KR101893043B1 - 원통형 형상을 가지는 단일의 섬유 가닥에 형성된 자외선 센서 - Google Patents
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Abstract
원통형 형상을 가지는 단일의 섬유 가닥에 형성된 자외선 센서가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서는 원통형 형상을 가지는 단일의 섬유 가닥; 상기 섬유 가닥 상에서 상기 섬유 가닥의 길이 방향으로 설정된 간격만큼 이격되어 증착되는 복수의 제1 전극; 및 복수의 상기 제1 전극 사이에서 상기 섬유 가닥에 형성되어 자외선을 흡수함에 따라 전도성을 띄는 제2 전극을 포함한다.
Description
본 발명의 실시예들은 자외선 센서 기능을 수행하는 단일의 섬유 가닥을 생성하는 기술과 관련된다.
활발한 스마트폰의 보급에 따라 많은 사람들이 시간과 장소에 구애 받지 않고 정보를 획득하며, 다양한 업무를 처리할 수 있게 되었다. 이러한 인터넷이 발달하면서 최근 들어 사물인터넷에 대한 관심이 크게 높아졌다. 사물인터넷(internet of things)은 인터넷을 기반으로 모든 사물을 연결하여 사람과 사물, 사물과 사물 간에 실시간으로 데이터를 주고받는 지능형 기술 및 서비스를 일컫는다. 사물 인터넷 기술이 활성화되기 위해서는 다양한 사물에 다양한 형태의 센서가 구비되어야 한다.
한편, 사물 인터넷과 관련된 센서와 관련하여 가장 각광받는 분야는 스마트 의류 분야이다. 사람들이 생활하는데 필수불가결한 요소인 의류에 센서를 부착하는 경우 더 많은 정보를 용이하게 획득할 수 있기 때문이다. 그러나, 종래의 스마트 의류는 센서의 부피가 크거나 내구성이 약해서 사용하는데 불편함이 존재하였다. 이에 따라, 부피가 작고 내구성이 강한 스마트 의류의 센싱 기술의 필요성이 대두되었다.
본 발명의 실시예들은 자외선 측정이 가능한 스마트 의류에 사용되는 단일 섬유를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 원통형 형상을 가지는 단일의 섬유 가닥; 상기 섬유 가닥 상에서 상기 섬유 가닥의 길이 방향으로 설정된 간격만큼 이격되어 증착되는 복수의 제1 전극; 및 복수의 상기 제1 전극 사이에서 상기 섬유 가닥에 형성되어 자외선을 흡수함에 따라 전도성을 띄는 제2 전극을 포함하는, 자외선 센서가 제공된다.
상기 제2 전극의 저항의 크기는, 자외선의 세기가 강해질수록 작아질 수 있다.
상기 제2 전극은 산화 아연(ZnO)으로 형성될 수 있다.
복수의 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 상기 자외선을 흡수하는 경우 상기 제2 전극을 통해 전기적으로 상호 연결될 수 있다.
상기 섬유 가닥은, PET(polyethylene terephthalate) 필라멘트일 수 있다.
상기 섬유 가닥의 표면은 폴리머(polymer) 물질로 코팅되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 폴리머 물질 상에 증착될 수 있다.
상기 섬유 가닥의 표면에 코팅되는 상기 폴리머 물질은 PVA(poly vinyl Alcohol)일 수 있다.
