KR102364850B1 - 맥신/그래핀 하이브리드 감지부를 포함하는 기체 센서 - Google Patents
맥신/그래핀 하이브리드 감지부를 포함하는 기체 센서 Download PDFInfo
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Abstract
기체 센서를 제공한다. 상기 기체 센서는 기판, 상기 기판 상에 배치되고 다수의 환원 그래핀 옥사이드(rGO) 시트들과 MXene 시트들을 포함하는 맥신/그래핀 하이브리드 감지부를 구비한다. 상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부의 양측 단부들에 전기적으로 접속하는 한 쌍의 전극들이 배치된다.
Description
본 발명은 센서에 관한 것으로 자세하게는 기체 센서에 관한 것이다.
휘발성 유기 화합물은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기 화합물을 의미한다. 이러한 휘발성 유기 화합물은 대기 오염재료이면서 발암성을 지닌 독성 화합물로 알려져 있다.
상기 휘발성 유기 화합물은 매우 적은 농도로 존재하므로, 이러한 농도의 가스를 검출하기 위해서는 가스 검출기의 감도가 매우 높아야 하는 문제가 있다. 그러나, 실용화된 일반적인 가스센서는 이러한 감도를 충분히 만족시키지 못하는 것으로 알려져 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 감도가 향상된 기체 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 실시예는 기체 센서를 제공한다. 상기 기체 센서는 기판, 상기 기판 상에 배치되고 다수의 환원 그래핀 옥사이드(rGO) 시트들과 MXene 시트들을 포함하는 맥신/그래핀 하이브리드 감지부를 구비한다. 상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부의 양측 단부들에 전기적으로 접속하는 한 쌍의 전극들이 배치된다.
상기 GO 시트들은 수 ㎛의 크기를 갖고, 상기 MXene 시트들도 수 ㎛의 크기를 가질 수 있다.
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 일 예에서, 맥신/그래핀 하이브리드 섬유이고, 상기 섬유의 두께 방향으로 상기 rGO 시트들이 적층되고, 섬유의 길이방향으로 상기 rGO 시트들의 면들이 배향된 상태에서 상기 rGO 시트들이 연속하여 배치되고, 상기 MXene 시트들은 상기 rGO 시트들 사이사이에 배치될 수 있다. 상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 다른 예에서, 맥신/그래핀 하이브리드 필름이고, 상기 필름의 두께 방향으로 상기 rGO 시트들이 적층되고, 필름의 면방향으로 상기 rGO 시트들의 면들이 배향되고, 상기 MXene 시트들은 상기 rGO 시트들 사이사이에 배치될 수 있다.
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 rGO 대비 작고 MXene 대비 큰 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 MXene 시트와 rGO 시트의 합계 중량에 대해 MXene 시트를 20 내지 50 wt%로 함유할 수 있다.
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 중 Ti 2p 스펙트럼에서, Ti-O 피크들 중 적어도 일부의 피크는 Ti(II, III) 피크들 또는 Ti-C 피크들 중 적어도 하나의 피크 대비 세기가 더 클 수 있다. 상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 중 C 1s 스펙트럼에서, C-C 피크는 C-O 피크 대비 세기가 더 클 수 있다.
상기 기체 센서의 센싱 대상 기체는 NH3일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 감도가 향상된 기체 센서를 제공할 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 섬유의 단면을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 사시도이다.
도 2b은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 필름의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 단면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀/MXene 하이브리드 섬유를 형성하기 위한 장치를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도프 용액이 그래핀 또는 그래핀/MXene 하이브리드 섬유로 변해가는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 GO/MXene 하이브리드 물질을 환원하여 환원된 rGO/MXene 하이브리드 물질을 형성하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀/MXene 하이브리드 필름을 형성하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 8a는 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 8b는 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9는 MXene/GO 도프 용액 제조예 3으로부터 얻어진 MXene/GO 도프 용액을 실리콘 기판 상에 도포한 상태에서 촬영한 SEM 이미지(a), AFM (Atomic force microscopy) 표면 형상(topography) 이미지(b), 및 전도성 AFM 이미지(c)를 나타낸다.
도 10은 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 MXene 수분산액과 GO 수분산액 제조예로부터 얻어진 GO 수분산액의 pH에 따른 제타 전위를 나타낸 그래프(a)와 MXene/GO 도프 용액 제조예 3으로부터 얻어진 MXene/GO 도프 용액의 pH에 따른 분산정도를 나타낸 사진들(b)을 보여준다.
도 11은 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조 과정 중 응고조 내부를 촬영한 사진(a), 릴 상에 감겨진 MXene/GO 하이브리드 섬유(b), 및 MXene/GO 하이브리드 섬유 한 가닥을 굽혀 촬영한 사진(c)을 보여준다.
도 12는 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 3에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유 횡단면의 EDS 매핑 이미지(a), 배율을 달리한 횡단면 SEM 이미지들(b, c), 및 배율을 달리한 섬유 측면 SEM 이미지들(d, e)을 보여준다.
도 13은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유 횡단면의 EDS 매핑 이미지(a), 배율을 달리한 횡단면 SEM 이미지들(b, c), 및 배율을 달리한 섬유 측면 SEM 이미지들(d, e)을 보여준다.
도 14는 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유와 이를 열환원시킨 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 Ti 2p 및 C 1s에 대한 고해상도 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼을 보여준다.
도 15는 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유와 이를 열환원시킨 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유, 그리고 GO 섬유 비교예에 따른 GO 섬유와 이를 열환원시킨 rGO 섬유 제조예에 따른 rGO 섬유의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 16은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유, MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 1, 2, 4, 및 5에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유들, 및 MXene 필름 비교예에 따른 MXene 필름의 기체 반응도와 밴드갭을 나타낸 그래프(a)와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유 및 MXene 자체의 밴드갭(b)을 보여준다.
도 17은 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유, rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유, 및 MXene 필름 제조예에 따른 MXene 필름의 기체 반응 정도(a), MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 여러 기체에 대한 기체 반응 정도(b)와 NH3 가스의 농도에 대한 기체 반응정도(c), 및 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유와 MXene/rGO 하이브리드 필름 제조예에 따른 MXene/rGO 하이브리드 필름의 기체 반응 정도(d)를 보여준다.
도 18은 섬유를 구부리는 변형을 반복적으로 가하면서 가스 센싱을 하는 실험의 개략도(a)와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유와 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유의 구부림 사이클의 횟수에 따른 기체 반응 정도를 나타낸 그래프(b)를 보여준다.
도 19는 rGO 섬유 제조예와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1, 2, 4, 및 5에 따른 섬유들의 응력-변형도 커브(stress-strain curve)이다.
도 20은 rGO 섬유 제조예와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1 내지 5에 따른 섬유들의 MXene 함량에 따른 전기저항과 전기전도도를 나타낸 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 섬유의 단면을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 사시도이다.
도 2b은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 필름의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 단면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀/MXene 하이브리드 섬유를 형성하기 위한 장치를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도프 용액이 그래핀 또는 그래핀/MXene 하이브리드 섬유로 변해가는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 GO/MXene 하이브리드 물질을 환원하여 환원된 rGO/MXene 하이브리드 물질을 형성하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀/MXene 하이브리드 필름을 형성하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 8a는 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 8b는 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9는 MXene/GO 도프 용액 제조예 3으로부터 얻어진 MXene/GO 도프 용액을 실리콘 기판 상에 도포한 상태에서 촬영한 SEM 이미지(a), AFM (Atomic force microscopy) 표면 형상(topography) 이미지(b), 및 전도성 AFM 이미지(c)를 나타낸다.
도 10은 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 MXene 수분산액과 GO 수분산액 제조예로부터 얻어진 GO 수분산액의 pH에 따른 제타 전위를 나타낸 그래프(a)와 MXene/GO 도프 용액 제조예 3으로부터 얻어진 MXene/GO 도프 용액의 pH에 따른 분산정도를 나타낸 사진들(b)을 보여준다.
