KR102303276B1 - 스크린 프린팅 공정으로 제작된 단일벽 탄소나노튜브 나노 복합체 기반의 유연한 수소 이온 농도 센서 - Google Patents
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Abstract
본 실시예들은 스크린 프린팅 공정을 통해 형성된 수소 이온 농도 센서로서, 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 감지층에 pH 용액이 접촉되면 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지할 수 있고, 기계적인 굽힘 동작 이후에도 동작 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 수소 이온 농도 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명이 속하는 기술 분야는 스크린 프린팅 공정으로 제작된 유연한 수소 이온 농도 센서에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
생물학적 및 화학적 반응은 pH 레벨에 의존하므로, 생물학, 의약 및 보건, 식품, 수질 관리, 화학적 또는 생물학적 반응을 모니터링할 필요가 있다. pH 센서는 광범위하게 사용되며, 최근 IoT 기술의 발달로 인하여 pH 센서를 사용하는 대부분의 분야에서 플랙시블 기술과 함께 실시간 모니터링(Point of Care Testing, POCT) 기술에 대한 요구가 커지고 있다.
기존의 pH 센서 기술 분야에서 유리 전극 기반의 pH 센서는 시간의 경과에 따라 지속적인 보정(Calibration) 작업이 필요하며 재료의 취성 및 센서의 구조적 변형에 한계가 있다. 보다 개선된 감지 물질, 유연기판, 기계적 물성, 비용 및 대량생산 가능성을 중심으로 하여 다양한 방식의 pH 센서 기술이 연구되고 있다.
본 발명의 실시예들은 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 다중 채널을 갖는 감지층에 pH 용액이 접촉되면 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지하는 수소 이온 농도 센서로서, 스크린 프린팅 공정을 통해 수소 이온 농도 센서를 형성하며 스크린 프린팅 공정을 이용하여 마스크 패턴에 따라 레이어의 층수를 조절하여 pH 반응성을 제어할 수 있고, 기계적인 굽힘 테스트 후에도 산성 및 염기성을 감지하는 센서의 동작 안정성과 신뢰성을 확보하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기판을 클리닝하는 단계, 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 용액을 생성하는 단계, 및 상기 전도성 물질과 상기 폴리머 바인더가 교반된 상기 복합 용액을 상기 기판에 도포하고 스크린 프린트 공정을 이용하여 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 형성하는 단계를 포함하는 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 수소 이온 농도 센서에 있어서, 기판, 상기 기판에 형성되며 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 다중 채널을 갖는 감지층을 포함하며, 상기 감지층에 pH 용액이 접촉되면 상기 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 센서를 제공한다. 또한 스크린 프린팅의 공정 최적화를 통해 증착된 감지층의 전기전자적 특성 그리고 그에 따른 센서의 민감도를 제어하는 것이 가능하다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 기판에 형성되며 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 포함하며, 상기 감지층에 pH 용액이 접촉되면 상기 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지하는 수소 이온 농도 센서, 상기 수소 이온 농도 센서에 부착되며 상기 수소 이온 농도 센서의 위치를 이동시키는 이동 장치, 및 상기 수소 이온 농도 센서가 감지한 pH 농도에 관한 데이터를 전송하는 통신부를 포함하는 수소 이온 농도 측정 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 다중 채널을 갖는 감지층에 pH 용액이 접촉되면 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지하는 수소 이온 농도 센서로서, 스크린 프린팅 공정을 통해 수소 이온 농도 센서를 형성하며 스크린 프린트 공정에 사용되는 마스크를 통해 레이어의 개수를 조절하여 pH 반응성을 제어할 수 있고, 기계적인 힘이 반복적으로 인가된 후에도 산성 및 염기성을 감지하는 센서의 동작 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 측정 센서의 제조 방법을 예시한 흐름도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층에 적용된 폴리머 바인더의 화학 구조 예시이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 XPS 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서에서 상이한 레이어를 갖는 감지층의 저항 변화 및 SEM 이미지를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서에서 상이한 레이어를 갖는 감지층의 pH 반응성 및 응답 특성을 예시한 도면이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 pH 반응 범위 및 굽힘 테스트 결과를 예시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 pH 센싱 메커니즘을 예시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 장치를 예시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층에 적용된 폴리머 바인더의 화학 구조 예시이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 XPS 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서에서 상이한 레이어를 갖는 감지층의 저항 변화 및 SEM 이미지를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서에서 상이한 레이어를 갖는 감지층의 pH 반응성 및 응답 특성을 예시한 도면이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 pH 반응 범위 및 굽힘 테스트 결과를 예시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 pH 센싱 메커니즘을 예시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 장치를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
기존의 pH 센서는 금속 산화물을 이용하여 제작하였고, 금속 산화물을 이용한 pH 센서는 pH에 대한 높은 반응성을 보이나, 기계적 물성에 따른 한계와 제조 비용이 높은 문제가 있다. 전도성 폴리머를 이용하여 pH 센서를 제작하면 pH 센서는 기계적 유연성 및 높은 전도성을 확보할 수 있지만, pH 반응에 대한 민감도 및 동작 안정성이 상대적으로 좋지 못한 문제가 있다.
