KR20070088921A - 탄소나노튜브 화학센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

탄소나노튜브 화학센서가 제공된다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서는 유리, 실리콘 또는 세라믹 기판 상에 적층된 절연층; 상기 절연층의 상부에 상호 대향하도록 적층되어 있는 적어도 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극이 이격되어 있는 부위에 다수의 탄소나노튜브가 분산되어 있는 감지부로 이루어지며, 상기 다수의 탄소나노튜브들 및 상기 한 쌍의 전극감지부와 상기 감지부의 탄소나노튜브 말단은 전기적으로 통전되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서는 간단한 구조를 가짐에도 미세한 pH 변화 및 극소량의 물질을 우수한 감도로 검출해 낼 수 있으며, 제조원가를 절감하여 양산성을 향상시킬 수 있다.

Description

탄소나노튜브 화학센서 및 그 제조방법{Carbon nano tube chemical sensor and method for manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법 중 감지부를 형성하기 위한 스프레이 공정의 단면 모식도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 감지부를 보여주는 SEM 사진이다.

도 4은 실시예 1에 따라 제조된 센서의 OH^- 농도에 따른 감응특성을 나타낸 그래프이며, 우측 상단에 삽입된 도면은 pH에 따른 전도성 변화를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 기판 2 : 절연층

3 : 전극 4 : 쉐도우 마스크

5 : 탄소나노튜브 분산액 6 : 스프레이

7 : 감지부 8 : 핫플레이트

본 발명은 탄소나노튜브 화학센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고가의 장비 및 복잡한 공정을 거치지 않아도 우수한 특성을 갖는 탄소나노튜브 화학센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소나노튜브는 직경이 수 nm에서 수십 nm이고, 길이는 수 ㎛에서 수십 ㎛에 이르는 속이 비어있는 관모양의 탄소 결합체이며, 탄소나노튜브를 이루고 있는 벽의 수에 따라 단일벽(singlewall), 다중벽(multiwall), 다발(rope) 탄소나노튜브라고 한다. 이러한 탄소나노튜브는 그 형태에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 띠며, 물리적 화학적으로 매우 강하고 안정한 특성을 가지고 있다. 현재, 탄소나노튜브는 다양한 분야에 적용가능성이 타진되고 있는데, 탄소나노튜브를 센서의 감지부로 사용할 경우, 매우 큰 표면대 부피비 및, 나노크기의 감지부로 인하여 정밀도가 뛰어나고 빠른 응답속도를 보이며 상온에서 작동할 뿐 아니라 소비전력이 적다는 장점을 가지고 있다. 특히, 탄소나노튜브의 직경은 생체분자 크기와 비슷한 2nm 수준이며, 탄소나노튜브를 구성하고 있는 모든 탄소원자가 표면에 존재하기 때문에 생체분자와 반응할 수 있는 표면적이 넓어서 감도가 매우 좋은 감지부로 사용될 수 있으며 흡착되는 물질에 의한 전기적 특성과 pH 변화 등을 모니터링 하여 흡착되는 물질을 정밀하게 검출할 수 있기 때문에 바이오센서에 유용하게 사용될 수 있다.

Koen 등은 표면적이 넓고 전기전도성이 우수한 성질을 가지는 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터를 제작하여 글루코오스산화효소(glucose oxidase)와 같은 분자가 탄소나노튜브에 흡착되어 고정화(immobilization)양을 늘리고 검출 민감도의 실시간 전기적 반응을 연구하였다고 보고한 바 있으며(Koen Bestenman, et al., "Enzyme-Coated Carbon nano tubes as Single-Molecule Bio sensors", Nano Letters, Vol.3, No.6, pp.727-730, 2003.), Alexander 등은 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터를 제작하여 감지부로 사용되는 탄소나노튜브 채널에 폴리머(polyethylene imine/ethylene glycol)를 코팅하고 비오틴(biotin)분자가 연결되도록 하여 비오틴과 결합할 수 있는 배양된 스트렙타비딘(streptavidin)의 결합 유무의 전기적 특성변화를 검출하는데 사용할 수 있다고 보고하였다(Alexander Star, et al., "Electronic Detection of Specific Protein Binding Using Nanotube FET Devices", Nano Letters, Vol.3, No.4, pp.459 -463, 2003).

또한, 대한민국 등록특허공보 제0451084호에는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서를 개시하고 있으나, 상기 종래기술에서는 탄소나노튜브를 이용한 감지부 또는 감지막의 형성시 고온에서 직접 성장 시키는 공정을 거치기 때문에 제조방법이 까다롭고 많은 공정을 거쳐야 하므로 상업화에 제약이 있었다.

