KR101694529B1 - 플렉서블 그래핀 투명 가스센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플렉서블 그래핀 투명 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 막대 형상의 한쌍의 그래핀이 평형하게 구비되되, 상기 한쌍의 그래핀 장축 중앙에 그래핀이 형성되어 상기 평형하게 구비되는 한쌍의 그래핀을 연결하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

플렉서블 그래핀 투명 가스센서 및 이의 제조방법{Flexible graphene transparent gas sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 그래핀만으로 구성된 그래핀 투명 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 전기적, 기계적, 화학적 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐만 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 약 100배 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 약 100배가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있는 물질로서, 이의 제조 및 응용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만 그래핀은 그래핀 산화물 상태로 존재하기 때문에 이를 대량으로 환원시키는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 현재까지 개발된 방법들은 화학적 박리법(Chemical exfoliation), 기계적 박리법(Mechanical exfoliation), 에피성장법(Epitaxial growth), 화학기상증착법(Chemical vapor deposition), 고온 어닐링법(high temperature thermal annealing) 등이 있다. 단일 및 이중으로 중첩된 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide; rGO) 박막은 반도체 물성을 나타내며, 이보다 약간 두께가 있는 rGO 필름은 반금속의 물성을 가진다. 또한, rGO 박막은 낮은 시트 저항성 및 높은 투명성을 가진다. 몇몇 rGO 박막은 그 반도체 물성을 이용하여 바이오 센서 내의 감응성 향상을 위한 일 구성요소로서 이용될 수 있다.
한편, 가스 센서는 화학, 제약, 환경, 의료 등 광범위한 분야에서 사용되어 왔고 미래에는 더욱 많은 연구가 될 것으로 예측되고 있다. 또한, 환경보전 및 안전관리 등의 사회적 요청이 증가함으로써 가스 센서에 요구되는 성능 및 사양도 고도화되고 있다. 그러나 일반적으로 가스 센서는 특정 가스에 대한 선택성이 떨어질 뿐만 아니라, 높은 습도 및 강한 산성 또는 염기성 환경에서 감도가 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하고 선택성이 우수한 가스 센서를 개발하기 위해 많은 연구가 진행 중이며, 최근의 일부 연구들은 그래핀-기반 가스 센서를 개발하고 있으나, 그래핀 산화물 기반 가스센서와 환원된 그래핀 산화물 기반 가스센스는 가스센서로 감도가 낮고, 가스와 반응 후 빠른 회복이 되지 않아 연속적인 가스 측정이 불가능한 문제가 있다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 출원특허 제10-2013-0007072(2013. 01.22. 출원)에 개시되어 있는 그래핀 산화물 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 광섬유, 및 이를 포함하는 가스 센서의 제조 방법이 있다.
따라서, 본 발명은 별도의 전극 구성없이 그래핀만으로 상온에서 구동가능하고 저농도의 기체상 가스를 신뢰성 있게 감지하며 빠른 회복으로 연속적으로 가스를 감지할 수 있는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 막대 형상의 한쌍의 그래핀이 평형하게 구비되되, 상기 한쌍의 그래핀의 장축 중앙에 그래핀이 형성되어 상기 평형하게 구비되는 한쌍의 그래핀을 연결하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 금속층 상부에 탄화수소 및 수소를 공급하여 그래핀을 제조하는 단계; 상기 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시키는 단계; 상기 금속층을 에칭시킨 후 상기 그래핀을 세척하는 단계; 및 상기 제조된 그래핀에서 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하는 단일층 그래핀의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 금속층 상부에 그래핀을 제조한 후 상기 단일층 그래핀의 제조방법으로 제조되는 그래핀을 적층시켜 다층의 그래핀을 제조하는 단계; 상기 제조된 다층의 그래핀 상부에 포토리소그래피로 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시킨 후 금속층을 제거하는 단계; 및 상기 금속층이 제거된 그래핀을 투명 필름 상부에 부착시킨 후 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 별도의 전극 구성없이 그래핀 만으로 가스를 감지할 수 있고, 인가 전압으로 그래핀 자체가 발열되어 상온에서 구동가능하며, 낮은 농도의 가스를 신뢰성 있게 측정할 수 있고, 회복시간이 빨라 가스를 연속적으로 감지할 수 있다.
