KR101709329B1 - 커패시터형 후각 센서 및 제조 방법 - Google Patents

커패시터형 후각 센서 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커패시터형 화학 센서에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 평면 형상의 제 1 기재, 제 1 기재 상에 형성된 제 1 전도성 전극, 제 1 전도성 전극 상에 형성된 절연층, 절연층 상에 형성되며, 제 1 전도성 전극과 교차하도록 형성된 제 2 전도성 전극, 제 2 전도성 전극의 상부에 형성된 평면 형상의 제 2 기재, 및 제 1 전도성 전극 및 제 2 전도성 전극에 전압을 인가하는 제어부를 포함하되, 제어부는 제 1 전도성 전극 및 제 2 전도성 전극에 의해 형성되는 커패시턴스를 검출하되, 커패시턴스 값은 검출 대상 물질의 존재 여부에 따라 변화하는 프린지 커패시턴스 성분을 포함한다.

Description

커패시터형 후각 센서 및 제조 방법{CAPACITIVE OLFACTORY SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 커패시터형 후각 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.
최근 생체 모니터링 시스템, 로봇 피부 등 다양한 분야에 화학물질의 사용이 증가함에 따라 이에 응용될 수 있는 화학 센서에 대한 기술들이 보고되고 있다. 그러나 이러한 종래의 기술들은 일반적으로 기체 분자를 감지하는 것이 주를 이루었으며 대부분이 저항 타입으로, 화학 물질을 감지층에 흡착 시킴으로써 일어나는 저항 변화를 검출하였다. 따라서, 이러한 저항 타입의 센서는, 센서의 높은 민감도를 위해서 감지층에 화학 물질이 잘 흡착할 수 있도록 하는 기술적 이슈들이 존재한다. 또한, 감지층과 화학 물질이 직접적으로 반응하여야 감지가 가능하다는 문제점이 있다.
종래의 기술은 화학 물질이 감지층에 잘 흡착할 수 있도록 하기 위해, 감지층의 재료를 선정하는 것은 매우 중요하다. 따라서, 높은 민감도를 가지는 화학 센서들은 대부분 흡착도를 향상시키기 위해 감지층의 기능화, 복합화 등 추가적인 공정이 요구된다.
보다 넓은 화학 센서의 응용 분야를 위해서는 센서에 유연성이 구현되어야 한다. 즉, 사람의 피부와 같은 유연한 성질을 센서에서 구현하기 위해서는 유연한 전극의 개발이 이루어져야 한다. 그러나, 유연한 전극의 개발을 위해서는 유연한 고분자 물질과의 복합화, 패터닝 공정 등의 추가적인 복잡한 공정들이 요구된다. 또한, 이러한 공정을 통해 제작된 센서는 크기에 한계를 가진다.
앞서 전술한 예는, 대한민국 등록특허 제 10-0821699호(발명의 명칭: 탄소나노튜브 화학센서 및 그 제조방법)에 개시되어 있다. 구체적으로, 유리, 실리콘 또는 세라믹 기판 상에 적층된 절연층; 절연층의 상부에 상호 대향하도록 적층되어 있는 적어도 한 쌍의 전극; 및 한 쌍의 전극이 이격되어 있는 부위에 다수의 탄소나노튜브가 네트워크 구조를 형성하며 분산되어 있는 감지부로 이루어지며, 다수의 탄소나노튜브들 상호간 및 한 쌍의 전극과 감지부의 감지부의 탄소나노튜브 말단은 전기적으로 통전되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 센서를 제공한다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 전도성 전극을 이용하여, 공정을 단순화 시키고 대면적화에 용이한 후각 센서를 제공하고자 한다.
또한, 유연한 재료를 이용하여 접힘, 구부림, 및 비틀림이 가능한 유연한 커패시터형 후각 센서를 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 평면 형상의 제 1 기재, 제 1 기재 상에 형성된 제 1 전도성 전극, 제 1 전도성 전극 상에 형성된 절연층, 절연층 상에 형성되며, 제 1 전도성 전극 과 교차하고, 제 2 전도성 전극, 제 2 전도성 전극의 상부에 형성된 평면 형상의 제 2 기재, 및 제 1 전도성 전극 및 제 2 전도성 전극 에 전압을 인가하는 제어부를 포함하되, 제어부는 제 1 전도성 전극 및 제 2 전도성 전극에 의해 형성되는 커패시턴스를 검출하되, 커패시턴스 값은 검출 대상 물질의 존재 여부에 따라 변화하는 프린지 커패시턴스 성분을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 제조 방법은 제 1 기재에 제 1 전도성 전극을 형성하는 단계; 제 2 기재에 제 2 전도성 전극을 형성하는 단계; 제 1 전도성 전극 상에 절연층을 형성하는 단계; 및 절연층 상에 제 2 전도성 전극이 접하도록 제 1 기재와 제 2 기재를 결합시키는 단계를 포함하되, 제 1 전도성 전극 및 제 2 전도성 전극을 서로 교차하도록 형성한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전도성 전극을 이용하여, 센서를 제작하는 공정을 단순화시키고, 대면적화에 용이한 커패시터형 후각 센서의 제작이 가능하다.
