KR101710798B1 - High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide - Google Patents

High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide Download PDF

Info

Publication number
KR101710798B1
KR101710798B1 KR1020150127099A KR20150127099A KR101710798B1 KR 101710798 B1 KR101710798 B1 KR 101710798B1 KR 1020150127099 A KR1020150127099 A KR 1020150127099A KR 20150127099 A KR20150127099 A KR 20150127099A KR 101710798 B1 KR101710798 B1 KR 101710798B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene oxide
ugo
moisture sensor
electrode
moisture
Prior art date
Application number
KR1020150127099A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
홍종달
위분홍
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인천대학교 산학협력단 filed Critical 인천대학교 산학협력단
Priority to KR1020150127099A priority Critical patent/KR101710798B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101710798B1 publication Critical patent/KR101710798B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • G01N27/07Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

The present invention relates to a high-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide (UGO) and, more specifically, to an electrode for a moisture sensor which coats and uses ultralarge graphene oxide (UGO) whose lateral side reaches 47.422.2 m as a moisture sensing film of an electrode for a moisture sensor to greatly increase sensitivity and stability in comparison to conventional small-size graphene oxide (SGO) and realize quick response time and recovery time in comparison to reduced graphene oxide (rGO), a method for easily and inexpensively manufacturing the same, and a high-performance moisture sensor including the same. According to the present invention, the moisture sensor can be widely applied to various fields requiring a moisture sensor such as a next generation cutting-edge element, moisture monitoring through artificial skin, a noncontact screen directly connected to a smartphone or a smart watch, precision air conditioning controls for an electronic device, breathing air systems, and moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables.

Description

거대면적 그래핀 산화물에 기초한 고성능 수분센서{HIGH-PERFORMANCE MOISTURE SENSOR BASED ON ULTRALARGE GRAPHENE OXIDE}HIGH-PERFORMANCE MOISTURE SENSOR BASED ON ULTRALARGE GRAPHENE OXIDE BACKGROUND OF THE INVENTION [0001]

본 발명은 거대면적 그래핀 산화물에 기초한 고성능 수분센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛에 이르는 거대면적 그래핀 산화물(UGO)를 수분센서용 전극의 감습막으로 코팅 사용함으로써, 통상의 소면적 그래핀 산화물(SGO)을 사용한 경우 대비 민감도 및 안정성을 크게 증가시키고, 환원된 그래핀 산화물(rGO) 등을 사용한 경우 대비 매우 빠른 응답시간 및 회복시간을 구현할 수 있는 수분센서용 전극, 이를 쉽고 저렴하게 제작할 수 있는 방법, 및 이러한 전극을 포함하는 고성능 수분센서에 관한 것이다.The present invention relates to a high performance moisture sensor based on a large area graphene oxide, and more particularly to a high performance moisture sensor using a large area graphene oxide (UGO) having a lateral size of 47.4 ± 22.2 μm, (SGO), the contrast sensitivity and stability are greatly increased, and very fast response time and recovery time can be achieved compared with the case of using reduced graphene oxide (rGO) or the like An electrode for a moisture sensor, a method for easily and cheaply manufacturing the electrode, and a high-performance moisture sensor including such an electrode.

본 발명에 따른 수분센서는 차세대 첨단소자, 인공피부를 통한 수분 모니터링, 스마트폰 혹은 스마트워치 등에 직접 연결할 수 있는 비접촉성 스크린, 전자기기용 정밀 공기 조절(Precision air conditioning controls), 공기 흡입 시스템(Breathing air systems), 가압 전기통신 전송 케이블용 수분 알람(Moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables) 등 수분센싱이 필요한 다양한 분야에 광범위하게 적용될 수 있을 것이다.
The moisture sensor according to the present invention can be used as a next-generation advanced device, moisture monitoring through artificial skin, non-contact screen for direct connection to a smartphone or smart watch, precision air conditioning controls for an electronic device, systems, and Moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables, which can be used in a wide range of applications requiring moisture sensing.

습도센서(Humidity sensor; 이하, 본원에서 "수분센서"로도 지칭함)는 자동차, 생물의학, 화학 및 전자산업 분야를 비롯해 과학적 연구 실험실에서도 광범위하게 이용되고 있는 중요한 센서이다. 이러한 습도센서는 전자기기용 정밀 공기 조절(Precision air conditioning controls), 공기 흡입 시스템(Breathing air systems) 및 가압 전기통신 전송 케이블용 수분 알람(Moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables) 등에 일반적으로 적용되고 있다.Background of the Invention [0002] Humidity sensors (hereinafter also referred to as "moisture sensors") are important sensors widely used in scientific research laboratories including the automotive, biomedical, These humidity sensors are commonly applied to precision air conditioning controls, breathing air systems, and moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables.

현재 시중의 습도센서 대부분은 주변환경의 수분 수준을 정밀하게 측정하기 위해 무기(Inorganic)- 또는 유기(Organic)-기반의 습도센싱 물질을 사용하고 있다.Most current humidity sensors use inorganic or organic-based humidity sensing materials to precisely measure the moisture levels of the surrounding environment.

이 중 무기-기반 센싱 물질(예컨대, Al2O3, In2O3, MnWO4, SiO2, SnO2, TiO2, WO3 및 ZrTiO3)은 수분에 대한 민감도는 우수하지만, 높은 공정 온도(1000℃)를 요구하는바 마이크로칩 제작 산업에서의 활용성이 제한되어 반도체 제조 분야에는 적합하지 않은 단점이 있다.Of these inorganic-based sensing materials (e.g., Al 2 O 3, In 2 O 3, MnWO 4, SiO 2, SnO 2, TiO 2, WO 3 and ZrTiO 3) is sensitive to moisture is excellent, but the high processing temperature (1000 占 폚) is required, the utilization in the microchip fabrication industry is limited, which is not suitable for the semiconductor manufacturing field.

이러한 무기 물질을 고-가용성의 유기 또는 폴리머-기반 센싱 물질(예컨대, 폴리비닐 알코올, 폴리(디메틸디알릴암모늄 클로라이드), 폴리(소듐 p-스티렌 설포네이트), 폴리(비닐피롤리돈), 폴리아닐린 및 이들의 유도체)로 대체하려는 몇몇 시도들이 있었으며, 이들 물질은 저온에서 용액-공정이 가능하다는 등의 장점을 지닌다.Such inorganic materials can be incorporated into high-soluble organic or polymer-based sensing materials such as polyvinyl alcohol, poly (dimethyldiallylammonium chloride), poly (sodium p -styrenesulfonate), poly (vinylpyrrolidone) ≪ / RTI > and their derivatives), and these materials have the advantage that they can be solution-processed at low temperatures.

그러나, 일부 경우 이러한 유기 물질의 높은 수용성은 큰 단점으로 작용하는데, 특히 이러한 중합 물질이 높은 습도 조건에서 사용되어야 할 경우가 그러하다.However, in some cases, the high water solubility of such organic materials is a major drawback, especially when such polymeric materials are to be used under high humidity conditions.

또한, 종래 대부분의 저항 센서(Resistive sensor)는 응답시간(전형적으로, 10초~30초 범위)이 상대적으로 느리다는 결정적 약점을 지니고 있으며, 몇몇 저가의 습도센서는 1~2분이 넘는 긴 응답시간을 지녀 사실상 실용성이 없을 정도이다.In addition, most conventional resistive sensors have a decisive weakness that response times (typically in the range of 10 to 30 seconds) are relatively slow, and some low-cost humidity sensors have long response times Which is virtually impractical.

따라서, 이들 센서는 고-민감도, 빠른 응답 및 높은 에너지 효율을 요구하는 웨어러블 및 모바일 전자기기에 통합 적용하기에는 부적합하다.Therefore, these sensors are not suitable for integration into wearable and mobile electronic devices requiring high sensitivity, fast response and high energy efficiency.

이에, 보다 개선된 습도센서를 설계하려는 노력 하에 최고급의 차세대 혁신 제품이 요구하는 니즈를 만족시킬 수 있는 고성능 센싱 물질에 대한 개발이 지속적으로 필요한 상황이다.
Therefore, it is necessary to continuously develop a high-performance sensing material that meets the needs of the next-generation high-end innovative products under the effort to design a more improved humidity sensor.

한편, 최근 그래핀 산화물(Graphene Oxide; GO)를 이용한 다양한 형태의 소자 개발에 관한 연구가 진행 중에 있다.Meanwhile, research on the development of various types of devices using graphene oxide (GO) is underway.

그래핀 산화물(GO)은 기저면(Basal plane) 및 시트 가장자리(Sheet edges)에 부착된 다양한 산소 작용기(Oxygenated functional groups)를 지닌 우수한 양친매성 소프트 물질이다. 이러한 산소 작용기로 인해 GO는 프로톤 컨덕터(Proton conductor)에 활용될 수 있다.Graphen oxide (GO) is a superior amphipathic soft material with a variety of oxygenated functional groups attached to the basal plane and sheet edges. Due to these oxygen functionalities, the GO can be used in proton conductors.

그러나, GO에 대한 다양한 실험적 및 이론적 연구가 있었음에도 불구하고, GO의 산소화 부분과 연관된 수분센싱 메커니즘은 아직까지 논쟁 거리로 존재하고 있다. 일부 연구자들은 GO가 어떠한 이온 전도성도 나타내지 않을 거라 추측한 반면, 다른 연구자들은 Grotthuss 메커니즘(H2O + H3O+ → H3O+ + H2O)에 따라 GO 기저면에 있는 에폭사이드기 및 수산기가 프로톤 전도(Proton conduction) 경로로 작용하는 프로톤 호핑(Proton hopping) 사이트의 우수한 네트워크를 형성할 수 있다고 주장하였다. However, despite the various experimental and theoretical studies on GO, the water sensing mechanism associated with the oxygenated portion of the GO remains controversial. Some researchers speculated that the GO would not exhibit any ionic conductivity, while other researchers speculated that the epoxide groups on the GO basal plane, according to the Grotthuss mechanism (H 2 O + H 3 O + → H 3 O + + H 2 O) Suggesting that hydroxyl groups can form an excellent network of proton hopping sites acting as proton conduction pathways.

이러한 가정은 최근 몇몇의 실험적 연구에 의해 지지된바 있다. 환원된 GO(rGO), 그래핀 양자점(Graphene quantum dots) 및 H-도핑 그래핀(H-doped graphene)으로 구성된 습도센서의 경우 에폭사이드기 및 수산기가 부족하여 저조한 습도센싱 특성을 나타내었다. 반면 (에폭사이드기 및 수산기로 기능화된) GO는 높은 표면적/부피 비와 흡습성으로 인해 매우 훌륭한 습도센싱 물질이 될 수 있음이 최근 입증되었다.This assumption has been recently supported by several experimental studies. Humidity sensors composed of reduced GO (rGO), graphene quantum dots and H-doped graphene showed poor humidity sensing characteristics due to insufficient epoxide and hydroxyl groups. On the other hand, GO (functionalized with epoxide groups and hydroxyl groups) has recently been shown to be a very good moisture sensing material due to its high surface area / volume ratio and hygroscopicity.

그러나, 현재까지 GO의 여러 특성 중 GO 시트의 측면크기가 습도센싱 특성에 미치는 구체적 영향에 대해서는 연구된 바가 없다.
However, the influence of the side dimension of the GO sheet on the humidity sensing characteristics among the various characteristics of the GO has not been studied to date.

이에, GO 시트의 측면크기(면적)와 당해 GO-기반 수분센서의 습도센싱 특성 간의 상관관계를 적극적으로 규명, 입증하고, 그 결과를 바탕으로 최적의 GO 시트를 센서에 적용하여 수분 민감도, 응답/회복시간 및 안정성 등 제반 요구물성 모두를 조화롭게 극대화할 수 있는 새로운 기술에 대한 개발이 필요한 시점이다.
Accordingly, the correlation between the lateral size (area) of the GO sheet and the humidity sensing characteristic of the GO-based moisture sensor is positively identified and proved, and an optimal GO sheet is applied to the sensor based on the result, It is time to develop new technologies that can maximize all of the required properties such as recovery time and stability.

K. Hatakeyama, M. R. Karim, C. Ogata, H. Tateishi, A. Funatsu, T. Taniguchi, M. Koinuma, S. Hayami and Y. Matsumoto, Angew. Chem. Int. Edit., 2014, 53, 6997-7000.K. Hatakeyama, M. R. Karim, C. Ogata, H. Tateishi, A. Funatsu, T. Taniguchi, M. Koinuma, S. Hayami and Y. Matsumoto, Angew. Chem. Int. Edit., 2014, 53, 6997-7000.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛인 거대면적 그래핀 산화물(UGO)이 코팅된 수분센서용 전극, 이에 사용되는 UGO 시트를 손상없이 온전하게 분리해내어 전극을 효율적으로 제조하는 방법, 및 이러한 전극을 포함하는 고성능 수분센서를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide an electrode for a moisture sensor coated with a large area graphene oxide (UGO) having a lateral size of 47.4 ± 22.2 μm, The present invention also provides a high-performance moisture sensor comprising such an electrode.

