KR102030066B1 - 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents

실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 센서 Download PDF

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차상협
정창윤
김병주
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, 향상된 기계적 특성과 우수한 감도를 제공하는 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극의 제조 방법은, 탄소나노물질을 포함하는 탄소나노물질 용액을 제공하는 단계; 상기 탄소나노물질 용액에 실레인 물질을 혼합하여 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계; 상기 탄소나노물질-실레인 용액에 나노 구조체가 표면에 성장한 기판을 침지하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계; 및 상기 나노 구조체를 열처리하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 2차 결합시켜 나노 구조체 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 센서{Nano structural electrode having silane bonding layer, method of manufacturing the same, and sensor having the same}
본 발명의 기술적 사상은 나노 구조체 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.
최근에, 나노 구조체 복합 재료들은 상대적으로 높은 강도, 강성도(stiffness), 및 인성(toughness)을 가지므로, 다양한 분야에 적용되고 있다. 이러한 복합 재료들은 장점들을 제공하지만, 본질적으로 복잡한 구성을 가진다. 강한 섬유들과 적절한 매트릭스로 구성된 복합 재료들은 반드시 강한 재료가 되는 것은 아니다. 이러한 복합 재료의 전체적인 성능을 결정하는 주요한 요소로서 섬유와 매트릭스의 계면 강도 등이 있다. 강한 복합 재료를 위하여는 계면 강도를 증가시켜야 하며, 예를 들어 탄소섬유의 표면 상에 나노 와이어, 나노 로드 또는 나노 튜브 등과 같은 나노 구조체를 성장시키는 기술이 있다. 그러나, 상기 나노 구조체가 형성된 복합재의 기계적 특성을 더욱 강화하려는 요구가 증가되고 있다.
또한, 최근의 모바일 기기들은 화면 대형화의 추세를 보이고 있고, 이에 따라 홈 버튼과 같은 물리적 버튼을 최소화하거나 또는 제거하는 방식으로 발전되고 있다. 이러한 물리적 버튼의 제거 경향에 따라 디스플레이에 일체화된 버튼의 개발이 가속되고 있다. 또한, 지문을 이용한 버튼이 등장하고 있는 경향에 따라 디스플레이와 일체화된 지문 센서 및 압력 센서의 개발이 요구되고 있다. 따라서, 감도가 향상된 센서가 요구된다.
한국등록특허 10-1714961호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 향상된 기계적 특성과 우수한 감도를 제공하는 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극을 포함하는 센서를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 구조체 전극의 제조 방법은, 탄소나노물질을 포함하는 탄소나노물질 용액을 제공하는 단계; 상기 탄소나노물질 용액에 실레인 물질을 혼합하여 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계; 상기 탄소나노물질-실레인 용액에 나노 구조체가 표면에 성장한 기판을 침지하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계; 및 상기 나노 구조체를 열처리하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 2차 결합시켜 나노 구조체 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계에서, 상기 탄소나노물질과 상기 실레인 물질은 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질은 상기 탄소나노물질 용액에 포함된 물에 의하여 가수분해되고, 이에 따라 상기 실레인 물질에 결합된 수산화기를 형성하고, 상기 실레인 물질에 결합된 상기 수산화기는 상기 탄소나노물질에 결합된 수산화기와 수소 결합을 형성할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질 용액과 상기 실레인 물질의 무게 비율은, 예를 들어 95:5 내지 99.5:0.5 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계는, 20℃ 내지 30℃ 범위의 온도에서, 1분 내지 60분 범위의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체는 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체 전극을 형성하는 단계는, 80℃ 내지 100℃ 범위의 온도에서, 1분 내지 120분 범위의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체 전극을 형성하는 단계는, 상기 나노 구조체를 포함한 상기 기판을 상기 탄소나노물질-실레인 용액으로부터 배출한 후에 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체 전극을 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체는 축합 결합에 의하여 결합되고, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질은 축합 결합에 의하여 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체 전극을 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질 사이의 가교 결합이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질 용액은 탄소나노튜브, 그래핀, 및 그래핀 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질 용액은 