도 11은 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조 과정 중 응고조 내부를 촬영한 사진(a), 릴 상에 감겨진 MXene/GO 하이브리드 섬유(b), 및 MXene/GO 하이브리드 섬유 한 가닥을 굽혀 촬영한 사진(c)을 보여준다.
도 12는 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 3에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유 횡단면의 EDS 매핑 이미지(a), 배율을 달리한 횡단면 SEM 이미지들(b, c), 및 배율을 달리한 섬유 측면 SEM 이미지들(d, e)을 보여준다.
도 13은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유 횡단면의 EDS 매핑 이미지(a), 배율을 달리한 횡단면 SEM 이미지들(b, c), 및 배율을 달리한 섬유 측면 SEM 이미지들(d, e)을 보여준다.
도 14는 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유와 이를 열환원시킨 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 Ti 2p 및 C 1s에 대한 고해상도 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼을 보여준다.
도 15는 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유와 이를 열환원시킨 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유, 그리고 GO 섬유 비교예에 따른 GO 섬유와 이를 열환원시킨 rGO 섬유 제조예에 따른 rGO 섬유의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 16은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유, MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 1, 2, 4, 및 5에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유들, 및 MXene 필름 비교예에 따른 MXene 필름의 기체 반응도와 밴드갭을 나타낸 그래프(a)와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유 및 MXene 자체의 밴드갭(b)을 보여준다.
도 17은 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유, rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유, 및 MXene 필름 제조예에 따른 MXene 필름의 기체 반응 정도(a), MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 여러 기체에 대한 기체 반응 정도(b)와 NH3 가스의 농도에 대한 기체 반응정도(c), 및 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유와 MXene/rGO 하이브리드 필름 제조예에 따른 MXene/rGO 하이브리드 필름의 기체 반응 정도(d)를 보여준다.
도 18은 섬유를 구부리는 변형을 반복적으로 가하면서 가스 센싱을 하는 실험의 개략도(a)와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유와 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유의 구부림 사이클의 횟수에 따른 기체 반응 정도를 나타낸 그래프(b)를 보여준다.
도 19는 rGO 섬유 제조예와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1, 2, 4, 및 5에 따른 섬유들의 응력-변형도 커브(stress-strain curve)이다.
도 20은 rGO 섬유 제조예와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1 내지 5에 따른 섬유들의 MXene 함량에 따른 전기저항과 전기전도도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(100) 상에 감지부 구체적으로, 적어도 한 가닥의 활성 섬유(31)가 배치될 수 있다. 상기 활성 섬유(31)의 길이 방향 일측 단부와 타측 단부에 한 쌍의 전극들(120, 130)이 배치될 수 있다. 상기 활성 섬유들(31)이 여러 가닥 배치되는 경우, 상기 활성 섬유들(31)은 상기 전극들(120, 130) 사이에 병렬적으로 배치될 수 있다. 상기 활성 섬유(31)는 상기 전극들(120, 130) 하부에 배치된 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않고, 상기 전극들(120, 130) 상부에 배치될 수도 있다. 상기 활성 섬유(31)를 기판 상에 고정시키기 위해 절연 접착제를 사용할 수 있고 또한 전극와의 접속을 위해서는 도전성 접착제 일 예로서, 실버 페이스트를 사용할 수도 있다.
상기 기판(100)은 실리콘 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 또는 금속 기판일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판(100)이 전도성을 갖는 경우에 상기 기판(100)과 상기 활성 섬유(31) 사이에는 절연막(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 전극들은 구리, 은, 등의 금속 전극들 일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 섬유의 단면을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 1b를 참조하면, 활성 섬유(31)는 섬유의 축방향을 따라 정렬된 다수의 그래핀 시트(30c) 및 다수의 맥신(MXene) 시트들(30b)을 구비할 수 있다. 그래핀 시트들(30c)은 유연하게 구부러지면서 섬유(31)의 두께 방향으로 적층되고, 섬유의 길이방향 혹은 축방향으로 그래핀 시트들(30c)의 면들이 거의 평행하게 배향되되, 섬유의 길이방향 혹은 축방향으로 그래핀 시트들(30c)이 중첩되면서 연속하여 배치될 수 있다. 또한, MXene 시트들(30b)은, 상기 그래핀 시트들(30c)과 거의 평행한 상태로 존재하며, 인접하는 상기 그래핀 시트들(30c) 사이사이에 끼어 있는(intercalated) 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 그래핀 시트들(30c)과 상기 MXene 시트들(30b)은 층상 조립(layer-by-layer assembly) 구조를 가질 수 있다.
상기 그래핀 시트(30c)는 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO) 시트일 수 있다. 상기 rGO 시트(30c)는 1 nm 내지 수십 nm 범위의 두께(thickness)를 갖는 예를 들어, 그래핀 원자층이 1층 혹은 수 내지 수십층 적층된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 rGO 시트(30c)는 그래핀 원자층 1층 혹은 수층의(a-few layered) 그래핀 원자층들을 구비할 수 있다. 수층의 그래핀 원자층들은 2 내지 5개의 원자층들을 의미할 수 있다. 또한, rGO 시트(30c)은 1 내지 20㎛, 일 예로서 2 내지 15 ㎛ 구체적으로는 수 ㎛의 평균 크기를 가질 수 있다.
MXene 시트(30b)는 2-차원(2-dimensional) 전이금속 산화물 혹은 전이금속 질화물 시트일 수 있다. 이러한 MXene 시트(30b)는 MXene 단위층이 1 내지 수층 적층된 것일 수 있다. 이 때, 수층은 2 내지 5개의 층을 의미할 수 있다. 이 때, MXene 시트(30b)는 1 내지 수 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
MXene 단위층은 M1.33XTz 또는 Mn+1XnTz (n=1, 2, 또는 3)으로 표시되는 전이금속 카바이드 혹은 전이금속 나이트라이드일 수 있다. 이 때, M은 전이금속이고, X는 탄소 또는 질소일 수 있고, T 또는 Tz는 다수개의 다양한 말단기들로서 F, OH, 및/또는 O일 수 있고, z는 1 내지 4의 정수일 수 있다. 상기 전이금속(M)은 구체적으로 Nb, Mo, W, Ti, V, Y, Zr, Hf, Cr, Sc, Ta, 또는 이들 중 둘 이상을 포함할 수 있다.
이러한 MXene 단위층 중 Mn+1XnTz (n=1, 2, 또는 3)는 2 내지 4개의 전이금속 층들(구체적으로 전이금속 원자층들(M)) 중 서로 인접하는 전이금속 원자층들(M) 사이에 탄소 혹은 질소층(X)(구체적으로 탄소 혹은 질소 원자층)이 끼워져 상기 전이금속에 공유결합하는 구조를 가질 수 있다. 상기 전이금속 원자층은 하나의 전이금속을 포함하거나 둘 이상의 서로 다른 전이금속을 포함할 수 있다. 혹은 적층된 전이금속 원자층들은 동일한 전이금속 원자층들이거나 혹은 서로 다른 전이금속 원자층들일 수 있다. 또한, 적층된 탄소 혹은 질소층들(X)은 모두 탄소층들이거나 질소층들이거나 혹은 일부층은 탄소층이고 나머지 일부층은 질소층일 수 있다.
상기 M1.33X은 Nb1.33C, Mo1.33C, 또는 W1.33C일 수 있다. 상기 Mn+1Xn (n=1)은 Ti2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti2N, V2N, Mo2N, (Ti0.5Nb0.5)2C, (Ti0.5V0.5)2C, 또는 (Mo2/3Y1/3)2C 일 수 있다. 상기 Mn+1Xn (n=2)은 Ti3C2, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, (Ti0.5V0.5)3C2, (Cr0.5V0.5)3C2, (Cr2/3Ti1/3)3C2, (Mo2/3Sc1/3)3C2, Mo2TiC2, 또는 Cr2TiC2 일 수 있다. 상기 Mn+1Xn (n=3)은 Ti4N3, V4C3, Nb4C3, Ta4C3, (Nb0.8Ti0.2)4C3, (Nb0.8Zr0.2)4C3, (Mo0.5Ti0.5)4C3, 또는 Mo2Ti2C3일 수 있다. 일 예로서, MXene 단위층은 Ti3C2Tz일 수 있다.