구체적으로, 본 발명자들은 프로톤 전도 메커니즘에 기초하여 예의 연구를 거듭한 결과 GO의 측면크기(Lateral size) 및 수분센싱 특성 간의 상관관계를 규명, 입증하였다. 즉 GO 소자의 특성이 사용되는 GO의 시트의 크기에 크게 영향을 받으며, 특히 GO 수분센서의 경우 GO의 크기를 증가시키면 수분센서의 성능(컨덕턴스, 민감도, 반응/회복속도 및 안정성)이 현저히 개선됨을 확인하고 본 발명에 이르렀다.
Specifically, the present inventors have conducted intensive studies based on the proton conduction mechanism and have confirmed and confirmed the correlation between the lateral size of the GO and the water-sensing characteristics. That is, the characteristics of the GO element are greatly influenced by the size of the GO sheet used. Particularly, in the case of the GO moisture sensor, increasing the size of the GO significantly improves the performance (conductance, sensitivity, response / recovery speed and stability) And reached the present invention.

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛인 거대면적 그래핀 산화물(Ultralarge Graphene Oxide; UGO)이 코팅된, 수분센서용 전극을 제공한다.
In order to accomplish the above object, the present invention provides an electrode for a moisture sensor coated with ultralarge graphene oxide (UGO) having a lateral size of 47.4 ± 22.2 μm.

본 발명에 사용되는 거대면적 그래핀 산화물 시트는 평균 측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛ 수준, 개별 시트의 측면크기는 최대 150㎛ 이상에 이를 정도로 크기가 매우 큰 것이다.The large area graphene oxide sheet used in the present invention has a very large size such that the average lateral size is 47.4 ± 22.2 μm and the side size of the individual sheet is at most 150 μm or more.

본 발명에 있어서, 측면크기(Lateral size)란 그래파이트로부터 분리된 그래핀 산화물 시트 조각의 길이를 직사각형 프레임 기준으로 측정했을 때 가로 및 세로 길이 중 상대적으로 더욱 긴 길이, 또는 그래핀 산화물 시트 조각의 임의의 양단을 연결한 거리 중 최장 거리로 해석될 수 있다.In the present invention, the lateral size refers to a length of a piece of graphene oxide sheet separated from graphite, which is relatively long in length and length or a random length of a piece of graphene oxide sheet Can be interpreted as the longest distance between the both ends of the link.

본 발명은 그래핀 산화물(GO)의 사이즈가 수분센싱 특성에 미치는 영향에 대해 규명한 연구로, GO의 사이즈가 커짐에 따라 프로톤 전도 경로의 유효 길이(= 프로톤이 GO 시트의 접촉 경계에서 느려짐 또는 중단 없이 이동할 수 있는 거리)가 증가하고, 프로톤 전도에 유리한 조건이 제공되어 수분에 대한 민감도 등 습도센싱 특성이 크게 향상된다.
The present invention is to investigate the influence of the size of graphene oxide (GO) on the moisture sensing characteristics. It is known that the effective length of the proton conduction path (= proton is slow at the contact boundary of the GO sheet or A distance that can be moved without interruption) increases, and a favorable condition for proton conduction is provided, and the humidity sensing characteristic such as sensitivity to moisture is greatly improved.

구체적으로, 상기 거대면적 그래핀 산화물(UGO)은 기저면(Basal plane)에 에폭사이드(Epoxide) 및 수산(Hydroxyl)기가 존재하고, 가장자리(Edges)에 카르복실(Carboxylic acid)기가 존재하는 것으로, 거대면적 시트를 형성함에 따라 상기 가장자리에 존재하는 카르복실기 수가 동일 면적의 기판에 코팅된 일반적으로 통용되는 사이즈의 소면적 그래핀 산화물(Small-size Graphene Oxide; SGO, 측면크기 = 0.8±0.5㎛ 수준) 시트 대비 더욱 감소된 것임을 특징으로 한다.Specifically, the large-area graphene oxide (UGO) has epoxide and hydroxyl groups on the basal plane and a carboxylic acid group on the edges, Sized sheet of small-size graphene oxide (SGO, side size = 0.8 +/- 0.5 mu m level) sheet coated on a substrate having the same area of the number of carboxyl groups present on the edge as the sheet is formed, As compared with that of the first embodiment.

Lerf와 Klinowski에 의해 처음 제안된 GO 구조에 관한 모델에 따르면, GO의 기저면은 주로 에폭사이드기 및 수산기를 함유(시트 내부의 홀 가장자리 부근에 소수의 카르보닐기 존재)하는 반면, 시트 가장자리는 주로 카르복실기를 함유한다. (탄소 원자에 결합된) 수산기는 항상 인접 탄소 원자에 구속된 에폭사이드기와 함께 존재한다는 점은 중요하다. 이처럼 아주 근접되어 있는 에폭사이드기 및 수산기는 GO의 기저면 상에서 연속적인 잘 정렬된 프로톤 교환 사이트를 생성하며, 프로톤 전도(Proton conduction)에 유리하게 작용할 수 있다. 그러나 프로톤 전도 경로는 GO 시트 가장자리에 흩어져있는 카르복실기에 의해 차단되는 경향을 보인다.According to the GO structure model originally proposed by Lerf and Klinowski, the basal plane of the GO mainly contains an epoxide group and a hydroxyl group (a small number of carbonyl groups are present in the vicinity of the hole edge in the sheet), whereas the sheet edge mainly contains a carboxyl group . It is important that the hydroxyl group (attached to the carbon atom) always coexists with the epoxide group bound to the adjacent carbon atom. This close proximity of the epoxide and hydroxyl groups produces a well aligned proton exchange site on the basal surface of the GO and can favor proton conduction. However, the proton conduction pathway tends to be blocked by the carboxyl groups scattered at the edge of the GO sheet.

이러한 프로톤 전도 메커니즘에 기초하여, 본 발명자들은 UGO 시트(측면크기 ~47㎛)가 SGO(측면크기 <1㎛)의 경우 대비, 기저면 상에서 프로톤 전도를 위한 더욱 길어진 중단없는 이동거리를 제공하여 더욱 높은 프로톤 전도도를 나타낼 것으로 예측하였다. 사이즈가 큰 UGO 시트의 경우 프로톤이 주변에서 하나의 시트로부터 다른 시트로 호핑(Hopping)하는데 대한 에너지 장벽이 감소되는 것으로 여겨진다.Based on this proton conduction mechanism, the present inventors have found that the UGO sheet (side size ~ 47 mu m) provides a longer uninterrupted travel distance for proton conduction on the basal surface compared to SGO (side size < 1 mu m) Proton conductivity. It is believed that in the case of a large UGO sheet, the energy barrier for hopping the protons from one sheet to another in the vicinity is reduced.

GO에서의 전기적 컨덕턴스(Electrical conductance)는 Grotthuss 메커니즘과 관련하여 이해될 수 있는바, Grotthuss 메커니즘은 H3O+ 부분과 자유 회전하는 가장 가까운 인접 물 분자 사이의 프로톤 호핑에 대해 설명하고 있다(도 1a). GO 시트의 평면을 따라 일어나는 프로톤 이동은 프로톤 공여체(물) 및 프로톤 수용체(GO 상의 에폭사이드기 또는 알코올기) 사이의 수소결합 형성을 통한 프로톤의 빠른 교환과 관련된다. 따라서 물 분자와 산소 작용기(예컨대, 에폭사이드기, 수산기 및 카르복실기) 사이에 형성되는 수소결합의 세기는 GO에서의 프로톤 전도에 크게 영향을 미치게 된다. 이러한 산소 작용기(예컨대, 에폭사이드기, 수산기 및 카르복실기) 중 GO 시트의 가장자리 및 경계에 위치하는 카르복실기는 물 분자와 가장 강한 수소결합을 형성하는데, 이로 인해 물 분자가 GO 시트의 가장자리에 강하게 결합되어 프로톤 전도에 불리하게 작용하는바, 실제로 GO 가장자리의 카르복실기 부분의 수가 증가하면 프로톤 전도도가 감소하게 된다. 즉 GO 시트 크기가 감소(SGO의 경우)하면 가장자리(Edges) 또는 입계(Grain boundaries)의 수가 증가하고, 이로 인해 카르복실기의 수량이 증가하여 프로톤 수송 경로를 막는 경향을 보이게 되며(도 1b), 그 결과 전반적인 프로톤 전도도를 감소시키는 것이다.The electrical conductance at the GO can be understood in relation to the Grotthuss mechanism, which describes the proton hopping between the H 3 O + moiety and the nearest neighboring free-flowing molecule ). Proton transport along the plane of the GO sheet is associated with rapid exchange of protons through the formation of hydrogen bonds between the proton donor (water) and the proton acceptor (the epoxide group or the alcohol group on the GO). Thus, the strength of hydrogen bonds formed between water molecules and oxygen functional groups (e.g., epoxide groups, hydroxyl groups and carboxyl groups) greatly affects the proton conduction in GO. Among these oxygen functional groups (for example, epoxide group, hydroxyl group and carboxyl group), the carboxyl groups located at the edges and boundaries of the GO sheet form strongest hydrogen bonds with water molecules, which causes water molecules to be strongly bonded to the edge of the GO sheet The proton conduction is adversely affected. Actually, when the number of the carboxyl group moiety at the GO edge is increased, the proton conductivity is decreased. That is, when the size of the GO sheet is reduced (in the case of SGO), the number of edges or grain boundaries increases, thereby increasing the number of carboxyl groups, thereby blocking the proton transport path (FIG. 1B) The result is to reduce the overall proton conductivity.

SGO와 달리, 본 발명에 따른 UGO 시트는 그 넓은 기저면을 따라 장거리 프로톤 전도가 이루어지도록 유리한 조건을 제공하는바, 구체적으로 약 47~150㎛의 이동거리를 제공하는 효과가 있다.
Unlike SGO, the UGO sheet according to the present invention provides favorable conditions for long-distance proton conduction along its wide basal plane, and it is effective to provide a moving distance of about 47 to 150 mu m.

또한, 본 발명의 거대면적 그래핀 산화물(UGO)에서, 프로톤 전도(Proton conduction)를 위한 활성화 에너지(Ea)는 0.63eV 수준인 것일 수 있다.In addition, in the large area graphene oxide (UGO) of the present invention, the activation energy (E a ) for proton conduction may be 0.63 eV.

GO의 크기가 전반적인 프로톤 전도도에 미치는 영향은 GO 시트에서 측정된 프로톤 전도 활성화 엔탈피(Ea)로부터 명확히 확인할 수 있었다. UGO 및 SGO의 전도도를 온도의 함수로 결정하고(도 2a), 이를 이용하여 각각의 Arrhenius 플롯을 도시하였다(도 2b). 예상한 대로, UGO에서 프로톤 전도에 대한 활성화 에너지(Ea = 0.63eV)는 SGO의 경우(Ea = 1.14eV) 대비 절반 정도였는바, 이는 GO의 가장자리 및 입계에 흩어져있는 카르복실기가 평면 프로톤 전도(In-plane proton conduction)를 막는다는 가설을 뒷받침해준다.
The effect of GO size on the overall proton conductivity was clearly confirmed from the proton conduction activation enthalpy (E a ) measured on the GO sheet. The conductivity of UGO and SGO was determined as a function of temperature (Fig. 2a), and the Arrhenius plots of each were plotted (Fig. 2b). As expected, the activation energy (E a = 0.63 eV) for proton conduction in UGO was about half that of SGO (E a = 1.14 eV) because the carboxyl groups scattered at the edges and grain boundaries of the GO were flattened by proton conduction (In-plane proton conduction).

일 구체예에서, 본 발명에 따라 UGO가 코팅된 수분센서용 전극의 컨덕턴스(Conductance)는 상대습도(RH)가 7~100%로 변함에 따라 약 104배 증가하는 것, 예를 들어 상대습도(RH) 7%에서 2.8x10-11S, 상대습도(RH) 100%에서 1.2x10-7S인 것일 수 있다.In one embodiment, the conductance of an electrode for a moisture sensor coated with UGO according to the present invention is about 10 4 times greater as the relative humidity (RH) varies from 7 to 100%, for example, (RH) 7% to 2.8 x 10 -11 S, and relative humidity (RH) 100% to 1.2 x 10 -7 S.

또한, 본 발명에 따라 전극 상에 코팅된 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 필름의 표면 거침도(R a)는 9nm 수준인 것일 수 있다. 스핀 코팅(Spin-coating)과 달리 드롭-캐스팅(Drop-casting)의 경우 일반적으로 균일한 필름을 얻기가 쉽지 않다는 점을 고려할 때, 이러한 9nm 정도의 거침도는 매우 균일한 필름에 해당하는 것이다.
In addition, the surface roughness R a of the large area graphene oxide (UGO) film coated on the electrode according to the present invention may be about 9 nm. Considering that it is not easy to obtain a uniform film in the case of drop-casting, unlike spin-coating, roughness of about 9 nm corresponds to a very uniform film.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 수분센서용 전극을 얻기 위한 전제로서, 최적의 그래핀 산화물 시트(즉, UGO 시트)를 쪼개짐이나 손상없이 온전한 상태로 그래파이트로부터 박리해낼 수 있는 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for peeling off an optimum graphene oxide sheet (i.e., a UGO sheet) from graphite in an intact state without cleavage or damage, as a premise for obtaining the electrode for a moisture sensor .

