KR102235307B1 - Chitosan-carbon nanotube core-shell nanohybrid based humidity sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중벽 탄소나노튜브가 키토산 용액에 균질화되어 제조된 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액이 전극에 고정된 습도센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 습도센서는 기존의 습도센서들과 대비하여 낮은 저항, 즉 높은 전도성으로 인해 매우 작은 전압으로도 충분한 전류를 보낼 수 있어 경제적이며, 상이한 전압, 주파수, 온도에서도 높은 감도, 안정성 및 일정한 재현성을 가지는 점에서 우수한 장점을 가진다.
또한, 30%RH 내지 100%RH의 넓은 범위에서 사용할 수 있으며, 각 습도에 따른 반응속도가 매우 빠르면서도 오차가 거의 없는 높은 재현성을 가진다. 시간에 따라서도 측정값이 매우 안정적이어서 오랜 기간 사용할 수 있다.
The present invention provides a method of manufacturing a humidity sensor in which a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared by homogenizing a multi-walled carbon nanotube in a chitosan solution is fixed to an electrode.
The humidity sensor according to the present invention is economical because it can send sufficient current even with a very small voltage due to low resistance, that is, high conductivity compared to existing humidity sensors, and high sensitivity, stability and constant stability even at different voltages, frequencies, and temperatures It has an excellent advantage in that it has reproducibility.
In addition, it can be used in a wide range of 30%RH to 100%RH, and while the reaction rate according to each humidity is very fast, it has high reproducibility with little errors. The measured value is very stable over time and can be used for a long period of time.

Description

키토산-탄소나노튜브 코어-쉘 나노하이브리드 기반의 습도센서{CHITOSAN-CARBON NANOTUBE CORE-SHELL NANOHYBRID BASED HUMIDITY SENSOR}Chitosan-CARBON NANOTUBE CORE-SHELL NANOHYBRID BASED HUMIDITY SENSOR}

본 발명은 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 제조방법, 키토산-다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 나노하이브리드, 및 이를 포함하는 습도센서에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor, a chitosan-a nanohybrid including a multi-walled carbon nanotube, and a humidity sensor including the same.

일반적으로, 센서(sensor)란 온도, 압력, 소리, 빛 등 여러 종류의 물리량을 검지/검출하거나 측정하여 신호로 전달하는 기능을 갖춘 소자, 또는 이러한 소자를 이용한 계측기를 일컫는 것으로, 특히 공기 중의 수증기를 검지/검출하는 센서를 습도센서라고 한다. 이러한 습도센서는 다양한 구조로 제작되고 있으며, 습기를 검출하는 박막을 구성하고 이 박막이 습기에 노출되는 경우 전기 전도도가 변화하는 것을 이용하는 구조가 주로 사용되고 있다. 이때, 감습막으로서 폴리이미드(polyimide) 등의 폴리머(polymer) 박막이 이용되는 경우가 있으며, 이는 최근에 기존의 박막을 대체하기 위한 재료로 사용되고 있다. 다만 폴리머 박막은 그 자체로는 전기적 특성을 얻기가 어려우므로, 또 다른 박막 위에 폴리머 박막을 형성하고 폴리머 박막의 변형에 의하여 전기적 특성이 변화하는 현상을 이용하고 있다.In general, a sensor refers to an element with a function of detecting/detecting or measuring various types of physical quantities such as temperature, pressure, sound, and light, and transmitting them as signals, or a measuring instrument using such elements, especially water vapor in the air. A sensor that detects / detects is called a humidity sensor. These humidity sensors are manufactured in a variety of structures, and a structure that uses a thin film that detects moisture and changes electrical conductivity when the thin film is exposed to moisture is mainly used. In this case, a polymer thin film such as polyimide may be used as a moisture-sensitive film, which is recently used as a material to replace the existing thin film. However, since it is difficult to obtain electrical properties of a polymer thin film by itself, a polymer thin film is formed on another thin film and the electrical properties are changed by deformation of the polymer thin film.

습도센서는 용량성 및 저항성 감지 방법과 같은 두 가지 주요 작동 원리로 작동한다. 용량성 센서는 일반적으로 매우 높은 저항 및 높은 전기 에너지를 필요로 하여 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다. 그러나 전기 저항 센서는 오차가 작기 때문에 생산하기 쉽고 정확한 측정을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.Humidity sensors work on two main principles of operation: capacitive and resistive sensing methods. Capacitive sensors generally require very high resistance and high electrical energy, which makes it difficult to mass-produce. However, since the electrical resistance sensor has a small error, it is easy to produce and has the advantage of being able to make accurate measurements.

일반적으로 저항식 습도센서는 습도를 전기량으로 변환시켜 상대습도를 측정하는 기구로서, 저항식 습도센서는 이를 측정할 기체 내에 놓고 그 장소의 상대습도에 따라 수증기가 막면으로부터 흡탈하여 저항치가 변화하는 것을 측정하는 것이다. 저항 감지 방식의 습도센서는 열과 화학적 안전성이 있는 특수 전극이 필요하다.In general, a resistive humidity sensor is a device that measures relative humidity by converting humidity into an electric quantity, and a resistive humidity sensor is a device that measures the relative humidity by placing it in the gas to be measured, and depending on the relative humidity of the place, water vapor absorbs and desorbs from the film surface and the resistance value changes. To measure. Resistance sensing type humidity sensors require special electrodes with thermal and chemical safety.

탄소나노튜브(Carbon nanotube: CNT)는 탄소끼리 육각형으로 결합하여 원통형 튜브구조를 이룬 탄소 동소체의 일종으로, 직경이 수 ㎚ 정도의 작은 튜브모양을 하고 있어 나노튜브로 지칭된다. 이러한 탄소나노튜브는 속이 비어 있어 가볍고, 동일한 굵기의 강철 대비 최대 100배 이상의 인장강도 및 손상 없이 90°까지 휘는 물성으로 인해 신소재로 주목받고 있다. 또한, 높은 열전도성 및 전기전도성을 가지며, 탄소층이 감겨 있는 각도에 따라 도체와 반도체의 성격을 나타낸다. 또한, 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube: SWNT), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube: MWNT)로 구분되기도 한다. 최근, 탄소나노튜브(이하, CNT라고도 줄임)는 나노테크놀로지의 유력한 소재로서, 광범위한 분야에서 응용의 가능성이 검토되고 있다.Carbon nanotube (CNT) is a type of carbon allotrope in which carbons are bonded in a hexagonal shape to form a cylindrical tube structure, and is referred to as a nanotube because it has a tube shape as small as several nm in diameter. These carbon nanotubes are light because they are hollow, and are attracting attention as a new material due to their tensile strength up to 100 times higher than that of steel of the same thickness, and their physical properties that bend up to 90° without damage. In addition, it has high thermal conductivity and electrical conductivity, and shows the characteristics of conductors and semiconductors depending on the angle at which the carbon layer is wound. In addition, carbon nanotubes are also classified into single walled carbon nanotubes (SWNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) according to the number of walls. Recently, carbon nanotubes (hereinafter, also abbreviated as CNTs) are a powerful material for nanotechnology, and the possibility of application in a wide range of fields is being investigated.

이러한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 기반으로 한 습도센서는 다른 유형의 습도센서에 비해 저렴한 비용, 간단한 구조, 작은 크기 및 높은 전기 전도도의 장점을 보인다. 그러나, 상대습도의 높은 변화에 따라 표면 친수성이 낮고 저항 변화가 적어 비효율적인 감도를 보였다. 따라서 좋은 감도와 수용 가능한 응답 시간 등을 가지는 바람직한 습도센서의 개발이 요구된다.The humidity sensor based on this multi-walled carbon nanotube (MWCNT) shows advantages of low cost, simple structure, small size, and high electrical conductivity compared to other types of humidity sensors. However, according to the high change in relative humidity, the surface hydrophilicity was low and the resistance change was small, resulting in inefficient sensitivity. Therefore, it is required to develop a desirable humidity sensor with good sensitivity and acceptable response time.

키토산은 생체적합적이고, 생분해가능한 비독성의 천연 생체폴리머이다. 지구상에 두 번째로 풍부한 천연 폴리머인 키틴으로부터 얻어지며, 선형이고 부분적 아세틸화된 (1- 4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucan 중합체이다. 그동안 분리막, 인공피부, 뼈 대체물, 수처리와 같은 다양한 분야에서 사용하기 위한 연구가 있어왔다. 키토산은 우수한 필름 형성능, 높은 물 투과성, 우수한 접착 및 화학적 개질에 대한 민감성을 가지고 있으며 효소 고정을 위한 편리한 폴리메릭 스카폴드(polymeric scaffold)를 제공한다. 키토산은 바이오센서와 바이오촉매의 고정화 매트릭스로 성공적으로 사용된다(Huang, H. et al., 2002. Anal.Biochem. 308, 141-151; Guerente, L.C. et al., 2005. Electrochem.Acta 50, 2865-2877). 그러나, 키토산은 낮은 전도성 때문에 전기화학적 바이오센서를 제조하기 위하는 데에 많은 어려움이 존재하였다.Chitosan is a biocompatible, biodegradable, non-toxic, natural biopolymer. It is obtained from chitin, the second most abundant natural polymer on Earth, and is a linear, partially acetylated (1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucan polymer. There have been studies for use in various fields such as separation membranes, artificial skin, bone substitutes, and water treatment. Chitosan has excellent film forming ability, high water permeability, excellent adhesion and sensitivity to chemical modification, and provides a convenient polymeric scaffold for enzyme fixation. Chitosan is successfully used as an immobilization matrix for biosensors and biocatalysts (Huang, H. et al., 2002. Anal. Biochem. 308, 141-151; Guerente, LC et al., 2005. Electrochem. Acta 50, and 2865-2877). However, because chitosan has low conductivity, there are many difficulties in manufacturing an electrochemical biosensor.

