KR102301531B1 - 그래핀 기반 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서는, 센서 기판과, 상기 센서 기판 상의 적어도 일부에 배치되며 이온빔에 의해 형성된 격자 결함을 포함하는 그래핀과, 상기 그래핀과 연결되며 상기 그래핀에 전류를 인가하는 전류인가부와 상기 인가되는 전류에 의해 발생되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함하는 전극부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 그래핀을 이용하여 가스를 탐지하는 가스 센서 및 이러한 가스 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소원자들이 육각형의 배열을 이루면서 원자 한층 두께를 갖는 투명한 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적일 뿐만 아니라, 뛰어난 광학적, 전기적, 기계적 성질 때문에 현재 많은 주목을 받고 있는 물질이다.
구체적으로, 그래핀은 단일 원자의 두께 및 흡착물질에 노출될 수 있는 극도로 큰 비표면적을 가진 이상적인 2차원적 재료이고, 또한, 금속과 같은 높은 전도도 및 낮은 전기적 노이즈를 발휘하므로, 특히 가스 센서 분야에서 용이하게 사용될 수 있을 것이라 각광받고 있다.
그래핀은 sp2 본딩을 하고 있으므로 각 탄소 원자 당 한개의 댕글링 본드(dangling bond)만이 존재하여, 가스 감지는 가스 분자와 댕글링 본드 사이의 여러 가지 결합에 의해 결정되어 민감도는 한계가 있다. 그러므로 이 한계를 극복하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 민감도가 향상된 그래핀 기반 가스 센서 및 이러한 가스 센서를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 바로 제한되지 않으며, 언급되지는 않았으나 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있는 목적을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서는, 센서 기판과, 상기 센서 기판 상의 적어도 일부에 배치되며 이온빔에 의해 형성된 격자 결함을 포함하는 그래핀과, 상기 그래핀과 연결되며 상기 그래핀에 전류를 인가하는 전류인가부와 상기 인가되는 전류에 의해 발생되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함하는 전극부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서 제조 방법은, 그래핀에 이온빔을 조사하여 가스 탐지를 위한 격자 결함을 생성하는 단계와, 상기 격자 결함이 생성된 그래핀을 기판 상에 배치하는 단계와, 전극부를 상기 격자 결함이 생성된 그래핀의 적어도 일부에 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극부는, 상기 그래핀과 연결되며 상기 그래핀에 전류를 인가하는 전류인가부와 상기 인가되는 전류에 의해 형성되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함하는를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 동작 방법은, 센서 기판 상의 적어도 일부에 배치되며 이온빔에 의해 형성된 격자 결함을 포함하는 그래핀에 전류가 인가됨에 기초하여, 상기 인가되는 전류에 의해 발생되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 단계와, 상기 인가되는 전류 및 상기 측정되는 전압에 기초하여 상기 그래핀의 저항의 변화를 감지하는 단계와, 상기 저항의 변화에 기초하여 상기 가스 센서 주변의 측정 대상 가스의 존재 여부를 판별하거나 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서는 그래핀에 격자 결함이 생성됨으로써 가스 센서의 민감도가 향상됨으로써, 보다 효과적으로 가스를 탐지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서 소량의 가스도 용이하게 탐지할 수 있어, 소량의 가스를 감지해야 하는 장치나 시설에서 보다 효율적으로 가스의 탐지를 수행할 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 구성을 개념적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 그래핀에 생성된 격자 결함의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서를 통해 가스가 탐지되는 경우의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 기능 블록도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서를 생성하는 방법의 각 단계의 흐름을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 민감도에 대한 실험 결과의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 그래핀에 생성된 격자 결함의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서를 통해 가스가 탐지되는 경우의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 기능 블록도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서를 생성하는 방법의 각 단계의 흐름을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 민감도에 대한 실험 결과의 예를 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로서 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 구성을 개념적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 그래핀 기반 가스 센서(1)는 센서 기판(10), 그래핀(20), 전극부(30)을 포함할 수 있다. 센서 기판(10)은 일반적으로 센서의 생성을 위해 베이스가 되는 기판일 수 있으며, 이에 대해서는 통상의 기술자에게 용이한 바 자세한 설명을 생략하겠다.
