KR20090101906A - 중합체 나노섬유 기반의 전자코 - Google Patents

중합체 나노섬유 기반의 전자코

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KR20090101906A
KR20090101906A KR1020097012828A KR20097012828A KR20090101906A KR 20090101906 A KR20090101906 A KR 20090101906A KR 1020097012828 A KR1020097012828 A KR 1020097012828A KR 20097012828 A KR20097012828 A KR 20097012828A KR 20090101906 A KR20090101906 A KR 20090101906A
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리 한
앤소니 엘 앤드라디
데이비드 에스 엔소
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리써치 트라이앵글 인스티튜트
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Abstract

본 발명은 화학종을 감지하기 위한 화학 센서 및 시스템과 방법을 개시한다. 화학 센서는 화학종에의 노출에 따라 전기적 임피던스가 변하는 복수의 나노섬유, 상기 섬유를 지지하며 전기적으로 절연하는 기판, 및 상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스가 측정될 수 있도록 공간적으로 이격된 점들에서 상기 복수의 섬유에 접속되는 전극 세트를 포함한다. 시스템은 상기 화학 센서, 상기 전극에 연결되며 상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스를 결정하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스, 및 상기 전기적 임피던스의 변화에 기초하여 상기 화학종을 식별하도록 구성되는 분석기를 포함한다. 방법은 화학종에의 섬유의 노출시 복수의 섬유에 접속되어 있는 공간적으로 이격된 전극들 사이의 전기적 임피던스의 적어도 하나의 변화를 측정하고, 상기 전기적 임피던스의 측정된 변화에 기초하여 상기 화학종을 식별한다.

Description

중합체 나노섬유 기반의 전자코{POLYMER NANOFIBER-BASED ELECTRONIC NOSE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "회전 분사 헤드를 사용한 중합체 나노섬유의 전기방사(Electrospinning of Polymer Nanofibers Using a Rotating Spray Head)"이고 대리인 문서 번호 제241015US-2025-2025-20호이며 2004년 4월 8일 제출된 미국 특허 출원 번호 제10/819,916호와 관련되며, 이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 또한 발명의 명칭이 "전기분사/전기방사 장치 및 방법(Electrospray/electrospinning Apparatus and Method)"이고 대리인 문서 번호 제241013US-2025-2025-20호이며 2004년 4월 8일 제출된 미국 특허 출원 번호 제10/819,942호와 관련되며, 이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 발명의 명칭이 "제어된 가스 환경에서의 전기방사(Electrospinning in a Controlled Gaseous Environment)"이고 대리인 문서 번호 제245016-2025-2025-20호이며 2004년 4월 8일 제출된 미국 특허 출원 번호 제10/819,945호와 관련되며, 이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 발명의 명칭이 "나노섬유를 포함하는 입자 필터 시스템(Particle Filter System Incorporating Nanofibers)"이고 대리인 문서 번호 제283730US-2025-2025-20호이며 2006년 11월 13일 제출된 미국 특허 출원 번호 제11/559,282호와 관련되며, 이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 출원은 발명의 명칭이 "화학종의 수집을 위한 열적 사전농축기(A Thermal Preconcentrator for Collection of Chemical Species)"이며 대리인 문서 번호 제283743US-2025-2025-20호인 미국 특허 출원과 관련되며, 이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 기술분야
본 발명은 화학종(chemical species)을 검출하기 위한 전자코(electronic nose)로서 알려진 인공 장치 분야에 관한 것이다.
관련 기술분야의 설명
전자코는 통상적으로 2개의 컴포넌트, 즉 화학 센서의 어레이와 패턴 인식기를 포함한다. 어레이는 샘플로부터의 증기를 "들이쉬고(sniff)" 측정치의 집합을 제공하며, 패턴 인식기는 들이쉰 증기의 식별을 위해 이미 알고 있는(known) 화학종에 대하여 저장되어 있는 패턴과 그 측정치의 패턴을 비교한다. 가스 센서는 매우 광범위한 선택도(selectivity)를 가지려는 경향이 있으며, 다양한 화학종에 대하여 상이하게 응답한다. 이는 많은 응용제품에 있어서 단점이 되지만, 전자코에 있어서는 이점으로서 이용된다. 어레이에서의 모든 각각의 센서가 소정의 화학물에 응답할 수 있지만, 이들 응답은 보통 상이할 것이다. 패턴 인식기는 이 응답을 평가하고, 미리 결정되거나 프로그래밍되거나 학습된 패턴을 통하여 가스 센서에 미치는 화학종의 영향을 확인한다.
최근에, 절연 중합체 및 전도성 카본 블랙(carbon black)을 채용한 중합체 접근법에 기초하는 화학 저항성 마이크로센서에 대한 연구가 이루어져 왔다. 이들 마이크로센서에서는 어느 개별 센서도 개별 분석물(analyte) 또는 화학종에 대하여 선택도가 높지 않다. 일부 작업에서는 절연 유기 중합체와 카본 블랙의 복합체로부터 형성된 화학 민감형(chemically sensitive) 저항이 다양한 냄새(odor)에 광범위하게 응답한다는 것을 보여주었다. 유기 증기의 분류 및 식별은 패턴 인식 방법의 적용을 통하여 이루어진다. 그리하여, 센서가 가스에 노출될 때 유기 가스에 관한 정보를 얻도록 센서의 저항 변화가 측정될 수 있다.
다양한 전극 중에서도, 특히 낮은 검출 한도가 필요한 경우에 빗살형(interdigitated) 마이크로전극 어레이가 사용되어 왔다. 이들 어레이는 가스 센서 영역에서의 원형 전극과 같은 종래의 전극보다 높은 감도를 보인다. 하지만, 문헌에서 보고된 바와 같은 이들 센서는 꽤 느린 응답 시간(예를 들어, 400 내지 2000 ppm의 농도를 검출하는데 10 s)을 갖는다.
전자코는 냄새나 향기와 같은 대상 종점(subjective endpoint)과 복합체 샘플을 매칭하여, 예를 들어 우유가 맛이 상했을 때 또는 일단(一團)의 커피 원두를 최적으로 볶은 때를 판정한다. 예를 들어, 전자코는 식품 과학에서 일반적으로 사용되는 인간의 미각 패널 또는 후각 패널에 의해 생성되는 보정(calibration) 세트와 센서 응답 세트를 매칭할 수 있다. 전자코는 장기간에 걸쳐 품질을 유지하기 위한 생산 툴로서 사용될 수 있다.
입수가능한 여러 상업적인 전자코 유형의 센서는 센서 소자로서 금속 산화물이나 진성 전도성 중합체(ICP; intrinsically-conducting polymer)에 기초한다. 중합체에 기초하는 것들은 AromaScanTM, BloodhoundTM, AlphaMOSTM 및 ZellwegerTM 분석 디바이스를 포함한다. 특히, AromaScanTM 전자코는 예를 들어 그 어레이에 32개의 상이한 센서들을 가지며, 이들 각각은 일반적으로 냄새를 함유하는 공기에 노출될 때 전기 저항의 특정 변화를 나타낼 것이다. 냄새의 센서와의 선택적 상호작용은 각각의 냄새에 대한 저항 변화의 패턴을 생성한다. 냄새가 다양한 화학물로 구성되어 있는 경우, 패턴은 어레이 내의 센서 전부와의 그들 조합된 상호작용의 결과일 것이다. 동일한 냄새의 변하는 농도에 대한 어레이의 응답은 비선형이라는 것도 밝혀졌다.
많은 상업적인 전자코 센서에 있어서, 빗살형 금 전극 상의 10-50 마이크론 갭(gap)에 걸쳐 막으로서 전착된 폴리피롤(상이한 카운터 이온을 가짐)이 이들 센서에 공통적으로 사용된다. 이들 상업적인 전자코는 음식의 부패, 미생물의 성장을 검출하는데 사용되어 왔으며, 의학 응용제품에 사용되어 왔다.
통상적으로 절연체인 중합체는 섬유 내의 카본 블랙과 같은 전도성 필러(filler)를 사용함으로써 전자코 응용제품에 사용되어 왔다. 필러 레벨은 높은 이득의 센서를 얻도록 전도 퍼콜레이션(percolation) 임계치에 근사하도록 제어된다. 휘발성 유기 화합물(VOC; volatile organic compound)에 노출되면, 중합체는 팽창하고(swell) 그의 저항이 변한다. 전극 표면 상의 이들 중합체의 스핀 캐스팅(spin casting)은 상업적인 중합체 기반의 전자코 센서를 제조하는데 사용된 종래의 기술이다. 상이한 VOC와 연관된 고유의 패턴 또는 "지문(fingerprint)"을 생성하도록 다성분 중합체 어레이가 상업적인 디바이스에 사용되어 왔다. Cyrano C 320TM 전자코 시스템은 예를 들어 32개의 센서를 사용한다.
