KR20200042982A - 원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서 및 그것의 제조 방법 - Google Patents

원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서 및 그것의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 단일 섬유 가닥 형태로 구현될 수 있는 포도당 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은, 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(strand)에 증착되어 박막을 형성하는 전극, 상기 제1 전극을 둘러싸는 산화아연층(ZnO layer), 및 상기 산화아연층을 둘러싸는 포도당 분해효소층을 포함하는, 원통형 포도당 센서에 관한 것이다.

Description

원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서 및 그것의 제조 방법{GLUCOSE SENSOR FABRICATED ON CYLINDRICAL SINGLE FIBER}
본 발명은 원통형 단일 섬유 형태로 구비되는 포도당 센서와 그것을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근 들어 주목받고 있는 사물인터넷 (IoT : Internet of Things), 빅데이터(Big data)와 같은 정보통신기술과 개인용 기기인 스마트 폰, 태블릿 PC에서부터 웨어러블 스마트기기의 발전이 매우 빠르게 진행되고 있다. 또한 지구 온난화와 같은 환경 변화로 인해 온도, 습도, 자외선 등의 환경 센서에 대한 요구가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 이러한 정보통신 기술, 휴대기기 그리고 환경센서에 대한 관심과 발전은 궁극적으로 이러한 기술들의 집적화를 위하여 전자 섬유(e-Textile, e-Fiber)에 기반을 둔 웨어러블 디스플레이 혹은 스마트기기(wearable display, wearable smart device)를 제작하는 것을 목표로 삼게 되었다.
이렇듯 기술 집적화를 위하여 지능형 섬유 (Smart Fabrics) 또는 전자 섬유(e-Textile, e-Fabric)와 같은 단일 섬유 위에 전도체, 반도체 및 절연체의 기능성 소재를 단일 박막 또는 복합 박막을 증착 제작하는 기술을 스마트 의류 제작에 적용하는 연구가 적극적으로 진행되고 있다. 그 이유는 사물 인터넷의 궁극적인 단말기는 스마트 의류이고 의류의 기본 소재인 단일 섬유에 상기의 여러 가지 소재를 증착하여 제작한 다양한 전자 소자 구현을 통하여 스마트 전자 섬유 및 의류를 제작할 수 있기 때문이다.
이러한 스마트 의류는 향후 기존의 스마트 휴대 전화를 대체할 것으로 예상되고 또한 의류의 기존의 스마트 휴대 전화에서 수행하던 컴퓨터 및 미디어 의 기능 이외에도 보다 향상된 지능적 기능이 추가될 것으로 예상되며 특히 온도, 습도, 먼지, 생체 신호 등의 외부 환경에 대한 정보를 수집할 수 있는 여러 가지 물리 및 화학, 바이오 센서 등이 집적될 것으로 예상된다.
이러한 전자 소자 및 센서 소자는 단일 섬유에 제작하여 직접화하면 외부 충격, 충돌 등의 외부 환경에 대한 손상 최소화와 제작의 용이성, 저가격화, 일회성 센서 제작 등이 가능하여 향후 스마트 의류 구현이 보다 가속화할 것으로 예상된다. 최근에는 장애인이나 고령의 노인을 위한 스마트 의류 기술의 적용이 우선적으로 연구 및 개발되고 있다.
이러한 센서들 중에서, 특히, 포도당 센서는 인체의 땀에서 혈당 검출 및 농도를 측정할 수 있어 향후 스포츠 및 헬스 케어, 실버 산업에서도 많은 응용 분야를 창출할 수 있다.
이에 따라, 향후 실버 산업의 급속한 팽창 및 노령화에 따라서 단일 섬유에 제작한 원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서에 대한 연구가 요구되는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 단순한 제작 공정으로 저가격의 일회용(Disposable Sensor) 바이오 포도당 센서를 통하여 스마트 의류에 집적시키고 센서 네트워크를 일체화시키는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(strand)에 증착되어 박막을 형성하는 전극; 상기 제1 전극을 둘러싸는 산화아연층(ZnO layer); 및 상기 산화아연층을 둘러싸는 포도당 분해효소층을 포함하는, 원통형 포도당 센서 를 제공한다.