한국 특허등록공보 10-0987375Korean Patent Registration Publication 10-0987375 한국 특허등록공보 10-1242391Korean Patent Registration Publication 10-1242391

이러한 배경 하에, 본 발명자들은 습도 감지를 위한 전기 저항 센서 재료로서 높은 전기 전도성과 친수성 표면을 가지는 키토산(CS) 코팅 MWCNT (CS-MWCNT) 나노하이브리드 섬유를 포함하는, 높은 감도와 안정성을 가지는 본 발명의 습도센서를 완성하였다.Under this background, the present inventors have high sensitivity and stability, including chitosan (CS) coated MWCNT (CS-MWCNT) nanohybrid fiber having a high electrical conductivity and hydrophilic surface as an electrical resistance sensor material for humidity detection. The humidity sensor of was completed.

본 발명의 목적은 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드를 전극에 고정시킨 습도센서의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a humidity sensor in which a chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid is fixed to an electrode.

본 발명의 목적은 상기 제조방법에 따른 습도센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a humidity sensor according to the manufacturing method.

본 발명의 목적은 직경이 20 내지 30 nm이고, 길이가 10 내지 30 μm인 다중벽 탄소나노튜브; 및 탈아세틸화도가 75 내지 85%이고, 분자량이 5만 내지 19만 달톤인 키토산을 포함하는 키토산-다중벽 탄소나노튜브가 고정된 전극을 포함하는 습도센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is a multi-walled carbon nanotube having a diameter of 20 to 30 nm and a length of 10 to 30 μm; And a chitosan-multi-walled carbon nanotube-fixed electrode comprising chitosan having a deacetylation degree of 75 to 85% and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Daltons.

본 발명은 (a) 키토산을 산성 용액에 용해하여 키토산 용액을 제조하는 단계;The present invention comprises the steps of (a) dissolving chitosan in an acidic solution to prepare a chitosan solution;

(b) 다중벽 탄소나노튜브를 상기 키토산 용액에 균질화시키는 단계;(b) homogenizing the multi-walled carbon nanotubes in the chitosan solution;

(c) 상기 (b)에서 제조된 산성 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 중화하고 투석하여 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 제조하는 단계; 및(c) neutralizing the acidic chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared in (b) and dialysis to prepare a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution; And

(d) 상기 (c)에서 제조된 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 전극에 적가하고 건조시켜 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드를 전극에 고정시키는 단계;(d) adding the chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared in (c) dropwise to the electrode and drying to fix the chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid to the electrode;

를 포함하는 습도센서 제조방법을 제공한다.It provides a humidity sensor manufacturing method comprising a.

본 발명에 따른 습도센서는 기존의 습도센서들과 대비하여 낮은 저항, 즉 높은 전도성으로 인해 매우 작은 전압으로도 충분한 전류를 보낼 수 있어 경제적이며, 상이한 전압, 주파수, 온도에서도 높은 감도, 안정성 및 일정한 재현성을 가지는 점에서 우수한 장점을 가진다.The humidity sensor according to the present invention is economical because it can send sufficient current even with a very small voltage due to low resistance, that is, high conductivity compared to existing humidity sensors, and has high sensitivity, stability and constant stability even at different voltages, frequencies, and temperatures. It has an excellent advantage in that it has reproducibility.

또한, 30% RH 내지 100% RH의 넓은 범위에서 사용할 수 있으며, 각 습도에 따른 반응속도가 매우 빠르면서도 오차가 거의 없는 높은 재현성을 가진다. 시간에 따라서도 측정값이 매우 안정적이어서 오랜 기간 사용할 수 있다.In addition, it can be used in a wide range of 30% RH to 100% RH, and while the reaction rate according to each humidity is very fast, it has high reproducibility with little error. The measured value is very stable over time and can be used for a long period of time.

본 발명에 따른 습도센서 제조방법은 (a) 키토산을 산성 용매에 용해하여 키토산 용액을 제조하는 단계를 포함한다.The method for manufacturing a humidity sensor according to the present invention includes the step of (a) dissolving chitosan in an acidic solvent to prepare a chitosan solution.

본 발명에서 용어 키토산 (CS)은 키틴을 탈아세틸화한 고분자 화합물을 지칭한다. 바람직하게 본 발명에 따른 키토산은 탈아세틸화도가 75 내지 85%이고, 분자량이 5만 내지 19만 달톤일 수 있으나, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내라면 이에 제한되지 않는다. 이러한 키토산은 상업적으로 판매되는 것을 구매하여 사용할 수도 있고 직접 제조하여 사용할 수도 있다.In the present invention, the term chitosan (CS) refers to a polymer compound obtained by deacetylating chitin. Preferably, chitosan according to the present invention has a degree of deacetylation of 75 to 85%, and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Daltons, but is not limited thereto as long as it is within a range capable of achieving the object of the present invention. Such chitosan may be purchased and used commercially, or may be prepared and used directly.

본 발명에서 산성 용액은 아세트산 수용액, 포름산 수용액, TFA (trifluoracetic acid), 염산, 황산, 인산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는 아세트산 수용액이다. 본 발명에서 키토산을 산성 용액에 용해함으로써 키토산 용액을 제공한다.In the present invention, the acidic solution may be at least one selected from the group consisting of an aqueous acetic acid solution, an aqueous formic acid solution, trifluoracetic acid (TFA), hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and nitric acid. Preferably, it is an aqueous acetic acid solution. In the present invention, a chitosan solution is provided by dissolving chitosan in an acidic solution.

본 발명에 따른 습도센서 제조방법은 (b) 다중벽 탄소나노튜브를 상기 키토산 용액에 균질화시키는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a humidity sensor according to the present invention includes the step of (b) homogenizing the multi-walled carbon nanotubes in the chitosan solution.

본 발명에서 용어 탄소나노튜브는 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 탄소 동소체를 의미한다.In the present invention, the term carbon nanotube is a carbon allotrope, which is a substance in which one carbon is bonded to another carbon atom in a hexagonal honeycomb pattern to form a tube, and refers to a carbon allotrope having a very small area at the level of nanometers in diameter of the tube. .

또한, 본 발명에서 용어 다중벽 탄소나노튜브 (MWCNT)는 상기 탄소나노튜브를 구성하는 튜브가 2개 이상의 벽으로 구성되어 있는 탄소 동소체를 의미한다. 바람직하게 본 발명에 따른 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 20 내지 30 nm이고, 길이가 10 내지 30 μm의 특징을 가지는 것이다.In addition, in the present invention, the term multi-walled carbon nanotube (MWCNT) refers to a carbon allotrope in which a tube constituting the carbon nanotube is composed of two or more walls. Preferably, the multi-walled carbon nanotubes according to the present invention have a diameter of 20 to 30 nm and a length of 10 to 30 μm.

본 발명에서 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드는 총 중량을 기준으로 탄소나노튜브를 25 내지 90 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 탄소나노튜브 함량이 이보다 작을 경우 나노하이브리드의 전기 전도성이 떨어져 습도센서에 사용되기에 적합하지 않으며, 이보다 많은 경우 나노하이브리드의 기계적 강도가 약해지는 문제점이 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 키토산-다중벽 탄소나노튜브는 키토산이 다중벽 탄소나노튜브를 감싸는 형태로, 즉, 다중벽 탄소나노튜브가 코어로 키토산이 이를 감싸는 쉘로 이루어질 수 있다.In the present invention, the chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid preferably contains 25 to 90% by weight of carbon nanotubes based on the total weight. If the carbon nanotube content is less than this, the electrical conductivity of the nanohybrid is low, and thus it is not suitable for use in a humidity sensor, and if it is more than this, the mechanical strength of the nanohybrid may be weakened. The chitosan-multi-walled carbon nanotube according to the present invention may be formed in a form in which chitosan surrounds the multi-walled carbon nanotube, that is, the multi-walled carbon nanotube is a core and the chitosan surrounds it.

본 발명에서 다중벽 탄소나노튜브를 키토산 용액에 균질화시키는 것은 기계적 교반, 또는 초음파 처리 등을 수행하는 것이며, 이는 당업계에 알려진 장치를 이용하여 종래의 방법에 따라 수행될 수 있다. 바람직하게는 호모지나이저를 이용하여 균질화한다. 본 발명에서 다중벽 탄소나노튜브를 키토산 용액에 균질화시킴으로써 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 제공한다.In the present invention, homogenizing the multi-walled carbon nanotubes in a chitosan solution is to perform mechanical stirring or ultrasonic treatment, and this may be performed according to a conventional method using an apparatus known in the art. It is preferably homogenized using a homogenizer. In the present invention, a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution is provided by homogenizing the multi-walled carbon nanotubes in a chitosan solution.