상기 제1 전극은 구리로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 단일의 섬유 가닥에 자외선의 세기에 따라 전기적 특성이 변하는 물질을 합성시킴으로써 자외선의 세기를 용이하게 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 단일의 섬유 가닥에 자외선 센서를 형성함으로써, 자외선 센서의 부피를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 스마트 의류 상에서 자외선 센서의 위치를 자유롭게 선택할 수 있고, 자외선 센서가 구김이 적게 발생하는 부위에 배치되는 경우 자외선 센서의 손상 가능성을 낮추며 사용자로 하여금 편안한 착용감을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 상세 구성을 나타낸 예시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 I-V 특성을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 자외선 세기에 따른 컨덕턴스 변화를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 합성 조건에서 생성된 제2 전극을 포함하는 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 가닥의 X선 회절 분석(XRD: x-ray diffraction spectroscopy) 결과를 나타내는 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 X선 광전자 분광법(XPS: x-ray photoelectron spectroscopy)을 통한 실험 데이터를 나타내는 그래프
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 표면을 나타낸 영상
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 표면을 화학 성분을 분석한 결과를 나타내는 데이터
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 제2 전극의 구성 성분을 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 I-V 특성을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 자외선 세기에 따른 컨덕턴스 변화를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극의 합성 조건에 따른 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 합성 조건에서 생성된 제2 전극을 포함하는 자외선 센서의 동작 특성을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 가닥의 X선 회절 분석(XRD: x-ray diffraction spectroscopy) 결과를 나타내는 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 X선 광전자 분광법(XPS: x-ray photoelectron spectroscopy)을 통한 실험 데이터를 나타내는 그래프
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 표면을 나타낸 영상
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 표면을 화학 성분을 분석한 결과를 나타내는 데이터
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서의 제2 전극의 구성 성분을 나타낸 그래프
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 실시예들에서, 진공 증착(vacuum evaportion)은 물체의 표면에 금속 박막을 형성하는 코팅 기술을 의미한다. 구체적으로, 진공 증착은 진공 중에서 금속을 가열하여 증발시킨 뒤, 증발된 금속 분자를 증기 온도보다 낮은 온도의 물체에 부착시키는 기술이다. 한편, 본 실시예들에서 진공 증착 방식의 일종으로서 스퍼터링(sputtering) 방식이 사용될 수 있다. 스퍼터링 방식은 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속하여 물체에 충돌시킴으로써 의도하는 원자를 분출시켜 막을 형성하는 기술이다. 여기서 플라즈마를 발생시키는 방법은 다수의 공지 기술에 의할 수 있으며, 특별한 플라즈마 발생 방법에 한정되지 않는다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 스퍼터링 방식은 또한 RF 및/또는 마그네트론(magnetron)을 이용하여 수행될 수 있다. RF 스퍼터링 방식은 고주파(RF)를 이용한 스퍼터링 방식으로서, 음극과 양극이 빠른 속도로 뒤바뀌게 되고 이에 따라 반사이클 사이에 축적된 전하가 다른 극으로 바뀌는 반사이클 동안 중성화 된다. 전자가 음극과 양극 사이를 움직이는 시간보다 고주파의 (+)와 (-)가 바뀌는 시간이 빠르면 전자는 플라즈마 사이를 계속 왕복하며 움직이게 되어 플라즈마를 지속적으로 유지할 수 있으며, 현재 공업적으로 사용되는 고주파 영역은 13.56MHz 이다. 마그네트론 스퍼터링 방식은 타겟 뒤쪽에 N극과 S극을 설치하여 타겟에서 방출된 전자들이 타겟주위에서 계속 나선운동을 하게 되고 플라즈마 발생기체인 Ar 원자와 끊임없이 충돌을 하게 된다. 이에 따라 타겟주위에 움직이고 있는 전자가 많아지므로 같은 압력 하에서라면 전자가 중성원자와 충돌할 확률이 전자의 이동거리에 비례하여 높아지게 된다. 그 결과 타겟 주위에서의 나선운동은 전자들의 이동거리를 증가시키게 되고 이온화 확률을 높여 주게 된다. 이러한 이유로 마그네트론 스퍼터링은 2극 스퍼터링에 비하여 빠른 증착속도를 얻을 수 있고 전자가 타겟 주위에 있게 됨으로 인해서 2차전자의 기판입사로 인한 기판의 온도상승을 억제하고 불순물을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)의 상세 구성을 나타낸 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)는 섬유 가닥(102), 제1 전극(104) 및 제2 전극(106)을 포함한다.