아이소프로판올, 메탄올 및 에탄올 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질은 실레인 커플링제를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질은 아크릴레이트 기능기 실레인, 메타크릴레이트 기능기 실레인, 알데히드 기능기 실레인, 아미노 기능기 실레인, 무수 기능기 실레인, 아지드 기능기 실레인, 카르복실레이트 기능기 실레인, 포스포네이트 기능기 실레인, 설포네이트 기능기 실레인, 에폭시 기능기 실레인, 에스테르 기능기 실레인, 할로겐 기능기 실레인, 히드록실 기능기 실레인, 이소시아네이트 기능기 실레인, 포스핀 기능기 실레인, 포스페이트 기능기 실레인, 설파 기능기 실레인, 비닐 기능기 실레인, 올레핀 기능기 실레인, 다기능 중합 실레인, 자외선 활성 실레인, 형광 실레인, 키랄 실레인, 트리하이드로 실레인, 디포달 실레인, 및 유기 실레인 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질은 1,2-비스(트리에소시실릴)에탄, 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 디메톡시실릴메틸프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 비스(트리메톡시실릴프로필) 우레아, (3-글리시독시프로필) 트리메톡시 실레인, 3-(2,3-에폭시프로폭시) 프로필트리메톡시 실레인, 및 (3-트리메톡시실릴프로필) 디에틸렌-트리아민 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체는 아연 산화물 나노 구조체, 칼슘 산화물 나노 구조체, 구리 산화물 나노 구조체, 티타늄 산화물 나노 구조체, 및 주석 산화물 나노 구조체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에스터, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 멜라민, 폴리페닐설폰, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아미드6, 폴리아미드66, ABS 공중합체, 아크릴, 불소수지, 폴리에텔에텔 케톤, 폴리페닐렌 설파이드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르이미드, 및 폴리아미드이미드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 구조체 전극은, 기판; 상기 기판 상에 성장한 나노 구조체; 및 상기 나노 구조체의 표면에 형성되고, 탄소나노물질과 실레인을 포함하는 실레인 결합층;을 포함하고, 상기 실레인은 상기 나노 구조체 및 상기 탄소나노물질과 각각 축합 결합에 의하여 결합된다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기판은 반구형 돌출부를 포함하고, 상기 나노 구조체는 상기 반구형 돌출부에서 성장할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 구조체 전극을 포함하는 센서는, 나노 구조체 전극; 상기 나노 구조체 전극과 대향하여 위치하는 대향 전극; 및 상기 나노 구조체 전극과 상기 대향 전극에 전기적으로 연결된 감지부; 를 포함하고, 상기 나노 구조체 전극은: 기판; 상기 기판 상에 성장한 나노 구조체; 및 상기 나노 구조체의 표면에 형성되고, 탄소나노물질과 실레인을 포함하는 실레인 결합층;을 포함하고, 상기 실레인은 상기 나노 구조체 및 상기 탄소나노물질과 각각 축합 결합에 의하여 결합된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극의 제조 방법은 실레인의 축합 및 가교 결합에 의하여 나노 구조체와 탄소나노물질을 결합시킬 수 있다. 실레인을 사용함에 따라 나노구조체의 표면에 실레인이 코팅되어 탄소나노물질의 분산성을 증가시킬 수 있고, 나노 구조체와 탄소나노물질의 결합력을 강화시킬 수 있다. 나노 구조체의 나노 로드 형상에 의하여 나노 구조체와 탄소나노물질의 기계적 결착이 형성될 수 있다. 이에 따라, 탄소 나노 복합재의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 반구형 돌출부에 돌출되어 성장한 나노 구조체와 상기 나노 구조체의 표면에 실레인에 의하여 안정적으로 결합된 탄소나노물질에 의하여, 감지하는 표면적이 증가되고 감지하는 물질의 전기적 특성에 의하여 향상된 감지 능력을 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체 전극의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에서, 상기 탄소나노물질과 상기 실레인 물질 사이의 결합을 설명하는 도시하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체의 1차 결합을 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체의 2차 결합을 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체 전극의 제조 방법에 따라 형성한 나노 구조체 전극을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에 따라 형성한 나노 구조체 전극을 도시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에 따라 형성한 나노 구조체 전극을 포함하는 센서를 도시하는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체 전극의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 나노 구조체 전극의 제조 방법(S100)은, 탄소나노물질을 포함하는 탄소나노물질 용액을 제공하는 단계(S110); 상기 탄소나노물질 용액에 실레인 물질을 혼합하여 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계(S120); 상기 탄소나노물질-실레인 용액에 나노 구조체가 표면에 성장한 기판을 침지하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계(S130); 및 상기 나노 구조체를 열처리하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 2차 결합시켜 나노 구조체 전극을 형성하는 단계(S140);를 포함한다.
