KR100863764B1 - 나노소재의 물리적 변형을 이용한 유동특성 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동장 안에서, 기판 위의 전극에 양단이 지지되어 기판 위에 떠 있는 상태로 조립되어 있는 나노소재에 일정한 방향성을 가지는 유동이 지나갈 때, 조립된 나노소재의 물리적 변형을 통해 유동특성을 검출하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 매우 간단한 방법으로 유동특성을 검출할 수 있을 뿐 아니라 나노소재를 포함하는 나노구조물의 크기가 매우 작아 소형 및 낮은 소비전력이 요구되는 환경이나, 온도가 수백 도까지 올라가는 유동장 안에서도 활용할 수 있다.

나노구조물, 나노소재, 탄소나노튜브, 유동, 센서

Description

나노소재의 물리적 변형을 이용한 유동특성 검출방법{Flow detecting method using physical change of nano material}

도 1은 종래 방법에 의한 유동특성 검출센서를 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 유동특성 검출센서를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명에서 사용하는 유동특성 검출센서의 구조와 측정원리를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 예에 따른 탄소나노튜브가 조립된 유동특성 검출센서의 사진이다.

도 5는 도 4에서 보인 유동특성 검출센서를 이용하여, 유동장 변화에 따른 저항변화를 검출한 실험결과를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따라 두 개 이상의 나노소재가 동일 유동장 안에 서로 다른 각도로 배치된 유동특성 검출센서를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따라 서로 다른 규격의 나노소재를 가지는 두 개 이상의 나노구조물을 포함하는 유동특성 검출센서를 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명에 따라 유동을 방해하는 부가 구조물이 서로 다른 방향으로 배치된 둘 이상의 나노구조물을 포함하는 유동특성 검출센서를 나타낸 도면이다.

유동특성 검출에 관한 종래기술은 도 1에서 나타난 것과 같이 나노소재가 전극 사이에 연결되어 있으나 바닥에 부착된 형태로 조립된 것으로서, 유동이 변할 때, 유동의 이온전도도(ionic conductance)와 극성(polarity)에 따라 유동의 세기에 비례하는 저항변화를 측정함으로써 유동특성을 측정하는 것이다. 그러나 이 방법은 탄소나노튜브가 전극 사이에 필름형태로 부착되는 것이므로 매우 균일하게 제작하기가 어려워 상용화가 힘들고, 정확한 측정 메커니즘에 대해서도 연구가 더 진행되어야 한다. (참고문헌, Carbon nanotube flow sensor, science, Vol. 299, 2003, pp. 1042)
그 외의 종래기술로서, 열선 풍속계(hot wire anemometer)는 그 크기 때문에 좁은 공간 내 다수의 측정점에 적용하는 것이 사실상 불가능하다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로, 멤스(MEMS;Micro Electro Mechanical System)기술을 이용하여 실리콘기판 위에 전기히터와 저항 필름을 입힌 후 유동장 내에서 발열시킨 다음 저항변화를 측정하여 유속을 얻는 방법, 또는 이종(異種)의 금속필름을 입힌 후 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 온도차로부터 유속을 얻는 방법 등 몇몇 측정방법이 제안되기도 하였다. 그러나, 이들은 막증착(film deposition)방법으로 제작된 것이어서, 센서가 실리콘기판 바로 위에 접착되게 되므로 열용량이 커 응답이 늦은 단점이 있으며, 측정점에 센서와 기판이 함께 설치되어야 하므로 유동장이 파괴될 우려도 있었다.

최근 들어 많이 사용되고 있는 탄소나노튜브는, 휘어지게 되면, 탄소의 격자 배열구조가 일부 뒤틀리게 되면서 본래의 물리적 성질이 많이 바뀌게 되는데, 특히 전기적 특성이 크게 달라진다. 종래의 실험 예에서는 수 nm 정도의 변화에 대해 전기저항이 수십 배에서 수천 배까지 변하는 것을 관찰할 수 있었으며, 이를 이용해 여러 가지 소재에 응용하려는 연구가 진행되고 있다.