MXene 시트(30b) 표면에는 음의 전하를 갖는 작용기들(Tz) 일 예로서, O-, OH- 또는 F-가 위치할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b를 동시에 다시 참조하면, 상기 전극들(120, 130)에 소정 전압을 인가하여 통해 상기 활성 섬유(31)의 기본 저항을 측정할 수 있다. 이어서, 상기 전극들(120, 130)에 전압을 인가한 상태에서 상기 활성 섬유(31) 상에 대상 기체가 유입되는 경우, 상기 활성 섬유(31)의 저항이 변화될 수 있다. 이 저항 변화값을 측정하여 유입된 대상 기체의 종류 및/또는 농도를 알 수 있다.
상기 대상 기체는 휘발성 유기화합물들(Volatiile Organic Compounds; VOC) 중 어느 하나 일 예로서, NH3 가스를 포함하는 것일 수 있다.
상기 활성 섬유(31)에 상기 VOC 가스 일 예로서, NH3 가스가 접촉하는 경우, 하기와 같은 반응식 1 및/또는 반응식 2에 의한 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 1]
2NH3 + 3O- → N2 + 3H20 + 3e-
[반응식 2]
NH3 + OH- → NH2 + H20 + e-
상기 반응식들 1 및 2에서, O-와 OH-는 MXene 시트(30b) 표면 상의 작용기들(Tz)일 수 있다.
상기 반응식 1 및 반응식 2에 따르면, MXene 시트(30b) 표면 상의 작용기들(Tz)인 O-와 OH-와 대상 기체 사이의 반응에 의해 전자가 생성되고, 생성된 전자는 p형 반도체들인 그래핀과 맥신 내의 캐리어인 홀과 홀-전자 재결합(hole-electron recombination)할 수 있다. 이에 따라, p형 반도체인 활성 섬유(31)의 캐리어 농도가 감소하면서 전도도가 감소할 수 있다. 이러한 전도도의 감소 즉, 전기 저항의 변화를 통해 대상 기체를 감지할 수 있다.
상기 그래핀 시트(30c)와 MXene 시트(30a)를 모두 구비하는 활성 섬유(31)는 그래핀의 밴드갭 대비 작고 MXene의 밴드갭 대비 큰 밴드갭을 구비할 수 있다. 일반적으로, 밴드갭이 너무 큰 경우 전하 캐리어 밀도가 낮아 활성 섬유(31)에서 기체로 전자 전달이 어려워 활성 섬유(31)와 기체 사이의 반응이 어려울 수 있다. 반면, 밴드갭이 너무 작은 경우 활성 섬유(31) 자체의 전도도가 너무 커서 기체와의 반응에 의한 전도도의 변화 즉, 저항의 변화를 검출하기 어려울 수 있다. 그러나, 상기 활성 섬유(31)는 그래핀의 밴드갭 대비 작고 MXene의 밴드갭 대비 큰 적절한 밴드갭을 가짐에 따라 기체 센싱 정도가 우수할 수 있다.
상기 MXene/rGO 하이브리드 감지부 내에서 MXene(30b)과 rGO(30c)의 합계 중량에 대해 MXene(30b)은 10 내지 90 wt%, 20 내지 80 wt%, 20 내지 60 wt%, 일 예로서, 20% 이상 50 wt% 미만으로 함유, 구체적으로는 20 내지 40 wt% 함유될 수 있다.
또한, MXene/rGO 하이브리드 감지부의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 중 Ti 2p 스펙트럼에서, Ti-O 피크들 중 적어도 일부의 피크는 Ti(II, III) 피크들 중 적어도 하나의 피크 대비 세기가 더 클 수 있다. 또한, Ti-O 피크들 중 적어도 일부의 피크는 Ti-C 피크들 중 적어도 하나의 피크 대비 세기가 더 클 수 있다. 한편, MXene/rGO 하이브리드 감지부의 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼 중 C 1s 스펙트럼에서, C-C 피크는 C-O 피크 대비 세기가 더 클 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 사시도이다. 본 실시예에 따른 기체 센서는 후술하는 것을 제외하고는 도 1a 및 도 1b을 참조하여 설명한 기체 센서와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 기판(100) 상에 감지부 구체적으로, 활성 필름(32)이 배치될 수 있다. 상기 활성 필름(32)의 일측 단부와 타측 단부에 한 쌍의 전극들(120, 130)이 배치될 수 있다. 상기 활성 필름(32)은 상기 전극들(120, 130) 하부에 배치된 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않고, 상기 전극들(120, 130) 상부에 배치될 수도 있다.
도 2b은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 필름의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 활성 필름(32)은 다수의 그래핀 시트들(30c)과 다수의 맥신(MXene) 시트들(30b)을 구비할 수 있다. 그래핀 시트들(30c)은 필름의 두께 방향으로 적층되고, 필름의 면방향으로 그래핀 시트들(30c)의 면들이 배향되되, 필름의 면방향으로 그래핀 시트들(30c)이 중첩되면서 연속하여 배치될 수 있다. 또한, MXene 시트들(30b)은 상기 그래핀 시트들(30c)과 거의 평행한 상태로 존재하면서 인접하는 상기 그래핀 시트들(30c) 사이사이에 끼어 있는(intercalated) 형태를 가질 수 있다. 다시 말해서, 상기 그래핀 시트들(30c)과 상기 MXene 시트들(30b)은 층상 조립(layer-by-layer assembly) 구조를 가질 수 있다. 상기 그래핀 시트(30c)는 환원 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO) 시트일 수 있다.
여기서, 다수의 그래핀 시트들(30c)과 다수의 맥신(MXene) 시트들(30b)에 대한 구체적인 설명은 도 1a 및 도 1b를 참조하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 센서를 나타낸 단면이다.
도 3을 참조하면, 기판(101) 상에 다수의 그래핀 시트 및 다수의 맥신(MXene) 시트들을 구비하는 활성 섬유(31)가 배치될 수 있다. 본 실시예에서 활성 섬유(31)은 도 1b를 참조하여 설명한 섬유와 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 기판(101)은 유연기판 일 예로서, 직물, 부직물, 또는 편물인 패브릭 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 활성 섬유(31)는 상기 기판(101)의 하부면 상에서 연장된 후, 상기 기판(101)의 하부면에서 상부면으로 관통하고 성부면 상에서 연장된 후, 다시 상기 기판(101)의 상부면에서 하부면으로 관통하고 하부면 상에서 연장 구조를 가질 수 있다. 상기 활성 섬유(31)의 길이 방향 양측 단부에 전극들(120, 130)이 접속할 수 있다.
상기 기판(101)이 패브릭인 경우, 상기 기판(101)은 패브릭으로 이루어진 의복 또는 가방일 수 있고 이 경우, 상기 활성 섬유(31)는 쓰레딩 또는 스티칭에 의해 상기 패브릭 즉, 의복 또는 가방에 일체화되어, 스마트 의복 또는 스마트 가방이 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 기판(101)은, 모자, 손목시계, 커튼, 침구류 중 적어도 어느 하나의 일부일 수 있으며, 본 발명이 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀/MXene 하이브리드 섬유를 형성하기 위한 장치를 나타낸 개략도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도프 용액이 그래핀 또는 그래핀/MXene 하이브리드 섬유로 변해가는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 그래핀 옥사이드 시트들(graphene oxide, GO, 30a)과 MXene 시트들(30b)이 분산된 도프 용액(10)을 제공할 수 있다. 도프 용액(10) 내의 용매는 유기용매 구체적으로 극성 유기용매일 수 있다. 이 때, 극성 유기용매는 디메틸술포옥사이드(DMSO), 디메틸아세트아미드, 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸피롤리돈을 함유할 수 있다. 일 예에서, 극성 유기용매는 디메틸 포름아미드(DMF)일 수 있다.
상기 도프 용액(10)은 MXene 수분산액과 GO 수분산액을 혼합한 후 용매인 물을 극성 유기용매로 교환하여 얻을 수 있다.