한편, 미국 공개특허공보 2006/0010996A1호에는 2개의 전극 사이에 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 전도체를 배치하되, 상기 복수의 탄소나노튜브는 실질적으로 상기 전극들을 연결하는 축을 따라 배열되도록 구성한 센서를 개시하고 있으나, 상기 탄소나노튜브를 축 방향으로 배열하기 위해서 상기 전극 사이의 공간에 우선 탄소나노튜브 친화물질을 증착시킨 후에 전기장을 인가하여 상기 탄소나노튜브를 정렬한 후, 상기 탄소나노튜브 친화물질에 접착되지 않은 나머지 탄소나노튜브를 세척하는 방식을 통해 감지부를 형성하기 때문에 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 간단한 구조를 가지기 때문에 제조가 용이하고 감도가 뛰어난 탄소나노튜브 화학센서를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 탄소나노튜브를 포함하는 센서의 감지부를 간단하고 효율적으로 제조할 수 있는 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,

유리, 실리콘 또는 세라믹 기판 상에 적층된 절연층;

상기 절연층의 상부에 상호 대향하도록 적층되어 있는 적어도 한 쌍의 전극;

상기 한 쌍의 전극이 이격되어 있는 부위에 다수의 탄소나노튜브가 네트워크 구조를 형성하며 분산되어 있는 감지부로 이루어지며,

상기 다수의 탄소나노튜브들 상호간 및 상기 한 쌍의 전극과 상기 감지부의 탄소나노튜브 말단은 전기적으로 통전되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽 또는 다발 탄소나노튜브일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 기판은 유리, 실리콘 또는 세라믹 기판일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전극은 Cr, Au 또는 Pt일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 화학센서는 pH 센서인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,

(a) 기판 상에 전극을 형성하는 단계;

(b) 탄소나노튜브와 에탄올을 포함하는 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계;

(c) 쉐도우 마사크 및 스프레이를 이용하여 상기 탄소나노튜브 분산액을 상기 전극 사이에 분사하여 감지부를 형성하는 단계; 및

(d) 상기 감지부를 가열함으로써 에탄올을 제거함과 동시에 상기 전극들과 상기 탄소나노튜브를 연결시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계는 탄소나노튜브와 에탄올을 혼합한 후, 초음파 분산공정을 거치는 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 감지부를 가열하는 단계는 핫플 레이트를 이용하는 것일 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서는 감지부에 탄소나노튜브를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 감지부 상에서 직접 성장시키는 것이 아니라, 별도로 제조된 탄소나노튜브를 쉐도우 마스크 및 고정밀 스프레이를 이용하여 상기 감지부 상에 균일하게 분산시킴으로써 간단한 공정을 통해 제조원가를 절감할 수 있으며, 미세물질이 상기 탄소나노튜브에 흡착됨에 따라 전하량 및 전기전도도가 변화하는 것을 감지함으로써 미세한 pH 변화 및 극소량의 물질 검출이 가능하기 때문에 화학센서 또는 바이오센서로 유용하게 사용될 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 화학센서의 단면도를 도시하였다.

본 발명에 사용되는 기판(1)은 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 유리, 실리콘 또는 알루미나 등의 세라믹 기판일 수 있다.

한편, 본 발명에 사용되는 절연층(2,insulator) 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 소다 라임 글라스(soda lime glass) 등을 사용할 수 있다.

또한, 전극(3)으로는 전기 전도도 및 내부식성이 우수한 재료인 한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 Cr, Au, 또는 Pt 등의 금속재료가 사용될 수 있다.

마지막으로, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서에 있어서, 화학물질이 흡착되어 전하량 또는 전기전도도의 변화를 감지하는 감지부(7)는 다수의 탄소나노튜브가 네트워크 구조를 형성하고 있으며, 상기 다수의 탄소나노튜브들 상호간 및 상기 한 쌍의 전극과 상기 감지부의 탄소나노튜브 말단은 전기적으로 통전되어 있다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법은 종래기술과 달리, 고가의 진공장비가 필요 없으며, 간단한 공정을 통해 감도가 우수한 탄소나노튜브 화학센서를 제조할 수 있다는 것을 특징으로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법 중 감지부(7)를 형성하기 위한 스프레이 공정의 단면 모식도를 도시하였다.

먼저, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서에 사용되는 탄소나노튜브 분산액(5)은 휘발성이 좋은 에탄올(C₂H₅OH)에 탄소나노튜브 분말을 혼입한 후 초음파 세척장치를 이용하여 초음파로 분산을 시킴으로써 상기 에탄올 용액 내에 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 제조된다.