이러한 탄소나노튜브의 제작에 대해서는 이미 여러 가지 방법들이 알려져 있다. 예컨대, 두 전극 사이에서 나노소재를 성장시켜 연결되도록 할 수 있으며, 유전영동을 이용하여 두 전극 사이에 나노소재의 용액을 떨어뜨리고 전기장을 가하여 두 전극 사이에 연결된 형태로 쉽게 조립할 수도 있다.

본 발명은 나노소재가 바닥으로부터 떠 있는 상태가 되도록, 상기 나노소재가 전극에 지지되어 있는 나노구조물을 사용하여, 유동에 의해 나노소재가 휘어질 때 발생하는 나노소재의 물리적 특성변화를 검출함으로써, 유동특성에 대한 정보를 획득하는 것을 기본적인 측정원리로서 이용한다. 따라서 매우 직관적이며, 명백한 측정 메커니즘을 제시하며, 제작에 따른 결과의 반복성 및 신뢰성 확보가 용이한 유동특성 검출센서 및 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
여기서, 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어 중 "유동특성"이란 유동의 존재 여부는 물론 유동의 세기나 유동의 방향과 같이, 관찰자에게 있어 의미 있는 정보인 것으로 정의한다.

본 발명이 구현하고자 하는 나노소재를 이용한 유동특성 검출센서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(11), 서로 일정 간격을 두고 기판 위에 부착된 두 개의 전극(12) 및 두 개의 전극에 양쪽 끝단이 각각 지지되어 기판 위에 떠 있는 나노소재(13)를 포함하는 나노구조물(1)과, 나노소재 또는 전극과 연결되어 나노소재의 물리적 특성변화를 감지하는 물리량 측정장치(2)로 구성된다.

유동(3)이 일정한 방향으로 진행되고 있는 유동장 안에, 기판 위에 부착된 나노구조물(1)을 넣어두면, 유동에 의해 나노소재(13)가 휘어지게 된다. 이때 나노소재는 유동방향에 대해 그 길이방향의 각도가 0이 아니게, 즉 유동방향과 평행하지 않도록 배치되어야 한다. 나노소재가 휘어지면 전기전도도가 바뀌므로, 양 전극 간의 저항변화만 검출해도 유동특성의 변화를 쉽게 검출해 낼 수 있게 된다. 온도와 같은 환경의 변화에 따라 물리적 특성이 변할 수 있으므로 유동장 안과 밖에 동일한 형태의 유동특성 검출센서를 배치함으로써, 외부환경으로 인한 변화와 유동장에 의한 변화를 구별하도록 할 수 있다.

기판(11)은 실리콘 웨이퍼(Wafer)와 웨이퍼를 덮는 절연층으로 이루어진 것이 바람직하다. 또한, 유리나 폴리머 필름과 같은 절연성을 가진 소재를 사용할 수도 있다.
전극(12)은 전도성이 있는 물질이면서 기판에 고정될 수 있는 것이라면 어떠한 것이 되어도 무방하다. 다수의 나노소재가 전극에 연결되어 떠 있는 상태로 조립되는 것도 가능한 실시예가 될 수 있다. 나노소재가 기판에 고정되도록 하기 위해, 전극과 나노소재가 놓인 윗부분을 덮개로 덮을 수 있으며, 이때 덮개의 소재는 금속이 될 수 있다. 특별히 전도성 유체 안에서 유동특성을 검출하려는 경우, 나노소재가 연결된 부분을 제외한 전극을 포함한 전도체 부분을 비전도성 물질로 덮는 것도 가능하다. 물리량 측정장치(2)는 전기전도도 또는 저항을 측정하기 위한 저항계가 그 대표적인 예가 될 수 있으며, 유동에 따른 나노소재의 물리적 특성변화를 측정하는 것이라면 어떠한 것이라도 가능하다.