또한, 그래핀 가스센서를 투명하고 유연하게 제조할 수 있을 뿐 아니라, 구부러진 상태에서도 낮은 농도의 기체를 높은 신뢰도로 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 5 ppm 질소 가스에 대한 저항변화를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (b)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 5 ppm 질소 가스에 대한 반응 정도를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (c)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 감도를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (d)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 반응 및 회복 정도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 가스센서의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a)는 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서의 온도 변화에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (b)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 인가전압에 따른 감도를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (c)는 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서의 온도에 따른 감도를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (d)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 인가전압에 따른 회복 시간을 나타낸 그래프이다.
도 5의 (e)는 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서의 온도에 따른 회복 시간을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소 가스 농도에 따른 감도를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (b)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소 농도에 따른 반응 정도를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (c)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 습기가 존재하는 경우의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (d)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소, 암모니아, 물, 에탄올 및 아세톤에 대한 감도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 구부러짐에 따른 감도를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 막대 형상의 한쌍의 그래핀이 평형하게 구비되되, 상기 한쌍의 그래핀 장축 중앙에 그래핀이 형성되어 상기 평형하게 구비되는 한쌍의 그래핀을 연결하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서를 제공한다.
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서는 별도의 전극 구성없이 그래핀 만으로 가스를 감지할 수 있고, 인가 전압으로 그래핀 자체가 발열되어 상온에서 구동가능하며, 낮은 농도의 가스를 신뢰성 있게 측정할 수 있고, 회복시간이 빨라 가스를 연속적으로 감지할 수 있다. 또한, 그래핀 가스센서를 투명하고 유연하게 제조할 수 있을 뿐 아니라, 구부러진 상태에서도 낮은 농도의 가스를 높은 신뢰도로 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서는 별도의 전극 구성없이 그래핀 만으로 구성되어 있으며, 막대 형상의 한쌍의 그래핀이 평형하게 구비되고, 평형하게 구비된 그래핀 사이에는 얇은 폭의 그래핀이 형성되어 'H' 형상으로 구성된다.
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서에서 상기 그래핀의 장축 중앙에 형성되는 그래핀의 폭은 2 ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 그래핀의 폭이 2 ㎛ 미만인 경우에는 전압 인가시 얇은 폭으로 인해 그래핀이 끊어지는 문제가 있고, 10 ㎛를 초과하는 경우에는 낮은 농도의 기체를 측정할 수 없는 문제가 있다.
또한, 본 발명은 금속층 상부에 탄화수소 및 수소를 공급하여 그래핀을 제조하는 단계;
상기 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시키는 단계;
상기 금속층을 에칭시킨 후 상기 그래핀을 세척하는 단계; 및
상기 제조된 그래핀에서 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하는 단일층 그래핀의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 단일층 그래핀의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 단일층 그래핀의 제조방법은 금속층 상부에 탄화수소 및 수소를 공급하여 그래핀을 제조하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 금속층은 그래핀을 지지하는 역할을 하며, Cu, Ni, Pd, Ru, Ir 및 W로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금이고, 포일형태일 수 있다.
또한, 상기 금속층 상부의 그래핀은 탄화수소 및 수소를 공급하여 열화학기상증착법(TCVD)으로 600 ~ 1200 ℃로 가열하여 제조할 수 있다. 이때, 탄소와 수소와의 결합이 약한 C2H2, 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타클레이트(PMMA) 등을 사용하여 열화학기상증착법에서 사용되는 통상적인 가열온도보다 낮은 온도로도 그래핀을 형성시킬 수 있다. 상기 온도가 600 ℃ 미만인 경우에는 그래핀이 형성되지 않는 문제가 있고, 1200 ℃를 초과하는 경우에는 금속층이 녹는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 단일층 그래핀의 제조방법은 상기 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시키는 단계를 포함한다.
이때, 상기 폴리머는 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)를 사용할 수 있고, 상기 폴리머는 스핀코팅 공정으로 그래핀의 일면에 코팅된다.
본 발명에 따른 단일층 그래핀의 제조방법은 상기 금속층을 에칭시킨 후 상기 그래핀을 세척하는 단계를 포함한다.
