KR20140144362A - 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소비 전력이 매우 낮으면서도, 상온에서 작동하며, ppm 수준의 가스에 높은 감도를 보일 뿐만 아니라, 유연하며 투명한 특성을 지니는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 감지 전극; 및 상기 감지 전극 상에 형성된 센서 활성층;을 포함하며, 상기 센서 활성층은 그래핀 산화물로 구성된다.

Description

그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법{Flexible transparent chemical sensors based on graphene oxide and method for preparing the same}
본 발명은 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학 센서의 활성층을 그래핀 산화물로 구성함으로써, 소비 전력이 매우 낮으면서도, 상온에서 작동하며, ppm 수준의 가스에 높은 감도를 보일 뿐만 아니라, 유연하며 투명한 특성을 지니는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 휴대폰과 같은 모바일 기기에 화학 센서를 장착하여 모바일 기기의 기능성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.
이와 관련하여 종래에는 산화물 나노 구조체를 기반으로 한 고감도 가스 분자 감지 화학 센서를 개발하여 휴대폰에 장착하고자 하는 연구가 주를 이루었다.
하지만, 산화물 기반의 화학 센서는 고온 동작 특성 때문에 소비전력이 매우 높아 휴대폰 장착의 큰 걸림돌이었다.
이러한 산화물 기반의 화학 센서의 소비전력 문제를 해결하기 위하여 연구된, 탄소 나노튜브 또는 그래핀을 이용한 화학 센서의 경우 상대적으로 소비 전력이 낮지만, 센서 감도가 매우 낮고 센서의 기저 저항의 회복이 잘 되지 않아 반복 측정 시 감도가 급격히 떨어지고 센서가 제대로 동작하지 않는 문제점이 있었다.
본 발명자들은 모바일 기기의 전력 소모를 최대한 줄이면서도, 상온에서 작동하며, 감도가 뛰어날 뿐만 아니라 유연하고 투명한 특성 때문에 모바일 기기에 장착이 용이한 화학센서를 개발하고자 하였다.
한국공개특허공보 제2012-0122491호 일본공개특허공보 제2010-133926호
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래의 산화물 기반의 센서에 비하여 모바일 기기의 전력 소모를 최대한 줄이면서도, 상온에서 작동하며, 감도가 뛰어날 뿐만 아니라 유연하고 투명한 특성 때문에, 특히 모바일 기기에 장착이 용이한 화학센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 구현예에서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 감지 전극; 및 상기 감지 전극 상에 형성된 센서 활성층;을 포함하고, 상기 센서 활성층은 그래핀 산화물인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 기판은 투명 기판인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 투명 기판은 플라스틱, 유리, 사파이어 또는 석영 기판인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 감지 전극은 투명 전도성 산화물 박막인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 투명 전도성 산화물 박막은 인듐-주석 옥사이드(ITO), 알루미늄-아연 옥사이드(AZO), 갈륨-아연 옥사이드(GZO), 플루오르-주석 옥사이드(FTO), 인듐-아연 옥사이드(IZO), 또는 니오브-티타늄 옥사이드(NTO) 박막인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 센서 활성층은 단일층 또는 이층 구조인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 센서 활성층은 그래핀 산화물의 플레이크 형태를 가지는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 센서 활성층은 이산화질소, 일산화질소, 일산화탄소, 수소, 이산화황, 아세톤, 에탄올, 톨루엔, 암모니아, 메탄 및 VOC 가스로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 가스를 감지하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 그래핀 산화물은 H, N, O, F, Cl, I 및 S로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 기능기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 구현예에서, 기판 상에 감지 전극을 형성하는 제1단계; 상기 감지 전극 상에 센서 활성층을 형성하는 제2단계; 및 상기 기판을 어닐링 하는 제3단계;를 포함하고, 상기 제2단계에서 형성된 센서 활성층은 그래핀 산화물인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 제조방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 제2단계에서 상기 감지 전극 상에 형성되는 센서 활성층은 드롭캐스팅 방식으로 증착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서는 종래 산화물 기반 센서에 비하여 소비 전력이 현저히 낮으면서도, 상온에서 작동이 가능하며, 감도가 뛰어날 뿐만 아니라, 유연하고 투명한 특성 때문에 모바일 기기에 장착이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 주사전자현미경 사진(A), 빛 투과도(B) 및 유연성(C)을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 가스감지특성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 굽힘에 따른 기저저항 및 감도 변화(A), 소비 전력(B) 및 ppb 농도의 가스 분자 감지 특성(C)을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 안정성을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명 명세서 전반에서 사용되는 용어인 “GO"는 그래핀 산화물(graphene oxide)을 의미하는 것이며, “rGO"는 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)을 의미하는 것이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 일구현예는 기판과 상기 기판 상에 형성된 감지 전극과 상기 감지 전극 상에 형성된 센서 활성층을 포함한다.
