KR102545620B1 - 클릭반응을 이용한 cnt 필름, 이를 이용한 cnt 기반 수소 가스 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

클릭반응을 이용한 cnt 필름, 이를 이용한 cnt 기반 수소 가스 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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박종목
정서현
정유진
김예진
전승주
김가영
이혜민
헤녹
박광훈
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Abstract

본 발명은 클릭반응을 이용하여 CNT 필름이 고밀도로 균일하게 형성되어 물이나 유기 용매에 대한 높은 안정성을 나타내는 CNT 코팅 기판을 제조할 수 있고, 이를 이용하여 신뢰성 및 민감도가 탁월한 수소 가스 센서를 제조할 수 있다. 특히, 종래에 CNT 용액을 스프레이 코팅 및 스핀 코팅할 경우 소자간 물성차이가 커 재현성 및 신뢰성을 확보할 수 없었던 반면, 본 발명에서는 비교적 간단한 방법으로 높은 재현성 및 신뢰성을 가지면서도 수소 가스에 대한 선택도 및 민감도가 탁월한 수소 가스 센서를 제조할 수 있다.

Description

클릭반응을 이용한 CNT 필름, 이를 이용한 CNT 기반 수소 가스 센서 및 이의 제조방법{CNT FILM USING CLICK REACTION, CNT-BASED HYDROGEN GAS SENSOR USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 클릭반응을 이용한 CNT 필름 및 이를 이용한 CNT 기반 수소 가스 센서에 대한 것으로, 구체적으로 물이나 유기 용매에 대한 안정성이 우수하고 클릭반응을 통해 제조된 높은 신뢰성을 가지며 저농도의 수소 가스도 고감도 센싱이 가능한 CNT 기반 수소 가스 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 환경오염 문제로 인해 대두되고 있는 수소 에너지는 산업용 기초소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지, 핵융합에너지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 가능성을 지니고 있다.
하지만, 수소가스는 폭발농도범위가 넓고(4~75%), 발화에너지가 작아 미세한 정전기에도 쉽게 발화되기 때문에 누출된 양이 미량이라도 매우 위험할 수 있다. 이에, 수소 누출에 의한 대형사고 및 인명 피해를 줄이기 위해 수소가스를 빠르고 정확하게 탐지할 수 있는 고성능 가스 센서가 요구된다.
이에, 대한민국 등록특허공보 제10-0870126호 'Pd 나노와이어를 이용한 수소 가스 센서 제조방법'에 개시된 바와 같이, 수소 가스 센서로서 성능을 최적화할 수 있는 수소 가스 센서 재료 및 구조에 대한 연구가 진행중에 있으나, 여전히 상온에서 수소 가스에 대한 높은 선택도, 민감도 및 빠른 응답 속도를 가질 수 있도록 작동하는 센서에 대한 개발이 필요한 실정이다.
한편 CNT(탄소 나노 튜브)를 이용한 가스 센서에 대한 연구도 진행되고 있지만, 종래의 방법으로는 기재와 CNT의 결합력이 미흡하여 세척공정 물이나 유기용매에 의하여 CNT 필름이 쉽게 박리될 수 있고, 따라서 필름 내 CNT 간의 연결성이 균일하지 못하여 제조한 소자 간의 신뢰성이 떨어질 수 밖에 없다.
따라서, 기재와의 접착력이 좋고 CNT 필름이 고밀도로 균일하게 형성되어 소자간의 신뢰성이 우수하며, 물이나 유기 용매에 대하여 탁월한 안정성을 가지면서도 동시에 상온에서 수소 가스에 대한 탁월한 선택도, 민감도 및 빠른 응답 속도를 구현할 수 있는 수소 가스 센서에 대한 연구개발이 절실히 요구되고 있다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 유기용매에 대한 우수한 안정성과 높은 신뢰성을 가지며 수소 가스에 대한 탁월한 선택도, 민감도 및 빠른 응답 속도를 나타내는 CNT 기반 수소 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 클릭반응을 이용하여 공정이 비교적 용이한 CNT 기반 수소 가스 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 고밀도 CNT 필름이 물이나 유기 용매에 대하여 탁월한 안정성을 가지면서도 동시에 상온에서 수소 가스에 대한 탁월한 선택도, 민감도 및 빠른 응답 속도를 구현할 수 있는 수소 가스 센서를 개발하기 위하여 끊임없는 연구를 거듭한 끝에, 놀랍게도 클릭반응을 이용하여 수소 가스 센서를 제조할 경우, CNT 필름이 고밀도로 균일하게 형성되고, 물이나 유기 용매에 대한 안정성이 우수하여 세척 후에도 박리되지 않으며 신뢰성이 우수할 뿐만이 아니라 수소 가스에 대한 탁월한 선택도, 민감도 및 빠른 응답 속도를 나타내는 수소 가스 센서를 제조할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 기판; 및 센싱부를 포함하는 수소 가스 센서로서, 상기 센싱부는 상기 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층; 상기 고분자층 상에 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층; 상기 복합체층 상에 형성된 금속 전극; 상기 복합체층 상에 형성된 팔라듐 나노입자층; 및 상기 팔라듐 나노입자층 상에 위치하는 고분자 코팅층;을 포함하며, 상기 제2 고분자-CNT복합체는 제2 고분자에 의해 CNT가 랩핑된 것이고, 상기 고분자층과 복합체층은 트리아졸을 통해 연결되는 것인 수소 가스 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 금속 전극은 상기 복합체층 상에서 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하고, 상기 팔라듐 나노입자층은 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격된 영역에 위치한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 고분자 코팅층은 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 트리아졸은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112022034215216-pat00001
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 고분자는 하기 화학식 2로 표시되고, 상기 제2 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되며, 상기 트리아졸은 상기 제1 고분자와 제2 고분자의 클릭반응에 의해 형성되는 것이고, 상기 클릭반응은 하기 반응식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
P1-(FG1)x
[화학식 3]
P2-(FG2)y
[반응식 1]
Figure 112023012122704-pat00092
상기 화학식 2 내지 3 및 반응식 1에서,
P1은 제1 고분자로부터 유래된 잔기이고;
P2는 제2 고분자로부터 유래된 잔기이고;
*는 P1이 기판에 고정된 부분이고,
P2(CNT)는 제2 고분자-CNT복합체로부터 유래된 잔기이고;
FG1은 알키닐 작용기이고;
FG2은 아자이드 작용기이고;
x 및 y는 1 이상의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 고분자는 아크릴계 공중합체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 2는 하기 화학식 4 또는 화학식 5로 표시될 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112022101477996-pat00059
[화학식 5]
Figure 112022101477996-pat00060
상기 화학식 4 및 5에서,
FG1은 알키닐 작용기이고;
FG3는 에폭시 작용기이고;
p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
p3는 말단에 FG3 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
z, k 및 t는 1 내지 7의 정수이고;
a, b 및 c는 1 이상의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 4은 하기 화학식 6으로 표시되고, 상기 화학식 5는 하기 화학식 8로 표시될 수 있다.
[화학식 6]
Figure 112022101477996-pat00061
[화학식 8]
Figure 112022101477996-pat00062
상기 화학식 6 및 8에서,
Ar은 3가 방향족 라디칼이고;
R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 C1-50알킬렌, C3-50시클로알킬렌, C6-50아릴렌, C3-50헤테로아릴렌, C1-50알콕시카보닐렌 또는 이들의 조합이고;
상기 알킬렌, 시클로알킬렌, 아릴렌, 헤테로아릴렌 및 알콕시카보닐렌은 선택적으로 하이드록시, 할로겐, 나이트로, 시아노, 아미노, 카복실, 카복실산염, C1-20알킬, C2-20알케닐, C2-20알키닐, C1-20할로알킬, C1-20알콕시, C1-20알콕시카보닐, C3-30시클로알킬, (C6-30)아르(C1-20)알킬, C6-30아릴 및 C3-30헤테로아릴에서 선택되는 하나 이상으로 치환될 수 있으며,
R5는 수소 또는 C1-3알킬이고;
FG1은 알키닐 작용기이고;
FG3는 에폭시 작용기이고;
z, k 및 t는 서로 독립적으로 1 내지 7의 정수이고;
a, b 및 c는 서로 독립적으로 1 이상의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 6는 하기 화학식 7로 표시되고, 상기 화학식 8은 하기 화학식 9로 표시될 수 있다.
[화학식 7]
Figure 112022101477996-pat00063
[화학식 9]
Figure 112022101477996-pat00064
상기 화학식 7 및 9에서,
R2 내지 R4는 서로 독립적으로 C1-10알킬렌이고;
R5는 수소 또는 메틸이고;
a, b 및 c는 서로 독립적으로 1 이상의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제2 고분자는 플루오렌기반 공중합체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 3은 하기 화학식 10의 반복단위(n) 및 하기 화학식 11의 반복단위(m)를 포함하는 공중합체일 수 있다.
[화학식 10]
Figure 112022101477996-pat00065
[화학식 11]
Figure 112022101477996-pat00066
상기 화학식 10 및 11에서,
R6 내지 R7은 독립적으로 C5-50알킬렌이고;
R8 내지 R9는 독립적으로 C5-50알킬이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제2 고분자-CNT 복합체에서 상기 CNT는 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(sc-SWCNT)일 수 있다.
본 발명은 기판; 및 센싱부를 포함하는 수소 가스 센서로서, 상기 센싱부는 상기 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층; 상기 고분자층 상에 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층; 상기 복합체층 상에 형성된 금속 전극; 상기 복합체층 상에 형성된 팔라듐 나노입자층; 및 상기 팔라듐 나노입자층 상에 위치하는 고분자 코팅층;을 포함하며, 상기 제2 고분자-CNT복합체는 제2 고분자에 의해 CNT가 랩핑된 것이고, 상기 고분자층과 복합체층은 트리아졸을 통해 연결되는 것인 수소 가스 센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 수소 가스 센서의 제조방법은
(a) 기판 상에 제1 고분자를 코팅 및 고정화하는 단계;
(b) 상기 제1 고분자가 코팅된 기판을 제2 고분자-CNT 복합체 용액에 침지하는 단계;
(c) 상기 제1 고분자와 제2 고분자가 클릭반응하여 고분자층 및 복합체층을 형성하는 단계;
(d) 상기 복합체층 상에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;
(e) 상기 복합체층 상에 팔라듐 나노입자층을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 팔라듐 나노입자층 상에 고분자 코팅층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (e) 단계는 팔라듐 나노입자의 녹는점보다 낮은 온도 조건에서 열증착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 온도 조건은 80 내지 500 ℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (f) 단계는 고분자를 용매에 용해시킨 뒤, 상기 팔라듐 나노입자층 상에 코팅 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 용매는 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (a) 단계는, (a-1) 용매로 기판을 세척하는 단계; (a-2) 자기 조립 단분자층(SAM)을 코팅하는 단계; (a-3) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계; (a-4) UV 경화 단계; 및 (a-5) 용매로 기판에 미고정된 화합물을 세척하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (a-3) 단계에서, 상기 제1 고분자는 하기 화학식 4로 표시될 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112022101477996-pat00067
상기 화학식 4에서,
FG1은 알키닐 작용기이고;
p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
z 및 k는 1 내지 7의 정수이고;
a 및 b는 1 이상의 정수이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (a-4) 단계는 패턴 형성 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (a) 단계는 (a'-1) 용매로 기판을 세척하는 단계; (a'-2) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계; (a'-3) 열처리 단계; 및 (a'-4) 용매로 기판에 미고정된 화합물을 세척하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (a'-2) 단계에서, 상기 제1 고분자는 하기 화학식 5로 표시될 수 있다.
[화학식 5]
Figure 112022101477996-pat00068
상기 화학식 5에서,
FG1은 알키닐 작용기이고;
FG3는 에폭시 작용기이고;
p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
p3는 말단에 FG3 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
z, k 및 t는 1 내지 7의 정수이고;
a, b 및 c는 1 이상의 정수이다.
본 발명에 따른 수소 가스 센서는 클릭반응을 이용하여 CNT 필름이 고밀도로 균일하게 형성되어 물이나 유기 용매에 대한 높은 안정성을 가질 수 있다. 특히, 종래에 CNT 용액을 스프레이 코팅 및 스핀 코팅할 경우, 쉽게 박리되어 재현성 및 신뢰성을 용이하게 확보할 수 없었던 반면, 본 발명에 따른 수소 가스 센서는 비교적 간단한 방법으로 높은 재현성 및 신뢰성이 높은 수소 가스 센서를 제조할 수 있고, 이에 따라 상용성을 용이하게 확보할 수 있다는 장점이 있다.
이에 본 발명은 클릭반응을 이용하여 CNT 필름이 고밀도로 균일하게 형성되고, 물이나 유기 용매에 대한 안정성이 우수하여 세척 후에도 박리되지 않으며 신뢰성이 우수할 뿐만이 아니라 수소 가스에 대한 탁월한 선택도, 민감도 및 빠른 응답 속도 나타내는 수소 가스 센서를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서를 간략하게 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 자기 조립 단분자층(SAM) 코팅 후 코팅층의 접촉각(Contact angle)을 측정한 이미지이다.
도 3은 (a)는 본 발명에 따른 실시예 1에서 코팅한 아크릴레이트 공중합체(i) 용액을 UV 경화한 후, 용매로 세척하기 전과 후의 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis spectroscopy) 결과를 나타낸 그래프이고, (b)는 본 발명에 따른 실시예 2에서 코팅한 아크릴레이트 공중합체(ii)용액을 열 경화한 후 용매로 세척하기 전과 후의 자외선-가시광선 분광분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1 내지 2, 비교예 1에 따른 CNT 반도체 소자들에 대한 전기적특성곡선 (출력 곡선(output curve) 및 트랜스퍼 곡선(transfer curve))을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 0.5(500ppb) 내지 1000 ppm의 수소 농도 별 검지 테스트 결과 그래프이다.
도 6은 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 공기중 100 ppm의 수소 가스 농도에서 반복적으로 테스트한 결과 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 에틸렌 및 메탄 가스를 이용하여 가스 종류에 따른 검지 테스트 결과 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 클릭반응을 이용한 수소 가스 센서 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
