 위치를 비교적 자유롭게 조절할 수 있는데 반해, 화학적인 방법은 기판을 특정 작용기로 수정한 후 CNT가 부유된 용액에 일정시간 담그는 방식을 택하므로 전체의 기판에서 특별히 원하는 부분에만 부착시킨다는 것은 매우 곤란하다.According to the present invention, it is possible to form a pattern of a desired shape at a room temperature at a desired position, deviating from the limitations of the prior art completed by growing CNTs from a catalyst placed at a predetermined position. That is, the method of attaching the CNT to the substrate is largely an electrical method and a chemical method. While the electrical method allows for relatively free positioning of the CNTs, the chemical method involves modifying the substrate with a specific functional group and then immersing the CNTs in a suspended solution for a certain period of time. Is very difficult.

원하는 위치에 CNT를 결합시켜 다양한 패턴을 형성하기 위해서는 기판의 특정부분만 노출시키고, CNT가 분산된 용액에서 장시간 견딜 수 있어야 하며, CNT를 증착시킨 후에는 깨끗이 제거되어 PDMS와 같은 상판을 쉽게 부착시킬 수 있어야 한다.In order to form a variety of patterns by combining CNTs at desired positions, it is necessary to expose only a specific part of the substrate, and to withstand a long time in a solution in which CNTs are dispersed. It should be possible.

본 발명은 화학적인 방법의 장점을 최대한 이용할 수 있도록 고분자를 이용하여 기판의 패턴을 형성하여 상기 종래 기술의 단점을 개선하였다. 또한 지금까지 플라즈마 화학기상증착법, 열 화학기상증착법과 같은 고온 기작으로 인한 고분자 패턴닝 등의 어려움과 강산에서의 절단과정에서 얻어지는 -COOH 등 화학작용기의 부재 등과 같은 종래기술의 문제점을 해결하는 것이 가능하다.The present invention improves the disadvantages of the prior art by forming a pattern of the substrate using a polymer so as to take full advantage of the chemical method. In addition, it is possible to solve the problems of the prior art such as the difficulty of patterning polymers due to high temperature mechanisms such as plasma chemical vapor deposition, thermal chemical vapor deposition, and the absence of chemical functional groups such as -COOH obtained in the cutting process in strong acids. Do.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.

1. 금 나노결정이 점재된 CNT의 제조1. Preparation of CNTs Interspersed with Gold Nanocrystals

도 1은 강산에서 잘려진 CNT에 산화환원 방법을 이용하여 금 입자를 점재(dot)하는 방법을 보여주는 개략도이다. 강산에 의해 잘려진 CNT는 카르복실 작용기(-COOH)를 갖고 있다. 상기 CNT의 카르복실 작용기를 아미노(-NH2) 작용기와 티올(-SH) 작용기를 동시에 가진 링커의 아미노 작용기와 결합시켰다.1 is a schematic view showing a method of dot (dot) the gold particles using a redox method to the CNT cut in a strong acid. CNTs cut by strong acids have a carboxyl functional group (-COOH). The carboxyl functional group of the CNT was combined with the amino functional group of a linker having an amino (-NH 2 ) functional group and a thiol (-SH) functional group.

이때, 상기 결합반응의 커플링제로써 DCC (1,3-dicyclohexyl carbodiimide), HATU(O-(7-azabenzotriazol-1-yl)-1,1:3,3-tetramethyl uroniumhexafluorphosphate), HBTU(O-(benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3- tetramethyluronium hexafluorophosphate), HAPyU(O-(7-azabenzotriazol -1-yl)-1,1:3,3-bis(tetramethylene)uronium hexafluorphosphate), HAMDU(O-(7-azabenzotriazol-1-yl)-1,3-dimethyl-1,3-dimethyleneuronium hexafluorphosphate), HBMDU(O-(benzotriazol-1-yl)-1,3- dimethyl-1,3-dimethyleneuronium hexafluorphosphate) 등과 베이스(base)로써 DIEA(diisopropylethylamine), TMP(2,4,6-trimethylpyridine), NMI(N-methylimidazole) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 물을 용매로 사용할 때 커플링제로서 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylamini-propyl) arbodiimide hydrochloride)를, 커플링제의 보조제로서 NHSN-hydroxysuccinimide), NHSS(N-hydroxysulfosuccinimide) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 커플링제는 -COOH 작용기와 -NH2작용기가 아미드 결합(-CONH-)을 형성하는 역할을 하며, 상기 베이스와 보조제는 커플링제가 아미드 결합을 형성할 때 효율을 높일 수 있도록 도와주는 역할을 한다.In this case, DCC (1,3-dicyclohexyl carbodiimide), HATU ( O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,1: 3,3-tetramethyl uroniumhexafluorphosphate), HBTU ( O- ( benzotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate), HAPyU ( O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,1: 3,3-bis (tetramethylene) uronium hexafluorphosphate), HAMDU ( O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,3-dimethyl-1,3-dimethyleneuronium hexafluorphosphate), HBMDU ( O- (benzotriazol-1-yl) -1,3-dimethyl-1,3-dimethyleneuronium It is preferable to use DIEA (diisopropylethylamine), TMP (2,4,6-trimethylpyridine), NMI ( N -methylimidazole) or the like as a base. In addition, use of the EDC (1-ethyl-3- ( 3-dimethylamini-propyl) arbodiimide hydrochloride) as a coupling agent when using water as a solvent, NHS N -hydroxysuccinimide) as an adjunct of a coupling agent, NHSS (N-hydroxysulfosuccinimide), etc. It is desirable to. The coupling agent serves to form an amide bond (-CONH-) with a -COOH functional group and a -NH 2 functional group, and the base and the auxiliary agent help to increase efficiency when the coupling agent forms an amide bond. do.