이때 상기 원통형 포도당 센서는 상기 포도당 분해효소층을 둘러싸는 보호막을 더 포함할 수 있으며, 그 보호막은 나피온으로 형성되는 코팅일 수 있다.
또한, 섬유는 PET(polyethylene terephthalate) 필라멘트일 수 있다.
그리고, 상기 포도당 분해효소층은, 글루코스 산화효소(glucose oxidase)일 수 있다.
본 발명에 따른 포도당 센서 및 그것의 제조 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 저가격이고 작고 유연하기 때문에 줄기세포 배양 과정에서 실시간으로 계측이 가능하여 현재의 줄기 세포 배양에서 더욱 정화하고 신뢰성 있게 배양할 수 있는 기본적인 센서 소자 사용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 간단한 구조와 제작 방법으로 저가격의 일회용(Disposable Sensor) 바이오 포도당 센서를 제작할 수도 있으며 원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서는 줄기 세포 배양 용기에 직접화할 수 있어 센서의 재사용에 따른 오염 가능성이 매우 큰 기존의 바이오 배양 용기에 직접화하여 1회용을 사용할 수도 있어 오염 및 실시간 모니터링이 가능한 배양 환경을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 외부의 표준(reference) 전극을 사용할 경우의 포도당 센서의 구조를 도시하는 도면이다.도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 단일섬유 포도당 센서를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 표면 사진을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 주기적 전압측정(Cyclic Voltametry) 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 포도당 농도에 따른 전류 변화를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 시간에 따른 전류 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 산화아연층의 사진을 도시한다.
도 8은 원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서의 신뢰성 측정을 위하여 각각 50회, 100회, 200회 굽힘 실험 후 측정한 포도당 농도에 따른 전류 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 제조 방법 순서도를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 표준 전극(standard reference) 또는 기준 전극(reference electrode) 을 단일 섬유에 직접한 포도당 센서의 구조를 도시하는 도면이다.
도 11은 도 10의 구조를 역으로 형성한 도면을 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
기존의 포도당 센서는 고가이며 크기가 크고 유연하지 못하기 때문에 실시간 모니터링이 매우 어려우며 세척 후 재사용을 해야 하기 때문에 오염의 가능성이 매우 커서 많은 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 아래와 같이 단일 섬유에 포도당 센서를 형성시키도록 제안한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 외부의 표준(reference) 전극을 사용할 경우의 포도당 센서의 구조를 도시하는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서는 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(100, strand)에 증착되어 박막을 형성하는 전극(101); 상기 전극을 둘러싸며, 포도당 농도에 따라 발생하는 전류량이 달라지는 포도당 감응층; 및 상기 포도당 감응층을 둘러싸는 포도당 분해효소층(103)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 포도당 감응층은, 산화아연층(ZnO layer)을 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 포도당 센서에는 상기 포도당 분해효소층(103)을 둘러싸는 보호막(104)이 구비될 수 있다. 상기 보호막(104)은 나피온(Nafion)일 수 있다.
또한 상기 섬유는, PET(polyethylene terephthalate) 필라멘트로 구성될 수 있다.
전극(101)은, 섬유 가닥(100)에 스퍼터링 방식으로 증착될 수 있다. 전극은 구리(Cu), 니켈(Ni) 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있으나, 본 발명이 이것들에 한정되지는 않는다.
산화아연층(102)은, 전극(101) 상에 스퍼터링 방식으로 시드 층(seed layer)을 만든 후 수열합성법으로 성장시킨 ZnO 나노로드(nanorod)와 CB(Carbon Black), PVDF(Poly Vinylidene DiFluoride)를 혼합하여 산화아연층(102)이 형성될 수 있다.
섬유 가닥(100)에 ZnO 코팅 공정을 용이하게하기 위해 바인더로서 PVDF가 ZnO와 혼합되었다. 그러나, PVDF의 절연성으로 인해 ZnO의 전기 전도도가 낮아지기 때문에, CB가 ZnO 및 PVDF와 추가로 혼합되어 ZnO의 전기 전도성을 증가시킬 수 있다. 이 세 가지 화학 물질의 비율은 전기 전도성을 손상시키지 않고 ZnO와 PET 섬유 사이의 접착력을 향상시키기 위해 결정될 수 있다.