또한, 본 발명에서 어떤 층이 다른 층 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층이 다른 층에 접해있는 경우뿐 아니라 두 층 사이에 하나 이상의 다른 층이 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서의 용어 "고분자"는 중합체 및 공중합체를 포함한다.
본 명세서의 용어, "공중합체"는 일반적으로 하나 초과의 종의 단량체로부터 유래된 임의의 중합체를 의미하며, 여기서 중합체는 하나 초과의 종의 대응하는 반복 단위를 포함한다. 공중합체는 2 종 이상의 단량체의 반응 생성물이며, 따라서 대응하는 반복 단위의 2 종 이상의 종을 포함할 수 있다. 공중합체는 블록공중합체, 랜덤 공중합체 및/또는 교호 공중합체로 존재할 수 있다.
본 명세서의 용어 "아크릴계"는 메타크릴계 및 아크릴계를 모두 포함한다.
본 명세서의 용어 "아크릴레이트"는 메타크릴레이트 및 아크릴레이트를 모두 포함한다.
본 명세서의 용어 "잔기"는 고분자에서 특정 작용기를 제외한 나머지 부분을 의미하며, 상기 고분자의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
본 명세서의 용어 "랩핑(wrapping)"은 정전기적 상호작용에 의하여 고분자가 CNT를 감싸는 것을 의미하며, 코팅, 도포, 결합 및 부착의 의미도 포함할 수 있다. 또한, 상기 정전기적 상호작용은 π 전자 상호작용(π-π stacking interaction)을 의미할 수 있다.
본 명세서의 용어 "알킬"은 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함하며, 1 내지 30개의 탄소원자, 구체적으로 1 내지 20개의 탄소원자일 수 있다.
본 명세서의 용어 "할로겐" 및 "할로"는 플루오린, 클로린, 브로민 또는 아이오딘을 의미한다.
본 명세서의 용어 "할로알킬"은 각각 하나 이상의 수소 원자가 할로겐 원자로 치환된 알킬 그룹을 의미한다. 예를 들어, 할로알킬은 -CF3, -CHF2, -CH2F, -CBr3, -CHBr2, -CH2Br, -CC13, -CHC12, -CH2CI, -CI3, -CHI2, -CH2I, -CH2-CF3, -CH2-CHF2, -CH2-CH2F, -CH2-CBr3, -CH2-CHBr2, -CH2-CH2Br, -CH2-CC13, -CH2-CHC12, -CH2-CH2CI, -CH2-CI3, -CH2-CHI2, -CH2-CH2I, 및 이와 유사한 것을 포함한다. 여기에서 알킬 및 할로겐은 위에서 정의된 것과 같다.
본 명세서의 용어 "알케닐"은 2 내지 30개, 구체적으로 2 내지 20의 탄소 원자 및 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 포화된 직쇄상 또는 분지상 비-고리 탄화수소를 의미한다.
본 명세서의 용어 "알키닐"은 2 내지 30개, 구체적으로 2 내지 20의 탄소 원자 및 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합을 포함하는 포화된 직쇄상 또는 분지상 비-고리 탄화수소를 의미한다.
본 명세서의 용어 "알콕시"는 -OCH3, -OCH2CH3, -O(CH2)2CH3, -O(CH2)3CH3, -O(CH2)4CH3, -O(CH2)5CH3, 및 이와 유사한 것을 포함하는 -O-(알킬)을 의미하며, 여기에서 알킬은 위에서 정의된 것과 같다.
본 명세서의 용어 "아릴"은 5 내지 10의 고리 원자를 함유하는 탄소고리 방향족 그룹을 의미한다. 대표적인 예는 페닐, 톨일(tolyl), 자이릴(xylyl), 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 안트라세닐(anthracenyl), 플루오레닐(Fluorenyl), 인데닐(indenyl), 아주레닐(azulenyl) 등을 포함하나 이에 이에 한정되지는 않는다. 나아가 아릴은 탄소고리 방향족 그룹과 그룹이 알킬렌 또는 알케닐렌으로 연결되거나, B, O, N, C(=O), P, P(=O), S, S(=O)2 및 Si원자로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로 원자로 연결된 것도 포함한다.
본 명세서의 용어 “알콕시카보닐”은 알콕시-C(=O)-* 라디칼을 의미하는 것으로, 여기서 ‘알콕시’는 상기 정의한 바와 같다. 이러한 알콕시카보닐 라디칼의 예는 메톡시카보닐, 에톡시카보닐, 이소프로폭시카보닐, 프로폭시카보닐, 부톡시카보닐, 이소부톡시카보닐, t-부톡시카보닐 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서의 용어 "시클로알킬(cycloalkyl)"은 탄소 및 수소 원자를 가지며 탄소-탄소 다중 결합을 가지지 않는 모노시클릭 또는 폴리시클릭 포화 고리(ring)를 의미한다. 시클로알킬 그룹의 예는 C3-10시클로알킬(예를 들어, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 및 시클로헵틸)을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 시클로알킬 그룹은 선택적으로 치환될 수 있다. 일 실시예에서, 시클로알킬 그룹은 모노시클릭 또는 바이시클릭 링(고리)이다.
본 명세서의 용어 "아르알킬"은 알킬의 하나 이상의 수소가 아릴로 치환된 것으로, 벤질 등이 포함된다.
본 명세서의 용어 "알킬렌", "알케닐렌", "알키닐렌", "시클로알킬렌", "아릴렌", "헤테로아릴렌" 및 "알콕시카보닐렌"은 각각 "알킬", 알케닐", "알키닐 "시클로알킬", "아릴", "헤테로아릴" 및 "알콕시카보닐"에서 하나의 수소 제거에 의해 유도된 2가 유기 라디칼을 의미하며, 상기 알킬, 알케닐, 알키닐, 시클로알킬, 아릴, 헤테로아릴 및 알콕시카보닐의 각각의 정의를 따른다.
본 명세서의 용어 "하이드록시"는 -OH를 의미하고, "나이트로"는 -NO2를 의미하고, "시아노"는 -CN을 의미하고, "아미노"는 -NH2를 의미하고, "카복실"은 -COOH를 의미하고, "카복실산염"은 -COOM을 의미한다. 상기 M은 알칼리 금속 또는 토금속일 수 있다.
본 명세서의 용어 "알칼리 금속"은 주기율표의 1족 가운데 수소를 제외한 나머지 화학 원소인, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)을 의미하고, "알칼리 토금속"은 주기율표의 2족 원소인 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra)을 의미한다.
본 발명에 기재된 "포함한다"는 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT 기반 수소 가스 센서에 대하여 자세하게 설명한다.
본 발명은 기판; 및 센싱부를 포함하는 수소 가스 센서로서, 상기 센싱부는 상기 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층; 상기 고분자층 상에 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층; 상기 복합체층 상에 형성된 금속 전극; 상기 복합체층 상에 형성된 팔라듐 나노입자층; 및 상기 팔라듐 나노입자층 상에 위치하는 고분자 코팅층;을 포함하며, 상기 제2 고분자-CNT복합체는 제2 고분자에 의해 CNT가 랩핑된 것이고, 상기 고분자층과 복합체층은 트리아졸을 통해 연결되는 것인 수소 가스 센서를 제공한다.
상기 기판은 유리, 석영 및 실리콘 등을 포함하는 무기 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 설폰, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리이써이써케톤, 폴리이써이미드, 아크릴 수지 및 올레핀 말레이미드 공중합체 등을 포함하는 유기 기판일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 기판은 통상적인 실리콘 웨이퍼나 상기 무기 기판에 산화막을 형성한 기판일 수 있고, 상기 유기 기판 및 플라스틱 등을 포함하는 플렉서블 기판일 수 있지만, 기판 상에 CNT 필름이 형성될 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. 추가적으로 상기 기판과 CNT 필름의 접착력을 향상시키기 위하여 물리적, 화학적 처리를 하는 것일 수 있다. 상기 기판에 CNT 필름을 형성하여 반도체 소자, 투명전극 및 디스플레이 등에 응용되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 트리아졸은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112022034215216-pat00013
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 제1 고분자는 하기 화학식 2로 표시되고, 상기 제2 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되며, 상기 트리아졸은 상기 제1 고분자와 제2 고분자의 클릭반응에 의해 형성되는 것이고, 상기 클릭반응은 하기 반응식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
P1-(FG1)x
[화학식 3]
P2-(FG2)y
[반응식 1]
Figure 112023012122704-pat00093
상기 화학식 2 내지 3 및 반응식 1에서, P1은 제1 고분자로부터 유래된 잔기이고, P2는 제2 고분자로부터 유래된 잔기이고, *는 P1이 기판에 고정된 부분이고, P2(CNT)는 제2 고분자-CNT복합체로부터 유래된 잔기이고, FG1은 알키닐 작용기이고, FG2은 아자이드 작용기이고, x 및 y는 1 이상의 정수이다.
상기 제1 고분자로부터 유래된 잔기는 상기 제1 고분자에서 상기 FG1 작용기를 제외한 나머지 부분을 의미하며, 상기 제1 고분자는 후술하는 내용과 동일하다.
상기 제2 고분자로부터 유래된 잔기 상기 제2 고분자에서 상기 FG2 작용기를 제외한 나머지 부분을 의미하며, 상기 제2 고분자는 후술하는 내용과 동일하다.
상기 제2 고분자-CNT복합체로부터 유래된 잔기 상기 제2 고분자-CNT복합체에서 상기 FG2 작용기를 제외한 나머지 부분을 의미하며, 상기 제2 고분자-CNT복합체는 후술하는 내용과 동일하다.
상기 반응식 1을 구체적으로 표현하면 하기 반응식 2일 수 있다.
[반응식 2]
Figure 112023012122704-pat00094
상기 반응식 1 내지 2에서 보는 바와 같이, 상기 화학식 2의 알키닐 작용기와 상기 화학식 3의 아자이드 작용기는 구리 촉매 존재 하에 클릭반응을 통해 트리아졸 고리를 형성할 수 있다. 상기 트리아졸 고리에 의하여 P1과 P2(CNT)가 화학적으로 결합됨으로써 상기 기판 상에 고분자층과 복합체층을 형성할 수 있다. 상기 제1 고분자는 알키닐 작용기가 있다면 그 종류가 특별히 제한되지 않고, 상기 제2 고분자도 아자이드 작용기가 있다면 그 종류가 특별히 제한되지 않는다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 고분자는 측쇄(side chain)에 하이드록시, 에폭시, 카르복실, 티올, 알켄 및 알키닐, 구체적으로 에폭시 및 알키닐 작용기를 갖는 것이라면 종류에 크게 제한없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 고분자는 아크릴계 공중합체일 수 있으며, 상기 아크릴계 공중합체는 2종 이상의 단량체를 중합한 것일 수 있고, 상기 단량체는 아크릴계 단량체 또는 메타아크릴계 단량체일 수 있다. 상기 단량체는 말단에 하이드록시, 에폭시, 카르복실, 티올, 알켄 및 알키닐을 작용기로 갖는 것일 수 있고, 구체적으로 에폭시 및 알키닐 작용기를 갖는 것일 수 있다. 상기 단량체는 직접 합성하여 사용할 수 있고, 시판되는 제품을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 아크릴계 공중합체는 통상적으로 사용되는 중합법에 의하여 합성되는 것일 수 있다. 구체적으로 용액중합일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 용액중합은 상기 단량체, 개시제 및 용매를 포함하여 중합되는 것일 수 있고, 상기 개시제 및 용매는 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 제한되지 않지만, 구체적으로 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)을 사용할 수 있고, 용매는 디메틸포름아마이드(DMF)일 수 있다. 또한, 그 함량은 본 발명에서 서술하는 물성을 저해하지 않는다면 특별히 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 고분자는 수평균분자량(Mn)이 5,000 내지 100,000 Da, 구체적으로 10,000 내지 60,000 Da, 더욱 구체적으로 10,000 내지 30,000 Da일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수평균분자량은 상기 단량체의 함량비 및 중합조건에 의하여 조절될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 2는 하기 화학식 4 또는 화학식 5로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112022101477996-pat00071
상기 화학식 4에서, FG1은 알키닐 작용기이고, p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고, z 및 k는 독립적으로 1 내지 7의 정수이고, a, 및 b는 1 이상의 정수이다. 구체적으로 상기 z 및 k는 독립적으로 1 내지 3 의 정수일 수 있으며, 상기 a 및 b는 0.1 내지 10 : 1을 만족하는 것일 수 있고, 구체적으로 0.5 내지 5 : 1, 더욱 구체적으로 0.8 내지 2 : 1을 만족하는 것일 수 있지만, 이에 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 알키닐 작용기는 상기 화학식 3의 아자이드 작용기와 클릭반응하여 트리아졸 고리를 형성할 수 있다.
또한, 상기 p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고, 구체적으로 상기 단량체는 축합중합 또는 부가중합이 가능한 단량체라면 크게 제한되지 않지만, 구체적으로 라디칼 중합이 가능한 아크릴계, 메타크릴계 및 비닐계 등에서 선택되는 하나 이상의 단량체일 수 있다.
상기 화학식 4에서 a 및 b는 제1 고분자에서 p1 및 p2 반복단위 각각의 몰수를 의미할 수 있다. p1 및 p2 반복단위에 해당하는 단량체의 투입 몰비를 조절하거나 중합조건을 조절하여 a 및 b의 비율(a:b)을 조절할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 4는 하기 화학식 6으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 6]
Figure 112022101477996-pat00072
상기 화학식 6에서, Ar은 3가 방향족 라디칼이고; R1 내지 R2는 독립적으로 C1-50알킬렌, C3-50시클로알킬렌, C6-50아릴렌, C3-50헤테로아릴렌, C1-50알콕시카보닐렌 또는 이들의 조합이고, 상기 알킬렌, 시클로알킬렌, 아릴렌, 헤테로아릴렌 및 알콕시카보닐렌은 선택적으로 하이드록시, 할로겐, 나이트로, 시아노, 아미노, 카복실, 카복실산염, C1-20알킬, C2-20알케닐, C2-20알키닐, C1-20할로알킬, C1-20알콕시, C1-20알콕시카보닐, C3-30시클로알킬, (C6-30)아르(C1-20)알킬, C6-30아릴 및 C3-30헤테로아릴 등에서 선택되는 하나 이상으로 치환될 수 있으며, z 및 k는 1 내지 7의 정수이고, a 및 b는 1 이상의 정수이다.
구체적으로 상기 화학식 6에서, R1 내지 R2는 독립적으로 C1-20알킬렌, C6-20아릴렌, C1-20알콕시카보닐렌 또는 이들의 조합일 수 있고, 상기 알킬렌, 아릴렌 및 헤테로아릴렌은 선택적으로 하이드록시, 할로겐, 카복실, C1-7알킬, C1-7할로알킬, C1-7알콕시, C1-7알콕시카보닐, (C6-20)아르(C1-7)알킬 및 C6-20아릴에서 선택되는 하나 이상으로 치환될 수 있으며, z 및 k는 1 내지 3의 정수이고, 상기 a 및 b는 0.1 내지 10 : 1, 구체적으로 0.5 내지 5 : 1을 만족하는 것일 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 6는 하기 화학식 7로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 7]
Figure 112022101477996-pat00073
상기 화학식 7에서, R2 내지 R3은 독립적으로 직접결합 또는 C1-10알킬렌이고, a 및 b는 1 이상의 정수이다. 구체적으로 R2 내지 R3은 독립적으로 C1-3알킬렌일 수 있고, 더욱 구체적으로 R2 내지 R3은 메틸렌일 수 있으며, 상기 a 및 b는 구체적으로 0.8 내지 2 : 1을 만족하는 것일 수 있다.
또한, 상기 화학식 4의 z 및 k는 각각 p1 및 p2 반복단위에 포함된 FG1의 갯수를 의미하는데 상기 화학식 7의 경우를 예로 들면 z는 2이고 k는 1일 수 있다.
[화학식 5]
Figure 112022101477996-pat00074
상기 화학식 5에서, FG1은 알키닐 작용기이고, FG3는 에폭시 작용기이고, p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고, p3는 말단에 FG3 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고, z, k 및 t는 독립적으로 1 내지 7의 정수이고, a, b 및 c는 1 이상의 정수이다. 구체적으로 상기 z, k 및 t는 독립적으로 1 내지 3 의 정수일 수 있으며, 상기 a와 b의 합 및 c의 비율(a+b:c)은 1 내지 10 : 1, 좋게는 1 내지 7 : 1의 비율을 만족하는 것일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 에폭시 작용기는 상기 기판과 화학적으로 반응할 수 있고, 상기 알키닐 작용기는 상기 화학식 3의 아자이드 작용기와 클릭반응하여 트리아졸 고리를 형성할 수 있다.
또한, 상기 p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고, p3는 말단에 FG3 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위일 수 있으며, 구체적으로 상기 단량체는 축합중합 또는 부가중합이 가능한 단량체라면 크게 제한되지 않지만, 구체적으로 라디칼 중합이 가능한 아크릴계, 메타크릴계 및 비닐계 등에서 선택되는 하나 이상의 단량체일 수 있다.
