KR102004645B1 - 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조 - Google Patents

그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조 Download PDF

Info

Publication number
KR102004645B1
KR102004645B1 KR1020180009566A KR20180009566A KR102004645B1 KR 102004645 B1 KR102004645 B1 KR 102004645B1 KR 1020180009566 A KR1020180009566 A KR 1020180009566A KR 20180009566 A KR20180009566 A KR 20180009566A KR 102004645 B1 KR102004645 B1 KR 102004645B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
polypyrrole
dimensional
porous
sensor
Prior art date
Application number
KR1020180009566A
Other languages
English (en)
Inventor
하정숙
박흔
김정욱
Original Assignee
고려대학교 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 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020180009566A priority Critical patent/KR102004645B1/ko
Priority to US16/255,897 priority patent/US10984962B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102004645B1 publication Critical patent/KR102004645B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/08—Structural combinations, e.g. assembly or connection, of hybrid or EDL capacitors with other electric components, at least one hybrid or EDL capacitor being the main component
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20—Graphite
    • C01B32/21—After-treatment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0061—Electrical connection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/56—Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명의 일 예에 따른 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서는 그래핀이 성장한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤을 성장시키고 PDMS(polydimethylsiloxane) 코팅이 이루어져 완성된 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체; 및 상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체의 상부 및 하부에 결합되는 전극;을 포함한다.