그 후, 포도당 분해효소층(103)는 상기 형성된 산화아연층(103)을 둘러싸도록 형성되며, 딥코팅(dip coating)방식으로 형성될 수 있을 것이다. 또한, 상기 보호막(104) 역시 상기 포도당 분해효소층(103) 상에 딥코팅 방식으로 형성될 수 있다.
포도당 분해효소층(103)는 측정 대상 물질에 포함되어 있는 글루코스와 반응하는 구성요소이다.
예를 들어, 포도당 분해효소층(103)는 글루코스 산화효소(glucose oxidase, GOx) 또는 글루코스 탈수소효소를 포함할 수 있다.
포도당 분해효소층(103)에서의 반응 원리를 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
측정 대상 물질인 시료를 글루코스 센서에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 글루코스가 글루코스 산화효소 또는 글루코스 탈수소효소에 의하여 산화되고, 글루코스 산화효소 또는 글루코스 탈수소효소는 환원된다. 이때, 전자전달매개체는 글루코스 산화효소 또는 글루코스 탈수소효소를 산화시키고, 자신은 환원된다. 환원된 전자전달매개체는 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화된다. 시료 내의 글루코스 농도는 전자전달매개체가 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례하므로, 이 전류량을 측정함으로써 글루코스 농도를 측정할 수 있다.
보호막(104)은 접합제(70)를 매개로 전극부(40) 또는 포도당 분해효소층(103)에 접합되어 있다. 이러한 보호막(104)은 필요에 따라 적용되거나 배제될 수 있는 선택적인 구성요소이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 단일섬유 포도당 센서를 도시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 포도당 센서는, 도 2에 도시된 바와 같이 동일한 구조가 역순으로 형성될 수 있다.
즉, 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(100, strand)을 둘러싸는 보호막(104), 보호막(104)을 둘러싸는 포도당 분해효소층(103); 상기 포도당 분해효소층(103)을 둘러싸는 산화아연층(102, ZnO layer); 및 상기 산화아연층(102)에 증착되어 박막을 형성하는 전극(101)을 포함할 수 있다.
단, 이경우에는 포도당 감지 물질인 나피온 및 카본 블랙층을 포도당 피감지를 위하여 외부의 바깥층, 즉 101, 103 층에 구멍 (hole) 또는 일정한 패턴을 형성하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 표면 사진을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 주기적 전압측정(Cyclic Voltametry) 그래프이다.
주기적 전압측정(CV) 곡선을 10mV/s ~ 100mV/s 범위의 상이한 스캔 속도로 전위가변기(potentiostat)에 의해 측정하고, 0.1mM 글루코스를 17mM PBS에 삽입 하였다. 인가 된 전위는 모든 측정에서 -1.0V에서 1.0V까지의 범위였다. 앞서 언급했듯이, 카본 블랙 덕분에 일반적인 산화 물질에 비해 전류가 높은 값을 보였다. 음극 피크와 양극 피크 모두 CV 곡선에서 발견되었다. 스캔 속도가 증가하면 양극 피크는 음의 전위로 이동하는 반면, 음극 피크는 양의 전위로 이동한다. 또한 스캔 속도가 증가하면 피크 전류가 증가하는 것으로 확인되었다.
이러한 현상은 ZnO/CB/PVDF 표면에서 GOx와 포도당 사이의 적절한 반응으로부터 유래된 것으로 판단된다. GOx는 전기 화학 반응을 자극하는 효소 물질이다. 또한 GOx 층 위에 보호막(Nafion)을 도포하여 효소 누출을 줄였다. GOx가 포도당과 만나면 GOx는 감소하고 글루코스는 글루코노락톤(gluconolactone)으로 산화된다. 그런다음, 감소 된 GOx는 산소 분자와 반응하여 H2O2를 생성한다. H2O2는 자연적으로 분해되어 전도도를 증가시키는 전자를 생성한다. 이는 ZnO/CB/PVDF의 우수한 고정화 및 전자 전달 특성 때문이다. ZnO는 활성과 생체 적합성을 향상시키는 GOx와 포도당을 모두 고정시킨다.