본 명세서에 기재된 수소 이온 농도 센서는 화학 물질, 완충액 및 시약 등의 pH 측정이 가능하며, 드론 등의 이동 장치, 스마트폰 앱, 웨어러블 기기 등과 결합하거나 다양한 전자 응용 장치에 적용될 수 있다.
본 명세서에 기재된 수소 이온 농도 센서는 스크린 프린팅 공정으로 제작된다. 스크린 프린팅은 패턴이 되어 있는 마스크 위에 페이스트(Paste)를 바른 후 스퀴즈(Squeegee)로 문지르면 페이스트가 패턴을 통과하여 마스크 아래에 있는 기판에 프린팅이 되는 방식이다. 프린팅 횟수를 최적화함으로써 나노 복합체의 전기적 특성, 나아가 pH 민감도를 제어할 수 있는 다채널 기반의 유연 pH 센서를 제작할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 측정 센서의 제조 방법을 예시한 흐름도이다.
스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법은 기판을 클리닝하는 단계(S110), 복합 용액을 생성하는 단계(S120), 및 감지층을 형성하는 단계(S130)을 포함한다. 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법은 감지층을 형성한 후 보호층 및 분리벽을 형성하는 단계(S140)를 추가로 포함할 수 있다.
기판을 클리닝하는 단계(S110)는 기판(210)을 초음파 세척하고 자외선 처리하여 기판을 친수화한다. 초음파 세척기 안에서 10분 동안 기판을 아세톤, 메탄올, IPA(Isopropyl Alcohol) 순으로 순차적으로 세척한다. 254 nm의 파장 및 28 mW/cm2의 파워 밀도를 가지는 자외선 오존 처리기 안에서 5분 내지 1시간 범위에서 표면 처리할 수 있으며, 예컨대, 11분 동안 표면 처리를 수행할 수 있다. 기판은 유연 기판일 수 있고, 폴리이미드(Polyimide)가 사용될 수 있다. 유연 기판은 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(Ecoflex), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리비스페놀 A(Polybisphenol A), 폴리에틸렌(Polyethylene) 등과 같은 유연 기판, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
복합 용액을 생성하는 단계(S120)는 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반한다. 전도성 물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합을 포함하는 탄소 고분자 물질일 수 있다. 폴리머 바인더는 나피온(Nafion), 항산화제(Antioxidant), 에틸셀룰로스(Ethyl Cellulose), 또는 이들의 조합을 포함하는 물질일 수 있다. 폴리머 바인더로 화학적 유사한 후보군이 사용될 수 있다.
감지층을 형성하는 단계(S130)는 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 용액을 기판에 도포하고 스크린 프린트 공정을 이용하여 하나 이상의 채널을 갖는 감지층(220)을 형성한다.
탄소를 기반으로 한 센싱 물질을 유연기판 위에 도포하여 pH 용액이 감지층에 가해지면 저항의 변화로 pH를 감지한다. 유연 기판 위에 SWCNT와 나피온의 적합한 혼합 비율로 혼합물을 제작하여 용액 공정 기반의 스크린프린팅(screen printing) 기술을 이용하여 랜덤 네트워크 구조를 가지는 감지층의 멀티 채널을 증착한다.
감지층(220)은 전극 영역(230)과 연결되도록 형성될 수 있다. 프린트 공정 이후에 열처리 공정을 수행한다. 70℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 열처리할 수 있으며, 예컨대, 100℃의 온도에서 열처리할 수 있다. 복수 번의 프린팅 공정 및 열처리 공정을 진행하여 복수의 레이어를 적층할 수 있다.