상기 기판은 감지 전극과 센서 활성층을 지지할 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. 기판은 예를 들어, Si, SiO2 및 Si 질화물 등의 실리콘 반도체 기판이나 Al2O3 및 MgO 등의 세라믹 기판 또는 플라스틱 기판 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 기판은 모바일 기기에 장착이 용이하도록 투명성을 가지는 투명 기판일 수 있다. 이때, 상기 투명 기판은 투명한 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 투명이면서도 가격이 저렴한 플라스틱 기판, 유리 기판, 사파이어 기판 또는 석영 기판 등으로부터 선택되는 것이 투명성 확보와 가격 면에서 바람직하다.
아울러 상기 기판의 두께는 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어, 0.05㎜ ~10㎜의 두께를 가질 수 있다.
상기 감지 전극은 투명 전도성 산화물 박막으로서, 투명성을 가지면서 전기를 잘 통하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서 상기 투명 전도성 산화물 박막을 형성하기 위한 산화물의 조성 성분이나, 두께 또는 형성방법은 제한되지 않는다. 상기 투명 전도성 산화물 박막은 바람직하게는 비저항이 낮은 산화물로부터 선택되어 증착에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 전도성 산화물 박막의 두께는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 1㎚(나노미터) ~ 20㎛(마이크로미터)의 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 10㎚ ~ 1,000㎚의 나노 두께를 가질 수 있다.
바람직한 구현예에 따라서, 상기 투명 전도성 산화물 박막은 산화주석(SnO2)에 인듐(In)이 도핑된 인듐-주석 옥사이드(ITO, indium-doped tin oxide), 산화아연(ZnO)에 알루미늄(Al)이 도핑된 알루미늄-아연 옥사이드(AZO, aluminum-doped zinc oxide), 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)이 도핑된 갈륨-아연 옥사이드(GZO, gallium-doped zinc oxide), 산화주석(SnO2)에 플루오르(F)가 도핑된 플루오르-주석 옥사이드(FTO, fluorine-doped tin oxide), 산화아연(ZnO)에 인듐(In)이 도핑된 인듐-아연 옥사이드(IZO, indium-doped zinc oxide) 또는 산화티타늄(TiO2)에 니오브(Nb)가 도핑된 니오브-티타늄 옥사이드(NTO, niobium-doped titanium oxide) 박막인 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명 전도성 산화물 박막은 증착을 통하여 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 스퍼터 증착법, 전자선 증착법, 화학증기증착법 또는 습식증착법 등을 통하여 형성될 수 있다.
상기 센서 활성층은 상기 감지 전극, 즉 투명 전도성 산화물 박막 상에 형성된다. 구체적으로는 상기 센서 활성층은 투명 전도성 산화물 박막과 접촉되도록, 적어도 투명 전도성 산화물 박막 상에는 형성된다. 또한, 상기 센서 활성층은 도 1에서 나타나는 것과 같이 감지 전극과 감지 전극 간의 사이에 위치한 기판 상에도 형성될 수 있다.
상기 센서 활성층은 가스를 감지하는 것으로서, 가스 분자의 흡착 및 산화/환원 반응에 의해 전기적 저항을 변화를 일으키는데, 본 발명에서는 그래핀 산화물로 이루어진다. 다시 말하면, 그래핀 산화물이 상기 센서 활성층으로 사용됨으로써, 본 발명에 따른 센서는 소비 전력이 매우 낮으며, 상온 동작의 구현이 가능하고, 감도가 뛰어난 특징을 가지게 된다.
상기 센서 활성층은 단일층 또는 이층 구조일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 센서 활성층의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 0.1㎚ - 10㎚ 의 값을 가질 수 있다.
한편, 상기 그래핀 산화물로 이루어진 센서 활성층은 그래핀 산화물의 플레이크 형태의 구조를 가질 수도 있다.