Figure pat00001
위에서 언급했듯이 ZnO는 등전점이 높고 글루코오스는 등전점이 낮다. 이 작업에 사용 된 전해질은 pH 값이 7.4 인 17mM Phosphate Buffered Saline(PBS)였다. PBS의 pH는 ZnO의 등전점보다 낮아 ZnO 표면에 양전하를 띄게한다. 반대로, PBS의 pH 값은 글루코스의 등전점보다 높기 때문에 글루코오스 표면이 음전하를 띄게된다. 따라서 ZnO와 포도당의 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)은 고정화에 영향을 주어 전기 화학적 특성을 향상시킨다. 다양한 농도에서 포도당 감수성의 경향을 연구하기 위해, 전류 대 포도당 농도 곡선을 도 5에 나타내었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 포도당 농도에 따른 전류 변화를 도시하는 그래프이다. 도시된 그래프에 따르면, 포도당 농도(Glucose concentration, x축)이 증가할 수록 전류가 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
선형 피팅 후, 상관 계수 (R2)는 0.9933이었고 선의 기울기는 각각 88.8439uAmM-1이었다. 전류는 우수한 직선 성과 포도당 농도에 대한 적절한 행동을 보였다.
도 5의 그래프에서 포도당 농도에 따른 전류 변화가 직선적인 것을 알 수 있으며 이것은 본 포도당 센서가 농도에 따라 매우 신뢰할 수 있게 동작하는 것을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 시간에 따른 전류 변화를 도시하는 그래프이다. 이 그래프는 포도당 감응성의 가독성을 향상시키기 위해 분석하였다. 글루코스 농도가 증가 할 때 커브는 계단식 형태를 보였다. 포도당 농도가 낮은 지역에서 전류는 낮은 증가를 보였으나 높은 포도당 농도에서는 높은 전류가 나타났다. 이 곡선으로부터 포도당 민감도를 계산하였다. 포도당 민감도는 기울기의 값을 활성 표면적으로 나눈 값으로 정의될 수 있으며, PET 섬유의 활성 표면적은 다음 수학식 1에 의해 계산되었다.
Figure pat00002
R은 PET 섬유의 반경, L은 PET 섬유의 활성 영역 길이를 나타냅니다. PET 섬유에 대한 ZnO/CB/PVDF의 민감도는 다음 수학식 2와 같이 계산되었다.
Figure pat00003
이 값은 PET 섬유에 대한 ZnO/CB/PVDF의 포도당 감지 능력을 나타냅니다. 활동 지역은 GOx와 Nafion으로 덮힌 지역이었다. 니켈 만 코팅 된 영역은 활성 영역으로 표시되지 않았다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 산화아연층의 사진을 도시한다.
ZnO 박막은 도 7에 또한 도시 된 기둥 형태의 다발로 성장 하였다. 도 7은 시드 층 상에 성장 된 ZnO 나노로드의 단면 이미지를 도시한다. ZnO 시드 층의 두께는 10 분 증착시 330㎛, 20 분 증착시 360um, 30 분 증착시 640um이었다. 시드 층의 우수한 증착으로 인해 시드 층을 ZnO 어레이의 바닥면에서 조사하고 ZnO 나노로드를 시드 층에서 수직으로 성장시켰다. ZnO 나노 막대의 실제 형태는 도 7 (b)에 나와있다. ZnO의 육각형 구조는 시드 층 증착 시간에 관계없이 이미지에 분명하게 나타났다. 적절한 합성 온도와 시간은 다음과 같은 메커니즘을 통해 적절한 ZnO 나노 막대 성장을 유도한다.