또한, 접힘, 구부림, 및 비틀림이 가능한 유연한 커패시터형 후각 센서의 제작이 가능하다.
또한, 전도성 전극과 직접적으로 반응하지 않고 커패시턴스의 변화를 이용하여 특정 물질을 검출 가능하기 때문에 센서의 수명이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부 단면을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 형성되는 커패시턴스를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 물질에 따라 변화되는 커패시턴스를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 화학 물질들의 분자구조를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 쌍극자 모멘트 값에 따른 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 제조하기 위한 방법을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 전극을 형성하는 탄소나노튜브 섬유의 제작을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 용매의 변화에 따른 커패시턴스의 변화 값을 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 용매의 pH 변화에 따른 커패시턴스의 변화 값을 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 물과 도데케인에 의한 커패시턴스의 변화 값을 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 습도에 따른 커패시턴스의 변화 값을 비교한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부 단면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 센서부(10) 및 제어부(400)를 포함한다.
센서부(10)는 도 2 내지 도 3에 도시된 제 1 전도성 전극(100a), 제 2 전도성 전극(100b), 절연층(200), 제 1 기재(300a), 및 제 2 기재(300b)를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부(10)는 평면 형상의 제 1 기재(300a) 및 제 1 기재(300a)에 대향하고 제 1 기재(300a)와 소정의 거리만큼 이격되어 배치되는 평면 형상의 제 2 기재(300b)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 평면 형상의 제 1 기재(300a) 및 평면 형상의 제 2 기재(300b)는 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)을 외부로부터 보호한다. 이때, 제 1 기재(300a) 및 제 2 기재(300b)는 유연한 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 유연한 재료는 일례로, 아크릴판, 얇은 필름, 플라스틱, 고분자 재료, 또는 PDMS(polydimethylsiloxane) 등이 사용될 수 있다. 또한, 평면 형상의 제 1 기재(300a) 및 평면 형상의 제 2 기재(300b)는 탄성을 지닌 재질로 형성될 수 있다.
이어서, 제 1 기재(300a)의 상부에는 제 1 전도성 전극(100a)이 형성되며 또한, 제 2 기재(300b)의 하부에는 제 2 전도성 전극(100b)이 형성될 수 있다. 이때, 제 1 전도성 전극(100a)과 제 2 전도성 전극(100b)은 선 형상일 수 있으며, 서로 교차하도록 배치될 수 있다. 일례로, 제 1 전도성 전극(100a)이 제 1 기재(300a)의 상부에 x축 방향을 따라 배치되었다면, 제 2 전도성 전극은(100b) 제 1 전극(100a)과 수직한 방향인 y축 방향으로 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)은 탄소나노튜브 섬유, 탄소나노튜브 필름, 금, 은, 구리 또는 전도성 고분자 등과 같은 전도성을 지니는 무기 물질로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 제 1 전도성 전극(100a)과 제 2 전도성 전극(100b) 사이에 절연층(200)을 포함한다. 이때, 절연층(200)은 에코플렉스(ecoflex), PDMS, 또는 실리콘 계열 물질 중 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서부는 제 1 기재(300a)의 상부에 제 1 전도성 전극(100a)과 나란하도록 형성되는 복수의 전도성 전극들을 더 포함할 수 있다. 또한, 제 2 기재의 하부에, 2 전도성 전극(100b)과 나란하게 배치된 복수의 전도성 전극들을 더 포함할 수 있다. 이때, 복수의 전도성 전극들은 선 형상을 가지고, 소정의 거리만큼 일정한 간격으로 이격되어 배치되어 형성된 것일 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 도시하고 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 기재(300a) 또는 제 2 기재(300b) 상에 특정 화학 물질을 검출하기 위한 리시버(500)를 포함할 수 있다. 이때, 리시버(500)는 검출하고자 하는 화학 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 센서의 내부 또는 외부에 제어부(400)를 포함한다. 제어부(400)는 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)에 전압을 인가하고, 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b) 사이에 형성되는 커패시턴스 값의 변화를 실시간으로 검출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 제 1 전도성 전극(100a)과 제 2 전도성 전극(100b)사이에 절연층(200)이 포함된 커패시터 형태의 센서이다. 따라서, 제어부(400)에 의하여 전압이 인가되면 제 1 전도성 전극(100a)과 제 2 전도성 전극(100b)사이에 커패시턴스가 형성된다. 이러한 커패시턴스 값은 외부의 습도 변화 또는 액체 상이나 기체 상의 화학 물질이 존재하는 환경에 놓여졌을 때, 환경 변화에 따라 실시간으로 변화하게 된다. 따라서, 제어부(400)는 실시간으로 변화되는 커패시턴스의 값을 측정하여 외부의 습도 변화 또는 화학 물질을 검출할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(400)는 실시간으로 변화하는 커패시턴스의 값을 검출하고, 습도 또는 화학 물질에 따른 pH값 등으로 환산하기 위한 아날로그 디지털 컨버터, 신호처리부 및 메모리부를 포함한다.