GO 시트들(30a)은 흑연을 산화, 예를 들어 Hummers법을 사용하여 산화하여 얻어질 수 있다. 상기 GO 시트(30a)는 1 nm 내지 수십 nm 범위의 두께(thickness)를 갖는 예를 들어, 그래핀 원자층 1층 혹은 수 내지 수십층 적층된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 GO 시트(30a)는 그래핀 원자층 1층 혹은 수층의(a-few layered) 그래핀 원자층들을 구비할 수 있다. 수층의 그래핀 원자층들은 2 내지 5개의 그래핀 원자층들을 의미할 수 있다. 또한, GO 시트들(30a)은 1 내지 20㎛, 일 예로서 2 내지 15 ㎛ 구체적으로는 수 ㎛의 평균 크기를 가질 수 있다. 상기 GO 시트(30a)는 에지(edge)부분 및 상하면에 결합된 -OH, -COOH, 또는 에폭시기 등의 작용기를 구비할 수 있다. GO 수분산액은 액정상(liquid crystal phase)를 가질 수 있다. 상기 GO 수분산액은 일 예로서, 1 내지 30 mg/㎖, 2 내지 20 mg/㎖, 3 내지 18 mg/㎖, 4 내지 15 mg/㎖, 또는 8 내지 12 mg/㎖의 농도를 가질 수 있다.
MXene 수분산액은 MXene 시트들(30b)이 물 내에 분산된 것으로, 콜로이달 분산 상태에 있을 수 있다. 상기 MXene 수분산액은 일 예로서, 1 내지 30 mg/㎖, 2 내지 20 mg/㎖, 3 내지 18 mg/㎖, 4 내지 15 mg/㎖, 또는 8 내지 12 mg/㎖의 농도를 가질 수 있다. MXene 시트들(30b)에 대한 설명은 도 1b를 참조하여 설명한 부분을 참고하기로 한다.
MXene 시트들(30b)은 MAX 상을 갖는 물질 즉, M1.33X 단위층들 또는 Mn+1Xn 단위층들 사이에 A층 구체적으로 A 원자층이 끼어있는 구조를 갖는 물질로부터 A층을 식각한 후 얻어진 결과물을 박리하여 얻을 수 있다. A는 Al일 수 있다. 이 때, 식각은 불소를 함유하는 산 일 예로서, HF, LiF, NaF, KF, NH4F, 또는 NH4NF2을 사용하여 수행할 수 있다. 일 예로서, 식각은 LiF/HCl 혼합용액을 사용하여 수행할 수 있다. 박리과정은 식각에 의해 얻어진 결과물을 과량의 탈이온수를 사용하여 세정한 후 원심분리하고, 원심분리 과정에서 얻어진 상청액에 다시 탈이온수를 추가한 후 원심분리하는 과정을 복수 회 반복하여 수행할 수 있다. 최종 원심분리에서 얻어진 상청액을 다시 원심분리하되, 여기서 얻어진 상청액은 버려 MXene 시트들의 작은 잔해물을 제거하고 MXene 농도가 상청액 대비 높은 아래부분 즉, MXene 수분산액을 취할 수 있다. 이러한 방법을 통해 MXene 수분산액 내의 MXene 시트들(30b)은 약 0.1 내지 100 ㎛2의 면적 구체적으로 약 수 ㎛2 의 평균면적 일 예로서, 2 내지 8, 또는 3 내지 6 ㎛2의 비교적 큰 평균면적을 가질 수 있다. 또한, MXene 수분산액 내의 MXene 시트들(30b)은 수 ㎛ 일 예로서 약 1 내지 5, 구체적으로 2 내지 3㎛의 평균 크기를 가질 수 있다.
상기 도프 용액(10) 내에 액정 상을 갖는 GO 시트들(30a) 즉, 자가정렬되어 서로 평행하되 질량중심이 불규칙하게 배열된 GO 시트들(30a) 사이사이에 MXene 시트들(30b)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 도프 용액(10) 내에 자가정렬되어 서로 평행한 복수의 GO 시트들(30a)과, 인접하는 GO 시트들(30a) 사이에 배치된 MXene 시트들(30b)을 구비하는 GO/MXene 시트 그룹이 다수개 배치될 수 있고, 이 경우 GO/MXene 시트 그룹들의 방향벡터(D)는 불규칙하게 배열될 수 있다. 이 때, 도프 용액(10) 내 MXene 시트들(30b)과 GO 시트들(30a)을 포함하는 용질은 1 내지 30 mg/㎖, 2 내지 20 mg/㎖, 3 내지 18 mg/㎖, 4 내지 15 mg/㎖, 또는 8 내지 12 mg/㎖의 농도를 가질 수 있다. 또한, GO 시트들(30a)과 MXene 시트들(30b)은 모두 수 ㎛의 평균 크기를 갖되, GO 시트들 대비 MXene 시트들이 다소 작은 평균 크기를 가질 수 있다. GO 시트들(30a)과 MXene 시트들(30b)의 크기, 면적, 또는 두께는 위에서 서술한 바와 같을 수 있다.
상기 도프 용액(10) 내에서 MXene 시트(30b) 표면에는 음의 전하를 갖는 작용기들(Tz) 일 예로서, O-, OH-, 또는 F-가 위치할 수 있고, GO 시트(30a) 표면에도 음의 전하를 갖는 작용기들 일 예로서, O-가 위치할 수 있다. 이에 따라, 상기 도프 용액(10) 내의 용매가 극성용매 구체적으로, 극성 유기용매인 경우에 MXene 시트들(30b)과 GO 시트들(30a)이 응집없이 균일하게 분산된 콜로이달 분산 상태에 있을 수 있다. 이를 위해, 상기 극성 유기용매는 디메틸 포름아미드(DMF)일 수 있다. 또한, 상기 도프 용액(10)은 용액 내 MXene 시트(30b)의 제타 전위와 GO 시트(30a)의 제타 전위가 비슷한 나아가 동일한 값을 나타내도록, 약 4 내지 8, 구체적으로는 4.5 내지 7, 더 구체적으로는 5 내지 6의 pH를 가질 수 있다. 상기 도프 용액(10)내에서 MXene(30b)과 GO(30a)의 합계 중량에 대해 MXene(30b)은 10 내지 90 wt%, 20 내지 80 wt%, 20 내지 60 wt%, 일 예로서, 20 내지 50 wt%로 함유될 수 있다.
상기 도프 용액(10)은 방사 노즐(21a)을 구비한 압출기(extruder, 21) 내에 위치할 수 있다. 이 후, 상기 도프 용액(10)을 압출기(extruder, 21)를 통해 응고액(23a)이 담겨진 응고욕(coagulating bath, 23)내에 방사(spinning)할 수 있다. 상기 도프 용액(10)이 방사 노즐(21a)을 통과할 때 유체 흐름에 기인하여 GO/MXene 시트들은 방사방향으로 정렬할 수 있다.
상기 응고액(23a)은 상기 도프 용액(10) 내의 GO 및 MXene 에 대해 한센 용해 파라미터인 한센 상대 에너지 차이(Hansen Relative Energy Difference, RED)가 1 보다 크고, 상기 도프 용액(10) 내의 극성 유기용매에 대해 RED가 1보다 작은 제1 용매를 함유할 수 있다. 또한, 상기 응고액(23a)은 상기 도프 용액(10) 내의 GO, MXene, 및 극성유기용매에 대해 RED가 1 보다 큰 제2 용매를 더 함유할 수 있다.
또한, 상기 응고액(23a)은 상기 도프 용액(10) 내의 극성 유기용매 대비 흡수율(imbibition rate)이 더 클 수 있는데, 환언하면 상기 도프 용액(10) 내의 극성 유기용매에 대비 상기 응고액(23a)의 흡수율 비는 1 이상, 일 예로서 1.1 내지 1.4, 또는 1.2 내지 1.3 구체적으로는 1.24의 값을 나타낼 수 있다. 이 때, 흡수율은 κ(σ/μ)1/2(κ는 상수이고, σ와 μ는 각각 확산되는 액체의 표면 장력 및 점도임)로 나타낼 수 있다. 또한, 흡수율 비는 상기 도프 용액(10) 내의 극성 유기용매의 흡수율에 대한 상기 응고액(23a)의 흡수율의 비를 나타낼 수 있다.
