KR101771100B1 - 그래핀 산화물을 이용한 정전식 유연 센서 - Google Patents

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Abstract

지지 섬유와 상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물을 포함하는 센서 와이어, 센서 와이어의 상하부에 각각 증착되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 정전식 유연 센서로서, 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.

Description

그래핀 산화물을 이용한 정전식 유연 센서{CAPACITIVE FLEXIBLE SENSOR USING GRAPHENE OXIDE}
본 발명은 섬유 소재를 기반으로 하여, 그래핀 산화물을 이용한 정전식 유연 센서에 관한 것이다.
그래핀 산화물은 탄소 원자로 이루어진 독특한 화학적 성질 때문에, 여러 분야에서 응용 가능성을 보여주고 있다. 대표적으로, 그래핀 산화물이 지닌 산소 작용기와 결함(defect)을 바탕으로, 그래핀 산화물은 복합체, 화학/바이오 센서, 촉매 등으로 사용이 가능하며 물에 쉽게 용해되는 특성이 있다.
한편, 종래의 유해가스, 미세 먼지 또는 오염 감지 센서들은 고체 기판을 기반으로 개발되고 있다.
예를 들어, 종래문헌 1에 기재된 센서(도 13 도시)의 경우, 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 개별적으로 측정하기 위해, 산소 이온 전도성 고체 전해질(1001) 상하부에 산화물 감지 전극(1002)을 배치하고, 그 상부에 귀금속 전극(1003)을 배치한 질소산화물 센서(1000)를 사용하고 있다.
또한, 종래문헌 2에 기재된 센서(도시되지 않음)의 경우에도, 고체 기반의 SiO2/Si 기판에 니켈-팔라듐 그래핀 나노복합체를 침전시켜 형성된 수소(H2) 센서를 사용하고 있다.
그러나, 전술한 종래문헌들의 센서의 경우에는, 센서들이 고체 기판을 기반으로 이루어져 있기 때문에, 센서 형상의 변형이 어렵고, 센서가 적용될 수 있는 위치가 한정될 수 밖에 없다.
종래문헌 1 : 한국특허공보 0864381호 종래문헌 2 : 한국특허출원공개 2015-0089291호
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하고, 센서의 유연성 및 가요성을 보장할 수 있는 정전식 유연 센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 섬유를 직조하여 직조천을 준비하고, 이를 정전식 유연 센서로 형성할 수 있으며, 이를 통해, 센서 역할을 하는 의류 제작이 가능한 정전식 유연 센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 유연성 및 가요성이 보장되기 때문에, 센서 형상의 변형이 용이하여, 여러 분야에서 활용될 수 있는 캐패시터 센서를 제공하고자 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 지지 섬유와 상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물을 포함하는 센서 와이어; 상기 센서 와이어의 상하부에 각각 증착되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 정전식 유연 센서로서, 상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 지지 섬유와 상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물을 포함하는 센서 와이어; 상기 센서 와이어를 권취하는 제1 리드 와이어 및 제2 리드 와이어를 포함하는 정전식 유연 센서로서, 상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 지지 섬유를 직조한 직조천; 상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물; 및 상기 직조천의 상하부에 각각 부착되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 정전식 직조천 유연 센서로서, 상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 직조천의 상부에 부착되는 상기 제1 전극은 복수의 홀이 형성된 다공성 금속 플레이트 또는 금속 와이어를 격자 모양으로 교차 형성한 메쉬형 금속 플레이트인 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 옥사이드기, 히드록시기, 카르복시기에서 선택된 하나 이상의 작용기를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 그래핀 산화물의 코팅은 지지 섬유와 그래핀 산화물 사이의 정전기적 인력을 통해 서로 결합되어 코팅되며, 지지 섬유의 표면은 양전하를 갖고, 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 지지 섬유의 표면은 마찰을 통해 양전하를 가질 수 있으며, 이러한 지지 섬유는 울, 마, 모, 면, 실크, 명주 중에서 선택된 하나 이상의 소재를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 지지 섬유를 마찰하는 물질은 구리, 금, 은, 고무, 렉산, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리테트라플루오르에틸렌 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 정전식 유연 센서는 수소, 암모니아, 질소산화물, 수증기, 에탄올 등을 포함하는 극성 기체를 감지할 수 있다.