상기 화학식 5에서 a 내지 c는 제1 고분자에서 p1 내지 p3 반복단위의 몰수를 의미할 수 있다. p1 내지 p3 반복단위에 해당하는 단량체의 투입 몰비를 조절하거나 중합조건을 조절하여 a 내지 c의 비율을 조절할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 5는 하기 화학식 8로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 8]
Figure 112022101477996-pat00075
상기 화학식 8에서, Ar은 3가 방향족 라디칼이고; R1, R2 및 R4는 독립적으로 C1-50알킬렌, C3-50시클로알킬렌, C6-50아릴렌, C3-50헤테로아릴렌, C1-50알콕시카보닐렌 또는 이들의 조합이고, 상기 알킬렌, 시클로알킬렌, 아릴렌, 헤테로아릴렌 및 알콕시카보닐렌은 선택적으로 하이드록시, 할로겐, 나이트로, 시아노, 아미노, 카복실, 카복실산염, C1-20알킬, C2-20알케닐, C2-20알키닐, C1-20할로알킬, C1-20알콕시, C1-20알콕시카보닐, C3-30시클로알킬, (C6-30)아르(C1-20)알킬, C6-30아릴 및 C3-30헤테로아릴에서 선택되는 하나 이상으로 치환될 수 있으며, R5는 수소 또는 C1-3알킬이고, z, k 및 t는 1 내지 7의 정수이고, a, b 및 c는 1 이상의 정수이다.
구체적으로 상기 화학식 8에서, Ar은 3가 방향족 라디칼이고; R1, R2 및 R4는 독립적으로 C1-20알킬렌, C6-20아릴렌, C1-20알콕시카보닐렌 또는 이들의 조합일 수 있고, 상기 알킬렌, 아릴렌 및 헤테로아릴렌은 선택적으로 하이드록시, 할로겐, 카복실, C1-7알킬, C1-7할로알킬, C1-7알콕시, C1-7알콕시카보닐, (C6-20)아르(C1-7)알킬 및 C6-20아릴에서 선택되는 하나 이상으로 치환될 수 있으며, R5는 수소 또는 메틸이고, z 및 k는 1 내지 3의 정수이며, 상기 a와 b의 합 및 c의 비율(a+b:c)은 1 내지 10 : 1, 좋게는 1 내지 7 : 1의 비율을 만족하는 것일 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 8은 하기 화학식 9로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 9]
Figure 112022101477996-pat00076
상기 화학식 9에서, R2 내지 R4는 독립적으로 C1-10알킬렌이고, R5는 수소 또는 메틸이고, a, b 및 c는 1 이상의 정수이다. 구체적으로 R2 내지 R4는 독립적으로 C1-3알킬렌이고, R5는 메틸일 수 있으며, 상기 a와 b의 합 및 c의 비율(a+b:c)은 1 내지 7 : 1의 비율을 만족하는 것일 수 있다.
또한, 상기 화학식 5의 z, k 및 t는 각각 p1, p2 및 p3 반복단위에 포함된 FG1 및 FG3의 갯수를 의미하는데 상기 화학식 9의 경우를 예로 들면 z는 2, k는 1, t는 1인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 4 및 5에서 p1 내지 p3는 서로 독립적으로 화학식 2의 제1 고분자를 구성하고 있는 반복단위를 의미할 수 있다. 상기 화학식 4 및 5에서 p1 및 p2 반복단위는 서로 독립적으로 말단에 하나 이상의 FG1 작용기를 포함하는 단량체로부터 유래된 것일 수 있고, 상기 화학식 5에서 p3 반복단위는 말단에 하나 이상의 FG3 작용기를 포함하는 단량체로부터 유래된 것일 수 있다. 상기 FG1 작용기는 알키닐 작용기이고, FG3 작용기는 에폭시 작용기일 수 있으며, 상기 단량체는 공중합이 가능하다면 종류에 크게 제한되지 않고, 구체적으로는 축합 중합 또는 부가 중합이 가능한 단량체라면 종류가 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로는 라디칼 중합이 가능한 아크릴계, 메타크릴계 및 비닐계 등의 단량체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로 중합에 투입하는 단량체의 몰비를 조절하여 상기 화학식 4의 a 및 b의 비율을 조절할 수 있고, 상기 화학식 5의 a 내지 c의 비율을 조절할 수 있다. 즉, 중합에 투입된 해당 단량체의 몰비와 반복단위 p1 내지 p3의 비율이 유사 혹은 동일할 수 있다. 구체적으로 반복단위 p1의 몰수는 a, p2 의 몰수는 b, p3 의 몰수는 c에 대응하며, 각각의 p1 내지 p3에 해당하는 단량체를 2 : 2 : 1 의 몰비로 투입하여 중합했을 경우, a : b : c는 2 : 2 : 1과 동일 혹은 유사할 수 있지만, 이에 특별히 제한되지 않으며, 각 단량체의 반응성과 중합조건에 따라 상기 비율은 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2 고분자는 측쇄(side chain)에 아자이드 작용기를 갖는 것이라면 그 종류가 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로 상기 제2 고분자는 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 플루오렌계, 카바졸계, 싸이오펜계 및 올레핀계 고분자 등에서 선택될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 제2 고분자는 1종 이상의 단량체를 중합하여 합성되는 것일 수 있고, 상기 중합은 축합중합 또는 부가중합의 형식으로 합성되는 것일 수 있지만 특별히 제한되지 않으며, 상기 단량체는 말단에 아자이드 작용기를 갖고 CNT를 래핑할 수 있다면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다.
상기 제2 고분자는 CNT를 랩핑하여 제2 고분자-CNT복합체를 제조할 수 있으며, 구체적으로 플루오렌기반 공중합체일 수 있다. 구체적으로 상기 플루오렌기반 공중합체는 2종 이상의 플루오렌기반 단량체를 공중합한 것일 수 있다. 상기 제2 고분자가 전기전도성을 띄는 공액형 고분자인 플루오렌기반 공중합체일 경우, 더욱 효과적으로 CNT를 랩핑할 수 있고, 따라서 고밀도 CNT가 형성된 필름을 제조할 수 있으며, 이를 이용하여 전기적 특성이 탁월한 CNT 반도체 소자 및 수소 가스 센서를 제조할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 하기 화학식 10의 반복단위(n) 및 하기 화학식 11의 반복단위(m)를 동시에 포함하는 공중합체일 수 있다.
[화학식 10]
Figure 112022101477996-pat00077
[화학식 11]
Figure 112022101477996-pat00078
상기 화학식 10 및 11에서, R6 내지 R7은 독립적으로 C5-50알킬렌이고, R8 내지 R9는 독립적으로 C5-50알킬이다. 구체적으로 R6 내지 R7은 독립적으로 C5-20알킬렌이고, R8 내지 R9는 독립적으로 C5-20알킬일 수 있으며, 상기 범위의 탄소 갯수를 만족하는 알킬렌 및 알킬의 경우, CNT 측벽면과 π전자 상호작용(π-π stacking interaction)을 통해 효과적으로 CNT를 랩핑할 수 있다. 특히, 상기 반복단위(n) 및 반복단위(m)를 포함하는 공중합체를 사용할 경우, 선택적으로 sc-SWCNT를 랩핑하여 제2 고분자-CNT복합체를 제조할 수 있고 이를 이용하여 복합체층을 형성함으로써, 더욱 향상된 민감도 및 선택도를 갖는 수소 가스 센서를 제조할 수 있어 매우 바람직하다. 또한, 상기 반복단위(n) 및 반복단위(m)를 포함하는 공중합체의 수평균분자량은 1,000 내지 500,000 Da, 좋게는 3,000 내지 50,000 Da, 더 좋게는 5,000 내지 35,000 Da일 수 있지만, 본 발명에서 목적으로 하는 물성을 저해하지 않는다면 이에 제한되지 않는다.
상기 반복단위(n) 및 반복단위(m)를 포함하는 공중합체는 각 반복단위가 랜덤하게 중합된 랜덤공중합체 일 수 있고, 각 반복단위가 교차되어 결합된 교호 공중합체(alternating copolymer)일 수 있으며, 구체적으로, 랜덤 공중합체 일 수 있다. 상기 공중합체에서의 반복단위(n)의 몰분율을 n, 반복단위(m)의 몰분율을 m 라고 할 때, n+m=1 일 수 있고, 상기 n는 0.9 이하, 0.7 이하, 좋게는 0.5 이하, 0.4 이하, 더 좋게는 0.3 이하, 0.2 이하 또는 0.1 이하일 수 있고, 상한은 크게 제한되지 않지만, 0.0001 이상일 수 있고, 본 발명이 목적으로 하는 물성을 저해하지 않는다면, 이에 제한되지 않는다. 상기 범위를 만족할 경우, 상기 반복단위(n) 및 반복단위(m)를 포함하는 공중합체가 sc-SWCNT에 대하여 더욱 향상된 선택도를 가질 수 있고, 이를 통해 더욱 고밀도의 sc-SWCNT를 갖는 CNT 필름을 코팅할 수 있다. 상기 고밀도의 sc-SWCNT가 코팅된 수소 가스 센서의 경우, 더욱 향상된 민감도 및 선택도를 구현할 수 있어 좋다. 상기 몰분율은 공중합체의 몰분율 분석을 위해 통상적으로 사용하거나 공지된 방법이라면 크게 제한되지 않고 사용가능하며, 구체적으로 NMR 분석을 통해 확인할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따라, 상기 화학식 10의 반복단위(n) 및 상기 화학식 11의 반복단위(m)를 포함하는 공중합체는 하기 화학식 14로 표시될 수 있다.
[화학식 14]
Figure 112022034215216-pat00024
상기 화학식 14에서, R6 및 R7은 독립적으로 C5-20알킬렌이고, R8, R9, R18 및 R19는 독립적으로 C5-20알킬일 수 있으며, 상기 v, w, n, m, g 및 h는 독립적으로 상기 공중합체에서 해당 반복단위의 몰분율이고, v+w=1이고, n+m+g+h=1이다. 좋게는 상기 n는 0.5 이하, 0.4 이하, 더 좋게는 0.3 이하, 0.2 이하 또는 0.1 이하일 수 있고, 상한은 크게 제한되지 않지만, 0.0001 이상일 수 있지만, 본 발명이 목적으로 하는 물성을 저해하지 않는다면, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 공중합체는 각 반복단위가 랜덤하게 중합된 랜덤공중합체 일 수 있고, 각 반복단위가 교차되어 결합된 교호 공중합체(alternating copolymer)일 수 있으며, 구체적으로 랜덤 공중합체 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서는 기판과 상기 제1 고분자로부터 형성된 고분자층 사이에 자기 조립 단분자층(SAM)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 자기조립 단분자층은 기판층 표면과 쉽게 반응하는 물질, 일예로 실란 커플링제를 포함하며, 에너지를 효과적으로 흡수해서 라디칼을 형성하여 가교 반응을 일으킬 수 있는 광중합 개시제, 일예로 벤조페논 구조를 포함하는 화합물로부터 유도된 단위일 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 자기 조립 단분자층(SAM)은 하기 화학식 12로 표시되는 화합물로부터 형성된 자기 조립 단분자층일 수 있다.
[화학식 12]
Figure 112022034215216-pat00025
상기 화학식 12에서, R10는 C1-10알킬렌이고, R11 내지 R13은 독립적으로 하이드록시, 할로겐, C1-10알킬, C1-10할로알킬, C1-10알콕시 또는 C1-10알콕시카보닐이다. 구체적으로 R10는 C1-7알킬렌이고, R11 내지 R13은 독립적으로 할로겐, C1-7알킬, 또는 C1-7할로알킬일 수 있고, 상기 할로겐은 Cl 또는 F일 수 있으며, 더욱 구체적으로 상기 화학식 12는 하기 화학식 13으로 표시되는 것일 수 있다.
[화학식 13]
Figure 112022034215216-pat00026
상기 화학식 12 및 13으로 표시되는 화합물은 벤조페논 구조를 포함하여 에너지 빔을 효과적으로 흡수하여 벤조페논의 카르보닐기의 n-궤도의 전자와 접촉하는 고분자의 알킬 사슬과 반응할 수 있다. 따라서, 상기 화학식 12 및 13으로 표시되는 화합물과 상기 제1 고분자가 에너지 빔 조사에 의해 가교될 수 있으며, 비제한적인 예로 상기 에너지 빔은 자외선(UV)일 수 있다.
상기 자기조립 단분자층은 상기 화학식 12로 표시되는 화합물로부터 형성될 수 있으며, 상기 자기조립 단분자층은 상기 기판과 화학적으로 결합함과 동시에 상기 제1 고분자와도 가교됨으로써, 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층을 고정화하여, 본 발명이 목적으로 하는 물과 유기 용매에 안정적이고 소자간 재현성이 우수하며, 수소 가스에 대하여 향상된 민감도 및 선택도를 갖는 수소 가스 센서를 제조할 수 있어 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 금속 전극은 저항 또는 전류의 변화를 측정하기 위한 것으로 상기 복합체층 상에서 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함할 수 있다. 상기 금속 전극은 Pt, Al, Au, Cu, Cr, Ni, Ru, Mo, V, Zr, Ti, W, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상 또는 ITO(Indium tin oxide), AZO(Al-doped ZnO), IZO(Indium zinc oxide), FTO(F-doped SnO2), GZO(Ga-doped ZnO), ZTO(zinc tin oxide), GIO(gallium indium oxide), ZnO, Pd, Ag 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상에 의해 형성된 전극일 수 있다. 상기 금속 전극의 두께는 5 내지 100㎚, 좋게는 20 내지 80㎚일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 팔라듐 나노입자층은 수소를 감지하는 감지부로, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격된 영역에 위치한 것일 수 있으며, 팔라듐 나노입자층에 의해 수소 가스의 센싱이 가능하다. 구체적으로, 상기 금속 전극에 전원을 공급한 상태에서 팔라듐 나노입자층에 수소가 노출될 경우, 수소가 흡착되며 전기적 특성이 변화되어 수소를 검지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 팔라듐 나노입자층은 1 내지 20㎚, 구체적으로 2 내지 10㎚의 두께로 형성될 수 있다. 팔라듐 나노입자층은 클러스터 또는 분산된 입자형태의 팔라듐 나노입자로 이루어질 수 있다. 구체예로, 평균 입경이 0.1 내지 10nm, 좋게는 0.5 내지 5nm인 클러스터 형 팔라듐 나노입자로 이루어질 수 있다. 이와 같은 팔라듐 나노입자층은 우수한 전도성과 수소흡착성능을 동시에 가짐에 따라 다량의 수소 가스를 흡착할 수 있으며, 고감도 센싱이 가능하도록 한다.
구체적으로 상기 팔라듐 나노입자층이 특정영역, 즉, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격된 영역에 위치함에 따라 높은 민감도로 수소가스 센싱이 가능하다. 상기 팔라듐 나노입자는 상기 영역에서 균일 또는 불균일하게 분포되어 있을 수 있으며, 구체적으로 상기 팔라듐 나노입자는 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격된 영역의 복합체층 표면에 일부영역에만 분포되어, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격된 영역의 복합체층 표면이 팔라듐 나노입자층이 위치하는 제1영역과, 팔라듐 나노입자층이 위치하지 않는 제2영역을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 제2영역의 면적은 상기 소스 전극 및 드레인 전극에 의해 구획된 복합체층 표면의 총 면적 중 50% 내지 90%, 바람직하게는 60% 내지 80%일 수 있다. 상기와 같은 팔라듐 나노입자층 복합체층을 포함하는 수소 가스 센서는 고민감도 센싱뿐만 아니라, 다양한 환경조건 하에서도, 구체적으로 -50 ℃ 내지 300 ℃의 온도 10 내지 80%의 습도 하에서도 고감도의 수소 가스의 센싱이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 고분자 코팅층은 수소 가스를 선택적으로 투과할 수 있도록 하여 더욱 고감도의 수소 가스 센싱이 가능하도록 한다. 나아가 고분자 코팅층은 수분, 공기 등 외부 환경에서 팔라듐 나노입자의 이탈 방지 등 감지부를 보호하는 역할을 하여 장시간 동안 외부 노출 시 수분 등에 의해 수소 가스 민감도가 떨어지는 것을 방지한다. 즉, 고분자 코팅층은 감지부의 민감도, 수소선택성, 물리적 및 화학적 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 코팅층의 두께는 팔라듐 나노입자층을 충분히 보호할 수 있는 두께라면 특별히 한정되지 않지만, 100㎚ 이상, 또는 500 nm 이상, 구체적으로 1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 고분자 코팅층은 상기 전극의 두께보다 두껍게 형성되어 고분자 코팅층의 가장자리가 전극 상에 위치할 수 있다. 이와 같은 고분자 코팅층은 수소 가스 센서의 전극도 외부 환경으로부터 보호함에 따라, 수소 가스 센서의 내구성을 더욱 높이는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 고분자 코팅층은 상술한 바와 같이, 아크릴레이트계 고분자를 포함하는 것으로, 상기 아크릴레이트계 고분자의 중량평균분자량은 1,000 내지 1,000,000 g/mol일 수 있고, 구체적으로 5,000 내지 500,000 g/mol, 보다 구체적으로 20,000 내지 400,000 g/mol일 수 있다. 일예로 상기 아크릴레이트계 고분자는 폴리(C1-4)알킬메타크릴레이트를 포함할 수 있고, 구체적으로, 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트(polyethylmetacrylate) 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 고분자 코팅층은 폴리메틸메타크릴레이트를 포함할 수 있으며, 동시에 비다공질 구조를 가짐으로써 수소 가스의 선택도 향상에 있어서 유리할 수 있다. 