상기 아미노 작용기와 티올 작용기를 동시에 가지는 링커는 NH2-R1-SH로 표시되는 화학물질이 바람직하다. 여기서, R1은 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다.The linker having the amino functional group and thiol functional group at the same time is preferably a chemical represented by NH 2 -R 1 -SH. Here, R 1 is C 1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups.

상기 티올 작용기로 개질된 CNT에 HAuCl4, HAuCl4·3H2O, HAuBr4, AuCl4K, AuCl4Na, AuBr4K, AuBr4Na 들과 같은 금 나노입자, 더 바람직하게는 HAuCl4금 콜로이드를 반응시켜 금의 핵 부위(gold nucleation site)를 생성한 후, 하기 [반응식 1]에서와 같이 이온 추출 반응(ion extraction reaction)을 이용하여 금 나노입자를 환원시켜 CNT에 금 결정을 점재시켰다.Gold nanoparticles such as HAuCl 4 , HAuCl 4 · 3H 2 O, HAuBr 4 , AuCl 4 K, AuCl 4 Na, AuBr 4 K, AuBr 4 Na, and more preferably HAuCl 4 gold in the CNT modified with the thiol functional group After the reaction of the colloid to generate a gold nucleation site (gold nucleation site), the gold nanoparticles were reduced by using an ion extraction reaction (ion extraction reaction) as shown in the following [Reaction Scheme 1] and the gold crystals were dotted on the CNT .

[반응식 1]Scheme 1

AuCl4 -(aq) + N(C8H17)4+(toluene) → N(C8H17)4+AuCl4-(toluene) AuCl 4 - (aq) + N (C 8 H 17) 4+ (toluene) → N (C 8 H 17) 4+ AuCl 4- (toluene)

mAuCl4 -(toluene) + n CNT-CONH-C2H4SH(toluene) + 3me- mAuCl 4 - (toluene) + n CNT-CONH-C 2 H 4 SH (toluene) + 3me - →

4mCl4 -(aq) + (Aum)(CNT-CONH-C2H4SH)n(toluene) 4mCl 4 - (aq) + ( Au m) (CNT-CONH-C 2 H 4 SH) n (toluene)

최종적으로 'CNT-(CONH-R1-S-Au)r'의 형태를 가지는 금이 점재된 전도성 CNT가 얻어진다. 여기서 r은 1이상의 자연수이다.Finally, a conductive CNT dotted with gold having a form of 'CNT- (CONH-R 1 -S-Au) r' is obtained. Where r is one or more natural numbers.

금 대신에 은(Ag) 나노입자, 백금(Pt) 나노입자, 철(Fe) 나노입자, 니켈(Ni) 나노입자, 코발트(Co) 나노입자 등도 사용될 수 있다. 이때 산화된 형태의 상기 금속 입자들을 산화환원 반응을 이용하여 티올 작용기 등과 같은 특이 화학작용기로 개질된 CNT에 상기 금속들을 환원시켜 점재시킬 수 있다 (Jiang, K. et al., Nano Lett., 3:275-277, 2003).Instead of gold, silver (Ag) nanoparticles, platinum (Pt) nanoparticles, iron (Fe) nanoparticles, nickel (Ni) nanoparticles, cobalt (Co) nanoparticles and the like may also be used. At this time, the metal particles of the oxidized form may be dotted by reducing the metals to CNT modified with a specific chemical functional group such as a thiol functional group by using a redox reaction (Jiang, K. et al., Nano Lett., 3 : 275-277, 2003).

2. 기질 위에 멀티채널 타입(multichannel type)의 패턴 형성2. Formation of multichannel type pattern on substrate

유리, 실리콘웨이퍼, 플라스틱 등의 기질에 CNT를 일정부분 고정시키기 위해서는 액상에서 오랫동안 견딜 수 있는 패턴을 형성할 필요가 있다. 기질에 패턴을 형성하는 방법은 두 가지가 있다. 첫째는 음성감광제를 이용하여 CNT를 적층할 부분을 제거하고, CNT를 적층 시킨 후, 나머지 감광막을 제거하는 방법이고, 둘째는 CNT를 적층할 부분을 포토리쏘그래피(photolithography)를 이용하여 고분자 기질을 식각(etching)함으로서 형성할 수 있다.In order to fix CNTs to a substrate such as glass, silicon wafers and plastics, it is necessary to form a pattern that can withstand a long time in a liquid phase. There are two ways to form a pattern on a substrate. The first method is to remove the CNT layer by using a negative photosensitive agent, the CNT is deposited, and then remove the remaining photoresist layer. The second method is to use a photolithography method to form the polymer substrate. It can be formed by etching.