상기 탄소나노물질 용액을 제공하는 단계(S110)에서, 상기 탄소나노물질 용액은 상기 탄소나노물질이 용매 내에 분산된 용액일 수 있다. 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 그래핀 산화물(graphene oxide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노물질 용액을 구성하는 상기 용매는 알코올계 물질을 포함할 수 있다. 상기 용매는, 예를 들어 아이소프로판올(isopropanol), 메탄올(methanol) 및 에탄올(ethanol) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알코올 물질과 물을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용매에서, 상기 알코올 물질과 상기 물의 부피 비율은 9:1 내지 1:9 범위일 수 있다.
상기 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계(S120)는, 상기 탄소나노물질 용액에 실레인 물질을 투입하고 유지시켜 이루어질 수 있다. 상기 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계(S120)에서는 초음파 교반(sonication)을, 예를 들어 30 분 내지 60 분의 범위로 19000 Hz 내지 21000 Hz 범의의 진동수로 수행할 수 있다. 이러한 교반에 의하여 상기 실레인 물질은 상기 탄소나노물질 용액 내에 보다 균일하게 분산될 수 있다. 상기 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계(S120)는, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 상온(25℃)의 온도에서 수행될 수 있다. 본 단계(S120)에서, 상기 탄소나노물질과 상기 실레인 물질은 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다.
상기 탄소나노물질 용액과 상기 실레인 물질의 무게 비율은, 예를 들어 95:5 내지 99.5:0.5 범위일 수 있고, 예를 들어 99:1 일 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노물질-실레인 용액이 10 g 이고, 상기 탄소나노물질 용액이 9.9 g, 상기 실레인 물질이 0.1 g일 수 있다. 상기 탄소나노물질-실레인 용액에서는 탄소나노물질의 응집현상이 발생하지 않는다.
상기 실레인 물질은 실레인 커플링제(silane coupling agent)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 실레인 물질에 포함된 작용기와 수지와의 결합이 가능한 경우에 상기 실레인 물질을 적용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 수지와의 결합을 고려하지 않으므로 나노 구조체에 영향을 주지 않도록 중성을 가지는 모든 실레인 물질을 적용할 수 있다. 상기 실레인 물질은, 예를 들어 아크릴레이트 기능기 실레인(acrylate functional silane), 메타크릴레이트 기능기 실레인(methacrylate functional silane), 알데히드 기능기 실레인(aldehyde functional silane), 아미노 기능기 실레인(amino functional silane), 무수 기능기 실레인(anhydride functional silane), 아지드 기능기 실레인(azide functional silane), 카르복실레이트 기능기 실레인(carboxylate functional silane), 포스포네이트 기능기 실레인(phosphonate functional silane), 설포네이트 기능기 실레인(sulfonate functional silane), 에폭시 기능기 실레인(epoxy functional silane), 에스테르 기능기 실레인(ester functional silane), 할로겐 기능기 실레인(halogen functional silane), 히드록실 기능기 실레인(hydroxyl functional silane), 이소시아네이트 기능기 실레인(isocyanate functional silane), 포스핀 기능기 실레인(phosphine functional silane), 포스페이트 기능기 실레인(phosphate functional silane), 설파 기능기 실레인(sulfur functional silane), 비닐 기능기 실레인(vinyl functional silane), 올레핀 기능기 실레인(olefin functional silane), 다기능 중합 실레인(multi-functional and polymeric silane), 자외선 활성 실레인(ultraviolet active silane), 형광 실레인(fluorescent silane), 키랄 실레인(chiral silane), 트리하이드로 실레인(trihydrosilane), 디포달 실레인(dipodal silane), 및 유기 실레인(organosilane) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실레인 물질은, 예를 들어 1,2-비스(트리에소시실릴)에탄 (1,2-bis(triethoxysilyl)ethane), 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민) (trimethoxysilylpropyl modified (polyethylenimine)), 디메톡시실릴메틸프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민) (dimethoxysilylmethylpropyl modified (polyethylenimine)), 비스(트리메톡시실릴프로필) 우레아 (bis(trimethoxysilylpropyl) urea), (3-글리시독시프로필) 트리메톡시 실레인 ((3-glycidoxypropyl) trimethoxy silane), 3-(2,3-에폭시프로폭시) 프로필트리메톡시 실레인 (3-(2,3-epoxypropoxy)propyltrimethoxysilane), 및 (3-트리메톡시실릴프로필) 디에틸렌-트리아민 ((3-trimethoxysilylpropyl) diethylene-triamine) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계(S130)는, 상기 탄소나노물질-실레인 용액에 상기 기판을 투입하고 유지시켜 이루어질 수 있다. 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계(S130)는, 예를 들어 20℃ 내지 30℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 1분 내지 60분 범위의 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 침지하는 단계는, 예를 들어, 상온(25℃)에서 30분 동안 수행될 수 있다. 본 단계(S130)에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체는 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다.