특히, 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트를 포함하는 고분자 코팅층의 경우, 수소 가스 센싱에 있어 탁월한 수소 가스 선택성, 고감도 및 높은 신뢰성을 가질 수 있어 바람직하다. 여기서, 비다공질이란 고분자 코팅층의 표면을 주사전자현미경으로 측정된 25㎛ x 20㎛의 사진으로 관찰 시, 육안으로 기공이 관찰되지 않는 것을 의미한다. 구체적으로, 약 10㎚ 이상의 직경을 가지는 크기의 기공이 발견되지 않는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CNT 기반 수소 가스 센서를 통해 본 발명의 수소 가스를 검출하는 방법은 감지부에 검출 대상 가스를 노출시킨 전 후의 전류 또는 저항을 측정하여 이루어질 수 있다. 일 예로, 수소 가스 센서의 드레인 전류(Ids(ref))를 측정하여 기준을 설정하는 단계; 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 검출 대상 가스를 도입하는 단계; 검출 대상 가스가 도입되었을 때의 드레인 전류(Ids(detect))를 측정하는 검출 단계; 및 측정된 드레인 전류값을 이용하여 검출 가스의 농도를 분석하는 단계;를 포함할 수 있으며, 검출 대상 가스의 도입 전 후 변화된(증가된) 드레인 전류값을 기준으로 검출 가스를 검출할 수 있다. 이와 달리, 검출 대상 가스의 도입 전 후에 따라 변화된 드레인 전류값이 아닌, 변화된 저항값을 측정하여 검출 가스의 검지가 수행될 수 있다. 또한 수소 가스 센서의 작동(검출) 온도는 -50 내지 300 ℃ 구체적으로 -10 내지 200 ℃ 보다 구체적으로 4 내지 100 ℃ 범위일 수 있고, 이와 같은 수소 가스 검출 방법은 0.1 내지 100000 ppm, 구체적으로 1 내지 80000 ppm의 농도 범위를 가지는 수소 가스를 검출할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT 기반 수소 가스 센서는 200 ppm 이하의 저농도에서도 고감도로 수소 가스를 센싱할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 기판; 및 센싱부를 포함하는 수소 가스 센서로서, 상기 센싱부는 상기 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층; 상기 고분자층 상에 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층; 상기 복합체층 상에 형성된 금속 전극; 상기 복합체층 상에 형성된 팔라듐 나노입자층; 및 상기 팔라듐 나노입자층 상에 위치하는 고분자 코팅층;을 포함하며, 상기 제2 고분자-CNT복합체는 제2 고분자에 의해 CNT가 랩핑된 것이고, 상기 고분자층과 복합체층은 트리아졸을 통해 연결되는 것인 수소 가스 센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법은
(a) 기판 상에 제1 고분자를 코팅 및 고정화하는 단계; (b) 상기 제1 고분자가 코팅된 기판을 제2 고분자-CNT 복합체 용액에 침지하는 단계; (c) 상기 제1 고분자와 제2 고분자가 클릭반응하여 고분자층 및 복합체층을 형성하는 단계; (d) 상기 복합체층 상에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계; (e) 상기 복합체층 상에 팔라듐 나노입자층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 팔라듐 나노입자층 상에 고분자 코팅층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서, 상기 제1 고분자는 상기 화학식 2로 표시될 수 있고, 상기 제2 고분자는 상기 화학식 3으로 표시될 수 있으며, 상기 제1 고분자 및 제2 고분자에 대한 구체적인 설명은 상기 서술한 바와 동일하다.
더욱 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a-1) 용매로 기판을 세척하는 단계; (a-2) 자기 조립 단분자층(SAM)을 코팅하는 단계; (a-3) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계; (a-4) UV 경화 단계; 및 (a-5) 용매로 기판에 미고정된 화합물을 세척하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (a-1) 용매로 기판을 세척하는 단계는 기판 표면의 불순물을 제거하기 위해 행해질 수 있고, 상기 용매는 통상적으로 사용하는 무기 용매, 유기 용매 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 비제한적인 예로 상기 용매는 물, 질산, 황산, 과산화수소, 아세톤, IPA, THF, 벤젠, 클로로포름, 메탄올, DMF 및 톨루엔 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이거나 이들의 혼합물일 수 있고, 좋게는 황산과 과산화수소의 혼합물로 1차 세척하고, 물로 2차 세척한 뒤, 톨루엔으로 3차 세척하는 것일 수 있으며, 상기 황산과 과산화수소의 중량비는 1 내지 9 : 9 내지 1을 만족하는 것일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (a-2) 자기 조립 단분자층을 코팅하는 단계는 스핀 코팅, 침지 코팅, 기체상 증착, 닥터 블레이드 코팅 및 커튼 코팅 방법 등으로 진행될 수 있다. 구체적으로 침지 코팅 방법일 수 있으며, 상기 침지 코팅 방법은 세척한 기판을 자기 조립 단분자층 용액에 1 내지 20시간 동안 침지하는 과정을 포함하는 것일 수 있고, 좋게는 3 내지 10 시간 동안 침지하는 것일 수 있다.
또한, 침지하는 과정이 완료된 후, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 아이소프로필알코올(IPA), 톨루엔 및 테트라하이드로퓨란(THF) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 용매로 세척하는 것일 수 있으며, 좋게는 에탄올로 1차 세척하고 톨루엔으로 2차 세척하는 것일 수 있다. 상기 자기 조립 단분자층 코팅여부는 접촉각 측정을 통해 확인할 수 있으며, 접촉각이 40° 이상일 경우에 자기 조립 단분자층이 코팅되었다고 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 상기 자기 조립 단분자층 용액은 상기 화학식 12로 표시되는 화합물 및 용매를 포함할 수 있고, 상기 자기 조립 단분자층 용액에서 상기 화학식 12로 표시되는 화합물의 농도는 좋게는 0.001 내지 3 M일 수 있지만, 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 화학식 12은 상기 화학식 13로 표시되는 것일 수 있으며, 상기 화학식 12 및 13에 대한 설명은 앞서 서술한 바와 동일하다.
구체적으로 상기 자기 조립 단분자층 용액의 용매는 상기 화학식 12로 표시되는 화합물과 반응하지 않는 용매일 수 있고, 비제한적인 예로 상기 용매는 톨루엔, 크실렌 및 메시틸렌 등을 포함하는 방향족 탄화수소; 시클로헥산, 시클로헵탄, 시클로옥탄 및 시클로노난 등을 포함하는 시클로알칸; 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난 및 데칸 등을 포함하는 알칸 및 메탄올, 에탄올, 1-프로판올 및 2-프로판올 등을 포함하는 알킬알콜 등에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있고 좋게는 톨루엔일 수 있지만, 상기 화학식 12로 표시되는 화합물과 반응하지 않는 용매라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (a-3) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계는 상기 제1 고분자를 스핀 코팅, 딥 코팅, 드롭핑, 스프레이 코팅, 솔루션 케스팅, 바코팅, 롤코팅 및 그라비아 코팅 등에서 선택되는 하나의 방법으로 코팅하는 것일 수 있고, 좋게는 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 솔루션 케스팅 및 롤코팅 등에서 선택되는 것일 수 있다. 또한, 상기 제1 고분자를 포함하는 코팅액을 제조하여 코팅하는 것일 수 있다. 상기 코팅액은 상기 제1 고분자 및 용매를 포함하는 것일 수 있고, 상기 용매는 상기 제1 고분자가 용해되는 것이라면 특별히 제한되지 않지만, 비제한적인 예로 에틸아세테이트(EA, Ethyl Acetate), 톨루엔, 아세톤, 1,4-다이옥세인(1,4,-Dioxane), 디메틸아세트아미드(DMA, N,N-dimethylacetamide), 디메틸포름아마이드(DMF, Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란(THF, Tetrahydrofuran) 및 클로로포름 등에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있고 좋게는 1,4-다이옥세인 또는 클로로포름일 수 있다. 상기 코팅액은 제1 고분자를 0.1 내지 40 mg/ml의 농도로 포함하는 것일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 원하는 코팅 두께에 따라 그 농도를 조절하는 것일 수 있다. 상기 제1 고분자가 포함된 코팅액을 제조하여 상기의 방법들 중에서 코팅액의 특성과 사용하는 용도에 따라 적절한 방법을 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법의 (a-3) 단계에서 상기 제1고분자는 상기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있고, 구체적으로 상기 화학식 2는 상기 화학식 4로 표시되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 4는 상기 화학식 6으로 표시되는 것일 수 있고, 상기 화학식 6은 상기 화학식 7로 표시되는 것일 수 있다. 상기 화학식 2, 4, 6 및 7에 대한 설명은 앞서 서술한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (a-4) UV 경화 단계는 상기 화학식 12로 표시되는 화합물과 제1 고분자를 가교시켜 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층을 고정화하기 위해 수행될 수 있으며, 이를 통해 기판층 상에 CNT 필름을 고밀도로 균일하게 코팅하여 물과 유기 용매에 안정적이고 소자간 재현성이 우수한 수소 가스 센서를 제조할 수 있다. 상기 UV 경화시간은 0.1 내지 30 분 동안 이루어지는 것일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 UV 경화는 365nm의 UV 램프를 사용하여 수행될 수 있으며, 상기 UV 램프는 세기가 500 내지 1500 mJ/㎠일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 상기 UV 경화 단계 후, 미반응된 화합물을 제거하기 위하여 용매로 기판층을 세척할 수 있다. 상기 용매는 통상적으로 사용되는 용매를 사용할 수 있으며, 상기 미반응된 화합물이 용해되는 용매라면 특별히 제한되지 않지만, 비제한적인 예로 톨루엔, 아세톤, 1,4-다이옥세인, EA, DMA, DMF, THF 및 클로로포름 등에서 선택되는 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 상기 (a) 단계는 (a'-1) 용매로 기판을 세척하는 단계; (a'-2) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계; (a'-3) 열처리 단계; 및 (a'-4) 용매로 기판에 미고정된 화합물을 세척하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (a'-1) 용매로 기판을 세척하는 단계는 기판에 남아있는 미반응된 유, 무기 물질을 제거하기 위해 행해지며, 상기 용매는 통상적으로 사용하는 무기 용매, 유기 용매 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 구체적인 화합물의 예는 (a-1) 용매로 기판을 세척하는 단계에서 사용한 용매와 동일하거나 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법의 (a'-2) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계는 상기 (a-3) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계와 동일하게 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법의 (a'-2) 단계에서 상기 제1 고분자는 상기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있고, 구체적으로 상기 화학식 2는 상기 화학식 5로 표시되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 화학식 5는 상기 화학식 8로 표시되는 것일 수 있고 더욱 구체적으로 상기 화학식 8은 상기 화학식 9로 표시되는 것일 수 있다. 상기 화학식 2, 5, 8 및 9의 설명은 앞서 서술한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (a'-3) 열처리 단계는 상기 기판과 제1 고분자가 화학적으로 결합되어 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층이 형성되는 것일 수 있다. 좋게는 열처리 온도는 100 내지 150℃이고, 열처리 시간은 1 시간 이상일 수 있지만, 상기 고분자층의 두께 등에 따라 상기 온도 및 시간이 조절될 수 있으며, 본 발명이 목적으로 하는 물성을 저해하지 않는다면 상기 온도 및 시간의 범위는 특별히 제한되지 않는다.
상기 열처리 단계 후, 미반응된 화합물을 제거하기 위하여 용매로 기판층을 세척할 수 있다. 상기 용매는 통상적으로 사용되는 용매를 사용할 수 있으며, 상기 미반응된 화합물이 용해되는 용매라면 특별히 제한되지 않지만, 비제한적인 예로 톨루엔, 아세톤, 1,4-다이옥세인, EA, DMA, DMF, THF 및 클로로포름 등에서 선택되는 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 고분자-CNT 복합체 용액은 제2 고분자, CNT 및 용매를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제2 고분자-CNT 복합체 용액은 용매에 CNT를 랩핑한 제2 고분자가 용해된 용액일 수 있다.
상기 CNT는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single-walled Carbon Nanotube), 이중벽 탄소나노튜브 (double-walled Carbon Nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled Carbon Nanotube) 및 다발형 탄소나노튜브(Rope Carbon Nanotube)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있고, 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)일 수 있다. 좋게는 도체성 단일벽 탄소나노튜브(m-SWCNT), 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(sc-SWCNT) 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(sc-SWCNT)를 사용할 경우, 전기적 성능이 더욱 우수한 반도체 소자 및 수소 가스 센서를 제조할 수 있어 바람직할 수 있다. 해당 응용 분야에 따라 적합한 물성의 CNT를 선택하여 베이스 기판상에 CNT 필름을 형성할 수 있다. 또한, 상기 CNT는 외경이 0.1nm 이상, 좋게는 0.1 내지 10 nm, 더욱 좋게는 0.1 내지 5 nm일 수 있지만, 제2 고분자-CNT 복합체 용액 제조시 분산성에 영향을 주지 않는다면 특별히 제한되지 않는다.
