KR101688527B1 - 압전 특성의 나노 구조물을 이용한 센서 - Google Patents

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Abstract

압전 특성의 나노 구조물을 이용한 센서가 개시된다. 개시된 센서는, 기판상에 마련된 제1 및 제2 전극에 걸쳐져 기판에 이격되게 배치 압전 특성을 가지는 나노 구조물을 포함하며, 나노 구조물이 외부 환경과의 상호 작용에 의해 발생시키는 기전력을 통해 유체의 다양한 물질적, 화학적, 생물학적 특성을 탐지할 수 있다.

Description

압전 특성의 나노 구조물을 이용한 센서{Sensor using piezoelecronic nano structure}
본 개시는 압전 특성의 나노 구조물을 이용한 센서에 관한 것이다.
최근 나노기술(nanotechnology) 분야의 한 갈래로서 나노압전(nanopiezotronics)이 연구되고 있다. 나노압전은 나노스케일(nanoscopic scales)에서의 압전 현상으로서, 가령 나노스케일의 아연 산화물(Zinc oxide)에서의 압전현상들이 보고되고 있으며, 이러한 나노압전 물질을 이용한 나노스케일의 발전장치 등의 가능성이 연구되고 있다.
압전 특성의 나노 구조물을 이용한 센서를 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 센서는, 기판; 상기 기판상에 마련되며, 서로 이격되게 배치된 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐져 상기 기판에 이격되게 배치되며, 압전 특성을 가지는 나노 구조물;을 포함하며, 상기 나노 구조물이 외부 환경과의 상호 작용에 의해 발생시키는 기전력이 상기 제1 및 제2 전극을 통해 검출된다.
상기 나노 구조물은 1차원 구조의 나노 물질일 수 있다.
상기 1차원 구조의 나노 물질은 ZnO 나노 와이어, PZT 나노 와이어, 및 LiNbO3 나노 와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 나노 와이어일 수 있다.
상기 나노 구조물의 표면이 소정 물질을 흡착하도록 기능화될 수 있다.
상기 나노 구조물의 표면의 거칠기를 변화시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 각각과 상기 기판 사이에는 스페이서가 개재될 수 있다.
개시된 실시예에 의한 센서는 벌크 형태의 압전 소재와 비교하여 약한 힘에도 용이하게 기전력을 발생시키는 압전 특성을 지닌 나노 구조물을 이용하여 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 센서의 동작을 설명하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
10...기판 20...전극 구조물
21...전극 23...스페이서
30...나노 구조물 40...검출회로
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1는 일 실시예에 따른 센서의 개략적인 구성도이다. 도면을 참조하면, 본 실시예의 센서는 기판(10)과, 전극 구조물(20)과, 나노 구조물(30)을 포함한다.
기판(10)은 전극 구조물(20)을 지지하는 부재이다. 본 실시예는 기판(10)의 재질을 제한하지 않는다. 본 실시예의 센서가 전도성 유체에 놓이게 되는 경우라면, 기판(10)은 비전도성 재질로 형성될 수 있다. 만일 본 실시예의 센서가 비전도성 유체에 놓이게 되는 경우라면, 기판(10)은 전도성 재질로 형성될 수 있다. 다만, 기판(10)이 전도성 재질로 형성되는 경우, 제1 및 제2 전극(21)의 절연성을 위하여 비전도성 재질의 스페이서(23)가 기판(10)과 제1 및 제2 전극(21) 사이에 개재될 것이다.
전극 구조물(20)은 기판(10)상에 서로 이격되게 마련된 제1 및 제2 전극(21)을 포함한다. 제1 및 제2 전극(21)은 금속과 같은 전도성이 있는 재질로 형성된다. 제1 및 제2 전극(21)은 나노 구조물(30)을 양단에서 지지하면서 나노 구조물(30)에서 압전 현상에 의해 발생되는 기전력의 전기적 통로가 된다. 제1 및 제2 전극(21)는 나노 구조물(30)이 기판(10)으로부터 떨어진 상태로 걸쳐질 수 있도록 소정 두께로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 전극(21) 각각과 기판(10) 사이에는 스페이서(23)가 더 마련될 수 있다. 이와 같은 스페이서(23)는 소정 두께로 형성되어, 제1 및 제2 전극(21)이 얇게 형성되더라도 나노 구조물(30)이 기판(10)으로부터 충분히 떨어진 상태로 제1 및 제2 전극(21)에 걸쳐질 수 있도록 한다. 만일 기판(10)이 전도성 재질로 형성된다면, 스페이서(23)는 절연물질로 형성될 것이다.