아날로그 디지털 컨버터는 실시간으로 검출되는 커패시턴스 값을 컴퓨터가 판독 가능한 디지털 값으로 변환하여 메모리부에 저장할 수 있다.
이때, 메모리부는 컴퓨터 저장 매체중의 하나로서 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 저장장치(110)는 ROM(read only memory), RAM(random access memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치, 콤팩트 플래시(compact flash; CF) 카드, SD(secure digital) 카드, 메모리 스틱(memory stick), 솔리드 스테이트 드라이브(solid-state drive; SSD) 및 마이크로(micro) SD 카드 등과 같은 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive; HDD) 등과 같은 마그네틱 컴퓨터 기억장치 등을 포함할 수 있다.
신호처리부는 디지털 값으로 변환된 커패시턴스 값을 메모리부에 미리 저장된 데이터베이스 또는 룩업테이블에 기초하여 습도 또는 특정 화학 물질의 pH 값으로 환산할 수 있다. 예를 들어, 임의의 화학 물질들에 의한 커패시턴스의 변화 값을 룩업테이블을 이용하여 커패시턴스 변화 값에 매칭되는 쌍극자 모멘트 값을 계산한 후, 이와 대응하는 특정 화학 물질을 검출해 낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 형성되는 커패시턴스를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 물질에 따라 변화되는 커패시턴스를 도시하고 있다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 감지형 센서의 센서부(10)는 제 1 전도성 전극(100a)과 제 2 전도성 전극(100b) 내부에 형성되는 커패시턴스(Cp), 두 전극 내부에서 프린지되는 커패시턴스(Cf1) 및 두 전극의 외부로 프린지되는 커패시턴스(Cf2)를 포함한다. 따라서, 본발명의 일 실시예에 따른 복합 감지형 센서의 센서부(10)에서 형성되는 커패시턴스의 총량(Ctotal)은 수학식 1과 같다.
Figure 112015054532335-pat00001
만약, 사람의 손과 같은 전도성을 가진 물체를 커패시터형 후각 센서의 제 1 기재(300a) 또는 제 2 기재(300b)의 표면에 가까이하게 되면 외부로 프린지되는 커패시턴스(Cf2)는 사용자의 손을 통해 빠져나가게 된다. 이에 따라 커패시터형 후각 센서의 센서부(10)에 형성되는 커패시턴스의 총량(Ctotal)은 감소하게 된다. 그러나, 쌍극자 모멘트를 가지는 임의의 화학 물질이 커패시터형 후각 센서의 제 1 기재 또는 제 2 기재의 표면에 닿으면, 외부로 프린지되는 커패시턴스(Cf2)를 상승시키는 효과를 가져온다. 이에 따라 커패시터형 후각 센서의 센서부(10)에 형성되는 커패시턴스의 총량(Ctotal)은 증가하게 된다.