구체적인 공정과정을 보면 첫째 음성감광막을 이용하는 방법으로 SU-8(Dowcorning co.)과 같은 감광막을 입혀 포토리쏘그래피 공정을 이용하여 일정부분만 제거하여 CNT를 증착시키고 증착 후에 나머지 부분의 감광막을 제거하는 식의 반도체공정의 가장 일반적인 방법을 사용할 수 있다.In the specific process, first, a method of using a negative photoresist film is coated with a photosensitive film such as SU-8 (Dowcorning co.) To remove only a portion of the photolithography process to deposit CNT, and to remove the remaining photoresist film after deposition. The most common method of the semiconductor process of the formula can be used.

두 번째는 도 2에서와 같이 실리콘기판(a) 위에 감광막(photoresist film)을 스핀코팅하고(b), 일정모양의 마스크(mask)를 사용하여 노광(expose)한 후(c), 현상하여 포토리소그래피 공정을 통한 일차적인 패턴을 실리콘 기판 위에 형성한다(d). 여기에 액상고분자를 부어 50℃에서 1시간 정도만 반 가교시킨 후(e), 반 가교된 반액상고분자 위에서 포토리소그래피 공정을 한번 더 수행한다(f). 도 2(f)와 같이 감광막이 제거된 부분에 피라니아 액(황산 : 질산 = 3 : 1)이나 왕수(황산 : 과산화수소 = 10 : 1) 등으로 식각(etching)하여 특정부분의 고분자를 제거하고(g), 나머지 감광막을 제거한다(h).Second, as shown in FIG. 2, spin coating a photoresist film on the silicon substrate (a) (b), exposing using a mask of a certain shape (c), and developing the photo A primary pattern through a lithography process is formed on a silicon substrate (d). Pour the liquid polymer therein and crosslink only about 1 hour at 50 ° C. (e), and then perform the photolithography process on the semi-crosslinked semi-liquid polymer once more (f). 2 (f) to remove the polymer of a specific portion by etching (piranian liquid (sulfuric acid: nitric acid = 3: 1) or aqua regia (sulfuric acid: hydrogen peroxide = 10: 1) and the like to the portion where the photoresist film is removed ( g), the remaining photoresist film is removed (h).

이렇게 형성된 반가교 고분자를 70℃에서 2시간동안 완전히 가교(curing)시킨다. 가교된 고분자를 실리콘기판에서 탈착시켜 코로나 방전을 통해 표면에 친수성(hydrophilicity)기를 형성하여 깨끗한 실리콘기판에 붙이면 일정 모양만이 노출되는 실리콘기판이 형성되어 화학적 CNT 증착시 용액에서 원하는 부분만 증착시킬 수 있다.The semi-crosslinked polymer thus formed is completely cured at 70 ° C. for 2 hours. When the crosslinked polymer is desorbed from the silicon substrate, hydrophilicity is formed on the surface through corona discharge and attached to a clean silicon substrate to form a silicon substrate that exposes only a certain shape, thereby depositing only a desired portion of the solution during chemical CNT deposition. have.

상기에 서술한 바에 의하면 패턴을 형성하는데 있어서는 일정모양을 형성하는 것이 가장 중요한 것으로 다른 방법에는 일정모양의 스탬프를 먼저 실리콘기판에 놓고 액상의 고분자를 부어 굳히는 방법이 있으며 좀더 거시적으로는 굳은 고분자판에서 물리적인 방법으로 일정 부분만 제거할 수 있다. 이렇게 하여 고분자 마스크가 형성될 수 있다.According to the above, in forming a pattern, it is most important to form a certain shape. Another method is to place a certain shape stamp on a silicon substrate and pour a liquid polymer to harden it. Only a fraction can be removed in a physical way. In this way, a polymer mask may be formed.

현존하는 CNT를 이용한 바이오칩의 경우, CNT를 일정부분에서 성장시켜 전기적, 광학적 결과를 측정하였으나, 본 발명에서는 CNT를 원하는 위치에 부착 또는 증착시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.In the case of biochips using existing CNTs, electrical and optical results were measured by growing CNTs at a predetermined portion, but the present invention has the advantage of attaching or depositing CNTs at desired positions.