그래핀(20)은 센서 기판(10)의 적어도 일부 위에 배치될 수 있고, 이온빔에 의해 격자 결함이 생성된 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 그래핀(20)에 이온빔이 조사되었을 수 있고, 이에 따라 이온빔이 조사된 그래핀(20)의 적어도 일부에 격자 결함을 포함할 수 있다. 이러한 격자 결함은, 이온빔의 세기, 조사 시간 및 조사 범위 중 적어도 하나를 제어함으로써 소정 개수만큼 형성된 것일 수 있다.
격자 결함이 형성됨에 따라, 그래핀(20)과 가스 입자와의 흡착 에너지가 향상되어, 결과적으로 그래핀(20)의 가스 민감도는 보다 향상될 수 있다.
후술하겠으나, 경우에 따라, 그래핀(20)의 격자 결함의 생성을 위해 플라즈마 처리 방법을 이용할 수도 있고, 이에 따라 그래핀(20)의 격자 결함 중 일부는 플라즈마 처리에 의해 생성된 것일 수도 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니고 이온빔 이외에도 격자 결함의 생성이 가능한 다양한 방법 중 어느 하나를 추가적으로 이용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 그래핀(20)은 센서 기판(10)의 적어도 일부 위에 배치될 수 있고, 그 면적은 0.5cm2일 수 있다. 다만, 그래핀(20)의 배치는 도시된 예에 제한되는 것은 아니고 다양한 크기 또는 다양한 형태로 배치될 수 있음은 물론이다.
예를 들어, 그래핀(20)은 소형화될 수도 있고, 이에 따라 가스 센서(1)의 크기가 전체적으로 소형화될 수도 있다. 이러한 경우, 휴대폰 또는 이동가능한 형태의 다양한 장치에 포함되어 가스 탐지와 관련된 다양한 기능의 수행을 보조하는 역할을 수행할 수 있다.
전극부(30)는 그래핀(20) 상에 배치되어 그래핀(20)에 전류를 인가하는 전류인가부와 인가되는 전류에 의해 발생되는 그래핀(20)의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함할 수 있다.
도 1에서, 전류인가부는 I+와 I-에 해당하는 부분을 포함할 수 있고, 이러한 경우, 전류인가부의 I+에 +극이 연결되고 전류인가부의 I-에 -극이 연결될 수 있다. 또한, 도 1에서 전압측정부는 V+와 V-에 해당하는 부분을 포함할 수 있고, 전압측정부의 V+에 +극이 연결되고, 전압측정부의 V-에 -극이 연결될 수 있다.
이러한 경우, 전류인가부에 의해 그래핀(20)에 전류가 인가될 수 있으며, 저항측정부에 의해 V+와 V- 사이의 전압이 측정될 수 있다. 이에 따라, 인가되는 전류의 값과 측정된 전압의 값이 획득될 수 있고, 이에 기초하여 그래핀(20)의 저항이 측정될 수 있다. 예를 들어, 옴의 법칙에 전류와 전압의 값을 대입하여 그래핀(20)의 저항을 측정할 수 있다.
후술하겠지만, 그래핀(20)의 저항은 실시간 또는 소정 시간 간격으로 측정될 수 있고, 이에 따라 저항의 변화가 감지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 그래핀에 생성된 격자 결함의 예를 도시한다. 구체적으로, 도 2는 그래핀(20)을 확대하여 격자 결함이 생성되어 있는 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 그래핀(20)은 전반적으로 탄소원자들이 육각형의 배열을 이루고 있음을 알 수 있다. 다만, 그래핀(20)의 일부에는 육각형의 배열이 끊어져 있는 형태인, 격자 결함(11)이 생성되어 있음을 알 수 있다.