나노 구조물(30)은 휨에 의해 기전력이 발생되는 압전 특성을 갖는 물질로 형성된다. 이러한 나노 구조물(30)은 그 직경이 대략 수백 나노미터 이하의 크기를 갖는 1차원 구조의 나노 물질일 수 있다. 나노 구조물(30)은 예를 들어, ZnO 나노 와이어, PZT 나노 와이어, 및 LiNbO3 나노 와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 나노 와이어일 수 있다. 나노 구조물(30)은 전극 구조물(20)에 걸쳐져 있다. 이때 나노 구조물(30)의 양단은 휨에 의해 압전특성이 나타날 정도로 전극 구조물(20)에 의해 당겨져 있다. 나노 구조물(30)과 기판(10) 사이의 이격된 거리는 나노 구조물(30)과 기판(10) 사이에 직접적인 상호작용, 예를 들어 반데르발스(van der Waals) 힘이 작용되지 않을 정도의 거리로 설정될 수 있다.
나노 구조물(30)의 휨 정도는 유체의 속도, 압력, 점도 등에 영향을 받는다. 따라서, 유체의 이러한 물성들에 대한 적절한 초기 조건이 주어지면, 유체의 물리적 특성을 탐지할 수 있을 것이다.
또한, 본 실시예의 나노 구조물(30)은 표면에 다른 물질이 코팅되거나 도핑될 수도 있다. 이러한 코팅되거나 도핑된 물질은 특정 물질에 대해 흡착성질을 부여하여 나노 구조물(30)의 표면을 기능화하는 것으로, 특정 생체물질에 대해 수용기 특성을 지닌 생체 수용기이거나 특정 화학 물질에 대해 결합력을 갖는 화학적 결합 분자일 수 있다. 이와 같이 기능화된 나노 구조물(30)에 특정 물질이 흡착되게 되면, 나노 구조물(30)의 기계적 특성을 변화시켜, 발생 기전력을 변화시킨다. 나아가, 나노 구조물(30)에 흡착된 물질이 전하를 지닌 경우, 발생 기전력의 변화를 유도할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 센서는, 주변 환경에 대한 적절한 초기 조건이 주어지면, 발생 기전력의 크기를 통해, 흡착 물질의 유무를 검출할 수 있으므로, 유체의 화학적, 생물학적 특성을 탐지할 수 있을 것이다.
예를 들어, 나노 구조물(30)에 생체물질의 검출의 기능성을 부여할 수있다. 흔히 생체 물질 검출에 사용하는 아비딘-바이오틴(Avidin-Biotin) 결합을 이용하는 경우에는 ZnO 나노와이어 표면에 APTES(3-aminopropyltriethoxysilane)/바이오틴을 코팅한 후 아비딘과 결합된 생체 탐지 대상 물질(예를 들어, 글루코스(Glucose), 락토스(Lactose) 등)을 유체내에 흘려주면 선택적으로 생체 물질을 검출할 수 있을 것이다(즉, 탐지생체물질-Avidin-Biotin-APTES-ZnO). 또 다른 예로 나노 구조물(30)에 특정 전하를 띠는 물질을 코팅하여 반대 전하를 검출할 수 있게 할수 있다. 즉, 나노 구조물(30)의 표면에 음전하를 띠는 물질을 입히면 반대전하를 띠는 물질을 원하는 위치에 붙일 수 있다. 예를 들어, 하기의 화학식 1과 같이 ZnO 나노 와이어에 카르복실기를 입혀서 음전하를 띠는 표면을 만들어줄 수 있다(참고: E.Tang et al./Applied Surface Science 252, 5227-5232, 2006년).
Figure 112010025254115-pat00001
나아가 본 실시예의 센서는 나노 구조물(30)의 표면의 거칠기를 변화시켜, 나노 구조물(30)과 유체와의 상호작용력을 증가시키거나 혹은 감소시킬 수도 있다. 이와 같이 나노 구조물(30)과 유체와의 상호작용력을 조절함으로써, 나노 구조물(30)의 휨 정도를 조절할 수 있으며, 따라서 최적화된 크기의 기전력, 즉 검출 신호를 얻어낼 수 있을 것이다.
한편, 검출하고자 하는 유체가 전도성을 가지는 경우, 제1 및 제2 전극(21)과 나노 구조물(30)은 유체와 절연되도록 절연물질로 덮혀 있을 수 있다.
검출회로(40)는 외부에 마련될 수 있으며, 제1 및 제2 전극(21)에 전기적으로 연결되어 나노 구조물(30)에서 발생된 기전력을 검출한다. 이러한 검출회로(40)는 기전력을 검출하는 공지의 수단이 채용될 수 있다. 본 실시예의 센서는, 나노 구조물 자체에서 검출신호에 해당되는 기전력을 발생시키므로, 회로적 측면에서 보았을 때 능동 소자이다. 이러한 점에서 본 실시예의 센서는, 대기전력이 없거나 매우 작을 수 있더라도 상시적으로 검출상태에 놓일 수 있다.
도 2는 본 실시예의 센서의 동작을 설명하는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 실시예의 센서는 유체(F)가 흐르는 곳에 위치한다. 나노 구조물(30)은 검출하고자 하는 유체의 흐름에 수직한 방향을 길이 방향으로 배치될 수 있다. 경우에 따라서는 나노 구조물(30)은 유체 흐름에 비스듬한 방향으로 배치되거나, 혹은 유체 흐름에 무관하게 랜덤한 방향으로 배치될 수도 있을 것이다.