본 발명에 따른 습도센서 제조방법은 (c) 상기 (b)에서 제조된 산성 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 중화하고 투석하여 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 제조하는 단계를 포함한다.The method for manufacturing a humidity sensor according to the present invention comprises the steps of (c) neutralizing the acidic chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared in (b) and dialysis to prepare a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution.

본 발명에서 상기 (c) 단계에서의 중화는, 염기성 용액, 바람직하게, 암모니아 용액, 수산화나트륨 용액, 수산화칼륨 및 수산화 칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 용액을 처리하여 중화하는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 암모니아 용액을 처리하여 중화하는 것일 수 있다.In the present invention, the neutralization in step (c) may be neutralization by treating one or more solutions selected from the group consisting of a basic solution, preferably, ammonia solution, sodium hydroxide solution, potassium hydroxide and calcium hydroxide. More preferably, it may be neutralized by treating an ammonia solution.

본 발명에서 투석은 10,000 내지 15,000 Da의 분자량, 바람직하게는 12,000 내지 14,000 Da의 분자량을 기준으로 수행할 수 있다.Dialysis in the present invention may be performed on the basis of a molecular weight of 10,000 to 15,000 Da, preferably a molecular weight of 12,000 to 14,000 Da.

본 발명에서 산성 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 중화하고 투석하여 중화되고 일정 분자량 범위 내 키토산-다중벽탄소나노튜브를 포함하는 용액을 제공한다.In the present invention, an acidic chitosan-multi-walled carbon nanotube solution is neutralized and neutralized by dialysis, and a solution containing chitosan-multi-walled carbon nanotubes within a certain molecular weight range is provided.

본 발명에 따른 습도센서 제조방법은 (d) 상기 (c)에서 제조된 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 전극에 적가하고 건조시켜 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드를 전극에 고정시키는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a humidity sensor according to the present invention comprises the steps of (d) adding the chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared in (c) dropwise to the electrode and drying the chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid to the electrode. Includes.

본 발명에서 전극은 상기 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드가 코팅될 수 있는 모든 전극을 포함한다. 상기 전극은 바람직하게는 철, 금, 은, 동, 백금, 티타늄, 알루미늄 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 특히 금인 것이 바람직하다.In the present invention, the electrode includes all electrodes to which the chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid can be coated. The electrode is preferably selected from the group consisting of iron, gold, silver, copper, platinum, titanium, aluminum and palladium, and particularly preferably gold.

상기 (d) 단계에서 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액의 농도는 1mg/ml 내지 10mg/ml이며, 바람직하게는 5 내지 7 mg/ml, 예컨대 약 6mg/ml일 수 있다. 또한, 상기 용액을 전극에 적가하는 단계에서, 1회당 1 μl 내지 20 μl 양, 바람직하게 5 내지 15 μl, 예컨대 약 10 μl의 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 전극 위에 적가하여 1 내지 6회, 바람직하게 약 3회 정도 코팅할 수 있다. 바람직하게는 1회당 10μl 양의 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 전극 위에 적가할 수 있고, 3회 코팅이 이루어질 수 있다.The concentration of the chitosan-multi-walled carbon nanotube solution in step (d) is 1 mg/ml to 10 mg/ml, preferably 5 to 7 mg/ml, such as about 6 mg/ml. In addition, in the step of dropwise adding the solution to the electrode, 1 μl to 20 μl amount per time, preferably 5 to 15 μl, such as about 10 μl of chitosan-multi-walled carbon nanotube solution is added dropwise on the electrode to 1 to 6 times. , Preferably, it can be coated about 3 times. Preferably, a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution in an amount of 10 μl per time may be added dropwise onto the electrode, and coating may be performed three times.

본 발명에서 상기 (d) 단계 이전에, 전극을 HCl/H2O2 혼합물에 5 내지 60초간 담그고, 40 내지 80℃에서 건조시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 바람직하게는 10초간 담그고, 60℃에서 건조시키는 것일 수 있다. 이와 같은 공정을 통하여 전극으로 사용되는 금 입자를 세척할 수 있다.In the present invention, prior to the step (d), the electrode is immersed in an HCl/H 2 O 2 mixture for 5 to 60 seconds and dried at 40 to 80° C. may be further included. Preferably, it may be soaked for 10 seconds and dried at 60°C. Gold particles used as electrodes may be cleaned through such a process.

상기 (d) 단계에서 적가는 통상의 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액의 금속 입자에 고정화 방법에 따른 것으로, 적가 후 건조함으로써 금속 입자를 코팅할 수 있다.The dropwise addition in step (d) is according to a method of immobilizing the metal particles of a conventional chitosan-multi-walled carbon nanotube solution, and the metal particles may be coated by dropwise addition and drying.

또한, 전극 위에 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 적가하고 건조하여 전극 위에 키토산-다중벽 탄소나노튜브의 멤브레인을 형성할 수도 있다.In addition, a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution may be added dropwise to the electrode and dried to form a chitosan-multi-walled carbon nanotube membrane on the electrode.

본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된 습도센서를 제공한다.The present invention provides a humidity sensor manufactured by the above method.

본 발명에서 습도센서는 용량성 습도센서 또는 전기 저항성 습도센서일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 습도센서는 전기저항 습도센서이다.In the present invention, the humidity sensor may be a capacitive humidity sensor or an electrical resistive humidity sensor. Preferably, the humidity sensor according to the present invention is an electrical resistance humidity sensor.

본 발명에 따른 전기저항 습도센서는 우수한 검출 능력을 나타내면서도 안정성이 우수하여 광범위한 조건에서 습도센서로 이용이 용이하다.The electrical resistance humidity sensor according to the present invention is easy to use as a humidity sensor in a wide range of conditions due to excellent stability while exhibiting excellent detection capability.

본 발명은 직경이 20 내지 30 nm이고, 길이가 10 내지 30 μm인 다중벽 탄소나노튜브; 및The present invention is a multi-walled carbon nanotubes having a diameter of 20 to 30 nm and a length of 10 to 30 μm; And

탈아세틸화도가 75 내지 85%이고, 분자량이 5만 내지 19만 달톤인 키토산을 포함하는 키토산-다중벽 탄소나노튜브가 고정된 전극을 포함하는 습도센서를 제공한다.It provides a humidity sensor including a chitosan-multi-walled carbon nanotube-fixed electrode comprising chitosan having a deacetylation degree of 75 to 85% and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Daltons.

본 발명에 따른 상기 습도센서는 위 구성을 포함하여 앞서는 제조방법을 통해 제조되는 키토산-다중벽 탄소나노튜브를 이용하는 것일 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이 키토산-다중벽 탄소나노튜브는 키토산이 다중벽 탄소나노튜브를 감싸는 형태로, 즉, 다중벽 탄소나노튜브가 코어로 키토산이 이를 감싸는 쉘로 이루어질 수 있다.The humidity sensor according to the present invention may be one using chitosan-multi-walled carbon nanotubes manufactured through the above manufacturing method including the above configuration. As previously mentioned, the chitosan-multi-walled carbon nanotube may be formed in a form in which chitosan surrounds the multi-walled carbon nanotube, that is, the multi-walled carbon nanotube is a core and the chitosan surrounds it.

본 발명에서 상기 습도센서의 키토산-다중벽 탄소나노튜브는 10,000 내지 15,000 Da의 분자량을 가질 수 있다. 키토산-다중벽 탄소나노튜브는 약 200 내지 350℃에서 MWCNT의 표면을 싸고 있는 CS의 손실로 발생하는 첫 단계, 및 350 내지 600℃에서 MWCNT의 분해가 발생하는 두 번째 단계에 상응하는 2단계의 중량 손실을 가지는 패턴을 가질 수 있다. 또한, FT-IR 스펙트럼의 분석에 따르면 키토산 및 다중벽 탄소나노튜브가 가지고 있는 FT-IR 스펙트럼의 특성을 모두 포함하는 특징을 가진다.In the present invention, the chitosan-multi-walled carbon nanotube of the humidity sensor may have a molecular weight of 10,000 to 15,000 Da. Chitosan-multi-walled carbon nanotubes have two stages corresponding to the first stage of loss of CS surrounding the surface of MWCNTs at about 200 to 350°C, and the second stage of decomposition of MWCNTs at 350 to 600°C. It can have a pattern with weight loss. In addition, according to the analysis of the FT-IR spectrum, chitosan and multi-walled carbon nanotubes have characteristics that include all of the characteristics of the FT-IR spectrum.

습도센서는 기판의 상면에 전극을 증착하여 전극모양으로 패턴을 형성하고 습도(수분)의 양에 따라 전자전달반응이 발생하여 전기전도도의 변화를 측정하는 것일 수 있다. 바람직하게 도 1의 (b)와 같이 통상의 상업적 습도 센서의 구조를 가질 수 있다.The humidity sensor may measure a change in electrical conductivity by depositing an electrode on an upper surface of a substrate to form a pattern in the shape of an electrode, and generating an electron transfer reaction according to an amount of humidity (moisture). Preferably, it may have a structure of a conventional commercial humidity sensor as shown in (b) of FIG. 1.