구체적으로, 본 발명은Specifically, the present invention provides

(a) 그래파이트를 황산 용액에 침지시켜 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 수득하는 단계;(a) dipping graphite in a sulfuric acid solution to obtain a graphite intercalation compound (GIC);

(b) 상기 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 1000~1200℃로 가열하여 열적으로 팽창된 그래파이트를 얻는 단계;(b) heating the graphite intercalation compound (GIC) to 1000 to 1200 캜 to obtain thermally expanded graphite;

(c) 산화제를 투입하고 3900~4100rpm의 회전속도로 원심분리를 수행하여 그래핀 산화물층을 분리해내는 단계;(c) introducing an oxidizing agent and performing centrifugal separation at a rotational speed of 3900 to 4100 rpm to separate the graphene oxide layer;

(d) 분리된 그래핀 산화물층에 대해 7900~8100rpm 및 3900~4100rpm의 회전속도로 각각 원심분리를 수행하여, 소면적 그래핀 산화물(SGO) 시트와 측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛인 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 시트를 분리해내는 단계; 및(d) Centrifugation was performed on the separated graphene oxide layer at a rotation speed of 7900 to 8100 rpm and 3900 to 4100 rpm, respectively, so that a small area graphene oxide (SGO) sheet and a lateral size of 47.4 占 22.2 占 퐉 Separating the large area graphene oxide (UGO) sheet; And

(e) 분리된 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 시트를 전극 기판 상에 코팅하여 감습막을 형성하는 단계;를 포함하는 수분센서용 전극의 제조방법을 제공한다.
(e) coating a separated large-area graphene oxide (UGO) sheet on an electrode substrate to form a humidity-sensitive film.

본 발명은 대면적 그래핀으로 구성된 그래파이트를 황산 용액에 침지시켜 그래파이트 내부로 용액이 흡수되도록 한 상태에서 약 1000℃의 고온으로 짧은 시간(예컨대, 10~30초 정도) 동안 가열하여 용매의 증발에 따라 그래파이트층이 팽창되도록 한 후, 초음파 처리를 하지 않고 산화공정 및 원심분리를 수행하여 그래파이트로부터 GO층을 분리해낸 다음, 분리된 GO층에 대해 회전속도별로 순차적으로 원심분리를 수행하여 거대면적 그래핀 산화물 시트를 분리해낸다. 즉 전체 제조 공정에 있어 종래 하머스 방법에서와 같은 물리적인 초음파 처리가 배제되어 시트의 손상없이 온전한 상태로 거대면적 그래핀 산화물 시트를 수득할 수 있고, 이로부터 수분센서용 전극을 효율적으로 제조할 수 있다.
In the present invention, graphite composed of large-area graphenes is immersed in a sulfuric acid solution, heated at a high temperature of about 1000 ° C for a short time (for example, about 10 to 30 seconds) After the graphite layer is inflated, the GO layer is separated from the graphite by performing an oxidation process and centrifugation without ultrasonic treatment. Then, the separated GO layer is sequentially centrifuged by the rotation speed to obtain a large area Remove the pin oxide sheet. That is, in the entire manufacturing process, physical ultrasonic treatment as in the Hamers method is excluded, so that a large-area graphene oxide sheet can be obtained in an intact state without damaging the sheet, thereby efficiently manufacturing an electrode for a moisture sensor .

본 발명의 수분센서용 전극 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 원료로서 시트가 넓은 대면적 그래핀으로 구성된 그래파이트를 황산 용액에 침지시켜 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 수득하는 단계이다.In the method for manufacturing an electrode for a moisture sensor according to the present invention, the step (a) is a step of immersing graphite composed of large-area large-area graphene as a raw material into a sulfuric acid solution to obtain a graphite intercalation compound (GIC).

일 구체예에서, 상기 (b) 단계는 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 1000℃로 10초 동안 가열하여 열적으로 팽창된 그래파이트를 얻는 것일 수 있다.In one embodiment, step (b) may be to heat the graphite intercalation compound (GIC) to 1000 占 폚 for 10 seconds to obtain thermally expanded graphite.

또한, 상기 (c) 단계는 산화제(예컨대, H2SO4 + KMnO4)를 투입하고 4000rpm의 회전속도로 20분 동안 원심분리를 수행하여 그래핀 산화물층(= GO 전구체)을 분리해내는 것일 수 있다.Further, the step (c) may be carried out using an oxidizing agent such as H 2 SO 4 + KMnO 4 ) and centrifuging at a rotation speed of 4000 rpm for 20 minutes to separate the graphene oxide layer (= GO precursor).

또한, 상기 (d) 단계는 분리된 그래핀 산화물층에 대해 8000rpm의 회전속도로 40분 동안 원심분리를 수행하여 소면적 그래핀 산화물(SGO) 시트를 분리해낸 후, 침전물을 다시 수용액에 분산한 후에 4000rpm의 회전속도로 40분 동안 재차 원심분리를 수행하여 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 시트를 분리해내는 것일 수 있다.In the step (d), the separated graphene oxide layer is centrifuged at 8000 rpm for 40 minutes to separate the small area graphene oxide (SGO) sheet, and then the precipitate is dispersed again in the aqueous solution Followed by centrifugation again at 40,000 rpm for 40 minutes at 4000 rpm to separate the large area graphene oxide (UGO) sheet.

또한, 상기 (e) 단계는 분리된 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 시트를 금(Gold) 전극 상에 드롭 코팅(Drop-coating)하여 감습막을 최종 형성하는 것일 수 있다.
In the step (e), the separated large-area graphene oxide (UGO) sheet may be drop-coated on a gold electrode to finally form a humidity film.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기와 같은 전극을 포함하는 고성능 수분센서가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a high performance moisture sensor including such an electrode.

본 발명에 따라 거대면적 그래핀 산화물(UGO)로 코팅된 전극을 이용하여 수분센서(구체적으로, 저항형(Resistive-type) 수분센서)를 제작할 경우, 수분에 대한 최대 민감도(S)가 4339±433으로서 매우 높음은 물론, 특히 수분센서의 응답시간(Response time) 및 회복시간(Recovery time)이 각각 0.2초 및 0.7초로서 매우 짧아 종래 수분센서 대비 그 성능이 크게 향상된다. 응답시간(Response time) 및 회복시간(Recovery time)은 보다 진보된 센싱 제품을 구현하기 위한 매우 중요한 요소들로서, 본원에서 응답시간(Response time) 및 회복시간(Recovery time)은 최종 평형 값의 90%에 도달하는데 소요되는 시간으로 정의된다. 나아가 본 발명에 따른 수분센서는 항온, 항습 조건(예컨대, RH 97% 및 20℃ 조건의 습도 챔버)에서 5일에 걸쳐 측정한 값(예컨대, DC 컨덕턴스 및 AC 전도도 값)의 편차가 단지 ±4.6% 이내일 정도로 탁월한 안정성을 나타낸다.
According to the present invention, when a moisture sensor (specifically, a resistive-type moisture sensor) is fabricated using an electrode coated with a large area graphene oxide (UGO), the maximum sensitivity ( S ) 433, the response time and the recovery time of the moisture sensor are extremely short as 0.2 seconds and 0.7 seconds, respectively, so that the performance of the conventional moisture sensor is greatly improved. Response time and recovery time are very important factors for implementing more advanced sensing products. Here, the response time and recovery time are 90% of the final equilibrium value, And the time required for reaching the target. Furthermore, the moisture sensor according to the present invention can be used in a case where the deviation of the values measured over 5 days (for example, the DC conductance and the AC conductivity value) in a constant temperature and humidity condition (for example, a humidity chamber of RH 97% %. &Lt; / RTI &gt;

또한, 본 발명자들은 본 발명에 따른 저항형 UGO 수분센서의 비접촉-모드 수분센싱에 대해 조사하였으며, 그 결과 비접촉 위치 인터페이스 분야에도 유용하게 적용될 수 있음을 확인하였다.Further, the present inventors investigated the non-contact-mode moisture sensing of the resistive UGO moisture sensor according to the present invention, and as a result, confirmed that the present invention can be applied to the non-contact position interface.

일 구체예로, 본 발명에 따른 수분센서의 경우, i) 전극에 코팅된 거대면적 그래핀 산화물(UGO)과 손가락 끝 사이의 거리가 0.5mm일 때, 민감도는 17.4, 응답시간은 0.6초, 회복시간은 1.3초였고, ii) 전극에 코팅된 거대면적 그래핀 산화물(UGO)과 손가락 끝 사이의 거리가 2.5mm일 때 응답시간은 0.4초, 회복시간은 0.7초였는바, 매우 우수한 손가락 끝 수분센싱 특성을 나타내었다.
In one embodiment, in the case of the moisture sensor according to the present invention, i) the sensitivity is 17.4, the response time is 0.6 sec, and the response time is 0.5 sec when the distance between the fingertip and the large area graphene oxide (UGO) The recovery time was 1.3 seconds, and the response time was 0.4 seconds and the recovery time was 0.7 seconds when the distance between the fingertip and the large area graphene oxide (UGO) coated on the electrode was 2.5 mm. As a result, Water sensitivity.

본 발명의 수분센서는 수분센싱 기능이 요구되는 각종 분야에 광범위하게 활용될 수 있다. The moisture sensor of the present invention can be widely used in various fields requiring a water sensing function.

예를 들어, i) 음식물쓰레기 처리기, 가전제품, 제습기, 공기조화장치, 전자레인지, 이동통신 단말기, 의류 건조기, 습식 청소기, 적기에 물 공급이 필요한 화초, 기저귀, 자동차 내장센서, 냉장고, 선박용 탱크 또는 능동적 실내 온/습도센서와 같은 기존의 적용 분야는 물론, ii) 비접촉 위치 인터페이스(Touchless position interface applications), 비접촉-모드 수분센싱(Noncontact-mode moisture sensing), 비접촉 텃치스크린, 인공피부, 의료기기, 실내 습도조절 시스템, 수분 알람, 생화학 배양기, 농작물 모니터링 기기, 플렉서블 기기, 플렉서블 투명전극 또는 웨어러블 디바이스(Wearable device)와 같은 차세대 첨단 소자, iii) 구체적으로, 인공피부를 통한 수분 모니터링, 또는 스마트폰 내지 스마트워치에 직접 연결할 수 있는 비접촉성 스크린, iv) 전자기기용 정밀 공기 조절(Precision air conditioning controls), 공기 흡입 시스템(Breathing air systems), 또는 가압 전기통신 전송 케이블용 수분 알람(Moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables)에도 매우 적합하게 적용될 수 있다.
For example, i) a food waste disposer, a household appliance, a dehumidifier, an air conditioner, a microwave oven, a mobile communication terminal, a clothes dryer, a wet cleaner, a flowerpot requiring water supply to a bandit, a diaper, Or non-contact touchscreen screens, artificial skin, medical devices, and the like, as well as existing applications, such as, for example, non-contact temperature sensors, , Iii) water monitoring through artificial skin, or a smart phone, such as a smart phone, or a smart phone, or a smart phone, Non-contact screen that can be connected directly to smart watch, iv) precision air conditioning for electronic equipment (Pre cision air conditioning controls, breathing air systems, or moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables.

본 발명에 따른 UGO(측면크기 = 47.4±22.2㎛)를 이용한 수분센서용 전극은 상대습도(RH)가 7~100%로 변함에 따라 약 104배나 증가된 평면 컨덕턴스(In-plane conductance) 값을 나타낸다. (* SGO의 경우 = 약 103배 증가)The electrode for the moisture sensor using the UGO (side dimension = 47.4 占 22.2 占 퐉) according to the present invention has an in-plane conductance value increased by about 10 4 times as the relative humidity (RH) is changed from 7 to 100% . (* SGO = about 10 3 times increase)

또한, 본 발명에 따른 UGO 수분센서는 4339±433 수준의 매우 높은 최대 민감도(S)를 나타낸다. (* SGO의 경우 = 1982±122 수준)In addition, the UGO moisture sensor according to the invention exhibits a very high maximum sensitivity ( S ) of the order of 4339 + 433. (* For SGO = 1982 ± 122)

또한, 본 발명에 따른 UGO 수분센서는 각각 0.2초/0.7초로서 종래 센싱 물질 대비 매우 짧은 초고속 응답/회복시간을 나타낸다. (* rGO의 경우 = 4초/10초; 그래핀 양자점의 경우 = 10초/20초; 탄소나노튜브의 경우 = 6초/120초; SnO2의 경우 = 120초/20초; H-도핑 그래핀의 경우 = 3분/수 시간; VS2의 경우 = 30초/12초)Also, the UGO moisture sensor according to the present invention exhibits a very short response / recovery time of 0.2 sec / 0.7 sec, respectively, compared to the conventional sensing material. (* rGO = 4 sec / 10 sec; graphene quantum dot = 10 sec / 20 sec; carbon nanotube = 6 sec / 120 sec; SnO 2 = 120 sec / 20 sec; Graphen = 3 minutes / several hours; for VS 2 = 30 seconds / 12 seconds)

또한, 본 발명에 따른 UGO 수분센서는 5일 동안의 편차가 단지 ±4.6%일 정도로 안정성 또한 탁월하다. (* SGO의 경우 = 편차 48.9%)In addition, the UGO moisture sensor according to the invention is also excellent in stability with a deviation of only +/- 4.6% over 5 days. (* For SGO = deviation 48.9%)

또한, 본 발명은 GO를 이용해서 비교적 쉽고 저렴하게 고성능 수분센서 전극을 제작할 수 있으며, 종래 무기(Inorganic)-기반 센서와 같은 고온 조건, 내지 GO 제조를 위한 초음파 처리 공정을 거칠 필요가 없다.Further, the present invention makes it possible to manufacture a high-performance moisture sensor electrode relatively easily and inexpensively using GO, and there is no need to undergo a high-temperature condition such as an inorganic-based sensor or an ultrasonic treatment process for GO production.