이전에는, 상업적인 전자코 디바이스는 금 전극 어셈블리 상에 스핀코팅되거나 전착된 중합체 막을 사용하였다. (상기에 주어진 바와 같이) 이들 복합체 어셈블리에 대한 응답 시간은 중합체 막을 통하여 증기의 확산 동역학에 의해 결정된 함수이며, 따라서 길다.
첨부 도면과 함께 고려하여 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명의 보다 완전한 인식과 그의 많은 부수적인 이점이 용이하게 얻어질 것이고 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
도 1은 감지 소자로서 복수의 나노섬유를 갖는 화학 센서를 도시하는 본 발명의 하나의 실시예의 개략도이다.
도 2는 감지 소자로서 복수의 배향된 나노섬유를 갖는 화학 센서를 도시하는 본 발명의 다른 실시예의 개략도이다.
도 3a는 실리콘 디바이스 칩 상에 집적되며 분석기에 연결되는 도 2의 감지 소자를 이용하는 화학 센서 시스템을 도시하는 본 발명의 다른 실시예의 개략도이다.
도 3b는 공기로부터 VOC를 흡착하고 농축하는 실리콘 러버 또는 기타 중합체의 박막에 둘러싸인(enveloped) 본 발명의 하나의 실시예에 따른 센서 디바이스를 도시하는 개략도이다.
도 3c는 본 발명의 센서 섬유에서의 카본 나노튜브의 포함을 도시하는 개략도이다.
도 3d는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전기방사된(electrospun) 나노섬유 감지 재료의 상면에 인쇄 전극을 갖는 화학 센서를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 섬유 및 나노섬유의 증착에 적합한 전기방사 장치를 도시하는 개략도이다.
도 5a는 배향된 전도성 섬유 및 나노섬유를 전기방사하기 위한 본 발명의 하나의 실시예의 전기방사 장치(21)의 평면도를 도시하는 개략도이다.
도 5b는 도 5a의 전기방사 장치의 측면을 도시하는 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 화학 센서를 제조하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 6b는 화학종을 감지하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 화학 센서의 통상의 응답을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 컴퓨터 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 화학 센서의 네트워크의 예를 도시하는 개략도이다.
본 발명의 개요
본 발명의 하나의 실시예에서, 화학종에의 노출에 따라 전기적 임피던스가 변하는 복수의 나노섬유, 상기 섬유를 지지하며 전기적으로 절연하는 기판, 및 상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스가 측정될 수 있도록 공간적으로 이격된 점들에서 상기 복수의 섬유에 접속되는 전극 세트를 포함하는 화학 센서가 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 언급한 화학 센서, 상기 전극에 연결되며 증기 분석물 노출시 상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스를 결정하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스, 및 상기 전기적 임피던스의 변화에 기초하여 화학종을 식별하도록 구성되는 컴퓨터 분석기를 포함하는, 화학종을 감지하기 위한 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 화학종에의 섬유의 노출시 복수의 섬유에 접속되어 있는 공간적으로 이격된 전극들 사이의 전기적 임피던스의 적어도 하나의 변화를 측정하고, 상기 전기적 임피던스의 측정된 변화에 기초하여 화학종을 식별하는, 화학종을 감지하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 전술한 전반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 전부 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
이제 여러 도면들에 걸쳐서 유사한 참조 번호는 유사하거나 대응하는 부분을 나타내는 것인 도면을 참조하여, 보다 구체적으로 도 1을 참조하면, 도 1은 섬유 또는 나노섬유 기반 재료가 능동 감지 소자로서 사용되는 본 발명의 화학 센서(2)를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 감지 소자는 기판(6) 상에 배치되는 섬유들의 섬유 매트(mat)(4)를 포함한다. 도 1에 도시된 이 실시예에서, 섬유 매트는 우선되는 배향을 갖지 않는다. 본 발명의 하나의 실시예에서 섬유 매트에 대하여 나노 섬유를 사용하면, 높은 표면적을 제공하며, 따라서 보다 빠른 반응 시간을 제공한다. 섬유 매트(4)는 본 발명의 하나의 실시예에서 카본 나노튜브 및/또는 예를 들어 금 입자와 같은 기타 전도성 입자 또는 나노입자를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 섬유 매트(4)의 섬유들은 섬유의 길이방향 점들에서 전극(8)에 부착된다. 전극(8)은 도 1에 도시된 바와 같이 절연 표면(10) 상에 배치되어 있다. 절연 표면(10)은 본 발명의 하나의 실시예에서, 섬유 매트의 임피던스 그리고 보다 구체적으로는 섬유 매트의 임피던스 변화를 분석하기 위한 회로(16)를 포함하는 실리콘 웨이퍼(14) 상에 증착된 절연체(12)이다. 웨이퍼(14) 대신에 절연 기판이 사용되는 경우, 절연체(12)가 요구되지 않을 수 있다. 회로(16)는 본 발명의 하나의 실시예에서 열전대(thermocouple) 또는 플래티늄 저항 소자와 같은 온도 센서를 포함하며, 그리하여 나노섬유의 임의의 온도 변화가 임피던스 변화의 일부로서 간주되고 그에 의해 나노섬유 상의 VOC 흡착으로 인한 임피던스 변화는 온도 유도된 임피던스 변화와 구분될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 섬유는 수용액에 침지될 수 있고 수용액에 존재하는 약간의 유기 용매가 중합체 나노섬유를 팽창시키며 감지 재료의 전체 전도성 변화를 초래할 것이다. 따라서, 본 발명의 화학 센서는 기체 및 액체 환경에서 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에서, 섬유 매트(4)는 우선적으로 배향될 수 있다(예를 들어 아래에 설명되는 방법에 의해 형성됨). 이 실시예에서는, 섬유 매트(4)가 우선적 정렬을 갖지 않는 경우인 도 1에 도시된 구성에서보다 임피던스 변화가 더욱 뚜렷하다. 정렬된 섬유는 센서 응답의 재현성을 증가시키도록 도울 수 있다. 실험에서는 정렬 정도가 높을수록 재현성이 더욱 우수한 센서 응답을 생성한다는 것을 보여주었다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에서, 빗살형 전극(8)이 사용된다. 하나의 적합한 빗살형 전극은 15 ㎛ 전극폭과 15 ㎛ 전극 간격을 갖는다. 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위의 다른 간격도 또한 본 발명에 적합하다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에서, 센서(2)는 분석기(18)에 연결될 수 있으며, 분석기(18)는 화학종의 흡착에 기초하여 나노섬유의 임피던스 변화를 판정한다. 분석기(18)는 도 8에 관련하여 나중에 설명되는 바와 같이 범용 컴퓨터일 수 있다. 분석기(18)는 임피던스 변화를 유도하는 화학종이 추론(deduce)될 수 있는 명령들로 프로그래밍된다. 또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 각각의 센서(2) 상의 섬유 또는 나노섬유가 특정 화학종에 우선적으로 반응하는 경우에 다수의 센서(2)가 사용될 수 있다. 도 3a에서는 실리콘 웨이퍼 다이(20) 상에 집적되는 것으로서 도시되어 있지만, 센서와 분석기(18)는 회로 보드 상에 집적될 수 있다.
흡착된 화학종은 섬유 또는 나노섬유를 구성하는 중합체를 팽창시키며, 이는 복합체 나노섬유의 임피던스 변화를 유도한다. 본 발명의 감지 프로세스 동안, 예를 들어 감지 재료의 전체 어레이에 대한 저항 변동에 관한 데이터 세트가 얻어질 것이고, 패턴 인식 엔진에 의해 분석될 것이다. 각각의 개별 화학종에 대하여 추출된 특징은 화학 센서 시스템의 확인 동안 데이터 수집물 및 대규모 스크리닝(massive screening)으로부터 얻은 데이터베이스와 비교될 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 센서 디바이스(2)는 공기로부터 VOC를 흡착하고 농축하는 실리콘 러버 또는 기타 중합체의 박막(19b)에 둘러싸인 감지 재료(19a)에 의해 형성된다. 예를 들어 상기 설명한 섬유 매트와 같은 감지 재료는 빗살형 마이크로전극 상에 증착되고, 빗살형 전극은 예를 들어 도 3a의 분석기(18)와 같은 데이터로깅(datalogging)을 위한 저항 측정 디바이스(단순화를 위해 여기에서는 도시되지 않음)에 접속된다. 본 발명의 하나의 실시예에서 데이터는 컴퓨터 인터페이스에 의해 전달된다. 그 다음, 데이터는 VOC의 식별을 위해 기존의 보관되어 있는 데이터베이스와 비교되고, 또는 그 때 이미 알고 있는 것이 아닌 경우, 추후 참조를 위해 센서 응답 데이터베이스에 보관된다.