(CH2)6N4 + 6H2O → 6HCHO + 4NH3 (1)
NH3 + H2O → NH+ + OH (2)
2OH + Zn2 + → ZnO(s) + H2O (3)
Hexamethylene은 물 분자와 반응하여 암모니아로 변하고 부산물로 포름 알데히드(formaldehyde)를 생성하는 ZnO 전구체 중 하나이다. 암모니아는 암모늄 이온과 수산화 이온(hydroxyl ion)으로 분해된다. 마지막으로 ZnO 이온은 수산화 이온(hydroxyl ion)과 반응하여 ZnO 입자를 생성한다.
도 8은 원통형 단일 섬유 형태의 포도당 센서의 신뢰성 측정을 위하여 각각 50회, 100회, 200회 굽힘 실험 후 측정한 포도당 농도에 따른 전류 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8에서 (a) 50회, (b) 100회, (c) 200회, (d) 종합을 나타낸다.
ZnO/CB/PVDF의 기계적 안정성과 강도를 연구하기 위해 어레이를 반복적으로 구부렸다. 굽힘 후, 전류는 다른 포도당 농도에서 측정되었고 민감도(sensitivity)는 도 8 (a), (b) 및 (c)에 그려졌다. 굽힘 시간이 증가함에 따라 전류가 감소되었다. 50 회 절곡 후의 민감도는 12.2430 uAmM-1cm-2이고 R2는 0.9628이었다. 100 회 절곡 후 민감도는 11.2546 uAmM-1cm-2이고 R2는 0.9367이었다. 200 회 굽힘 후 민감도는 5.9576 uAmM-1cm-2이고 R2는 0.9533이었다. 굴곡이 진행됨에 따라 포도당 민감도가 악화되는 것을 확인할 수 있다. 섬유 기판의 굽힘은 ZnO/CB/PVDF 표면에 균열을 초래하였으며, 이러한 균열로 인해 포도당 민감도와 전도도의 선형성이 악화되었다고 볼 수 있다. 포도당 민감도는 50 회 구부러 질 때 높게 나타났고 구부리는 시간이 100과 200 배로 증가할수록 포도당 민감도는 낮게 나타난 것으로 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 포도당 센서의 제조 방법 순서도를 도시하는 도면이다.
S901 단계에서 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(strand)에 전극을 증착시킨다. 그리고, 상기 전극 상에 스퍼터링 방식으로 ZnO 시드층(seed layer)를 형성시킨다(S902 단계). 특히 본 발명의 일실시예에서는 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering) 방식을 제안한다.
이어서 형성된 ZnO 시드층에 수열합성(hydrothermal growth, 수열 성장)법으로 ZnO 나노로드를 성장(S903 단계) 시킨다. 구체적으로 수열합성은, 아연 질산염 헥사하이드레이트(Zinc Nitrate Hexahydrate) 및 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramine)을 0.1M의 동일한 몰 농도의 전구체로 사용하였다. 전구체를 함께 혼합하고 24 시간 동안 교반 하였다. 교반 후, 용액을 오토 클레이브에 옮기고 95 ℃에서 8 시간 동안 유지 하였다.
그리고 성장시킨 ZnO 나노로드와 CB(carbon black), PVDF를 혼합(S904 단계)시킨다. PVDF는 ZnO와 PET 섬유의 접착력을 향상시키기 위하여 혼합된다. 그러나, PVDF는 절연 거동을 갖는 고분자 재료이기 때문에, 도전성이 악화될 수 있다. 이와 같이 도전성이 악화됨에 따라 카본 블랙이 ZnO에 추가적으로 도포(혼합)되었다. 카본 블랙은 우수한 전도성을 갖는 탄소 계 재료로써, ZnO의 전도도는 PVDF보다 많은 양의 카본 블랙을 첨가함으로써 향상 될 수 있다.
상기 산화아연층을 둘러싸도록 포도당 분해효소층을 형성(S905 단계)시킨다.
효소 포도당 센서를 제조하기 위해 Glucose Oxidase (GOx)를 딥 코팅 (dip-coating) 방법으로 0.5mm/s의 딥 코팅 속도로 ZnO에 코팅 하였다. GOx를 1mM/1mL 농도로 17mM 인산 완충 식염수(PBS, Phosphate Buffered Saline) 용매에 첨가 하였다.