일반적인 그래핀(20), 즉, 결함이 없는 그래핀은 도시된 바와 같이 일부 배열이 끊어져 있는 형태를 가지지 아니하며, 하나의 댕글링 본드(dangling bond)를 포함한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(1)의 그래핀(20)은 격자 결함(11)을 포함하고 있으며, 이에 따라 기존에 존재하는 댕글링 본드 이외에 추가적인 댕글링 본드가 형성될 수 있다.
여기서, 댕글링 본드는 그래핀 원자들의 최외각 전자가 완벽하게 결합을 마치지 못하는 경우 생성되는 것으로, 통상의 기술자에게 그 의미가 알려져 있는 바 보다 구체적인 설명은 생략하겠다.
도시된 바와 같이 격자 결함을 가지는 그래핀(20)에는 가스 입자가 결합될 수 있는 공간 또는 지점이 일반적인 그래핀, 즉 결함이 없는 그래핀보다 많다. 이에 따라, 동일한 수의 가스 입자가 존재한다고 가정할 때, 결함이 없는 그래핀 보다 도시된 형태의 그래핀(20)이 가스 탐지에 대한 민감도가 더 높다.
한편, 격자 결함(11) 부분에 가스 입자가 결합되면 그래핀(20)의 저항이 변화하므로, 가스 센서(1)는 이를 이용하여 가스의 존재 여부를 탐지할 수 있고, 또한 가스의 농도를 탐지할 수도 있다.
한편, 저항의 변화는 측정 대상이 되는 가스(이하 측정 대상 가스), 즉 그래핀(20)의 주변에 존재하는 가스의 종류마다 달라질 수 있는 데, 가스 센서(1)는 복수의 가스의 종류 별로 저항의 변화에 따른 가스 존재 여부 또는 가스 농도 값에 대한 데이터를 가질 수 있다.
예를 들어, 복수의 가스에 일산화탄소가 포함되는 경우, 가스 센서(1)는 일산화탄소가 가스 센서(1) 주변에 존재하는 경우 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보 또는 일산화탄소의 농도 별 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보를 포함할 수 있다.
만약, 복수의 가스에 암모니아도 포함되는 경우, 가스 센서(1)는 암모니아가 가스 센서(1) 주변에 존재하는 경우 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보 또는 암모니아의 농도 별 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서를 통해 가스가 탐지되는 경우의 예를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 3은 그래핀(20)에 가스 입자가 결합되는 경우의 다양한 예를 도시한다.
참조번호 1a 내지 1d 각각은 그래핀(20)의 격자 결함(11)에 가스 입자(31)가 결합되는 서로 다른 경우의 예를 나타낸다. 도시된 바에 따르면, 가스 입자(31)를 구성하는 원소 중 적어도 일부는 하나가 그래핀(20)의 격자 결함이 형성된 부분에 결합될 수 있다.
한편, 가스 입자(31)가 그래핀(20)에 결합되는 형태는 도시된 바에 제한되는 것은 아니며, 다양한 방식으로 가스 입자(31)가 그래핀(20)에 결합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 기능 블록도를 도시한다. 이하, 도 4에서는 도 1 내지 도 3과 중복되는 내용이 생략될 수 있다.
도 4를 참조하면, 가스 센서(1)는 센서 기판(10), 그래핀(20), 전극부(30), 저항 감지부(40), 가스 측정부(50), 입력부(60)를 포함할 수 있다.
이하 사용되는 '…부'등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 이하 도 2의 설명에서는 도 1과 중복되는 내용은 생략될 수 있다.
센서 기판(10)은 가스 센서(1)의 다른 구성들이 배치되기 위해 베이스가 되는 구성일 수 있다. 센서 기판(10) 상에 그래핀(20), 전극부(30), 저항 감지부(40) 또는 가스 측정부(50) 중 적어도 하나의 구성이 배치될 수 있다. 센서 기판(10)과 관련하여서는 통상의 기술자에게 용이한 바 구체적인 설명은 생략하겠다.
그래핀(20)은 센서 기판(10) 상의 적어도 일부에 배치되며 이온빔에 의해 형성된 격자 결함을 포함할 수 있다. 그래핀(20)은 예를 들어 센서 기판(10)의 중앙에 센서 기판(10) 보다 작은 크기로 배치될 수 있다. 다만, 그래핀(20)의 배치는 이에 제한되는 것은 아니고 다양한 크기 또는 다양한 형태로 배치될 수 있음은 물론이다.