Description

그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조{Sensor and supercapacitor based on graphene polypyrrole 3D porous structure, and integrated device having the same}
본 발명은 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조에 관한 것이다.
최근 구부리거나 늘려 피부에 적용할 수 있는 인공 전자피부의 구현을 위한 관심과 연구가 급증하고 있다.
이에 따라 이러한 인공 전자 피부의 중요한 감지원으로, 외부로부터 가해지는 압력, 열 및 스트레인의 변화를 감지할 수 있는 소재에 대한 연구가 이루어지고 있다.
또한, 피부에 부착하며 휴대하여야 하는 웨어러블 소자의 특성상 공간과 무게의 효율성이 중요시 되는 점과 소재에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
관련문헌: 한국특허등록번호 제10-1554543호
본 발명에 따른 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조는 실제 피부와 같이 외부 자극인 압력, 온도 및 스트레인을 동시에 감지가 가능하도록 하려는 목적을 가진다.
본 발명에 따른 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조는 한가지 물질을 합성하여 다양한 외부 자극을 감지할 수 있는 다중 센서, 스트레인 센서, 및 고성능 에너지 저장장치를 제작할 수 있게 하려는 목적을 가진다.
본 발명에 따른 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조는 사용자 인체의 다양한 부위에 부착 가능할 수 있게 하려는 목적을 가진다.
본 발명의 일 예에 따른 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서는 그래핀이 성장한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤을 성장시키고 PDMS(polydimethylsiloxane) 코팅이 이루어져 완성된 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체; 및 상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체의 상부 및 하부에 결합되는 전극;을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 예에 따른 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터는 그래핀이 성장한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤을 성장시키고 PDMS(polydimethylsiloxane) 코팅이 이루어져 완성된 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체; 및 상기 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체 각각에 대해 일측에 도포된 전해질;을 포함하되, 상기 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는 서로 전해질이 도포된 부위를 맞닿아 구성될 수 있다.
또한 상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는: Ethyl acetate, PDMS base 및 PDMS curing agent 각각을 무게비 100:10:1로 섞은 것에 담가짐으로써 PDMS 코팅이 이루어져 완성될 수 있다.
또한 상기 전극은: PET ITO 필름이 실버 페이스트(silver paste)를 통해 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 구조체의 상부 및 하부에 연결될 수 있다.
또한 상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는: DI water로 세척되어 FeCl3에 담근 뒤 가열되어 니켈이 제거될 수 있다.
또한 상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는: 화학 기상 증착법(CVD)과 미리 설정된 메탄 가스 주입 시간에 의해 조절된 두께로 성장한 그래핀을 포함할 수 있다.
또한 상기 전해질은: Acetonitrille, Propylene Carbonate, Poly(Methyl methacrylate) 및 LiClO4을 각각 질량비 70:20:7:3으로 섞은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예시적 집적 구조는 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서; 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터; 및 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터를 전기적으로 연결하는 액체 금속;을 포함할 수 있다.
또한 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서는 2 이상으로 구성되어, 적어도 하나는 압력을 측정하는 압력 측정용 센서로, 다른 적어도 하나는 온도를 측정하는 온도 측정용 센서로 구동할 수 있다.
또한 상기 액체 금속은: 소수성 페이퍼를 포함하는 마스크를 이용한 액체 금속 패터닝을 이용해 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
본 발명에 의한 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조에 따르면, 단일 물질을 통해 고성능 구동 소자 및 에너지 저장장치 모두를 제작할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 의한 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조에 따르면, 제작된 센서가 자가구동이 가능한 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 의한 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조에 따르면, 제작한 각각의 소자를 액체금속 연결선을 통해 늘임가능한 신축성 유연기판에 집적하여 에너지 저장장치에 저장된 에너지를 이용해 센서를 구동하게 하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 의한 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조에 따르면, 동일 물질을 이용해 하나의 무선 구동 시스템을 제작하여 산업화를 할 경우 대량생산이 가능하도록 했으며, 이를 통해 재료비를 크게 절감할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 폴리피롤 구조체의 합성 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체를 이용하여 센서 및 슈퍼커패시터를 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 소수성 페이퍼를 패터닝한 뒤 마스크로 사용하여 액체 금속을 패터닝하는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 신축성 유연기판에 센서들과 슈퍼커패시터를 액체금속을 통해 연결하여 집적한 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 다중감지 센서의 압력과 온도 측정 매커니즘에 관한 설명을 위한 그래프이다.
도 6은 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체과 PDMS를 코팅한 후를 나타내는 도면이다.
도 7은 폴리피롤 합성 시간별 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체의 표면을 나타내는 도면이다.
도 8은 폴리피롤 합성 시간별 두께를 나타내는 도면이다.