도 3b에 도시된 실시예에서, 전극(8)은 기판을 향하는 섬유 매트 측과 접촉한다. 오버코트(overcoat) 층의 두께는 200 nm - 2 ㎛ 사이이다. 이 용도에는, 교차 결합된(cross-linked) 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane) 막이 적합하다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 섬유 매트(4)는 막(19b)과 기판(14) 사이에 싸이게 된다. (아래에 설명하는 바와 같이) VOC에 대한 높은 분배 계수(partition coefficient)는 공기에서와는 대조적으로 PDMS에서 주변 VOC의 보다 높은 농축을 확보할 것이다. 나노섬유 기반 센서에 이어, 실리콘 매트릭스에서의 VOC의 농축된 소스의 가용 능력은 본 발명의 센서 디바이스의 감도 및 검출 한도를 향상시킨다. 2개의 상(이 경우에는 주변 공기와 실리콘 중합체)이 서로 접촉하는 경우, 평형(equilibrium)에서 공기에서의 소정의 VOC는 2개의 상으로 분류된다. 2개의 상에서의 그들 농도의 비율이 분배 계수이다. 분배 계수는 VOC의 속성에 따라 다양하며, 다양한 값을 가정할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 실리콘 봉지된(encapsulated) 전극 부근의 VOC의 농도는 분배 계수가 >>1이 됨에 따라 증가된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, (n 또는 p 도핑된) 진성 전도성 중합체가 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 기계적 보전성을 향상시키도록 중합체에서의 강화 필러로서 나노튜브가 사용된다. 탄소 및 금속 입자와 같이 중합체 나노섬유 내의 도펀트로서 다른 전도성 재료가 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 중합체는 반드시 도핑되어야 하는 것은 아닌 전도성 중합체이다. 이러한 중합체는 예를 들어 폴리아닐린, 폴리피롤, 및 폴리티오펜을 포함한다. 이들 중합체는 통상적으로 10-5 ∑ - cm 이하의 저항을 갖는다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 카본 나노튜브(SWCN) 또는 다벽 카본 나노튜브(MWCN)는 섬유의 전도성에 영향을 미치는데 사용된다. 예를 들어, 단일벽 카본 나노튜브(SWCN; single wall carbon nanotube) 또는 다벽 카본 나노튜브(MWCN; multi-wall carbon nanotube)의 1-30 중량 퍼센트의 사용은 폴리카보네이트, 아크릴 중합체 또는 폴리설폰과 같은 종래의 중합체의 전기 저항을 변화시킨다. 실제로, 전도 퍼콜레이션 임계치의 10 % 내의 SWCN 또는 MWCN의 농도가 본 발명에 적합하다. 카본 나노튜브는 이 임계치의 레벨 또는 이 임계치보다 상당히 높거나 낮은 레벨로 사용될 수 있다. 도 3c는 본 발명의 센서 섬유에서의 카본 나노튜브의 포함을 도시하는 개략도이다. 이 도면에서, 섬유 중합체의 팽창이 카본 나노튜브들 사이의 이격 간격을 증가시키며 전기 전도에 대한 섬유의 임피던스를 증가시킬 것임을 볼 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서 적합한 전극은 예를 들어 50 마이크론의 갭을 갖는 빗살형 전극(8)이다. 금이 적합한 전극 재료이지만, Ag, Cu, Al, W, Ta 및 Tn과 같은 다른 전극이 사용될 수 있다. 임의의 전도성 금속이 전극 재료로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에서 전극은 인쇄 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 설명한 미리 형성된 빗살형 금 전극 대신에, 인쇄된 전극이 사용된다. 이 실시예에서, 전도성 잉크로 로딩된 수정된 잉크젯 프린터 또는 화학적 프린터를 사용하여 적합한 외형(geometry)의 전극 세트가 인쇄된다. 전극은 유리 또는 비전도성 재료의 상면 상에 생성되는 복합체 섬유 또는 나노섬유(중합체 + 카본 나노튜브) 매트의 상면(또는 하면)에 인쇄될 수 있다. 외형은 빗살형이거나 빗살형이 아닐 수 있고, 전극들 사이의 간격은 본 발명에 따라 다양할 수 있다. 이러한 접근법은 센서의 저비용 제조와, 직물 또는 기타 표면 상의 그들 응용을 가능하게 한다. 본 발명에 따라 (스크린 인쇄와 같은) 기타 인쇄 방법이 사용될 수 있다.
도 3d는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 인쇄 전극(8)을 갖는 화학 센서(2)를 도시하는 개략도이다. 본 발명의 이 실시예에서, 인쇄 전극(8)은 예를 들어 유리 또는 석영 기판(12) 위의 지정된 위치에서 섬유 매트(4) 상에 형성된다.
대안으로서, 본 발명의 하나의 실시예에서, 전극은 미리 방사된(pre-spun) 섬유 매트의 상면에 형성된다. 인쇄 이외에도, 섬유 매트 상에 원하는 전극 패턴을 생성하도록 스퍼터 코팅이 섀도우 마스크를 통하여 전극 재료를 증착하는데 사용될 수 있다.
전극 패터닝을 위해 잉크 젯 인쇄, 스크린 인쇄, 또는 스퍼터링 또는 기타 공지된 공정 중 어느 것에 의해서든, 예를 들어 직물, 종이, 플라스틱, 세라믹 또는 기타 재료와 같은 매체는, 그 매체의 일면 또는 양면 상에 배치되며 이어서 섬유 매트와 접촉하도록 배치되는 전극을 가질 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 나노섬유 감지 소자는 전기방사 유닛으로부터 반대 극성의 높은 전위 또는 접지 전위로 유지되는 적합한 전극 시스템으로 카본 나노튜브(CNT) 및 중합체 재료의 초음파 처리된 용액으로부터 직접 전기방사된다.
본 발명에 따르면, 8 시간의 기간 동안 초음파 처리된 20 퍼센트(w/w)의 폴리메틸-메타아크릴레이트(PMMA; polymethyl-methacrylate) 중합체와 10 %(중합체에 대한 w/w)의 단일벽 카본 나노튜브(SWCNT)를 함유하는 디메틸포름아미드(DMF; dimethylformamide) 내의 중합체 용액이 나노섬유를 전기방사하기 위해 적합한 전기방사 용액이다. 이러한 용액은 예를 들어, 발명의 명칭이 "제어된 가스 환경에서의 전기방사(Electrospinning in a Controlled Gaseous Environment)"인 2004년 4월 8일 제출된 미국 특허 출원 번호 제10/819,945호(이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함됨)에 기재되어 있는 장치에서 전기방사될 수 있다.
도 4는 본 발명의 나노섬유의 증착에 적합한 전기방사 장치를 도시하는 개략도이다. 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기방사 장치(21)의 개략도이며, 여기서 챔버(22)는 전기방사 요소(24)를 둘러싼다. 이로서, 전기방사 요소(24)는 섬유(26)를 형성하도록 구성되는 물질을 전기방사하도록 구성된다. 전기방사 장치(21)는 전기방사 요소(24)로부터 배치되며 섬유를 수집하도록 구성되는 콜렉터(28)를 포함한다.
전기방사 요소(24)는 예를 들어 상기 언급한 중합체 용액과 같은 전기분사(electrospray) 매체를 포함하는 저장 공급원(30)과 통한다. 본 발명의 전기분사 매체는 나노섬유 재료의 분출(extrusion)을 포함하는 섬유의 분출을 위해 당해 기술 분야에서 공지되어 있는 중합체 용액 및/또는 용융물을 포함한다. 실제로, 본 발명에 적합한 중합체 및 용매는 예를 들어, 디메틸포름아미드 또는 톨루엔 내의 폴리스티렌, 디메틸포름아미드/메틸렌 클로라이드 혼합물(20/80 w/w) 내의 폴리카프롤락톤, 증류수 내의 폴리(에틸렌옥사이드), 증류수 내의 폴리(아크릴산), 아세톤 내의 폴리(메틸 메타아크릴레이트)(PMMA), 아세톤 내의 셀룰로오스 아세테이트, 디메틸포름아미드 내의 폴리아크릴로니트릴, 디클로로메탄 또는 디메틸포름아미드 내의 폴리락티드, 및 증류수 내의 폴리(비닐알코올)을 포함한다. 따라서, 일반적으로, 본 발명에 대하여 적합한 용매는 중합체가 용해될 수 있는 유기 및 무기 용매를 전부 포함한다.