감지층을 형성하는 단계(S130)는 프린팅 공정에서 사용되는 마스크(100)를 상이하게 구성하고 상이하게 구성된 마스크를 통해 복수의 채널 중에서 두 개의 채널이 상이한 개수를 갖는 레이어를 형성할 수 있다.
보호층 및 분리벽을 형성하는 단계(S140)는 감지층을 형성한 후 감지층에 유연 절연 물질을 도포하여 보호층(240) 및 분리벽을 형성한다. 유연 절연 물질로 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용할 수 있다. 유연 절연 물질로 에코플렉스(Ecoflex)을 사용할 수 있으며, 다른 물질이 사용될 수 있다. PDMS는 인체에 무해하며 신축성이 크고 절연 물질이기 때문에 다른 채널에 주입된 pH 용액이 서로 침투하는 것을 방지할 뿐만 아니라 pH 용액으로부터 감지층과 전극의 전기 접점을 보호할 수 있다.
pH 용액의 농도에 따라 전기적 특성이 변화하는 것을 분석할 수 있기 때문에 넓은 범위의 pH 농도를 감지할 수 있다. 저항 방식을 사용함으로써 축전 용량 방식과 비교하여 신호의 증폭과 잡음 처리(노이즈 제거)와 관련하여 추가적인 회로 구성이 필요하지 않아서 공정 비용을 절감할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서를 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 수소 이온 농도 센서(300)는 기판(310) 및 감지층(320)을 포함한다. 감지층(320)은 기판(310)에 형성되며 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 하나 이상의 채널을 갖는다. 감지층(320)에 pH 용액이 접촉되면 감지층(320)의 저항이 변하여 pH 농도를 감지한다.
도 4는 스크린 프린트 공정에 의해 제작된 수소 이온 농도 센서를 예시한다. 감지층은 스크린 프린트 공정에 의해 형성되며, 스크린 프린트 공정에 사용되는 마스크를 통해 레이어의 개수 및 채널의 개수를 조절하여 pH 반응성을 제어할 수 있다. 감지층은 복수의 채널을 형성하고, 각 채널은 상이한 개수의 레이어를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 스크린 프린트 공정에 의해 제작된 수소 이온 농도 센서는 기계적인 굽힘 테스트 이후에도 안정적인 pH 반응성을 유지할 수 있다. 기계적 안정성을 확인하기 위해 5mm의 곡률 반경을 가지는 구부림 테스트(Bending Test)를 진행하였고, 200번의 연속적인 스트레인 인가 후에도 pH 센서의 성능이 거의 변하지 않는 높은 동작 안정성 및 신뢰성을 보임을 확인하였다.
도 5는 상이한 개수의 레이어로 적층된 복수의 채널을 갖는 수소 이온 농도 센서의 정면 단면도 및 측면 단면도를 예시한 것이다.
감지층(520a, 531b, 532b, 533b)은 기판(510a, 510b) 위에 형성된다.
감지층은 복수의 레이어로 형성된 채널을 포함하며, 감지층은 3 개 이상으로 적층된 레이어로 형성된 채널(520a)을 포함할 수 있다. 감지층은 감지층에 연결되며 감지층의 폭보다 넓게 형성된 전극 영역(530a)을 포함할 수 있다. 수소 이온 농도 센서는 전극 영역(530a)을 커버하는 보호층(540a, 540b)을 추가로 포함할 수 있다.
감지층은 복수의 채널을 포함하며, 감지층은 상이한 개수의 레이어로 형성된 채널(531b, 532b, 533b)을 포함할 수 있다. 수소 이온 농도 센서는 pH 용액이 복수의 채널(532b, 533b) 간에 침투하는 것을 막는 분리벽(545b)을 추가로 포함할 수 있다.
기판은 유연 기판이 적용될 수 있다. 전도성 물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합을 포함하는 탄소 고분자 물질이 적용될 수 있다. 폴리머 바인더는 나피온(Nafion), 항산화제(Antioxidant), 에틸셀룰로스(Ethyl Cellulose), 또는 이들의 조합을 포함하는 물질이 적용될 수 있다. 보호층 및 분리벽은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 에코플렉스(Ecoflex) 등이 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층에 적용된 폴리머 바인더의 화학 구조 예시이다. 폴리머 바인더는 C-F 결합을 포함한다. 바인더 물질로 예시적으로 사용된 나피온은 SWCNT 나노 복합체의 바인더 역할로 기판의 굽힘 상태에서 SWCNT 랜덤 네트워크의 크랙을 방지해주는 역할을 한다. 유연 pH 센서는 유연 전자 소자에 적용 가능하다.