섬유 가닥(102)은 직물 등에 사용되는 원통형 형상의 실(thread)과 같은 소재일 수 있다. 다만, 여기서 원통형 형상이란 편평하지 않은 표면을 가지는 넓은 의미의 원통형 형상일 수 있고, 반드시 정확한 원기둥 형상을 의미하는 것은 아니다. 일 실시예에 따른 섬유 가닥(102)은 폴리머(polymer) 물질로서 예를 들어, PET 필라멘트(poly ethylene terephthalate filament)로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 섬유 가닥(102)은 에탄올(ethanol) 용액과 아세톤(acetone) 용액 내에서 연달아 초음파를 통해 세척될 수 있으며, 세척된 섬유 가닥(102)은 60℃의 진공에서 1시간 동안 건조될 수 있다. 이후, 후술할 제1 전극(104)은 고진공(high vacuum)의 환경에서 섬유 가닥(102) 위에 진공 증착될 수 있다. 상술한 실시예에 따른 섬유 가닥(102)은 예를 들어, 직경이 3mm일 수 있다.
제1 전극(104)은 단일의 섬유 가닥(102)에 형성되는 전도층(conductive layer)이다. 제1 전극(104)은 상기 섬유 가닥(102)에 진공 증착되어 박막을 형성할 수 있다. 제1 전극(104)은 예를 들어, 구리일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 전극(104)은 스퍼터링 방식으로 섬유 가닥(102)에 형성된 얇은 전도성 필름일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(104)은 섬유 가닥(102) 상에 증착되어 1㎛ 내지 7㎛ 두께로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극(104)은 섬유 가닥(102) 상에서 상기 섬유 가닥(102)의 길이 방향으로 설정된 간격만큼 이격되어 증착되는 복수 개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 제1 전극(104)은 1mm의 간격을 두고 이격되도록 섬유 가닥(102)에 증착될 수 있다. 이후, 상기 제1 전극(104) 사이에 제2 전극이 증착될 수 있고, 이에 따라 제2 전극이 자외선을 흡수하는 경우, 제1 전극(104)은 제2 전극을 통해 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 전기적으로 연결된다는 것은 복수의 제1 전극(104)이 제2 전극을 통해 전류가 흐른다는 것을 의미한다.
제1 전극(104)의 도전율(conductivity)은 제1 전극(104)의 표면의 거칠기(roughness)에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(104)의 표면의 거칠기가 낮을수록 제1 전극(104)의 도전율이 높아질 수 있다. 제1 전극(104)의 도전율을 향상시키기 위해, 섬유 가닥(102)의 표면은 제1 전극(104)이 증착되기 이전에 폴리머(polymer) 물질로 코팅(coating)될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 섬유 가닥(102)의 표면에 코팅되는 폴리머 물질은 PVP(poly vinyl pyrrolidone) 및 PVA(poly vinyl Alcohol) 중 어느 하나일 수 있으며, 섬유 가닥(102)의 표면은 딥코팅(dip coating) 처리될 수 있다. 여기서, 딥코팅은 물체를 도료 안에 담갔다가 뺀 뒤 건조시키는 도장법을 의미한다. 이와 같이, 섬유 가닥(102)의 표면을 폴리머 물질로 코팅함으로써 상기 섬유 가닥(102)에 증착되는 제1 전극(104)의 도전율을 향상시킬 수 있다. 표 1은 섬유 가닥(102)의 표면을 폴리머 물질로 코팅함으로써 향상된 제1 전극(104)의 도전율을 나타낸다.
| 코팅하지 않은 경우 | 코팅한 경우 | |
| 저항(Ω㎝) |
 |
 |
도전율(  |
 |
 |
한편, 섬유 가닥(102)은 제1 전극(104)에 비해 내열성이 매우 약할 수 있다. 따라서, 진공 증착시 열에 의해 팽창되었던 섬유 가닥(102)은 냉각되는 과정에서 부피가 제1 전극(104)에 비해 크게 줄어들 수 있다. 이때, 섬유 가닥(102)보다 부피 축소율이 적은 제1 전극(104)은 큰 스트레스를 받을 수 있고, 이 경우 소성 변형(plastic deformation)이 발생하게 된다.