본 발명에 따른 고성능 UGO 수분센서는 차세대 첨단소자 등 수분센싱이 요구되는 다양한 산업 분야에 광범위하게 적용될 수 있으며, 손가락 끝 수분센싱 면에서도 뛰어난 성능을 보였는바 비접촉 디스플레이 위치 인터페이스 분야에 대한 잠재적 활용 가능성 또한 매우 클 것으로 예상된다.
The high-performance UGO moisture sensor according to the present invention can be widely applied to various industrial fields requiring moisture sensing such as a next-generation advanced device, and has excellent performance in terms of finger end water sensing. Thus, potential use of the non-contact display position interface It is expected to be very large.

도 1의 (a)는 프로톤 전도에 대한 Grotthuss 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면; (b)는 한 쌍의 금 전극 상에 드롭 코팅된 UGO(상부 좌측 이미지) 및 SGO(상부 우측 이미지) 필름의 디지털 이미지;이다. (* 3D 이미지는 금 전극 상의 UGO 및 SGO 시트의 정렬을 나타내며, SGO 경계 또는 가장자리가 프로톤-수송 경로를 차단하는 스캐터링 센터(Scattering centers)로 작용하여 전반적인 프로톤 전도도를 감소시킴을 보여줌.)
도 2의 (a)는 UGO(○) 및 SGO(□) 각각에 대한 97% RH에서의 전도도의 온도-의존성을 나타낸 그래프; (b)는 이를 적용한 UGO(○) 및 SGO(□)의 아레니우스 플롯(Arrhenius plot);이다. (* UGO 및 SGO의 활성화 에너지(Ea)는 각각 0.63eV 및 1.14eV인 것으로 나타남.)
도 3은 UGO 및 SGO 센서의 습도센싱 특성을 동적 측정하기 위한 셋업을 나타낸 도면이다. (* 금 전극 및 전극 간 갭의 길이는 각각 0.3cm 및 50㎛로 고정함.)
도 4는 UGO(좌측) 및 SGO(우측)의 FE-SEM 이미지이다. (* UGO 및 SGO 시트는 안정한 분산액(5㎕)을 이용하여 Si/SiO2 기판 상에 드롭 코팅함.)
도 5는 UGO 시트(a,c) 및 SGO 시트(b,d)의 FE-SEM 이미지 및 측면크기 분포에 대한 히스토그램이다.
도 6의 (a), (b) 및 (c)는 각각 C 1s, UGO 및 SGO에 대한 조사 스캔(Survey scan) 및 고에너지 분해 XPS 스캔이다. (* (b) 및 (c)의 (○) = 실험 XPS 곡선, (―) = Shirley 백그라운드 교정을 수행한 후 Gaussian-Lorentzian 함수를 이용하여 도출된 피팅 XPS 곡선).
도 7은 (a) UGO 및 (b) SGO의 Visible 라만 스펙트럼(λex = 532nm)을 비교한 도면이다. (* (○) = 실험 라만 스펙트럼, (─) = Gaussian-Lorentzian 함수를 이용한 피팅 라만 곡선. 피팅에 사용된 화학적 성분을 곡선(1 내지 5)에 나타냄. 피크 1 --> D 밴드, 피크 2 --> G 밴드, 피크 3 --> D' 밴드, 피크 4 --> anti-Stokes, 피크 5 --> E2g LO 포논 및 B2g ZO’포논의 Stokes combination (layer-breathing 모드).)
도 8은 UGO(상부 2개의 이미지) 및 SGO(하부 2개의 이미지)의 표면 정밀 SEM 및 AFM 이미지이다. (* UGO 및 SGO의 두께는 각각 617±20nm 및 711±27nm로 측정됨.)
도 9는 UGO(상부 좌측 이미지) 및 SGO(상부 우측 이미지)의 AFM 탭핑모드 이미지와, 이들에 상응하는 높이 프로파일 측정을 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)는 다양한 RH 값에 노출된 UGO(적색) 및 SGO(흑색) 필름의 컨덕턴스 응답; (b)는 조절된 습공기 흐름(32.7% RH)에 노출된 UGO(○) 및 SGO(□)의 컨덕턴스 응답(* 모든 측정은 20℃에서 DC 전압 1V를 적용하여 수행); (c)는 20℃ 습도 챔버(97 RH%)에서 소자의 DC 컨덕턴스를 측정하여 수행한 UGO(○) 및 SGO(□) 습도센서의 안정성 결과; (d)는 20℃ 습도 챔버(97 RH%)에서 소자의 AC 전도도를 측정하여 수행한 UGO(○) 및 SGO(□) 습도센서의 안정성 결과;이다.
도 11의 (a)는 손가락 끝 수분에 동적으로 응답하는 비접촉-모드 UGO 습도센서의 그래픽 이미지; (b)는 손가락 끝 및 UGO 전극 간 거리의 함수로 나타낸 컨덕턴스 변화; (c)는 손가락 끝 및 UGO 전극 간 거리의 함수로 나타낸 상응 민감도; (d)는 손가락 끝 상의 빠른 펄스 수분 자극(* UGO 전극 표면에 손가락 끝을 빠르게 접근 또는 떼어내는 방식)에 따라 나타나는 UGO 습도센서의 응답 및 회복시간을 나타낸 그래프;이다.
Figure 1 (a) schematically illustrates the Grotthuss mechanism for proton conduction; (b) is a digital image of UGO (upper left image) and SGO (upper right image) films drop coated on a pair of gold electrodes. (* 3D images show the alignment of UGO and SGO sheets on gold electrodes, SGO boundaries or edges acting as scattering centers to block the proton-transport pathway, thereby reducing overall proton conductivity.)
2 (a) is a graph showing the temperature-dependency of conductivity at 97% RH for each of UGO (O) and SGO (); (b) is an Arrhenius plot of UGO (◯) and SGO (□) applied thereto. (* The activation energies (E a ) of UGO and SGO are found to be 0.63 eV and 1.14 eV, respectively).
3 is a diagram illustrating a setup for dynamically measuring the humidity sensing characteristics of UGO and SGO sensors. (* The gap between the gold electrode and the electrode is fixed to 0.3 cm and 50 μm, respectively.)
4 is an FE-SEM image of UGO (left side) and SGO (right side). (* UGO and SGO sheets are drop-coated on Si / SiO 2 substrates using a stable dispersion (5 μl).)
Fig. 5 is a histogram of FE-SEM image and side size distribution of UGO sheets (a, c) and SGO sheets (b, d).
Figures 6 (a), 6 (b) and 6 (c) are survey scans and high energy decomposition XPS scans for C 1s, UGO and SGO, respectively. (XPS curve of (b) and (c) = (experimental XPS curve, (-) = fitting XPS curve derived by Gaussian-Lorentzian function after Shirley background correction).
Figure 7 compares the Visible Raman spectra (? Ex = 532 nm) of (a) UGO and (b) SGO. (*) = Experimental Raman spectrum, (-) = Fitting Raman curve using Gaussian-Lorentzian function The chemical components used in the fitting are shown in curves 1 to 5. Peak 1 -> D band, peak 2 Stokes combination (layer-breathing mode) of the G band, peak 3 -> D 'band, peak 4 -> anti-Stokes, peak 5 -> E 2g LO phonon and B 2g ZO' phonon.
Figure 8 is a surface precision SEM and AFM image of UGO (upper two images) and SGO (lower two images). (* The thicknesses of UGO and SGO are measured as 617 ± 20 nm and 711 ± 27 nm, respectively.)
9 is a diagram showing AFM tapping mode images of UGO (upper left image) and SGO (upper right image) and their corresponding height profile measurements.
Figure 10 (a) shows the conductance response of UGO (red) and SGO (black) films exposed to various RH values; (b) shows the conductance response of UGO (○) and SGO (□) exposed to a controlled humidifier flow (32.7% RH) (* all measurements are made by applying a DC voltage of 1V at 20 ° C); (c) shows the stability results of UGO (○) and SGO (□) humidity sensors performed by measuring the DC conductance of the device at 20 ° C humidity chamber (97 RH%); (d) are the stability results of UGO (∘) and SGO (□) humidity sensors performed by measuring the AC conductivity of the device at 20 ° C humidity chamber (97 RH%).
11 (a) is a graphical image of a non-contact-mode UGO humidity sensor that dynamically responds to fingertip moisture; (b) shows the change in conductance as a function of the distance between the fingertip and the UGO electrode; (c) is the corresponding sensitivity as a function of fingertip and UGO electrode distance; (d) is a graph depicting the response and recovery time of the UGO humidity sensor according to fast pulse moisture stimulation on the fingertip (* fast approaching or separating finger tips on the UGO electrode surface);

이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. It should be understood, however, that these examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention in any way.

실시예Example

(1) 재료(1) Material

천연 그래파이트 플레이크(입자 크기 = -10 메쉬)를 Alfa Aesar로부터, 과망간산칼륨을 Sigma-Aldrich로부터, 발연 질산(93%)을 Matsunoen Chemicals Ltd.(Japan)로부터, 수산화암모늄(29%)을 Mallinckrodt Baker Inc(NJ, USA)로부터, 염화리튬 일수화물(98.2%)을 Shinyo Pure Chemicals Co. Ltd.(Japan)로부터, 중크롬산나트륨 이수화물(99.0%)을 Junsei Chemical Co. Ltd.(Japan)로부터, 진한 황산(95%), 과산화수소(34.5%), 염산(35%) 및 크롬산칼륨(98.5%)을 Samchun Pure Chemical Co. Ltd.(South Korea)로부터, 황산칼륨(99.0%) 및 염화마그네슘 육수화물을 Oriental Chemical Industry(South Korea)로부터, 아질산나트륨(98.0%), 수산화나트륨(97.0%) 및 염화나트륨(99.5%)을 Daejung Chemicals and Metals. Co. Ltd.(South Korea)로부터 각각 구입하였다.(93%) from Matsunoen Chemicals Ltd. (Japan), ammonium hydroxide (29%) from Mallinckrodt Baker Inc (Japan), from Alfa Aesar, potassium permanganate from Sigma-Aldrich, natural graphite flakes (NJ, USA), lithium chloride monohydrate (98.2%) was added to Shinyo Pure Chemicals Co. Sodium bicarbonate dihydrate (99.0%) was obtained from Junsei Chemical Co., Ltd. (Japan). Concentrated sulfuric acid (95%), hydrogen peroxide (34.5%), hydrochloric acid (35%) and potassium chromate (98.5%) were obtained from Samchun Pure Chemical Co. (98.0%), sodium hydroxide (97.0%) and sodium chloride (99.5%) from Daejung Chemical Co., Ltd. (South Korea) Chemicals and Metals. Co. Ltd. (South Korea).

모든 화학물질은 분석용 등급의 것을 추가적인 정제없이 사용하였다. All chemicals were of analytical grade without further purification.

증류수(DI water)(18 MΩ/cm)를 세척 절차를 포함한 모든 실험 단계에 사용하였다.DI water (18 MΩ / cm) was used for all experimental steps including the wash procedure.

실리콘 웨이퍼(d = 100mm, Libby Owens Ford, USA)를 피라나 용액(H2SO4:H2O2 = 7:3) 및 RCA 용액(H2O:H2O2:NH4OH = 5:1:1)의 순으로 70℃에서 1시간 동안 세척한 후, 증류수로 린스하였다.A silicon wafer (d = 100 mm, Libby Owens Ford, USA) was immersed in a pyran solution (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 7: 3) and an RCA solution (H 2 O: H 2 O 2 : NH 4 OH = 5: 1: 1) were sequentially washed at 70 ° C. for 1 hour and rinsed with distilled water.

투명 PET 필름을 Saehan Industries(South Korea)로부터 구입한 후 디지털 UV 오존 시스템(PSD Series, Novascan)을 이용해 1시간 동안 세척하여 분자상 유기 오염물질을 제거하였다.
Transparent PET film was purchased from Saehan Industries (South Korea) and washed with digital UV ozone system (PSD Series, Novascan) for 1 hour to remove molecular organic contaminants.

(2) 열적으로 팽창된 그래파이트(EG)로부터 그래핀 산화물(GO)의 제조(2) Production of graphene oxide (GO) from thermally expanded graphite (EG)

열적으로 팽창된 그래파이트를 이용하여 Hummers method에 기초해 아래와 같이 전구체 GO를 합성하였다.A precursor GO was synthesized as follows based on the Hummers method using thermally expanded graphite.