상기 나노 구조체는, 예를 들어 상기 실레인 물질의 수산화기(-OH)와 결합하는 작용기를 가지는 모든 금속 산화물 나노 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조체는 아연 산화물(ZnO) 나노 구조체, 칼슘 산화물(CaO) 나노 구조체, 구리 산화물(CuO) 나노 구조체, 티타늄 산화물(TiO2) 나노 구조체, 및 주석 산화물(SnO2) 나노 구조체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판은 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에스터(polyester), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 멜라민(melamine), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone, PPSU), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 폴리설폰(polysulfone, PSU), 폴리아미드6(polyamide6, PA6), 폴리아미드66(polyamide66, PA66), ABS 공중합체(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 아크릴(acrylic), 불소수지(fluoroplastics), 폴리에텔에텔 케톤(polyetherether ketone, PEEK), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic poly urethane, TPU), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutylene terephthalate, PBT), 폴리옥시메틸렌(polyoxy methylene, POM), 폴리페닐렌 옥시드(polyphenylene oxide, PPO), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone, PEEK), 폴리에테르케톤케톤(polyether ketone ketone, PEKK), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 및 폴리아미드이미드(Polyamide imide, PAI) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 2차 결합시켜 나노 구조체 전극을 형성하는 단계(S140)는 상기 나노 구조체를 포함한 상기 기판을 상기 탄소나노물질-실레인 용액으로부터 배출한 후에 수행할 수 있다. 필요한 경우 상기 용매를 제거하도록, 상기 나노 구조체를 진공상태에서 예를 들어 30℃ 내지 50℃의 온도에서, 예를 들어 1 시간 내지 5 시간의 범위에서 건조시킬 수 있다. 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 2차 결합시켜 나노 구조체 전극을 형성하는 단계(S140)는, 예를 들어 80℃ 내지 100℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 1분 내지 120분 범위의 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 2차 결합시키는 단계(S140)는 예를 들어 90℃의 온도에서 60분 동안 수행될 수 있다.
본 단계(S140)에서는 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 축합(condensation) 결합이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 축합 결합이 이루어 질 수 있고, 또한, 상기 실레인 물질 사이의 가교(cross-linking) 결합이 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 기판, 상기 나노 구조체, 및 상기 탄소나노물질이 실레인 물질에 의한 화학 결합을 통하여 상호 결합될 수 있다. 이러한 상호 결합에 의하여 안정적인 상태를 제공할 수 있다.