다음으로, 유리 기판, 실리콘 기판 또는 알루미나(Al₂O₃) 등의 세라믹 기판(1) 상에 절연층(2)을 증착한 후, Cr, Au 또는 Pt 등의 금속재료로 한　쌍의 전극을 형성시킨 다음, 쉐도우 마스크(4, shadow mask) 및 정밀 스프레이(6)를 이용하여 상기 한 쌍의 전극 사이에 상기에서 제조된 탄소나노튜브 분산액(5)을 균일하게 분산시킨다. 마지막으로, 상기 분산된 탄소나노튜브로부터 에탄올을 제거하고, 전극과 상기 탄소나노튜브들을 연결시키기 위해 하기 위해 핫플레이트(8, hot plate) 를 통해 상기 화학센서를 하부를 가열함으로써 감지부(7)를 형성한다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

가로 1 cm, 세로 1 cm인 실리콘기판 상에 가열로(ULTECH사:HLF series)로 가열함으로써 열산화법(thermal oxidation)을 통하여 SiO₂ 절연층을 3000Å 두께로 형성한 후, Pt 전극을 전자빔 증착기(ULVAC Technologies Inc: EBX-1000)를 통하여 3000Å 두께로 형성하였으며, 양 전극 간의 간격은 4㎛로 조절하였다. 다음으로, 평균 길이가 5∼6㎛인 단일 벽 탄소나노튜브(일진 나노텍사 제조: ASP-100F(평균직경: 1∼1.2nm, 길이: 5∼20㎛, 순도: ∼90%)) 40mg을 에탄올 100ml에 혼입시킨 후, 소니케이터((주)대한 과학사 제조)를 이용하여 50W, 45kHz 강도의 초음파로 30분 동안 분산처리하였다. 이후, 상기 분산액을 정밀 스프레이((주)엠포엠사 제조)에 투입한 후, 가로 6 ㎛, 세로 10 ㎛로 직접 제작한 쉐도우 마스크(스테인리스강)을 이용하여 상기 전극들 사이에 상기 분산액을 분사한 다음, 기판 하부의 핫플레이트를 100℃로 가열하여 상기 탄소나노튜브와 전극을 연결하여 탄소나노튜브 화학센서를 제조하였다.

시험예 1

SEM 사진의 측정

상기 실시예 1에 의해 제조된 탄소나노튜브 화학센서의 감지부에 대하여 SEM 사진을 통해 감지막 형성 구조를 확인하고 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 탄소나노튜브가 무작위의 네트워크 구조를 가진다는 것을 확인할 수 있다.

시험예 2

성능테스트

상기 실시예 1에 의해 제조된 탄소나노튜브 화학센서를 0.3V의 동작 전압으로 구동하며, 상기 감지부에 접촉되는 OH^-의 농도에 따른 응답특성을 평가하고 그 결과를 도 4에 도시하였다. 우측 상부에 삽입된 도면은 pH에 따른 전도성 변화를 측정한 그래프이다. 본 발명에 따른 화학센서는 각각의 OH^- 농도 변화에 따라 1초 내로 응답특성을 보였으며, pH가 증가 할수록 탄소나노튜브의 전도도가 증가함을 알 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서는 간단한 구조를 가짐에도 미세한 pH변화 및 극소량의 물질을 검출해 낼 수 있어서 가스센서, 바이오센서로 활용할 수 있으며, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법은 고진공이 필요없고 간단한 공정을 통해 감도가 우수한 탄소나노튜브 화학센서를 제조할 수 있기 때문에 제조원가를 절감할 수 있고 양산성이 뛰어나다.

Claims (8)

1. 유리, 실리콘 또는 세라믹 기판 상에 적층된 절연층;

   상기 절연층의 상부에 상호 대향하도록 적층되어 있는 적어도 한 쌍의 전극;

   상기 한 쌍의 전극이 이격되어 있는 부위에 다수의 탄소나노튜브가 네트워크 구조를 형성하며 분산되어 있는 감지부로 이루어지며,

   상기 다수의 탄소나노튜브들 상호간 및 상기 한 쌍의 전극과 상기 감지부의 탄소나노튜브 말단은 전기적으로 통전되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 다중벽 또는 다발 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 유리, 실리콘 또는 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 Cr, Au 또는 Pt인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서.
5. 제 1항에 있어서, 상기 화학센서는 pH 센서인 것을 특징으로 하는 탄소나노 튜브 화학센서.
6. (a) 기판 상에 전극을 형성하는 단계;

   (b) 탄소나노튜브와 에탄올을 포함하는 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계;

   (c) 쉐도우 마스크 및 스프레이를 이용하여 상기 탄소나노튜브 분산액을 상기 전극 사이에 분사하여 감지부를 형성하는 단계; 및

   (d) 상기 감지부를 가열함으로써 에탄올을 제거함과 동시에 상기 전극들과 상기 탄소나노튜브를 연결시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분산액을 제조하는 단계는 탄소나노튜브와 에탄올을 혼합한 후, 초음파 분산공정을 거치는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 감지부를 가열하는 단계는 핫플레이트를 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 화학센서의 제조방법.

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