나노소재(13)의 제작방법은 이미 알려진 여러 가지 방법들 중 하나를 채택하여 활용할 수 있다. 예를 들어 두 전극 사이에 나노소재를 성장시켜 연결되도록 할 수 있으며, 유전영동을 이용하여 두 전극 사이에 나노물질의 용액을 떨어뜨리고 전기장을 가하여 두 전극 사이에 연결된 형태로 쉽게 조립할 수도 있다. 그러나 이제까지는 이러한 구조물이 주로 ＦＥＴ(Field Effect Transistor)나 릴레이(Relay), 스위치(switch), 메모리(Memory) 등에 활용되었을 뿐, 본 발명에서 소개하는 유동특성 검출센서로 적용된 것은 없다. 특히 유동장의 흐름에 같은 방향이 아닌 일정한 각도를 가지도록 배치함으로써 유동에 의해 나노소재가 휘어질 때 발생하는 나노소재의 저항변화와 같은 물리적 변화를 통해 유동장의 변화, 즉 유동특성을 검출하는 것은 처음으로 시도된 것이다.

본 발명에서 나노소재로 활용할 수 있는 것은 탄소구조를 기반으로 하는 탄소나노튜브나 탄소화이버, 그래파이트 등이다. 그외에도, 다양한 나노 선이 여기에 활용될 수 있다. 나노 선으로는 금속(Ag, Au 등), 반도체(Si, SiN, GaN 등), 금속성 산화물 반도체(SnO₂, TiO₂, In₂O₃ 등)가 이용될 수 있다. 이외에도 다양한 나노튜브(Nanotube), 디엔에이(DNA), 단백질(Protein)과 같이, 길이방향을 갖는 나노소재가 여기에 포함된다.

본 발명에서는 유동의 압력에 대해서 그 변화가 가능한 선형적이면서도 작은 유동의 변화에도 큰 저항변화가 있는 것이 바람직하며, 대표적인 예로 탄소나노튜브를 들 수 있다. 탄소나노튜브의 경우, 나노튜브 상에서의 탄소배열방법에 따라 금속성과 비금속성으로 나누어진다. 탄소나노튜브를 유동방향과 일정한 각도를 가지고 배치하게 되면 유동으로부터 탄소나노튜브는 압력을 받게 되고, 그 압력에 의해서 탄소나노튜브가 휘어지게 된다. 이러한 휘어짐은 탄소나노튜브의 전기적 저항의 급격한 변화를 유발하게 되며, 이것이 유동의 압력크기에 따라 비례적으로 변하기 때문에 유동특성을 검출할 수 있게 된다.

여타의 다른 나노소재의 경우에서도 이와 유사하게 유동에 의해 나노소재의 저항, 축전용량(capacitance), 유전율(permittivity)과 같은 물리적 특성이 변화함으로써 이를 측정하여 유동특성을 검출할 수 있다.

본 발명의 또 다른 응용방법으로서 전극 사이에 연결된 나노소재의 공진주파수의 변화를 이용해 유동의 특성을 측정할 수 있다. 예를 들어, 나노소재(13)를 가진시키는 회로를 전극과 연결하여, 양단 지지된 나노소재가 자신의 공진주파수 근처에서 진동하고 있을 때, 유동이 발생하게 되면, 공진주파수의 위치나 크기가 달라진다. 이를 이용하면 유동특성을 측정할 수 있다. 또한, 점성, 온도, pH 등, 유체의 상태가 변화하면 공진주파수가 달라지기 때문에, 유동특성 외에도 유체의 상태를 모니터링할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 예를 보여준 것이다. 전극 위에 지지된 나노소재가 유동이 있는 영역에 놓여 있을 때, 도 3(a)은 유동이 있기 전의 상태를 보여주며, 도 3(b)은 유동이 있는 때 나노소재에 물리적 변화가 발생하는 것을 보여준 것이다.
특히 유동(Flow)이나 파장(Wave)의 압력에 의해 한쪽 방향으로 휘어짐이 발생할 때, 나노소재의 저항이 바뀌는 현상이 가장 대표적인 예이다. 이러한 저항의 변화가 유동에 의해 가해지는 압력과 비례적인 관계를 가지게 되면, 유동특성을 검출하는 센서로서 활용할 수 있게 된다. 도 3(b)에서, 나노소재의 양 끝단은 가능한 완전히 고정되는 것이 바람직하며, 유동에 따라 적절한 나노소재의 크기를 결정해야 한다. 예컨대, 지름과 길이를 조절함으로써 유동특성을 검출할 수 있는 영역을 조절할 수 있다.