기판은 실리콘, 알루미늄 등의 통상의 기판층으로 이루어질 수 있으며, 기판층 상부에 전극이 위치한다. 이러한 전극은 키토산-다중벽 탄소나노튜브가 코팅되어 고정된 것이다.The substrate may be made of a conventional substrate layer such as silicon or aluminum, and an electrode is positioned on the substrate layer. These electrodes are fixed by coating chitosan-multi-walled carbon nanotubes.

즉, 본 발명에 따른 습도센서는 기판부;That is, the humidity sensor according to the present invention comprises a substrate;

상기 기판부 상단에 위치하는 전극부;An electrode part positioned on an upper end of the substrate part;

상기 전극부 위에 위치하며 키토산-다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 멤브레인을 포함하는 습도 센서를 제공한다.It is located on the electrode portion and provides a humidity sensor including a membrane made of chitosan-multi-walled carbon nanotubes.

상기 습도 센서는 하단에 위치되는 기판부, 상기 기판부의 윗면에 위치되며, 서로 마주보는 2개의 전극을 구비하는 전극부, 상기 전극부의 위에 위치되며, 키토산-다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 한다.The humidity sensor includes a substrate portion positioned at the bottom, an electrode portion positioned on an upper surface of the substrate portion and having two electrodes facing each other, and a membrane positioned above the electrode portion, and made of chitosan-multi-walled carbon nanotubes. Characterized in that.

전극부(100)는 서로 마주보는 2개의 전극(100)으로 이루어지되, 상기 전극들은 다수개의 가지를 갖는 전극으로 이루어지며, 상기 2개의 전극의 가지가 교대로 이격되어 놓이는 것을 특징으로 한다.The electrode unit 100 is composed of two electrodes 100 facing each other, the electrodes being made of an electrode having a plurality of branches, and the branches of the two electrodes are alternately spaced apart from each other.

이를 구체적으로 설명하자면, 도 8과 같다.To explain this in detail, it is as shown in FIG. 8.

도 8의 습도센서(10)는 전극부(100), 멤브레인(membrane)(101), 및 기판부(102)를 포함한다.The humidity sensor 10 of FIG. 8 includes an electrode portion 100, a membrane 101, and a substrate portion 102.

기판부(102)는 습도센서의 맨 하단에 위치하는 것으로, 실리콘, 알루미늄 등으로 이루어질 수 있다. 기판부(102)의 윗면에 전극부(100)을 구비한다.The substrate portion 102 is positioned at the bottom of the humidity sensor and may be made of silicon, aluminum, or the like. The electrode part 100 is provided on the upper surface of the substrate part 102.

멤브레인(101)은 습도의 측정을 위한 것으로, 키토산-다중벽 탄소나노튜브를 포함한다. 멤브레인(101)의 제일 밑면은 전극과 결합되도록 이루어진다. 멤브레인(101)의 저면은 전극부(100)과 접촉되어 있다.The membrane 101 is for measuring humidity, and includes chitosan-multi-walled carbon nanotubes. The bottom surface of the membrane 101 is made to be coupled to the electrode. The bottom surface of the membrane 101 is in contact with the electrode part 100.

전극부(100)는 기판부(102) 상단과 멤브레인(101)의 저면의 사이에 위치된다. 전극부(100)는 멤브레인(101)의 저면의 양측으로부터 임피던스 분석기(103)에 연결되기 위한 접촉부(sheet, bond pad)(104)를 더 구비한다. 전극부(100)의 전극은 철, 금, 은, 동, 백금, 티타늄, 알루미늄 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 경우에 따라서 멤브레인(101)의 저면의 전극부(100)의 부분은 전극 어레이로 이루어질 수 있다.The electrode unit 100 is positioned between the upper end of the substrate unit 102 and the bottom surface of the membrane 101. The electrode unit 100 further includes a sheet (bond pad) 104 for connecting to the impedance analyzer 103 from both sides of the bottom surface of the membrane 101. The electrode of the electrode unit 100 may be at least one selected from the group consisting of iron, gold, silver, copper, platinum, titanium, aluminum, and palladium. In some cases, a portion of the electrode portion 100 on the bottom surface of the membrane 101 may be formed of an electrode array.

본 발명에 따른 습도센서는 기존의 습도센서들과 대비하여 낮은 저항, 즉 높은 전도성으로 인해 매우 작은 전압으로도 충분한 전류를 보낼 수 있어 경제적이며, 상이한 전압, 주파수, 온도에서도 높은 감도, 안정성 및 일정한 재현성을 가지는 점에서 우수한 장점을 가진다.The humidity sensor according to the present invention is economical because it can send sufficient current even with a very small voltage due to low resistance, that is, high conductivity compared to existing humidity sensors, and has high sensitivity, stability and constant stability even at different voltages, frequencies, and temperatures. It has an excellent advantage in that it has reproducibility.

또한, 30%RH 내지 100%RH의 넓은 범위에서 사용할 수 있으며, 각 습도에 따른 반응속도가 매우 빠르면서도 오차가 거의 없는 높은 재현성을 가진다. 시간에 따라서도 측정값이 매우 안정적이어서 오랜 기간 사용할 수 있다.In addition, it can be used in a wide range of 30%RH to 100%RH, and while the reaction rate according to each humidity is very fast, it has high reproducibility with little errors. The measured value is very stable over time and can be used for a long period of time.

도 1은 본 발명 실시예 1에서 제조한 나노하이브리드의 SEM 및 TEM 이미지를 나타낸 것으로, (A)는 CS-쉘/MWCNT-코어 나노하이브리드 구조의 개략도, SEM 및 TEM 이미지, (B)는 상업적인 알루미나 기반 습도센서 전극의 사진, (C)는 CS-MWCNT 나노하이브리드에 의해 코팅된 습도센서 전극의 사진 및 CS-MWCNT 나노하이브리드에 의해 상호 연결된 전극의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명 실시예 1에서 제조한 나노하이브리드의 열중량 분석도, FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 구체적으로 (A)는 CS, MWCNT, 및 CS-MWCNT의 TGA 열중량 분석도이며, (B)는 CS, MWCNT, 및 CS-MWCNT50의 FT-IT 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명 실시예 1에서 제조한 상이한 MWCNT 함량을 가지는 나노하이브리드의 상대습도 대 저항 곡선을 나타낸 것이다. 구체적으로 (A)는 MWCNT 함량이 각각 0, 25, 50, 75, 90%일 때의 상대습도 대 저항 곡선이며, (B)는 CS-MWCNT25-코팅 센서의 코팅 횟수(3 내지 10회)에 따른 상대습도 대 저항 곡선이다.
도 4는 본 발명 실시예 1에서 제조한 습도센서의 금 전극의 FE-SEM 이미지 및 EDS 스펙트럼을 나타낸 것이다. (A)는 CS-MWCNT 나노하이브리드가 고정되기 이전의 금 전극의 것이며, (B)는 CS-MWCNT 나노하이브리드가 고정된 금 전극의 것이다.
도 5는 (A) 0.1 V, 0.5 V, 1.0 V, 1.25 V의 상이한 전압, (B) 0.1 내지 100 kHZ의 상이한 주파수, (C) 10℃, 25℃, 40℃의 상이한 온도에서의 CS-MWCNT25 센서의 상대습도 대 저항 곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 25℃에서 30%에서 100%RH로 습도가 변화할 때의 CS-MWCNT25 센서의 (A) 습도 히스테리시스 곡선, (B) 동적 과도 응답을 나타낸 것이다.
도 7은 CS-MWCNT25 습도센서의 25℃에서, 50%, 70%, 및 90% RH에서의 장기 안정성을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 습도센서를 설명하기 위한 도이다.
1 is a SEM and TEM image of the nanohybrid prepared in Example 1 of the present invention, (A) is a schematic diagram of a CS-shell/MWCNT-core nanohybrid structure, SEM and TEM images, (B) is a commercial alumina A photograph of the base humidity sensor electrode, (C) shows a photograph of a humidity sensor electrode coated by a CS-MWCNT nanohybrid and an SEM image of an electrode interconnected by a CS-MWCNT nanohybrid.
2 is a thermogravimetric analysis diagram, FT-IR spectrum of the nanohybrid prepared in Example 1 of the present invention. Specifically, (A) is a TGA thermogravimetric analysis diagram of CS, MWCNT, and CS-MWCNT, and (B) is an FT-IT spectrum of CS, MWCNT, and CS-MWCNT50.
3 is a graph showing the relative humidity versus resistance curves of nanohybrids having different MWCNT contents prepared in Example 1 of the present invention. Specifically, (A) is the relative humidity versus resistance curve when the MWCNT content is 0, 25, 50, 75, 90%, respectively, and (B) is the number of coatings (3 to 10 times) of the CS-MWCNT25-coated sensor. Is the relative humidity versus resistance curve.
Figure 4 shows the FE-SEM image and EDS spectrum of the gold electrode of the humidity sensor prepared in Example 1 of the present invention. (A) is the gold electrode before the CS-MWCNT nanohybrid is fixed, and (B) is the gold electrode to which the CS-MWCNT nanohybrid is fixed.
5 shows (A) different voltages of 0.1 V, 0.5 V, 1.0 V, 1.25 V, (B) different frequencies of 0.1 to 100 kHZ, (C) CS- at different temperatures of 10° C., 25° C., 40° C. It shows the relative humidity versus resistance curve of the MWCNT25 sensor.
6 shows the (A) humidity hysteresis curve and (B) dynamic transient response of the CS-MWCNT25 sensor when the humidity changes from 30% to 100%RH at 25°C.
7 shows the long-term stability at 25° C., 50%, 70%, and 90% RH of the CS-MWCNT25 humidity sensor.
8 is a diagram for explaining a humidity sensor according to the present invention.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 제조Example 1. Fabrication of core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