상기에서 서술한 바와 같이 CNT가 배열된 기질에 부착된 바이오물질을 전기적으로 검출하기 위해서는 액상을 유지해야 하는데, 이때 필요한 상판은 수㎜ ~ 수㎛의 유체가 포함될 공간을 확보해 두어야 한다. 여기에 사용할 수 있는 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), PMMA(polymetbylmethacrylate), PC(polycarbonate), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene) 등과 같은 다양한 고분자 재료가 이용될 수 있다.As described above, in order to electrically detect the biomaterial attached to the substrate on which the CNTs are arranged, the liquid phase should be maintained. In this case, the necessary top plate should have a space to contain a fluid of several mm to several μm. As a substrate that can be used herein, various polymer materials such as polydimethylsiloxane (PDMS), polymetbylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS) may be used. .

본 발명에 있어서, CNT는 각각 전하가 인가될 수 있도록 적어도 하나의 전도성 나노와이어(nanowires)를 통해 전원에 연결될 수 있으며, 여기서 전도성 나노와이어는 종래기술을 이용하여 단일원자로 형성할 수 있으며(Science, 275:1896-97,1997), 전도성 금속으로 일정한 패턴을 형성한 후 이온 주입(implantation)이나 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 전류가 흐를 수 있는 도선을 증착시킬 수 있다.In the present invention, the CNTs may be connected to a power source through at least one conductive nanowires so that each electric charge can be applied, wherein the conductive nanowires may be formed as a single atom using conventional techniques (Science, 275: 1896-97,1997), a conductive pattern may be formed, and then a conductive wire may be deposited using ion implantation or sputtering.

3. 고체 기질 상에 티올 작용기(-SH) 제조3. Preparation of Thiol Functional Group (-SH) on Solid Substrate

본 발명에서는 유리, 실리콘 웨이퍼, 플라스틱 등의 기질 상에 고분자나 포토레지스트 패턴을 형성한 다음, 상기 패턴을 마스크로 하여 아미노알킬옥시실란을 표면에 고정하여 아미노기를 기질 표면에 노출시키는 방법을 사용하였다. 상기 아미노알킬옥시실란으로는 아미노프로필트리에톡시실란을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, a method of forming a polymer or photoresist pattern on a substrate such as glass, silicon wafer, plastic, or the like, and then fixing the aminoalkyloxysilane to the surface by using the pattern as a mask, exposing an amino group to the surface of the substrate. . It is preferable to use aminopropyl triethoxysilane as said aminoalkyloxysilane.

상기 아미노기가 고정된 표면에 티올 작용기를 노출시키기 위하여, 상기 아미노기를 HOOC-R2-SH(여기서, R2는 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다)와 같은 티올 작용기와 카르복실 작용기를 동시에 가진 화학물질의 카르복실 작용기와 아미드 결합으로 연결시킨다. 결국, 기질 표면에 티올기가 노출된 '기질-CONH-R2-SH' 형태의 구조가 형성된다.In order to expose the thiol functional group on the surface to which the amino group is fixed, the amino group is a thiol such as HOOC-R 2 -SH where R 2 is C 1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups It is linked by an amide bond to a carboxyl functional group of a chemical having a functional group and a carboxyl functional group at the same time. As a result, a structure of a 'substrate-CONH-R 2 -SH' form in which a thiol group is exposed on the substrate surface is formed.

이때, 상기 아미드 결합의 커플링제로써 DCC, HATU, HBTU, HAPyU, HAMDU, HBMDU 등과 베이스(base)로써 DIEA, TMP, NMI 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 물을 용매로 사용할 때 커플링제로서 EDC를, 커플링 보조제로서 NHS, NHSS 등을 사용하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to use DIEA, TMP, NMI, etc. as a base, such as DCC, HATU, HBTU, HAPyU, HAMDU, HBMDU as a coupling agent of the amide bond. Moreover, when using water as a solvent, it is preferable to use EDC as a coupling agent, and NHS, NHSS etc. as a coupling aid.

4. 기질 상에 CNT를 적층하여 패턴 또는 필름을 형성하는 방법4. A method of laminating CNTs on a substrate to form a pattern or film

우선, 금이 점재된 CNT(Au-CNT-Au)를 티올 작용기가 노출된 기질(기질-CONH-R2-SH)에 결합시킨다. 이때 기질 표면의 티올 작용기와 CNT에 점재된 금 결정 사이에 Au-S 링크가 형성되어 기질상에 CNT가 결합하게 되어 '기질-CONH-R2-S-Au-CNT-Au' 형태의 구조가 형성된다(도 3a).First, gold-plated CNTs (Au-CNT-Au) are bound to a substrate (substrate-CONH-R 2 -SH) to which a thiol functional group is exposed. At this time, between the gold crystals dotted with a thiol functional group and the CNT of the substrate surface Au-S link is formed by the CNT is bonded onto the substrate, the substrate -CONH-R 2 -S-Au- CNT-Au ' type of structure Formed (FIG. 3A).