그래핀(20)의 격자 결함은, 진공 상태에서 그래핀(20)의 적어도 일부에 이온빔이 조사됨에 기초하여 형성된 것일 수 있다. 이러한 경우, 그래핀(20)의 결함은 랜덤하게 형성된 것일 수 있다.
여기서, 이온빔은 이온빔 장치를 이용하여 특정 분자나 원자를 이온화시켜 플라즈마 상태로 만든 후 전기장을 이용하여 이온이 가속됨에 의해 방출되는 빔을 지칭하는 것일 수 있다. 이온빔은 아르곤을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 이온빔으로 이용 가능한 다양한 종류의 이온을 포함할 수도 있다.
이와 같이, 이온빔을 이용하여 그래핀(20)에 격자 결함을 생성하는 경우, 이온빔을 제어함으로써 격자 결함을 양적으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 그래핀(20)에는 기지정된 개수(또는 기지정된 개수 범위 내)의 격자 결함이 생성될 수 있다. 보다 구체적으로, 그래핀(20)의 격자 결함은 이온빔의 세기, 조사 시간 및 조사 범위 중 적어도 하나가 제어됨에 기초하여 그 개수가 양적으로 제어될 수 있다. 한편, 이온빔의 형성 및 조사와 관련하여서는 통상의 기술자에게 용이한 바 구체적인 설명은 생략하겠다.
경우에 따라, 그래핀(20)은 플라즈마 처리에 기초하여 생성되는 격자 결함을 더 포함할 수도 있다. 플라즈마 처리는 이온빔 조사 전 또는 후 또는 순서와 무관하게 수행될 수 있다.
전극부(30)은 그래핀(20)과 연결되며 그래핀(20)에 전류를 인가하는 전류인가부와 인가되는 전류에 의해 형성되는 그래핀(20)의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전극부(30)은 센서 기판(10) 상에서 그래핀(20)과 연결되도록 형성된 것일 수 있다. 또한, 전극부(30)은 4개의 단자를 포함할 수 있으며, 각 단자에는 전류인가부의 -단자, 전류인가부의 +단자, 전압측정부의 +단자, 전압측정부의 -단자 각각이 연결될 수 있다.
저항 감지부(40)는 인가되는 전류 및 측정되는 전압에 기초하여 그래핀(20)의 저항의 변화를 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 저항 감지부(40)는 옴의 법칙에 인가되는 전류 및 측정되는 전압을 적용함으로써 저항을 산출할 수 있다. 저항 감지부(40)는 실시간으로 또는 소정 시간 간격으로 저항을 산출함으로써 저항의 변화를 감지할 수 있다.
가스 측정부(50)는 저항의 변화에 기초하여 가스 센서(1) 주변의 가스 존재 여부를 판별하거나 가스 농도를 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 가스 측정부(50)는 사용자의 입력에 기초하여 선택된 측정 대상 가스와 관련하여 기매핑된 저항의 변화값과 저항 감지부(40)에 의해 측정되는 저항의 변화값을 비교할 수 있다. 가스 측정부(50)는 이러한 비교에 기초하여 가스 센서(1)로부터 소정 거리 범위 내에 측정 대상 가스가 존재하는지 여부 또는 측정 대상 가스의 농도를 측정할 수 있다.
한편, 가스 측정부(50)는 기지정된 복수의 가스의 종류 별로, 저항의 변화값(또는 저항의 값)에 따른 가스 존재 여부 또는 가스 농도를 나타내는 값이 기매핑되어 있는 데이터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 복수의 가스에 일산화탄소가 포함되는 경우, 가스 센서(1)는 일산화탄소가 가스 센서(1) 주변에 존재하는 경우 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보 또는 일산화탄소의 농도 별 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보를 포함할 수 있다.