상기 제1 용매는 DCM (dichloromethane)이고 상기 제2 용매는 n-헥산일 수 있다. 상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 합계 부피에 대해 제1 용매는 25 내지 75 vol%, 일 예로서 30 내지 70 vol%, 35 내지 60 vol%, 또는 40 내지 50 vol%로 함유될 수 있다. 상기 응고액(23a)이 상기 제1 용매와 제2 용매를 함유하고 상기 부피비를 갖는 경우에, 상기 도프 용액(10) 내의 용매가 적절한 속도로 응고액(23a)으로 빠져나오면서 고화(solidification)가 진행되어 겔 섬유(20a)가 생성될 수 있다.
이 후, 겔 섬유(20a)를 일정한 속도로 권취하여 응고욕으로부터 분리시킬 수 있고 이와 동시에 겔 섬유(20a) 내에 잔존하는 용매는 기화될 수 있고 그 결과 GO/MXene 하이브리드 섬유(30)가 형성될 수 있다. 상기 겔 섬유(20a) 및/또는 GO/MXene 하이브리드 섬유(30)는 가이드롤에 의해 가이드되어 소정의 장력이 가해진 상태에 있을 수 있다. 따라서, GO/MXene 하이브리드 섬유(30) 내에서 GO 및 MXene 시트들이 섬유의 축방향을 따라 정렬될 수 있다. 구체적으로, GO/MXene 하이브리드 섬유(30) 내에서 다수의 GO 시트(30a)들이 유연하게 구부러지면서 섬유의 두께 방향으로 적층되고, GO 시트(30a)의 면이 섬유의 길이방향 혹은 축방향으로 배향될 수 있다. 또한, 적층된 GO 시트(30a) 각각의 질량중심들은 불규칙하게 배열되고, 또한, 섬유의 길이 방향 혹은 축방향으로 다수의 GO 시트들(30a)이 연속하여 배치될 수 있다. 또한, MXene 시트들(30b)이 상기 GO 시트들(30a)과 거의 평행한 상태로 인접하는 상기 GO 시트들(30a) 사이사이에 끼어 있는 형태를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 응고액 혹은 응고제로 유기용매를 사용하여 상기 GO/MXene 하이브리드 섬유(30)를 형성함에 따라, 금속이온을 응고제로 사용한 경우에 비해 현저히 우수한 기계적 강도와 전기전도성을 발휘할 수 있다. 이에 더하여, 상기 GO/MXene 하이브리드 섬유 및 이를 후술하는 바와 같이 환원시킨 rGO/MXene 하이브리드 섬유는 기계적 강도 및 전기전도성이 더 향상될 수 있고 기공 사이즈가 적은 등 보다 치밀한 구조를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 GO/MXene 하이브리드 물질을 환원하여 환원된 rGO/MXene 하이브리드 물질을 형성하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 6을 참조하면, 도 4 및 5를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 얻어진 GO/MXene 하이브리드 섬유(30)를 열처리할 수 있다. 이 과정에서, GO 시트들(30a)과 MXene 시트들(30b) 사이의 갈바닉 치환 반응에 의해 GO 시트들(30a)는 환원되고 MXene 시트들(30b) 내의 전이금속은 산화될 수 있다. 그 결과, MXene 시트들(30b) 표면 상의 O- 또는 OH- 작용기들은 증가할 수 있다. 이러한 작용기들의 증가는 앞서 설명한 반응식 1과 반응식 2의 반응사이트를 증가를 의미하므로, 기체 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 이 열처리 결과, rGO/MXene 하이브리드 섬유가 형성될 수 있고, 이는 도 1b를 참조하여 설명한 섬유일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀/MXene 하이브리드 필름을 형성하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 7을 참조하면, 도 4를 참조하여 설명한 도프 용액(10)을 여과 일 예로서 진공여과하여 GO/MXene 하이브리드 필름(32)을 형성할 수 있다. 상기 도프 용액(10)에 대한 설명은 도 4 및 5를 참조할 수 있다.
GO/MXene 하이브리드 필름(32)을 열적 환원하여 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO)를 함유하는 필름 즉, rGO/MXene 하이브리드 필름을 형성할 수도 있다. 상기 열적환원 과정에서 GO 시트들(30a)과 MXene 시트들(30b) 사이의 갈바닉 치환 반응에 의해 GO 시트들(30a)는 환원되고 MXene 시트들(30b) 내의 전이금속은 산화될 수 있다. 그 결과, MXene 시트들(30b) 표면 상의 O- 또는 OH- 작용기들은 증가할 수 있다. 이러한 작용기들의 증가는 앞서 설명한 반응식 1과 반응식 2의 반응사이트를 증가를 의미하므로, 활성 감도를 향상시킬 수 있다. 상기 rGO/MXene 하이브리드 필름은 도 2b를 참조하여 설명한 필름일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
박리된 MXene 수분산액 제조예
HCl 수용액(36 wt% in water, Junsei Chemical Co., Ltd) 내에 LiF (99.995%, Sigma-Aldrich Co. LLC)를 넣고 교반하여 LiF/HCl 혼합용액을 준비하였다. MAX상을 갖는 Ti3AlC2 2g을 상기 LiF/HCl 혼합용액 내에 10분동안 천천히 첨가한 후, 35 ℃의 항온에서 24 시간 동안 반응시켜 Ti3AlC2 에서 Al층을 선택적으로 식각하였다. 얻어진 반응 생성물을 과량의 탈이온수로 2500 rpm에서 5분간 4회 원심분리하여 세정하였다. 얻어진 상청액 즉, MXene 분산액을 다시 2500 rpm에서 1 시간 동안 원심분리한 후 얻어진 상청액을 버려 MXene의 작은 잔해물을 제거하고, 상청액 대비 박리된 MXene 즉, Ti3C2Tz 농도가 높은 MXene 수분산액을 얻었다. 이 때, MXene 수분산액의 농도는 10 ㎎/㎖이었다.
도 8a는 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들을 촬영한 SEM 이미지이고, 도 8b는 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 Ti3C2Tz 시트들은 0.1 내지 100 ㎛2의 면적을 갖는 것으로 파악되고, 평균 면적은 약 5.11 ㎛2인 것으로 나타났다. 또한, Ti3C2Tz 시트들은 약 2.3 ㎛의 평균 크기를 갖는 것으로 추정되었다.
GO 수분산액 제조예
흑연 파우더 10 g (Asbury Carbons, grade 2012)와 농축된 H2SO4 380 ㎖ (95%, Junsei Chemical Co., Ltd)를 이중-자켓 반응기 내에서 함께 교반한 후, 서큘레이터를 사용하여 5 ℃로 냉각시켰다. 이 혼합물을 12 ℃ 미만으로 유지하면서, 이 혼합물 내에 KMnO4 50 g (99.3% Sigma-Aldrich Co. LLC.)을 천천히 추가하였다. 이 후, 반응기 온도를 35 ℃로 승온시키고, 상기 혼합물을 12 시간 동안 교반하였다. 이 혼합물을 다시 5 ℃로 냉각시킨 후, 온도를 10 ℃ 미만으로 유지되도록 하면서 탈이온수 (2500 ㎖)를 천천히 첨가하였다. 그런 다음, H2O2 30 ㎖)를 혼합물에 부어 혼합물을 오렌지 브라운 색이 되도록 하였다. 합성된 GO를 셀룰로오스막 (Whatman 여과지, 2.5-㎛ 기공 크기, Millipore Inc., Billerica, MA)을 사용하여 여과하고 HCl (1M, 2000 ㎖)로 세척하였다. 얻어진 GO 케이크를 일주일 동안 실온의 어두운 장소에서 건조하였다. 이 후, GO를 아세톤 1000 ㎖ 내에 재분산시키고, 셀룰로오스막을 사용하여 여과한 후 아세톤 2000 ㎖로 세척하였다. 상기 GO를 72 시간 동안 실온의 어두운 장소에서 건조하였다. 얻어진 2.0 g의 GO 파우더를 1L의 탈이온수에 분산시키고, 200W로 30분 동안 초음파 처리하였다. 얻어진 분산액을 4000 rpm으로 1시간 동안 원심분리하여 GO가 분산된 상청액만을 수득하였다. 상기 상청액을 8000 rpm으로 1시간 동안 원심분리한 후 얻어진 상청액을 버려 매우 작은 파편들을 제거하고, 상청액 대비 박리된 GO 농도가 높은 GO 수분산액을 얻었다. 최종 얻어진 GO 수분산액은 약 10 ㎎/㎖의 농도를 가졌다. 이와 같이, 수정된 Hummers 법을 사용하여 흑연 파우더로부터 마이크로 미터 크기의 수용성 GO 플레이크들을 함유하는 GO 수분산액을 제조하였다.
