KR20180039449A - 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

고감도로 산 및 물을 동시에 감지 가능한 센서 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 센서는 기판; 및 기판 상에 형성된, 그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는 감지전극;을 포함하고, 그래핀은 산화그래핀이 전도성 고분자에 의해 환원되어 형성되되 일부 산화영역을 포함한다.

Description

센서 및 그의 제조방법{SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고감도로 산 및 물을 동시에 감지 가능한 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 누수 및 누유를 감지하여 누출되는 지점을 알려주는 리크 감지 센서는 누수 및 누유가 발생시 도선을 따라 흐르는 전류를 이용하여 리크를 감지한다. 리크 감지 센서는 그 설치 비용이 고가이고, 센서 케이블 길이가 정해져 있다. 나아가 리크 감지 센서는 유연성이 상대적으로 낮으며, 리크 감지 센서를 이루는 각 유닛을 상호 연결하는 데 어려움이 있다. 또한 리크 감지 센서에 수분이나 기름이 전도층에 접촉함에 따라 전도층에 산화가 발생함으로써 사용에 따라 또는 사용시간이 흐름에 따라 리크 감지 센서의 감도가 악화되는 문제가 있다.

산업용 저유탱크의 경우 차량용의 누유와는 다르게 대량의 누유가 발생할 위험이 있어서 대형 화재는 물론, 광범위한 지역의 토양오염, 수질오염의 문제를 가지므로 심각한 상태에 이를 수 있다. 이러한 산업용 저유탱크의 경우에 리크 감지 센서를 반드시 사용하여야만 하는데 전술한 바와 같이 구조가 복잡하고 고가이며, 시간에 따라 감도저하가 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고감도로 산 및 물을 동시에 감지 가능한 센서 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따르는 센서는, 기판; 및 기판 상에 형성된, 그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는 감지전극;을 포함하고, 그래핀은 산화그래핀이 전도성 고분자에 의해 환원되어 형성되되 일부 산화영역을 포함한다.

감지전극은 산 및 물을 감지할 수 있다.

그래핀은 물을 감지하고, 전도성 고분자는 산을 감지할 수 있는데, 감지전극은 그래핀의 산화영역에서 물을 흡착하여 감지하는 것일 수 있다.

산화영역은 환원그래핀 전체 영역의 0.02% 이하일 수 있다.

전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리파라페닐렌 중 적어도 하나일 수 있다.

감지전극은 물을 감지하면 저항이 증가하고, 산을 감지하면 저항이 감소할 수 있다.

감지전극은 기판의 일면에 위치하는 제1감지전극층 및 기판의 타면에 위치하는 제2감지전극층을 포함할 수 있다.

감지전극은 분산제 및 바인더 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자 전구체를 포함하는 프리감지전극층을 형성하는 단계; 및 프리감지전극층의 전도성 고분자 전구체를 전도성 고분자로 중합하면서, 산화그래핀을 환원시켜 감지전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 센서 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판; 및 기판 상에 형성된, 산화영역을 포함하는 환원그래핀을 포함하는 감지전극;을 포함하는 물감지센서가 제공된다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는 감지전극을 형성하는 단계; 및 산화그래핀을 환원시키는 단계;를 포함하되, 환원된 산화그래핀은 일부 산화영역을 포함하는 것인 센서 제조방법이 제공된다.

본 발명의 실시예들에 따른 센서는 그래핀을 이용해 물을 감지하고, 전도성 고분자를 이용해 산을 감지할 수 있어서 동시에 2가지 물질의 감지가 가능한 효과가 있다.

또한, 산화그래핀을 전도성 고분자로 환원시켜 사용하여 비교적 적은 층수의 그래핀을 이용할 수 있어서 센서의 두께를 최소화할 수 있고, 전도성 고분자의 단량체 및 환원공정을 조절하여 산화영역을 조절할 수 있어서 물의 감지감도의 조절이 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 감지전극에서 그래핀과 물을 도시한 도면이고, 도 3은 물이 그래핀의 산화영역에 결합된 것을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 센서에 있어서, 물 및 황산의 감지에 따른 저항변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센서에 있어서 서로 다른 농도의 황산의 감지에 따른 저항변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 저항을 측정하는 것을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 단면도이다. 본 발명의 센서(100)는 기판(110) 및 감지전극(120)을 포함한다. 감지전극(120)은 그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는데, 그래핀은 산화그래핀이 전도성 고분자에 의해 환원되어 형성된 환원그래핀이다. 또한, 그래핀은 환원그래핀으로서, 산화그래핀의 환원이 완전하게 이루어지지 않아 일부 영역이 산화영역일 수 있다. 즉, 감지전극(120)의 그래핀은 산화영역을 포함하는 환원그래핀일 수 있다.