상기 금속층의 에칭은 암모늄 펄설페이트(APS) 용액, FeCl3 용액, 과수-황산 및 과수-질산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 그래핀의 세척을 증류수 또는 탈이온수를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 단일층 그래핀의 제조방법은 상기 제조된 그래핀에서 폴리머를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 폴리머의 에칭은 아세톤 또는 클로로포름으로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 금속층 상부에 그래핀을 제조한 후 금속층 상부에 탄화수소 및 수소를 공급하여 그래핀을 제조하는 단계; 상기 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시키는 단계; 상기 금속층을 에칭시킨 후 상기 그래핀을 세척하는 단계; 및 상기 제조된 그래핀에서 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하는 단일층 그래핀의 제조방법으로 제조되는 그래핀을 적층시켜 다층의 그래핀을 제조하는 단계;
상기 제조된 다층의 그래핀 상부에 포토리소그래피로 패터닝하는 단계;
상기 패터닝된 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시킨 후 금속층을 제거하는 단계; 및
상기 금속층이 제거된 그래핀을 투명 필름 상부에 부착시킨 후 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법을 나타낸 모식도이다. 이하, 도 2를 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법은 금속층 상부에 그래핀을 제조한 후 금속층 상부에 탄화수소 및 수소를 공급하여 그래핀을 제조하는 단계; 상기 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시키는 단계; 상기 금속층을 에칭시킨 후 상기 그래핀을 세척하는 단계; 및 상기 제조된 그래핀에서 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하는 그래핀의 제조방법으로 제조되는 단일층 그래핀을 적층시켜 다층의 그래핀을 제조하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 그래핀은 단층으로 그래핀 가스센서를 제조할 수 있으나, 기계적 안정성 및 감지 신뢰성을 고려하여 3 ~ 5층으로 적층되는 것이 바람직하다. 상기 그래핀이 3층 미만으로 적층시켜 가스센서로 제조할 경우 인가전압에 의한 발열에 의해 기계적 안정성이 저하되어 막대 형상의 그래핀 사이에 형성되는 그래핀이 끊어지는 문제가 있고, 5층을 초과하여 적층되는 경우에는 기체 감지 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법은 상기 제조된 다층의 그래핀 상부에 포토리소그래피로 패터닝하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 제조된 다층의 그래핀 상부에 포토리소그래피로 패터닝하고 O2 플라스마로 6초 동안 처리될 수 있다.
또한, 포토리소그래피로 패터닝된 그래핀은 'H' 형상으로 제조되어 인가전압에 의해 기체를 감지할 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법은 상기 패터닝된 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시킨 후 금속층을 제거하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 폴리머는 PMMA 또는 폴리카보네이트를 사용할 수 있고, 금속층은 APS 용액, FeCl3 용액, 과수-황산 및 과수-질산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 제거될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법은 상기 금속층이 제거된 그래핀을 투명 필름 상부에 부착시킨 후 폴리머를 제거하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 투명 필름은 폴리이미드(PI), 아크릴(acryl), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리에테르 술폰(polyether sulfone)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
또한, 상기 폴리머는 아세톤 또는 클로로포름을 이용하여 제거될 수 있다.
실시예 1: 단일층 그래핀의 제조
Cu 포일(순도 99.99%) 상부에 탄화수소(CH4)를 30 sccm, 수소(H2)를 3 sccm으로 공급하여 열화학기상증착법으로 1000 ℃에서 그래핀을 제조하였다.
다음으로, 그래핀 상부에 PMMA를 스핀코팅으로 코팅시킨 후 Cu 포일 하부에 형성된 그래핀을 반응성 이온 에칭(RIE)으로 산소 플라즈마를 이용하여 제거한 후 Cu 포일을 APS 용액을 이용하여 에칭시키고 그래핀을 세척하였다. 마지막으로 그래핀 상부에 형성된 PMMA 폴리머를 아세톤으로 제거하여 단층의 그래핀을 제조하였다.
실시예 2: 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조
Cu 포일(순도 99.99%) 상부에 탄화수소(CH4)를 30 sccm, 수소(H2)를 3 sccm으로 공급하여 열화학기상증착법으로 1000 ℃에서 그래핀을 형성시킨 후 상기 실시예 1에서 제조된 그래핀을 그래핀 상부에 적층시켜 다층의 그래핀을 제조하였다. 상기 제조된 다층의 그래핀 상부에 포토리소그래피로 패터닝하고 O2 플라즈마로 처리한 후 패터닝된 그래핀 상부에 스핀코팅 공정으로 PMMA를 코팅시켰다. Cu 포일은 APS 용액으로 제거하고, Cu 포일층이 제거된 그래핀을 폴리이미드 투명 필름 상부에 부착시켰다. 그 후 아세톤 용액에 함침시켜 PMMA와 포토레지스터를 제거하여 플렉서블 그래핀 투명 가스센서를 제조하였다.