전도성 물질과 폴리머 바인더는 N:1의 배합비로 교반될 수 있다. N은 양의 실수이며, 100:1부터 10:1까지 다양한 조건 하에서 배합될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.
전도성 물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합으로 된 고분자 물질일 수 있다. 폴리머 바인더는 나피온(Nafion)이 사용될 수 있고, 유사한 후보군으로 항산화제(Antioxidant), 에틸셀룰로스(Ethyl Cellulose) 등이 사용될 수 있다. 폴리머 바인더에 의해 고정화된 전도성 물질은 여러 줄기들이 서로 얽혀있는 상태로 박막을 형성하였으며 이러한 박막, 즉, 유연 감지층이 pH 감지 특성을 확보하면서 유연성을 갖는 주요 원인이 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 XPS 스펙트럼을 예시한 도면이다.
감지층의 복합 물질에 대한 C1s의 X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 스펙트럼은 283.9 eV의 피크 및 290.9 eV의 피크를 나타낸다. SWCNT와 나피온으로 구성된 나노 복합체 필름의 C1s XPS 스펙트럼은 크게 2 개의 피크가 존재한다. SWCNT의 주요 피크로 알려진 283.9eV 이외에도 바인더로 사용된 나피온의 피크 290.9eV가 검출되어 성공적으로 SWCNT 나노 복합체가 형성되었음을 파악할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서에서 상이한 레이어를 갖는 감지층의 저항 변화 및 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 예시한 도면이다.
감지층의 레이어가 3층까지 증가할 때는 급격히 저항이 감소하다가 3층 이상의 레이어부터는 유사한 저항을 나타낸다. 감지층의 레이어가 3층이 될 때 SWCNT 나노 복합체 필름이 벌크 저항에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
1층이 인쇄된 SWCNT 나노 복합체 필름과 3층이 인쇄된 SWCNT 복합체 필름의 SEM 이미지를 보면, 3층 인쇄된 필름은 공간 분포의 균일성 및 나노 복합체의 조밀한 랜덤 네트워크 형성 측면에서 1층 인쇄된 필름보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 즉, 인쇄된 레이어의 적층 수에 따라 pH 센서의 민감도를 임의로 조절할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서에서 상이한 레이어를 갖는 감지층의 pH 반응성 및 응답 특성을 예시한 도면이다.
전기적 특성은 센서 동작에 있어서 가장 중요한 부분으로, pH 센서에 도포된 pH 용액의 농도에 따라 반응성은 선형적으로 변화한다. 인쇄된 레이어의 적층 개수에 따라 감지층의 재료의 전기적 성질이 변화하여 반응성을 조절할 수 있다. 전기적 특성 변화는 SWCNT 나노 복합체의 공간 분포의 균일성 및 나노 복합체의 조밀한 랜덤 네트워크 형성에 의한다. 산성과 염기성 전 범위에서 측정이 가능하므로 감지층의 저항 임계치 설정을 통해 설정된 pH 농도 측정 범위에서 동작하도록 제어할 수 있다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 pH 반응 범위 및 굽힘 테스트 결과를 예시한 도면이다.
pH 용액의 환경에 따라 반응성이 증가 또는 감소한다. 전기적 특성의 변화는 검출용액이 산성인지 알칼리성 여부를 구분할 수 있는 중요한 지표이다.
수소 이온 농도 센서는 5 mm의 곡률 반경으로 반복된 굽힘 테스트 후에도 pH 반응성을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 200회 굽힘 테스트 후 센서의 pH 반응성은 굽힘 테스트 전과 거의 차이가 없다. 스크린 프린팅 공정을 통해 형성된 pH 센서가 유연 기판에서 안정적인 동작 특성을 나타내며 유연 전자 시스템에도 충분히 적용될 수 있음을 보여준다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 센서의 감지층의 pH 센싱 메커니즘을 예시한 도면이다.
pH 용액의 환경은 산성 환경과 알칼리 환경의 구분이 가능하다. pH 용액의 수소 이온 또는 수산화 이온은 카보닐(Carbonyl) 및 C-H 결합과 상호 작용하고 감지층에 공유 부착되며, 수소 이온이 부착되면 감지층의 저항이 감소하고, 수산화 이온이 부착되면 감지층의 저항이 증가한다.