도 9는 그래핀 폴리피롤 구조체에 대해 니켈을 완전히 에칭한 이후를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따라 제작된 다중감지 센서의 압력 성능을 나타내기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따라 제작된 다중감지 센서의 온도 성능을 나타내기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따라 제작된 다중감지 센서의 자가 구동 가능함을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따라 제작된 슈퍼커패시터의 폴리피롤 성장 시간에 따른 용량 차이를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 폴리피롤 물질 합성 과정을 나타낸 도면이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 그래핀 폴리피롤 물질을 합성하기 위하여, (a)에서 도시되는 니켈 3차원 구조체에 화학 기상 증착법(CVD: Chemical Napor Deposition)을 이용하여 (b)와 같이 니켈 3차원 구조체에 그래핀을 성장시킨다.
구체적으로, 길이 4cm, 너비 2cm, 두께 1mm의 니켈 3차원 구조체를 유리 쿼츠에 넣은 뒤 아르곤과 수소 가스를 각각 500sccm과 200sccm을 흘려주며 1000℃까지 가열하고, 1000℃에 도달하면 30sccm의 메탄 가스를 20 분동안 흘려주어 니켈 3차원 구조체에 그래핀을 성장시킨다.
(b)에서 도시되는 성장시킨 그래핀을 포함한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤 전기증착을 수행하고 니켈 에칭을 통해 니켈을 제거하여 (c)에서 도시되는 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체를 완성한다.
구체적으로, (b)에서 도시되는 성장시킨 그래핀을 포함한 니켈 3차원 구조체에 전기화학방법을 이용한 전도성 고분자인 폴리피롤을 성장시킨다.
부피 50ml의 DI water(deionized water)에 1.84g의 NaClO4, 2.5ml의 pyrrole 단량체를 넣어 잘 섞어준 후, (b)에서 도시되는 성장시킨 그래핀을 포함한 니켈 3차원 구조체를 담궈 피롤(pyrrole) 고분자를 3전극 방식으로 성장시킨다. 이때, 기준 전극은 Ag/AgCl, 상대 전극은 Pt를 이용하여 0.8 V의 고정전압을 500초간 가해 성장시킨다.
제작된 그래핀 폴리피롤 구조체는 DI water로 세척하고 1M FeCl3에 담근 뒤 약 16시간 동안 90℃로 가열하여 니켈 지지대를 제거하여 (c)에서 도시되는 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체를 완성한다.
도 2는 도 1에서 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체를 이용하여 센서 및 슈퍼커패시터를 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참고하면, 도 1에서 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체는 고전도성 다공성 구조(highly conductive porous structure)로 높은 영률을 가지며, 힘이 가해졌을 때 쉽게 부서지는 특성을 보완하기 위해 신축성이 있는 PDMS(polydimethylsiloxane)로 코팅한다. 이를 통해 온도/압력 측정이 가능한 다중 감지 센서(100) 및 스트레인 센서(300)를 제작할 수 있다. 이때 상기 PDMS는 희석되어 이용될 수 있다. 특히 스트레인 센서에서 희석된 PDMS를 이용하는 이유는 압력에 의한 외력은 견디지만 양쪽으로 당겨지는 스트레인의 경우 견디지 못하고 쉽게 파괴되기 때문이다.
구체적으로, Ethyl acetate, PDMS base, PDMS curing agent를 각각 무게비 100:10:1로 섞은 뒤, 도 1에서 제작된 그래핀 폴리피롤 구조체를 충분히 담궈 PDMS가 코팅되도록 한다. 이후 PDMS의 curing을 위해 60 내지 70(바람직하게는 65)℃의 오븐에 약 2시간 동안 넣어 굳도록 한다. 이후, PET/ITO 필름을 PDMS가 코팅된 그래핀 폴리피롤 구조체의 윗면과 아랫면에 각각 맞댄 뒤 실버 페이스트(Silver paste)를 통해 고정한다.
도 1에서 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체는 슈퍼커패시터의 전극으로 이용하기 위해서 전해질을 바르는 과정이 필요하며, 전해질은 Acetonitrille, Propylene Carbonate, Poly(Methyl methacrylate) 및 LiClO4의 4가지 물질을 각각 질량비 70:20:7:3으로 섞는다. 이후, 60 내지 80(바람직하게는 70)℃에서 약 12시간 동안 가열하고, 상기 전해질을 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체의 위에 충분히 도포한 뒤 상기 전해질이 잘 스며들 수 있도록 진공 데시게이터 안에 약 30분간 넣어둔다. 이 과정을 약 5회 내외 반복한 뒤 상기 전해질이 스며든 그래핀 폴리피롤 구조체들을 상기 전해질이 맞닿도록 하여 포개어 슈퍼커패시터(200)를 제작한다.
도 3은 소수성 페이퍼를 패터닝한 뒤 마스크로 사용하여 액체 금속을 패터닝을 하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2에서 제작한 다중감지 센서(100), 스트레인 센서(300) 및 슈퍼커패시터(200)를 연결하여 구동하기 위해 연결선이 필요하며, 본 발명에서는 소수성 종이를 이용하여 액체금속을 원하는 모양으로 패터닝한다.
우선, 변형가능한 신축성 유연기판(10)은 PDMS 및 Ecoflex를 섞어 잘 늘어날 수 있는 기판을 제작한다.
이후 도 3과 같이 소수성 페이퍼(hydrophobic paper)를 마스크로 하여 자른 부분으로 액체금속이 들어갈 수 있도록 원하는 패턴을 형성한 상기 유연기판(10) 위에 위치시키고, 그 위에 액체금속(liquid metal)을 붇고, 상기 소수성 페이퍼를 떼어낸다. 이때 액체금속(liquid metal)이 유연기판(10)과 더 큰 접착력을 가지고 있기 때문에 유연기판(10)에만 액체금속이 남아 있게 된다.
도 4는 신축성 유연기판(10)에 센서들과 슈퍼커패시터를 액체금속을 통해 연결하여 집적한 것을 나타내는 도면이다. 도 2의 집적(integration) 화살표 및 도 4를 참고하면, 상기 다중감지 센서(100), 스트레인 센서(300), 슈퍼커패시터(200)를 액체금속 패터닝을 통해 상기 유연기판(10) 상에 연결한다. 예컨대, 상기 슈퍼커패시터(200)는 병렬 형태로 연결되며, 상기 다중감지 센서(100) 및 스트레인 센서(300)는 슈퍼커패시터(200)와 도 4와 같이 스위치(500)를 경유하여 액체금속 패터닝(600)을 통해 연결될 수 있다. 이때 액체금속 패터닝은 도 3에서 설명한 것과 같은 방법으로 수행될 수 있으며, 소수성 페이퍼와 같은 보호막(400)을 마스크로 이용하여 이루어질 수 있다.
도 5는 다중감지 센서의 압력과 온도 측정 매커니즘에 관한 설명을 위한 그래프이다. 도 5를 참고하면, ii에서 보는 것처럼 압력이 가해지면, 구조체 위, 아래의 전류량이 변화하게 되고 ii 그래프의 기울기에 상응하는 저항값을 측정하여 압력 변화를 측정할 수 있다.
또한, iii에서 보는 것처럼, 구조체 위, 아래의 온도차가 발생하면 열전효과(제백효과)에 의한 기전력 발생으로 전압이 발생하며, 이를 측정하여 온도 변화를 측정할 수 있다.
도 6은 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체과 PDMS를 코팅한 후를 나타내는 도면이다. 희석된 PDMS를 사용함으로써 다공성 구조의 구조체만 코팅할 수 있다. 일반적인 PDMS를 사용할 경우, 구조체 뿐만 아니라 빈공간도 채워지게 된다.
도 7은 폴리피롤 합성 시간별 합성된 그래핀 폴리피롤 구조체의 표면을 나타내는 도면이며, 도 8은 폴리피롤 합성 시간별 두께를 나타내는 도면이다.