만약, 복수의 가스에 암모니아도 포함되는 경우, 가스 센서(1)는 암모니아가 가스 센서(1) 주변에 존재하는 경우 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보 또는 암모니아의 농도 별 가스 센서(1)의 저항 값 또는 저항의 변화 값에 대한 정보를 포함할 수 있다.
가스 측정부(50)는 이러한 데이터에 기초하여, 가스 존재 여부를 판별하거나 가스 농도를 측정할 수 있다.
입력부(60)는 측정 대상 가스의 종류 또는 측정 대상 가스의 이름에 대한 입력을 획득할 수 있다. 측정 대상 가스는 기지정된 복수의 가스 중 하나일 수 있다.
입력부(60)는 고전적인 키보드(keyboard) 혹은 마우스(mouse) 등의 입력 장치, 혹은 사용자의 물리적 동작을 통해 조작 가능한 버튼 등을 통해 구현될 수도 있고, 터치스크린 방식의 화상 장치와 일체로 구성된 터치 감지 패널을 통해 구현될 수 있다. 이에 따라, 입력부(60)에 대한 사용자의 행위란 입력부(60)에 포함된 버튼 혹은 터치 패드 등을 물리적으로 조작하는 행위를 가리킬 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 마이크(microphone)와 같은 음성 인식 장치 등의 부품이 입력부(60)에 추가적으로 포함될 수 있다.
경우에 따라, 입력부(60)는 LCD(liquid crystal display) 혹은 OLED(organic light emitting diode) 등의 장치가 될 수 있으며, 전술한 바와 같이 입력부(60)의 기능을 하는 터치 감지 패널과 일체로 구성된 터치스크린 방식의 화상 장치로 구현될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서를 생성하는 방법의 각 단계의 흐름을 도시한다. 도 5에 도시된 방법의 각 단계는 경우에 따라 도면에 도시된 바와 그 순서를 달리하여 수행될 수 있음은 물론이다.
도 5를 참조하면, 그래핀(20)에 이온빔이 조사됨에 따라 그래핀(20)에 격자 결함이 생성될 수 있다(S110). 이온빔을 이용하여 그래핀(20)에 격자 결함을 생성하는 경우, 이온빔을 제어함으로써 격자 결함을 양적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 이온빔의 세기, 조사 시간 및 조사 범위 중 적어도 하나를 기지정된 값으로 제어하는 것에 기초하여 그래핀(20)에 소정 개수만큼의 격자 결함이 생성될 수 있다.
이온빔은 예를 들어 아르곤을 포함할 수 있고, 이온빔 장치에 의해 그래핀(20)에 조사될 수 있다. 예를 들어, 이온빔 장치는 이온원에서 소정의 이온원(예: 아르곤 이온원)을 만들고, 가속관을 통해 아르곤 이온원을 가속하여 이온빔을 생성한 후, 그래핀(20)에 이온빔을 조사할 수 있다. 이러한 이온빔의 조사는 진공 상태에서 수행되는 것일 수 있다. 한편, 본 명세서 상에서 설명한 이온빔 조사 과정은 예시적으로 설명하는 것으로 이에 제한되는 것은 아니다.
경우에 따라, 그래핀(20)에 이온빔을 조사하기 전 또는 후, 또는 순서와 무관하게 플라즈마 처리가 수행될 수도 있다. 이러한 경우, 그래핀(20)에 포함되는 격자 결함 중 일부는 플라즈마 처리에 의해 생성된 것일 수 있다. 다만, 이온빔 이외에 추가적으로 격자 결함을 생성하는 방법이 플라즈마 처리에 제한되는 것은 아니고, 다양한 물리적 방법 또는 화학적 방법을 이용하여 격자 결함을 더 생성할 수도 있다.
그래핀(20)의 적어도 일부에 전극부(30)를 형성함에 기초하여, 가스 측정을 위한 가스 센서를 생성할 수 있다(S120). 구체적으로, 전극부(30)는 그래핀(20)에 전류를 인가하는 전류인가부와 인가되는 전류에 의해 형성되는 그래핀(20)의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함할 수 있다. 또한, 전극부(30)는 그래핀(20)의 적어도 일부와 연결되도록 형성되는 구성일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반 가스 센서의 민감도에 대한 실험 결과의 예를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 6은 아르곤 이온이 조사된 그래핀 기반 가스 센서(1)에 일산화탄소를 흘렸을 때 민감도를 나타낸다.