본 발명의 센서(100)는 산 및 물을 감지할 수 있어서, 산 및 물의 센서로 동작한다. 감지전극(120)은 산 및 물을 감지할 수 있는데, 감지전극(120)은 산 및 물을 동시에 감지할 수 있다.

센서(100)는 기판(110) 상에 감지전극(120)을 형성하여 제조될 수 있는데, 감지전극(120)은 전도성 고분자 및 산화영역을 포함하는 환원그래핀을 함께 포함한다. 감지전극(120)은 먼저, 기판(110) 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자 전구체를 포함하는 프리감지전극층을 형성하고, 프리감지전극층의 전도성 고분자 전구체를 전도성 고분자로 중합하면서, 산화그래핀을 환원시켜 형성될 수 있다.

그래핀(graphene)은 탄소원자로 이루어진 2차원 탄소시트로 기존의 나노소재와 비교하여 넓은 비표면적과 뛰어난 열전도도 및 빠른 전자이동 특성을 나타낸다. 그래핀은 그라파이트를 물리적으로 한층씩 분리하여 얻을 수 있는데 이러한 방식은 대량생산이 부적합하고, 대면적 그래핀 제조가 불가능하다. 또다른 방법으로는 그라파이트의 화학적 박리방법, 즉 산화과정을 통한 제조공정이 있는데, 이 방법은 제조비용이 저렴하면서 대량생산이 가능하고, 생성된 그래핀의 기능화가 가능하여 다양한 응용이 가능한 산화그래핀을 얻을 수 있다. 산화그래핀의 경우, 물리적 방법에 의한 그래핀의 경우보다 적은 층수를 가질 수 있다.

산화과정을 통해 얻은 산화그래핀의 표면에는 에폭시기(epoxy), 히드록시기(hydroxyl), 카르보닐기(carbonyl), 또는 카르복시기(carboxy) 등의 여러 가지 관능기들이 존재한다. 이러한 산화그래핀을 감지전극의 구성요소로 사용하기 위하여 본 실시예에서는 전도성 고분자를 이용하여 환원시켜 환원그래핀으로서 사용한다. 환원그래핀의 물 감지에 대하여는 이하 도 2 및 도 3을 참조하여 더 설명하기로 한다.

전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리파라페닐렌 중 적어도 하나일 수 있다. 전도성 고분자는 산의 도핑에 의해 전기전도도가 변할 수 있다. 예를 들어 폴리아닐린의 산 도핑은 다음과 같은 반응식에 의해 수행된다.

[반응식 1]

산이 도핑되면, 전도성 고분자의 전도도가 증가하고, 이에 따라 저항은 감소하는 결과를 나타낸다. 따라서, 전도성 고분자의 전도도 증가에 따른 센서의 저항 감소를 확인하여 산을 감지할 수 있다.

감지전극(120)은 도 1에서와 같이 기판(110)의 일면에 위치할 수 있으나, 이와 달리 기판(110)의 일면에 제1감지전극층(미도시)이, 타면에 제2감지전극층(미도시)을 포함할 수 있어서, 소량의 감지물질에 대하여도 민감성을 나타낼 수 있다.

감지전극(120)은 용매, 분산제 및 바인더 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 용매는 탄화수소계 용매, 염소화탄화수소계 용매, 고리형 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올계 용매, 다가알코올계 용매, 아세테이트계 용매, 다가알코올의 에테르계 용매 또는 테르펜계 용매 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 실시예에서 사용될 수 있는 분산제 또는 바인더로는 셀룰로오스계 수지, 폴리 염화비닐수지, 공중합 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아크릴 수지, 아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합 수지, 부티랄 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 로진에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 또는 실리콘 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 감지전극에서 그래핀과 물을 도시한 도면이고, 도 3은 물이 그래핀의 산화영역에 결합된 것을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 산화영역을 포함하는 환원그래핀(130) 및 물(140)이 도시되어 있다. 산화영역을 포함하는 환원그래핀(130)은 그래핀(131) 및 그래핀 상의 일부 영역이 환원되지 않아 산성 관능기들이 존재하는 산화영역(132)을 포함한다.

이렇게 산화영역을 포함하는 환원그래핀(130)의 경우, 산화그래핀인 경우와 달리 물을 흡착할 수 있다. 도 3과 같이 물을 흡착하게 되면 산화영역을 포함하는 환원그래핀(130)은 전기전도도가 감소하게 되고, 이에 따라 측정되는 저항값은 증가하게 된다. 즉, 센서(100)의 저항값이 증가하는 경우, 센서(100)가 물을 감지하였다는 것을 확인할 수 있다.