실험예 1: 패턴 유무에 따른 플렉서블 그래핀 가스센서의 저항변화, 반응 정도, 감도 및 회복 특성 분석
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 저항변화, 반응 정도 및 회복 특성을 분석하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 5 ppm 질소 가스에 대한 저항변화를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (a)에 나타난 바와 같이, 패턴이 존재하는 그래핀 가스센서에서는 1V, 10V, 30V에서는 저항 변화가 크게 나타나지 않았으나, 40V, 60V에서는 저항변화가 크게 나타나 질소가스를 감지할 수 있음을 알 수 있고, 패턴이 없는 그래핀 가스센서에서는 저항 변화가 거의 발생하지 않아 질소가스를 신뢰성 있게 감지하기 힘든 것을 알 수 있다. 또한, 패턴이 존재하지 않는 그래핀 가스센서의 경우 전압을 높여주면 파워소모가 커서 가스를 감지할 수 없음을 확인하였다.
도 3의 (b)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 5 ppm 질소 가스에 대한 반응 정도를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, 패턴이 존재하는 그래핀 가스센서의 경우 30V를 초과하는 전압에서 반응이 크게 나타나므로, 낮은 농도의 질소 가스를 감지할 수 있음을 알 수 있고, 패턴이 존재하지 않은 그래핀 가스센서에서는 반응정도가 낮아 질소 가스가 힘든 것을 확인하였다.
도 3의 (c)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 감도를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (c)에 나타난 바와 같이, 패턴이 존재하는 그래핀 가스센서는 60V에서 측정횟수에 관계없이 반응이 일정하게 나타나 신뢰성 있게 가스를 감지할 수 있는 것을 알 수 있고, 패턴이 존재하지 않은 그래핀 가스센서에서는 측정횟수에 따라 감도 차이가 발생하므로 신뢰성 있게 질소가스를 검출할 수 없는 것을 알 수 있다.
도 3의 (d)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 반응 및 회복 정도를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (d)에 나타난 바와 같이, 패턴이 존재하는 그래핀 가스센서는 전압이 증가함에 따라 감도가 향상되며, 회복 시간이 짧아지는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 패턴 유무에 따른 플렉서블 그래핀 가스센서의 온도 변화 분석
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 패턴 유무에 따른 가스센서의 온도 변화를 분석하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 바와 같이, 패턴이 존재하는 그래핀 가스센서는 전압이 증가함에 따라 온도가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있고, 60V에서는 73.4 ℃의 온도를 나타내었다. 반면, 패턴이 존재하지 않는 그래핀 가스센서는 전압이 증가하여도 온도 변화가 나타나지 않았다.
실험예 3: 패턴 유무에 따른 플렉서블 그래핀 가스센서의 온도 또는 전압에 따른 저항 변화, 감도 및 회복 시간 분석
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서에서 패턴 유무에 따른 가스센서의 온도 또는 전압에 따른 저항 변화, 감도 및 회복 시간을 분석하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5의 (a)는 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서의 온도 변화에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5의 (a)에 나타난 바와 같이, 온도가 증가할수록 감도는 향상되지만 가스를 측정하기 위해 온도가 가해져야 함을 알 수 있다.
또한, 패턴이 형성된 그래핀 가스센서에서 60V의 전압이 인가되었을 때의 질소 가스에 대한 감도가 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서를 180 ℃로 승온시켜 감지한 경우보다 우수한 것을 알 수 있다.
도 5의 (b)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 인가전압에 따른 감도를 나타낸 그래프이다. 도 5의 (b)에 나타난 바와 같이, 전압이 증가할수록 저항 변화가 크게 나타난 감도가 우수한 것을 알 수 있다.
도 5의 (c)는 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서의 온도에 따른 감도를 나타낸 그래프이다. 도 5의 (c)에 나타난 바와 같이, 온도에 따라 감도 변화를 일정하지 않은 것을 알 수 있고, 이는 질소 가스를 신뢰성 있게 감지할 수 없음을 나타낸다.