상기 제2 고분자-CNT 복합체 용액의 용매는 본 발명의 제2 고분자가 용해될 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 좋게는 비극성 용매를 사용할 수 있다. 상기 비극성 용매의 비제한적인 예로는 벤젠, 톨루엔 및 크실렌 등의 방향족 탄화수소계 용매 및 헥산, 헵탄, 옥탄, 시클로헥산 및 메틸시클로헥산(MCH) 등의 지방족 탄화수소계 용매를 들 수 있고, 구체적으로는 톨루엔 또는 메틸시클로헥산을 사용할 수 있다. 클로로포름 또는 테트라하이드로퓨란(THF) 등과 같은 극성 용매도 사용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 고분자-CNT 복합체 용액의 제조방법은 제2 고분자를 용매에 용해시킨 후, CNT를 분산시키는 과정을 포함할 수 있다. 좋게는 상기 제2 고분자는 용매에 대하여 0.1 내지 30 mg/ml, 더욱 좋게는 0.1 내지 20 mg/ml의 농도로 포함될 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 상기 CNT는 0.05 내지 5 mg/ml의 농도일 수 있다. 상기 제2 고분자는 용매에 완전히 용해시키는 것이 바람직하며, 50 내지 100 ℃의 온도범위에서 용해시키는 것일 수 있다. 이후 원심분리를 통해 탄소나노튜브를 랩핑한 제2 고분자(제2 고분자-CNT복합체)를 분리하고, 여과과정 및 재분산 과정을 거쳐 제조하는 것일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 재분산 과정에서, 재분산 과정 후의 제2 고분자-CNT 복합체 용액에서의 제2 고분자-CNT복합체의 농도는 0.001 내지 10 mg/ml일 수 있으며, 상기 농도를 조절하여 CNT 필름의 밀도를 조절하는 것일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 재분산 과정에서 사용되는 용매는 상기 서술된 제2 고분자-CNT복합체 용액의 용매의 구체적인 화합물의 예와 동일하거나 다를 수 있으며, 상기 분산 및 재분산 과정은 초음파 처리를 통하여 진행되는 것일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 범위를 만족하는 제2 고분자-CNT복합체 용액으로 기판을 제조할 경우 기판층상에 적절한 밀도의 CNT 필름이 형성될 수 있고, 본 발명이 목적으로 하는 고안정성 및 고밀도의 CNT 필름을 제조할 수 있어 더욱 좋으며, 상기 제조된 제2 고분자-CNT복합체 용액은 상기 (b) 상기 코팅된 기판을 제2 고분자-CNT복합체 용액에 침지하는 단계에서 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 (b) 단계에서 상기 제2 고분자는 상기 화학식 10의 반복단위(n) 및 상기 화학식 11의 반복단위(m)를 동시에 포함하는 공중합체일 수 있으며, 해당 공중합체에 대한 설명은 앞서 서술한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (c) 상기 제1 고분자와 제2 고분자가 클릭반응하여 고분자층 및 복합체층을 형성하는 단계는 구리촉매 하에 가열 혹은 초음파 처리 과정을 통해 진행되는 것일 수 있다. 상기 (c) 단계를 통하여 상기 제1 고분자로부터 형성되는 고분자층 및 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층이 형성될 수 있고, 상기 고분자층 및 복합체층은 트리아졸 고리를 통해 연결되어 있을 수 있다. 구체적으로 질소분위기 하에서 50 내지 60 ℃의 온도에서 90 내지 120 W의 세기로 초음파 처리하는 것일 수 있고, 상기 초음파 처리 시간은 1분 이상, 좋게는 2분 내지 6시간, 더욱 좋게는 5분 내지 2시간 동안 이루어 지는 것일 수 있지만, 상기 온도, 세기 및 시간은 본 발명에서 목적으로 하는 물성을 저해하지 않는다면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 범위가 아니더라도 원하는 CNT 필름 밀도를 구현하기 위하여 다양하게 시간을 조절하여 반응을 진행할 수 있다. 상기 CNT 필름의 밀도는 라만 분광분석(Raman spectroscopy)하거나 주사 전자 현미경(SEM) 또는 광학현미경을 통해 코팅층 표면을 관찰함으로써 확인할 수 있다.
또한, 상기 제1 고분자와 제2 고분자가 클릭반응하는 과정은 상기 반응식 1로 표시될 수 있고, 구체적으로 상기 반응식 2로 표시될 수 있다. 상기 반응식 1 및 2에 대한 설명은 상기 서술한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 클릭반응을 통해 수소 가스 센서를 제조할 경우, 빠른 시간에 고밀도의 CNT 필름을 균일하게 코팅할 수 있어, 작업이 용이하고 효율적일 뿐만이 아니라, CNT 필름이 화학적 결합을 통해 기판층에 코팅됨으로써 접착력이 우수하고 물과 유기 용매에 대한 안정성이 확보되어 세척 후에도 CNT 필름이 박리되지 않아서 좋다, 또한, 상기 클릭반응을 이용할 경우, CNT 필름이 균일하게 코팅되어 신뢰성을 용이하게 확보할 수 있고, 저농도의 수소 가스 농도에서도 탁월한 민감도 및 선택도를 갖는 수소 가스 센서를 제조할 수 있어 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (d) 단계 전, 반응 종결 후, 유기 용매로 미반응 화합물을 세척하는 단계를 수행할 수 있고, 이는 반응에서 사용된 촉매, 단량체 및 고분자와 같은 미반응 화합물을 제거하여 고순도의 CNT 필름을 제조하기 위해 행해지는 것일 수 있다. 상기 유기 용매는 통상적으로 사용하는 용매라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로 톨루엔, 아세톤, 1,4-다이옥세인, EA, DMA, DMF, THF 및 클로로포름 등에서 선택되는 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다. 상기 세척 과정은 초음파 세척을 통해 진행될 수 있으며, 초음파 세기는 170 내지 230W에서 강하게 진행할 수 있다. 본 발명에 따른 CNT 기반 수소 가스 센서는 다회의 초음파 세척 과정 후에도 고밀도의 CNT 필름을 유지하여 물 및 유기 용매에 대한 안정성을 확보할 수 있어 매우 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 (d) 상기 복합체층 상에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계는 공지되거나 통상적으로 전극을 형성하는 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층을 100 내지 200℃에서 10 내지 60분 동안 열처리한 뒤, 쉐도우 마스크(Shadow Mask)를 이용하여 소스 전극과 드레인 전극을 증착하는 방법을 사용할 수 있다. 상기 쉐도우 마스크는 메탈 쉐도우 마스크, PDMS 또는 PMMA와 같은 고분자 쉐도우 마스크 등을 사용할 수 있다. 상기 소스 전극 및 드레인 전극에 대한 구체적은 설명 및 화합물의 예시는 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 상기 (e) 단계는 상기 소스 전극과 드레인 전극이 이격된 영역에 팔라듐 나노입자층을 형성하는 단계로서, 팔라듐 나노입자의 물리적 또는 화학적 증착, 일 예로 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔증착법, 전기도금법 및 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 형식 등을 통해 수행될 수 있고, 구체적으로 팔라듐 나노입자의 녹는점보다 낮은 온도 조건에서 열증착하여 수행되는 것일 수 있다. 상기 온도 조건은 80 내지 500 ℃, 좋게는 100 내지 400 ℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에서 상기 (f) 단계는 고분자를 용매에 용해시킨 뒤, 상기 팔라듐 나노입자층 상에 코팅 및 건조하여 고분자 코팅층을 형성하는 단계로서, 상기 코팅방법은 통상적으로 사용되거나 공지된 방법에 따라 수행될 수 있고, 일 예로 스핀코팅, 스프레이코팅, 나이프코팅 및 롤 코팅 등에서 선택되는 어느 하나의 방법에 따라 수행될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 고분자로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 사용할 경우 용매에 상기 고분자를 용해시킨 용액을 코팅한 후, 용매를 증발시킴으로써 건조하여 고분자 코팅층을 형성할 수 있다. 또한 상기 건조는 용매를 증발시킬 수 있는 온도 조건이라면 한정되지 않으나, 100 내지 300 ℃ 구체적으로 120 내지 200 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 고분자 코팅층에 대한 구체적인 설명 및 화합물의 예시는 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
또한, 상기 고분자를 용해시킨 용액은 상기 고분자를 0.1 내지 50 ㎎/㎖, 좋게는 1 내지 10 ㎎/㎖, 더 좋게는 2 내지 8 ㎎/㎖의 농도로 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 목적으로 하는 고분자 코팅층의 두께에 따라서 상기 농도는 용이하게 조절될 수 있다. 상기 용매는 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물일 수 있으며, 상기 할로겐은 염소, 플루오르 또는 브롬일 수 있다. 일 예로, 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물은 염소화(C1-4)알콕시 벤젠 화합물일 수 있으며, 구체적으로 아니솔(Anisole)일 수 있다. 이와 같은 용매를 통해 제조되는 고분자 코팅층은 비다공질 표면을 가질 수 있고, 보다 향상된 수소 가스의 선택성을 효과적으로 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하기 화학식 6으로 표시되는 아크릴레이트 공중합체를 제공할 수 있다.
[화학식 6]
Figure 112022101477996-pat00079
상기 화학식 6에 대한 설명은 상기 서술한 바와 동일하며, 상기 화학식 6은 하기 화합물로 표시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
Figure 112022034215216-pat00028
상기 화합물의 a 및 b는 상기 화학식 6에서 서술한 바와 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하기 화학식 8로 표시되는 아크릴레이트 공중합체를 제공할 수 있다.
[화학식 8]
Figure 112022101477996-pat00080
상기 화학식 8에 대한 설명은 상기 서술한 바와 동일하고, 상기 화학식 8은 하기 화합물로 표시될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
Figure 112022034215216-pat00030
Figure 112022034215216-pat00031
Figure 112022034215216-pat00032
상기 화합물의 a, b 및 c는 상기 화학식 8에서 서술한 바와 동일하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 6 및 8에서, 상기 Ar은 두 개의 동일한 R1이 연결된 것일 수 있고, 두 개의 각각 다른 R1이 연결된 것일 수 있다. 상기 R1은 FG1을 z개 포함하는 것일 수 있고, 상기 Ar에 두 개의 각각 다른 R1이 연결된 것일 경우 각각 다른 R1의 z는 독립적으로 1 내지 7의 정수일 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 클릭반응을 이용한 수소 가스 센서 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 또한, 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한, 하기 실시예 및 비교예에서 제조사가 기재되지 않은 물질은 Sigma-Aldrich에서 구입하여 사용하였다.
[제조예 1] 화합물 DPAP(Dipropargyl-5-acryloyloxyisophthalate)의 제조
Figure 112022034215216-pat00033
-APA(5-Acryloyloxyisophthalic acid)의 제조
5-하이드록시 이소프탈산(5-HPA, 5-Hydroxyisophthalic acid) 5.5 mmol(1 g)을 10mL의 2M 수산화 나트륨(NaOH)용액으로 채워진 3구 플라스크에 첨가하고 10분 동안 질소 퍼징시켰다. 상기 혼합물을 0 내지 5 ℃로 냉각 및 유지시키며 아크릴로일 클로라이드(Acryloyl chloride) 5.8 mmol을 1 시간 동안 매우 천천히 드로핑하여 첨가한 뒤, 실온에서 1 시간 동안 교반시켰다. 이에 HCl을 첨가하여 생성물 5-아크릴로일옥시이소프탈산(APA, 5-Acryloyloxyisophthalic acid)를 침전시켰다. 침전된 생성물을 여과 및 세척하고 알코올로 재결정한 뒤, 50 ℃에서 24시간 동안 진공 상태에서 건조하여 APA를 수득하였다. (수율 55 %)
APA의 1H NMR 스펙트럼
1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ (ppm): 13.54 (s, 2H), 8.37 (t, J = 1.5 Hz, 1H), 7.94 (d, J = 1.5 Hz, 2H), 6.59 (dd, J = 17.2, 1.5 Hz, 1H), 6.43 (dd, J = 17.2, 10.2 Hz, 1H), 6.19 (dd, J = 10.2, 1.5 Hz, 1H)
- DPAP(Dipropargyl-5-acryloyloxyisophthalate)의 제조
플라스크에 테트라하이드로퓨란(THF) 40 mL와 상기 APA 16.34 mmol(3.86 g)을 준비하였다. 여기에 프로파길 알코올(Propargyl alcohol) 163.4 mmol(8.2g)와 APA 100mol에 대하여 4-디메틸 아미노피리딘(DMAP, 4-dimethylaminopyridine) 15 mol%를 첨가하였다. 상기 혼합물을 0 내지 5 ℃로 냉각시키고, 질소 분위기 하에서 1시간 동안 교반시켰다. 여기에 THF 30 mL에 N,N'-디사이클로헥실카보디이미드(DCC, N,N'-Dicyclohexylcarbodiimide) 24.51 mmol(5 g)을 용해시킨 용액을 천천히 드로핑하고, 천천히 온도를 실온으로 올린 후 20시간 동안 더 교반시킨 뒤, 침전물을 여과해주었다. 다음 클로로포름(Chloroform)에 용해시키고 다시 여과하여 잔류 우레아(요소)를 제거하였다. 이를 10 % 중탄산 수용액(aqueous bicarbonate solution)으로 3 회 세척 및 정제하여 백색 분말의 표제 화합물 DPAP을 수득하였다. (수율 29 %)
DPAP의 1H NMR, 13C NMR 및 FT-IR 스펙트럼
1H NMR (300 MHz, Chloroform-d) δ (ppm): 8.64 (t, J = 1.5 Hz, 1H), 8.05 (d, 2H), 6.66 (m, 1H), 6.34 (m, 1H), 6.09 (m, 1H), 4.96 (d, 4H), 2.55 (t, 2H)
13C NMR (75 MHz, Chloroform-d) δ (ppm): 164.13, 164.09, 150.77, 133.95, 131.51, 128.63, 127.92, 127.27, 77.29, 75.68, 53.17
FT-IR (cm-1, KBr): 1731 (ester C=O); 1630 (CH2=CH-); 3305 (HC≡CH);
[제조예 2] 아크릴레이트 공중합체(i)의 제조
Figure 112022034215216-pat00034
플라스크에 상기 제조예 1의 DPAP 0.8mmol(0.25)g, 프로파길 아크릴레이트(propargyl acrylate, PA) 0.8mmol(0.088g) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 0.008mmol(1.3mg)을 디메틸포름아마이드(DMF, Dimethylformamide) 0.6 mL과 함께 투입하고 20분간 질소 퍼징시켰다. 상기 혼합물을 80 ℃에서 16 시간 동안 교반하여 중합을 진행한 뒤, 중합 매질을 다이클로로메테인(dichloromethane)에 희석하고, 상기 반응물을 다이에틸 에터(diethyl ether)에 2회 침전시킨 뒤 진공하에 건조시켜 아크릴레이트 공중합체(i)를 수득하였다.
수득된 고분자는 1H NMR로 분석하여 목표 생성물 아크릴레이트 공중합체(i)가 제조되었음을 확인하였으며, GPC로 분석하여 수평균분자량(Mn)이 16,762 Da, PDI가 3.3인 것을 확인하였다.
1H NMR (300 MHz, Chloroform-d) δ (ppm): 8.49 (br, 1H), 7.92 (br, 2H), 4.78 (br, 6H), 2.89 (br, 1H), 2.54 (s, 4H)
[제조예 3] 아크릴레이트 공중합체(ii)의 제조
Figure 112022034215216-pat00035
플라스크에 상기 제조예 1의 DPAP 0.8 mmol(0.25 g), 프로파길 아크릴레이트(propargyl acrylate, PA) 0.8 mmol(0.088 g), 글리시딜 메타아크릴레이트(Glycidyl methacrylate, GMA) 0.4 mmol(0.057 g) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 0.001 mmol(1.6 mg)을 디메틸포름아마이드(DMF) 0.6 mL과 함께 투입하고 20분간 질소 퍼징시켰다. 상기 혼합물을 80 ℃에서 16 시간 동안 교반하여 중합을 진행했다. 중합 매질을 다이클로로메테인에 희석하고, 상기 반응물을 다이에틸 에터에 2 회 침전시킨 뒤 진공 하에 건조시켜 아크릴레이트 공중합체(ii)를 수득하였다.
수득된 고분자는 1H NMR로 분석하여 목표 생성물 아크릴레이트 공중합체(ii)가 제조되었음을 확인하였으며, GPC로 분석하여 수평균분자량(Mn)이 17,800 Da, PDI가 2.11인 것을 확인하였다.
1H NMR (300 MHz, Chloroform-d) δ (ppm): 8.49 (br, 1H), 7.92 (br, 2H), 4.78 (br, 6H), 2.89 (br, 1H), 2.54 (s, 4H)
[제조예 4] 플루오렌기반 공중합체(iii)의 제조
- 9,9-bis(12-azidododecyl)-2,7-dibromo-9h Fluorine 단량체의 제조
2,7-dibromo-9H-Fluorine (15.43 mmol, 5 g), 1,12-dibromododecane (46 mmol, 15 g) 및 Toluene (60 mL)를 쉬링크 플라스크에 투입하고, 질소가스를 퍼지한 후, 80 ℃에서 20시간동안 교반시켰다. 반응혼합물을 클로로포름으로 추출하고, 유기상을 물로 세척하고, 농축하였다. 조생성물을 컬럼으로 정제하고, 헥산과 에탄올로 재결정하여 화합물(X)을 흰색 고체로서 수득하였다. (수율 63.1 %).
1H NMR(300 MHz, CDCl3) δ= 7.50-7.43 (m, 6H), 3.39 (m, 4H), 1.85(m, 8H), 1.39 (br, 4H), 1.34-1.10 (m, 18H), 1.00 (s, 10H) 0.61 (br, 4H).
상기 화합물(X) (4.39 mmol, 3.6 g), Sodium azide (17.5 mmol, 1.14g), DMF (Dimethylformamide) (10 mL)를 쉬링크 플라스크에 투입하고, 질소가스를 퍼지한 후, 80 ℃에서 12시간동안 교반시켰다. 반응혼합물을 클로로포름으로 추출하고, 유기상을 물로 세척하고, 농축하였다. 조생성물을 컬럼으로 정제하고, 헥산과 에탄올로 재결정하여 단량체를 흰색 고체로서 수득하였다. (수율 82.2%).
1H NMR(300 MHz, CDCl3) δ= 7.50-7.43 (m, 6H), 3.24 (m, 4H), 1.90 (m, 4H), 1.56(m, 4H), 1.41-1.0 (br, 32H), 1.09 (br, 10H), 0.56 (br, 4H).
- 공중합체(iii)의 제조
Figure 112022034215216-pat00036