일 실시예에 따르면, 이러한 변형을 방지하기 위해 섬유 가닥(102)에 증착되는 제1 전극(104)의 두께를 증가시킬 수 있다. 제1 전극(104)의 두께를 증가시키는 경우, 제1 전극(104) 내 작은 구멍(pore)들이 발생할 수 있고, 이러한 구멍들이 제1 전극(104)의 스트레스를 감소시킬 수 있다. 한편, 제1 전극(104)의 두께를 증가시키기 위해 제1 전극(104)의 진공 증착 시간을 증가시킬 수 있다.
제2 전극(106)은 자외선을 흡수하는 경우 전기적 성질이 변하는 물질이다. 구체적으로, 제2 전극(106)은 자외선을 흡수함에 따라 전도성을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제2 전극(106)은 자외선 흡수량이 많아질수록 저항의 크기가 작아질 수 있다. 또한, 제2 전극(106)은 산화 아연(ZnO)으로 형성될 수 있다.
제2 전극(106)은 상온에서 넓은 밴드 갭(band gap, 예를 들어, 산화 아연은 밴드 갭이 3.7eV)을 가진다. 밴드 갭은, 반도체 및 절연체에서 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 간에 있는 전자 상태 밀도가 제로로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차를 가리키며, 에너지 갭이라고도 한다. 밴드 갭의 크기에 따라 해당 물질의 전도성 정도가 결정될 수 있다. 가전자대는 가전자가 속하는 에너지대를 의미한다. 가전자대의 일부 전자가 전도대로 여기되지 않는 한 해당 물질에서 전기 전도는 이루어지지 않는다. 전도대는 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 에너지대로서, 전자가 전도대로 여기되는 경우 해당 물질은 전도성을 띄게 된다.
즉, 제2 전극(106)에 자외선, 즉 제2 전극(106)의 밴드 갭보다 높은 에너지가 가해지는 경우, 제2 전극(106)의 가전자대에 존재하는 가전자가 상기 전도대로 여기됨으로써 제2 전극(106)에 전기 전도가 가능해진다. 또한, 전도대에 발생한 전자 및 가전자대에 발생한 정공(전자-정공 쌍)이 제2 전극(106) 내 광도전 효과(photoconductive effect)를 일으킬 수 있다. 광도전 효과는 반도체 내 캐리어 밀도가 증가함에 따라 도전율이 증가하는 현상을 의미한다. 다시 말해, 제2 전극(106)의 자외선의 세기가 강해질수록 제2 전극(106)의 저항의 크기가 작아지고, 도전율(conductivity)이 증가할 수 있다.
산화 아연에 자외선이 인가되지 않은 경우, 산소 분자는 산화 아연의 표면에 흡착되어 자유 전자와 결합함으로써 산소 이온 상태로 존재할 수 있다. 이 경우 산화 아연 내 광도전 효과가 사라지므로 산화 아연의 저항의 크기는 매우 커지게 된다(공핍 영역 증가). 산화 아연에 자외선이 인가되지 않은 경우, 산소 분자의 변화는 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
[O2(g) ↔ O2(ad), O2(ad) + e- → O2 -(ad)]
산화 아연에 자외선이 인가되는 경우, 산화 아연 내 전자-정공 쌍이 증가하게 되고, 산화 아연의 표면에서 산소 이온과 정공이 결합하여 산소 분자가 발생하게 된다. 이에 따라, 산화 아연 나노 입자의 전도도가 크게 증가하게 된다(공핍 영역 감소). 산화 아연에 자외선이 인가된 경우, 산소 이온의 변화는 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
[hv → e- + h+]
[O2 -(ad) + h+ → O2(g)]
일 실시예에 따르면, 제2 전극(106)은 복수의 제1 전극(104) 사이에서 섬유 가닥(102)에 형성성될 수 있다. 이에 따라 제2 전극(106)에 자외선이 인가되는 경우, 복수의 제1 전극(104)은 제2 전극(106)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 저2 전극은 섬유 가닥(102) 상에 열수(hydrothermal) 방식으로 형성될 수 있으나, 제2 전극(106)을 섬유 가닥(102) 상에 형성하는 방법은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100) 는 제1 전극(104) 및 제2 전극(106)에 전기적으로 연결된 정전 용량 측정 장치를 통해 자외선의 세기를 측정할 수 있다. 상기 정전 용량 측정 장치는 공지의 테스터 및 멀티 미터 등일 수 있으며, 정전 용량을 측정하는 방법에는 특별한 제한이 없다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(106)의 합성 조건에 따른 자외선 센서(100)의 I-V 특성을 나타낸 그래프이다. 상술한 바와 같이, 제2 전극(106)은 산화아연으로 형성될 수 있고, 산화 아연의 합성 조건은 시드(seed) 용액 및 성장(growth) 용액의 농도 비율에 따라 달라질 수 있다.