그리고, S906 단계에서 보호층(Nafion)을 형성한다.
GOx 코팅 후, 어레이를 4 ° C에서 밤새 건조시킨 다음 Nafion (5 %) 코팅을 하였다. Nafion은 GOx와 동일한 침지 코팅 속도로 딥 코팅 방법으로 코팅 처리했다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 표준 전극(standard reference) 또는 기준 전극(reference electrode) 을 단일 섬유에 직접한 포도당 센서의 구조를 도시하는 도면이다.
본 발명의 구조에 따르면, 표준 전극이나 기준 전극을 단일 섬유에 집적된 구조로 형성될 수도 있다.
도시된 도 10을 참조하면, 단일의 섬유(fiber) 가닥(100, strand)에 증착되어 박막을 형성하는 제 1 전극(101-1), 절연층(1001) 및 제 2 전극(101-2)이 순차적으로 형성되어 있다.
도 1 및 도 2에서와 공통되는 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이때 절연층은, PVP(폴리바이닐피롤리돈, polyvinylpyrrolidone), Al2O3가 디핑(Dipping)이나 스퍼터링(Sputtering)으로 형성될 수 있다.
도 10도 도 2의 경우와 같이 역 (inverted) 구조가 가능하다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 도 10의 구조를 역으로 형성한 도면을 도시한다.
또한 도 1, 도 2, 도 10 그리고 도 11의 역 구조에 같은 단일 섬유에 태양 전지, 열전 소자, 슈퍼 캐퍼시터와 같은 에너지 발생 및 저장 장치, 그 밖의 다양한 기능을 수행하는 전자 소자의 추가 직접이 가능하다.이상으로 본 발명에 따른 포도당 센서의 실시예를 설시하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정／제한되지는 아니하는 것이다. 또한 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.

Claims (12)

  1. 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(strand)에 증착되어 박막을 형성하는 전극부;
    상기 전극부를 둘러싸며, 포도당 농도에 따라 발생하는 전류량이 달라지는 포도당 감응층; 및
    상기 포도당 감응층을 둘러싸는 포도당 분해효소층을 포함하는,
    원통형 포도당 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포도당 감응층은, 산화아연층(ZnO layer)인 것을 특징으로 하는,
    원통형 포도당 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 포도당 분해효소층을 둘러싸는 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원통형 포도당 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보호막은 나피온(Nafion)인 것을 특징으로 하는,
    원통형 포도당 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유는, PET(polyethylene terephthalate) 필라멘트인 것을 특징으로 하는,
    원통형 포도당 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    포도당 분해효소층은, 글루코스 산화효소(glucose oxidase)으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    원통형 포도당 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 섬유 가닥을 둘러싸는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극을 둘러싸도록 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층을 둘러싸는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원통형 포도당 센서.
  8. 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(strand)을 둘러싸는 포도당 분해효소층;
    상기 포도당 분해효소층을 둘러싸며, 포도당 농도에 따라 발생하는 전류량이 달라지는 포도당 감응층; 및
    상기 포도당 감응층에 증착되어 박막을 형성하는 전극을 포함하는,
    원통형 포도당 센서.
  9. 원통 형상을 가지는 단일의 섬유(fiber) 가닥(strand)에 전극을 증착시키는 단계;
    상기 전극을 둘러싸도록 산화아연층을 형성하는 단계; 및
    상기 산화아연층을 둘러싸도록 포도당 분해효소층을 형성하는 단계를 포함하는,
    원통형 포도당 센서의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 산화아연층을 형성하는 단계는,
    상기 전극 상에 스퍼터링 방식으로 ZnO 시드층(seed layer)를 형성하는 단계;
    상기 형성된 ZnO 시드층에 수열합성법으로 ZnO 나노로드를 성장시키는 단계; 및
    상기 성장시킨 ZnO 나노로드와 CB(carbon black), PVDF를 혼합하는 단계를 포함하는,
    원통형 포도당 센서의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    원통형 포도당 센서의 제조 방법.
  12. 제 8 항의 제조 방법으로 제조된, 포도당 센서.
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