SWCNT의 전도 특성은 SWCNT의 표면에서 OH- 과 H+ 사이의 상호 작용에 의한다. 수산화 이온 또는 수소 이온이 SWCNT의 표면에 부착될 때, pH 용액은 용액이 산성인지 알칼리성인지에 따라 SWCNT의 저항을 증가시키거나 감소시킨다.
pH 완충 용액이 나노 복합체에 주입될 때, 수소 이온 또는 수산화 이온은 카보닐(carbonyl) 및 C-H 결합과 상호 작용하고 SWCNT에 공유적으로 부착된다. SWCNT의 표면에 수소 이온이 부착되면 SWCNT의 저항이 감소하고 수산화물 이온은 반대 효과를 일으켜, SWCNT의 저항을 증가시킨다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 수소 이온 농도 측정 장치를 예시한 도면이다.
수소 이온 농도 측정 장치(600)는 이동 장치(610), 수소 이온 농도 센서(620), 및 통신부(630)를 포함한다.
수소 이온 농도 센서(610)는 기판에 형성되며 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 포함하며, 감지층에 pH 용액이 접촉되면 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지한다.
이동 장치(610)에 수소 이온 농도 센서(620)가 부착되며 수소 이온 농도 센서(620)의 위치를 이동시킨다. 이동 장치(610)는 원격 제어가 가능한 비행체일 수 있다.
통신부(630)는 수소 이온 농도 센서가 감지한 pH 농도에 관한 데이터를 전송한다.
원거리에서 수질을 실시간으로 확인할 수 있는 드론과 결합된 pH 센서 시스템을 구현할 수 있다. 드론에 데이터 처리 모듈과 무선 통신 모듈을 결합하고, 카메라를 이용해서 pH를 확인하려는 장소에 위치시킨 후에 실시간으로 pH를 분석하여 알고리즘으로 설계된 프로그램을 기반으로 사용자의 스마트폰 등의 장치로 모니터링 결과를 출력할 수 있다.
스마트폰과 결합된 드론 응용 프로그램에 통합된 실시간 pH 센서 시스템은 하천에 pH 센서가 닿으면 아날로그 신호를 센서로부터 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 신호를 블루투스 등의 무선 통신을 통하여 스마트폰에 신호를 전달한다. pH의 반응성을 스마트폰으로 확인 가능하다.
수소 이온 농도 측정 장치의 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
수소 이온 농도 측정 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
수소 이온 농도 측정 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
도 1에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 1에 기재된 순서를 변경하거나 일부 과정을 생략하여 실행하거나, 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (17)
- 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법에 있어서,
기판을 클리닝하는 단계;
전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 용액을 생성하는 단계; 및
상기 전도성 물질과 상기 폴리머 바인더가 교반된 상기 복합 용액을 상기 기판에 도포하고 스크린 프린팅 공정을 이용하여 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 형성하는 단계는, 복수 번의 프린팅 공정 및 열처리 공정을 진행하여 복수의 레이어를 적층하며,
상기 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 형성하는 단계는, 프린팅 공정에서 사용되는 마스크를 상이하게 구성하고 상기 상이하게 구성된 마스크를 통해 복수의 채널 개수를 갖는 레이어를 형성하며,
상기 감지층을 형성한 후 상기 감지층에 유연 절연 물질을 도포하여 보호층 및 분리벽을 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 수소 이온 농도 센서는 상기 레이어의 개수 및 상기 채널의 개수를 조절하여 pH 반응성을 제어하며, 상기 감지층은 3 개 이상으로 적층된 레이어로 형성된 채널을 포함하며,
상기 감지층의 레이어가 3층이 될 때 상기 감지층이 벌크 저항에 도달하는 것을 특징으로 하는 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판을 클리닝하는 단계는,
상기 기판을 초음파 세척하고 자외선 처리하여 상기 기판을 친수화하는 것을 특징으로 하는 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 유연 기판이며,
상기 전도성 물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합을 포함하는 탄소 고분자 물질이며,
상기 폴리머 바인더는 나피온(Nafion), 항산화제(Antioxidant), 에틸셀룰로스(Ethyl Cellulose), 또는 이들의 조합을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 스크린 프린팅 공정에 기반한 수소 이온 농도 센서의 제조 방법. - 수소 이온 농도 센서에 있어서,