고전압 소스(34)는 전기방사 요소(24)를 고전압에 유지하도록 제공된다. 콜렉터(28)는 전기방사 요소(24)의 팁(tip)으로부터 바람직하게 1 내지 100 cm 떨어지도록 배치된다. 콜렉터(28)는 플레이트 또는 스크린일 수 있다. 통상적으로, 2,000 내지 400,000 V/m 사이의 전기장 강도가 고전압 소스(34)에 의해 확립된다. 고전압 소스(34)는 바람직하게, 예를 들어 Bertan Model 105-20R(Bertan, Valhalla, NY) 또는 예를 들어 Gamma High Voltage Research Model ES30P(Gamma High Voltage Research Inc., Ormond Beach, FL)와 같은 DC 소스이다. 통상적으로, 콜렉터(28)는 접지되고, 전기방사 요소(24)로부터 전기방사함으로써 생성되는 섬유(26)는 전기장(32)에 의해 콜렉터(28)를 향하게 된다.
도 4를 참조하면, 전기장(32)은 전기방사 요소(24)의 팁으로부터 유체의 필라멘트 또는 액체 제트(42)로서 섬유가 구성될 물질을 잡아당긴다. 각각의 전기방사 요소(24)에의 물질 공급은 바람직하게, 전기방사 요소(24)를 빠져나가는 액적(droplet) 형상이 일정하게 유지되도록, 섬유가 구성될 물질을 뽑아내는 것의 주요인인 전기장 강도와 균형이 맞추어진다.
본 발명의 전기방사 공정의 예시로서, 중합체, 용매, 전기방사 요소의 팁과 수집 표면 사이의 갭 간격, 용매 펌프 속도, 및 음전기(electronegative) 가스 첨가의 선택을 예시한 다음의 비한정적인 예가 주어진다:
350 kg/mol의 분자량의 폴리스티렌 용액,
디메틸포름아미드(DMF)의 용매,
1000 ㎛의 전기방사 요소 팁 직경,
Al 플레이트 콜렉터,
중합체 용액을 제공하는 ~ 0.5 ml/hr의 펌프 속도,
8 lpm에서 CO2의 음전기 가스 흐름,
2 KV/cm의 전기장 강도,
전기방사 요소의 팁과 콜렉터 사이의 17.5 cm의 갭 간격.
또한, 도 2에서 상기에 예시한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에서, 배향된 나노섬유가 생성된다. 정렬된 나노섬유를 얻기 위해, 양자의 전극은 (스핀헤드에 대하여) 반대 극성의 전위로 고정되거나 접지될 수 있다. 또한, 발명의 명칭이 "회전 분사 헤드를 사용한 중합체 나노섬유의 전기방사(Electrospinning of Polymer Nanofibers Using a Rotating Spray Head)"인 2004년 4월 8일 제출된 미국 특허 출원 번호 제10/819,916호(이의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함됨)에 기재된 바와 같은 기술이 본 발명에서 배향된 섬유를 생성하는데 사용될 수 있다.
도 5a는 배향된 전도성 나노섬유를 전기방사하기 위한 전기방사 장치(51)의 평면도를 도시하는 개략도이다. 도 5a는 섬유가 분출될 물질을 보유하는 저장소(54)를 포함하는 회전식 분사 헤드(52)를 도시한다. 도 5b는 전기방사 장치(51)의 측면도를 도시한다. 도 5b에서, 전기분사 매체는 예시적으로 전기방사 장치(51)의 축 방향을 따라 저장소(54)에 공급되는 것으로서 도시되어 있다. 전기분사 매체(56)는 복수의 전기방사 요소(58)로부터 전기방사된다. 회전식 분사 헤드(52)는 바람직하게 그 중심을 중심으로 하여 회전되고, 전기분사 매체(56)의 분사는 회전식 분사 헤드(52)의 둘레에 배치된 전기방사 요소(58)로부터 방사상으로 일어난다. 회전식 분사 헤드(52)는 바람직하게 원통형 구조이지만, 예를 들어 다각형 구조와 같은 다른 구조가 적합하다. 회전식 분사 헤드(52)는 저장소(54)에 전기분사 매체(56)를 공급하기 위한 통로(60)를 포함한다.
회전식 분사 헤드(52)에 인가되는 전기 전위가 도 5a에 도시된 바와 같이 전기장(62)을 확립하며, 이는 대향 전극을 구성하는 콜렉터(64)까지 미친다. 회전식 분사 헤드(52) 및 콜렉터(64)의 기하학적 정렬이 전기장 강도 및 분포를 구성한다. 본 발명에서는 약 3 kV/cm의 전기장 강도가 바람직하다. 본 발명에서, 분사 헤드(52)는 대전가능(electrifiable) 챔버(즉, 전기 전위가 확립될 수 있는 챔버)를 구성한다. 복수의 전기방사 요소(58)의 팁으로부터의 분출시 전기분사 매체(56)는 전기장(52)의 방향을 따라 콜렉터(64)를 향하도록 안내되지만, 전기방사된 섬유에 대한 원심력에 따라 편향된다.
예를 들어 도 5a에 도시된 회전식 분사 헤드(52)는 원통형 베셀일 수 있다. 방사(spinning)시, 점성 용액일 전기분사 매체(56)는 전기방사 요소(58)로 밀려 들어간다. 그러면, 회전식 분사 헤드(52)를 중심으로 존재하는 전기장(62)이 전기분사 매체(56)를 저장소(54)로부터 전기방사 요소(58)의 팁 단부로 뽑아낸다.뽑아나온 매체(56)는 회전식 분사 헤드(52) 주위에서 건조되어 섬유를 형성한다.
회전식 분사 헤드(52)로부터의 분출시, 전기방사된 섬유는 콜렉터(64)에 수집된다. 수집된 섬유는 회전 속도, 회전식 분사 헤드(52)의 전기 전위, 및 용액의 점도에 따라 좌우되는 배향 정도로 콜렉터(64)의 표면 상에 증착된다. 본 발명에 따르면, 섬유 특성 뿐만 아니라 배향은 아래에 설명될 회전식 분사 헤드(52)의 방사에 의해 발생되는 원심력에 의해 제어될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전기장(62)은 고전압 전원 HV를 적용함으로써 회전식 분사 헤드(52)와 콜렉터 사이에 생성된다. 고전압 전원 HV은 예를 들어 Bertan Model 105-20R(Bertan, Valhalla, NY), 또는 예를 들어 Gamma High Voltage Research Model ES30P(Gamma High Voltage Research Inc., Ormond Beach, FL)와 같은 상업적인 전원일 수 있다. 통상적으로, 2,000 내지 400,000 V/m 사이의 전기장 강도가 고전압 소스에 의해 확립된다.
콜렉터(64)는 접지될 수 있고, 전기방사에 의해 생성된 섬유는 전기장(62)에 의해 콜렉터(64)를 향하게 된다. 전기방사된 섬유는 콜렉터(64) 상에 증착되며, 그 위에 축적되고, 이어서 제거된다. 회전 메커니즘(도시되지 않음)은 미리 설정된 각속도로 회전식 분사 헤드(52)를 회전시킨다. 500 - 10,000 rpm의 각회전 속도가 바람직하다.
카본 나노튜브(단일벽 또는 다벽)를 함유하는 중합체 용액의 전기방사는 나노튜브가 없는 중합체를 전기방사하는 것과 유사하다. 그러나, 충분한 분산을 보장하도록 중합체와 혼합하기 전에 용매 내의 카본 나노튜브를 초음파 처리하는데 주의하여야 한다. 충분한 분산이어야 균일한 전도성 뿐만 아니라 전도성 필러 재료의 낮은 농도에서 퍼콜레이션 임계치에 도달할 수 있는 능력을 얻게 된다. 보통, 24 시간보다 큰 초음파 처리 시간이 용액 내의 균일한 카본 나노튜브 현탁을 얻기에 충분하다. 보통, < 5%의 카본 나노튜브가 퍼콜레이션 임계치를 이룰 것이지만, 카본 나노튜브 농도의 이 값은 카본 나노튜브의 길이에 따라 좌우된다. 따라서, 퍼콜레이션 임계치에서 이들 실시예의 본 발명에 대하여 적합한 카본 나노튜브의 농도는 2 % 내지 10 % 범위이다.
도 6a는 본 발명의 방법에 따른 흐름도를 도시하는 개략도이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 방법은 나노섬유의 지지를 위한 기판을 제공하는 단계 602를 포함한다. 본 방법은 기판 상에 전극을 증착하는 단계 604를 포함한다. 본 방법은 화학 화합물에의 노출시 전기 저항이 변하는 것인 복수의 전도성 가스 흡착성 나노섬유를 기판 상에 증착하고 전극에 접촉시키는 단계 606을 포함한다.