실시예 1-1. 재료Example 1-1. material

다중벽 탄소나노튜브 (이하에서 MWCNT로 표기, > 95%, 20 - 30 nm 외경, 10 - 30 μm 길이)와 키토산 (CS) (저분자량, 탈아세틸화도 75 - 85%, 50,000 - 190,000 Da)은 EM-Power (창원, 한국) 및 Sigma-Aldrich (세인트루이스, MA, 미국)로부터 각각 구매하였다. 사용하기 전에 1일 동안 순수 (pristiine) MWCNT를 5 N의 HCl 용액에서 환류시키고, 탈이온수 (deionized water)로 세척하였다. Sigma-Aldrich에서 구입한, 빙초산, NH4OH, 및 유기 용매를 포함하는, 모든 화학 물질은 분석 등급이었으며 추가 정제 없이 사용하였다.Multi-walled carbon nanotubes (hereinafter referred to as MWCNT,> 95%, 20-30 nm outer diameter, 10-30 μm length) and chitosan (CS) (low molecular weight, degree of deacetylation 75-85%, 50,000-190,000 Da) Was purchased from EM-Power (Changwon, Korea) and Sigma-Aldrich (St. Louis, MA, USA), respectively. Prior to use, for 1 day, pristiine MWCNT was refluxed in 5 N HCl solution and washed with deionized water. All chemicals, including glacial acetic acid, NH 4 OH, and organic solvents, purchased from Sigma-Aldrich, were of analytical grade and were used without further purification.

실시예 1-2. 코어-쉘 구조의 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드의 제조Example 1-2. Fabrication of core-shell structured chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrids

750 (500, 250) mg 키토산을 100 ml의 아세트산 (1 v/v%)에 용해시켜 키토산 용액을 제조하였다. 그 후, 호모지나이저 (homogenizer) (NanoDeBee 45-3, Bee International, Massachusetts state/South Easton, 미국)를 사용하여 250 (500, 750) mg MWCNT를 키토산 용액에 균질화시켰다. 1 N 암모니아 용액을 떨어뜨려 산성 CS-MWCNT 용액을 서서히 중화시킨 후, 무기 부생성물을 포함해 가능한 작은 분자들을 제거하기 위해 멤브레인 튜브로 12,000 내지 14,000 Da (Spectrum Laboratories, Savannah, GA, 미국)의 분자량 컷오프 (cutoff)에서 탈이온수에 대해 3일 동안 투석하였다.A chitosan solution was prepared by dissolving 750 (500, 250) mg chitosan in 100 ml of acetic acid (1 v/v%). Then, 250 (500, 750) mg MWCNT was homogenized in chitosan solution using a homogenizer (NanoDeBee 45-3, Bee International, Massachusetts state/South Easton, USA). After dropping 1 N ammonia solution to neutralize the acidic CS-MWCNT solution slowly, a molecular weight of 12,000 to 14,000 Da (Spectrum Laboratories, Savannah, GA, USA) is used with a membrane tube to remove possible small molecules including inorganic by-products. Dialysis was performed for 3 days against deionized water at the cutoff.

각 MWCNT 분자가 코어-쉘 구조로 키토산 분자에 의해 싸여진 (wrapped) CS-MWCNT 복합체는 표 1과 같은 조성비로 제조되었다:Each MWCNT molecule is a core-shell structure wrapped by chitosan molecules (wrapped) CS-MWCNT complex was prepared in the composition ratio as shown in Table 1:

Figure 112019050208560-pat00001
Figure 112019050208560-pat00001

실시예 1-3. 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드를 포함하는 습도센서의 제조Example 1-3. Fabrication of humidity sensor containing chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid

금 전극의 표면을 먼저 초음파로 탈이온수에서 30초 동안 세척하였다. 그 다음, 금 전극을 HCl/H2O2 (v/v = 1/1) 혼합물에 10초 동안 침지시키고, 증류수로 헹구고 60℃에서 건조시켰다. 세척된 금 전극에 CS-MWCNT 용액 10 μl을 적가하고 60℃에서 건조시켜 CS-MWCNT 나노하이브리드를 금 전극의 표면에 고정시켰다. 이 과정을 수회 반복하였다. 이렇게 생성된 CS-MWCNT 코팅된 전극을 물 및 무수에탄올 (absolute ethanol)로 헹구어 무기 부생성물을 포함해 가능한 한 작은 분자를 제거하였다.The surface of the gold electrode was first washed with ultrasonic waves for 30 seconds in deionized water. Then, the gold electrode was immersed in a mixture of HCl/H 2 O 2 (v/v = 1/1) for 10 seconds, rinsed with distilled water, and dried at 60°C. 10 μl of the CS-MWCNT solution was added dropwise to the washed gold electrode and dried at 60° C. to fix the CS-MWCNT nanohybrid on the surface of the gold electrode. This process was repeated several times. The resulting CS-MWCNT-coated electrode was rinsed with water and absolute ethanol to remove as small molecules as possible, including inorganic by-products.

실시예 1-4. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 형태 분석Example 1-4. Shape analysis of core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

CS-MWCNT 나노하이브리드 샘플의 형태학적 이미지는 고해상도 투과 전자 현미경 (HR-TEM; JEOL Ltd, JEM 3010, 일본) 및 분야 방사 스캐닝 전자 현미경 검사 (FE-SEM; TESCAN, MIRA LMH 현미경, Tescan, 체코 공화국)을 사용하여 얻었다. SEM 연구는 분석 전에 10 nm의 Pt 층으로 스퍼터-코팅된 샘플을 사용하여 수행하였다.Morphological images of CS-MWCNT nanohybrid samples were obtained by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM; JEOL Ltd, JEM 3010, Japan) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM; TESCAN, MIRA LMH microscopy, Tescan, Czech Republic). ). SEM studies were performed using samples sputter-coated with a 10 nm Pt layer prior to analysis.

상기 실시예 1-2 및 1-3에 따라 제조된 키토산-다중벽 탄소나노튜브의 형태학적 이미지를 도 1에 나타내었다.The morphological images of chitosan-multi-walled carbon nanotubes prepared according to Examples 1-2 and 1-3 are shown in FIG. 1.

도 1의 (A)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 저항 습도센서로서 사용되는 CS-MWCNT 나노하이브리드는 pH-조절에 의해 제조된 MWCNT-코어/CS-쉘 구조를 가진다. CS-MWCNT25의 경우, 개별 MWCNT 분자를 감싸는 (wrapped) CS 층의 평균 두께가 TEM 이미지에서 5.08 ± 0.136 nm로 측정되었다. 또한, CS-MWCNT50 및 CS-MWCNT75에서 감싸인 CS 층의 두께는 각각 3.22 ± 0.116 및 1.22 ± 0.102 nm였다.As can be seen in (A) of FIG. 1, the CS-MWCNT nanohybrid used as a resistive humidity sensor has an MWCNT-core/CS-shell structure prepared by pH-control. In the case of CS-MWCNT25, the average thickness of the CS layer wrapped around individual MWCNT molecules was measured as 5.08 ± 0.136 nm in the TEM image. In addition, the thickness of the CS layer wrapped in CS-MWCNT50 and CS-MWCNT75 was 3.22 ± 0.116 and 1.22 ± 0.102 nm, respectively.

도 1 (B)는 10.0 mmХ5.0 mm의 직사각형 모양을 가진 전기 저항 마이크로 칩이 금적층판 (gold clad laminate) (10 μm 두께)을 사용하여 포토리소그래피로 패턴된 알루미나 기판 기반의 상업적 습도센서를 보여준다.Figure 1 (B) shows a commercial humidity sensor based on an alumina substrate patterned by photolithography using a gold clad laminate (10 μm thickness) in which an electrical resistance microchip having a rectangular shape of 10.0 mmХ5.0 mm is used. .

CS-MWCNT 복합체 습도 민감 필름은 그림 1 (C)에 나타난 바와 같이, 수소 결합에 의해 알루미나 기판에 물리적으로 밀착되었다. SEM 이미지는 CS-MWCNT 나노하이브리드에 의해 양극 및 음극 모두가 성공적으로 고정될 수 있음을 보여주고, 전극의 고정과 상호 연결되어 있음을 확인하였다.The CS-MWCNT composite moisture-sensitive film was physically adhered to the alumina substrate by hydrogen bonding, as shown in Fig. 1(C). SEM images showed that both the positive and negative electrodes can be successfully fixed by the CS-MWCNT nanohybrid, and it was confirmed that the electrodes were fixed and interconnected.