플라스크에 2,2'-(9,9-Didodecyl-9H-Fluorene-2,7-diyl)bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane)(Macromolecules 2018, 51, 3, 755-762의 방법에 따라 제조됨.) 0.5 mmol(0.3774 g), 상기 제조된 9,9-bis(12-azidododecyl)-2,7-dibromo-9h Fluorene 0.5 mmol(0.3713 g), Pd3(dba)2(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium) 0.01 mmol(0.0092 g), Tris(o-tolyl)phosphine 0.04 mmol(0.012 g), Toluene(톨루엔) 8 ml 및 Tetraethylammonium hydroxide(테트라에틸암모늄 하이드록사이드) 1 ml을 투입하고 질소 퍼징시켰다. 상기 혼합물을 80 ℃로 승온하여 20시간 동안 교반시켰다. 클로로포름과 메탄올을 이용하여 침전 및 여과시켜 노란색 고체 형태의 공중합체(iii)를 수득하였다. (수율 45%) 상기 공중합체의 수평균분자량은 28000 Da로 측정되었다.
1H NMR(300 MHz, CDCl3) δ= 7.85-7.71 (m, 12H), 3.25 (m, 4H), 2.15 (br, 8H), 1.24 (br, 80H), 0.88(m, 6H)
[제조예 5 및 6] 플루오렌기반 공중합체(Ⅳ 및 V)의 제조
Figure 112022034215216-pat00037
(상기 제조예 5 및 6의 반응식에서 v, w, n, m, g 및 h는 독립적으로 상기 공중합체에서 해당 반복단위의 몰분율이고, v+w=1이고, n+m+g+h=1이다.)
- 플루오렌기반 공중합체(Ⅳ)의 제조
플라스크에 2,2'-(9,9-Didodecyl-9H-Fluorene-2,7-diyl)bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane)(Macromolecules 2018, 51, 3, 755-762의 방법에 따라 제조됨.) 0.25 mmol(0.1887 g), 2,7-dibromo-9,9-didodecyl-9H-Fluorene(Solarmer사) 0.1 mmol(0.0660g), 상기 제조된 9,9-bis(12-azidododecyl)-2,7-dibromo-9H-Fluorene 0.15 mmol(0.1114g), Pd3(dba)2(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium) 0.005 mmol(0.0048 g), Tris(o-tolyl)phosphine 0.02 mmol(0.0061 g), Toluene 4 ml 및 Tetraethylammonium hydroxide(TEAH) 0.5 ml을 투입하고 질소 퍼징시켰다. 상기 혼합물을 85 ℃로 승온하여 20시간 동안 교반시켰다. 클로로포름과 메탄올을 이용하여 침전 및 여과시켜 노란색 고체 형태의 공중합체(Ⅳ)를 수득하였다. (수율 53%) 상기 공중합체(Ⅳ)의 수평균분자량은 31000 Da로 측정되었다. NMR 분석을 통해 상기 n이 약 0.3임을 확인하였다.
1H NMR(300 MHz, CDCl3) δ= 7.83-7.68 (m, 12H), 3.22 (m, 3H), 2.14 (br, 7H), 1.24 (br, 80H), 0.86(m, 14H)
- 플루오렌기반 공중합체(V)의 제조
플라스크에 2,2'-(9,9-Didodecyl-9H-Fluorene-2,7-diyl)bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane)(Macromolecules 2018, 51, 3, 755-762의 방법에 따라 제조됨.) 0.25 mmol(0.1887 g), 2,7-dibromo-9,9-didodecyl-9H-Fluorene(Solarmer사) 0.2 mmol(0.1322g), 상기 제조된 9,9-bis(12-azidododecyl)-2,7-dibromo-9H-Fluorene 0.05 mmol(0.0372g), Pd3(dba)2(Tris(dibenzylideneacetone)dipalladium) 0.005 mmol(0.0048 g), Tris(o-tolyl)phosphine 0.02 mmol(0.0061 g), Toluene 4 ml 및 Tetraethylammonium hydroxide 0.5 ml을 투입하고 질소 퍼징시켰다. 상기 혼합물을 85 ℃로 승온하여 20시간 동안 교반시켰다. 클로로포름과 메탄올을 이용하여 침전 및 여과시켜 노란색 고체 형태의 공중합체(V)를 수득하였다. (수율 61%) 상기 공중합체(V)의 수평균분자량은 37000 Da로 측정되었다. NMR 분석을 통해 상기 n은 약 0.1임을 확인하였다.
1H NMR(300 MHz, CDCl3) δ= 7.85-7.68 (m, 12H), 3.22 (m, 1H), 2.13 (br, 9H), 1.24 (br, 80H), 0.86(m, 18H)
[제조예 7] 제2 고분자-CNT 복합체 용액의 제조
제조예 4의 플루오렌기반 공중합체(iii)를 메틸시클로헥산(MCH) 20 ml에 1 mg/ml의 농도로 투입하고 80℃에서 1시간 동안 가열하여 완전히 용해시켰다. 이를 냉각한 뒤, Purified Powder SWCNT (Nanointegris Inc., RN-220)를 20 mg 투입하여 상온에서 초음파 처리기(Sonics & Materials Inc., VCX-750, 750W)로 분산시키고, 원심 분리기(Hanil Scientific Inc., Supra R30)를 이용하여 85,000 g에서 1시간 동안 원심분리하였다. 침전물을 제외한 용액을 0.20 ㎛ MCE(Mixed Cellulose Ester) 멤브레인으로 여과하여 sc-SWCNT를 랩핑하고 있는 플루오렌기반 공중합체(iii)를 수득하였다. 수득한 펠렛을 여러 번 세척한 뒤 톨루엔 10 ml에 0.02 mg/ml의 농도로 투입하여 5분 동안 초음파 처리 및 재분산시켜 제2 고분자-CNT 복합체 용액을 제조하였다.
[제조예 8] 자기 조립 단분자층 용액(BPS 용액)의 제조
Figure 112022034215216-pat00038
-ABP(4-Allyloxybenzophenone)의 제조
무수 아세톤(Anhydrous acetone) 10 mL에 4-하이드록시벤조페논(4-HBP, 4-hydroxybenzophenone) 5.2 mmol(1.02 g)과 알릴 브로마이드(allyl bromide) 7.8 mmol(0.945 g)를 용해시키고 탄산 칼륨(K2CO3) 1.08 g을 첨가하였다. 상기 혼합물을 75 ℃로 승온하여 8 시간 동안 교반시킨 뒤, 실온으로 냉각시켰다. 물을 첨가하고 생성된 용액을 50 mL의 디에틸에테르(diethyl ether)로 추출하고, 이어서 50 mL의 10% NaOH로 2회 세척하고 황산나트륨(Na2SO4)으로 건조시키고 용매를 증발시켰다. 이를 메탄올로 재결정하여 살짝 노란빛이 도는 ABP를 수득하였다. (수율 80%)
ABP의 1H NMR 스펙트럼
1H NMR (300 MHz, Chloroform-d) δ (ppm): 7.82 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 7.78 - 7.72 (m, 2H), 7.60 - 7.53 (m, 1H), 7.50 - 7.44 (m, 2H), 6.98 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 6.14 - 6.00 (m, 1H), 5.49 - 5.30 (m, 2H), 4.62 (m, 2H)
- BPS(4-(3'-Chlorodimethylsilyl)propyloxybenzophenone) 및 BPS 용액의 제조
플라스크에 상기 ABP 2 g과 디메틸 클로로실란(dimethyl chlorosilane) 20 mL를 넣고 교반시켜 현탁액을 준비하였다. 여기에 Pt-C(10 % Pt) 10 mg을 첨가하고 50 ℃에서 8 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 톨루엔에 상기 반응물을 0.01M의 농도로 용해시킨 뒤 여과하여 촉매를 제거한 뒤, 화합물 BPS를 포함한 오일형태의 자기 조립 단분자층 용액인 BPS 용액을 수득하였다.
BPS의 1H NMR 스펙트럼
1H NMR (300 MHz, Chloroform-d) δ (ppm): 7.91 (m, 2H), 7.84 (m, 2H), 7.60 (m, 1H), 7.55 - 7.48 (m, 2H), 7.01 (m, 2H), 4.08 - 4.00 (m, 2H), 2.02 - 1.89 (m, 2H), 1.05 - 0.94 (m, 2H), 0.26 - 0.21 (s, 6H)
[실시예 1]
100 nm의 SiO2/Si 기판층(Chung king enterprise사)을 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)를 7:3으로 혼합한 용액으로 깨끗이 세척한 뒤, 물과 톨루엔으로 다시 세척하여 질소가스 및 110 ℃에서 10분 열처리하여 용매를 완전히 제거해주었다. 건조된 기판층을 상기 제조예 8의 BPS 용액에 침지하고 12시간 방치 후, 초음파 세척기로 에탄올과 톨루엔에서 각각 3분간 세척하여, 자기 조립 단분자층(SAM, Self-assembled monolayer)을 코팅하였다. SAM이 코팅된 기판층 상에 제조예 2의 아크릴레이트 공중합체(i)를 1,4-다이옥산에 5 mg/ml의 농도로 용해시킨 용액을 1000 rpm, 50초의 조건에서 스핀코팅하고, 727mJ/㎠의 세기로 1분 동안 UV 경화하여 기판 고정화 단계를 진행하였다. 다음 클로로포름에서 1 시간 초음파 세척하여 기판층에 미고정된 화합물을 제거하고, 질소가스로 용매 제거 후 100 ℃에서 10분간 열처리하였다. 이때, 도 2에서 보는 바와 같이, 물에 대한 접촉각(Contact angle)측정결과가 70°이상이라는 것을 확인함으로써, 자기 조립 단분자층(SAM) 코팅 여부를 확인하였고, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis spectroscopy)을 통하여 아크릴레이트 공중합체(i) 용액을 코팅하여 UV 경화한 뒤, 클로로포름으로 기판층을 세척하기 전과 후의 결과를 비교하였다.
상기 아크릴레이트 공중합체(i)가 코팅된 기판층을 제조예 7의 제2고분자-CNT 복합체 용액 1 ml에 침지시킨 뒤, 바이알에 황산구리(CuSO4) 0.003 g, 아스코르브산 나트륨(Sodium ascorbate) 0.019 g 및 증류수 0.5 ml를 투입하여 질소 퍼징하였다. 상기 바이알을 초음파 세척기에 담가 50 ℃의 온도에서 110W의 세기로 5분 동안 초음파 처리하여 클릭반응을 진행하였다. 반응 종결 후 톨루엔에서 초음파 세척하여 기판과 미반응한 화합물을 제거하고, 질소가스로 용매 제거 후 150 ℃에서 30분간 열처리하였다.
완전히 건조된 상태의 기판에 쉐도우 마스크를 이용하여 Ti를 두께 5㎚로, Au를 두께 60㎚로 하고 이격 거리는 200㎛로 증착하여 소스 전극과 드레인 전극을 형성해줌으로써 CNT 반도체 소자를 제조하였다. 제조된 CNT 반도체 소자의 전기적특성곡선 (출력 곡선(output curve) 및 트랜스퍼 곡선(transfer curve))를 측정하여 도 4 (a)에 도시하였다.
이어서 상기 CNT 반도체 소자 상에 thermal evaporator으로 0.1 Å/s의 속도 조건 하에서 Pd을 증착하여 평균 3㎚ 두께의 팔라듐 나노입자층을 형성하였다. 다음으로 4㎎/㎖의 PMMA(용매 아니솔)를 스핀코팅(2000rpm, 30초)한 다음 175 ℃에서 10분간 열처리하여 PMMA 코팅층을 형성함으로써, 최종적으로 수소 가스 센서를 제조하였다.
[실시예 2]
100 nm의 SiO2/Si 기판층(Chung king enterprise사)을 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)를 7:3으로 혼합한 용액으로 깨끗이 세척한 뒤, 물과 톨루엔으로 다시 세척하여 질소가스 및 110 ℃에서 10분 열처리하여 용매를 완전히 제거해주었다. 건조된 기판층 상에 제조예 3의 아크릴레이트 공중합체(ii)를 1,4-다이옥산에 5 mg/ml의 농도로 용해시킨 용액을 1000 rpm, 50초의 조건에서 스핀코팅하고, 110 ℃에서 2시간 동안 열처리하여 기판 고정화 단계를 진행하였다. 다음 클로로포름에서 1 시간 초음파 세척하여 기판층에 미고정된 화합물을 제거하고, 질소가스로 용매 제거 후 100 ℃에서 10분간 열처리하였다. 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis spectroscopy)을 통하여 아크릴레이트 공중합체(ii) 용액을 코팅하여 열 경화한 뒤, 클로로포름으로 기판층을 세척하기 전과 후의 결과를 비교하였다.
상기 아크릴레이트 공중합체(ii)가 코팅된 기판층을 제조예 7의 제2고분자-CNT 복합체 용액 1 ml에 침지시킨 뒤, 바이알에 황산구리(CuSO4) 0.003 g, 아스코르브산 나트륨(Sodium ascorbate) 0.019 g 및 증류수 0.5 ml를 투입하여 질소 퍼징하였다. 상기 바이알을 초음파 세척기에 담가 50 ℃의 온도에서 110W의 세기로 5분 동안 초음파 처리하여 클릭반응을 진행하였다. 이후 단계는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 최종적으로 실시예 2에 따른 CNT 반도체 소자 및 수소 가스 센서를 제조하였다. 사용한 쉐도우 마스크는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 것으로 사용하였으며, 제조된 실시예 2에 따른 CNT 반도체 소자에 대한 전기적특성곡선 (출력 곡선(output curve) 및 트랜스퍼 곡선(transfer curve))를 도 4 (b)에 도시하였다.
[비교예 1]
실시예 1에서 상기 아크릴레이트 공중합체(i)가 코팅된 기판층 상에 제조예 7의 제2고분자-CNT 복합체 용액을 클릭반응이 아닌, 2000 rpm의 조건에서 스핀 코팅하고 핫플레이트에서 건조하였다. 상기 과정을 2회 반복하여 필름 코팅 후 톨루엔에서 초음파 세척하여 기판과 미반응한 화합물을 제거하고, 질소가스로 용매 제거 후 150 ℃에서 30분간 열처리하였다. 완전히 건조된 상태의 기판에 쉐도우 마스크를 이용하여 Ti를 두께 5㎚로, Au를 두께 60㎚로 하고 이격 거리는 200㎛로 증착하여 소스 전극과 드레인 전극을 형성해줌으로써 비교예 1에 따른 CNT 반도체 소자를 제조하였다. 상기 비교예 1에 따른 수소 가스 센서의 모든 소자들에 대한 전기적특성곡선 (출력 곡선(output curve) 및 트랜스퍼 곡선(transfer curve))를 도 4 (c)에 도시하였다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에 따른 반도체 소자를 상온에서 I-V Measurement Software Source Measure Unit (B1500A, Agilent)을 통해 전기적특성곡선 (출력 곡선(output curve) 및 트랜스퍼 곡선(transfer curve))를 측정하여 도 4에 도시하였다. 도 4에서 보는 바와 같이, 실시예 1 및 2에 따른 클릭반응을 이용한 반도체 소자는 출력 곡선 및 트랜스퍼 곡선이 균일하게 측정되어 소자간 재현성 및 신뢰성이 확보될 수 있음을 확인하였다. 반면 비교예 1의 경우 소자간 측정결과가 불균일하게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.
[평가예] 수소가스 검지 테스트
가스 검지 테스트는 MFC 시스템이 있는 MS TECH 프로브 스테이션의 반도체 매개변수 분석기 (B15000A, Agilent)를 사용하여 측정하였다. 수소 가스 센서는 가스 튜브 아래 약 1cm 거리에 위치시키고, 요구되는 농도의 가스에 직접적으로 노출시켰으며, 수소가스 검지 테스트는 상온에서 진행하였다. MFC를 이용해서 H2 가스 (100ppm, 1%, 10% in N2) 와 dry air를 혼합하여 원하는 농도의 수소 가스 제작하였다. 검지 성능은 수소 가스에 노출되기 전과 후의 수소 가스 센서의 전류비교를 통해 나타내었다.
도 5에 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 0.5(500ppb) 내지 1000 ppm의 수소 농도 별 검지 테스트 결과를 나타내었고, 도 6에 공기중 100 ppm의 수소 농도에서 반복적으로 테스트한 결과를 나타내었고, 도 7에 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 에틸렌 및 메탄 가스 검지 테스트 결과를 나타내었다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 수소 가스 센서는 낮은 농도, 구체적으로 500ppb 이상의 수소 가스 농도에서도 민감하게 전류변화를 나타내었으며, 나아가 도 6에서도 반복적으로 테스트를 진행하여도 일정한 결과를 나타내어 용이하게 신뢰성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 도 7에서 보는 바와 같이, 다른 가스보다 수소 가스에 선택적으로 반응한다는 점에서, 본 발명에 따른 CNT 기반 수소 가스 센서는 수소 가스에 대하여 탁월한 선택도 및 고민감도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 2에 따른 수소 가스 센서도 실시예 1과 동등 유사한 민감도, 선택도를 나타냈다. 반면 비교예 1에 따른 수소 가스 센서는 500ppb 이상의 수소 가스 농도에서 전류 변화가 없었으며, 반복적으로 테스트를 진행할 경우, 상이한 결과값을 나타내어 재현성 및 신뢰성 확보가 어렵다는 점을 확인하였다.
본 발명에 따른 수소 가스 센서는 세척과정을 여러 번 수행하더라도 CNT가 거의 박리되지 않아 물 및 유기용매에 안정적이며, 동시에 소자간 재현성을 용이하게 확보할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서는 종래에 쉽게 박리되고 유기용매에 취약하며, 소자간 미흡한 신뢰도를 갖는 CNT 기반 수소 가스 센서의 문제점을 해결하기 위하여 클릭반응을 이용하여 수소 가스 센서를 제조하였으며, 상기 수소 가스 센서는 소자간 전기적 특성곡선이 균일하게 나타나는 반도체 소자를 이용하여 제조됨에 따라 우수한 신뢰성을 구현할 수 있고, 낮은 수소 가스 농도에서도 고민감도, 탁월한 선택도를 나타내었다. 이를 통해 효과적으로 상용성, 상업성을 향상시킬 수 있고, 보다 다양한 진단 센서 분야에 폭넓게 적용할 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 비교예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (24)