단계 606에서, 본 방법은 바람직하게 2,000 - 400,000 V/m의 전기장 강도에서 물질을 전기방사한다. 본 발명에 의해 생성된 나노섬유는, 아크릴로니트릴/부타디엔 공중합체, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 치토산, 콜라겐, DNA, 피브리노겐, 피브로넥틴, 나일론, 폴리(아크릴산), 폴리(클로로 스티렌), 폴리(디메틸 실록산), 폴리(에테르 이미드), 폴리(에테르 설폰), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리(에틸 비닐 아세테이트), 폴리(에틸-코-비닐 아세테이트), 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(락틱산-코-글리코릭산), 폴리(메타아크릴산) 염, 폴리(메틸 메타아크릴레이트), 폴리(메틸 스티렌), 폴리(스티렌 설포닉산) 염, 폴리(스티렌 설포닐 플루오라이드), 폴리(스티렌-코-아크릴로니트릴), 폴리(스티렌-코-부타디엔), 폴리(스티렌-코-디비닐 벤젠), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 플리아크릴아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리아닐린, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카프롤락톤, 폴리카보네이트, 폴리(디메틸실록산-코-폴리에틸렌옥사이드), 폴리(에테르에테르케톤), 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리이미드, 폴리이소프렌, 폴리락티드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리(비닐피롤리돈), 프로테인, SEBS 공중합체, 실크, 및 스티렌/이소프렌 공중합체를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 둘 이상의 중합체가 공통 용매에서 용해될 수 있는 한 중합체 블렌드도 또한 생성될 수 있다. 몇몇 예로는, 폴리(비닐리덴 플루오라이드)-블렌드-폴리(메틸 메타아크릴레이트), 폴리스티렌-블렌드-폴리(비닐메틸에테르), 폴리(메틸 메타아크릴레이트)-블렌드-폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(히드록시프로필 메타아크릴레이트)-블렌드-폴리(비닐피롤리돈), 폴리(히드록시부티레이트)-블렌드-폴리(에틸렌 옥사이드), 프로테인-블렌드-폴리에틸렌옥사이드, 폴리락티드-블렌드-폴리비닐피롤리돈, 폴리스티렌-블렌드-폴리에스테르, 폴리에스테르-블렌드-폴리(히드록시에틸 메타아크릴레이트), 폴리(에틸렌 옥사이드)-블렌드-폴리(메틸 메타아크릴레이트), 폴리(히드록시스티렌)-블렌드-폴리(에틸렌 옥사이드)가 있을 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에서 증착되는 섬유는 직경이 50 nm 내지 수 마이크론 범위일 수 있고, 일 중량 퍼센트 내지 20 또는 30 중량 퍼센트의 비율로 다양한 카본 나노튜브 또는 기타 전도성 필러의 양을 함유할 수 있다. 카본 나노튜브 외에도, 증착된 나노섬유가 전기 전도성이 되도록 하는데 금속성 입자와 같은 도펀트가 사용될 수 있다.
전기방사 공정의 부가의 개선예로는, 앞서 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "나노섬유를 포함하는 입자 필터 시스템(Particle Filter System Incorporating Nanofibers)"이며 대리인 문서 번호 제28373US-2025-2025-20호이고 2006년 11월 13일 제출된 미국 특허 출원 번호 제11/559,282호에 기재되어 있다. 이에 기재되어 있는 실시는 작은 직경의 나노섬유를 생성하도록 본 발명에 사용될 수 있으며, 그의 큰 면적 대 부피 비율이 본 발명의 다양한 화학 센서에서 화학종의 흡착을 향상시킬 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 0.15 내지 0.58 mm의 내부 직경(ID; internal diameter)을 갖는 스테인리스 스틸 분출 팁이 사용된다. 다른 개선예에서, 0.07 - 0.30 mm의 ID를 갖는 폴리테트라플루오로에탄(즉, 테플론(Teflon)) 모세관이 사용된다. 둘 다의 유형의 구멍(orifice)은 서브마이크론(submicron) 섬유를 생성할 수 있다. 둘 다의 구멍에 대하여, 고전압 강하와 연결되는 낮은 흐름 속도의 결과 통상적으로 가장 작은 섬유 직경이 된다(예를 들어, < 200 nm). 둘 다의 경우, 17.8 - 25.4 cm 갭(즉, 팁(16)과 전극(20) 사이의 간격)에 대하여 전압은 22 kV 내지 30 kV이었다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 갭 당 전압은 전기방사를 위한 인장 강도를 제공하는 파라미터이다. 갭은 전기방사된 섬유의 콜렉터에의 진행 시간을 부분적으로 결정하고, 따라서 스트레칭(stretching) 및 용매 증발 시간을 결정한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 상이한 방사 구멍들에 대하여 니들(needle)(18) 주위의 상이한 CO2 퍼지 흐름 속도가(즉, 섬유 인장 방향으로 팁(16) 주위와 그 위의 가스 자켓 흐름으로서) 전기방사된 섬유를 향상시키는데 이용된다.
스테인리스 스틸 니들이 사용된 경우, CO2의 가스 흐름 속도가 높을수록(예를 들어, 8 lpm에서 13 lpm으로 증가시킴) 통상적으로 더 작은 직경을 갖는 개선된 섬유가 되었다. 평균 섬유 직경(AFD; average fiber diameter)의 30에서 100 nm으로의 감소가 발견되었으며, (대부분의 경우) 200 nm보다 작은 AFD를 갖는 섬유가 본 발명의 이들 방법에 의해 달성될 수 있게 해준다.
대조적으로, 테플론 모세관이 사용된 경우, CO2 흐름 속도를 8 lpm에서 13 lpm으로 증가시킴에 따라 섬유 품질이 일반적으로 저하되었다. 비드 및 기타 섬유 결함의 수가 증가하였다. 테플론 모세관의 경우, 약 8 lpm의 흐름 속도가 (200 nm보다 작은) 작은 직경의 섬유를 위해 적합한 반면, 스테인리스 스틸 모세관의 경우에는 더 높은 흐름 속도가 적합하다. 여기에서 주어진 음전기 가스 흐름 속도(이 경우, CO2)에 대한 값은 단지 예일 뿐이며, 작은 직경의 나노섬유를 얻기 위하여 사용되는 전기방사 구멍, 중합체 공식, 및 전기방사 조건의 조합이 주어지면 다른 가스 흐름 속도가 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 전기방사 챔버의 상대 습도(RH; relative humidity)가 또한 섬유 모폴로지(morphology)에 영향을 미친다. 하나의 예에서, DMAC 내의 21 wt%의 PSu를 사용하면, 높은 RH > 65 %에서는, RH < 65 %에서 생성한 전기방사된 섬유에 비교하여 볼 때, 매우 적은 결함을 가지며 매끄러운 표면을 갖지만 직경이 큰 섬유가 되었다. 낮은 RH < 13 %에서는, 더 작지만 결함을 더 많이 갖는 섬유가 되었다(예를 들어, 매끄러운 원형 섬유로부터의 변형). 적당히 낮은 RH, 죽 40 %에서 22 %의 RH에서 통상적으로 더 적은 결함을 가지며 작은 섬유 사이즈를 생성하였다.
전기방사 챔버 내에 수분을 흡수(예를 들어, 황산 칼슘)하거나 방출(예를 들어, 하이드로겔)하는 재료를 배치하거나, 챔버 내에 소형 가습기를 동작시키거나, 또는 전기방사 챔버 내로 습기를 도입하는 기타 방식으로부터, 본 발명의 다양한 실시예에 따라, 챔버 RH를 제어하기 위한 다양한 메커니즘이 이용가능하다. 예를 들어, 탈이온수를 통하여 CO2를 버블링한 다음 챔버 내로 습한 가스를 도입함으로써 적합한 결과를 얻었다. 2개의 가스 스트림(하나는 습하고 하나는 건조함)이 챔버에 대하여 그리고/또는 전기방사 구멍 위에 흐르는 가스 자켓에 대하여 원하는 RH를 얻는데 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 하나의 예에서, 테플론 모세관, 8 lpm의 CO2 퍼지 속도, 30 %의 RH 하에서, DMAC 내의 PSu 사용의 조합으로서, 100 nm보다 작은 AFD를 갖는 나노섬유를 생성하였다. 스테인리스 스틸 모세관, 13 lpm의 CO2 퍼지 속도, 30 %의 RH 하에서, DMAC 내의 PSu 사용의 조합으로서, 100 nm보다 작은 AFD를 갖는 나노섬유를 생성하였다.