따라서, 제어부(400)는 각각의 제 1 전도성 전극(100a)과 제 2 전도성 전극(100b) 사이에 생기는 커패시턴스의 크기 변화를 통하여 외부 습도 및 제 1 기재(300a) 또는 제 2 기재(300b)의 표면 또는 표면 근처에 존재하는 특정 화학 물질을 검출해 내거나, 특정 화학 물질의 pH 값의 변화 등을 검출할 수 있다. 다시 말해, 화학 물질이 전도성 전극과 직접적인 반응을 하지 않아도 특정 화학 물질의 검출이 가능하며, 따라서 센서의 수명을 증가시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 화학 물질들의 분자구조를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 쌍극자 모멘트 값에 따른 커패시턴스 값을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 임의의 화학 물질들은 저마다 각기 다른 쌍극자 모멘트 값을 가지고 있다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 임의의 화학 물질이 가지는 쌍극자 모멘트 값에 따라 각각 다른 커패시턴스 변화 값을 가진다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 대체적으로 임의의 화학 물질이 가지는 쌍극자 모멘트 값이 클수록 커패시턴스의 변화 값은 증가하는 경향을 확인 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부를 제조하기 위한 방법을 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 센서부(10)를 제조하는 방법은 먼저, 제 1 기재(300a)를 준비하고(a), 제 1 기재(300a)의 상부에 제 1 전도성 전극(100a)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 전도성 전극(100a)을 형성하는 방법은 제 1 기재(300a)에 접착층(310)을 도포하고 접착층(310)의 상부에 y축 방향을 따라 선 형상의 전도성 무기 물질을 배치시킬 수 있다. (b).
이어서, 제 2 기재(300b)를 준비하고(c), 제 2 기재(300b)의 상부에 제 2 전도성 전극(100b)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제 2 전도성 전극(100b)을 형성하는 방법은 제 1 전도성 전극(100a)을 형성하는 방법과 마찬가지로, 제 2 기재(300b)에 접착층(310)을 도포하고 접착층(310)의 상부에 x축 방향을 따라 전도성 전극을 배치시킴으로써 제 2 전도성 전극(100b)을 형성시킬 수 있다(d).
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 센서부(10)를 제조하는 방법은, 도시되지는 않았으나, (b) 단계에서, 제 1 기재(300a)에 도포된 접착층(310)의 상부에 제 1 전도성 전극(100a)과 나란하도록, 선 형상인 복수개의 전도성 전극을 일정한 간격으로 서로 나란하게 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, (d)단계에서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서에서 센서부(10)를 제조하는 방법은 제 2 기재(300b)에 도포된 접착층(310)의 상부에 제 2 전도성 전극(100b)과 나란하도록 선 형상인 복수개의 전도성 전극을 일정한 간격으로 서로 나란하게 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)은 탄소나노튜브 섬유, 탄소나노튜브 필름, 금, 은, 구리 또는 전도성 고분자 등과 같은 전도성을 지니는 무기 물질 중 어느 하나로 이루어진 것일 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따라, 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)은 탄소나노튜브 섬유일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 전극을 형성하는 탄소나노튜브 섬유의 제작을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 감지형 센서의 센서부(10)에서 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)은 탄소나노튜브 섬유를 포함하는 것일 수 있다.
이때, 탄소나노튜브 섬유는 탄소나노튜브 필름을 모터로 감아 원하는 지름을 가지는 탄소나노튜브 섬유를 제작한다. 탄소나노튜브 필름은 수직 방향으로 놓여 있는 석영 튜브를 가열시킨 후, 석영 튜브 안으로 고순도 수소 가스를 흘려 보내고, 탄소나노튜브 합성 용액 소량을 수직의 합성로 내로 공급하여 제조될 수 있다. 이때, 탄소나노튜브 합성 용액은 탄소 공급원으로 사용하는 아세톤(acetone), 촉매 전구체인 페로센(ferrocene). 활성제인 싸이오펜(thiophene), 촉매 응집 방지를 위한 폴리소르베이트(polysorbate_20)가 혼합된 것이다.
합성 용액이 합성로에 공급되면, 열 에너지에 의해 촉매전구체인 페로센에서 철이, 활성제인 싸이오펜에서 황이 분리되어 나오고, 이들은 액상의 황화철(iron-sulfide)을 형성한다. 이후, 아세톤의 분해로, 공급된 탄소들이 황화철로 확산되어 포화가 되면서 탄소나노튜브가 성장하기 시작한다. 이때, 용액이 지속적으로 주입되면, 탄소나노튜브가 집합체를 이루는데, 이 집합체를 롤러에 감아 탄소나노튜브 필름을 제조할 수 있다. 이어서, 탄소나노튜브 필름을 모터로 감아 원하는 지름을 가지는 탄소나노튜브 섬유를 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유의 제조 방법은 본 출원의 발명자에 의하여 제안된 국내 특허 (10-2013-0044173)와 PCT(PCT/KR2013/ 010289)에 더욱 상세히 설명되어 있다.