도 2a는 시드 용액(S)과 성장 용액(G)의 농도비를 1:10으로 하여 생성된 자외선 센서(100)의 I-V 특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 2b는 시드 용액(S)과 성장 용액(G)의 농도비를 4:1으로 하여 생성된 자외선 센서(100)의 I-V 특성을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 2c는 시드 용액(S)과 성장 용액(G)의 농도비를 10:1으로 하여 생성된 자외선 센서(100)의 I-V 특성을 나타낸 그래프이다. 이때, 자외선 센서(100)에 가해준 자외선의 세기는 1080㎼/㎠, 770㎼/㎠, 580㎼/㎠, 360㎼/㎠ 및 195㎼/㎠이다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, I-V 기울기, 즉 컨덕턴스(conductance)는 전압이 낮은 구간(예를 들어, -0.5V 내지 0.5V 구간)에서 일정하다는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)의 자외선 세기에 따른 컨덕턴스 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각 자외선 센서(100)는 서로 다른 합성 조건에 따라 생성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 자외선의 세기가 1080㎼/㎠일 때 자외선 센서(100)의 컨덕턴스가 가장 높았으며, 자외선 세기가 195㎼/㎠일 때 자외선 센서(100)의 컨덕턴스가 가장 낮은 것을 알 수 있다. 이러한 결과에 비추어 볼 때, 자외선의 세기가 강할수록 자외선 센서(100)의 컨덕턴스 또한 증가함을 알 수 있다. 또한, 자외선의 세기에 따른 자외선 센서(100)의 컨덕턴스 변화율(도 3의 그래프의 기울기)이 일정한 것으로 보아 자외선 센서(100)의 자외선 측정을 수행하는데 적합함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(106)의 합성 조건에 따른 자외선 센서(100)의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 1:10인 제2 전극(106)의 합성 조건에 따라 생성된 자외선 센서(100)의 (a) 전류-시간(I-t) 특성, (b) 인가된 전압과 자외선 세기에 따른 최대 전류의 변화, (c) 자외선을 조사했을 때의 반응 시간(rising response time) 및 (d) 자외선을 조사하지 않은 경우 회복 시간(falling response time)을 나타낸다.
반응 시간은 자외선 센서(100)에 자외선을 조사하였을 때 자외선 센서(100)의 전류가 최소값부터 최대값까지 도달하는데 소요되는 시간을 가리킨다. 도 4c를 참조하면, 반응 시간은 인가된 전압의 크기가 변하더라도 일정하게 유지되는 반면, 자외선 세기가 증가하는 경우 반응 시간이 감소하는 것을 알 수 있다.
회복 시간은 자외선이 조사되지 않았을 때 자외선 센서(100)의 전류가 최대값으로부터 최소값으로 떨어지는데 필요한 시간을 가리킨다. 도 4d를 참조하면, 인가된 전압 및 자외선 세기가 증가하더라도 회복 시간을 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(106)의 합성 조건에 따른 자외선 센서(100)의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 4:1인 제2 전극(106)의 합성 조건에 따라 생성된 자외선 센서(100)의 (a) 전류-시간(I-t) 특성, (b) 인가된 전압과 자외선 세기에 따른 최대 전류의 변화, (c) 자외선을 조사했을 때의 반응 시간(rising response time) 및 (d) 자외선을 조사하지 않은 경우 회복 시간(falling response time)을 나타낸다.