본 발명의 다른 예에서, 나노섬유는 N,N-디메틸아세타미드(DMAC) 내의 21 wt% PSu의 용액으로, 0.2 wt%의 계면활성제 테트라 부틸 암모늄 클로라이드(TBAC; tetra butyl ammonium chloride)를 함유하는 용액과 함께, 전기방사되었다. 계면활성제는 표면 장력을 낮추며, 용액의 유전 상수 및 이온 전도성을 높인다. 중합체 용액은, 30G(ID 0.154 mm) 스테인리스 스틸 니들로부터, 0.05 ml/hr의 흐름 속도, 니들과 타겟 사이의 25 cm의 갭, 29.5 kV DC의 인가된 전위, 6.5 lpm의 가스 자켓 흐름 속도, 및 22 내지 38 % 범위의 RH로 방사되었다. SEM에 의한 검사에서는 82 ± 35 nm의 평균 섬유 직경(AFD)을 나타내며, 가장 작은 관찰된 섬유는 30 내지 40 nm 범위에 있다.
다른 예에서, 폴리카보네이트(PC)는 0.06 wt% TBAC와 함께 테트라히드로푸란(THF; tetrahydrofuran) 및 N,N-디메틸 포름아미드(DMF)의 50/50 용액 내의 중합체의 15 wt% 용액으로부터 방사되었다. 30 게이지 스테인리스 스틸 니들, 0.5 ml/hr의 중합체 용액 흐름 속도, 및 8 lpm의 CO2 흐름 속도가 25.4 cm의 갭과 25 kV의 인가된 전위와 함께 사용되었고, 200 nm 이하의 섬유를 얻었다. SEM에 의한 검사에서는 150 ± 31 nm의 AFD를 나타내며, 가장 작은 섬유는 100 nm 정도이다.
본 발명의 전개에서의 작업은, 금 전극 상에의 나노섬유의 직접적인 전기방사가 항상 센서가 만족스럽게 기능할 수 있도록 나노섬유와 금속 사이의 충분한 전기 접촉이 되는 것은 아닐 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 단점에 대처하기 위해, 본 발명의 하나의 실시예에서, 예를 들어 금 또는 금 도금된 기판과 같은 하층의 전도성 기판에 대한 전기 접촉을 촉진하도록, 섬유 또는 나노섬유를 전기방사하기 전에, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(PGME; propylene glycol monomethyl ether)와 같은 결합 중합체의 스핀코트가 적용된다. PGME 대신에, 섬유 매트와 비결합 상호작용이 가능한 적합한 작용기를 갖는 기타 중합체가 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 카본 나노튜브와 같은 나노섬유에서의 전도성 필러(또는 첨가제)와 전극 사이의 전기 접촉은, 전도성 필러와 전극 사이의 전도성의 국부적 향상을 촉진하도록 나노섬유/전극 어셈블리를 처리(treat)함으로써 향상된다. 예를 들어, 하나의 예시에서, 나노섬유를 국부적으로 변형하도록 전극을 가열함으로써, 나노섬유와 전극 사이의 보다 우수한 전기 접촉을 촉진한다.
대안으로서, 섬유에 대한 용매를 포함하는 전도성 잉크로 전극을 인쇄함으로써(전에 상세하게 기재한 바와 같이) 전기 접속이 개선될 수 있다.
섬유 또는 나노섬유가 전기방사되면, 화학 센서는 나머지 방사 용매를 제거하도록 완전히 건조되고, 전극 양단에 걸친 임피던스를 읽도록 예를 들어 회로(16) 내에 또는 분석기(18) 내에 포함된 기록계(recording meter)에 전극 단자를 통하여 접속된다. 예를 들어, 변화는 무차원(dimensionless) 저항 변화 로서 보고될 수 있다. 이 양은 센서의 직접적인 환경에서의 VOC의 양에 따라 변한다. 이 기술은 하나의 VOC를 다른 것과 구분하도록 경험적 센서 어레이 저항 데이터에 적용되는 패턴 인식에 의존한다. 종래의 전자코 시스템에서와 같이, 관심있는 각각의 VOC는 본질적으로 개별 센서 소자에 대해 미치는 각자의 영향에 대하여 '지문'을 가질 것이다.
도 6b는 화학종(예를 들어, 풍매(airborne) 화학종)을 식별하기 위한 본 발명의 방법에 따른 흐름도를 도시하는 개략도이다. 650에서, 화학종에의 섬유의 노출시 복수의 섬유에 접속되어 있는 공간적으로 이격된 전극들 사이의 전기적 임피던스(예를 들어, 커패시턴스, 인덕턴스, 또는 저항)의 변화를 측정한다. 652에서, 복수의 섬유의 전기적 임피던스의 변화에 기초하여 화학종이 식별된다.
650에서, 전기적 임피던스의 변화는 평균 섬유 직경이 500 nm보다 작거나 100 nm보다 작은 복수의 나노섬유에 대하여 측정될 수 있다. 전기적 임피던스의 변화는 복수의 전도성 섬유에 대하여 측정될 수 있다. 전도성 섬유는, 섬유 내의 전도성 매체의 밀도가 전도성 매체의 영역들 사이의 전하 캐리어의 퍼콜레이션에 의한 전기 전도를 가능하게 하도록, 비전도성 매체와 전도성 매체를 가질 수 있다.
652에서, 화학종은, 미리 결정된 화학종의 이미 알고 있는 농도에 대한 변화의 라이브버리와 측정된 변화를 비교함으로써, 또는 상이한 미리 결정된 화학종의 이미 알고 있는 농도에 대한 변화의 라이브러리와 복수의 상이한 섬유에 대한 측정된 변화를 비교함으로써, 식별될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 화학 센서의 통상의 응답을 도시하는 그래프이다. 도 7a는 구체적으로 메탄올(MeOH) 및 헥산(Hx)에 대한 PMMA + 8% SWCNT의 섬유 매트의 응답 프로파일을 도시한다. 이들 결과는, 본 발명의 나노섬유 센서에 대한 응답 시간(기준선으로부터 저항 증가까지)이 30초보다 작다는 것을 나타낸다. 도 7a는 구체적으로 본 발명의 중합체 및 SWCNT 복합체 나노섬유 센서의 높은 선택비를 보여주는데, 메탄올에 대한 응답이 헥산에 대한 응답보다 몇 배 더 민감하기 때문이다. 도 7b는 구체적으로 메탄올 증기 농도에 대한 상대적인 차동 저항 변화 R/Ri Vs를 보여준다.
본 발명에서의 나노섬유의 사용은, 섬유의 높은 표면적과 매우 작은 확산 경로로 인해 센서의 응답 시간을 감소시키고 민감도를 증가시킨다는 점(나노섬유가 사용되는 경우 이들 효과가 향상됨)에서, 특히 이롭다. 나노섬유가 사용되는 경우 낮은 비용과 적은 양의 재료로 인해, 나노섬유의 사용은 비용 효과적이다. 또한, 나노섬유의 사용은 그들 높은 표면적 때문에 나노섬유의 높은 민감도로 인해 센서 시스템의 소형화를 용이하게 한다. 또한 중합체 막과는 달리, 본 발명의 나노섬유 매트는 가스가 침투할 수 있고, 이들 사용은 필터로 통합될 수 있는 센서를 가능하게 할 수 있다.
이들 결과는 가스 환경에서 VOC의 변하는 농도에 빠르게 응답할 수 있는 본 발명의 센서의 능력을 보여준다. 또한, 검출에 있어서 빠른 응답 시간은, 임의의 VOC 노출 전에 거의 기준선 레벨로 다시 돌아가는 빠른 복구 시간에 의해 보완된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 섬유 내의 흡착된 VOC 또는 가스와 반응할 수 있는 화학 반응물이 나노섬유에 포함된다. 이들 경우에, 반응물의 생성물은 중합체 자체(또는 나노섬유 내에 존재하는 기타 포함물)와 상호작용하여 자신의 전도성을 급격하게 증가시킨다. 예를 들어, 오존과 반응하여 (요오드화칼륨과 같은) 요오드를 생성할 유기 및 무기 요오드 화합물은 하나의 실시예에서 오존 검출을 위한 PMMA/풀러렌 또는 PMMA/SWCN 나노섬유 시스템에서 반응물로서 사용될 수 있다. 오존과의 반응에서 요오드가 유리되고, 이는 풀러렌 또는 SWCN과 결합하여 급격하게 증가된 전기 전도성을 갖는 삽입된(intercalated) 복합체를 형성한다. 본 발명의 다른 실시예는 불포화 C=C 이중 결합을 갖는 종래의 중합체 또는 전도성 중합체를 이용하며, 이는 오존에 의해 산화되며 이중 결합의 분열을 초래하여 전자 비편재화(delocalization)를 변화시키고 재료의 감소된 전도성을 야기할 것이다.