먼저, 천연 그래파이트 플레이크(2g) 및 진한 황산(60mL)을 24시간 동안 잘 교반하였다.First, the natural graphite flakes (2 g) and concentrated sulfuric acid (60 mL) were stirred well for 24 hours.

발연 질산(20mL)을 상기 혼합물에 첨가한 후, 혼합물을 실온에서 24시간 동안 계속 교반하였다. 증류수(80mL)를 천천히 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 혼합물을 증류수로 3회 세정한 후, 4000rpm에서 20분 동안 원심분리 한 다음, 침전물을 60℃에서 2일 동안 건조시켜 그래파이트 층간 화합물(GIC)을 수득하였다.Fuming nitric acid (20 mL) was added to the mixture followed by continued stirring at room temperature for 24 hours. Distilled water (80 mL) was added slowly and stirred for 1 hour. The mixture was washed three times with distilled water, centrifuged at 4000 rpm for 20 minutes, and then the precipitate was dried at 60 DEG C for 2 days to obtain a graphite intercalation compound (GIC).

상기 화합물을 세라믹 보트에 넣은 후, 긴 석영관에 삽입하였다. 석영관을 아르곤으로 충진시키고 밀봉하였다.The compound was placed in a ceramic boat and then inserted into a long quartz tube. The quartz tube was filled with argon and sealed.

밀봉된 석영관을 1000℃까지 예열된 세라믹 퍼니스 안에 30초 동안 넣어두어, 팽창된 그래파이트(EG) 화합물을 수득하였다.The sealed quartz tube was placed in a preheated ceramic furnace to 1000 DEG C for 30 seconds to obtain an expanded graphite (EG) compound.

이러한 열처리 후, 고밀도 그래파이트 플레이크의 물리적 외관은 고도로 팽창된 그래파이트 분말의 형태로 급격히 변하였다.
After this heat treatment, the physical appearance of the high density graphite flakes changed abruptly in the form of highly expanded graphite powder.

EG로부터 GO를 합성하기 위해, EG 분말(1g)을 진한 황산 200mL 중에 교반한 후, 과망간산칼륨(10g)을 천천히 첨가하고 24시간 동안 교반하였다. 이어서, 증류수(200mL) 및 과산화수소(50mL, 35%)를 혼합물에 서서히 첨가하고, 30분 동안 교반하였다. 이러한 과정을 통해, 서스펜션의 색상이 짙은 녹색에서 밝은 갈색으로 변하였다.To synthesize GO from EG, EG powder (1 g) was stirred in 200 mL of concentrated sulfuric acid, potassium permanganate (10 g) was slowly added, and the mixture was stirred for 24 hours. Distilled water (200 mL) and hydrogen peroxide (50 mL, 35%) were then slowly added to the mixture and stirred for 30 minutes. Through this process, the color of the suspension changed from dark green to light brown.

상기 서스펜션을 10% HCl(v/v) 용액으로 반복 세척하고 4000rpm에서 20분 동안 3회 원심분리하였다.The suspension was repeatedly washed with 10% HCl (v / v) solution and centrifuged three times for 20 minutes at 4000 rpm.

이어서, 서스펜션의 pH가 5~6에 도달할 때까지 증류수로 세척하였다.
The suspension was then washed with distilled water until the pH of the suspension reached 5-6.

(3) 거대면적 (3) Large area 그래핀Grapina 산화물( oxide( UGOUGO ) 및 ) And 소면적Small area 그래핀Grapina 산화물( oxide( SGOSGO )의 제조)

상기 제조된 GO 서스펜션을 증류수로 희석하고, 8000rpm에서 40분 동안 원심분리하여 상층액(소면적 그래핀 산화물; SGO)을 수집하였다.The prepared GO suspension was diluted with distilled water and centrifuged at 8000 rpm for 40 minutes to collect the supernatant (small area graphene oxide; SGO).

침전물을 다시 증류수에 분산시킨 후, 4000rpm에서 40분 동안 원심분리하여 거대면적 그래핀 산화물(UGO)을 함유하는 침전물을 수집하고, 증류수에 재분산시켰다.The precipitate was again dispersed in distilled water and centrifuged at 4000 rpm for 40 minutes to collect precipitates containing large area graphene oxide (UGO) and redispersed in distilled water.

즉, 전체 제조 공정에 있어 초음파 처리를 배제함으로써, GO 시트의 측면크기가 유의적으로 감소되는 것을 방지할 수 있었다.
That is, by excluding the ultrasonic treatment in the entire manufacturing process, the side size of the GO sheet can be prevented from being significantly reduced.

(4) 특성화 방법(4) Characterization method

UGO 및 SGO 시트의 측면크기와 필름의 표면 모폴로지는 전계방출 주사전자 현미경(FE-SEM)(JEOL JSM-7800F)을 이용하여 특성화하였다.The lateral dimensions of the UGO and SGO sheets and the surface morphology of the film were characterized using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) (JEOL JSM-7800F).

UGO 및 SGO 필름의 표면 거침도와 필름 두께는 원자력 현미경(AFM)(Park Systems, XE-100)을 이용하여 측정하였다.Surface roughness and film thickness of UGO and SGO films were measured using atomic force microscopy (AFM) (Park Systems, XE-100).

UGO 및 SGO 필름의 원소 조성은 X-선 광전자 분광계(PHI 5000 VersaProbeII)를 이용하여 조사하였다.The elemental composition of the UGO and SGO films was investigated using an X-ray photoelectron spectrometer (PHI 5000 VersaProbe II).

UGO 및 SGO 필름의 구조적 특징은 라만 분광계(Raman-LTPL)(532nm excitation laser)를 이용하여 조사하였다.Structural features of the UGO and SGO films were investigated using a Raman-LTPL (532 nm excitation laser).

각각 다른 상대습도(RH)에서 센서의 DC 컨덕턴스는 1V DC 전압을 적용하여 Keithley 2400 source meter를 통해 측정하였다. 상세한 측정 셋업은 도 3에 나타내었다. RH는 포화된 염 용액을 통해 에어를 버블링시켜 조절하였다. 습공기를 실온(20℃)에서 30분 동안 샘플 위로 직접 불어넣었다. 각각 다른 종류의 염을 사용하여 RH를 조절하였다; NaOH.H2O(7% RH), LiCl.H20(11.3% RH), MgCl2.6H2O(32.7% RH), Na2Cr2O7.2H2O(53.7% RH), NaNO2(64.4% RH), NaCl(75.1% RH), K2CrO4(86.5% RH), 및 K2SO4(97.0% RH). 100% RH를 위해서는 탈이온수(DI water)를 사용하였다. 에어 노즐과 샘플 사이의 거리는 2mm로 고정하였다.At different relative humidities (RH), the sensor's DC conductance was measured using a Keithley 2400 source meter with a 1 V DC voltage. A detailed measurement setup is shown in FIG. RH was adjusted by bubbling air through a saturated salt solution. The humidifier was blown directly onto the sample at room temperature (20 &lt; 0 &gt; C) for 30 minutes. RH was adjusted using different salts of each; NaOH.H 2 O (7% RH) , LiCl.H 2 0 (11.3% RH), MgCl 2 .6H 2 O (32.7% RH), Na 2 Cr 2 O 7 .2H 2 O (53.7% RH), NaNO 2 (64.4% RH), NaCl (75.1% RH), K 2 CrO 4 (86.5% RH), and K 2 SO 4 (97.0% RH). Deionized water (DI water) was used for 100% RH. The distance between the air nozzle and the sample was fixed at 2 mm.

UGO 및 SGO 센서에서 프로톤 전도의 활성화 엔탈피를 계산하기 위해, 전기화학적 임피던스 분광법(Ivium-StatTechnologies Compactstat)(주파수 범위 1MHz~50Hz, 1V의 DC 전압 적용)을 이용하여 습도 챔버(20℃, 97% RH)에서 센서의 AC 프로톤 전도도를 측정하였다. 측정에 앞서 샘플을 20℃의 습도 챔버에 항습 조건으로 24시간 동안 두어 평형 상태에 도달하도록 하였다. 샘플의 프로톤 전도도 σ는 식 『σ = L/(R×T×D)』를 이용하여 계산하였다. 여기서, 임피던스 R은 상응하는 Nyquist 플롯의 직경으로부터 측정하였고, Nyquist 플롯은 ZView 프로그램(버전 2.3d, Scribner Associates Inc.)을 이용하여 등가회로에 피팅 플롯함으로써 확보할 수 있었다. 2개 전극 사이의 거리 L은 모든 샘플에 대해 5×10-3cm로 고정하였다. 필름 두께 T는 AFM을 이용하여 측정하였다. 전극 길이 D는 0.3cm로 고정하였다.
To calculate the enthalpy of activation of proton conduction in UGO and SGO sensors, a humidity chamber (20 ° C, 97% RH) was fabricated using electrochemical impedance spectroscopy (Ivium-StatTechnologies Compactstat) (frequency range 1 MHz to 50 Hz, ), The AC proton conductivity of the sensor was measured. Prior to measurement, the sample was placed in a humidity chamber at 20 DEG C for 24 hours under constant humidity to reach equilibrium. The proton conductivity σ of the sample was calculated using the equation "σ = L / (R × T × D) ". Here, the impedance R was measured from the diameter of the corresponding Nyquist plot, and the Nyquist plot was obtained by plotting the fitting on the equivalent circuit using the ZView program (version 2.3d, Scribner Associates Inc.). The distance L between the two electrodes was fixed at 5 x 10-3 cm for all samples. Film thickness T was measured using AFM. The electrode length D was fixed at 0.3 cm.

실험예Experimental Example

(1) (One) UGOUGO  And SGOSGO of FEFE -- SEMSEM 분석 analysis

Si/SiO2 기판 상에 드롭 코팅된 UGO 및 SGO 시트의 측면크기를 각각의 FE-SEM 이미지로부터 측정하였다(도 4 참조).Side dimensions of the drop coated UGO and SGO sheets on Si / SiO 2 substrates were measured from each FE-SEM image (see FIG. 4).

183 조각의 UGO 시트 및 162 조각의 SGO 시트를 분석한 결과(도 5 참조), UGO 및 SGO 시트의 평균 측면크기는 각각 47.4±22.2㎛ 및 0.8±0.5㎛로 측정되었다. 일부 경우 UGO 시트의 측면크기는 150㎛를 초과하였다.The analysis of 183 pieces of UGO sheet and 162 pieces of SGO sheet (see FIG. 5), the average side sizes of the UGO and SGO sheets were measured to be 47.4. + -. 22.2 .mu.m and 0.8. + -. 0.5 .mu.m, respectively. In some cases, the side dimensions of the UGO sheet exceeded 150 μm.

이러한 대면적 부분이 UGO 분산액의 약 7%를 차지하였으며, 이러한 대면적은 SGO(수백 ㎚ ~ 수 ㎛)의 최대 크기보다도 더욱 큰 것이었다.
This large area portion accounted for about 7% of the UGO dispersion, and this large area was larger than the maximum size of SGO (several hundred nm to several 탆).

(2) (2) UGOUGO  And SGOSGO 의 X-선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectroscopy ( XPSXPS ) 결과) result

X-선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 UGO 및 SGO의 표면 화학 분석을 수행하였다.Surface chemical analysis of UGO and SGO was performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

UGO 및 SGO 필름의 XPS 조사 스캔(Survey scan) 결과, C 1s(287.2eV) 및 O 1s(534.8eV)에 상응하는 2개의 뚜렷한 피크를 나타내었다(도 6a 참조).The XPS survey scan of the UGO and SGO films showed two distinct peaks corresponding to C 1s (287.2 eV) and O 1s (534.8 eV) (see FIG. 6A).

GO의 고분해(High-resolution) XPS 스펙트럼은 각각 다른 화학적 환경에서 탄소 원자에 상응하는 수개의 상대적으로 잘 분해된 피크를 나타내었다.The high-resolution XPS spectrum of the GO showed several relatively well-degraded peaks corresponding to carbon atoms in different chemical environments.

C 1s의 화학적 상태 및 그에 상응하는 면적 조성을 각각의 고에너지 XPS 신호를 피크-피팅하여 확보하였다(도 6b, 6c 및 표 1).The chemical states of C 1s and corresponding area compositions were obtained by peak-fitting each high energy XPS signal (FIG. 6b, 6c and Table 1).

흥미롭게도, 방향족 탄소 원자에 상응하는 284.5eV에서의 피크가 UGO 및 SGO 모두에서 존재하지 않는 것으로 확인되었는바, 이는 완전 산화된 GO가 방향성을 상실한다는 종래의 보고와 유사하다.Interestingly, peaks at 284.5 eV corresponding to aromatic carbon atoms were found not to be present in both UGO and SGO, which is similar to the previous report that fully oxidized GO loses directionality.

탄소/산소(C/O) 비율은 GO의 산화 정도를 조사하는데 유용한 파라미터이다. UGO의 C/O 값(0.85)은 SGO(0.75)보다 약간 더 높은 것으로 확인되었다.Carbon / oxygen (C / O) ratio is a useful parameter for investigating the degree of oxidation of GO. The C / O value (0.85) of UGO was slightly higher than that of SGO (0.75).