반응 시간은 자외선 센서(100)에 자외선을 조사하였을 때 자외선 센서(100)의 전류가 최소값부터 최대값까지 도달하는데 소요되는 시간을 가리킨다. 도 5c를 참조하면, 반응 시간은 인가된 전압의 크기가 변하더라도 일정하게 유지되는 반면, 자외선 세기가 증가하는 경우 반응 시간이 감소하는 것을 알 수 있다.
회복 시간은 자외선이 조사되지 않았을 때 자외선 센서(100)의 전류가 최대값으로부터 최소값으로 떨어지는데 필요한 시간을 가리킨다. 도 5d를 참조하면, 인가된 전압 및 자외선 세기가 증가하더라도 회복 시간을 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(106)의 합성 조건에 따른 자외선 센서(100)의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 10:1인 제2 전극(106)의 합성 조건에 따라 생성된 자외선 센서(100)의 (a) 전류-시간(I-t) 특성, (b) 인가된 전압과 자외선 세기에 따른 최대 전류의 변화, (c) 자외선을 조사했을 때의 반응 시간(rising response time) 및 (d) 자외선을 조사하지 않은 경우 회복 시간(falling response time)을 나타낸다.
반응 시간은 자외선 센서(100)에 자외선을 조사하였을 때 자외선 센서(100)의 전류가 최소값부터 최대값까지 도달하는데 소요되는 시간을 가리킨다. 도 6c를 참조하면, 반응 시간은 인가된 전압의 크기가 변하더라도 일정하게 유지되는 반면, 자외선 세기가 증가하는 경우 반응 시간이 감소하는 것을 알 수 있다.
회복 시간은 자외선이 조사되지 않았을 때 자외선 센서(100)의 전류가 최대값으로부터 최소값으로 떨어지는데 필요한 시간을 가리킨다. 도 6d를 참조하면, 인가된 전압 및 자외선 세기가 증가하더라도 회복 시간을 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.
한편, 도 4b, 도 5b, 도 6b를 참조하면, 자외선의 세기가 강할수록 각각의 전압에 의해 발생되는 전류 값이 증가한다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 합성 조건에서 생성된 제2 전극(106)을 포함하는 자외선 센서(100)의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 도 4c, 도 5c 및 도 6c의 그래프에 나타난 반응 시간의 평균을 구한 뒤, 평균에 대한 에러바(error bar)를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)는 자외선 세기가 강할수록 반응 시간은 감소하는 경향을 나타낸다. 또한, 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 커질수록 반응 시간이 증가함을 알 수 있고, 반응 시간은 선형성을 나타내기 때문에 자외선 센서(100)가 자외선의 세기를 측정하는데 적합하다는 것을 알 수 있다.
도 7b는 도 4d, 도 5d 및 도 6d의 그래프에 나타난 회복 시간의 평균을 구한뒤, 평균에 대한 에러바를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)는 자외선의 세기가 변하더라도 회복 시간이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있고, 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율의 변화에도 영향을 적게 받는다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 가닥(102)의 X선 회절 분석(XRD: x-ray diffraction spectroscopy) 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 시드 용액과 성장 용액의 비가 각각 1:10, 4:1, 10:1 및 20:1인 조건 하에서 성장된 섬유 가닥(102)을 포함하는 자외선 센서(100)의 XRD 패턴을 나타낸다. 도 8을 참조하면, 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 1:10 인 조건에서 성장된 섬유 가닥(102)의 피크(peak)의 좁은 폭(narrow full width at half-maximun)은 산화 아연의 결정화 상태가 좋다는 것을 의미한다. 또한, 농도 비율이 증가할수록 산화 아연의 피크는 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 섬유 가닥(102)에 합성된 산화 아연의 결정성은 안 좋아진다는 것을 의미한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)의 X선 광전자 분광법(XPS: x-ray photoelectron spectroscopy)을 통한 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 각각 1:10 및 4:1인 조건 하에서 생성된 자외선 센서(100)의 에너지 상태를 나타낸 그래프이다. 도 9b는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 각각 1:10 및 4:1인 조건 하에서 생성된 제2 전극(106)(산화 아연)의 아연(Zn)에 대한 에너지 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 9c는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 각각 1:10 및 4:1인 조건 하에서 생성된 제2 전극(106)(산화 아연)의 산소(O)에 대한 에너지 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)의 표면을 나타낸 영상이다. 도 10은 FE-SEM(field emission scanning electron microscope)을 통해 자외선 센서(100)의 표면을 촬영한 영상이다.