다시 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서의 센서부(10)를 제조하는 방법은 제 1 기재(300a) 및 제 2 기재(300b) 상에 제 1 전도성 전극(100a) 및 제 2 전도성 전극(100b)을 형성시킨 다음에, 제 1 전도성 전극(100a) 상에 절연물질을 도포하여 절연층(200)을 형성할 수 있다(e). 본 발명의 일 실시예에서 절연 물질은 탄성계수가 낮은 실리콘 계열 물질인 에코플렉스(ecoflex)물질 일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
이어서, 제 1 기재(300a)의 상부에 형성된 절연층(200)과 제 2 기재(300b)의 상부에 형성된 제 2 전도성 전극(100b)이 서로 이웃하도록, 제 2 기재(300b)의 상하 좌우를 반전시켜 제 1 기재와 결합시킨다(f).
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 커패시터형 후각 센서의 센서부(10)를 제조하는 방법은 특정 화학 물질을 검출하기 위한 리시버(500)를 제 1 기재(300a) 또는 제 2 기재(300b)의 일 측면에 부착시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 리시버(500)는 검출하고자 하는 화학 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 용매의 변화에 따른 커패시턴스의 변화 값을 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 용매의 pH변화에 따른 커패시턴스의 변화 값을 도시하고 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 제 1 기재 또는 제 2 기재의 표면에 쌍극자 모멘트가 다른 용매를 동일한 접촉 면적과 동일한 질량만큼 접촉시켰을 때, 일반적으로 쌍극자 모멘트 값이 클수록 커패시턴스의 변화 값이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서는 용매가 가지는 pH 값에 따라 커패시턴스가 다르게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, pH가 다른 인공 땀과 증류수를 커패시터형 후각 센서에 떨어뜨렸을 때, pH가 7 정도인 증류수를 기준으로 pH가 증가할수록 커패시턴스의 변화 값이 증가하고, pH가 감소할수록, 커패시턴스의 변화 값 또한 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 물과 도데케인에 의한 커패시턴스의 변화 값을 비교한 그래프이다.
도 14는 쌍극자 모멘트 차이가 큰 물과 도데케인(dodecane)을 동일한 질량으로 증가시키면서, 커패시턴스의 변화를 측정 하였을 때, 쌍극자 모멘트가 1.85정도인 물이 쌍극자 모멘트가 0인 도데케인에 비해 높은 커패시턴스의 변화를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 습도에 따른 커패시턴스의 변화 값을 비교한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 상대습도 값이 증가함에 따라 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 커패시터형 후각 센서의 커패시턴스가 일정하게 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 상술한 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 후각 센서는 화학 물질이 가지는 쌍극자 모멘트 값에 의하여 임의의 화학 물질이 무엇인지 감지해 낼 수 있으며, 습도 센서 뿐만아니라 pH 센서로도 활용 가능하다는 것을 증명해주고 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 탄소나노튜브 섬유를 이용하여, 센서를 제작하는 공정을 단순화시키고, 대면적화에 용이한 복합 감지형 커패시터형 후각 센서의 제작이 가능하다. 아울러, 접힘, 구부림, 및 비틀림이 가능한 유연한 커패시터형 후각복합 감지형 센서의 제작이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 커패시터형 후각 센서 100a: 제 1 전도성 전극
100b: 제 2 전도성 전극 200: 절연층
300a: 제 1 기재 300b: 제 2 기재

Claims (13)

  1. 유연한 커패시터형 후각 센서에 있어서,
    평면 형상의 제 1 기재, 상기 제 1 기재 상에 형성된 제 1 전도성 전극,
    상기 제 1 전도성 전극 상에 형성된 절연층,
    상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제 1 전도성 전극과 교차하도록 형성된 제 2 전도성 전극,
    상기 제 2 전도성 전극의 상부에 형성된 평면 형상의 제 2 기재, 및
    상기 제 1 전도성 전극 및 상기 제 2 전도성 전극에 전압을 인가하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는 제 1 전도성 전극 및 제 2 전도성 전극에 의해 형성되는 커패시턴스를 검출하되,