다음으로, 기질에 선택적으로 부착된 CNT에 점재되어 있는 금과 이중 티올 작용기를 가진 링커인 HS-R3-SH로 표시되는 화학물질을 반응시키고, 금이 점재된 전도성 CNT를 상기 링커의 다른 한 쪽 티올 작용기와 반응시킨다. 이 반응으로 '기질-[CONH-R2-S-Au-CNT-Au-S-R3-S-Au-CNT-Au' 형태의 구조가 형성된다 (도 3b).Next, a gold intercalated on the CNT selectively attached to the substrate is reacted with a chemical represented by HS-R 3 -SH, which is a linker having a double thiol functional group, and the gold-plated conductive CNT is reacted with one of the other linkers. React with the side thiol functional group. This reaction forms a structure of the form 'substrate- [CONH-R 2 -S-Au-CNT-Au-SR 3 -S-Au-CNT-Au' (FIG. 3B).

그 다음으로, 금이 점재된 전도성 CNT와 상기 이중 티올 작용기를 가진 화학물질과의 화학반응을 반복적으로 수행하여 표면에 전도성 CNT의 표면밀도를 높인다. 최종적으로 '기질-[CONH-R2-S-Au-CNT-Au-(S-R3-S-Au-CNT-Au)p]q'의 구조를 갖는 전도성 CNT 패턴 또는 전도성 CNT 필름이 형성된다(도 3c 내지 도 3e). 여기서 p와 q는 1이상의 자연수이다.Next, the chemical reaction between the conductive CNT interspersed with gold and the chemical compound having the double thiol functional group is repeatedly performed to increase the surface density of the conductive CNT on the surface. Finally, a conductive CNT pattern or conductive CNT film having a structure of 'substrate- [CONH-R 2 -S-Au-CNT-Au- (SR 3 -S-Au-CNT-Au) p] q' is formed ( 3C-3E). Where p and q are one or more natural numbers.

5. 금이 점재된 전도성 CNT에 바이오 리셉터를 결합하는 방법5. How to bind bioreceptors to gold-plated conductive CNTs

바이오 리셉터(receptor)는 표적 바이오물질과 결합하거나 반응하는 물질로서, 상기 결합 또는 반응을 검출할 수 있는 프로브 역할을 하는 물질이 바람직하다. 이러한 바이오 리셉터로는 핵산 (nucleic acids), 단백질 (proteins), 펩티드(peptides), 아미노산 (amino acids), 리간드 (ligands), 효소 기질 (enzyme substrates), 코펙터 (cofactors) 등이 있다. 본 발명에 있어서, 표적 바이오물질은 리셉터와 결합하거나 반응하여 검출되는 표적 역할을 할 수 있는 물질로서, 단백질, 핵산, 또는 기타 바이오 분자가 있다.The bioreceptor is a substance that binds to or reacts with the target biomaterial, and a substance that serves as a probe capable of detecting the binding or reaction is preferable. Such bioreceptors include nucleic acids, proteins, peptides, amino acids, ligands, enzyme substrates, cofactors, and the like. In the present invention, a target biomaterial is a substance that can serve as a target detected by binding to or reacting with a receptor, and includes a protein, nucleic acid, or other biomolecule.

도 4는 금 나노입자가 점재된 CNT의 표면에 금과 결합하거나 반응하는 작용기를 지닌 다양한 리셉터들이 부착된 후, 다양한 종류의 표적 바이오물질들과 선택적으로 상호작용하는 것을 보여주는 개략도이다. 금 나노 결정과 반응하는 작용기로는 티올기를 함유하는 것이 바람직하다. 도 4에서, 1과 2는 표적 바이오물질과 반응할 수 있는 바이오 리셉터를 나타내고, 4는 상기 바이오 리셉터와 반응할 수 있는 표적 바이오물질을 나타낸다. 3은 바이오 리셉터 중에서 올리고뉴클레오티드를 나타내고, 5는 전도성 CNT의 금속에 고정된 상기 올리고뉴클레오티드와 혼성화 반응할 수 있는 상보적 핵산을 나타내며, 6은 반응성이 없는 일반 바이오물질을 나타낸다.4 is a schematic diagram showing the selective interaction of various kinds of target biomaterials after the attachment of various receptors having functional groups that bind or react with gold to the surface of the CNTs interspersed with gold nanoparticles. It is preferable to contain a thiol group as a functional group which reacts with a gold nanocrystal. In FIG. 4, 1 and 2 represent bioreceptors capable of reacting with the target biomaterial, and 4 represents target biomaterials capable of reacting with the bioreceptor. 3 represents an oligonucleotide in a bioreceptor, 5 represents a complementary nucleic acid capable of hybridizing with the oligonucleotide immobilized on a metal of a conductive CNT, and 6 represents a general biomaterial that is not reactive.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 : 금(Au)이 점재된 CNT의 제조Example: Preparation of CNTs dotted with Au

강산을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube: SWNT)를 절단한 다음, 카르복실 작용기가 존재하는 CNT를 액-액 2상계 (two-phase liquid-liquid system)에서 산화 환원 반응을 통하여 금 나노입자가 점재(dot)된 CNT를 제조하였다(도 1).After cutting single walled carbon nanotubes (SWNTs) using strong acids, CNTs containing carboxyl functional groups were subjected to redox reactions in a two-phase liquid-liquid system. CNTs were dotted with gold nanoparticles (FIG. 1).