도 6의 그래프의 x축은 시간이고, y축은 저항 변화값이다. 이를 기초로, 일반적인 그래핀(P-graphene)의 경우에 비하여 아르곤이 조사된 경우(Ar 120keV, Ar 15keV)의 일산화탄소의 민감도가 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(1)는 이온빔을 이용하여 형성된 격자 결함을 포함하는 그래핀에 기초하여 보다 효율적이며 우수한 성능으로 가스를 측정 또는 탐지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(1)의 격자 결함은 이온빔을 이용하여 간단하게 생성할 수 있으며, 이러한 격자 결함의 형성은 그 넓이가 아주 작은 크기, 예를 들어 0.5cm2이하로 생성될 수 있어 다양한 장치에 포함되어 가스 측정과 관련된 다양한 분야에서 용이하게 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(1)는 소량의 가스도 용이하게 탐지할 수 있어, 소량의 가스를 감지해야 하는 장치나 시설에 설치하여 그 효용을 증대시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 가스 센서
10: 센서 기판
20: 그래핀
30: 전극부
40: 저항 감지부
50: 가스 측정부
10: 센서 기판
20: 그래핀
30: 전극부
40: 저항 감지부
50: 가스 측정부
Claims (11)
- 가스 센서에 있어서,
센서 기판과,
상기 센서 기판 상의 적어도 일부에 배치되며 이온빔에 의해 형성된 격자 결함을 포함하는 그래핀과,
상기 그래핀과 연결되며 상기 그래핀에 전류를 인가하는 전류인가부와 상기 인가되는 전류에 의해 발생되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함하는 전극부를 포함하고,
상기 격자 결함은,
상기 이온빔의 조사 시간 및 조사 범위 중 적어도 하나가 제어됨에 기초하여 소정 개수만큼 형성되고,
상기 그래핀에는 서로 상이한 방법으로 형성된 제1 격자 결함 및 제2 격자 결함이 형성되고,
상기 제1 격자 결함은 상기 그래핀의 적어도 일부에 상기 이온빔을 조사하여 형성되고,
상기 제2 격자 결함은 상기 그래핀에 이온빔을 조사하기 전 또는 후에 상기 그래핀의 나머지 일부를 플라즈마 처리하여 형성된 것이고,
상기 이온빔은 이온빔 장치를 이용하여 특정 분자나 원자를 이온화시켜 플라즈마 상태로 만든 후 전기장을 이용하여 이온의 가속됨에 의해 방출되는 빔인 그래핀 기반 가스 센서. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 인가되는 전류 및 상기 측정되는 전압에 기초하여 상기 그래핀의 저항의 변화를 감지하는 저항 감지부와,
상기 저항의 변화에 기초하여 상기 가스 센서 주변의 측정 대상 가스의 존재 여부를 판별하거나 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 가스 측정부를 포함하는
그래핀 기반 가스 센서. - 제5항에 있어서,
상기 측정 대상 가스의 종류 또는 상기 측정 대상 가스의 이름에 대한 입력을 획득하는 입력부를 더 포함하는
그래핀 기반 가스 센서. - 제6항에 있어서,
상기 가스 측정부는,
기지정된 복수의 가스의 종류 별로, 저항의 변화값에 따른 가스 존재 여부 또는 가스 농도를 나타내는 값이 기매핑되어 있는 데이터를 포함하고,
상기 기지정된 복수의 가스는 상기 측정 대상 가스를 포함하는
그래핀 기반 가스 센서. - 제7항에 있어서,
상기 가스 측정부는,
상기 획득된 입력에 기초하여, 상기 측정 대상 가스와 관련하여 기매핑된 저항의 변화값과 상기 저항 감지부에 의해 측정되는 저항의 변화값을 비교하고, 상기 비교에 기초하여 상기 가스 센서 주변에 상기 측정 대상 가스가 존재하는지 여부 또는 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는
그래핀 기반 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 이온빔은,
아르곤을 포함하는
그래핀 기반 가스 센서. - 그래핀에 이온빔을 조사하여 가스 탐지를 위한 격자 결함을 생성하는 단계와,
상기 격자 결함이 생성된 그래핀을 기판 상에 배치하는 단계와,
전극부를 상기 격자 결함이 생성된 그래핀의 적어도 일부에 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전극부는,
상기 그래핀과 연결되며 상기 그래핀에 전류를 인가하는 전류인가부와 상기 인가되는 전류에 의해 형성되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 전압측정부를 포함하고,