이어서, 상기 나노 구조체 전극은 세정하고 건조시킬 수 있다. 상기 세정은 알코올계 용액을 이용하여 수행할 수 있다. 이에 따라 상기 탄소 나노 복합재에 잔류하는 실레인 물질 및 원하지 않는 불순물이 제거될 수 있다. 상기 건조는 1 시간 내지 24 시간의 범위로, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 상온(25℃)에서 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체 전극의 제조 방법에서의 결합 반응을 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에서, 상기 탄소나노물질과 상기 실레인 물질 사이의 결합을 설명하는 도시하는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 상기 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하는 단계(S120)에서, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질은 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다. 구체적으로, 상기 실레인 물질은 상기 탄소나노물질 용액에 포함된 물에 의하여 가수분해(hydrolysis)되고, 이에 따라 상기 실레인 물질에 결합된 상기 수산화기를 형성할 수 있다. 상기 실레인 물질에 결합된 상기 수산화기는 상기 탄소나노물질에 결합된 수산화기와 수소 결합을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체의 1차 결합을 설명하는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체는 수소 결합에 의하여 결합될 수 있다. 상기 나노 구조체는 예시적으로 ZnO일 수 있다. 구체적으로, 상기 실레인 물질은 상기 탄소나노물질 용액에 포함된 물에 의하여 가수분해(hydrolysis)되고, 이에 따라 상기 실레인 물질에 결합된 상기 수산화기를 형성할 수 있다. 상기 실레인 물질에 결합된 수산화기는 상기 나노구조체에 결합된 수산화기와 수소 결합을 형성할 수 있다. 결과적으로, 이러한 수소 결합들에 의하여, 하나의 상기 실레인 물질은 상기 탄소나노물질과 상기 나노 구조체에 결합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체의 2차 결합을 설명하는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 상기 열처리에 의하여 상기 수소 결합에서 물 분자(H2O)가 제거되어, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체는 축합 결합에 의하여 결합될 수 있다. 또한, 동일한 방식으로 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질은 축합 결합에 의하여 결합될 수 있다. 더 나아가, 상기 실레인 물질 사이의 가교 결합이 이루어질 수 있다. 상기 축합 결합들과 상기 가교 결합들은 동시에 이루어 질 수 있다. 따라서, 상기 기판, 상기 나노 구조체, 및 상기 탄소나노물질이 실레인 물질에 의한 화학 결합을 통하여 상호 결합될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 나노 구조체 전극의 제조 방법에 따라 형성한 나노 구조체 전극을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 기판 상에 성장하고 실레인 물질에 의하여 탄소나노물질이 표면에 결합된 나노 구조체가 나타나 있다. 여기에서, 상기 기판은 폴리디메틸실록산(PDMS)이고, 상기 실레인 물질은 1,2-비스(트리에소시실릴)에탄이고, 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브이고, 나노 구조체는 ZnO이었다. 상기 실레인 물질에 의한 화학 결합을 통하여, 상기 기판, 상기 나노 구조체, 및 상기 탄소나노물질이 상호 결합됨을 알 수 있다. 상기 나노 구조체는 상당히 균일한 수준으로 분포됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에 따라 형성한 나노 구조체 전극(100)을 도시하는 개략도이다.
도 6을 참조하면, 나노 구조체 전극(100)은 기판(110); 상기 기판(110) 상에 성장한 나노 구조체(130); 및 상기 나노 구조체(130)의 표면에 형성되고, 탄소나노물질과 실레인을 포함하는 실레인 결합층(140);을 포함하고, 상기 실레인은 상기 나노 구조체 및 상기 탄소나노물질과 각각 축합 결합에 의하여 결합된다. 결과적으로, 상기 나노 구조체(130)의 표면은 상기 탄소나노물질에 의하여 코팅될 수 있다. 상기 기판(110)은 반구형 돌출부(120)를 포함하고, 상기 나노 구조체(130)는 상기 반구형 돌출부(120)에서 성장할 수 있다. 여기에서, 반구형 돌출부(120)는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 1의 나노 구조체 전극의 제조 방법에 따라 형성한 나노 구조체 전극을 포함하는 센서(1)를 도시하는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 센서(1)는, 나노 구조체 전극(100); 상기 나노 구조체 전극과 대향하여 위치하는 대향 전극(200); 및 상기 나노 구조체 전극과 상기 대향 전극에 전기적으로 연결된 감지부(300);를 포함한다. 상기 나노 구조체 전극(100)은: 기판(110); 상기 기판(110) 상에 성장한 나노 구조체(130); 및 상기 나노 구조체(130)의 표면에 형성되고, 탄소나노물질과 실레인을 포함하는 실레인 결합층(140);을 포함하고, 상기 실레인은 상기 나노 구조체 및 상기 탄소나노물질과 각각 축합 결합에 의하여 결합된다. 상기 대향 전극은 도전물을 포함할 수 있고, 또한 상기 나노 구조체 전극과 동일한 구조를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 탄소나노물질이 탄소나노튜브를 포함하되, 상기 탄소나노물질을 포함하는 탄소나노물질 용액을 제공하는 단계;