오존과 급속하게 반응하는 다른 반응자(reagent)도 또한 사용될 수 있고 상이한 범위로 중합체의 전도성을 수정하도록 돕는다. 반응물은 전도성 중합체 나노섬유에 또는 일부 형태의 카본 첨가에 의해 전기 전도성이 되는 종래의 중합체 나노섬유에 포함될 수 있다. 이 접근법은 가역 물리적 변화와는 대조적으로 섬유 매트릭스 내의 화학적 변화를 이용한 것이며, 따라서 섬유 매트릭스는 반응과 함께 천천히 악화될 것이고 결국에는 교체되어야 할 것이다. 기타 반응자/반응물 시스템에 따른 일부 예에서, 반응물을 재생성하는 가역 반응이 가능하다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 그들 전기 전도성을 수정할 화학 반응을 겪도록 설계되는 상기 언급한 섬유 또는 그들에 포함되는 성분들은, 예를 들어 오존을 검출하는 전자 유닛 상에서 교체될 수 있는 일회용(disposable) 섬유 센서 소자의 일부이다. 따라서, 이 실시예에서, 사용자는, 노출 및/또는 노출의 경고 후에, 오존 노출을 받게 되는 환경에 다시 들어가기 전에 새로운 섬유 센서 소자를 설치할 것이다. 대안으로서, 화학 반응의 수명 및 부수적인 전도성 변화는 앞서 미리 결정될 것이고, 전자 유닛은 센서에 남아있는 노출 민감도를 사용자에게 알려줄 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 섬유 센서 및 전자 유닛은 일회용이다.
도 8은 본 발명의 분석기(18)가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템(1201)의 하나의 실시예를 도시한다. 컴퓨터 시스템(1201)은 상기 설명한 기능들의 일부 또는 전부를 수행하도록 프로그래밍 및/또는 구성된다. 특히, 도 8에 도시된 컴퓨터 시스템은 이미 알고 있는 휘발성 종들이 목록화되어 있는 학습된 응답들에 기초하여 센서 서명(signature)의 "지문" 인식을 구현하도록 설계된 다수의 프로그램을 실행할 수 있다. 그러면, 도 8에 도시된 컴퓨터 시스템은, 예를 들어 본 발명의 분석기(18)에서 구현되는 이들 학습된 응답들에 기초하여, 관찰된 응답이 관심있는 특정 종과 일치하는지 여부를 판정할 수 있고, 응답의 크기에 기초하여 종의 농도 레벨을 판정할 수 있다.
미국 특허 제6,680,206호 및 제6,289,328호(이들의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함됨)는, 선택된 특정 VOC 및 섬유 유형에 대하여 본 발명에 적용할 수 있는 대로, 각각의 응답을 학습할 수 있는 시스템의 개발에 대한 상세사항을 제공한다.
도 8에 도시된 컴퓨터 시스템은 통신 네트워크(1216)(아래에 설명됨)를 통하여 다른 프로세서 및 컴퓨터와 통신할 수 있다. 컴퓨터 시스템(1201)은 정보를 통신하기 위한 버스(1202) 또는 기타 통신 메커니즘, 및 정보를 처리하기 위해 버스(1202)와 연결된 내부 프로세서(1203)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(1201)은 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 기타 동적 저장 디바이스(예를 들어, DRAM, SRAM, 및 SDRAM)와 같은 메모리(1204)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(1201)은 바람직하게 예를 들어 판독 전용 메모리(ROM)(1205) 또는 기타 정적 저장 디바이스(예를 들어, 프로그램가능 ROM(PROM), 소거가능 PROM(EPROM), 및 전기적 소거가능 PROM(EEPROM))와 같은 비휘발성 메모리를 포함한다.
컴퓨터 시스템(1201)은 또한 특히 아날로그 신호를 처리하고 아날로그 신호를 디지털 도메인으로 변환하도록 설계되는 특수 용도 로직 디바이스(예를 들어, ASIC) 또는 구성가능한 로직 디바이스(예를 들어, SPLD, CPLD, 및 FPGA)를 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템(1201)은 또한 버스(1202)에 연결되는 통신 인터페이스(1213)를 포함한다. 통신 인터페이스(1213)는, 프로세서(1203)에 소프트웨어의 다운로딩 중에, 예를 들어 로컬 영역 네트워크(LAN)(1215)에 또는 인터넷과 같은 다른 통신 네트워크(1216)에 적어도 임시로 접속되는 네트워크 링크(1214)에 대한 양방향 데이터 통신 연결을 제공한다. 예를 들어, 통신 인터페이스(1213)는 임의의 패킷 전환 LAN에 부착할 네트워크 인터페이스 카드일 수 있다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(1213)는 대응하는 유형의 통신 라인에 데이터 통신 접속을 제공할 ADSL 카드, ISDN 카드 또는 모뎀일 수 있다. 무선 링크가 또한 데이터 교환을 제공할 통신 인터페이스(1213)의 일부로서 구현될 수 있다. 임의의 이러한 구현에서, 통신 인터페이스(1213)는 다양한 유형의 정보를 나타내는 디지털 데이터 스트림을 수송하는 전기, 전자기 또는 광학 신호를 송신하고 수신한다. 이러한 통신은 본 발명의 다양한 실시예에서 적용할 수 있으며, 분석기(18)는 예를 들어 데이터 파일 및 프로그램 리소스가 공유될 수 있도록 네트워크 리소스에 연결된다. 또한, 분석기(18)는 화학종을 모니터링하기 위한 센서의 네트워크를 형성하는 다른 분석기와 통신할 수 있다. 또한, 분석기(18)는 본 발명의 센서가 이동 플랫폼 상에 있는 경우에 GPS 정보와 통신할 수 있다.
실제로, 본 발명의 하나의 실시예에서, 예를 들어 도 9에 도시한 바와 같이, 센서의 네트워크가 제공된다. 하나의 예는 빌딩 경보 시스템의 네트워크일 수 있다. 각각의 개별 방은 본 발명의 화학 센서를 구비한다. 경보 수준의 유독 가스가 존재한다고 검출된 경우, 화학 센서는 메인 컨트롤 유닛에 경보 신호를 보낸 다음, 빌딩 경보 시스템을 트리거할 것이다. 도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 화학 센서의 네트워크(100)를 도시하는 개략도이다. 이 예시에서, 다수의 센서(즉, 네트워크)가 별개의 자리(110, 112, 114 및 116)에(예를 들어, 빌딩 내의 상이한 방들에) 배치된다. 센서는 (도 8에 도시된 LAN(1215)과 같은) 네트워크에 의해 메인 컨트롤(118)에 접속된다. 메인 컨트롤(118)은 VOC의 농도가 미리 결정된 임계치를 초과하는 경우 경보(120)를 작동시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 네트워크는 예를 들어 센서 어레이 전도성 프로파일을 연속적으로 모니터링하고, 제2 레벨 센서를 구현함으로써 특정의 미리 식별된 트리거 패턴에 응답하여 휘발물의 존재를 확인하거나 또는 완화(mitigation) 작업을 원격으로 구현할 수 있다. 완화 작업은 의심스러운 VOC에 대한 농도 프로파일을 식별하는 것에서부터 위험을 완화하도록 로봇 장비를 제어하는 것까지 망라할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 설명한 특징들을 이용하는 화학 센서는 지리학적 영역에서 특정 냄새 물질의 근원을 찾거나 플룸(plume)을 따라갈 수 있는 케모택틱(chemotactic) 디바이스를 생성하도록 로봇(122)과 통합될 수 있다. 이러한 센서와, 본 발명의 다양한 실시예에서 상기 설명한 다른 센서들은, 특정의 미리 식별된 트리거 패턴에 응답하기 위하여 센서 전도성 프로파일의 연속 모니터링이 가능한 통합된 전자 컴포넌트와 함께 제공되며, 화학종의 신속한 검출을 가능하게 할 수 있다. 통합된 전자기기는 센서의 분산 네트워크를 형성하도록 (예를 들어 도 8에서의 통신 인터페이스(1213) 및 네트워크 링크(1214)와 같은) 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다.
기타 응용 분야에 있어서, 직물에 전극을 인쇄하고 인쇄 전극으로 적합한 섬유를 전기방사할 수 있는 본 발명의 능력은, 본 발명의 하나의 실시예에서, 착용가능한(wearable) 센서의 구성을 가능하게 한다.
이러한 착용가능한 센서는 의료 환자에서의 센서로부터 다양한 응용을 가지며, 센서가 상처 깁스 상에 있는 경우에, 그에 의해 감염이 발전할 수 있는 아물지 않은 상처로부터 회복 중에 있는 환자의 경과를 시간이 흐름에 따라 기록할 수 있다. 센서는 센서의 획득, 처리, 및 제어를 위한 원격 진단 시스템에 접속될 것이다.