상기 격자 결함은,
상기 이온빔의 조사 시간 및 조사 범위 중 적어도 하나가 제어됨에 기초하여 소정 개수만큼 형성되고,
상기 그래핀에는 서로 상이한 방법으로 형성된 제1 격자 결함 및 제2 격자 결함이 형성되고,
상기 제1 격자 결함은 상기 그래핀의 적어도 일부에 상기 이온빔을 조사하여 형성되고,
상기 제2 격자 결함은 상기 그래핀에 이온빔을 조사하기 전 또는 후에 상기 그래핀의 나머지 일부를 플라즈마 처리하여 형성된 것이고,
상기 이온빔은 이온빔 장치를 이용하여 특정 분자나 원자를 이온화시켜 플라즈마 상태로 만든 후 전기장을 이용하여 이온의 가속됨에 의해 방출되는 빔인 그래핀 기반 가스 센서 제조 방법. - 그래핀 기반 가스 센서의 동작 방법에 있어서,
센서 기판 상의 적어도 일부에 배치되며 이온빔에 의해 형성된 격자 결함을 포함하는 그래핀에 전류가 인가됨에 기초하여, 상기 인가되는 전류에 의해 발생되는 상기 그래핀의 전압을 측정하는 단계와,
상기 인가되는 전류 및 상기 측정되는 전압에 기초하여 상기 그래핀의 저항의 변화를 감지하는 단계와,
상기 저항의 변화에 기초하여 상기 가스 센서 주변의 측정 대상 가스의 존재 여부를 판별하거나 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 격자 결함은,
상기 이온빔의 조사 시간 및 조사 범위 중 적어도 하나가 제어됨에 기초하여 소정 개수만큼 형성되고,
상기 그래핀에는 서로 상이한 방법으로 형성된 제1 격자 결함 및 제2 격자 결함이 형성되고,
상기 제1 격자 결함은 상기 그래핀의 적어도 일부에 상기 이온빔을 조사하여 형성되고,
상기 제2 격자 결함은 상기 그래핀에 이온빔을 조사하기 전 또는 후에 상기 그래핀의 나머지 일부를 플라즈마 처리하여 형성된 것이고,
상기 이온빔은 이온빔 장치를 이용하여 특정 분자나 원자를 이온화시켜 플라즈마 상태로 만든 후 전기장을 이용하여 이온의 가속됨에 의해 방출되는 빔인 그래핀 기반 가스 센서의 동작 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020190068965A KR102301531B1 (ko) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 그래핀 기반 가스 센서 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190068965A KR102301531B1 (ko) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 그래핀 기반 가스 센서 및 그 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200141866A KR20200141866A (ko) | 2020-12-21 |
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ID=74090831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190068965A KR102301531B1 (ko) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 그래핀 기반 가스 센서 및 그 제조 방법 |
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| KR (1) | KR102301531B1 (ko) |
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| KR101025715B1 (ko) * | 2009-01-12 | 2011-04-04 | 연세대학교 산학협력단 | Ｓａｗ 소자를 이용한 가스 감지센서 및 그 감지방법 |
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-
2019
- 2019-06-11 KR KR1020190068965A patent/KR102301531B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 이온빔 조사를 통한 고민감도 그래핀 가스센서 개발(KAERI/RR-4168/2016 일반과제보고서)* |
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|---|---|
| KR20200141866A (ko) | 2020-12-21 |
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