실시예 2.Example 2. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 특성 분석Characterization of core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

열중량 분석기 (TGA; SCINCO, TGA N-1500, 한국) 및 푸리에 변환 적외선 분광분석기 (FTIR Perkin-Elmer, 스펙트럼 BXII FT-IR 분광계, 미국)를 이용하여 키토산, MWCNT 및 CS-MWCNT의 각 샘플의 정량분석 및 정성분석을 하였다.Each sample of chitosan, MWCNT and CS-MWCNT was analyzed using a thermogravimetric analyzer (TGA; SCINCO, TGA N-1500, Korea) and a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR Perkin-Elmer, spectrum BXII FT-IR spectrometer, USA). Quantitative analysis and qualitative analysis were performed.

TGA 측정을 위해, 대기 하 25 내지 900℃ 범위의 온도에서 10℃/분의 속도로 샘플 (5 ± 0.1 mg)을 가열하였다. 4cm-1 해상도에서 16 스캔을 사용하여 400 내지 4000cm-1의 스펙트럼 범위에서 KBr 펠렛 조건으로 FTIR 스펙트럼을 기록하였다.For TGA measurements, samples (5±0.1 mg) were heated at a rate of 10° C./min at a temperature ranging from 25 to 900° C. under air. And at 4cm -1 resolution using 16 scans were recorded as KBr pellets FTIR spectrum condition in a spectrum range of 400 to 4000cm -1.

TGA의 결과를 도 2의 (A)에, FT-IR의 결과를 도 2의 (B)에 나타내었다.The results of TGA are shown in Fig. 2(A), and the results of FT-IR are shown in Fig. 2(B).

도 2의 (A)는 MWCNT, CS 및 CS-MWCNT50의 열 분해 패턴을 보여준다. MWCNT 샘플은 근처의 600℃ 근방 이전에는 큰 질량 손실을 겪지 않지만, 600 내지 900℃의 온도 범위에서 급격한 중량 손실을 보이는 전형적인 열분해 패턴을 보여준다. 이러한 전형적인 중량 손실 패턴은 MWCNT 표면상의 무질서하거나 무정형의 탄소의 초기 분해 및 결정화된 탄소체의 2차 연소로 인한 것이다. 순수한 키토산은 200 내지 300℃의 범위에서 다당류 사슬이 글루코사민 단위로 분해되고, 300 내지 650℃에서 글루코사민 단위의 산화적 분해가 발생하는 2단계로 진행되었다. CS-MWCNT 나노하이브리드 샘플은 약 200 내지 350℃에서 MWCNT의 표면을 싸고 있는 CS의 손실로 발생하는 첫 단계, 및 350 내지 600℃에서 MWCNT의 분해가 발생하는 두 번째 단계에 상응하는 2단계의 중량 손실을 명확하게 보여준다.Figure 2 (A) shows the thermal decomposition pattern of MWCNT, CS and CS-MWCNT50. The MWCNT samples do not experience significant mass loss before the vicinity of 600° C., but show a typical pyrolysis pattern with rapid weight loss in the temperature range of 600 to 900° C. This typical weight loss pattern is due to the initial decomposition of the disordered or amorphous carbon on the surface of the MWCNT and the secondary combustion of the crystallized carbon body. Pure chitosan proceeded in two stages in which polysaccharide chains were decomposed into glucosamine units in the range of 200 to 300°C, and oxidative decomposition of glucosamine units occurred at 300 to 650°C. The CS-MWCNT nanohybrid sample has a weight of two steps corresponding to the first step caused by the loss of CS surrounding the surface of the MWCNT at about 200 to 350 °C, and the second step in which decomposition of the MWCNT occurs at 350 to 600 °C. Show losses clearly.

도 2의 (B)는 400 내지 4000 cm-1의 범위에서 전구 물질로 사용된 MWCNT 및 CS의 스펙트럼과 CS-MWCNT 나노하이브리드의 FT-IR 스펙트럼의 비교 결과를 보여준다. MWCNT는 MWCNT의 방향족 고리에 대한 1560 및 1478 cm-1에서 특징적인 피크를 보였다. CS의 스펙트럼은 3460 및 1690 cm-1에서 O-H 및 C=O 신축 진동에 대한 주요 밴드를 갖는다. 두 가지 성분과 관련된 이러한 특징적인 피크는 CS-MWCNT 스펙트럼 내에서 명확하게 관찰되었는데, 예를 들어 주로 CS 부분의 O-H 신축에 대한 약 3456 cm-1 및 C=O 신축에 대한 약 1658 cm-1 및 MWCNT 부분의 방향족 고리에 대한 약 1575 cm-1에서 피크가 관찰되었다.2B shows a comparison result of the spectrum of MWCNT and CS used as precursors in the range of 400 to 4000 cm -1 and the FT-IR spectrum of the CS-MWCNT nanohybrid. MWCNT showed characteristic peaks at 1560 and 1478 cm -1 for the aromatic ring of MWCNT. The spectrum of CS has major bands for OH and C=O stretching vibrations at 3460 and 1690 cm -1. These characteristic peaks related to the two components were clearly observed within the CS-MWCNT spectrum, for example about 3456 cm -1 for the OH stretch of the CS portion and about 1658 cm -1 for the C=O stretch, and A peak was observed at about 1575 cm -1 for the aromatic ring of the MWCNT moiety.

실시예 3.Example 3. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 선형성 분석Linearity analysis of core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

습도 및 온도 제어기 (Jeio Tech, 모델 TM-NFM-L, 한국)를 사용하여 다양한 온도에서 상대습도 (RH)를 측정하였다. 저항은 LCR 미터 (EDC-1635 모델)로 측정하고 임피던스 분석기 (HP 4194)로 임피던스를 측정하였다.Relative humidity (RH) was measured at various temperatures using a humidity and temperature controller (Jeio Tech, model TM-NFM-L, Korea). Resistance was measured with an LCR meter (EDC-1635 model) and impedance was measured with an impedance analyzer (HP 4194).

습도에 대한 CS-MWCNT 센서 필름의 감도 S가 방정식으로부터 계산되었다:The sensitivity S of the CS-MWCNT sensor film to humidity was calculated from the equation:

S = △R/R0/△(% RH) (1)S = △R/R 0 /△(% RH) (1)

상기 식에서, △R/R0 = (RRH - R0)/R0는 저항 변화, R0는 장치의 초기 저항 값, 및 RRH는 상이한 RH 값에 노출되었을 때의 정상 상태 (steady state)저항이다.In the above equation, ΔR/R 0 = (R RH -R 0 )/R 0 is the resistance change, R 0 is the initial resistance value of the device, and R RH is the steady state when exposed to different RH values. Resistance.

그 결과를 도 3 및 표 2에 나타내었다.The results are shown in Fig. 3 and Table 2.

도 3의 (A)는 습도의 함수로서 상이한 MWCNT 농도 (0 내지 90)를 갖는 센서 물질 (CS 및 CS-MWCNT25 내지 90)의 저항을 도시한다. 순수한 CS 필름의 곡선은 RH 증가에 따라 높은 비선형성 및 음의 기울기 (dR/dRH < 0)을 나타낸다. 30 내지 100%의 상이한 RH 범위에서 순수한 CS 습도센서의 저항 변화가 매우 컸다. 예를 들어 70에서 30 MΩ으로의 급격한 감소가 있었다. 순수한 CS와 달리, CS-MWCNT 습도센서의 곡선은 순수한 CS (약 12 내지 18 Ω)에 비해 극히 낮은 저항 값에서 RH의 비선형 함수 및 양의 기울기 (dR/dRH > 0)을 나타냈다.3A shows the resistance of sensor materials (CS and CS-MWCNT25 to 90) with different MWCNT concentrations (0 to 90) as a function of humidity. The curve of the pure CS film shows high nonlinearity and negative slope (dR/dRH <0) with increasing RH. The resistance change of the pure CS humidity sensor was very large in the different RH range of 30-100%. For example, there was a sharp decrease from 70 to 30 MΩ. Unlike pure CS, the curve of the CS-MWCNT humidity sensor showed a nonlinear function of RH and a positive slope (dR/dRH> 0) at extremely low resistance values compared to pure CS (about 12 to 18 Ω).

Figure 112019050208560-pat00002
Figure 112019050208560-pat00002

도 3의 (A) 및 표 2는 테스트된 센서 물질 중에서 CS-MWCNT25 나노하이브리드 필름이 가장 높은 감도 및 선형성을 갖는 것을 명백하게 보여주었다.3A and Table 2 clearly show that the CS-MWCNT25 nanohybrid film has the highest sensitivity and linearity among the tested sensor materials.

코팅 횟수 (3 내지 10회)에 따라 RH의 함수로서 CS-MWCNT25 필름의 저항 값을 시험하여 도 3의 (B) 및 표 2에 나타냈다.The resistance value of the CS-MWCNT25 film as a function of RH according to the number of coatings (3 to 10 times) was tested and shown in Fig. 3(B) and Table 2.

도 3의 (B) 및 표 2에서 확인할 수 있듯이, 코팅 수가 적을수록 더 높은 감도를 보였다. 기존의 잘 알려진 저항형의 습도센서가 매우 높은 저항으로 인해 매우 낮은 감도를 나타낸 반면, 센서 물질 CS-MWCNT25은 30 내지 100%의 전체 RH 범위에서 매우 우수한 성능을 보였다. 습기-감지 성능에서 CS-MWCNT25의 개선은 MWCNT 코어/CS 쉘 구조에서 개별 MWCNT 분자에 CS 분자를 코팅함으로써 MWCNT 표면에서 물 분자의 표면적 및 작용기의 증가로 인한 것일 수 있다.As can be seen in (B) and Table 2 of FIG. 3, the smaller the number of coatings, the higher the sensitivity was. While the conventional well-known resistive humidity sensor exhibited very low sensitivity due to its very high resistance, the sensor material CS-MWCNT25 showed very good performance in the entire RH range of 30 to 100%. The improvement of CS-MWCNT25 in moisture-sensing performance may be due to an increase in the surface area and functional groups of water molecules on the MWCNT surface by coating CS molecules on individual MWCNT molecules in the MWCNT core/CS shell structure.