본 발명의 정전식 유연 센서는 섬유 소재의 유연성과 그래핀 산화물의 전기적 특성을 동시에 지니는 센서를 제공할 수 있으며, 고체 금속 기반의 센서와 대비하여 유연성이 현저히 상승된 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 정전식 유연 센서의 그래핀 산화물은 다수의 작용기를 보유하여 극성 물질에 대한 반응성이 높기 때문에, 수소, 암모니아, 질소산화물, 수증기 등을 감지하는데 용이한 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 지지 섬유를 그래핀 산화물로 코팅한 센서 와이어의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 와이어의 사진으로서 각각 2000배와 25,000배의 확대로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전식 유연 센서의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전식 유연 센서의 제2 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전식 유연 센서의 제3 실시예를 나타내는 사시도이다
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 와이어의 제조 방법을 단계별로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 지지 섬유를 마찰하여 양전하를 갖도록 하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 양전하로 대전된 지지 섬유를 그래핀 산화물을 함유하는 용액에 투입한 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 지지 섬유를 각각 다른 물체로 대전시킨 후, 그래핀 산화물 용액에 투입하여 제조된 센서 와이어의 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 지지 섬유를 직조하여 직조천을 형성하고, 이를 그래핀 산화물로 코팅한 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 지지 섬유인 명주실을 코팅하는 시간에 따라 발현되는 저항 특성을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 지지 섬유인 명주실을 각각 다른 물체에 대전시킨 후, 발현되는 저항 특성을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 13은 종래의 고체 기판을 기반으로 하는 질소산화물 센서를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 산화물을 이용한 정전식 유연 센서에 대하여 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 지지 섬유를 그래핀 산화물로 코팅한 센서 와이어(10)의 모식도로서, 지지 섬유(11)의 표면은 양전하로 대전되어 있고, 이러한 지지 섬유(11)의 표면에 음전하를 갖는 그래핀 산화물(12)이 서로 결합되어 있다. 따라서, 지지 섬유(11)와 그래핀 산화물(12) 사이의 결합은 지지 섬유(11)의 양전하와 그래핀 산화물(12)의 음전하 사이의 정전기력을 이용하여 결합시키기 때문에, 지지 섬유(11)에 그래핀 산화물(12)을 결합시키기 위한 별도의 접착 물질 또는 양극성 물질과 같은 매개체가 필요하지 않고, 지지 섬유(11)와 그래핀 산화물(12)의 자가(self) 조립이 가능해진다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 와이어(10)의 사진으로서 각각 2000배와 25,000배의 확대로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전식 유연 센서(100)의 제1 실시예를 나타내는 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀 산화물(12)이 코팅된 센서 와이어(10)의 상부와 하부에 각각 상부 전극(31)과 하부 전극(32)이 증착된다. 증착된 상부 전극(31)과 하부 전극(32)은 정전식 유연 센서(100)에서 전극의 역할을 수행하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전식 유연 센서(300)의 제2 실시예를 나타내는 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 센서 와이어(10)를 중심으로 제1 리드 와이어(35)와 제2 리드 와이어(36)를 교대로 권취한다. 권취된 제1 리드 와이어(35)와 제2 리드 와이어(36)는 정전식 유연 센서(300)에서 전극의 역할을 수행한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전식 유연 센서(200)의 제3 실시예를 나타내는 사시도이다. 도 5에 도시된 정전식 유연 센서(200)는 지지 섬유(11)를 직조하여 직조천(20)으로 형성하고, 형성된 직조천(20)을 마찰시켜 양전하를 대전한 후, 도 10에 도시된 바와 같이, 그 표면을 음전하를 갖는 그래핀 산화물(12)로 코팅할 수 있다. 그 후, 도 5에 도시된 바와 같이, 그래핀 산화물(12)로 코팅된 직조천(20) 상하부에 각각 상부 전극(33)과 하부 전극(34)을 부착하고, 부착된 상부 전극(33)과 하부 전극(34)은 정전식 유연 센서(200)에서 전극의 역할을 수행한다.
한편, 상부 전극(33)은 복수의 개구부가 형성된 다공성 금속 플레이트로 형성하거나, 금속 와이어를 격자 모양으로 교차 형성한 메쉬형 금속 플레이트를 사용하는 것이 바람직하며, 이는 감지 대상 기체를 직조천(20)과 직접적으로 접촉시키기 위함이다.