또한, 본 발명에서 센서 활성층을 구성하는 그래핀 산화물은, H, N, O, F, Cl, I 및 S로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 다양한 기능기(functional group)를 더 포함할 수 있다. 상기 기능기들은 그래핀 산화물 표면 상에 부착되어 그래핀 산화물의 표면 물성을 변화시킬 수 있다. 예시적인 구현예에서, 상기 기능기는 OH, -NH2, -F, -Cl 또는 -S 등일 수 있으며, 상기 기능기가 그래핀 산화물 상에 부착됨에 따라 센서 활성층이 특정 검출 가스 분자에 대해 선택성을 가질 수 있다. 여러 기능기로 표면 변환이 된 그래핀 산화물 센서들의 조합으로 센서 어레이를 제조하게 되면 그래핀 산화물 기반 센서 어레이 즉 전자코 구현이 가능하다.
상기 그래핀 산화물로 이루어진 본 발명의 센서 활성층은 예를 들어, ppm 수준 또는 ppb 수준의 이산화질소, 일산화질소, 일산화탄소, 수소, 이산화황, 아세톤, 에탄올, 톨루엔, 암모니아, 메탄 또는 VOC 가스 등을 감지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예로서, 본 발명에 따른 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 제조방법은, 기판 상에 감지 전극을 형성하는 단계와 상기 기판 상에서 형성된 감지 전극 상에 센서 활성층을 형성하는 단계 및 상기 기판을 어닐링 하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 형성되는 센서 활성층은 그래핀 산화물로 구성된다.
상기 기판 상에 감지 전극 형성 시, 형성 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 스퍼터 증착법, 전자선 증착법, 화학증기증착법 또는 습식증착법 등을 통하여 형성할 수 있다.
상기 감지 전극 상에 센서 활성층 형성 시, 형성 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 스퍼터 증착법, 전자선 증착법, 화학증기증착법 또는 습식증착법 등을 통하여 형성할 수 있다. 바람직하게는 간편한 드롭캐스팅 방식을 통하여 증착할 수 있다.
상기 기판을 어닐링 하는 단계는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 100℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 어닐링 하는 것이 좋다.
상기에서 설명한 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법에 따르면, 종래의 산화물 나노구조체에 기반한 화학 센서의 고온 동작 특성으로 인한 과도한 소비 전력 문제를 해결하고, 그래핀 기반 화학 센서의 감도 저하 문제를 해결하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 화학 센서는 종래의 산화물 기반 화학센서에 비하여 소비 전력이 현저히 낮고, 상온에서 동작할 뿐만 아니라, 감도가 뛰어나며, 유연하고 투명한 특징을 가진다.
상기한 바와 같이 설명된 본 발명에 따른 화학 센서는 이러한 특징들로 인하여 화학 센서가 요구되는 산업의 전 분야(제조업, 의료, 바이오, 환경, 군사 및 에너지 분야)에서 적용이 가능하며, 특히 모바일 기기에 부착이 용이하여 모바일 기기의 성능 향상에 기여할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
본 발명에 따른 그래핀 산화물 기반의 유연 투명 화학 센서를 제조하기 위하여, 기판(1 mm 두께, 크기 10 cm x 10 cm)을 준비하고, 상기 기판 상에 전자빔 증착법을 이용하여 (스퍼터링으로도 가능) 감지 전극층으로서 투명 전도성 산화물 박막을 (150 nm 두께)증착시켰다. 상기 박막 증착 후, 센서 활성층을 형성하기 위하여 드롭캐스팅방식으로 그래핀 산화물(용액양: 2 μg, 용액농도: 2 g/L)을 상기 기판 및 감지 전극 상에 1 nm 두께로 형성시킨 후, 이를 100℃ 내지 200℃의 온도 범위로 어닐링 하여 본 발명에 따른 화학센서를 제조하였다 (GO).
비교예
상기 실시예와 동일하게 화학센서를 제조하되, 센서 활성층 형성 시, 그래핀 산화물 대신 환원된 그래핀 산화물을 사용하여 제조하였다(rGO). 환원된 그래핀 산화물은 그래핀 산화물 형성한 후 하이드라진(hydrazine) 증기 및 수고 플라즈마를 이용한 표면처리를 통해 GO가 rGO로 환원되도록 하는 방법으로 제조되었다.
실험 1
본 발명의 도 2에서, 상기 실시예에서 제조된 그래핀 산화물 기반의 화학센서를 주사전자현미경으로 관찰한 사진(A) 및 상기 그래핀 산화물 센서의 빛 투과도(B) 및 상기 센서의 유연성(C)을 관찰한 결과가 나타난다.