MXene/GO 도프 용액 제조예들 1 내지 5
MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 MXene 수분산액(10 ㎎/㎖)에 GO 수분산액 제조예로부터 얻어진 GO 수분산액(10 ㎎/㎖)을 하기 표 1에 기재된 함량비로 혼합하여 MXene/GO 수분산액들을 제조하였다. 이 수분산액들 내의 용매인 물을 원심분리를 사용하여 DMF(Dimethylformamide)로 용매 교환하여 도프 용액들인 MXene/GO 용액들을 제조하였다.
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예들 1 내지 5
MXene/GO 도프 용액 제조예들로부터 얻어진 각 MXene/GO 도프 용액을 방사노즐을 구비하는 플라스틱 주사기 내에 넣고, 인젝션 펌프를 사용하여 5 ㎖/h의 속도로 응고조 내로 압출시켰다. 이 때, 응고조 내의 응고액은 n-헥산과 DCM (dichloromethane)이 1:1의 부피비로 혼합된 혼합액이었다. MXene/GO의 DMF에 대한 용해도와 이 응고액에 대한 용해도의 차이에 의해 겔 섬유가 생성되었다. 응고조 내의 겔 섬유는 릴(reel) 상에 연속적으로 수득되었다. 이 섬유는 퓸 후드(fume hood)의 주변 환경 내에서 자연적으로 건조되었다.
MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1 내지 5
상기 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예들로부터 얻어진 건조된 MXene/GO 섬유들을 200 ℃의 불활성 가스 내에서 열환원시켜 MXene/rGO 하이브리드 섬유들을 얻었다.
MXene/rGO 하이브리드 필름 제조예
MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 MXene 수분산액(10 ㎎/㎖)에 GO 수분산액 제조예로부터 얻어진 GO 수분산액(10 ㎎/㎖)을 MXene과 GO의 중량비가 40:60이 되도록 혼합한 MXene/GO 수분산액을 진공여과하여 MXene 필름을 제조하였다.
GO 도프 용액 제조예
GO 수분산액 제조예로부터 얻어진 GO 수분산액(10 ㎎/㎖) 내의 용매인 물을 원심분리를 사용하여 DMF(Dimethylformamide)로 용매 교환하여 GO 도프 용액들을 제조하였다.
GO 섬유 비교예
GO 도프 용액 제조예로부터 얻어진 GO 도프 용액을 방사노즐을 구비하는 플라스틱 주사기 내에 넣고, 인젝션 펌프를 사용하여 5 ㎖/h의 속도로 응고조 내로 압출시켰다. 이 때, 응고조 내의 응고액은 n-헥산과 DCM (dichloromethane)이 1:1의 부피비로 혼합된 혼합액이었다. GO의 DMF에 대한 용해도와 이 응고액에 대한 용해도의 차이에 의해 겔 섬유가 생성되었다. 응고조 내의 겔 섬유는 릴(reel) 상에 연속적으로 수득되었다. 이 섬유는 퓸 후드(fume hood)의 주변 환경 내에서 자연적으로 건조되었다.
rGO 섬유 비교예
상기 GO 섬유 제조예로부터 얻어진 건조된 GO 섬유를 200 ℃의 불활성 가스 내에서 열환원시켜 rGO 섬유를 얻었다.
MXene 필름 비교예
MXene 도프 용액 제조예로부터 얻어진 MXene 도프 용액을 진공여과하여 MXene 필름을 제조하였다.
| MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 |
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 | 도프 용액 | 응고액 내 DCM:n-헥산 (v:v) |
|
| 제조예 | MXene:GO (w:w) |
|||
| MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 1 |
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 1 | MXene/GO 도프 용액 제조예 1 | 20:80 | 50:50 |
| MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2 |
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2 | MXene/GO 도프 용액 제조예 2 | 40:60 | |
| MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 3 |
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 3 | MXene/GO 도프 용액 제조예 3 | 50:50 | |
| MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 4 |
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 4 | MXene/GO 도프 용액 제조예 4 | 60:40 | |
| MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 5 |
MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 5 | MXene/GO 도프 용액 제조예 5 | 80:20 | |
도 9는 MXene/GO 도프 용액 제조예 3으로부터 얻어진 MXene/GO 도프 용액을 실리콘 기판 상에 도포한 상태에서 촬영한 SEM 이미지(a), AFM (Atomic force microscopy) 표면 형상(topography) 이미지(b), 및 전도성 AFM 이미지(c)를 나타낸다. 전도성 AFM 이미지(c)는 (b)의 Ac 영역에 대한 이미지이다.
도 9(a)를 참조하면, MXene/GO 도프 용액 내의 GO 시트는 약 5 내지 10 ㎛의 크기를 갖고 MXene 시트 또한 수 마이크로미터 사이즈를 가지기는 하지만 GO 시트 대비 다소 작은 약 2.3 ㎛의 평균 크기를 갖는 것으로 추정되었다. 또한, MXene/GO 도프 용액 내의 GO 시트들과 MXene 시트들의 개개의 시트들은 응집없이 분리된 것을 확인할 수 있다. 이는 GO 시트와 MXene 시트 모두 표면 상에 음의 표면 전하를 갖는 작용기들을 구비하기 때문에 DMF와 같은 극성 유기 용매에 매우 잘 분산되는 것으로 추정되었다.
도 9(b)를 참조하면, GO 시트는 약 1.7 ㎚의 두께를 갖고 MXene 시트은 이보다는 다소 얇은 약 1.3 ㎚의 두께를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, GO 시트는 GO 단일층에 가까운 것으로 파악되었고, MXene 시트 또한 MXene 단일층에 가까운 것으로 파악되었다.
도 9(c)를 참조하면, GO 시트에는 전류가 거의 흐르지 않는 것에 비해 MXene 시트에 더 높은 전류를 흐르는 것으로 보아, MXene 시트의 전기전도도가 GO 시트 대비 더 우수한 것을 알 수 있다.
도 10은 MXene 수분산액 제조예로부터 얻어진 MXene 수분산액과 GO 수분산액 제조예로부터 얻어진 GO 수분산액의 pH에 따른 제타 전위를 나타낸 그래프(a)와 MXene/GO 도프 용액 제조예 3으로부터 얻어진 MXene/GO 도프 용액의 pH에 따른 분산정도를 나타낸 사진들(b)을 보여준다.
도 10(a)를 참조하면, MXene 수분산액과 GO 수분산액의 제타 전위가 모두 음의 값을 갖는 것으로 미루어 보아, MXene 시트 및 GO 시트는 모두 음의 표면 전하를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, MXene 수분산액과 GO 수분산액은 pH가 5.5 근처에서 같은 제타전위를 나타내는 것으로 나타났다.
도 10(b)를 참조하면, MXene/GO 도프 용액이 pH 2의 조건에 있는 경우 표면 전하가 감소함에 따라 응집되는 것이 확인되고, pH 11의 조건에 있는 경우 MXene 시트와 GO 시트의 제타전위의 차이에 기인하여 24 시간 정도의 짧은 시간동안만 안정화된 것을 알 수 있다. 이로부터, MXene/GO 도프 용액 내에서 MXene 시트의 제타전위와 GO 시트의 제타전위가 유사할 때 심각한 응집없이 MXene 시트와 GO 시트가 균일하게 분산할 수 있는 것으로 추정할 수 있다.
