그래핀을 새로운 차세대 소재로 주목하는 많은 과학자들이 있는 가운데, 그래핀 소자의 안정적인 제작이 해결해야 할 문제점 중의 하나로 지적되어 왔다. 그래핀 소자를 제작하는 방법은 그라파이트를 기판에 문질러 얻은 그래핀 조각을 이용하거나 니켈, 구리 등의 금속에 성장된 그래핀 막을 절연층 기판에 전사시켜 패터닝하여 소자로 제작하는 방법, 마지막으로 그래핀 조각이 든 용액을 뿌려 소자를 제작하는 방법 등이 있다. 각 방법의 장단점이 존재하는데, 이 중에서 용액을 이용하는 공정은 일반적으로 특성이 직접 chemical vapor deposition 으로 성장시켜 제작한 소자에 비해 성능이 뒤떨어지지만 쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 저자들은 PDMS (poly(dimethyl)siloxane) 으로 스탬프를 제작하여 센티미터 길이의 그래핀 필름을 패터닝하여 소자로 제작하고 이를 센서로 개발하였다. 아래 그림은 그래핀 소자 제작의 모식도를 보여준다.

(A) Schematic illustration of patterning GO films by MIMIC and reduction of the patterned GO films.  (B) Schematic illustration of the experimental setup of front-gate FET for sensing application. (C) Photograph of rGO pattern-based sensing device on PET film.

소자를 제작하기 위해 우선 그라파이트를 화학적으로 박리하여 그래핀 옥사이드 조각으로 만든다. 이렇게 제작된 그래핀 옥사이드 용액을 위의 PDMS 스탬프를 이용하여 기판에 선택적으로 패터닝 한 후, 하이드라진으로 그래핀 옥사이드를 환원시켜 그래핀으로 만든다. 제작된 그래핀 패턴은 높이가 약 1~3nm, 길이는 1cm 이상으로 단겹 혹은 적은 수의 그래핀 층으로 이루어졌음을 알 수 있다. 이와 같이 제작된 그래핀 소자는 양극성 전기전도성을 보이며 신경전달물질인 도파민의 농도에 따라 전기전도도가 선형적으로 증가하는 특성을 보여 센서로 사용될 수 있음을 증명하였다. 저자들은 또 PC12 세포를 그래핀 소자위에 배양하여 그래핀 소자로 세포가 발현시키는 카테콜 아민의 측정이 가능함을 보였다. 그래핀은 나노튜브나 나노선 등의 1차원 소자에 비해 센서 표면적이 넓고 상대적으로 균일하게 기능화가 가능하며 화학적, 생물학적 안정성을 확보한 물질로 바이오분야에서의 응용이 더 기대된다.

(A) Optical image of PC12 cells grown confluently on poly-l-lysine coated rGO−PET device.
(B) Schematic illustration of the interface between a PC12 cell and rGO FET. (C) Real-time response of rGO−PET FET to the vesicular secretion of catecholamines from PC12 cells stimulated by high K⁺ solution. V_ds = 100 mV, V_g = 0 V. The distance between the drain and source electrodes in the device is fixed at 1 cm.

한국화학연구원 나노바이오융합연구센터 이정오 박사 제공