또한 도 9는 그래핀 폴리피롤 구조체에 대해 니켈을 완전히 에칭한 이후를 나타내는 도면이다. 이는 니켈을 완전히 에칭하지 않을 경우, 구조가 단단하기 때문에 다중감지 센서나 스트레인 센서를 제작할 수 없다. 그 이유는 압력이나 스트레인을 가했을 때 구조의 변화를 가지지 못하기 때문에 센서의 특성을 부여할 수 없다. 따라서 니켈을 완전히 에칭함으로서 다공성 구조를 유지함과 동시에 압력과 스트레인의 변화를 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라 제작된 다중감지 센서의 압력 성능을 나타내기 위한 도면이다. 도 10을 참고하면, 압력 및 시간에 따른 전류변화를 확인할 수 있어, 압력 센서로 의미가 있다는 것을 보여주며, 약 10,000 cylces에서도 똑같은 압력이 측정될 수 있어 내구성이 크다는 것을 보여준다.
본 발명에 의하면, 약 20 Pa 정도의 탐지가 가능하면서, 빠른 응답 속도 등을 나타내 고성능, 안정적 압력 특성을 가지는 효과가 있다.
도 11은 본 발명에 따라 제작된 다중감지 센서의 온도 성능을 나타내기 위한 도면이다. 도 11을 참고하면, 본 발명의 그래핀 폴리피롤 구조체에 의할 때, 그래핀 구조체에 비해 온도 변화에 따른 전압변화를 더 잘 측정할 수 있고, 응답속도도 약 1.5초 정도로 우수하며, 손가락 터치에 따른 체온변화도 잘 측정할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따라 제작된 다중감지 센서의 자가 구동 가능함을 설명하기 위한 도면이다. 도 12를 참고하면, 손가락 접촉의 압력에 따라 전류 변화가 있고, 온도 및 압력의 간섭현상이 없다는 것을 온도변화에 따른 그래프를 통해 알 수 있다.
도 13은 본 발명에 따라 제작된 슈퍼커패시터의 폴리피롤 성장 시간에 따른 용량 차이를 나타내는 도면이다. 폴리피롤의 충전과 방전 시간을 비교 했을 때, 500초 동안 성장한 폴리피롤을 사용하여 제작한 슈퍼커패시터가 300초 동안 성장한 폴리피롤을 사용하여 제작한 슈퍼커패시터보다 충전과 방전을 오래한다는 것을 알 수 있다. 이는 500초 동안 성장한 폴리피롤의 슈퍼커패시터가 용량이 더 크다는 것을 의미한다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서에 있어서,
    그래핀이 성장한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤을 성장시켜, 완성된 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체; 및
    상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체의 상부 및 하부에 결합되는 전극;을 포함하되,
    상기 전극은,
    PET ITO 필름이 실버 페이스트(silver paste)를 통해 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 구조체의 상부 및 하부에 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서.
  2. 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터에 있어서,
    그래핀이 성장한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤을 성장시키고 PDMS(polydimethylsiloxane) 코팅이 이루어져 완성된 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체; 및
    상기 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체 각각에 대해 일측에 도포된 전해질;을 포함하되,
    상기 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는 서로 전해질이 도포된 부위를 맞닿아 구성되고,
    상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는,
    Ethyl acetate, PDMS base 및 PDMS curing agent 각각을 무게비 100:10:1로 섞은 것에 담가짐으로써 PDMS 코팅이 이루어져 완성된 것을 특징으로 하는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는:
    Ethyl acetate, PDMS base 및 PDMS curing agent 각각을 무게비 100:10:1로 섞은 것에 담가짐으로써 PDMS 코팅이 이루어져 완성된 것을 특징으로 하는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는:
    DI water로 세척되어 FeCl3에 담근 뒤 가열되어 니켈이 제거된 것을 특징으로 하는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체는:
    화학 기상 증착법(CVD)과 미리 설정된 메탄 가스 주입 시간에 의해 조절된 두께로 성장한 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전해질은:
    Acetonitrille, Propylene Carbonate, Poly(Methyl methacrylate) 및 LiClO4을 각각 질량비 70:20:7:3으로 섞은 것을 특징으로 하는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터.
  8. 제1항의 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서;
    그래핀이 성장한 니켈 3차원 구조체에 폴리피롤을 성장시켜 완성된 2개의 그래핀 폴리피롤 다공성 3차원 구조체로 구성되는 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터; 및
    상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터를 전기적으로 연결하는 액체 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서는 2 이상으로 구성되어, 적어도 하나는 압력을 측정하는 압력 측정용 센서로, 다른 적어도 하나는 온도를 측정하는 온도 측정용 센서로 구동하는 것을 특징으로 하는 집적 구조.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 액체 금속은:
    소수성 페이퍼를 포함하는 마스크를 이용한 액체 금속 패터닝을 이용해 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 상기 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 슈퍼커패시터를 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 집적 구조.
KR1020180009566A 2018-01-25 2018-01-25 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조 KR102004645B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180009566A KR102004645B1 (ko) 2018-01-25 2018-01-25 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조
US16/255,897 US10984962B2 (en) 2018-01-25 2019-01-24 Sensor and supercapacitor based on graphene polypyrrole 3D porous structure, and integrated device including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180009566A KR102004645B1 (ko) 2018-01-25 2018-01-25 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102004645B1 true KR102004645B1 (ko) 2019-07-26