도 11은 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조 과정 중 응고조 내부를 촬영한 사진(a), 릴 상에 감겨진 MXene/GO 하이브리드 섬유(b), 및 MXene/GO 하이브리드 섬유 한 가닥을 굽혀 촬영한 사진(c)을 보여준다.
도 11(a)를 참조하면, 방사노즐로부터 방사된 MXene/GO 도프 용액이 노즐을 통해 방사된 후 응고액 내에서 MXene/GO 겔 섬유로 변화되는 것을 알 수 있다.
도 11(b)를 참조하면, MXene과 GO의 중량비가 40:60인 MXene/GO 하이브리드 섬유는 1.2m 이상의 길이를 가지면서 릴 상에 감겨져 있다.
도 11(c)를 참조하면, MXene과 GO의 중량비가 40:60인 MXene/GO 하이브리드 섬유는 유연성과 굽힙성이 우수한 것을 알 수 있다.
이러한 특징들은 MXene과 GO의 중량비가 80:20인 MXene/GO 하이브리드 섬유를 비롯한 모든 하이브리드 섬유들에서도 마찬가지로 나타났다.
도 12는 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 3에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유 횡단면의 EDS 매핑 이미지(a), 배율을 달리한 횡단면 SEM 이미지들(b, c), 및 배율을 달리한 섬유 측면 SEM 이미지들(d, e)을 보여준다. 도 13은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유 횡단면의 EDS 매핑 이미지(a), 배율을 달리한 횡단면 SEM 이미지들(b, c), 및 배율을 달리한 섬유 측면 SEM 이미지들(d, e)을 보여준다.
도 12(a) 및 도 13(a)를 참조하면, rGO 섬유는 C와 O의 균일한 원소 분포를 보여주는 반면, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 C, O, 및 Ti의 균일한 분포를 보여준다. 이로부터, MXene/rGO 하이브리드 섬유 내에 MXene 시트들이 균일하게 분포된 것을 알 수 있다.
도 12(b)(c) 및 도 13(b)(c)를 참조하면, rGO 섬유 대비 MXene/rGO 하이브리드 섬유는 섬유 내부 기공의 크기는 다소 감소한 것을 알 수 있고, 또한 더 둥근 단면 형상을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, rGO 섬유 대비 MXene/rGO 하이브리드 섬유는 MXene과 rGO의 혼성화로 인해 섬유 단면의 짜임(texture)이 압착되고(crimped), GO 도메인 분할이 줄어드는데, 이는 MXene 시트가 GO 시트들 사이에 미세하게 삽입되기 때문인 것으로 추정되었다. 또한, 큰 ~ 100nm 크기의 크랙은 rGO 섬유에 존재하나, MXene/rGO 하이브리드 섬유에서는 보이지 않는다. 또한, rGO 섬유의 도메인은 급격하게 접히는 반면, MXene/rGO 하이브리드 섬유에서 접힘 곡률은 더 부드러운 것을 알 수 있다.
도 12(d)(e) 및 도 13(d)(e)를 참조하면, MXene/rGO 하이브리드 섬유에서 단면에서의 작은 기공과 표면에서의 주름이 관찰된다. 이러한 몰폴러지로 인해 섬유는 외부 힘을 구조 전체에 고르게 분산시킬 수 있다. 이는 MXene 시트의 비교적 단단한 성질(rigid nature)에 기인하는 것으로, 높은 탄성 및 굽힙 회복에 기여할 수 있다. 이러한 특성은 포터블 및/또는 웨어러블 전자기기에 적용하기에 유용할 수 있다.
도 14는 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유와 이를 열환원시킨 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 Ti 2p 및 C 1s에 대한 고해상도 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼을 보여준다.
도 14를 참조하면, Ti 2p 스펙트럼에서 MXene/GO 하이브리드 섬유 대비 MXene/rGO 하이브리드 섬유는 Ti-O 피크들(459 및 469.4 eV)의 세기가 증가하였고, Ti(II, III) 피크들(456.3, 463.2 eV)의 세기가 감소하였다. 또한, C 1s 스펙트럼에서 MXene/GO 하이브리드 섬유 대비 MXene/rGO 하이브리드 섬유는 COO 피크(288.7 eV) 및 CO 피크(286.6 eV)의 세기가 감소하였다. 이러한 결과로부터, MXene/GO 하이브리드 섬유가 MXene/rGO 하이브리드 섬유로 변화할 때, GO는 환원되고 Ti는 산화되기 때문인 것으로 추정되었다. 이는 GO/rGO의 환원전위가 -0.4V인 것 대비 Ti4+/Ti의 환원전위가 -0.88V인 것에 기인하는 것으로, MXene/GO 하이브리드 섬유가 MXene/rGO 하이브리드 섬유로 변화할 때 갈바닉 치환 반응이 일어나는 것으로 추정되었다.
MXene/rGO 하이브리드 섬유에서 Ti-O 피크들(459 및 469.4 eV) 중 적어도 일부의 피크는 Ti(II, III) 피크들(456.3, 463.2 eV) 중 적어도 하나의 피크 대비 세기가 더 클 수 있다. 또한, MXene/rGO 하이브리드 섬유에서 Ti-O 피크들(459 및 469.4 eV) 중 적어도 일부의 피크는 Ti-C 피크들 중 적어도 하나의 피크 대비 세기가 더 클 수 있다. 한편, MXene/rGO 하이브리드 섬유에서 C-C 피크는 C-O 피크 대비 세기가 더 클 수 있다.
도 15는 MXene/GO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/GO 하이브리드 섬유와 이를 열환원시킨 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유, 그리고 GO 섬유 비교예에 따른 GO 섬유와 이를 열환원시킨 rGO 섬유 제조예에 따른 rGO 섬유의 라만 스펙트럼을 보여준다.
도 16을 참조하면, GO 섬유 대비 rGO 섬유의 ID/IG 비의 증가하였다. 이는 GO의 환원과정에서 형성되기 시작하는 작은 sp2 영역들을 라만 스펙트럼에서 결함으로 감지하기 때문으로 실제 결함의 증가를 의미하는 것은 아니고, ID/IG 비의 증가는 GO의 환원을 의미할 수 있다. 또한, MXene/GO 하이브리드 섬유 대비 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 ID/IG 비의 증가함에 따라, 하이브리드 섬유 내에서도 GO가 rGO로 환원된 것으로 볼 수 있다. 한편, MXene/rGO 하이브리드 섬유의 ID/IG 비는 1.17로 rGO 섬유의 ID/IG 비인 1.08 대비 높은 것을 알 수 있는데, 이로부터 하이브리드 섬유 내에서 GO의 환원율이 더 높은 것을 알 수 있다. 또한, 이는 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이 하이브리드 섬유 내에서 갈바닉 치환 반응에 기인하여 GO의 환원율이 높아진 것으로 추정할 수 있다.
도 16은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유, MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 1, 2, 4, 및 5에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유들, 및 MXene 필름 비교예에 따른 MXene 필름의 기체 반응도와 밴드갭을 나타낸 그래프(a)와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유 및 MXene 자체의 밴드갭(b)을 보여준다. 여기서, 20% MXene, 40% MXene, 60% MXene, 및 80% MXene은 각각 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1, 2, 4, 및 5에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유들을 나타낸다. 여기서, 밴드갭은 직접천이 밴드갭이면서 광학 밴드갭을 의미하며, 조사된 포톤 에너지(irradiated photon energy)와 광학 흡수 계수(optical absorption coefficient)의 관계식인 Kubelka-Munk 방정식을 통해 얻었다. 또한, 기체 반응 정도(△R/RO, %)는 기체와 반응시키기 전의 저항(RO)에 대한 기체와 반응 후 저항변화(△R)의 비(%)로 나타낼 수 있다.