우선, 에탄올 용매에서 커플링제 DCC의 도움으로, 아미노(-NH2) 작용기와 티올(-SH) 작용기를 동시에 가진 링커(2-aminoethanethiol)를 상기 카르복실 작용기를 가진 CNT와 상온에서 약24시간동안 교반시켰다. CNT의 말단과 측면의 결합 위치에 Au-S 화학 결합에 의하여 금 결정 핵사이트 (gold nucleation sites)가 형성되었다.First, with the aid of the coupling agent DCC in an ethanol solvent, a linker (2-aminoethanethiol) having an amino (-NH 2 ) functional group and a thiol (-SH) functional group at the same time for about 24 hours at room temperature with CNT having the carboxyl functional group Stirred. Gold nucleation sites were formed by Au-S chemical bonding at the end and side bond positions of CNTs.

유리 반응기에 연노란색 0.01% 금 콜로이드 용액 25ml를 넣은 다음, 이 용액을 빠르게 교반시키면서 0.01665mmol N(C8H17)4Br (톨루엔) 용액 16.5ml를 천천히 첨가하였다. 이 반응에서, 물과 톨루엔의 상 분리가 일어나며, 이 혼합 용액을 하층 물 부분의 색이 모두 사라질 때까지 매우 빠르게 교반하였다. 상기 티올기가 형성된 CNT 2mg을 10ml의 톨루엔에 분산시킨 후, 상층 톨루엔 유기상(organic phase)에 천천히 첨가하였다. 이어서, 0.0825mmol NaBH4(물) 용액 20.5ml를 천천히 교반하면서 첨가하였다. 이 반응 혼합물을 상온에서 20시간 동안 빠르게 교반시킨 다음, 톨루엔 유기상(organic phase)을 분별깔때기를 이용하여 물상(aqueous phase)으로부터 분리하였다. 분리된 유기상은 100nm 기공 크기를 갖는 PVDF(polyvinylidenefluoride) 멤브레인 필터를 이용하여 여과하였으며, 이 여과과정에서 톨루엔과 에탄올을 여러 번 첨가하였다.25 ml of a pale yellow 0.01% gold colloidal solution was placed in a glass reactor, and then 16.5 ml of 0.01665 mmol N (C 8 H 17 ) 4 Br (toluene) solution was slowly added while rapidly stirring the solution. In this reaction, phase separation of water and toluene occurred, and the mixed solution was stirred very quickly until all of the color of the lower water portion disappeared. 2 mg of CNT formed with the thiol group was dispersed in 10 ml of toluene, and then slowly added to the upper toluene organic phase. Then 20.5 ml of 0.0825 mmol NaBH 4 (water) solution was added with slow stirring. The reaction mixture was stirred rapidly at room temperature for 20 hours and then the toluene organic phase was separated from the aqueous phase using a separatory funnel. The separated organic phase was filtered using a polyvinylidenefluoride (PVDF) membrane filter having a pore size of 100 nm, in which toluene and ethanol were added several times.

여과된 시료를 3차 증류수에 넣고 초음파를 이용하여 분산시킨 다음, 이 분산액을 2000rpm의 속도로 60분 동안 원심분리하였다. 상층액을 제거한 후, 시료를 다시 멤브레인 필터를 이용하여 여과한 다음, 최종적으로 얻은 시료를 진공 건조시켰다.The filtered sample was placed in tertiary distilled water and dispersed using ultrasonic waves, and the dispersion was centrifuged at 2000 rpm for 60 minutes. After removing the supernatant, the sample was again filtered using a membrane filter, and the finally obtained sample was vacuum dried.

상기 방법으로 제조된 금 결정이 점재된 CNT를 TEM(tranmission electron microscope)과 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)에 의해 분석하였다. 도 5(a)는 CNT에 티올기(-SH)를 형성한 후, 금 콜로이드를 반응시켜 얻어진, 금 결정이 점재된 CNT의 TEM 사진이고, 도 5(b)는 티올기(-SH)가 형성되지 않은 CNT를 금 콜로이드와 반응시킨 CNT의 TEM 사진이다. 상기 분석사진으로부터, 티올기가 존재하는 CNT에서 형성된 금 결정들은 CNT의 말단부 보다 측면에 더 많이 점재되어 있음을 알 수 있었고, 티올기가 없는 CNT에서는 금 결정이 점재되지 않았음을 알 수 있었다.The CNTs interspersed with gold crystals prepared by the above method were analyzed by a transmission electron microscope (TEM) and an X-ray photoelectron spectroscope (XPS). FIG. 5 (a) is a TEM image of CNTs interspersed with gold crystals obtained by forming a thiol group (-SH) on CNTs and then reacting gold colloids, and FIG. 5 (b) shows a thiol group (-SH). TEM image of CNTs which reacted with uncollated CNTs with gold colloids. From the analysis photograph, it can be seen that the gold crystals formed in the CNT having a thiol group are more scattered on the side than the terminal portion of the CNT, and the gold crystals were not interspersed in the CNT without the thiol group.