실시예 4. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 전극 표면 형태의 분석Example 4. Analysis of electrode surface shape of core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

습도센서의 금 전극 표면에 대한 SEM 분석을 CS-MWCNT 나노하이브리드를 코팅하기 전과 후에 수행하였다. CS-MWCNT가있는 전극과 없는 전극은 에너지 분산형 X-선 분광법 (EDS: BRUKER, Quantax, 미국)을 이용한 정성분석을 통하여 특성을 확인하였다. EDS 분석은 125eV 및 SDD 타입의 해상도 조건에서 수행하였다.SEM analysis of the gold electrode surface of the humidity sensor was performed before and after coating the CS-MWCNT nanohybrid. The characteristics of the electrodes with and without CS-MWCNT were confirmed through qualitative analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS: BRUKER, Quantax, USA). EDS analysis was performed under conditions of 125 eV and SDD type resolution.

그 결과를 도 4에 나타내었다.The results are shown in FIG. 4.

도 4의 (A)는 매우 독특한 비표면적을 가진 금 입자 (약 1 내지 2 μm)의 부드러운 형태를 나타내는 빈(blank) 금 전극 표면을 나타낸다.4A shows a blank gold electrode surface showing a smooth shape of gold particles (about 1 to 2 μm) having a very unique specific surface area.

도 4의 (B)는 CS-MWCNT 나노하이브리드를 코팅한 후, 고밀도로 상호 연결된 CS-MWCNT 나노하이브리드 섬유의 고정으로 인해 금 전극 표면이 분명히 거칠게 변했음을 보여준다. 고밀도 CS-MWCNT 네트워킹과 금 전극 표면에 강한 부착은 CS-MWCNT 나노하이브리드 섬유에서 전기 저항의 미세한 변화가 발생할 때 전기 정보가 금 전극으로 효과적으로 전달될 수 있음을 보여준다. 더욱이, CS-MWCNT로 코팅된 금 전극의 SEM 이미지는 코팅 전과 유사한 3차원 형태를 나타내어, 습도 흡착에 여전히 큰 비표면적이 필요함을 보여준다. 모든 MWCNT를 연결시킬 뿐만 아니라 MWCNT를 금 전극 표면에 강하게 부착시킬 수 있는 CS 분자는, CS의 친수성 때문에 물 분자의 흡착 과정을 촉진할 수 있다.4B shows that after coating the CS-MWCNT nanohybrid, the gold electrode surface was clearly roughened due to the fixation of the CS-MWCNT nanohybrid fibers interconnected at high density. The high-density CS-MWCNT networking and strong adhesion to the gold electrode surface show that electrical information can be effectively transferred to the gold electrode when a small change in electrical resistance occurs in the CS-MWCNT nanohybrid fiber. Moreover, the SEM image of the gold electrode coated with CS-MWCNT showed a three-dimensional shape similar to that before coating, showing that a large specific surface area is still required for moisture adsorption. CS molecules, which not only connect all MWCNTs, but also strongly attach MWCNTs to the gold electrode surface, can accelerate the adsorption process of water molecules due to the hydrophilicity of CS.

CS-MWCNT가 없는 금 전극의 EDS 스펙트럼은 주로 Au 피크를 나타내지만, CS-MWCNT를 갖는 금 전극의 스펙트럼은 CS 및 CNT의 추가 존재로 인해 C, O, N 및 Au와 관련된 다양한 피크를 보여, CS-MWCNT 나노하이브리드의 존재를 확인하였다.The EDS spectrum of the gold electrode without CS-MWCNT mainly shows Au peak, but the spectrum of the gold electrode with CS-MWCNT shows various peaks related to C, O, N and Au due to the additional presence of CS and CNT. The presence of the CS-MWCNT nanohybrid was confirmed.

실시예 5. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 저압, 주파수, 온도에 따른 저항 변화 분석Example 5. Analysis of resistance change according to low pressure, frequency, and temperature of a core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

도 5의 (A)는 습도센서에 대한 저항 대 RH의 그래프를 1 kHz에서의 전압 차이, 및 실온 (25℃)의 함수로 보여준다. 또한, 습도 (RH)로 인한 저항 변화는 이전 결과와 같이 약 12 내지 19 Ω로 나타났다. 상이한 전압 (0.1 V, 0.5 V, 1.0 V 및 1.25 V)에 의한 습도센서의 저항과 관련하여 차이가 나타나지는 않았다.5A shows a graph of the resistance versus RH for the humidity sensor as a function of the voltage difference at 1 kHz, and room temperature (25° C.). In addition, the change in resistance due to humidity (RH) was found to be about 12 to 19 Ω as in the previous results. There was no difference with respect to the resistance of the humidity sensor with different voltages (0.1 V, 0.5 V, 1.0 V and 1.25 V).

폴리머 습도센서의 응답을 결정짓는 또 다른 중요한 요인은 테스트 진동수이다. 도 5의 (B)에서, 상이한 시험 진동수는 1.0 V 및 실온 (25℃)에서의 모든 습도 수준에서 CS-MWCNT25 나노하이브리드의 임피던스에 차이를 나타내지 않는다. 이것은 나노하이브리드가 시험 전압 및, RH 30% 내지 100%의 범위에서의 진동수와 독립적이라는 것을 의미한다. 이 결과는 CS-MWCNT 습도센서가 전압 및 진동수의 영향을 받지 않음을 나타낸다. 따라서 이 센서는 이러한 가변 요소에 관계없이 광범위하게 사용할 수 있다.Another important factor that determines the response of the polymer humidity sensor is the test frequency. In Fig. 5B, the different test frequencies do not show a difference in the impedance of the CS-MWCNT25 nanohybrid at 1.0 V and all humidity levels at room temperature (25° C.). This means that the nanohybrid is independent of the test voltage and frequency in the range of RH 30% to 100%. This result indicates that the CS-MWCNT humidity sensor is not affected by voltage and frequency. Therefore, this sensor can be used in a wide range regardless of these variable factors.

CS-MWCNT 습도센서의 감지 곡선을 1.0 V 및 1 kHz의 상이한 온도 (10℃, 25℃, 및 40℃)에서 조사하였고, 그 결과를 도 5의 (C)에 나타내었다.The detection curves of the CS-MWCNT humidity sensor were investigated at different temperatures (10° C., 25° C., and 40° C.) of 1.0 V and 1 kHz, and the results are shown in FIG. 5(C).

온도는 일반적으로 폴리머 기반 습도센서의 습도 응답에 영향을 준다. CS-MWCNT 나노하이브리드는 온도가 증가함에 따라 임피던스가 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 CS 기반 습도센서에서도 마찬가지였다. 온도에 따라 상이한 저항을 가지는 이러한 특성은 전기 저항 습도센서에 적용되는 단점 중 하나이다. 그러나, CS-MWCNT25의 온도 계수는 표 3에서와 같이 0.187%RH/℃의 낮은 온도 의존성을 보였으며, 온도의 영향은 오차 범위 내에서 무시할 수 있는 정도였다. 따라서 CS-MWCNT25 나노하이브리드 기반의 습도센서는 온도에 관계없이 광범위하게 사용될 수 있다.Temperature generally affects the humidity response of polymer-based humidity sensors. The CS-MWCNT nanohybrid showed that the impedance decreased as the temperature increased, which was the same for the CS-based humidity sensor. This characteristic, which has a different resistance depending on temperature, is one of the disadvantages applied to the electric resistance humidity sensor. However, the temperature coefficient of CS-MWCNT25 showed a low temperature dependence of 0.187%RH/℃ as shown in Table 3, and the influence of temperature was negligible within the error range. Therefore, the CS-MWCNT25 nanohybrid-based humidity sensor can be widely used regardless of temperature.

실시예 6. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 히스테리시스 및 동적 과도 응답 분석Example 6. Analysis of hysteresis and dynamic transient response of a core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

CS-MWCNT25 센서의 임피던스는 상대습도 (RH%)가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 습도 감지 물질을 증가 또는 감소된 RH에서 측정하였을 때, 히스테리시스 (hysteresis) 노력이 관찰되었다.It was found that the impedance of the CS-MWCNT25 sensor increases as the relative humidity (RH%) increases. When the humidity sensing material was measured at an increased or decreased RH, a hysteresis effort was observed.