상기 도 2를 참조하면, 드롭캐스팅 방식으로 제조된 그래핀 산화물 센서가 단일층 또는 이층 구조인 것을 확인할 수 있고, 상기 활성층이 그래핀 산화물의 플레이크 형태를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
이때, ITO(indium tine oxide)와 IDE(interdigiated electrodes)의 전극 사이 간 간격은 4 마이크로미터에 해당하였다.
실험 2
본 발명의 도 3에서 , 상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 GO 센서와 rGO 센서의 감지특성을 비교하였다.
도 3을 참조하면 GO 센서가 rGO 센서에 비하여 상대적으로 높은 저항을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 특히, GO 센서의 경우 5ppm 이산화질소와 50ppm 수소에 대하여 높은 감도를 보이며 반복적인 신호에 대하여 감도의 감소 없이 신뢰성 높은 사이클 특성을 나타낸다.
반면, rGO 센서의 경우 기존에 보고된 바와 같이 감도가 낮으면서 반복적인 신호에 대하여 감도가 점차 감소하는 피로 특성을 나타낸다.
실험 3
본 발명의 도 4에서 , 상기 실시예에서 제조된 GO 센서의 굽힘에 따른 기저저항 및 감도 변화(A), 소비 전력(B) 및 ppb 농도의 가스 분자 감지 특성(C)을 나타내었다.
ITO 또는 IDE 전극이 깨어지지 않는 범위 내에서 개발된 센서는 기저저항 및 감도 변화를 나타내지 않았다. 상기 센서의 소비 전력은 소비전력은 duty cylce 100%에서 31 nW이었으며, duty cycle 2%에서 0.55 nW로 매우 낮다. 이러한 소비전력은 기존의 MEMS 기반 산화물 반도체 가스 센서의 소비전력 (1~10 mW)에 비해 매우 낮고, 최근 보고된 자가발열 산화물 기반 화학 센서의 소비전력의 약 1/500로 낮은 값이다.
이 결과는 개발된 GO 센서가 동전크기의 NiMH 전지로 10년 이상 동작될 수 있음을 보여준다. 개발된 센서가 ppb 이하 수준으로 이산화질소와 에탄올을 감지할 수 있다는 것은 호흡기를 통해 질병(NO2: 천식, 에탄올: 폐암)을 진단할 수 있는 호흡분석기로 이용될 수 있음을 의미한다.
실험 4
본 발명의 도 5에서, 상기 실시예에서 제조된 GO 센서의 안정성을 나타내었다.
도 5를 참조하면 10개월 후에도 센서의 기저저항 및 감도 측면에서 변화가 없음을 알 수 있다. 이것은 GO 센서가 상온에서 동작하기 때문에 안정성이 매우 뛰어난 것을 보여주는 결과이며 고온에서 동작하는 기존 반도체식 산화물 가스 센서에 비해 안정성 면에서 비교우위에 놓여 있음을 말해준다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
1: 그래핀 산화물 단일층(monolayer)
2: 그래핀 산화물 두층(bilayer)

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 감지 전극; 및
    상기 감지 전극 상에 형성된 센서 활성층;을 포함하고,
    상기 센서 활성층은 그래핀 산화물인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 투명 기판인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 투명 기판은 플라스틱, 유리, 사파이어 또는 석영 기판인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 전극은 투명 전도성 산화물 박막인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물 박막은 인듐-주석 옥사이드(ITO), 알루미늄-아연 옥사이드(AZO), 갈륨-아연 옥사이드(GZO), 플루오르-주석 옥사이드(FTO), 인듐-아연 옥사이드(IZO), 또는 니오브-티타늄 옥사이드(NTO) 박막인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 활성층은 단일층 또는 이층 구조인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 활성층은 그래핀 산화물의 플레이크 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 활성층은 이산화질소, 일산화질소, 일산화탄소, 수소, 이산화황, 아세톤, 에탄올, 톨루엔, 암모니아, 메탄 및 VOC 가스로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 가스를 감지하는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 산화물은 H, N, O, F, Cl, I 및 S로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 기능기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서.
  10. 기판 상에 감지 전극을 형성하는 제1단계;
    상기 감지 전극 상에 센서 활성층을 형성하는 제2단계; 및
    상기 기판을 어닐링 하는 제3단계;를 포함하고,
    상기 제2단계에서 형성된 센서 활성층은 그래핀 산화물인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2단계에서 상기 감지 전극 상에 형성되는 센서 활성층은 드롭캐스팅 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서의 제조방법.
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