또한, 본 발명의 정전식 유연 센서(100, 200, 300)는 지지 섬유(11) 자체의 유연성 및 가요성 특성을 그대로 이용하므로, 센서 와이어(10) 또는 직조천(20)에 증착되거나 부착되는 전극(31, 32, 33, 34) 및 권취되는 리드 와이어(35, 36)는 연성(ductility)이 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 와이어(10)의 제조 방법을 단계별로 개략적으로 나타낸 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 코팅하고자 하는 물질, 즉, 지지 섬유(11)를 준비한다. 본 실시예에서는 지지 섬유(11)로서 명주실을 사용하였다. 이러한 지지 섬유(11)를 세척하고, 건조한 후, 도 7에 기재된 바와 같이, 라텍스(13)를 이용하여 서로 마찰하면, 지지 섬유(11) 주위로 양전하(14)가 대전된다. 공지된 바와 같이, 물체마다 전자를 잃거나 얻는 정도가 다르므로, 대전되는 정도는 재료에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 대전되는 정도에 따라 나열된 대전열(order of electrification) 순서에서 위쪽에 있는 물질들을 대전열의 아래에 위치한 물질들과 마찰시켰을 때 양전하로 대전되기 용이해진다. 또한, 대전열의 차이가 큰 물질들을 이용하여 지지 섬유(11)를 대전할수록, 지지 섬유(11)에 더 큰 양극성을 부여할 수 있다.
또한, 표면에 양전하(14)를 갖도록 마찰되는 지지 섬유(11)은 울, 모, 마, 면, 실크, 명주 중에서 선택된 하나 이상의 소재를 사용할 수 있으며, 이러한 지지 섬유(11)를 마찰하는 물질은 구리, 금, 은, 고무, 렉산, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리테트라플루오르에틸렌 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 양전하로 대전된 지지 섬유(11)를 그래핀 산화물(12)을 함유하는 용액에 투입한다. 그래핀 산화물(12)을 함유하는 용액은 그래핀 산화물(12) 입자들을 용매에 분산시킴으로서 제조될 수 있다.
용매는 물, 아세트산, 아세톤, 아세토니트릴, 벤젠, 1-부타놀, 2-부타놀, 2-부타논, 터셔리-부틸 알콜, 사염화탄소, 클로로벤젠, 클로로포름, 시클로헥산, 1,2-디클로로에탄, 디클로로벤젠, 디클로로메탄, 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜, 디글리메(디에틸렌글리콜, 디메틸에테르), 1,2-디메톡시-에탄, 디메틸에테르, 디메틸-포름아미드, 디메틸 설폭사이드, 디옥산, 에탄올, 에틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 글리세린, 헵탄, 헥사메틸포스포아미드, 헥사메틸포스포로스트리아미드, 헥산, 메타놀, 메틸터셔리-부틸에테르, 메틸렌 클로이드, 노르말-메틸-2-피롤리돈, 니트로메탄, 펜탄, 페트롤리엄에테르, 1-프로파놀, 2-프로파놀, 피리딘, 테트라히드로퓨란, 톨루엔, 트리에틸아민, 오르소-크실렌, 메타-크실렌 및 파라-크실렌 중에서 선택된 어느 하나의 용매를 사용할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 양전하로 대전된 지지 섬유(11)를 그래핀 산화물(12)을 함유하는 용액에 투입하면, 이들은 서로 자가 조립되어, 센서 와이어(10)를 형성하게 된다.
또한, 코팅된 그래핀 산화물(12)의 표면은 음전하를 유지하며, 옥사이드기, 히드록시기, 카르복시기에서 선택된 하나 이상의 작용기를 갖는다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 센서 와이어(10)는 그래핀 산화물(12)이 환원되지 않고 그래핀 산화물의 특성을 그대로 유지하기 때문에, 절연체로서의 특성을 유지할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 다른 물질을 마찰시켰을 때 물질마다 서로 대전되는 성질이 달라 대전되는 정도에 차이가 발생하기 때문에, 대전되는 극성, 정도에 따라 그래핀 산화물(12) 입자와의 정전기력의 크기가 다르게 된다. 이에 따라, 코팅하고자 하는 지지 섬유(11)가 동일하더라도, 마찰하는 물질이 다르면 코팅되는 정도에 차이가 발생한다.
또한, 마찰하는 물질의 종류 뿐만 아니라, 마찰하는 시간, 코팅하는 시간, 그래핀 산화물을 함유하는 용액의 농도, 코팅시의 온도나 다른 환경 조건에 의해 코팅되는 그래핀 산화물(12)의 양은 영향을 받게 된다.