도 4는 실제로 제작한 유동특성 검출센서의 일 예를 보여준 것이다.
먼저, 실리콘기판에 SiO₂로 절연층을 올리고, 그 위에 Au/Ti이나 Pt, Al과 같은 금속으로 전극을 형성한 것이다. 그 후에, 탄소나노튜브를 두 전극 사이에 연결한 것이다.

도 5는 도 4와 같이 제작된 유동특성 검출센서에 에어 건(Air gun)을 이용하여 유동을 발생시킨 후, 유동의 세기에 따라 비례적으로 반응하는지 실험한 결과이다. 전극 사이의 탄소나노튜브의 전기저항을 측정하기 위해 저항계에 연결한 후 실험을 수행하였다. 또한, 저항계의 신호를 컴퓨터를 통해 실시간으로 받아, 저항의 크기가 변했는지를 확인하였다.
도 5의 그래프에서, 저항은 전압(voltage)/전류(current)로서 나타난다.
유동의 세기가 커짐에 따라 전기저항이 커짐을 확인할 수 있다.

도 6은 2개 이상의 나노구조물을 서로 다른 각도로 배치함으로써, 기준방향(도 6에서는 x, y)에 대한 유동의 방향을 검출할 수 있게 한 것이다. 이와 같은 방법으로 다수의 유동특성 검출센서를 이용하여 일정 공간 안에서의 유동을 2차원 또는 3차원적으로 정확히 측정할 수 있다. 즉, 단순히 유동의 존재 여부만 검출하는 것이 아니라 유동의 크기와 방향을 측정할 수 있는 것이다. 또한, 두 개 이상의 나노구조물에서 적어도 하나의 나노구조물은 유동의 흐름방향과 같은 방향으로 나노소재가 배치되도록 하여, 유동 이외의 영향에 의한 나노구조물의 변화를 보상할 수 있도록 할 수도 있다.

도 7은 또 다른 예의 하나로 유동특성을 검출함에 있어서 서로 다른 규격을 가지는 나노소재(예를 들어, 지름과 길이 등) 또는 다른 종류의 나노소재(탄소나노튜브, 금속성 나노와이어 등)가 여러 개 부착된 나노구조물을 하나의 유동장 안에 배치하여 유동장의 유동특성을 더 폭 넓게 측정할 수 있도록 하는 것을 나타낸 것이다. 또는 복수 개의 서로 다른 나노구조물을 배치하는 것도 유사한 기능을 수행할 수 있다. 도 7과 같이, 지름이 같고 길이만 다른 나노소재로 이루어진 유동특성 검출센서들을 배치했을 경우, 장치 A는 유동의 세기가 큰 영역에서 주로 측정이 가능하고, 상대적으로 장치 B와 C는 차례대로 유동의 세기가 더 작은 영역에서도 측정할 수 있기 때문에 민감한 측정영역을 세분화해서 측정할 수 있게 된다.
또한, 이러한 유동특성 검출센서들의 신호를 상호 비교하고 평가함으로써 유동특성을 더 정확히 평가할 수 있다.