GO의 C 1s 피크는 3개의 서로 다른 화학적으로 전이된 성분, 즉 C-O(287.3eV); C=O(289.2eV); 및 C(=O)-(OH)(290.3eV);으로 데콘볼루션될 수 있는바, 이는 기 보고된 내용들과 잘 일치하는 것이다.The C 1s peak of GO consists of three different chemically transferred components, C-O (287.3 eV); C = O (289.2 eV); And C (= O) - (OH) (290.3 eV), which is in good agreement with the reported contents.

C-O 결합은 기저면의 알코올, 페놀 및 에테르기에 기인한 것이고, C=O 결합은 주로 GO 시트의 가장자리를 장식하는 단일 케톤 및 퀴논으로부터 유래된 것이다. 반면 C(=O)-(OH)는 GO 시트의 가장자리에 주로 존재한다.The C-O bond is due to the alcohol, phenol and ether groups of the basal plane, and the C = O bond is mainly derived from a single ketone and quinone which adorns the edge of the GO sheet. On the other hand, C (= O) - (OH) is mainly present at the edge of the GO sheet.

XPS 결과(표 1)에 기초하여, 프로톤 컨덕터로서 UGO의 탁월한 성능을 가치있게 통찰, 설명할 수 있는 2가지 매우 중요한 결론을 얻을 수 있다.Based on the XPS results (Table 1), two very important conclusions can be gained, insightfully explaining the outstanding performance of UGO as a proton conductor.

첫째, UGO에서 C-O의 면적 백분율(40.0%)은 SGO의 경우(31.1%)보다 높았다. Hatakeyama et al .에 따르면, 이러한 기저면의 C-O 부분은 프로톤 전도를 위한 중요한 경로를 제공할 수 있다.First, the percent area of CO in UGO (40.0%) was higher than that of SGO (31.1%). Hatakeyama et al . , The CO portion of this basal plane can provide an important pathway for proton conduction.

둘째, UGO에서 C(=O)-(OH)의 면적 백분율(18.2%)은 SGO의 경우(25.3%)보다 낮았다. 이는 더욱 작은 SGO 시트가 상대적으로 더욱 높은 양의 가장자리 사이트를 지닌다는 사실을 뒷받침한다. SGO 필름에서의 이러한 edge-to-edge 접합은 프로톤이 하나의 시트에서 인접 시트로 호핑하는데 추가적인 에너지를 요하게 하고, 그 결과 프로톤 수송을 차단할 수 있다는 점에서 바람직하지 못하다.Second, the percentage of area of C (═O) - (OH) in UGO (18.2%) was lower than that of SGO (25.3%). This supports the fact that smaller SGO sheets have a relatively higher amount of edge sites. This edge-to-edge bonding in SGO films is undesirable in that the proton requires additional energy to hop from one sheet to the adjacent sheet and consequently blocks proton transport.

[표 1] UGO 및 SGO 박막의 고에너지 분해 XPS 스펙트럼에서 C 1s 코어-레벨 피크 화학 상태의 결합 에너지(eV) 및 상응하는 면적 조성(%)[Table 1] High Energy Decomposition of UGO and SGO Thin Films Bond energy (eV) and corresponding area composition (%) of C 1s core-level peak chemical state in the XPS spectrum

Figure 112015087338313-pat00001

Figure 112015087338313-pat00001

(3) (3) UGOUGO  And SGOSGO 의 라만 분광 결과Raman spectroscopy results

라만 분광법은 그래핀 산화물에서의 결함 밀도를 특징지을 수 있는 강력한 툴로서, 결함 밀도는 GO의 산화 정도에 비례하는 것으로 여겨진다. Raman spectroscopy is a powerful tool that can characterize defect density in graphene oxide, and defect density is considered to be proportional to the degree of oxidation of GO.

습도센싱에의 적용에 있어, 산소 작용기로부터 유래된 이러한 결함은 GO에서의 프로톤 전도 특성을 지배하는 필수적인 요소이다.In application to humidity sensing, such defects derived from oxygen functional groups are an essential element that governs the proton conduction properties in the GO.

~1350cm-1에서의 D 피크는 구조적 결함에 의해 활성화되는 6-원자 고리의 브리딩 모드(Breathing modes)에 기인한 것이다. 또한 GO에서의 높은 무질서도는 G 피크(~1590cm-1)와 오버랩되는 D' 피크(~1615cm-1)의 존재에 의해서도 확인되며, 그 결과 ~ 1600cm-1에서 단일의 상향 이동된 넓은 피크가 나타났다. 따라서 상기 2개의 오버랩되는 피크를 단일의 넓은 피크로 간주하는 것이 더욱 편리하다.The D peak at ~ 1350 cm -1 is due to the breaching modes of the 6-atomic ring activated by structural defects. In addition, the high degree of disorder G peak is confirmed by the presence of (~ 1590cm -1) and overlap D 'peak (~ 1615cm -1) is, as a result - a single upwardly moving a large peak at 1600cm -1 in the GO appear. It is therefore more convenient to regard the two overlapping peaks as a single broad peak.

완전 산화된 UGO 및 SGO의 라만 스펙트럼은 5개의 피크로 데콘볼루션될 수 있다(도 7 참조). 결함들 사이의 평균 거리(L D)는 식 『I D / I G = C'(λ)L D 2』에서와 같이 D-to-G 강도 비율(I D / I G )에 비례한다.The Raman spectra of fully oxidized UGO and SGO can be de-convoluted to five peaks (see FIG. 7). Average distance between defects (L D) is proportional to the expression "I D / I G = C ' (λ) L D 2 " D-to-G intensity ratio as shown in (I D / I G).

계산 결과(표 2), UGO(1.78nm) 및 SGO(1.73nm)에 대한 L D 값은 매우 비슷했는바, 이는 완전 산화된 UGO 및 SGO의 기저면 상에서 구조적 결함의 정도가 높음을 의미한다. 또한 G 피크의 반값 전폭(Full width at half height) 값(FWHM(G))이 크다는 점도 UGO 및 SGO에서 구조적 무질서 정도가 높다는 것을 나타낸다.Calculation results (Table 2), L D for UGO (1.78 nm) and SGO (1.73 nm) The values were very similar, indicating a high degree of structural defects on the basal plane of fully oxidized UGO and SGO. In addition, the fact that the full width at half height (FWHM (G)) of the G peak is large indicates that the degree of structural disorder is high in UGO and SGO.

[표 2] UGO 및 SGO의 D-to-G 비율(I D / I G ), 결함 사이의 평균 거리(L D) 및 G 피크의 반값 전폭(FWHM(G))[Table 2] The D-to-G ratio ( I D / I G ) of UGO and SGO, the average distance between defects ( L D ) and the full width at half maximum of G peak (FWHM

Figure 112015087338313-pat00002

Figure 112015087338313-pat00002

(4) (4) UGOUGO  And SGOSGO 의 표면 Surface of 모폴로지Morphology  And 습도센싱Humidity Sensing 특성 characteristic

PET 기판 상에 형성된 2개의 금 전극(전극 간 갭: 50㎛) 위에 UGO 및 SGO 시트를 드롭 코팅(도 3 참조)하여 시트의 습도센싱 특성을 평가하였다. The humidity sensing characteristics of the sheet were evaluated by drop coating UGO and SGO sheets (see Fig. 3) on two gold electrodes (inter-electrode gap: 50 mu m) formed on the PET substrate.

또한, FE-SEM 및 AFM을 이용하여 UGO 및 SGO 필름의 표면 모폴로지를 조사하였다(도 8).In addition, surface morphology of UGO and SGO films was investigated using FE-SEM and AFM (Fig. 8).

UGO 필름은 SGO 대비 덜 주름진 평탄한 모폴로지를 나타내었다. Shen et al .의 보고에 따르면, SGO 필름에서의 주름진 구조는 인접한 개별 GO 시트 사이의 edge-to-edge 상호작용에 의해 발생한 것이다.The UGO film showed less corrugated flat morphology than SGO. Shen et al . Reported that the corrugated structure in the SGO film is caused by edge-to-edge interaction between adjacent individual GO sheets.

UGO 필름 내의 시트는 SGO 필름의 경우보다 더욱 작은 edge-to-edge 상호작용을 지녀 덜 주름진 및 균일한 필름을 형성한 것으로 파악된다.It is believed that the sheet in the UGO film has a smaller edge-to-edge interaction than the SGO film, resulting in a less corrugated and uniform film.

UGO의 표면 거침도(R a)(AFM 이미지 분석으로부터 결정)은 9nm이었는바, 이는 SGO의 표면 거침도(R a = 27nm) 대비 1/3에 불과한 수치이다(도 9).
The surface roughness ( R a ) of UGO (determined from AFM image analysis) was 9 nm, which is only one-third of the SGO surface roughness ( R a = 27 nm) (Fig.

1V DC 전압 적용 및 7~100% RH 범위 조건에서의 전기적 특성에 기초하여, 습도에 노출되었을 때 UGO 및 SGO 전극의 민감도(20℃ 기준)를 평가하였다(도 10).The sensitivity (based on 20 ° C) of the UGO and SGO electrodes when exposed to humidity was evaluated based on 1 V DC voltage application and electrical characteristics at 7 to 100% RH (FIG. 10).

UGO 및 SGO 전극 모두 7% RH에서 낮은 전기적 컨덕턴스(2.8x10-11S)를 나타내었다(도 10a). 그러나 RH가 7%에서 100%로 변화함에 따라 UGO의 컨덕턴스(1.2x10-7S)는 약 104배 증가하였다. 반면 SGO의 컨덕턴스(5.7x10-8S)는 약 103배 증가에 머물렀다.Both UGO and SGO electrodes exhibited low electrical conductance (2.8x10 -11 S) at 7% RH (FIG. 10A). However, as RH varied from 7% to 100%, the conductance of UGO (1.2x10 -7 S) increased about 10 4 times. Whereas the conductance (5.7x10 -8 S) of SGO stayed increase of about 10 3 times.

RH가 7%에서 100%로 증가함에 따라 전기적 컨덕턴스는 기하급수적으로 증가하였으며, UGO 센서는 4339±433에 이르는 민감도(S) 값을 나타내어 SGO 센서(S = 1982±122)보다 2배 이상 민감성이 우수하였다. (* 민감도 S = [G 100 % RH-G 7 % RH]/G 7 % RH).As the RH increased from 7% to 100%, the electrical conductance increased exponentially. The UGO sensor showed a sensitivity ( S ) value of 4339 ± 433, which was more than twice as sensitive as the SGO sensor ( S = 1982 ± 122) . (* Sensitivity S = [ G 100 % RH - G 7 % RH ] / G 7 % RH ).

즉, 본 발명에 따른 UGO 전극은 H-도핑 그래핀(S = 0.8), 그래핀 양자점(S = 0.5) 또는 환원된 그래핀 산화물(S = 0.06) 등 종래 보고된 센싱 물질보다 103~104배 높은 탁월한 습도 민감도를 나타내었다(표 3).That is, UGO electrode according to the invention is H- doped graphene (S = 0.8), graphene quantum dots (S = 0.5) or the reduction of graphene oxide (S = 0.06), such as less than 10 3-10 The reported conventional sensing material 4- fold higher humidity sensitivity (Table 3).

[표 3] 저항형 습도센서의 성능 비교[Table 3] Performance comparison of resistance type humidity sensor

Figure 112015087338313-pat00003

Figure 112015087338313-pat00003

전술한 종래 그래핀-기반 습도센서의 열악한 성능은 2가지 이유로 설명될 수 있다: (a) 프로톤 수송에 결정적인 에폭사이드기 및 수산기가 그래핀 기저면에 없다는 점, (b) 환원된 GO의 가장자리에 존재하는 카르복실기가 프로톤 전도를 방해한다는 점이다. The poor performance of the conventional graphene-based humidity sensor described above can be explained for two reasons: (a) the epoxide and hydroxyl groups that are critical for proton transport are not on the graphene bases; (b) on the edge of the reduced GO And that the existing carboxyl groups interfere with proton conduction.

이처럼 GO의 크기가 전반적인 프로톤 전도도에 미치는 영향은 GO 시트에서 측정된 프로톤 전도 활성화 엔탈피(Ea)로부터 명확히 확인할 수 있었다. UGO 및 SGO의 전도도를 온도의 함수로 결정하고(도 2a), 이를 이용하여 각각의 Arrhenius 플롯을 도시한 결과(도 2b), UGO에서 프로톤 전도에 대한 활성화 에너지(Ea = 0.63eV)는 SGO의 경우(Ea = 1.14eV) 대비 절반 정도였는바, 이는 GO의 가장자리 및 입계에 흩어져있는 카르복실기가 평면 프로톤 전도(In-plane proton conduction)를 막는다는 가설을 뒷받침해준다.
The effect of GO size on the overall proton conductivity was clearly confirmed from the proton conduction activation enthalpy (E a ) measured on the GO sheet. The results are shown in FIG. 2B. The activation energy (E a = 0.63 eV) for proton conduction in UGO was determined by SGO (E a = 1.14 eV), which supports the hypothesis that the carboxyl groups scattered at the edges and grain boundaries of the GO block the in-plane proton conduction.

습도센서의 응답시간 및 회복시간(정상 상태의 90%에 도달하는데 요구되는 시간)은 UGO 전극의 경우 0.2/0.7초, SGO 전극의 경우 0.1/0.3초로 측정되었다(도 10b).The response time and recovery time (time required to reach 90% of the steady state) of the humidity sensor were measured to be 0.2 / 0.7 sec for the UGO electrode and 0.1 / 0.3 sec for the SGO electrode (Fig. 10b).