Family

ID=67299305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180009566A KR102004645B1 (ko) 2018-01-25 2018-01-25 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10984962B2 (ko)
KR (1) KR102004645B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110556472A (zh) * 2019-08-23 2019-12-10 太原理工大学 一种基于pdms材料的包覆型压力传感器及其制备方法
WO2021201376A1 (ko) * 2020-03-31 2021-10-07 포항공과대학교 산학협력단 3차원 회로 프린팅이 가능한 연신성 전극회로, 그를 이용한 스트레인 센서 및 그의 제조방법
US11643525B2 (en) 2019-09-27 2023-05-09 Korea University Research And Business Foundation Electronic device with self-healing properties

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110763379B (zh) * 2019-09-27 2020-07-24 北京石墨烯技术研究院有限公司 石墨烯导电弹性体及其制备方法以及传感器
CN111337152B (zh) * 2020-02-26 2021-09-17 京东方科技集团股份有限公司 电子皮肤和电子设备
CN111504525B (zh) * 2020-03-24 2022-10-11 中国电力科学研究院有限公司 一种柔性压力传感器及其制备方法
CN111584252B (zh) * 2020-05-08 2021-08-03 中南民族大学 一种多功能传感器与超级电容器集成一体的柔性器件的制备方法
CN111925776B (zh) * 2020-07-11 2021-11-30 西北工业大学 一种聚吡咯纳米线界面改性三维石墨烯/pdms复合光热材料的制备方法
CN111986932A (zh) * 2020-08-21 2020-11-24 电子科技大学 一种碗状石墨烯/聚吡咯超级电容器电极材料的制备方法
CN112729626B (zh) * 2021-01-15 2022-07-05 福州大学 线性电容型触觉传感器及其制备方法
CN115346804A (zh) * 2021-05-13 2022-11-15 中国科学院大连化学物理研究所 内嵌超级电容器的自供能传感器电路平台及其制备方法
CN115798946B (zh) * 2023-01-30 2023-05-12 昆山美淼新材料科技有限公司 一种金属石墨烯多元复合电极的生产工艺