도 5의 (d)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 인가전압에 따른 회복 시간을 나타낸 그래프이다. 도 5의 (d)에 나타난 바와 같이, 전압이 증가할수록 회복 시간이 크게 짧아지는 것을 알 수 있다.
도 5의 (e)는 패턴이 형성되지 않은 그래핀 가스센서의 온도에 따른 회복 시간을 나타낸 그래프이다. 도 5의 (e)에 나타난 바와 같이, 온도가 증가할수록 회복시간이 줄어들었으나 60 ℃ 이상에서는 더 이상의 시간 감소가 발생하지 않았으며, 온도를 상승시켜도 패턴이 형성된 그래핀 가스센서보다 회복 시간이 긴 것을 알 수 있다.
실험예 4: 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 다양한 기체에 대한 감도 및 반응 정도 분석
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소, 암모니아, 물, 에탄올 및 아세톤에 대한 감도 및 반응 정도를 분석하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소 가스 농도에 따른 감도를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (a)에 나타난 바와 같이, 질소 가스를 1 ~ 10 ppm인 농도까지 모두 감지할 수 있는 것을 알 수 있고, 10 ppm인 경우 감도가 가장 높았다. 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서는 질소 가스에 대해 60V의 전압을 인가하는 경우 6.87 ppb의 농도까지 감지할 수 있었다.
도 6의 (b)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소 농도에 따른 반응 정도를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이, 질소 농도가 증가함에 따라 그래핀 가스센서의 반응은 증가하였다.
도 6의 (c)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 습기가 존재하는 경우의 감도를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (c)에 나타난 바와 같이, 습도가 50%인 경우에도 질소 가스에 대한 감도는 높은 것으로 나타나 습기가 존재하는 경우에도 질소 가스를 감지할 수 있음을 알 수 있다.
도 6의 (d)는 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 질소, 암모니아, 물, 에탄올 및 아세톤에 대한 감도를 나타낸 그래프이다. 도 6의 (d)에 나타난 바와 같이, 5 ppm의 질소 가스에 대한 감도가 가장 높았으며, 50 ppm의 암모니아를 검출할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 습도 50%를 감지할 수 있었으며, 50 ppm의 에탄올뿐 아니라 아세톤도 검출 가능하였다.
실험예 5: 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 구부러짐에 따른 감도 분석
본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 구부러짐에 따른 감도를 분석하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 60V의 인가전압에서 구부러진 그래핀 가스센서는 구부러지지 않은 경우와 거의 동일한 감도로 5 ppm의 질소 가스를 검출할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서는 구부러진 경우에도 가스를 용이하게 검출할 수 있는 것을 알 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 플렉서블 그래핀 투명 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 막대 형상의 한쌍의 그래핀이 평형하게 구비되되, 상기 한쌍의 그래핀의 장축 중앙에 그래핀이 형성되어 상기 평형하게 구비되는 한쌍의 그래핀을 연결하는 것을 특징으로 하되,
    상기 한쌍의 그래핀이 패턴으로 형성되며, 40 V 또는 60 V의 전압을 인가하여 질소가스를 검출하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀의 장축 중앙에 형성되는 그래핀의 폭은 2 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 막대 형상의 한쌍의 그래핀이 평형하게 구비되되, 상기 한쌍의 그래핀의 장축 중앙에 그래핀이 형성되어 상기 평형하게 구비되는 한쌍의 그래핀이 3 내지 5층으로 적층된 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 금속층 상부에 그래핀을 제조한 후 단일층 그래핀 제조방법으로 제조되는 그래핀을 적층시켜 다층의 그래핀을 제조하는 단계;
    상기 제조된 다층의 그래핀 상부에 포토리소그래피로 패터닝하는 단계;
    상기 패터닝된 그래핀 상부에 폴리머를 코팅시킨 후 금속층을 제거하는 단계; 및
    상기 금속층이 제거된 그래핀을 투명 필름 상부에 부착시킨 후 폴리머를 제거하는 단계;를 포함하되,
    상기 다층의 그래핀은 3 내지 5층으로 적층되며,
    포토리소그래피로 패터닝은 그래핀을 'H' 형상으로 제조하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 투명필름은 폴리이미드(PI), 아크릴(acryl), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리에테르 술폰(polyether sulfone)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 폴리머는 아세톤을 이용하여 제거되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 그래핀 투명 가스센서의 제조방법.

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