기판;
상기 기판에 형성되며 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 포함하며,
상기 감지층에 pH 용액이 접촉되면 상기 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지하며,
상기 감지층은 스크린 프린트 공정에 의해 형성되며, 상기 스크린 프린트 공정에 사용되는 마스크를 통해 상기 레이어의 개수 및 상기 채널의 개수를 조절하여 pH 반응성을 제어하며,
상기 감지층은 복수의 레이어로 형성된 채널을 포함하며, 상기 감지층은 3 개 이상으로 적층된 레이어로 형성된 채널을 포함하며,
상기 감지층에 연결되며 상기 감지층의 폭보다 넓게 형성된 전극 영역을 포함하며, 상기 전극 영역을 커버하는 보호층을 추가로 포함하며,
상기 감지층은 복수의 채널을 포함하며, 상기 pH 용액이 상기 복수의 채널 간에 침투하는 것을 막는 분리벽을 추가로 포함하며,
상기 감지층의 레이어가 3층이 될 때 상기 감지층이 벌크 저항에 도달하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 센서. - 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 감지층은,
하나의 레이어로 형성된 제1 채널,
2개의 레이어가 적층된 제2 채널,
3개의 레이어가 적층된 제3 채널을 포함하며,
상기 제1 채널, 상기 제2 채널, 상기 제3 채널이 분리벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 센서. - 삭제
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 기판은 유연 기판이며,
상기 전도성 물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀(Graphene), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합을 포함하는 탄소 고분자 물질이며,
상기 폴리머 바인더는 나피온(Nafion), 항산화제(Antioxidant), 에틸셀룰로스(Ethyl Cellulose), 또는 이들의 조합을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 센서. - 제7항에 있어서,
상기 감지층의 상기 복합 물질에 대한 C1s의 X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼은 283.9 eV의 피크 및 290.9 eV의 피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 기반한 수소 이온 농도 센서. - 제7항에 있어서,
상기 pH 용액의 수소 이온 또는 수산화 이온은 카보닐(Carbonyl) 및 C-H 결합과 상호 작용하고 상기 감지층에 공유 부착되며, 상기 수소 이온이 부착되면 상기 감지층의 저항이 감소하고, 상기 수산화 이온이 부착되면 상기 감지층의 저항이 증가하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 센서. - 제7항에 있어서,
상기 수소 이온 농도 센서는 5 mm의 곡률 반경으로 반복된 기계적 굽힘 테스트 후에도 pH 반응성을 유지하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 센서. - 기판에 형성되며 전도성 물질과 폴리머 바인더가 교반된 복합 물질을 기반으로 하나 이상의 레이어로 형성된 하나 이상의 채널을 갖는 감지층을 포함하며, 상기 감지층에 pH 용액이 접촉되면 상기 감지층의 저항이 변하여 pH 농도를 감지하는 수소 이온 농도 센서;
상기 수소 이온 농도 센서에 부착되며 상기 수소 이온 농도 센서의 위치를 이동시키는 이동 장치; 및
상기 수소 이온 농도 센서가 감지한 pH 농도에 관한 데이터를 전송하는 통신부를 포함하며,
상기 감지층은 스크린 프린트 공정에 의해 형성되며, 상기 스크린 프린트 공정에 사용되는 마스크를 통해 상기 레이어의 개수 및 상기 채널의 개수를 조절하여 pH 반응성을 제어하며,
상기 감지층은 복수의 레이어로 형성된 채널을 포함하며, 상기 감지층은 3 개 이상으로 적층된 레이어로 형성된 채널을 포함하며,
상기 감지층에 연결되며 상기 감지층의 폭보다 넓게 형성된 전극 영역을 포함하며, 상기 전극 영역을 커버하는 보호층을 추가로 포함하며,
상기 감지층은 복수의 채널을 포함하며, 상기 pH 용액이 상기 복수의 채널 간에 침투하는 것을 막는 분리벽을 추가로 포함하며,
상기 감지층의 레이어가 3층이 될 때 상기 감지층이 벌크 저항에 도달하는 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 측정 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 이동 장치는 원격 제어가 가능한 비행체인 것을 특징으로 하는 수소 이온 농도 측정 시스템.
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