  1. 기판; 및 센싱부를 포함하는 수소 가스 센서로서,
    상기 센싱부는 상기 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층;
    상기 고분자층 상에 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층;
    상기 복합체층 상에 형성된 금속 전극;
    상기 복합체층 상에 형성된 팔라듐 나노입자층; 및
    상기 팔라듐 나노입자층 상에 위치하는 고분자 코팅층;을 포함하며,
    상기 제2 고분자-CNT복합체는 제2 고분자에 의해 CNT가 랩핑된 것이고,
    상기 고분자층과 복합체층은 트리아졸을 통해 연결되는 것인 수소 가스 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 전극은 상기 복합체층 상에서 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하고, 상기 팔라듐 나노입자층은 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격된 영역에 위치하는 것인 수소 가스 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함하는 수소 가스 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 코팅층은 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트를 포함하는 수소 가스 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 트리아졸은 하기 화학식 1로 표시되는 수소 가스 센서.
    [화학식 1]
    Figure 112022101477996-pat00039

    (상기 화학식 1에서,
    *는 각각 독립적으로 고분자층의 제1고분자 또는 복합체층의 제2고분자와의 연결점이고, 상기 두 개의 *는 서로 다른 층과의 연결점이다.)
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 고분자는 하기 화학식 2로 표시되고,
    상기 제2 고분자는 하기 화학식 3으로 표시되며,
    상기 트리아졸은 상기 제1 고분자와 제2 고분자의 클릭반응에 의해 형성되는 것이고, 상기 클릭반응은 하기 반응식 1로 표시되는 반응인 수소 가스 센서.
    [화학식 2]
    P1-(FG1)x
    [화학식 3]
    P2-(FG2)y
    [반응식 1]
    Figure 112023012122704-pat00095

