탄소나노투브와 전도성고분자를 이용한 나노구조 제작방법 및 응용

Abstract

This Ph. D. thesis can be divided into three parts. In first part, a novel nanowire sensor platform, which can be improved sensor performance such as sensitivity and response time, is presented. In second part, nanoneedle electrodes for neural electrodes and SECM probe are fabricated. Finally, surface modification method using nanofiber of CNT/CP composite or CP is presented in third part.In first part, the addressable fabrication method of suspended SWNT-film and CNT/CP nanowire between cantilever electrodes was successfully developed for novel sensor platform. Structurally suspended nanowire from substrate floor made possible rapid and highly sensitive detection of target molecules with increased convectional and diffusional fluxes of the molecules and with a large binding surface area. SWNT-film sensor resulted in a real-time, label-free, and electrical detection of paraoxon to the concentration of ca. 10 μM and thrombin molecule ca. 7 pM with a step-wise rapid response time of several seconds. A new method for fabricating CNT/CP composite single-nanowires is reported. Single-nanowires with diameters of 50-500 nm are fabricated between cantilever electrodes, self-templated by dielectrophoresis and electropolymerization. Fabrication of an individually addressed nanowire array with cantilever electrodes on a microchip is demonstrated by an appropriate control of electrical signals.In second part, functional micro- and nanoneedle electrodes were fabricated using a tungsten tip and an atomic force microscope (AFM) probe with a CNT needle template and electrodeposition. To prepare the conductive needle templates, a SWNT nanoneedle was attached onto the conductive tip using DEP and surface tension. Through electrodeposition, Au, Ni, and PPy were each coated successfully onto CNT nanoneedle electrodes to obtain the desired properties. In last part, nanostructures of CP and CNT/CP composite were coated on desired surface to improve surface functionality. First, CNT/PPy nanostructures were coated on Au electrodes for high performance neural electrodes using single step electropolymerization. This structure provides a large effective surface area of electrode-neural interface with a 3D porous nanostructure. And the CNT/PPy nanofiber-coated electrode had lower impedance and high capacitance, which can provide better sensitivity with high SNR value and facilitate their application for neural recording. Second, CNT/PPy nanostructures coated with Au nanoparticles were prepared by electropolymerization and electro-deposition. The size of the Au nanoparticles ranged from 10 to 100 nm, and the maximum density of the nanoparticles was 73 particles/μm2. The small size and high density of the Au nanoparticles were achieved by optimizing the deposition time and chloroauric acid (HAuCl4) concentration. Cyclic voltammograms of ferrocyanide oxidation showed that the CNT/PPy nanostructures coated with Au nanoparticles exhibited good electrochemical activity. Finally, we demonstrated a stable superhydrophobic mesh (WCA > 170°, stable Cassie state under maximum static water pressure) with a biomimetic hierarchical surface structure and studied the wetting effects of the surface structure. The multi-scale hierarchical structure exhibited not only greater static hydrophobicity but also greater dynamic stability than mono-scale micro- and nanostructures.

본 연구는 우수한 특성을 가지는 물질인 탄소나노튜브와 전도성고분자를 이용하여 각각의 응용분야에 적합한 나노구조물의 제작방법을 제안하고 적용하였다. 나노구조물의 제작 방법은 크게 세 분류로 나눌 수 있다. 첫 번째는 나노와이어 센서의 성능향상을 위해 바닥에서 떠있는 나노와이어 센서의 제작방법을 제안하였다. 두 번째는 다양한 물질이 코팅된 탐침형 전도성 나노전극의 제작하였으며 마지막으로 표면의 기능성을 향상 시키기 위해 나노돌기 구조물을 제작하였다.먼저, 바닥에서부터 떠있는 구조를 제작하기 위해 외팔보 형태의 전극 사이에 탄소나노튜브 필름과 탄소나노튜브/전도성고분자 복합체 나노와이어를 제작하였다. 바닥으로부터 떠있는 구조의 센서는 목표물질이 흡착될 수 있는 면적이 넓을 뿐만 아니라 목표물질이 효과적이고 빠르게 센서표면에 도달 할 수 있기 때문에 기존에 센서에 비해 반응속도 및 민감도를 향상시킬 수 있다. 탄소나노튜브 필름 센서는 유전전기연동에 의해 전극 사이에 정렬된 탄소나노튜브가 용액의 표면장력에 의해 압축되면서 전극 사이에 제작된다. 제작된 탄소나노튜브 필름은 OPH 효소를 표면에 부착하여 환경독성물질인 paraoxon을 10 μM 수준까지 실시간 및 전기적으로 측정 하였으며, aptamer를 표면에 부착하여 혈액 응고에 관계되는 단백질 분해 효소인 thrombin을 7 pM 수준까지 빠른 반응시간 안에 측정하였다. 또한 탄소나노튜브/전도성고분자 복합체 나노와이어도 위와 유사한 방법으로, 전도성고분자가 탄소나노튜브의 표면에서 전기적으로 중합되는 것을 이용하여 제작하였다. 제작된 나노와이어는 다른 종류의 전도성고분자를 사용하여 다양한 나노와이어 배열을 제작 할 수 있었다.두 번째로, 텅스텐 팁과 AFM 팁의 끝 단에 다양한 물질이 코팅된 기능성 탐침형 나노전극을 제작하였다. 탐침형 나노전극은 세포내부를 측정하거나, 세포내부에 물질을 주입하는데 사용될 수 있으며 극소부위의 화학적 물리적 특성을 측정하는 등에 응용될 수 있다. 탐침형 나노전극을 제작하기 위해 텅스텐 팁과 AFM 팁에 탄소나노튜브를 부착하고 전기도금을 이용하여 금속 및 전도성고분자 등의 다양한 물질을 코팅하였다. PPy가 코팅된 탐침형 나노전극은 pH에 매우 민감하기 때문에 전위차법을 사용하여 미세영역의 pH 를 측정할 수 있었다. 또한 제작된 나노전극은 끝단을 제외한 나머지 부분을 절연물질을 코팅하여 단일 신경신호 측정을 위한 신경전극이나 미세영역의 전기화학적 특성을 측정할 수 있는 SECM 팁으로 사용할 수 있다.마지막으로 표면의 전기화학적 특성 및 물리적 특성을 향상시키기 위해 특정 표면에 전도성고분자 또는 탄소나노튜브/전도성고분자 복합체 나노돌기 구조를 제작하였다. 탄소나노튜브/전도성고분자 복합체 나노돌기가 코팅된 신경전극은 3차원의 다공성 나노구조를 가지고 있으며, 전해질과 전극표면 사이에 낮은 impedance와 높은 capacitance를 가지기 때문에 우수한 신경전극 특성을 보여준다. 또한 금나노 입자를 나노돌기의 표면에 코팅하여 표면의 촉매특성을 향상 시킬 수 있었다. 끝으로 전도성 고분자 다중스케일의 복합구조물을 금속 망에 코팅하여 높은 압력에서도 안정된 초소수성 특성을 가지는 표면을 제작하였다.