UGO 전극이 SGO 전극보다 약간 느린 회복시간을 보였지만, 환원된 GO(4초/10초), 그래핀 양자점(10초/20초), 탄소나노튜브(6초/120초), SnO2(120초/20초) 또는 H-도핑 그래핀(3분/수 시간) 등 종래 센싱 물질과 비교할 때 유의적으로 짧아진 응답/회복시간임을 주목해야 한다.
UGO electrode showed slightly slower recovery time than SGO electrode but reduced GO (4 sec / 10 sec), graphene quantum dot (10 sec / 20 sec), carbon nanotube (6 sec / 120 sec), SnO 2 Sec / 20 sec) or H-doping graphene (3 min / hr), which is significantly shorter than the conventional sensing material.

또한, 습도 챔버(97% RH, 20℃)에서 5일에 걸쳐 보관한 결과 나타나는 DC 컨덕턴스 및 AC 전도도에 기초하여 UGO 및 SGO 습도센서의 안정성을 평가하였다(도 10c,d).The stability of UGO and SGO humidity sensors was also evaluated based on DC conductance and AC conductivity as a result of storage over 5 days in a humidity chamber (97% RH, 20 ° C) (FIG. 10c, d).

평가 결과, UGO 습도센서는 5일 동안의 편차가 ±4.6%에 불과해, SGO 습도센서(±48.9%)와 비교할 때 극명히 비교되는 탁월한 안정성을 보였다.
As a result of the evaluation, the UGO humidity sensor shows an excellent stability compared to the SGO humidity sensor (± 48.9%), which is clearly compared with ± 4.6% for 5 days.

(5) (5) UGOUGO 센서의 손가락 끝  The fingertip of the sensor 습도센싱Humidity Sensing 특성 characteristic

도 11a의 그래픽 다이아그램과 같이, UGO 전극의 손가락 끝 수분센싱에 대한 유용성을 조사하였다.As shown in the graphical diagram of FIG. 11A, the usability of the UGO electrode for finger-tip water sensing was investigated.

UGO 전극은 손가락 끝 위치가 UGO 표면으로부터 멀어짐에 따라(0.5 --> 2.5mm), 손가락 끝 습도에 대해 탁월한 실시간 컨덕턴스 응답을 나타내었다(도 11b).The UGO electrode exhibited excellent real-time conductance response to fingertip humidity (Fig. 11B) as the fingertip position moved away from the UGO surface (0.5 -> 2.5 mm).

구체적으로, 손가락 끝-UGO 거리 0.5mm에서, UGO 습도센서는 17.4의 민감도와 더불어 0.6초/1.3초의 매우 빠른 응답/회복시간을 나타내었다(도 11c,d). 또한 손가락 끝-UGO 거리가 0.5mm --> 2.5mm로 증가함에 따라 민감도 및 회복/응답시간은 점차적으로 감소하였다. UGO 습도센서의 가장 빠른 응답/회복시간(0.4초/0.7초)은 손가락 끝-UGO 거리 2.5mm에서 얻어졌음을 주목할 필요가 있다.Specifically, at a fingertip-UGO distance of 0.5 mm, the UGO humidity sensor exhibited a very fast response / recovery time of 0.6 sec / 1.3 sec with a sensitivity of 17.4 (Fig. 11c, d). Sensitivity and recovery / response time gradually decreased as the fingertip - UGO distance increased from 0.5mm to 2.5mm. It should be noted that the fastest response / recovery time (0.4 sec / 0.7 sec) of the UGO humidity sensor was obtained at the fingertip-UGO distance of 2.5 mm.

이를 통해, 본 발명의 UGO-기반 손가락 끝 습도센서는 rGO- 및 VS2-기반 센서와 비교할 때 민감도(rGO = 0.06; VS2 = 3) 및 응답/회복시간(rGO = 4초/10초; VS2 = 30초/12초) 면에서 탁월한 성능을 보임을 알 수 있다.
This, UGO- based fingertip of the present invention the humidity sensor rGO- and VS 2 - as compared with the sensor based on the sensitivity (rGO = 0.06; VS 2 = 3) , and response / recovery time (rGO = 4 sec / 10 sec; VS 2 = 30 seconds / 12 seconds).

결과 검토Review results

본 발명에서는 UGO(측면크기 = 47.4±22.2㎛) 또는 SGO 시트(측면크기 = 0.8±0.5㎛) 중 어느 하나로 드롭 코팅된 한 쌍의 금 전극(전극 간 갭 = 50㎛)을 대상으로 하여, 그래핀 산화물의 크기가 습도센싱 성능이 미치는 영향을 실험하였다.In the present invention, a pair of gold electrodes (inter-electrode gap = 50 μm) drop-coated with either UGO (side dimension = 47.4 ± 22.2 μm) or SGO sheet (side size = 0.8 ± 0.5 μm) The influence of the size of the pin oxide on the humidity sensing performance was examined.

RH가 7%에서 100%로 증가함에 따라, UGO-코팅 전극의 평면 컨덕턴스는 104배 증가한 반면, SGO-코팅 전극의 평면 컨덕턴스는 103배 증가하였다. UGO 및 SGO 습도센서의 최대 민감도 값은 각각 4339±433 및 1982±122였으며, 이는 GO의 크기가 평면 컨덕턴스에 영향을 미침을 의미한다.As the RH increased from 7% to 100%, the plane conductance of the UGO-coated electrode increased 10 4 times, while the plane conductance of the SGO-coated electrode increased 10 3 times. The maximum sensitivity values of the UGO and SGO humidity sensors were 4339 ± 433 and 1982 ± 122, respectively, which means that the size of GO affects the plane conductance.

이러한 GO 크기의 영향은 사이즈가 큰 GO가 (GO 시트 간에 위치하는) 프로톤 호핑 장벽 높이를 감소시켜 기저면을 통한 프로톤 전도에 유리한 조건을 제공한다는 가설을 뒷받침해 주었다.The effect of this GO size was supported by the hypothesis that large GOs provide a favorable condition for proton conduction through the basal plane by reducing the proton hopping barrier height (located between the GO sheets).

GO 크기가 전반적인 프로톤 전도도에 미치는 영향은 UGO 및 SGO 시트에서 프로톤 전도에 필요한 활성화 엔탈피(Ea)를 계산하여 확인하였다. UGO에서 프로톤 전도의 활성화 엔탈피(Ea = 0.63eV)는 SGO에서 측정된 값(Ea = 1.14eV)의 절반 정도였다. 여기서, Ea 값은 UGO 및 SGO 전극 전도도의 온도-의존성에 기초하여 아레니우스 플롯으로부터 도출, 계산하였다.The effect of GO size on the overall proton conductivity was confirmed by calculating the activation enthalpy (E a ) required for proton conduction in UGO and SGO sheets. The activation enthalpy (E a = 0.63 eV) of proton conduction in UGO was about half of that measured in SGO (E a = 1.14 eV). Here, the value of E a was calculated from the Arrhenius plot based on the temperature-dependence of UGO and SGO electrode conductivity.

또한, UGO 습도센서(편차 ±4.6%)는 SGO 습도센서(편차 ±48.9%) 대비 탁월한 안정성을 나타내었다. 여기서, 센서 안정성은 습도 챔버(97% RH, 20℃)에서 5일간 보관하여 DC 컨덕턴스 및 AC 전도도를 측정하여 평가하였다.In addition, the UGO humidity sensor (± 4.6% deviation) showed excellent stability over the SGO humidity sensor (± 48.9% deviation). Here, the sensor stability was evaluated by measuring DC conductance and AC conductivity by storing in a humidity chamber (97% RH, 20 ° C) for 5 days.

흥미롭게도, 습도센서의 응답시간 및 회복시간은 GO 시트 크기에 크게 의존하지는 않았다(UGO 전극 = 0.2/0.7초; SGO 전극 = 0.1/0.3초).Interestingly, the response time and recovery time of the humidity sensor did not depend heavily on the GO sheet size (UGO electrode = 0.2 / 0.7 sec; SGO electrode = 0.1 / 0.3 sec).

비접촉-모드 습도센싱에 본 발명의 저항형 UGO 습도센서(1V의 낮은 DC 전압에서 구동)를 사용한 결과, 센서로부터 0.5mm 떨어진 손가락 끝에 대해 17.4의 민감도 및 0.6초/1.3초의 응답/회복시간으로 수분을 검출해 내었다.Using the inventive resistive UGO humidity sensor (driven at a low DC voltage of 1V) for non-contact-mode humidity sensing results in a sensitivity of 17.4 to the fingertip 0.5 mm away from the sensor and a response / recovery time of 0.6 sec / .

UGO 전극의 응답 및 회복시간은 무기계 이황화바나듐(VS2)(응답/회복시간 = 30초/12초) 등보다 훨씬 빨랐다.The response and recovery times of UGO electrodes were much faster than inorganic disulfide vanadium (VS 2 ) (response / recovery time = 30 sec / 12 sec).

본 발명에 따른 UGO-기반 습도센서는 탁월한 수분센싱 특성을 지니는바, 실시간 피부 수분 모니터링 및 비접촉 온/오프 스위치 센서와 같은 임상 장치와 더불어, 스마트폰 또는 스마트워치에 직접 설치될 수 있는 고속 비접촉 상호작용 장치 등 다양한 분야에 있어 잠재적 유용성이 매우 크다.
The UGO-based humidity sensor according to the present invention has an excellent moisture sensing characteristic, and can be used for real-time skin moisture monitoring and non-contact on / off switch sensors as well as clinical devices such as a high- And the like.

Claims (24)