    상기 화학식 2 내지 3 및 반응식 1에서,
    P1은 제1 고분자로부터 유래된 잔기이고;
    P2는 제2 고분자로부터 유래된 잔기이고;
    *는 P1이 기판에 고정된 부분이고,
    P2(CNT)는 제2 고분자-CNT복합체로부터 유래된 잔기이고;
    FG1은 알키닐 작용기이고;
    FG2은 아자이드 작용기이고;
    x 및 y는 1 이상의 정수이다.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 고분자는 아크릴계 공중합체인 수소 가스 센서.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 화학식 2는 하기 화학식 4 또는 화학식 5로 표시되는 것인 수소 가스 센서.
    [화학식 4]
    Figure 112022101477996-pat00082

    [화학식 5]
    Figure 112022101477996-pat00083

    상기 화학식 4 및 5에서,
    FG1은 알키닐 작용기이고;
    FG3는 에폭시 작용기이고;
    p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
    p3는 말단에 FG3 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
    z, k 및 t는 1 내지 7의 정수이고;
    a, b 및 c는 1 이상의 정수이다.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 화학식 4은 하기 화학식 6으로 표시되고,
    상기 화학식 5는 하기 화학식 8로 표시되는 것인 수소 가스 센서.
    [화학식 6]
    Figure 112022101477996-pat00084

    [화학식 8]
    Figure 112022101477996-pat00085

    상기 화학식 6 및 8에서,
    Ar은 3가 방향족 라디칼이고;
    R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 C1-50알킬렌, C3-50시클로알킬렌, C6-50아릴렌, C3-50헤테로아릴렌, C1-50알콕시카보닐렌 또는 이들의 조합이고;
    상기 알킬렌, 시클로알킬렌, 아릴렌, 헤테로아릴렌 및 알콕시카보닐렌은 선택적으로 하이드록시, 할로겐, 나이트로, 시아노, 아미노, 카복실, 카복실산염, C1-20알킬, C2-20알케닐, C2-20알키닐, C1-20할로알킬, C1-20알콕시, C1-20알콕시카보닐, C3-30시클로알킬, (C6-30)아르(C1-20)알킬, C6-30아릴 및 C3-30헤테로아릴에서 선택되는 하나 이상으로 치환될 수 있으며,
    R5는 수소 또는 C1-3알킬이고;
    FG1은 알키닐 작용기이고;
    FG3는 에폭시 작용기이고;
    z, k 및 t는 서로 독립적으로 1 내지 7의 정수이고;
    a, b 및 c는 서로 독립적으로 1 이상의 정수이다.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 화학식 6는 하기 화학식 7로 표시되고,
    상기 화학식 8은 하기 화학식 9로 표시되는 것인 수소 가스 센서.
    [화학식 7]
    Figure 112022101477996-pat00086

    [화학식 9]
    Figure 112022101477996-pat00087

    상기 화학식 7 및 9에서,
    R2 내지 R4는 서로 독립적으로 C1-10알킬렌이고;
    R5는 수소 또는 메틸이고;
    a, b 및 c는 서로 독립적으로 1 이상의 정수이다.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 고분자는 플루오렌기반 공중합체인 수소 가스 센서.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 화학식 3은 하기 화학식 10의 반복단위(n) 및 하기 화학식 11의 반복단위(m)를 포함하는 공중합체인 수소 가스 센서.
    [화학식 10]
    Figure 112022101477996-pat00088

    [화학식 11]
    Figure 112022101477996-pat00089

    상기 화학식 10 및 11에서,
    R6 내지 R7은 독립적으로 C5-50알킬렌이고;
    R8 내지 R9는 독립적으로 C5-50알킬이다.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 고분자-CNT 복합체에서 상기 CNT는 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(sc-SWCNT)인 수소 가스 센서.
  14. 기판; 및 센싱부를 포함하는 수소 가스 센서로서,
    상기 센싱부는 상기 기판 상에 제1 고분자로부터 형성된 고분자층;
    상기 고분자층 상에 제2 고분자-CNT 복합체로부터 형성된 복합체층;
    상기 복합체층 상에 형성된 금속 전극;
    상기 복합체층 상에 형성된 팔라듐 나노입자층; 및
    상기 팔라듐 나노입자층 상에 위치하는 고분자 코팅층;을 포함하며,
    상기 제2 고분자-CNT복합체는 제2 고분자에 의해 CNT가 랩핑된 것이고,
    상기 고분자층과 복합체층은 트리아졸을 통해 연결되는 것인 수소 가스 센서의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 수소 가스 센서의 제조방법은
    (a) 기판 상에 제1 고분자를 코팅 및 고정화하는 단계;
    (b) 상기 제1 고분자가 코팅된 기판을 제2 고분자-CNT 복합체 용액에 침지하는 단계;
    (c) 상기 제1 고분자와 제2 고분자가 클릭반응하여 고분자층 및 복합체층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 복합체층 상에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계;
    (e) 상기 복합체층 상에 팔라듐 나노입자층을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 팔라듐 나노입자층 상에 고분자 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 수소 가스 센서의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 팔라듐 나노입자의 녹는점보다 낮은 온도 조건에서 열증착하는 단계를 포함하는 수소 가스 센서의 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 온도 조건은 80 내지 500 ℃인 수소 가스 센서의 제조방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 (f) 단계는 고분자를 용매에 용해시킨 뒤, 상기 팔라듐 나노입자층 상에 코팅 및 건조하는 단계를 포함하는 수소 가스 센서의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 용매는 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물인 수소 가스 센서의 제조방법.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 용매로 기판을 세척하는 단계;
    (a-2) 자기 조립 단분자층(SAM)을 코팅하는 단계;
    (a-3) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계;
    (a-4) UV 경화 단계; 및
    (a-5) 용매로 기판에 미고정된 화합물을 세척하는 단계;를 포함하는 것인 수소 가스 센서의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 (a-3) 단계에서, 상기 제1 고분자는 하기 화학식 4로 표시되는 것인 수소 가스 센서의 제조방법.
    [화학식 4]
    Figure 112022101477996-pat00090

    상기 화학식 4에서,
    FG1은 알키닐 작용기이고;
    p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
    z 및 k는 1 내지 7의 정수이고;
    a 및 b는 1 이상의 정수이다.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 (a-4) 단계는 패턴 형성 단계를 더 포함하는 것인 수소 가스 센서의 제조방법.
  23. 제 15항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    (a'-1) 용매로 기판을 세척하는 단계;
    (a'-2) 상기 제1 고분자를 코팅하는 단계;
    (a'-3) 열처리 단계; 및
    (a'-4) 용매로 기판에 미고정된 화합물을 세척하는 단계;를 포함하는 것인 수소 가스 센서의 제조방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 (a'-2) 단계에서, 상기 제1 고분자는 하기 화학식 5로 표시되는 것인 수소 가스 센서의 제조방법.
    [화학식 5]
    Figure 112022101477996-pat00091

    상기 화학식 5에서,
    FG1은 알키닐 작용기이고;
    FG3는 에폭시 작용기이고;
    p1 내지 p2는 말단에 FG1 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
    p3는 말단에 FG3 작용기를 갖는 단량체로부터 유래된 반복단위고;
    z, k 및 t는 1 내지 7의 정수이고;
    a, b 및 c는 1 이상의 정수이다.
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