유체(F)는 나노 구조물(30)의 휨이 발생될 수 있는 유동성이 있는 것으로서, 예를 들어, 혈액이나, 수질검사하고자 하는 물일 수 있다.
유체의 흐름에 따라 나노 구조물(30)은 휨이 발생하는 바, 나노 구조물(30)의 압전 특성에 의하여 기전력이 발생한다.
예를 들어, ZnO 나노 와이어의 경우, 하기의 수학식 1과 같이 기전력이 발생됨이 알려져 있다.
Figure 112010025254115-pat00002
여기서, V는 발생 기전력, D는 ZnO 나노와이어의 직경, L은 ZnO 나노와이어의 길이, Y는 ZnO 나노와이어의 휘어진 변위 길이를 nm 단위로 표현한 값이다. 예를 들어, 5μm의 길이 및 150nm의 직경을 갖는 ZnO 나노와이어를 나노 구조물(30)로 채용한 센서에서 발생할 수 있는 기전력을 인체의 혈류와 동일한 조건(즉, 평균 혈류 속도 59cm/s, 점도(viscosity) 3.2*10-3 Pa·s, 밀도 1060 Kg/m3)에서 계산하면, ZnO 나노와이어가 중심부에서 대략 50μm의 변위를 보일 때, 대략 38mV의 기전력이 발생된다. 이 정도 크기의 기전력은 공지의 검출회로(40)를 통해 용이하게 검출될 수 있으므로, 나노 구조물(30)로 1차원 구조의 ZnO 나노와이어가 채용되는 경우, 효과적인 검출장치의 구현이 가능함을 알 수 있다.
1차원 구조의 나노 구조물(30)은 벌크(bulk) 형태의 압전 소재와 비교하여, 약한 힘에도 전력을 용이하게 발생시킬 수 있으므로, 본 실시예의 센서는 나노 구조물(30)의 압전 특성을 이용하여 센서를 구현할 수 있다. 이러한 기전력은 나노 구조물(30)의 양단에 마련된 전극 구조물(20)을 통해 외부에 마련된 검출회로(도 1의 40)에서 검출될 수 있다. 나노 구조물(30)에서 발생되는 기전력은 나노 구조물(30)의 휨 정도와 나노 구조물(30)과 유체(F) 사이의 상호작용 등에 의해 달라질 수 있다. 따라서, 나노 구조물(30)에서 발생되는 기전력을 통하여 유체(F)의 유동 특성이나 유체(F)의 물성을 조사할 수 있게 된다. 예를 들어, 기전력의 변화를 통해 유체(F)의 유속의 변화를 검출할 수 있다.
나아가, 전술한 바와 같이 나노 구조물(30)이 소정 물질이 코팅되거나 표면개질되는 경우, 특정 물질을 흡착할 수 있으며, 이에 따라 발생되는 기전력의 차이를 검출함으로써 특정 물질의 흡착 여부를 판단할 수 있다. 이러한 나노 구조물(30)의 기능화를 통해, 본 실시예의 센서는 생체 물질을 검출하거나 수질 오염물질을 검출할 수 있다.
전술한 실시예의 센서는 나노 구조물(30)이 하나만 전극 구조물(20)에 걸쳐져 있는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 동일 전극 구조물(20) 위에 복수의 나노 구조물(30)이 걸쳐진 병렬 구조를 가질 수 있으며, 나아가 전극 구조물(20)이 일렬로 배열된 3개 이상의 전극을 구비하며, 복수의 나노 구조물(30)이 인접한 전극들에 걸쳐진 직렬 배열 구조를 질 수도 있을 것이다.
전술한 실시예에서 나노 구조물(30)은 나노와이어(nanowire)의 경우를 예로 설명하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 본 실시예의 나노 구조물(30)은, 나노리본(nanoribbon), 나노벨트(nanobelt) 등을 형상을 지닐 수 있으며, 나아가 이러한 구조물에 소정 물질이 코팅되거나 표면처리가 될 수 있다.
전술한 본 발명인 압전 특성의 나노 구조물을 이용한 센서는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판상에 마련되며, 서로 이격되게 배치된 제1 및 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐져 상기 기판에 이격되게 배치되며, 압전 특성을 가지는 나노 구조물;을 포함하며,
    상기 나노 구조물이 유체가 흐르는 곳에 위치하여 유체의 흐름에 따른 상기 나노 구조물의 휘어짐에 의해 발생되는 기전력이 상기 제1 및 제2 전극을 통해 검출되는 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조물은 1차원 구조의 나노 물질인 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 1차원 구조의 나노 물질은 ZnO 나노 와이어, PZT 나노 와이어, 및 LiNbO3 나노 와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 나노 와이어인 센서.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 표면이 소정 물질을 흡착하도록 기능화된 센서.
  5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 표면의 거칠기를 변화시킨 센서.
  6. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 각각과 상기 기판 사이에는 스페이서가 개재된 센서.
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