도 16(a)을 참조하면, MXene과 rGO의 하이브리드 섬유들의 밴드갭은 rGO 섬유의 매우 큰 밴드갭과 MXene 필름의 매우 작은 밴드갭 사이의 값들을 나타내었다. 또한, MXene과 rGO의 하이브리드 섬유는 rGO 섬유 혹은 MXene 필름 대비 우수한 기체 반응 정도를 나타내었다. 특히, MXene과 rGO의 하이브리드 섬유에서 MXene의 함량이 20 내지 50%일 때 나아가 40%일 때 기체 반응 정도가 매우 우수한 것을 알 수 있다.
도 16(b)를 참조하면, MXene 자체의 밴드갭은 1.05eV인 반면, 기체 반응 정도가 가장 우수했던 MXene 함량 40%인 MXene과 rGO의 하이브리드 섬유는 밴드갭이 1.57eV로 나타났다.
이러한 결과로부터, 적절한 밴드갭을 가질 때 기체 반응 정도가 우수한 것을 알 수 있는데, 그 이유는 밴드갭이 큰 경우 전하 캐리어 밀도가 낮아 기체 분자와의 전하 전달이 어려울 수 있고, 또한 밴드갭이 작은 경우 캐리어 밀도가 높아 기체 분자와의 전하 전달이 쉬울 수는 있으나 기체 분자와 반응한 후의 저항변화가 낮아 기체와 반응시키기 전의 저항(RO)에 대한 기체와 반응 후 저항변화(△R)의 비(%)인 기체 반응 정도가 미미할 수 있다.
도 17은 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유, rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유, 및 MXene 필름 제조예에 따른 MXene 필름의 기체 반응 정도(a), MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유의 여러 기체에 대한 기체 반응 정도(b)와 NH3 가스의 농도에 대한 기체 반응정도(c), 및 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유와 MXene/rGO 하이브리드 필름 제조예에 따른 MXene/rGO 하이브리드 필름의 기체 반응 정도(d)를 보여준다.
도 17(a)을 참조하면, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 rGO 섬유 및 MXene 필름 대비 6 배 정도 높은 기체 반응 정도를 나타냄을 알 수 있다. 특히, MXene 필름은 기체 도입 후 큰 노이즈를 보여주었다.
도 17(b)을 참조하면, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 여러 휘발성 유기화합물들(Volatiile Organic Compounds; VOC) 중 NH3에 대한 기체 반응 정도가 6.8 %에 이르는 반면 다른 기체에 대한 반응 정도는 1% 정도로 NH3에 대한 선택도가 매우 높음을 알 수 있다.
도 17(c)을 참조하면, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 10 ppm의 매우 낮은 농도의 NH3에 대해서도 기체 반응 정도가 4.26%로 비교적 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 NH3 50 ppm에 대해 112의 매우 큰 신호 대 노이즈 비를 나타내었다. 이러한 민감도는 MXene/rGO의 밴드갭 증가에 기인하는 것으로 추정되었다.
도 17(d)를 참조하면, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 MXene/rGO 하이브리드 필름 대비 약 3 배 정도 우수한 기체 반응 정도를 나타내었다. 이는 1차원의 형태를 갖는 섬유가 2차원의 형태를 갖는 필름 대비 표면적이 더 넓은 것에 기인할 수 있다. 또한, MXene/rGO 하이브리드 필름은 MXene과 GO의 하이브리드 수분산액을 이용한 것으로, 이 수분산액 내에서 MXene과 GO가 층상구조(layer by layer assembly)를 형성할 수 있을 정도로 분산되지 않았기 때문에 얻어진 MXene/rGO 하이브리드 필름 내에서도 MXene과 rGO가 층상구조(layer by layer assembly)를 형성하지 못했기 때문으로 이해되었다.
도 18은 섬유를 구부리는 변형을 반복적으로 가하면서 가스 센싱을 하는 실험의 개략도(a)와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예 2에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유와 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유의 구부림 사이클의 횟수에 따른 기체 반응 정도를 나타낸 그래프(b)를 보여준다.
도 18을 참조하면, rGO 섬유는 구부림 사이클 횟수가 증가함에 따라 기체 반응 정도에 노이즈가 많아지는 반면, MXene/rGO 하이브리드 섬유는 노이즈 없이 안정적인 기체 반응 정도를 나타내었다. 이는 MXene/rGO 하이브리드 섬유가 rGO 시트들 사이에 층간 삽입(intercalation)된 MXene 시트들을 구비함에 따라 가해진 힘을 적절히 분산하여 구부림에 따른 구조 손상이 덜 일어났기 때문인 것으로 추정되었다.
도 19는 rGO 섬유 제조예와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1, 2, 4, 및 5에 따른 섬유들의 응력-변형도 커브(stress-strain curve)이다. 이 때, 0% MXene은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유를 나타낸다. 또한, 20% MXene, 40% MXene, 60% MXene, 및 80% MXene은 각각 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1, 2, 4, 및 5에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유들을 나타낸다.
도 19를 참조하면, 섬유 내 MXene의 함량이 증가할수록 파괴 강도와 탄성 계수가 더 큰 것으로 보아, 기계적 강도가 더 향상된 것을 알 수 있다.
도 20은 rGO 섬유 제조예와 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1 내지 5에 따른 섬유들의 MXene 함량에 따른 전기저항과 전기전도도를 나타낸 그래프이다. 이 때, 0% MXene은 rGO 섬유 비교예에 따른 rGO 섬유를 나타낸다. 또한, 20% MXene, 40% MXene, 50% MXene, 60% MXene, 및 80% MXene은 각각 MXene/rGO 하이브리드 섬유 제조예들 1 내지 5에 따른 MXene/rGO 하이브리드 섬유들을 나타낸다.
도 21을 참조하면, MXene 함량이 50 wt% 초과일 때 급격한 전기전도도의 향상이 있고, MXene 함량이 더 증가하더라도 전기전도도 값은 큰 증가없이 거의 포화되는 것을 알 수 있다. 이로부터, MXene 함량이 50 wt% 초과일 때 상기 하이브리드 섬유 내에서 MXene은 서로 연결되지만 응집은 되지 않는 상태(퍼콜레이션 임계치, percolation threshold)에 있을 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (9)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되고 다수의 환원 그래핀 옥사이드(rGO) 시트들과 MXene 시트들을 포함하되, 상기 각 rGO 시트는 그래핀 원자층이 1 내지 5개 적층된 것이고, 상기 각 MXene 시트는 MXene 단위층이 1 내지 5개 적층된 것이고, 상기 MXene 시트들은 상기 rGO 시트들 사이사이에 배치되어, 상기 rGO 시트들과 상기 MXene 시트들은 층상 조립(layer-by-layer assembly) 구조를 갖는 맥신/그래핀 하이브리드 감지부; 및
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부의 양측 단부들에 전기적으로 접속하는 한 쌍의 전극들을 구비하고,
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 맥신/그래핀 하이브리드 섬유이고,
상기 섬유의 두께 방향으로 상기 rGO 시트들이 적층되고, 섬유의 길이방향으로 상기 rGO 시트들의 면들이 배향된 상태에서 상기 rGO 시트들이 연속하여 배치되고,
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 MXene 시트와 rGO 시트의 합계 중량에 대해 MXene 시트를 20 wt% 이상 40 wt% 이하로 함유하는 기체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 rGO 시트들은 수 ㎛의 크기를 갖고,
상기 MXene 시트들도 수 ㎛의 크기를 갖는 기체 센서. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는 rGO 대비 작고 MXene 대비 큰 밴드갭을 갖는 기체 센서. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는,
Ti 2p XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼에서, Ti-O 피크들 중 적어도 일부의 피크가 Ti(II, III) 피크들 또는 Ti-C 피크들 중 적어도 하나의 피크 대비 세기가 더 큰 기체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 맥신/그래핀 하이브리드 감지부는,
C 1s XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 스펙트럼에서, C-C 피크는 C-O 피크 대비 세기가 더 큰 기체 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 기체 센서의 센싱 대상 기체는 NH3인 기체 센서.
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