산화영역(132)은 환원그래핀(130)의 전체 영역의 0.02% 이하일 수 있다. 산화그래핀의 경우, 산화그래핀 전 표면에 걸쳐 관능기들이 존재하는데 전도도가 낮아 센서로 사용할 수 없다. 산화그래핀 표면의 산성관능기들은 전도성 고분자의 중합에 의한 환원으로 제거될 수 있어 산화그래핀의 환원그래핀으로의 전환이 가능하다. 산화그래핀 표면의 일부 산성관능기들을 잔존시키면 그래핀 표면의 물흡착이 가능하게 된다. 그러나 산성관능기들이 전혀 존재하지 않는 경우, 즉, 환원그래핀이 순수한 그래핀인 경우에는 물흡착이 불가능하게 되므로 센서가 물을 감지할 수 없게 된다. 즉, 산화그래핀과 순수한 그래핀의 경우 센서로 사용할 수 없다. 따라서, 산화그래핀을 산화영역을 포함하는 환원그래핀(130)으로 형성할 때, 전도성 고분자의 종류 및 양을 조절하여 산화영역의 비율을 조절하면 최대의 물흡착효율을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 센서에 있어서, 물 및 황산의 감지에 따른 저항변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다. 본 실시예에서는 산으로서 황산(H₂SO₄)를 이용하여 센서를 테스트하였다. 테스트를 위해 도 6과 같이 센서(100)의 감지전극의 양단을 저항검출회로와 연결하여 저항값을 측정하였다. 도 6의 센서(100)는 전도성 고분자로서 폴리아닐린을 사용하였다.

감지전극은 물을 감지하는 경우, 산화영역을 포함하는 환원그래핀의 표면에 물이 흡착되면서 산화영역을 포함하는 환원그래핀의 전기전도도가 감소하고, 이에 따라 저항값이 증가하게 된다. 50% 황산의 경우에는 감지전극의 전도성 고분자에 도핑되어 전도성 고분자의 전기전도도가 증가하게 된다. 따라서, 센서(100)는 저항값이 감소하는 결과를 나타낸다.

도 5는 도 6의 센서에 있어서 서로 다른 농도의 황산의 감지에 따른 저항변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다. 황산의 농도가 증가함에 따라 저항값의 감소 추세가 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판; 및 기판 상에 형성된, 산화영역을 포함하는 환원그래핀을 포함하는 감지전극;을 포함하는 물감지센서가 제공된다. 산화영역을 포함하는 환원그래핀을 감지전극으로 이용하면 물을 흡착할 수 있어서 물감지센서로 이용할 수 있다. 이상 설명한 바와 동일한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는 감지전극을 형성하는 단계; 및 산화그래핀을 환원시키는 단계;를 포함하는 센서 제조방법이 제공된다. 기판 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자를 혼합하여 감지전극층을 형성하고, 감지전극층 내의 산화그래핀을 환원시키되, 산화그래핀의 환원은 일부 산화영역이 잔존하도록 환원시키는 것이 바람직하다. 환원된 산화그래핀의 일부 산화영역은 물을 흡착할 수 있어 센서는 물을 감지할 수 있고, 전도성 고분자는 산을 감지할 수 있다. 산화그래핀의 환원은 환원제를 사용하여 수행될 수 있다. 환원제로는 히드라진을 사용할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 센서
110 기판
120 감지전극
130 산화영역을 포함하는 환원그래핀
131 그래핀
132 산화영역
140 물

Claims (12)

1. 기판; 및
   상기 기판 상에 형성된, 그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는 감지전극;을 포함하고,
   상기 그래핀은 산화그래핀이 상기 전도성 고분자에 의해 환원되어 형성되되 일부 산화영역을 포함하는 환원그래핀인 센서.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은 산 및 물을 감지하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 그래핀은 물을 감지하고,
   상기 전도성 고분자는 산을 감지하는 것을 특징으로 하는 센서.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 감지전극은 상기 그래핀의 산화영역에서 물을 흡착하여 감지하는 것을 특징으로 하는 센서.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 산화영역은 상기 환원그래핀 전체 영역의 0.02% 이하인 것을 특징으로 하는 센서.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌설파이드 및 폴리파라페닐렌 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 센서.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은,
   물을 감지하면 저항이 증가하고,
   산을 감지하면 저항이 감소하는 것을 특징으로 하는 센서.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은,
   상기 기판의 일면에 위치하는 제1감지전극층 및
   상기 기판의 타면에 위치하는 제2감지전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 감지전극은 용매, 분산제 및 바인더 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
10. 기판 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자 전구체를 포함하는 프리감지전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 프리감지전극층의 상기 전도성 고분자 전구체를 전도성 고분자로 중합하면서, 상기 산화그래핀을 환원시켜 감지전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 센서 제조방법.
11. 기판; 및
    상기 기판 상에 형성된, 산화영역을 포함하는 환원그래핀을 포함하는 감지전극;을 포함하는 물감지센서.
12. 기판 상에 산화그래핀 및 전도성 고분자를 포함하는 감지전극을 형성하는 단계; 및
    상기 산화그래핀을 환원시키는 단계;를 포함하되,
    상기 환원된 산화그래핀은 일부 산화영역을 포함하는 것인 센서 제조방법.

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