도 10a 내지 도 10c는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 1:10인 조건에서 생성된 자외선 센서(100)의 표면을 촬영한 영상이다.
도 10d 내지 도 10f는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 4:1인 조건에서 생성된 자외선 센서(100)의 표면을 촬영한 영상이다.
도 10g 내지 도 10i는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 10:1인 조건에서 생성된 자외선 센서(100)의 표면을 촬영한 영상이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)의 표면을 화학 성분을 분석한 결과를 나타내는 데이터이다. 도 11은 성분 분석기를 이용하여 자외선 센서(100)의 표면의 구성 성분을 분석한 결과이며, 성분 분석기는 예를 들어, EDX(energy dispersive x-ray spectrometer)일 수 있다.
도 11a는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 1:10인 조건에서 생성된 자외선 센서(100)의 분석 결과를 나타내는 데이터이다.
도 11b는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 4:1인 조건에서 생성된 자외선 센서(100)의 분석 결과를 나타내는 데이터이다.
도 11c는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 10:1인 조건에서 생성된 자외선 센서(100)의 분석 결과를 나타내는 데이터이다.
도 11a 내지 도 11c의 데이터를 참조하면, 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 1:10, 4:1 및 10:1인 경우, 자외선 센서(100)의 제2 전극(106)의 아연(Zn) 비율이 각각 52.4%, 48%, 46.4%인 것으로 나타났다. 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 증가할수록 제2 전극(106)층에서 아연의 원자 비율이 감소함을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 센서(100)의 제2 전극의 구성 성분을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 12는 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율에 따른 제2 전극(106)의 아연의 성분비를 나타낸 그래프이다. 상술한 바와 같이, 시드 용액과 성장 용액의 농도 비율이 증가할수록 제2 전극(106)층에서 아연의 원자 비율이 감소함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 자외선 센서
102: 섬유 가닥
104: 제1 전극
106: 제2 전극
102: 섬유 가닥
104: 제1 전극
106: 제2 전극
Claims (8)
- 원통형 형상을 가지는 단일의 섬유 가닥;
상기 섬유 가닥 상에서 상기 섬유 가닥의 길이 방향으로 설정된 간격만큼 이격되어 증착되는 복수의 제1 전극; 및
복수의 상기 제1 전극 사이에서 상기 섬유 가닥에 형성되어 자외선을 흡수함에 따라 전도성을 띄는 제2 전극을 포함하고,
상기 섬유 가닥의 표면은 폴리머(polymer) 물질로 코팅되어 거칠기(roughness)가 낮아지며,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 거칠기가 낮아진 상기 폴리머 물질 상에 증착되어 저항이 낮아지는, 자외선 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제2 전극의 저항의 크기는, 자외선 세기가 강해질수록 작아지는, 자외선 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제2 전극은 산화 아연(ZnO)으로 형성되는, 자외선 센서.
- 청구항 1에 있어서,
복수의 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극이 상기 자외선을 흡수하는 경우 상기 제2 전극을 통해 전기적으로 상호 연결되는, 자외선 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 섬유 가닥은, PET(polyethylene terephthalate) 필라멘트인, 자외선 센서.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 섬유 가닥의 표면에 코팅되는 상기 폴리머 물질은 PVA(poly vinyl Alcohol)인, 자외선 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극은 구리로 형성되는, 자외선 센서.
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2017
- 2017-01-05 KR KR1020170001859A patent/KR101893043B1/ko active IP Right Grant
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