도 6의 (A)에서. 습도 센싱 측정은 매 10%마다 30%에서 100%까지 5회 반복하여 측정하였다. CS-MWCNT 습도센서는 신속한 응답, 높은 감도 및 양호한 선형성과 같은 우수한 습도 감지 특성을 보였다. CS-MWCNT25 센서의 흡착 및 탈착 과정은 매우 가깝고, 상기 표 3에서와 같이, 최대 습도 히스테리시스는 0.300 ± 0.001% 미만이다.In Figure 6 (A). The humidity sensing measurement was repeated 5 times from 30% to 100% every 10%. The CS-MWCNT humidity sensor showed excellent humidity sensing characteristics such as fast response, high sensitivity and good linearity. The adsorption and desorption process of the CS-MWCNT25 sensor is very close, and as shown in Table 3 above, the maximum humidity hysteresis is less than 0.300 ± 0.001%.

응답 및 회복 거동은 습도센서의 성능을 평가하는 가장 중요한 특징 중 하나이다. 센서가 전체 임피던스 변화의 90%를 달성하는 데 걸린 시간을 응답 및 회복 시간으로 정의했다. 도 6의 (B)는 25℃의 30%에서 100% RH 사이에서 CS-MWCNT 습도센서의 응답 및 회복 특성을 보여준다. RH를 30%에서 100% RH로 증가시키면 CS-MWCNT25 습도센서의 응답 시간이 30초 미만이다. RH가 100%에서 30%로 감소하면 회복 시간은 약 40초이다.Response and recovery behavior is one of the most important features for evaluating the performance of a humidity sensor. The time it took for the sensor to achieve 90% of the total impedance change was defined as the response and recovery time. 6B shows the response and recovery characteristics of the CS-MWCNT humidity sensor between 30% and 100% RH at 25°C. If the RH is increased from 30% to 100% RH, the response time of the CS-MWCNT25 humidity sensor is less than 30 seconds. When the RH decreases from 100% to 30%, the recovery time is about 40 seconds.

도 6에 나타난 바와 같이, CS-MWCNT25 습도센서는 초고속 응답 시간, 양호한 안정성 및 양호한 선형성과 같은 매우 우수한 감지 특성을 나타낸다.As shown in FIG. 6, the CS-MWCNT25 humidity sensor exhibits very good sensing characteristics such as ultra-fast response time, good stability and good linearity.

실시예 7. 코어-쉘 키토산-다중벽 탄소나노튜브 습도센서의 장기 안정성 분석Example 7. Long-term stability analysis of core-shell chitosan-multi-walled carbon nanotube humidity sensor

습도센서가 장시간 사용되었을 때, 습도센서의 감지 특성은 현저하게 저하되었다. 안정성은 습도 감지 특성의 중요한 매개 변수이다. 안정성을 테스트하기 위해, 센서를 50%, 70%, 90% RH 및 25℃에서 2개월 이상 유지한 후, 다양한 RH 수준에서 저항 이동을 측정하였다.When the humidity sensor has been used for a long time, the sensing characteristics of the humidity sensor are markedly deteriorated. Stability is an important parameter of humidity sensing properties. To test the stability, the sensor was held at 50%, 70%, 90% RH and 25° C. for at least 2 months, and then the resistance shift was measured at various RH levels.

그 결과를 도 7에 나타내었다.The results are shown in FIG. 7.

도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 저항 변화 대 시간 곡선은 모든 RH 범위에서 평평해졌다. 심각한 변동은 나타나지 않았으며 데이터는 양호한 일관성을 나타내어, CS-MWCNT25 습도센서의 양호한 안정성을 직접적으로 확인하였다.As can be seen in Fig. 7, the resistance change versus time curve flattened across all RH ranges. No significant fluctuations were observed and the data showed good consistency, directly confirming the good stability of the CS-MWCNT25 humidity sensor.

위 결과들을 기초로 본 발명에 따른 습도센서는 상이한 전압, 주파수, 온도에서도 높은 감도 및 안정성을 보임으로써 광범위한 조건에서 사용될 수 있다.Based on the above results, the humidity sensor according to the present invention can be used in a wide range of conditions by showing high sensitivity and stability even at different voltages, frequencies, and temperatures.

본 발명에 따른 습도센서의 성능을 다음과 같이 정리할 수 있다.The performance of the humidity sensor according to the present invention can be summarized as follows.

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Figure 112019050208560-pat00003

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later rather than the above detailed description and equivalent concepts are included in the scope of the present invention.

Claims (11)

(a) 키토산을 산성 용액에 용해하여 키토산 용액을 제조하는 단계;
(b) 다중벽 탄소나노튜브를 상기 키토산 용액에 균질화시키는 단계;
(c) 상기 (b)에서 제조된 산성 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 중화하고 투석하여 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 (c)에서 제조된 키토산-다중벽 탄소나노튜브 용액을 전극에 적가하고 건조시켜 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드를 전극에 고정시키는 단계;를 포함하고,
단계 (d)의 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드는 탄소나노튜브 코어가 키토산 쉘로 둘러싸인 코어쉘 구조를 갖는 것인, 습도센서 제조방법.
(a) dissolving chitosan in an acidic solution to prepare a chitosan solution;
(b) homogenizing the multi-walled carbon nanotubes in the chitosan solution;
(c) neutralizing the acidic chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared in (b) and dialysis to prepare a chitosan-multi-walled carbon nanotube solution; And
(d) adding the chitosan-multi-walled carbon nanotube solution prepared in (c) dropwise to the electrode and drying to fix the chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid to the electrode; Including,
The chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid of step (d) is that the carbon nanotube core has a core-shell structure surrounded by a chitosan shell.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 키토산 및 다중벽 탄소나노튜브의 중량비가 10:90 내지 75:25인, 습도센서 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (b), the weight ratio of chitosan and multi-walled carbon nanotubes is 10:90 to 75:25, a method for manufacturing a humidity sensor.
제1항에 있어서,
상기 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 20 내지 30 nm이고, 길이가 10 내지 30 μm이며,
상기 키토산은 탈아세틸화도가 75 내지 85%이고, 분자량이 5만 내지 19만 달톤인, 습도센서 제조방법.
The method of claim 1,
The multi-walled carbon nanotube has a diameter of 20 to 30 nm, a length of 10 to 30 μm,
The chitosan has a degree of deacetylation of 75 to 85%, and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Daltons, a humidity sensor manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 산성 용액은 아세트산 수용액, 포름산 수용액, TFA (trifluoracetic acid), 염산, 황산, 인산 및 질산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 용매인 것인, 습도센서 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (a), the acidic solution is any one or more solvents selected from the group consisting of an aqueous acetic acid solution, an aqueous formic acid solution, trifluoracetic acid (TFA), hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and nitric acid.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서의 중화는,
암모니아 용액, 수산화나트륨 용액, 수산화칼륨 및 수산화칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 용액을 처리하여 중화하는 것인, 습도센서 제조방법.
The method of claim 1,
The neutralization in step (c),
To neutralize by treating any one or more solutions selected from the group consisting of ammonia solution, sodium hydroxide solution, potassium hydroxide and calcium hydroxide.
제1항에 있어서,
상기 전극은 철, 금, 은, 동, 백금, 티타늄, 알루미늄 및 팔라듐으로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어지는 전극인, 습도센서 제조방법.
The method of claim 1,
The electrode is an electrode consisting of at least one selected from the group consisting of iron, gold, silver, copper, platinum, titanium, aluminum and palladium, a method for manufacturing a humidity sensor.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계 이전에 전극을 HCl/H2O2 혼합물에 5 내지 60초간 담그고, 40 내지 80℃에서 건조시키는 것을 포함하는 것인, 습도센서 제조방법.
The method of claim 1,
Before the step (d), the electrode is immersed in an HCl/H 2 O 2 mixture for 5 to 60 seconds and dried at 40 to 80°C.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 제조된 습도센서.A humidity sensor manufactured according to any one of claims 1 to 7. 제8항에 있어서,
상기 습도센서는 전기저항센서인, 습도센서.
The method of claim 8,
The humidity sensor is an electrical resistance sensor, a humidity sensor.
기판부;
상기 기판부 상단에 위치하는 전극부;
상기 전극부 위에 위치하며, 전극부의 표면에 화학 결합에 의해 고정되는 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드로 이루어진 멤브레인; 을 포함하는 습도센서로서,
상기 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드는 다중벽 탄소나노튜브 코어가 키토산 쉘로 둘러싸인 코어쉘 형태이고,
상기 전극부의 표면 상에 상기 키토산이 결합하여 키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드가 고정되는 것인, 습도 센서.
A substrate portion;
An electrode part positioned on an upper end of the substrate part;
A membrane made of chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrids positioned on the electrode part and fixed to the surface of the electrode part by chemical bonding; As a humidity sensor comprising a,
The chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid has a core-shell type in which a multi-walled carbon nanotube core is surrounded by a chitosan shell,
The chitosan is bonded to the surface of the electrode part to fix the chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrid.
제10항에 있어서,
키토산-다중벽 탄소나노튜브 나노하이브리드는 직경이 20 내지 30 nm이고, 길이가 10 내지 30 μm인 다중벽 탄소나노튜브; 및 탈아세틸화도가 75 내지 85%이고, 분자량이 5만 내지 19만 달톤인 키토산;을 포함하는 것인 습도센서.

The method of claim 10,
Chitosan-multi-walled carbon nanotube nanohybrids are multi-walled carbon nanotubes having a diameter of 20 to 30 nm and a length of 10 to 30 μm; And chitosan having a deacetylation degree of 75 to 85% and a molecular weight of 50,000 to 190,000 Daltons.

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