측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛인 거대면적 그래핀 산화물(Ultralarge Graphene Oxide; UGO)이 코팅된, 수분센서용 전극.
An electrode for a moisture sensor coated with a large area ultrafine graphene oxide (UGO) having a lateral size of 47.4 ± 22.2 μm.
제1항에 있어서,
상기 거대면적 그래핀 산화물(UGO)은 기저면에 에폭사이드기 및 수산기가 존재하고, 가장자리에 카르복실기가 존재하는 것으로,
거대면적 시트를 형성함에 따라 상기 가장자리에 존재하는 카르복실기 수가 동일 면적의 기판에 코팅된 측면크기(Lateral size)가 0.8±0.5㎛인 소면적 그래핀 산화물(Small-size Graphene Oxide; SGO) 시트 대비 더욱 감소된 것임을 특징으로 하는, 수분센서용 전극.
The method according to claim 1,
The large-area graphene oxide (UGO) has an epoxide group and a hydroxyl group on the base and a carboxyl group on the edge,
Size graphene oxide (SGO) sheet having a lateral size of 0.8 +/- 0.5 mu m which is coated on a substrate having the same area as the number of carboxyl groups existing on the edge of the large area sheet, Wherein the electrode for the moisture sensor has a reduced thickness.
제1항에 있어서,
상기 거대면적 그래핀 산화물(UGO)에서, 프로톤 전도(Proton conduction)를 위한 활성화 에너지(Ea)는 0.63eV인 것을 특징으로 하는 수분센서용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein an activation energy (E a ) for proton conduction in the large area graphene oxide (UGO) is 0.63 eV.
제1항에 있어서,
상기 전극의 컨덕턴스(Conductance)는 상대습도(RH) 7%에서 2.8x10-11S, 상대습도(RH) 100%에서 1.2x10-7S인 것을 특징으로 하는 수분센서용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the conductance of the electrode is 1.2x10 &lt; -7 &gt; S at a relative humidity (RH) of 7% to 2.8x10 &lt; -11 &gt; S and a relative humidity (RH) of 100%.
제1항에 있어서,
전극 상에 코팅된 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 필름의 표면 거침도(R a)는 9nm인 것을 특징으로 하는 수분센서용 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the surface roughness ( R a ) of the large area graphene oxide (UGO) film coated on the electrode is 9 nm.
(a) 그래파이트를 황산 용액에 침지시켜 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 수득하는 단계;
(b) 상기 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 1000~1200℃로 가열하여 열적으로 팽창된 그래파이트를 얻는 단계;
(c) 산화제를 투입하고 3900~4100rpm의 회전속도로 원심분리를 수행하여 그래핀 산화물층을 분리해내는 단계;
(d) 분리된 그래핀 산화물층에 대해 7900~8100rpm 및 3900~4100rpm의 회전속도로 각각 원심분리를 수행하여, 소면적 그래핀 산화물(SGO) 시트와 측면크기(Lateral size)가 47.4±22.2㎛인 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 시트를 분리해내는 단계; 및
(e) 분리된 거대면적 그래핀 산화물(UGO) 시트를 전극 기판 상에 코팅하여 감습막을 형성하는 단계;를 포함하는 수분센서용 전극의 제조방법.
(a) dipping graphite in a sulfuric acid solution to obtain a graphite intercalation compound (GIC);
(b) heating the graphite intercalation compound (GIC) to 1000 to 1200 캜 to obtain thermally expanded graphite;
(c) introducing an oxidizing agent and performing centrifugal separation at a rotational speed of 3900 to 4100 rpm to separate the graphene oxide layer;
(d) Centrifugation was performed on the separated graphene oxide layer at a rotation speed of 7900 to 8100 rpm and 3900 to 4100 rpm, respectively, so that a small area graphene oxide (SGO) sheet and a lateral size of 47.4 占 22.2 占 퐉 Separating the large area graphene oxide (UGO) sheet; And
(e) coating a separated large-area graphene oxide (UGO) sheet on the electrode substrate to form a humidity-sensitive film.
제6항에 있어서,
상기 수분센서용 전극의 제조방법은 초음파 처리를 하지 않고 거대면적 그래핀 산화물 시트를 분리해내는 것임을 특징으로 하는 수분센서용 전극의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the moisture sensor electrode is manufactured by separating a large area graphene oxide sheet without ultrasonic treatment.
제6항에 있어서,
상기 (b) 단계는 그래파이트 층간삽입 화합물(GIC)을 1000℃로 10초 동안 가열하여 열적으로 팽창된 그래파이트를 얻는 것임을 특징으로 하는 수분센서용 전극의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step (b) comprises heating the graphite intercalation compound (GIC) at 1000 DEG C for 10 seconds to obtain thermally expanded graphite.
제6항에 있어서,
상기 (c) 단계는 산화제를 투입하고 4000rpm의 회전속도로 원심분리를 수행하여 그래핀 산화물층을 분리해내는 것임을 특징으로 하는 수분센서용 전극의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step (c) comprises injecting an oxidizing agent and performing centrifugal separation at a rotation speed of 4000 rpm to separate the graphene oxide layer.
제6항에 있어서,
상기 (d) 단계는 분리된 그래핀 산화물층에 대해 8000rpm의 회전속도로 40분 동안 원심분리를 수행하여 소면적 그래핀 산화물 시트를 분리해낸 후, 침전물을 다시 수용액에 분산한 후에 4000rpm의 회전속도로 40분 동안 재차 원심분리를 수행하여 거대면적 그래핀 산화물 시트를 분리해내는 것임을 특징으로 하는 수분센서용 전극의 제조방법.
The method according to claim 6,
In the step (d), the separated graphene oxide layer is centrifuged at a rotation speed of 8000 rpm for 40 minutes to separate a small-area graphene oxide sheet. The precipitate is dispersed again in an aqueous solution, And then separating the large area graphene oxide sheet by performing centrifugal separation again for 40 minutes.
제6항에 있어서,
상기 전극은 금(Gold) 전극인 것을 특징으로 하는 수분센서용 전극의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the electrode is a gold electrode.
제6항에 있어서,
상기 (e) 단계의 코팅은 드롭 코팅(Drop-coating)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수분센서용 전극의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the coating of step (e) is performed by drop-coating.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전극을 포함하는 수분센서.
A moisture sensor comprising an electrode according to any one of claims 1 to 5.
제13항에 있어서,
상기 수분센서는 저항형(Resistive-type) 수분센서인 것을 특징으로 하는 수분센서.
14. The method of claim 13,
Wherein the moisture sensor is a resistive-type moisture sensor.
제14항에 있어서,
상기 수분센서의 최대 민감도(S)는 4339±433인 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
Wherein the maximum sensitivity S of the moisture sensor is 4339 433.
제14항에 있어서,
상기 수분센서의 응답시간(Response time)은 0.2초인 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
And the response time of the moisture sensor is 0.2 seconds.
제14항에 있어서,
상기 수분센서의 회복시간(Recovery time)은 0.7초인 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
Wherein the moisture sensor has a recovery time of 0.7 seconds.
제14항에 있어서,
상기 수분센서는 항온, 항습 조건에서 5일에 걸쳐 측정한 값의 편차가 ±4.6% 이내인 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
Wherein the moisture sensor has a deviation of within ± 4.6% measured over five days under constant temperature and humidity conditions.
제18항에 있어서,
상기 수분센서는 상대습도(RH) 97% 및 20℃ 조건의 습도 챔버에서 5일에 걸쳐 측정한 DC 컨덕턴스 및 AC 전도도 값의 편차가 ±4.6% 이내인 것을 특징으로 하는 수분센서.
19. The method of claim 18,
Wherein the moisture sensor has a deviation of the DC conductance and the AC conductivity value measured within 5 days in a humidity chamber under conditions of relative humidity (RH) of 97% and 20 占 폚 within ± 4.6%.
제14항에 있어서,
전극에 코팅된 거대면적 그래핀 산화물(UGO)과 손가락 끝 사이의 거리가 0.5mm일 때, 민감도는 17.4, 응답시간은 0.6초, 회복시간은 1.3초이며,
전극에 코팅된 거대면적 그래핀 산화물(UGO)과 손가락 끝 사이의 거리가 2.5mm일 때 응답시간은 0.4초, 회복시간은 0.7초인 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
Sensitivity is 17.4, response time is 0.6 seconds, and recovery time is 1.3 seconds when the distance between the large area of graphene oxide (UGO) coated on the electrode and the fingertip is 0.5 mm,
Wherein the response time is 0.4 second and the recovery time is 0.7 second when the distance between the large-area graphene oxide (UGO) coated on the electrode and the fingertip is 2.5 mm.
제14항에 있어서,
상기 수분센서는 비접촉 위치 인터페이스(Touchless position interface applications), 비접촉-모드 수분센싱(Noncontact-mode moisture sensing), 비접촉 텃치스크린, 인공피부, 의료기기, 실내 습도조절 시스템, 수분 알람, 생화학 배양기, 농작물 모니터링 기기, 플렉서블 기기, 플렉서블 투명전극 또는 웨어러블 디바이스(Wearable device)에 적용되는 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
The moisture sensor can be used in various applications such as touchless position interface applications, noncontact-mode moisture sensing, noncontact touchscreen screens, artificial skin, medical devices, indoor humidity control systems, moisture alarms, biochemical incubators, A flexible device, a flexible transparent electrode, or a wearable device.
제21항에 있어서,
상기 수분센서는 인공피부를 통한 수분 모니터링, 또는 스마트폰 내지 스마트워치에 직접 연결할 수 있는 비접촉성 스크린에 적용되는 것을 특징으로 하는 수분센서.
22. The method of claim 21,
Wherein the moisture sensor is applied to a non-contact screen capable of monitoring moisture through an artificial skin or directly connecting to a smartphone or a smart watch.
제14항에 있어서,
상기 수분센서는 전자기기용 정밀 공기 조절(Precision air conditioning controls), 공기 흡입 시스템(Breathing air systems), 또는 가압 전기통신 전송 케이블용 수분 알람(Moisture alarms for pressurized telecommunications transmission cables)에 적용되는 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
Characterized in that the moisture sensor is applied to precision air conditioning controls, breathing air systems, or moisture alarms for pressurized telecommunication transmission cables for pressurized telecommunication transmission cables Moisture sensor.
제14항에 있어서,
상기 수분센서는 음식물쓰레기 처리기, 가전제품, 제습기, 공기조화장치, 전자레인지, 이동통신 단말기, 의류 건조기, 습식 청소기, 적기에 물 공급이 필요한 화초, 기저귀, 자동차 내장센서, 냉장고, 선박용 탱크 또는 능동적 실내 온/습도센서에 적용되는 것을 특징으로 하는 수분센서.
15. The method of claim 14,
The moisture sensor may be a food waste disposer, a household appliance, a dehumidifier, an air conditioner, a microwave oven, a mobile communication terminal, a clothes dryer, a wet cleaner, a plant requiring water supply to a bandit, a diaper, Wherein the sensor is applied to an indoor temperature / humidity sensor.
KR1020150127099A 2015-09-08 2015-09-08 High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide KR101710798B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150127099A KR101710798B1 (en) 2015-09-08 2015-09-08 High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150127099A KR101710798B1 (en) 2015-09-08 2015-09-08 High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101710798B1 true KR101710798B1 (en) 2017-02-27

Family

ID=58315769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150127099A KR101710798B1 (en) 2015-09-08 2015-09-08 High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101710798B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108181360A (en) * 2017-12-22 2018-06-19 齐鲁医药学院 The construction method of acid phosphoric acid ester enzyme biologic sensor based on mercapto-functionalized graphene self assembly
CN112181005A (en) * 2020-09-30 2021-01-05 上海僖舜莱机电设备制造有限公司 Humidity control method and system for permanent magnet motor
CN113567512A (en) * 2021-07-20 2021-10-29 上海大学 Carbon-based material sensor based on lithium ion doping and preparation method thereof
CN114527166A (en) * 2022-01-15 2022-05-24 西安交通大学 Flexible nitrogen dioxide gas sensor and preparation method thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000008430A (en) * 1998-07-13 2000-02-07 공명선 High polymer film moisture sensor
JP2003516538A (en) * 1999-12-13 2003-05-13 エルジー エレクトロニクス インコーポレーテッド Absolute humidity sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000008430A (en) * 1998-07-13 2000-02-07 공명선 High polymer film moisture sensor
JP2003516538A (en) * 1999-12-13 2003-05-13 エルジー エレクトロニクス インコーポレーテッド Absolute humidity sensor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Feng Yang et al., "Influence of pH on the Fluorescence Properties of Graphene Quantum Dots Using Ozonation Pre-oxide Hydrothermal Synthesis"(Supporting Information), The Journal of Materals Chemistry,* *
K. Hatakeyama, M. R. Karim, C. Ogata, H. Tateishi, A. Funatsu, T. Taniguchi, M. Koinuma, S. Hayami and Y. Matsumoto, Angew. Chem. Int. Edit., 2014, 53, 6997-7000.
Myungsup Lee et al., "High Performance Flexible Supercapacitor Electrodes Composed of Ultralarge Graphene Sheets and Vanadium Dioxide", Adv. Energy Mater., 2014, 1401890* *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108181360A (en) * 2017-12-22 2018-06-19 齐鲁医药学院 The construction method of acid phosphoric acid ester enzyme biologic sensor based on mercapto-functionalized graphene self assembly
CN112181005A (en) * 2020-09-30 2021-01-05 上海僖舜莱机电设备制造有限公司 Humidity control method and system for permanent magnet motor
CN113567512A (en) * 2021-07-20 2021-10-29 上海大学 Carbon-based material sensor based on lithium ion doping and preparation method thereof
CN113567512B (en) * 2021-07-20 2024-05-14 上海大学 Carbon-based material sensor based on lithium ion doping and preparation method thereof
CN114527166A (en) * 2022-01-15 2022-05-24 西安交通大学 Flexible nitrogen dioxide gas sensor and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Ultrahigh-performance impedance humidity sensor based on layer-by-layer self-assembled tin disulfide/titanium dioxide nanohybrid film
Poongodi et al. Electrodeposition of WO3 nanostructured thin films for electrochromic and H2S gas sensor applications
Wee et al. A high-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide
Xu et al. The crystal facet-dependent gas sensing properties of ZnO nanosheets: Experimental and computational study
Bhardwaj et al. MXene-based gas sensors
Zhang et al. Room-temperature high-performance acetone gas sensor based on hydrothermal synthesized SnO 2-reduced graphene oxide hybrid composite
Zhang et al. Facile fabrication of MoS2-modified SnO2 hybrid nanocomposite for ultrasensitive humidity sensing
Shaban et al. Design and application of nanoporous graphene oxide film for CO2, H2, and C2H2 gases sensing
KR101710798B1 (en) High-performance moisture sensor based on ultralarge graphene oxide
Lee et al. Voltammetric determination of trace heavy metals using an electrochemically deposited graphene/bismuth nanocomposite film-modified glassy carbon electrode
Zhang et al. Drawn a facile sensor: A fast response humidity sensor based on pencil-trace
Khoang et al. Design of SnO2/ZnO hierarchical nanostructures for enhanced ethanol gas-sensing performance
Qin et al. Vanadium pentoxide hierarchical structure networks for high performance ethanol gas sensor with dual working temperature characteristic
Khoh et al. Layer-by-layer self-assembly of ultrathin multilayer films composed of magnetite/reduced graphene oxide bilayers for supercapacitor application
Ruiz et al. Graphene quantum dots as a novel sensing material for low-cost resistive and fast-response humidity sensors
Zhang et al. Self-assembled multilayer of alkyl graphene oxide for highly selective detection of copper (II) based on anodic stripping voltammetry
Fellahi et al. Silicon nanowire arrays-induced graphene oxide reduction under UV irradiation
Song et al. Metal–organic framework transistors for dopamine sensing
Lee et al. Low temperature solution-processed ZnO nanorod arrays with application to liquid ethanol sensors
Bendahan et al. Development of an ammonia gas sensor
Rajesh et al. Microwave irradiated Sn-substituted CdO nanostructures for enhanced CO2 sensing
Şahin et al. Facile preparation and characterization of nanostructured ZnO/CuO composite thin film for sweat concentration sensing applications
Ridha et al. Dimensional effect of ZnO nanorods on gas-sensing performance
Tas et al. Reduction of graphene oxide thin films using a stepwise thermal annealing assisted by L-ascorbic acid
Rehman et al. 3D interlayer nanohybrids composed of reduced graphenescheme oxide/SnO2/PPy grown from expanded graphite for the detection of ultra-trace Cd2+, Cu2+, Hg2+ and Pb2+ ions

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200128

Year of fee payment: 4