    상기 커패시턴스 값에 포함된 검출 대상 물질의 존재 여부에 따라 변화하는 프린지 커패시턴스 성분에 의한 크기 변화에 기초하여, 상기 제 1 기재 또는 제 2 기재에 인접한 검출 대상 물질 및 기설정된 특징 값의 변화를 검출하고,
    상기 제 1 전도성 전극과 제 2 전도성 전극은 각각 탄소나노튜브 섬유로 형성된 것이며,
    상기 제 1 기재 및 제 2 기재는 유연한 소재인 것인 커패시터형 후각 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 전극 또는 상기 제 2 전도성 전극은 전도성 무기 물질로 이루어진 것인, 커패시터형 후각 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기재 상에 선 형상의 상기 제 1 전도성 전극과 나란하게 배치된 복수의 전도성 전극들 및
    상기 제 2 기재의 하부에 선 형상을 가지고, 상기 제 2 전도성 전극과 나란하게 배치된 복수의 전도성 전극들을 더 포함하는, 커패시터형 후각 센서.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기재 및 상기 제 2 기재는 PDMS(polydimethylsiloxane), 에코플렉스(ecoflex), PU(polyurethane), PET(polyethylene phthalate), PE(polyethylene), 유리, 또는 석영 등 기판을 형성할 수 있는 고분자재료 중 하나 이상으로 이루어진 것인, 커패시터형 후각 센서
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    미리 저장된 쌍극자 모멘트에 따른 커패시턴스 변화 값과 상기 커패시턴스의 변화량을 비교하여, 기체 또는 액체에 존재하는 특정 화학 물질을 검출하는 것인, 커패시터형 후각 센서.
  7. 유연한 커패시터형 후각 센서의 제조 방법에 있어서,
    평면 형상의 제 1 기재에 제 1 전도성 전극을 형성하는 단계;
    평면 형상의 제 2 기재에 제 2 전도성 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전도성 전극 상에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 절연층 상에 상기 제 2 전도성 전극이 접하도록 상기 제 1 기재와 제 2 기재를 결합시키되, 상기 제 1 전도성 전극 및 상기 제 2 전도성 전극이 서로 교차하도록 상기 제 1 기재와 제 2 기재를 결합하는 단계;
    상기 제 1 전도성 전극 및 상기 제 2 전도성 전극에 전압을 인가하고, 상기 제 1 전도성 전극 및 상기 제 2 전도성 전극에 의해 형성되는 커패시턴스 값을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 커패시컨스 값에 대응된 검출 대상 물질 및 기설정된 특징 값의 변화를 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 커패시턴스 값에 포함된 검출 대상 물질의 존재 여부에 따라 변화하는 프린지 커패시턴스 성분에 의한 크기 변화에 기초하여, 상기 제 1 기재 또는 제 2 기재에 인접한 검출 대상 물질 및 기설정된 특징 값의 변화를 검출하고,
    상기 제 1 전도성 전극과 제 2 전도성 전극은 각각 탄소나노튜브 섬유로 형성된 것이며,
    상기 제 1 기재 및 제 2 기재는 유연한 소재인 것인 커패시터형 후각 센서의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 전극 또는 상기 제 2 전도성 전극은 전도성 무기 물질로 이루어진 것인, 커패시터형 후각 센서의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 전극을 형성하는 단계는
    상기 제 1 기재 상에, 선 형상인 복수개의 전도성 전극을 일정한 간격으로 서로 나란하게 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 전도성 전극을 형성하는 단계는
    상기 제 2 기재 상에, 선 형상인 복수개의 전도성 전극을 일정한 간격으로 서로 나란하게 배치하는 단계를 포함하는 것인,
    커패시터형 후각 센서의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 기재 및 상기 제 2 기재는 PDMS(polydimethylsiloxane), 에코플렉스(ecoflex), PU(polyurethane), PET(polyethylene phthalate), PE(polyethylene), 유리, 또는 석영 등 기판을 형성할 수 있는 고분자재료 중 하나 이상을 포함하는 것인, 커패시터형 후각 센서의 제조 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 절연층은 PDMS(polydimethylsiloxane), 에코플렉스(ecoflex), PU(polyurethane), 또는 실리콘 계열의 탄성유전체 중 하나 이상을 포함하는 것인, 커패시터형 후각 센서의 제조 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    제 1 기재와 제 2 기재를 결합시키는 단계 이후에,
    상기 제 1 기재 또는 제 2 기재의 일 측면에 리시버를 부착시키는 단계를 더 포함하는 것인, 커패시터형 후각 센서의 제조 방법.
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