전술한 바와 같이, 지지 섬유(11)를 각각 다른 물체로 대전시킨 후, 그래핀 산화물(12)을 함유하는 용액에 투입한 센서 와이어(10)의 형태가 각각 다르게 나타나는 것을 도 9에 나타내었다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 지지 섬유(11)인 명주실을 코팅 시간에 따라 저항을 측정하였을 때, 코팅 시간이 길어질수록 전체 저항값이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 즉, 코팅 시간을 오래 유지할수록, 그래핀 산화물(12)이 효과적으로 코팅되는 것을 알 수 있었다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 지지 섬유(11)인 명주실을 라텍스로 마찰하였을 때, 전체 저항값이 가장 낮아지는 것을 알 수 있었다. 즉, 대전열에서 서로 가장 반대편에 위치하는 라텍스와 대전시킨 경우, 그래핀 산화물(12)이 효과적으로 코팅되는 것을 알 수 있었다.
한편, 본 발명의 그래핀 산화물(12)은 별도로 환원되지 않고, 음전하를 유지한채로 사용되기 때문에, 절연체의 특성을 유지하게 되고, 따라서, 정전식 유연 센서로 사용될 수 있다.
전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 섬유 소재의 유연성과 그래핀 산화물의 전기적 특성을 동시에 갖는 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 그래핀 산화물은 다수의 작용기를 보유하여 극성 물질에 대한 반응성이 높기 때문에, 예를 들어, 수소, 암모니아, 질소산화물, 수증기 등을 감지하는데 용이한 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 금속 기반의 센서와 대비하여 민감도가 향상된 정전식 유연 센서를 제공할 수 있다.
10 센서 와이어
11 지지 섬유
12 그래핀 산화물
13 라텍스
14 양전하
20 직조천
31, 33 정전식 유연 센서의 상부 전극
32, 34 정전식 유연 센서의 하부 전극
35 제1 리드 와이어
36 제2 리드 와이어
100, 200, 300 정전식 유연 센서

Claims (11)

  1. 지지 섬유와 상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물을 포함하는 센서 와이어;
    상기 센서 와이어의 상하부에 각각 증착되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 절연체용 정전식 유연 센서로서,
    상기 지지 섬유와 상기 그래핀 산화물은 매개체를 사용하지 않고 서로 결합되며,
    상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  2. 지지 섬유와 상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물을 포함하는 센서 와이어;
    상기 센서 와이어를 권취하는 제1 리드 와이어 및 제2 리드 와이어를 포함하는 절연체용 정전식 유연 센서로서,
    상기 지지 섬유와 상기 그래핀 산화물은 매개체를 사용하지 않고 서로 결합되며,
    상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  3. 지지 섬유를 직조한 직조천;
    상기 지지 섬유에 코팅된 그래핀 산화물; 및
    상기 직조천의 상하부에 각각 부착되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 절연체용 정전식 직조천 유연 센서로서,
    상기 지지 섬유와 상기 그래핀 산화물은 매개체를 사용하지 않고 서로 결합되며,
    상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 직조천의 상부에 부착되는 상기 제1 전극은 복수의 홀이 형성된 다공성 금속 플레이트 또는 금속 와이어를 격자 모양으로 교차 형성한 메쉬형 금속 플레이트인 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅된 그래핀 산화물의 표면은 옥사이드기, 히드록시기, 카르복시기에서 선택된 하나 이상의 작용기를 갖는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그래핀 산화물의 코팅은 상기 지지 섬유와 상기 그래핀 산화물 사이의 정전기적 인력을 통해 서로 결합되어 코팅되는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지 섬유의 표면은 양전하를 갖고,
    상기 그래핀 산화물의 표면은 음전하를 갖는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 지지 섬유의 표면은 마찰을 통해 양전하를 갖는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 지지 섬유는 울, 마, 모, 면, 실크, 명주 중에서 선택된 하나 이상의 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 지지 섬유를 마찰하는 물질은 구리, 금, 은, 고무, 렉산, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리테트라플루오르에틸렌 중에서 선택된 하나 이상의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정전식 유연 센서는 수소, 암모니아, 질소산화물, 수증기, 에탄올 등을 포함하는 극성 기체를 감지하는 것을 특징으로 하는 절연체용 정전식 유연 센서.
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