도 8은 하나의 유동특성 검출센서에서 유동의 방향이 180도로 바뀌는 경우에 유동특성 검출센서의 구조가 대칭적이므로 유동방향을 검출하기 어려운 단점을 보완하는 방법을 나타낸 것이다. 두 개의 미세한 부가 구조물을 도 8과 같이 나노소재 측면에 배치하여 유동을 교란하거나 방해할 수 있도록 한다. 이때 미세한 부가 구조물은 일정한 두께를 가진 기둥이 될 수 있다. 여기서 좌측에 배치한 유동특성 검출센서는 아래에서 위로 움직이는 유동방향을 검출하고, 이와 반대로 우측에 배치한 유동특성 검출센서는 위에서 아래로 움직이는 유동방향을 정확히 검출할 수 있어 유동방향이 어느 방향인지 정확히 알 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유동특성의 측정이 매우 정확하고 소형화와 저소비전력화 등에 유리한 유동특성 검출센서를 제작할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 유동특성 검출센서는 다양한 영역대의 유동장을 검출할 수 있으며, 유동장 내에서의 설치방향에 따라 여러 방향의 정보를 동시에 얻을 수도 있다. 유동장에 사용되는 유체로는 일반공기나 다양한 액체들이 포함될 수 있으며, 나아가서는 전도성 유체에 대한 유동특성의 검출도 가능하다.
본 발명에 따르면, 매우 간단한 방법으로 유동특성을 검출할 수 있을 뿐 아니라 제조된 나노구조물이 매우 작아, 소형이 요구되는 환경이나 소비전력이 높은 또는 온도가 수백 도까지 올라가는 유동장 안에서도 유동특성 검출센서로 활용할 수 있다.
따라서 유동특성의 검출이 요구되는 다양한 산업분야에서 활용될 수 있다.

Claims (10)

1. 비전도체로 된 기판(11) 위에 서로 간격을 두고 설치한 2개의 전극(12)과 상기 2개의 전극(12)에 각각 끝부분만 지지시킴으로써 상기 기판(11)과 접촉하는 부분이 없이 상기 기판(11) 위에 떠 있는 형태로 나노소재(13)를 배치하는 단계;

   상기 나노소재(13)를 유동장 안에 배치하되, 나노구조물(1)을 구성하는 상기 나노소재(13)가 유동의 흐름방향과 평행하지 않게 배치하는 단계;

   상기 전극(12)으로부터 상기 나노소재(13)의 물리적 변형을 통해 발생하는 전기전도도 또는 전기저항의 변화를 물리량 측정장치(2)로 감지하여 유동특성을 검출하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기판(11)은 유리, 폴리머 필름 또는 웨이퍼와 웨이퍼를 덮는 절연층 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 나노구조물(1)은 상기 나노소재(13)와 상기 전극(12)을 덮는 덮개가 더 부가된 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전극(12)은 상기 나노소재와 연결된 부분을 제외한 나머지 부분이 비전도성 물질로 덮임으로써, 전도성 유체 안에서 상기 전도성 유체의 유동특성을 검출하는 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 나노구조물(1)과 동일한 나노구조물을 유동장 외부에 배치함으로써 유동변화에 의한 물리적 특성의 변화와 외부 환경에 의한 물리적 특성의 변화를 구별할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 나노소재(13)를 가진시키는 회로가 상기 전극(12)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
8. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   두 개 이상의 상기 나노구조물(1)을 동일 유동장 안에 서로 다른 각도로 배치함으로써 유동의 세기와 방향을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
9. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   서로 다른 규격 또는 서로 다른 특성을 지닌 복수의 나노소재(13)를 구비한 하나의 나노구조물(1), 또는 서로 다른 하나의 나노소재를 구비한 복수의 나노구조물을 이용함으로써, 넓은 영역의 유동특성을 검출할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.
10. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 나노구조물(1)이 복수 개 설치되는 경우, 유동을 방해하는 부가 구조물이 각 나노구조물(1)의 나노소재(13) 일측에 각각 하나씩 배치되되 인접하는 나노구조물에서의 배치방향과는 서로 반대방향으로 배치되어 유동특성을 검출하게 된 것을 특징으로 하는 유동특성 검출방법.

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