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101406085B1 (ko) * 2013-07-11 2014-06-11 전남대학교산학협력단 그래핀/pdms 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀/pdms 복합체
KR20160031760A (ko) * 2014-09-15 2016-03-23 (주)유민에쓰티 그래핀 폼을 이용한 테이프형 가스 감지 센서 및 그래핀 폼 제조방법
WO2017139938A1 (zh) * 2016-02-18 2017-08-24 肖丽芳 一种石墨烯/ 聚吡咯/ 硫复合正极材料的制备方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5631533A (en) 1979-08-17 1981-03-30 Nisshinbo Ind Inc Brake shoe
KR20170078774A (ko) 2014-10-31 2017-07-07 렙솔, 에스.에이 그래핀 폼 또는 그래핀-유사 폼에 기초한 계층 복합 구조들
JP6256369B2 (ja) 2015-02-09 2018-01-10 ソニー株式会社 センサ、入力装置、キーボードおよび電子機器
KR101554543B1 (ko) 2015-02-17 2015-09-21 고려대학교 산학협력단 압력센서
KR101813074B1 (ko) 2015-05-21 2017-12-29 한국과학기술원 스트레인 센서의 제조 방법, 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스
WO2018049004A1 (en) * 2016-09-07 2018-03-15 Board Of Regents, The University Of Texas System Flexible supercapacitors and devices containing the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101406085B1 (ko) * 2013-07-11 2014-06-11 전남대학교산학협력단 그래핀/pdms 복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀/pdms 복합체
KR20160031760A (ko) * 2014-09-15 2016-03-23 (주)유민에쓰티 그래핀 폼을 이용한 테이프형 가스 감지 센서 및 그래핀 폼 제조방법
WO2017139938A1 (zh) * 2016-02-18 2017-08-24 肖丽芳 一种石墨烯/ 聚吡咯/ 硫复合正极材料的制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110556472A (zh) * 2019-08-23 2019-12-10 太原理工大学 一种基于pdms材料的包覆型压力传感器及其制备方法
CN110556472B (zh) * 2019-08-23 2022-08-09 太原理工大学 一种基于pdms材料的包覆型压力传感器及其制备方法
US11643525B2 (en) 2019-09-27 2023-05-09 Korea University Research And Business Foundation Electronic device with self-healing properties
WO2021201376A1 (ko) * 2020-03-31 2021-10-07 포항공과대학교 산학협력단 3차원 회로 프린팅이 가능한 연신성 전극회로, 그를 이용한 스트레인 센서 및 그의 제조방법
US11974393B2 (en) 2020-03-31 2024-04-30 POSTECH Research and Business Development Foundation Flexible electrode circuit capable of being 3D circuit printed strain sensor using same, and manufacturing method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
US20190228918A1 (en) 2019-07-25
US10984962B2 (en) 2021-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102004645B1 (ko) 그래핀 폴리피롤 3차원 다공성 소자 기반의 센서 및 슈퍼커패시터, 및 이들을 포함하는 집적 구조
Ding et al. Flexible and compressible PEDOT: PSS@ melamine conductive sponge prepared via one-step dip coating as piezoresistive pressure sensor for human motion detection
Zhang et al. Highly sensitive capacitive flexible pressure sensor based on a high-permittivity MXene nanocomposite and 3D network electrode for wearable electronics
Kang et al. Fingerprint‐inspired conducting hierarchical wrinkles for energy‐harvesting E‐skin
Masihi et al. A novel printed fabric based porous capacitive pressure sensor for flexible electronic applications
KR101877108B1 (ko) 전자 피부 및 그 제조 방법과 용도
KR101087539B1 (ko) 탄소나노튜브 3차원 네트워크를 포함하는 고분자 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 스트레인 센서
Elangovan et al. Giant superelastic piezoelectricity in flexible ferroelectric BaTiO3 membranes
CN110987029A (zh) 一种多功能柔性传感器及其制备方法和应用
CN103616097A (zh) 一种柔性薄膜触觉传感器件及其制作方法
Wang et al. Miniaturized flexible piezoresistive pressure sensors: poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) copolymers blended with graphene oxide for biomedical applications
Nikiforidis et al. A self-standing organic supercapacitor to power bioelectronic devices
Assagra et al. A new route to piezo-polymer transducers: 3D printing of polypropylene ferroelectrets
CN203965077U (zh) 一种柔性薄膜触觉传感器
CN111786590A (zh) 可同时检测温度和压力的摩擦纳米发电机及柔性传感器
KR20160084171A (ko) 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법
WO2022051152A1 (en) Pressure sensor device with organic electrochemical transistors
CN112097967A (zh) 基于自供能的柔性可延展力学传感系统及制备方法
Wang et al. 2D PtSe2 enabled wireless wearable gas monitoring circuits with distinctive strain-enhanced performance
CN209841247U (zh) 一种柔性压力传感器
KR101510597B1 (ko) 탄소나노튜브 배열구조를 이용한 플렉서블 마이크로 가스센서 및 그 제조방법
CN105810830A (zh) 一种基于三维共形石墨烯的柔性光电传感器及其制作方法
US20160062463A1 (en) Nanowire enabled paper based haptic interfaces
KR101729886B1 (ko) 스펀지 구조의 압전 소자 및 이의 제조 방법
CN108680190B (zh) 利用溶菌酶焊接的自支撑银薄膜制备的柔性电子传感器及制备方法

Legal Events

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