    상기 탄소나노물질 용액에 실레인 물질을 혼합하여, 상기 탄소나노튜브와 상기 실레인 물질이 수소 결합에 의하여 결합되는 탄소나노물질-실레인 용액을 형성하되, 상기 실레인 물질은 상기 탄소나노물질 용액에 포함된 물에 의하여 가수분해되고, 이에 따라 상기 실레인 물질에 결합된 수산화기를 형성하고, 상기 실레인 물질에 결합된 상기 수산화기는 상기 탄소나노튜브에 결합된 수산화기와 수소 결합을 형성하는 단계;
    상기 실레인 물질의 수산화기와 결합하는 작용기를 가지는 나노 구조체가 표면에 성장한 고분자 물질 기판을 상기 탄소나노물질-실레인 용액에 침지하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 수소 결합에 의하여 1차 결합시키는 단계; 및
    상기 나노 구조체를 열처리하여, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체는 축합 결합에 의하여 결합되고, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노튜브는 축합 결합에 의하여 결합되고, 상기 실레인 물질 사이에는 가교 결합이 이루어지는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  2. 삭제
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  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노물질 용액과 상기 실레인 물질의 무게 비율은, 예를 들어 95:5 내지 99.5:0.5 범위인, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체를 1차 결합시키는 단계는, 20℃ 내지 30℃ 범위의 온도에서, 1분 내지 60분 범위의 시간 동안 수행되는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 구조체 전극을 형성하는 단계는, 80℃ 내지 100℃ 범위의 온도에서, 1분 내지 120분 범위의 시간 동안 수행되는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 구조체 전극을 형성하는 단계는, 상기 나노 구조체를 포함한 상기 기판을 상기 탄소나노물질-실레인 용액으로부터 배출한 후에 수행되는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노물질 용액은 아이소프로판올, 메탄올 및 에탄올 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 실레인 물질은 실레인 커플링제를 포함하는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 실레인 물질은 아크릴레이트 기능기 실레인, 메타크릴레이트 기능기 실레인, 알데히드 기능기 실레인, 아미노 기능기 실레인, 무수 기능기 실레인, 아지드 기능기 실레인, 카르복실레이트 기능기 실레인, 포스포네이트 기능기 실레인, 설포네이트 기능기 실레인, 에폭시 기능기 실레인, 에스테르 기능기 실레인, 할로겐 기능기 실레인, 히드록실 기능기 실레인, 이소시아네이트 기능기 실레인, 포스핀 기능기 실레인, 포스페이트 기능기 실레인, 설파 기능기 실레인, 비닐 기능기 실레인, 올레핀 기능기 실레인, 다기능 중합 실레인, 자외선 활성 실레인, 형광 실레인, 키랄 실레인, 트리하이드로 실레인, 디포달 실레인, 및 유기 실레인 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 실레인 물질은 1,2-비스(트리에소시실릴)에탄, 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 디메톡시실릴메틸프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 비스(트리메톡시실릴프로필) 우레아, (3-글리시독시프로필) 트리메톡시 실레인, 3-(2,3-에폭시프로폭시) 프로필트리메톡시 실레인, 및 (3-트리메톡시실릴프로필) 디에틸렌-트리아민 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 구조체는 아연 산화물 나노 구조체, 칼슘 산화물 나노 구조체, 구리 산화물 나노 구조체, 티타늄 산화물 나노 구조체, 및 주석 산화물 나노 구조체 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에스터, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 멜라민, 폴리페닐설폰, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아미드6, 폴리아미드66, ABS 공중합체, 아크릴, 불소수지, 폴리에텔에텔 케톤, 폴리페닐렌 설파이드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르이미드, 및 폴리아미드이미드 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 나노 구조체 전극의 제조 방법.
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