다른 응용으로는, 예를 들어 폭발 또는 유독 가스에 노출되기 쉽고 밀폐된 공간에서 작업하는 광부의 복장에서의 착용가능한 센서를 포함한다.
상기 교시에 비추어 본 발명의 다수의 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 본 발명이 여기에 구체적으로 기재한 바와 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (43)

  1. 화학 센서로서,
    화학종에의 노출에 따라 전기적 임피던스가 변하는 복수의 섬유;
    상기 섬유를 지지하며 전기적으로 절연하는 기판; 및
    상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스가 측정될 수 있도록 공간적으로 이격된 점들에서 상기 복수의 섬유에 접속되는 전극 세트를 포함하는 화학 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 평균 섬유 직경이 500 nm 보다 작은 나노섬유를 포함하는 것인 화학 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 평균 섬유 직경이 100 nm 보다 작은 나노섬유를 포함하는 것인 화학 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 상기 화학종의 흡착에 의한 상기 섬유의 체적 사이즈의 증가 또는 상기 섬유의 재료와 상기 화학종의 화학 반응에 의한 전기 전도의 변화 중 적어도 하나로 인해 변하는 전기적 임피던스를 갖는 것인 화학 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 전도성 섬유를 포함하는 것인 화학 센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 비전도성 매체와 상기 비전도성 매체 내에 분산되어 있는 전도성 첨가제를 포함하고,
    상기 전도성 매체는 상기 전도성 섬유 내의 전도성 매체의 영역을 통하여 전하 캐리어의 퍼콜레이션(percolation)에 의한 전기 전도가 가능한 밀도를 갖는 것인 화학 센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전도성 매체는 상기 전도성 섬유의 2 % 내지 10 % 범위의 비율을 포함하는 것인 화학 센서.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 전도성 매체는 카본 튜브를 포함하는 것인 화학 센서.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 카본 튜브는 전도 퍼콜레이션 임계치의 10 % 내의 농도로 상기 섬유의 바디 내에 배치되어 있는 것인 화학 센서.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 비전도성 매체는 유기 중합체를 포함하는 것인 화학 센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 섬유 전도성을 증가시키도록 상기 섬유 내에 함유되어 있는 금속성 입자를 포함하는 것인 화학 센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전도성 입자는 카본 블랙, 카본 나노튜브, 풀러렌(fullerenes), 및 Ag, Au, Cu 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것인 화학 센서.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 섬유는 정렬된 섬유를 포함하는 것인 화학 센서.
  14. 청구항 1에 있어서,
    공간적으로 이격된 점들에서 각각의 섬유 그룹이 접속되어 있는 복수의 전극 세트를 더 포함하는 화학 센서.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극은 상기 복수의 섬유 상에 인쇄된 전극을 포함하는 것인 화학 센서.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학종의 흡착을 향상시키도록 상기 복수의 섬유 상에 배치된 사전농축기(preconcentrator)를 더 포함하는 화학 센서.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 사전농축기는 실리콘 층을 포함하는 것인 화학 센서.
  18. 화학종을 감지하기 위한 시스템으로서,
    화학종에의 노출에 따라 변하는 전기적 임피던스를 갖는 복수의 섬유, 상기 섬유를 지지하며 전기적으로 절연하는 기판, 및 상기 섬유 상의 공간적으로 이격된 점들에서 상기 복수의 섬유에 접속되는 전극 세트를 포함하는 화학 센서;
    상기 전극에 연결되며 상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스를 결정하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스; 및
    상기 전기적 임피던스의 변화에 기초하여 상기 화학종을 식별하도록 구성되는 분석기를 포함하는 화학종 감지 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 섬유는 500 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 섬유는 100 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 섬유는 상기 화학종의 흡착에 의한 상기 섬유의 체적 사이즈의 증가 또는 상기 섬유의 재료와 상기 화학종의 화학 반응에 의한 전기 전도의 변화 중 적어도 하나로 인해 변하는 전기적 임피던스를 갖는 것인 화학종 감지 시스템.
  22. 청구항 18에 있어서,
    상기 섬유는 전도성 섬유를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 비전도성 매체와 상기 비전도성 매체 내에 분산되어 있는 전도성 첨가제를 포함하고,
    상기 전도성 매체는 상기 전도성 섬유 내의 전도성 매체의 영역을 통하여 전하 캐리어의 퍼콜레이션에 의한 전기 전도가 가능한 밀도를 갖는 것인 화학종 감지 시스템.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 전도성 매체는 2 % 내지 10 % 범위의 전도성 섬유의 비율을 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 전도성 매체는 카본 나노튜브를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 카본 튜브는 전도 퍼콜레이션 임계치의 10 % 내의 농도로 상기 섬유의 바디 내에 배치되어 있는 것인 화학종 감지 시스템.
  27. 청구항 23에 있어서,
    상기 섬유는 섬유 전도성을 증가시키도록 상기 섬유 내에 함유되어 있는 금속성 입자를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 전도성 입자는 카본 블랙, 카본 나노튜브, 풀러렌, 및 Ag, Au, Cu 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  29. 청구항 23에 있어서,
    상기 비전도성 매체는 유기 중합체를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  30. 청구항 18에 있어서,
    상기 복수의 섬유는 정렬된 섬유를 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  31. 청구항 18에 있어서,
    공간적으로 이격된 점들에서 복수의 각각의 섬유 그룹에 접속되어 있는 복수의 전극 세트를 더 포함하는 화학종 감지 시스템.
  32. 청구항 18에 있어서,
    센서 네트워크를 형성하는 복수의 상기 화학 센서를 더 포함하는 화학종 감지 시스템.
  33. 청구항 18에 있어서,
    상기 전극은 상기 복수의 섬유 상에 인쇄된 전극을 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  34. 청구항 18에 있어서,
    상기 화학종의 흡착을 향상시키도록 상기 복수의 섬유 상에 배치된 사전농축기를 더 포함하는 화학종 감지 시스템.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 사전농축기는 실리콘 층을 포함하는 것인 화학종 감지 시스템.
  36. 화학종을 감지하기 위한 방법으로서,
    화학종에의 섬유의 노출시 복수의 섬유에 접속되어 있는 공간적으로 이격된 전극들 사이의 전기적 임피던스의 적어도 하나의 변화를 측정하고;
    상기 복수의 섬유의 전기적 임피던스의 측정된 변화에 기초하여 상기 화학종을 식별하는 것을 포함하는 화학종 감지 방법.
  37. 청구항 36에 있어서,
    상기 측정하는 것은,
    500 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유의 전기적 임피던스의 변화를 측정하는 것을 포함하는 것인 화학종 감지 방법.
  38. 청구항 36에 있어서,
    상기 측정하는 것은,
    100 nm 보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유의 전기적 임피던스의 변화를 측정하는 것을 포함하는 것인 화학종 감지 방법.
  39. 청구항 36에 있어서,
    상기 측정하는 것은,
    복수의 전도성 섬유의 전기적 임피던스의 변화를 측정하는 것을 포함하는 것인 화학종 감지 방법.
  40. 청구항 36에 있어서,
    상기 측정하는 것은,
    비전도성 매체와 상기 비전도성 매체 내에 분산되어 있는 전도성 매체를 갖는 복수의 섬유의 전기적 임피던스의 변화를 측정하는 것을 포함하고,
    상기 전도성 매체는 상기 전도성 섬유 내의 전도성 매체의 영역을 통하여 전하 캐리어의 퍼콜레이션에 의한 전기 전도가 가능한 밀도를 갖는 것인 화학종 감지 방법.
  41. 청구항 36에 있어서,
    상기 화학종을 식별하는 것은,
    미리 결정된 화학종의 이미 알고 있는 농도에 대한 변화의 라이브러리와 상기 측정된 전기적 임피던스의 변화를 비교하는 것을 포함하는 것인 화학종 감지 방법.
  42. 청구항 36에 있어서,
    상기 화학종을 식별하는 것은, 복수의 미리 결정된 화학종의 이미 알고 있는 농도에 대한 변화의 라이브러리와 각각의 섬유 그룹에 대한 상기 측정된 전기적 임피던스의 변화를 비교하는 것을 포함하는 것인 화학종 감지 방법.
  43. 청구항 36에 있어서,
    상기 측정하는 것은, 상기 화학종의 흡착에 의한 상기 섬유의 체적 사이즈의 증가 또는 상기 섬유의 재료와 상기 화학종의 화학 반응에 의한 전기 전도의 변화 중 적어도 하나로 인한 변화를 측정하는 것을 포함하는 것인 화학종 감지 방법.
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