도 6은 도 5를 고배율로 확대 관찰한 HR-TEM 사진이다. 사진에서 측정된 격자(lattice)의 규칙적인 d-스페이싱 (d-spacing)은 2.36±0.02 Å이었다. 이는 금의 {111} 평면에 대한 문헌상의 값(2.355Å)과 거의 일치하는 값이다 (Powder Diffraction Data File 38-1364, Inorganic Phases, JCPDS International Centre for Diffraction Data, Swathmore, PA, 199).FIG. 6 is an enlarged HR-TEM photograph of FIG. 5. The regular d-spacing of the lattice measured in the photograph was 2.36 ± 0.02 Hz. This is in close agreement with the literature values (2.355 ms) for the {111} plane of gold (Powder Diffraction Data File 38-1364, Inorganic Phases, JCPDS International Center for Diffraction Data, Swathmore, PA, 199).

CNT에 점재된 금 결정의 산화상태는 XPS를 통해서도 확인할 수 있었다. 도 7은 CNT에 점재된 금 결정에 대한 XPS 이중피크(doublet) 스펙트럼이다. 금(Au)의이중피크 결합 에너지(binding energy)들은 각각 4f5/2(87.9eV) 및 Au 4f7/2(84.2 eV)이다. 이는 환원상태의 금(Au0)에 해당하는 값이다. 이로부터, CNT 표면에 점재된 금 결정들은 대부분이 콜로이드 상태가 아닌 환원된 금 결정임을 알 수 있었다.The oxidation state of gold crystals interspersed with CNTs was also confirmed by XPS. 7 is an XPS doublet spectrum for gold crystals interspersed with CNTs. The double peak binding energies of Au are 4f 5/2 (87.9 eV) and Au 4f 7/2 (84.2 eV), respectively. It is a value that corresponds to the reduced state of the gold (Au 0). From this, it was found that most of the gold crystals scattered on the CNT surface were reduced gold crystals, not colloidal state.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 금속이 점재된 전도성 CNT 및 기질 상에 상기 전도성 CNT를 적층하는 전도성 CNT 패턴 또는 CNT 필름의 제조방법을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른 전도성 CNT 및 그 패턴은 바이오센서로의 응용가능성이 매우 클 것으로 기대된다.As described in detail above, the present invention has the effect of providing a conductive CNT pattern and a method for producing a conductive CNT pattern or a CNT film laminated with the conductive CNT on a substrate interspersed with metal. The conductive CNTs and their patterns according to the present invention are expected to have great applicability to biosensors.

Claims (17)

다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 점재된 전도성 CNT의 제조방법:Method for producing a conductive CNT interspersed with metal, characterized in that it comprises the following steps: (a) 카르복실기를 갖는 CNT를 제공하는 단계;(a) providing a CNT having a carboxyl group; (b) 상기 CNT의 카르복실기를 아미노기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질의 아미노기와 결합시켜 티올기로 개질된 CNT를 얻는 단계; 및(b) combining the carboxyl group of the CNT with an amino group of a chemical compound having an amino group and a thiol group at the same time to obtain a thiol group-modified CNT; And (c) 상기 단계에서 얻어진 티올기로 개질된 CNT의 티올기에 금속을 결합시키는 단계.(c) bonding a metal to the thiol group of the CNT modified with the thiol group obtained in the step. 제1항에 있어서, (a) 단계는 CNT를 산으로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein step (a) comprises treating the CNT with an acid. 제1항에 있어서, (c) 단계는 티올기로 개질된 CNT에 금속 나노입자 또는 콜로이드를 반응시킨 다음, 환원시키는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein step (c) comprises reacting the metal nanoparticles or colloid with CNT modified with a thiol group, followed by reduction. 제1항 또는 제3항에 있어서, 금속은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 or 3, wherein the metal is gold (Au). 제1항에 있어서, 아미노기과 티올기를 동시에 가지는 화학물질은 NH2-R1-SHThe method of claim 1, wherein the chemical having an amino group and a thiol group at the same time is NH 2 -R 1 -SH (여기서, R1은 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다)인 것을 특징으로 하는 방법.Wherein R 1 is a C 1-20 saturated hydrocarbon, unsaturated hydrocarbon or aromatic organic group. 제5항의 방법에 의해 제조되고, CNT-(CONH-R1-S-M)r의 형태를 가지는 금속이 점재되어 있는 전도성 CNT(여기서, M은 금속을 나타내고, r은 1이상의 자연수이며, R1은 제4항에서 정의된 바와 같다).A conductive CNT prepared by the method of claim 5 and interspersed with a metal having the form of CNT- (CONH-R 1 -SM) r, wherein M represents a metal, r is one or more natural numbers, and R 1 is As defined in claim 4). 제6항에 있어서, M이 금(Au)인 것을 특징으로 하는 전도성 CNT.The conductive CNTs of claim 6 wherein M is gold (Au). 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 CNT 패턴의 제조방법:Method for producing a conductive CNT pattern characterized in that it comprises the following steps: (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제공하는 단계;(a) providing a substrate having a thiol group exposed on its surface; (b) 상기 기질표면의 티올기에 제6항의 전도성 CNT의 금속을 결합시키는 단계; 및(b) bonding a metal of the conductive CNT of claim 6 to a thiol group on the substrate surface; And (c) 상기 기질에 부착된 전도성 CNT에 제6항의 전도성 CNT를 결합시켜 전도성 CNT를 적층하는 단계.(c) stacking the conductive CNT by bonding the conductive CNT of claim 6 to the conductive CNT attached to the substrate. 다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 필름의 제조방법:Method for producing a CNT film, comprising the following steps: (a) 표면에 티올기가 노출된 기질을 제공하는 단계;(a) providing a substrate having a thiol group exposed on its surface; (b) 상기 기질표면의 티올기에 제6항의 전도성 CNT의 금속을 결합시키는 단계;(b) bonding a metal of the conductive CNT of claim 6 to a thiol group on the substrate surface; (c) 상기 기질에 부착된 전도성 CNT에 제6항의 전도성 CNT를 결합시켜 전도성 CNT를 적층하는 단계; 및(c) depositing a conductive CNT by bonding the conductive CNT of claim 6 to the conductive CNT attached to the substrate; And (d) 상기 (c) 단계를 반복하여 전도성 CNT의 밀도를 높이는 단계.(d) repeating step (c) to increase the density of the conductive CNT. 제8항 또는 제9항에 있어서, (a) 단계는 CNT를 적층시킬 기질 표면에 아미노 작용기를 노출시킨 다음, 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질로 처리하여, 상기 기질상의 아미노기와 상기 화학물질의 카르복실기 간에 아미드 결합을 형성시키는 것임을 특징으로 하는 방법.10. The method according to claim 8 or 9, wherein step (a) exposes an amino functional group to the surface of the substrate on which the CNTs are to be deposited, and then is treated with a chemical having both a carboxyl group and a thiol group, thereby treating the amino groups on the substrate with the chemicals. To form an amide bond between the carboxyl groups. 제10항에 있어서, 상기 카르복실기와 티올기를 동시에 가지는 화학물질은HOOC-R2-SH(여기서, R2는 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다)인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein the chemical having a carboxyl group and a thiol group at the same time is HOOC-R 2 -SH (wherein R 2 is a C 1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups), characterized in that How to. 제10항에 있어서, 표면에 아미노 작용기가 노출된 기질은 기질을 아미노알킬옥시실란으로 처리하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10 wherein the substrate having amino functional groups exposed to the surface is obtained by treating the substrate with aminoalkyloxysilane. 제8항 또는 제9항에 있어서, (c) 단계는 이중 티올 작용기를 가진 링커를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 8 or 9, wherein step (c) uses a linker having a double thiol functional group. 제13항에 있어서, 이중 티올 작용기를 가진 링커는 HS-R3-SH로 표시되는 화학물질인 것을 특징으로 하는 방법 (여기서 R3는 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다).14. A method according to claim 13, wherein the linker having a double thiol functional group is a chemical represented by HS-R 3 -SH, wherein R 3 is C 1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic oils. Device). 제8항 또는 제9항에 있어서, 기질은 원하는 위치에 전도성 CNT를 부착하기 위하여 포토레지스트 또는 고분자 패턴이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 방법.10. The method according to claim 8 or 9, wherein the substrate is formed with a photoresist or polymer pattern for attaching the conductive CNT to a desired position. 제8항 또는 제9항에 있어서, 기질은 유리, 실리콘, 용융실리카, 플라스틱 및 PDMS로 구성된 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 8 or 9, wherein the substrate is selected from the group consisting of glass, silicon, fused silica, plastic and PDMS. 제9항의 방법에 의해 제조되고,Prepared by the method of claim 9, 기질-[CONH-R2-S-Au-CNT-Au-(S-R3-S-Au-CNT-Au)p]q의 구조를 갖는 전도성 CNT 필름 (여기서 p와 q는 1이상의 자연수이고, R2와 R3는 C1-20인 포화탄화수소류, 불포화탄화수소류 또는 방향족 유기기이다).Conductive CNT film having the structure of substrate- [CONH-R 2 -S-Au-CNT-Au- (SR 3 -S-Au-CNT-Au) p] q, where p and q are one or more natural numbers and R 2 and R 3 are C 1-20 saturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons or aromatic organic groups).
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